不同警告方式下駕駛人應激反應能力模擬試驗研究*

趙俊瑋，華 珺， 劉永濤，魏 朗

(長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064)

0 引言

在駕駛過程中，因駕駛人感知遲滯、判斷失誤或行為差錯造成的道路交通事故可以通過先進駕駛輔助系統來改善[1-2]。目前，前方碰撞預警系統、車道偏離預警系統、自動緊急制動系統等可在交通場景危險事件即將發生時提醒駕駛人立刻采取措施來有效避免交通事故的發生。而隨著駕駛輔助系統的融合發展，其使用的警告方式趨于多樣化，駕駛人在不同方式作用下的應激反應能力也存在差異。因此，研究不同警告方式對駕駛人應激反應能力的影響，對于道路交通安全的提升以及先進駕駛輔助系統的設計改進具有十分重要的意義。

國外學者對駕駛人在不同警告方式下表現出的應激反應能力的研究已有一定進展。Zhang等[3]研究了通知警告與命令警告對駕駛人制動響應時間、轉向響應時間的作用，并預測了不同語音預警風格下可能發生碰撞的概率；Winkler等[4-5]先后研究了在不同交通危急情況下單級視覺警報、多級組合警報對駕駛人應激反應時間的影響；Remo等[6]通過駕駛模擬器研究了在不同程度認知干擾的音頻任務下，車內視覺警告系統對駕駛人換道反應速度的影響；Forster等[7]在現有視覺提醒的基礎上，研究了駕駛人在不同類型聽覺提示信息下對危險事件的反應時間。國內目前大多停留在不同交通危險場景下駕駛人應激反應能力的研究。例如，呂愛紅等[8]結合駕駛人操作行為數據和車輛運動數據，建立了駕駛人應激反應能力評估算法，并通過駕駛模擬器試驗驗證了評估算法的可靠性。然而，關于警告方式對應激反應能力影響的研究較少。黎景壯[9]研究了駕駛人在不同預警方式下的應激反應過程，但未深入考慮不同危險場景狀況的影響。

目前對于駕駛人應激反應的研究多以駕駛模擬器為試驗平臺，并且上述學者通過設置虛擬動畫來呈現危險駕駛場景，缺乏一定的真實性，與實際駕駛效果有一定偏差。Vingilis等[10]研究發現，實際駕駛視頻會影響觀看者的駕駛行為，高風險駕駛視頻能夠提升駕駛人駕駛操作反應能力；Kovácsová等[11]通過對十字交叉路口的實際視頻進行剪輯，評測試驗者以不同速度接近路口時的反應判斷能力；華珺等[12]通過實際交通場景視頻對駕駛人反應能力進行測試及培訓，取得了良好的反饋效果。因此，在模擬試驗中使用實際危險場景視頻能夠更好地反映駕駛人應激反應能力。

國外對駕駛人應激反應能力的研究多以駕駛模擬器為試驗平臺、虛擬動畫視頻為試驗場景。而國內對駕駛人應激反應能力的研究尚處于傳統駕駛階段，在駕駛輔助系統下的應激反應能力研究較少。因此，本文分別以計算機與駕駛模擬器為試驗平臺，以實際駕駛視頻為試驗場景，研究駕駛人在不同警告方式下應激反應能力表現差異，以促進先進駕駛輔助技術在提升交通安全方面的發展。

1 試驗設計

1.1 模擬試驗環境及危險場景設置

試驗基于計算機模擬與駕駛模擬器進行指標數據獲取，其中，計算機模擬是通過鼠標點擊軟件界面測試按鈕進行應激反應操作；駕駛模擬器模擬是通過方向盤、加速踏板、制動踏板進行操作。試驗數據的讀取、視頻軟件的播放、警告方式的設置均采用自主開發的駕駛人應激反應能力測試軟件，測試界面如圖1所示。

圖1 軟件測試界面Fig.1 Software test interface

通過資料查閱與文獻調研[13-14]，本試驗采用先進駕駛輔助系統可能感知到的危險場景作為典型測試場景。試驗場景包含6類，每類場景包含視頻6～10個，每個視頻經過剪輯至3 min左右。視頻素材來源于行車記錄儀視頻，提取其中并未發生事故的危險場景，具體場景描述如表1所示。

表1 典型突發事件交通場景Table 1 Typical traffic emergency scenes

1.2 警告方式設置

先進駕駛輔助系統能夠通過傳感器、決策器以及控制器進行危險場景的提示，從最初的聽覺警告到視覺警告都可以有效提醒駕駛人采取避險操作[15]。在實現完全自動駕駛過程之前，研究駕駛人在駕駛輔助系統下的應激反應操作尤為重要。因此，本試驗設置聽覺警告、視覺警告、視聽覺組合警告3種方式。其中聽覺警告通過重復短暫的滴滴聲進行提示；視覺警告通過對場景視頻進行處理，以線框框出危險突發位置進行提示，如圖2所示；視聽覺組合警告是同時使用上述2種警告方式。

