駕駛負(fù)荷量化評(píng)價(jià)方法研究

尹智帥，馬越峰，周 庸

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

駕駛員是“人-車-路”這一封閉環(huán)中的關(guān)鍵組成部分，對(duì)交通安全影響重大。認(rèn)知科學(xué)、人因工程和汽車安全等領(lǐng)域的大量研究表明，駕駛員的駕駛負(fù)荷(主要指精神負(fù)荷)與其駕駛行為以及駕駛安全性密切相關(guān)，駕駛負(fù)荷過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)駕駛安全性造成顯著的負(fù)面影響[1]。

駕駛負(fù)荷的量化評(píng)價(jià)方法主要有3種：主觀評(píng)價(jià)法、車輛操縱績(jī)效評(píng)價(jià)法和心理生理評(píng)價(jià)法[2-4]。

主觀評(píng)價(jià)法主要是通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的形式，讓駕駛員對(duì)駕駛過(guò)程中的緊張程度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，得到一系列針對(duì)駕駛負(fù)荷的量化評(píng)分[5]。這類評(píng)價(jià)方法存在的主要問(wèn)題是不同駕駛員對(duì)駕駛負(fù)荷的自我評(píng)價(jià)缺乏客觀性。因此，應(yīng)用主觀打分的評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果只能作為一種參考。

車輛操縱績(jī)效評(píng)價(jià)法是通過(guò)記錄分析駕駛員在駕駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、加速踏板的踩踏幅度等數(shù)據(jù)，尋找一種或幾種與駕駛負(fù)荷最相關(guān)的操縱特征指標(biāo)[6]，進(jìn)而通過(guò)該指標(biāo)對(duì)駕駛員的駕駛負(fù)荷進(jìn)行一定程度的量化評(píng)價(jià)。

操縱績(jī)效的評(píng)價(jià)方法可以細(xì)分為主駕駛?cè)蝿?wù)評(píng)價(jià)方法和次級(jí)任務(wù)評(píng)價(jià)方法。主駕駛?cè)蝿?wù)評(píng)價(jià)法是指對(duì)駕駛員執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)期間的操縱績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。次級(jí)任務(wù)評(píng)價(jià)法是指駕駛員在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)期間對(duì)其施加一個(gè)次級(jí)任務(wù)，通過(guò)記錄分析其次級(jí)任務(wù)的完成情況，進(jìn)而對(duì)其駕駛期間的駕駛負(fù)荷進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的方法。

心理生理評(píng)價(jià)法是指研究人員通過(guò)監(jiān)控駕駛員在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)期間的心理生理特征指標(biāo)的數(shù)值，對(duì)比不同駕駛?cè)蝿?wù)施加后或駕駛?cè)^(guò)程的數(shù)值變化進(jìn)而與駕駛負(fù)荷之間建立聯(lián)系的方法[7]。

Distasi、Tokuda等基于操作績(jī)效評(píng)價(jià)法對(duì)駕駛負(fù)荷的量化評(píng)價(jià)開(kāi)展研究[8-9]；劉敏、胡江碧等探索了基于心理生理評(píng)價(jià)法對(duì)駕駛負(fù)荷進(jìn)行量化評(píng)價(jià)[10-11]；上述研究提出駕駛車輛全程的最高速度、車速的標(biāo)準(zhǔn)差、眼動(dòng)行為特征等指標(biāo)可用于評(píng)價(jià)駕駛負(fù)荷。

筆者探索構(gòu)建基于操縱績(jī)效和心理生理參數(shù)融合的駕駛負(fù)荷量化評(píng)價(jià)方法，利用駕駛模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備與心電數(shù)據(jù)采集儀器對(duì)駕駛員在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)期間的心電信號(hào)、常規(guī)的操縱績(jī)效指標(biāo)以及駕駛員執(zhí)行次級(jí)任務(wù)的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并提取出一系列參數(shù)特征值。進(jìn)而根據(jù)駕駛員被施加次級(jí)任務(wù)前后的特征值變化，分析上述特征值中與駕駛負(fù)荷之間的相關(guān)性，最終篩選出能夠用于表征駕駛負(fù)荷的指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