圖2 視覺警告測試界面Fig.2 Visual warning test interface

1.3 測試指標

駕駛人對交通突發危險事件的應激反應是快速感知判斷并準確決策、操作的過程，主要考察駕駛人操作的準確度和反應的快慢。因此，選取操作準確度及反應時間2個指標測試駕駛人的應激反應能力。

1)操作準確度：在計算機模擬試驗中被試人正確點擊操作按鈕即為成功應對突發事件；在駕駛模擬器模擬試驗中被試人正確操作方向盤及踏板即為成功應對突發事件。操作的正確動作及時間范圍經過經驗豐富的駕駛人反復確定并在軟件內設置。

2)反應時間：測試視頻播放過程及時間節點說明如圖3所示。當被試人能夠在警告發出后且危險尚未發生時(即td至to段)做出正確避險操作(定義該時刻為tc)，采集反應時間T(T=tc-td)。對于計算機模擬，點擊正確操作按鈕時刻為tc；對于駕駛模擬器，轉向信號、踏板信號開始變化為tc。當被試人在td至to做出錯誤避險操作時，軟件界面顯示事故后果圖，事故后果圖來源于相似場景的實際事故圖；若被試人在危險事件發生(即to時刻)后尚未做出避險操作，視頻停止播放并顯示事故后果圖。只有在操作準確的基礎上才考慮反應時間，否則測試失敗，試驗無效。

圖3 視頻播放過程Fig.3 Playback process

圖3中，ts表示視頻開始播放；td表示危險出現且警告發出；to表示危險事件發生；tc表示被試人采取避險操作。若被試人在警告發出后無法做出避險操作，則警告信息持續至to，視頻停止播放，警告結束。

1.4 被試人選取

首先利用應激反應能力測試軟件考察候選被試人的計算機和駕駛模擬器操作能力，并進行初步應激反應能力測試以保證其能力不存在顯著差異。最終選取24名被試人員，包括20名男性和4名女性，其年齡為24～28歲，平均年齡26歲，駕駛里程均在10 000 km以下。根據警告方式的不同，分為聽覺警告組、視覺警告組、視聽覺警告組以及無警告組。將被試人隨機分配到上述4組，每組6人(包括5名男性和1名女性)，每組被試人均需完成計算機模擬試驗和駕駛模擬器試驗。

1.5 測試流程

各組被試應激反應能力測試流程如下：

1)各組被試人首先熟悉應激反應能力測試軟件操作流程，包括計算機操作按鈕以及駕駛模擬器控制操作。由于計算機模擬點擊與通常駕駛操作有所不同，為保證測試結果更加準確可靠，需對被試人進行正式試驗前的指導。

2)各組被試人從軟件入口分別選擇模擬試驗方式進行測試。每組測試包含6題，每題為1個不同場景視頻，視頻播放間隔為2 min，每組試驗約需進行30 min，完成試驗并適當休息后進行另一種模擬試驗。

3)若各組被試人準確采取避險措施，則視頻順利播放，軟件存儲記錄其反應時間。若采取錯誤避險操作或未采取避險操作，則視頻停止播放，并彈出相應事故場景后果圖，如圖4所示。記錄初次試驗數據作為基準數據。

4)由于被試人需要一定時間熟悉警告方式，因此反復訓練至能夠熟練掌握測試后，記錄被試人最優試驗數據，并與初次實驗的基準數據進行對比。測試流程如圖5所示。

圖4 類似場景事故后果Fig.4 Similar scene accident consequence

圖5 測試流程Fig.5 Test process

2 數據處理與結果分析

2.1 操作準確率

在計算機模擬試驗和駕駛模擬器試驗中分別統計各組被試人的操作準確度，并按照式(1)計算被試人在不同警告方式下反復訓練前后的平均操作準確率。圖6反映了4組被試人在2種模擬試驗條件下初次試驗的操作準確率。圖7～8分別反映了4組被試人在計算機模擬試驗和駕駛模擬器試驗中反復訓練后操作準確率的最優表現相對于初次試驗的變化情況。

(1)

式中：O為平均操作準確率；N為被試人數量；Ci為每名被試人正確題數；z為每名被試人測試總題數。

由圖6可知，在2種模擬試驗中，被試人在視聽覺警告和視覺警告下的操作準確率均明顯高于聽覺警告和無警告的情形。對于有警告的組別來說，無警告組由于需要被試人自行判斷可能發生的危險事件而可能存在感知遲滯或判斷失誤的情況，因此操作準確率較低。而視覺警告方式由于用線框的形式展現出危險存在的位置，向被試人傳遞的信息更加明確，能夠為駕駛人提供相對充足的時間做出應激反應，因此其操作準確率相比于聽覺警告組更高。這也使得視覺警告對于視聽覺警告組被試人的操作準確率起主要作用。