筆者基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)施加次級(jí)任務(wù)，篩選與駕駛負(fù)荷有關(guān)的參數(shù)，構(gòu)建駕駛負(fù)荷的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)組。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

筆者所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括兩部分：駕駛模擬器、心電數(shù)據(jù)采集儀器。

駕駛模擬器是由Logitech G29力反饋方向盤、駕駛座椅、集成了加速、制動(dòng)和離合器的底板踏板以及一塊液晶顯示器組成。

心電數(shù)據(jù)采集儀器選用BioRadio 150，該設(shè)備擁有多個(gè)通道，可對(duì)多種生理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用無(wú)線藍(lán)牙方式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，在一定程度上避免傳感線對(duì)駕駛員的干擾。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的虛擬駕駛場(chǎng)景中道路全長(zhǎng)1.5 km，每0.5 km為一段，限速依次為30、50、80 km/h。前兩段均為單車道，不具備超車條件，駕駛員需要進(jìn)行跟車行駛并與前車保持安全距離，同時(shí)還要進(jìn)行左/右轉(zhuǎn)彎行駛。最后一段為雙車道，駕駛員自行判斷是否具備超車條件以及是否進(jìn)行變更車道的超車行為。

駕駛員的實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括操縱駕駛模擬器進(jìn)行駕駛?cè)蝿?wù)和執(zhí)行研究人員對(duì)其施加的次級(jí)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)每一名駕駛員共施加5次次級(jí)任務(wù)，要求駕駛員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前對(duì)3張有編號(hào)的實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行1 min的記憶。實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究人員詢問(wèn)駕駛員(詢問(wèn)時(shí)間間隔為1 min)圖片中的內(nèi)容以及圖片的編號(hào)，并記錄駕駛員的回答情況。參與實(shí)驗(yàn)的駕駛員共11名，均具有較豐富的實(shí)車駕駛經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)給予駕駛員3～5 min的模擬駕駛練習(xí)時(shí)間。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)主要采集駕駛員心電信號(hào)和汽車縱向與橫向運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中心電信號(hào)采集頻率為1 000 Hz。

采集心電信號(hào)目的是為了提取心率變異性(heart rate variability,HRV)，因?yàn)槿梭w內(nèi)交感與副交感神經(jīng)系統(tǒng)變化的量化評(píng)價(jià)方法通常是通過(guò)分析心率變異性得到的。研究表明，心率變異性在低頻段(0.04～0.15 Hz)的功率圖譜與工作任務(wù)的執(zhí)行難度負(fù)荷相關(guān)聯(lián)[12-13]。

實(shí)驗(yàn)所采集的汽車縱向與橫向運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括駕駛員踩踏加速/制動(dòng)踏板的頻率、車輛的實(shí)時(shí)車速和車輛方向盤轉(zhuǎn)角等信息。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)在駕駛員受次級(jí)任務(wù)前后的變化，得到其與駕駛負(fù)荷之間的關(guān)系，從而找到評(píng)價(jià)駕駛負(fù)荷的相應(yīng)指標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 心電數(shù)據(jù)處理

心電數(shù)據(jù)處理的目的是通過(guò)對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，得到心率變異性HRV。

首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的原始心電信號(hào)進(jìn)行去除皮膚電信號(hào)干擾、消除由于駕駛員呼吸引起的基線漂移等預(yù)處理。

其次，分析心電信號(hào)的R-R間期(相鄰兩個(gè)QRS波段中R波之間的時(shí)間)。對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出R點(diǎn)(R點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值大于前一點(diǎn)和后一點(diǎn)的采樣數(shù)值)，再計(jì)算出相鄰R點(diǎn)的時(shí)間即為一個(gè)周期。在采集到的R點(diǎn)數(shù)量不足的情況下進(jìn)行插值處理。

得到R-R間期時(shí)序信號(hào)后，通過(guò)傅里葉變換，即可得到駕駛員心電信號(hào)的HRV圖像，如圖1所示。

圖1 某駕駛員的HRV圖像

實(shí)驗(yàn)分析的心率變異性頻譜集中在研究人員對(duì)駕駛員施加次級(jí)任務(wù)前后。心率變異性的總頻域(total frequency,TP)分析主要分為3個(gè)頻段：超低頻段VFL(ultra low frequency)(頻率<0.04 Hz)、低頻段LF(low frequency)(頻率0.04～0.15 Hz)以及高頻段HF(high frequency)(頻率0.15～0.4 Hz)，表1為某駕駛員駕駛期間的心電信號(hào)功率譜。

表1 某駕駛員的心電信號(hào)功率譜

其中駕駛員在LF頻段的功率譜圖與駕駛負(fù)荷聯(lián)系最緊密，故本次研究重點(diǎn)集中在心電信號(hào)LF頻段的功率譜圖并比較在次級(jí)任務(wù)施加前后LF頻段功率的變化情況，將其作為駕駛負(fù)荷的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

2.2 心電數(shù)據(jù)分析

分析駕駛員在接受次級(jí)任務(wù)后，心電信號(hào)的功率譜的差異性。由于6號(hào)駕駛員與10號(hào)駕駛員的答題正確率分別為0%與100%，數(shù)據(jù)過(guò)于極端，在后續(xù)的分析中舍棄。

全體駕駛員在上述4種行駛時(shí)間段內(nèi)LF頻段的功率平均值如圖2所示。

圖2 全體駕駛員LF頻段的功率平均值

從圖2可知，首先，無(wú)論次級(jí)任務(wù)是否成功，在施加次級(jí)任務(wù)后，駕駛員LF頻段的功率平均值均明顯減小；其次，施加次級(jí)任務(wù)前，駕駛員的駕駛負(fù)荷基本保持一致，而施加次級(jí)任務(wù)成功后，LF頻段的功率降幅較之次級(jí)任務(wù)失敗的情況要更為顯著。由于施加次級(jí)任務(wù)必然導(dǎo)致駕駛員的整體工作負(fù)荷升高，且次級(jí)任務(wù)成功所需分配的工作負(fù)荷高于次級(jí)任務(wù)失敗所需分配的工作負(fù)荷，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LF頻段功率值與駕駛負(fù)荷具有強(qiáng)相關(guān)性，隨著駕駛負(fù)荷的升高，LF頻段功率值下降。

2.3 車輛操縱績(jī)效數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)采集得到的數(shù)據(jù)包括駕駛員駕駛車輛的位置、前車位置、駕駛員車輛實(shí)時(shí)速度、駕駛員所駕駛車輛的方向盤轉(zhuǎn)角以及駕駛員駕駛車輛的加速度。筆者引入5種評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中對(duì)車輛縱向操縱數(shù)據(jù)的特征評(píng)價(jià)指標(biāo)為：緊急制動(dòng)率EBR、車輛加速度變化率AACR、駕駛安全距離平均值A(chǔ)DDS和車速平均值A(chǔ)VS和標(biāo)準(zhǔn)差SD;針對(duì)車輛橫向操縱參數(shù)的特征評(píng)價(jià)指標(biāo)為方向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性SWS。在駕駛員執(zhí)行次級(jí)任務(wù)的前后一段時(shí)間內(nèi)，計(jì)算上述特征指標(biāo)的值進(jìn)行前后對(duì)比，并結(jié)合駕駛員的次級(jí)任務(wù)執(zhí)行情況，找到與駕駛負(fù)荷最密切相關(guān)的特征指標(biāo)，從而達(dá)到對(duì)駕駛員的駕駛負(fù)荷進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的目的。

2.4 操縱數(shù)據(jù)分析

結(jié)合次級(jí)任務(wù)的執(zhí)行情況，對(duì)駕駛員操縱參數(shù)的特征指標(biāo)值進(jìn)行如下處理：從每位駕駛員的次級(jí)任務(wù)執(zhí)行情況中，取一次成功以及一次失敗的數(shù)據(jù)。每次數(shù)據(jù)所取的樣本均是在研究人員施加次級(jí)任務(wù)前30 s以及施加任務(wù)后的30 s，對(duì)比次級(jí)任務(wù)施加前30 s駕駛員的操縱參數(shù)特征值與次級(jí)任務(wù)施加后30 s駕駛員各項(xiàng)參數(shù)特征值，再結(jié)合駕駛員次級(jí)任務(wù)的執(zhí)行情況，討論二者之間的區(qū)別以及聯(lián)系，最終得到與駕駛員駕駛負(fù)荷聯(lián)系最緊密的操縱參數(shù)特征值從而為駕駛負(fù)荷量化評(píng)價(jià)找到計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