圖6 初次試驗平均操作準確率Fig.6 Average operation accuracy of initial test

由圖7和圖8可知，經過反復訓練后，被試人的平均操作準確率在2種模擬實驗中均得到了有效提升。在計算機模擬實驗中，聽覺警告組、視覺警告組、視聽覺警告組和無警告組的平均操作準確率在反復訓練后分別提升70.59%，30.77%，28.00%和16.67%；在駕駛模擬器試驗中，則分別提升50.00%，29.63%，21.43%和42.86%。這說明反復訓練能夠有效提升駕駛人的應激反應操作準確度。然而，無警告組的操作準確率仍較低。

圖7 計算機模擬訓練前后平均操作準確率Fig.7 Average operation accuracy before and after computer simulation training

圖8 駕駛模擬器訓練前后平均操作準確率Fig.8 Average operation accuracy before and after driving simulator training

2.2 反應時間

圖9反映了4組被試人初次進行計算機模擬試驗和駕駛模擬器試驗所測得的反應時間分布情況。經方差分析可知，視覺警告組和視聽覺警告組被試人的反應時間在計算機模擬試驗(p=0.707)和駕駛模擬器試驗(p=0.617)中均無顯著差異，這再次證明了視覺警告在復合警告方式中發揮的主要作用。而上述2組與聽覺警告組相比差異明顯(p<0.05)，說明在本試驗中視覺警告方式效果優于聽覺警告。無警告組反應時間明顯長于其他3組被試人反應時間(p<0.05)。

圖10～11分別顯示了4組被試人在計算機模擬訓練和駕駛模擬器訓練后相較于初次試驗的反應時間分布情況。經方差分析可知，聽覺警告組、視覺警告組和無警告組在計算機模擬訓練后的反應時間有了明顯縮短(p=0.046，p=0.031和p=0.048)；而視聽覺警告組雖變化不大(p=0.657)，但最大反應時間縮短了0.675 7 s。說明反復訓練能夠提高駕駛人在先進輔助駕駛系統下的應激反應能力。在駕駛模擬器訓練后，雖然4組被試人反應時間沒有明顯變化(p=0.213，p=0.089，p=0.409和p=0.123)，但由圖11可知，反應時間相較于初次試驗在更短的時間處分布更為密集，說明駕駛模擬器訓練能夠有效縮短駕駛人面對危險事件時采取避險操作的反應時間。

圖9 初次試驗反應時間Fig.9 Reaction time in initial test

圖10 計算機模擬訓練前后反應時間Fig.10 Reaction time before and after computer simulation training

圖11 駕駛模擬器訓練前后反應時間Fig.11 Reaction time before and after driving simulator training

2.3 模擬試驗對比分析

雖然計算機模擬試驗和駕駛模擬器試驗均能從一定程度上反映先進輔助駕駛系統的不同警告方式對駕駛人應激反應能力的影響，但由圖6和圖9可知，與計算機模擬試驗相比，4組被試人在駕駛模擬器試驗中所表現出的平均操作準確率更高，反應時間更短。這可能是由于計算機模擬試驗要求被試人移動鼠標并使用鼠標點擊屏幕按鈕以完成避險操作，其操作方式區別于通常的駕駛操作，使得被試人缺乏駕駛體驗感，操作準確率降低；而移動鼠標的過程也占用了一部分反應時間，使得反應時間延長。同時，計算機模擬試驗的操作靈敏度容易受設備性能影響，從而導致試驗結果出現較大偏差。而駕駛模擬器試驗更接近于真實駕駛操作場景，因此其反映出的操作準確率和反應時間更符合駕駛人真實的應激反應能力水平，測試效果更好。

此外，過去的駕駛模擬器研究多使用動畫視頻作為測試場景，而實際駕駛視頻的使用能夠更加逼真地展現駕駛場景，提高所獲取數據的真實性。

3 結論

1)在相對理想的試驗環境(無外界聲音干擾且被試人無分心情況)中，模擬駕駛輔助系統的不同警告方式能夠反映駕駛人的應激反應能力，且反復訓練能夠有效提升駕駛人的操作準確率并縮短反應時間。

2)相較于無警告組，視覺警告可有效縮短駕駛人應激反應時間；視聽覺組合警告中視覺警告方式發揮主要作用，聽覺警告方式起輔助作用；聽覺警告方式的效果略差于視覺警告方式和視聽覺組合警告方式。

3)計算機模擬試驗中存在操作誤差，而通過駕駛模擬器試驗獲取的測試數據所反映的應激反應表現更接近于實際駕駛情況；同時，在模擬試驗中，使用真實場景視頻作為測試素材能夠有效測試駕駛人應激反應能力。

4)試驗通過在視頻素材中直接框出危險點的方法設置視覺警告方式，但對于駕駛輔助系統來說，對駕駛人直接進行視覺提醒的技術還有待完善。同時，本試驗尚未考慮到駕駛輔助系統存在一定的誤報警概率。這是接下來需要進一步研究的方向。