表2～表5分別為各位駕駛員在次級(jí)任務(wù)執(zhí)行成功和失敗的情況下，施加次級(jí)任務(wù)前后30 s的操縱參數(shù)特征值。

表2 駕駛員次級(jí)任務(wù)執(zhí)行成功-前30 s操縱參數(shù)特征值

表3 駕駛員次級(jí)任務(wù)執(zhí)行成功-后30s操縱參數(shù)特征值

表4 駕駛員次級(jí)任務(wù)執(zhí)行失敗-前30 s操縱參數(shù)特征值

進(jìn)一步分析得到每位駕駛員EBR、AACR、ADDS、SWS、AVS5項(xiàng)操縱績(jī)效特征指標(biāo)差值(絕對(duì)值)與車速標(biāo)準(zhǔn)差差值(不取絕對(duì)值)在任務(wù)執(zhí)行成功和失敗的條件下的對(duì)比情況，如圖3所示。

表5 駕駛員次級(jí)任務(wù)執(zhí)行失敗-后30 s操縱參數(shù)特征值

從上述5組操縱績(jī)效指標(biāo)的分析結(jié)果可知，次級(jí)任務(wù)執(zhí)行成功或失敗對(duì)不同駕駛員績(jī)效特征指標(biāo)差值的影響程度是不同的。某些駕駛員次級(jí)任務(wù)成功時(shí)的指標(biāo)差值變化幅度大于次級(jí)任務(wù)失敗時(shí)的變化幅度，某些駕駛員的情況則相反。其中，僅駕駛員績(jī)效特征指標(biāo)EBR與AVS在次級(jí)任務(wù)成功與失敗前后的差值基本保持統(tǒng)一規(guī)律，即次級(jí)任務(wù)失敗前后的差值普遍大于次級(jí)任務(wù)成功前后的差值。

圖3 駕駛員操縱績(jī)效特征指標(biāo)差值與次級(jí)任務(wù)執(zhí)行情況對(duì)比圖

由于次級(jí)任務(wù)成功與失敗前后AVS差值曲線仍然存在少部分交叉現(xiàn)象，如圖3所示對(duì)次級(jí)任務(wù)成功與失敗前后的車速標(biāo)準(zhǔn)差差值(不取絕對(duì)值)進(jìn)一步作圖分析，發(fā)現(xiàn)車速標(biāo)準(zhǔn)差差值曲線存在明顯的交叉現(xiàn)象。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)駕駛員心電信號(hào)和操縱績(jī)效參數(shù)的處理和分析，提取并篩選與駕駛負(fù)荷有關(guān)的特征指標(biāo)，得出如下結(jié)論：心率變異性在低頻段的功率值以及一段時(shí)間內(nèi)緊急制動(dòng)率的變化幅度能有效地表征駕駛員的駕駛負(fù)荷。更進(jìn)一步得到，當(dāng)LF頻段功率值較低或一段時(shí)間內(nèi)EBR的變化幅度較大時(shí)，駕駛員的駕駛負(fù)荷較高，反之，駕駛員的駕駛負(fù)荷較低。

3 總結(jié)

針對(duì)駕駛員駕駛期間的駕駛負(fù)荷，采用心理生理以及操縱績(jī)效的評(píng)價(jià)方法，開(kāi)展多組駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取并篩選出駕駛負(fù)荷的有效量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，通過(guò)施加次級(jí)任務(wù)為駕駛員的模擬駕駛增加額外的駕駛負(fù)荷；通過(guò)記錄駕駛員的心電信號(hào)以及各項(xiàng)操縱績(jī)效指標(biāo)，再結(jié)合駕駛員次級(jí)任務(wù)的執(zhí)行情況，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的歸納運(yùn)算，排除不相關(guān)特征指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，在所有特征指標(biāo)當(dāng)中選取與駕駛員駕駛負(fù)荷相關(guān)性最大的指標(biāo)；最后聯(lián)系實(shí)際駕駛情況，得到心率變異性在低頻段的功率值以及一段時(shí)間內(nèi)緊急制動(dòng)率的變化幅度能有效地表征駕駛員駕駛負(fù)荷的結(jié)論。