駕駛經驗對L3級自動駕駛接管績效的影響*

王琳巖，張慧珺，胡宏宇

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

前言

自動駕駛汽車可以為人們的出行方式提供更安全、更節能、更舒適的方案，是國內外公認的工業體系核心戰略發展方向之一。2021年4月更新發布的SAE J3016［1］標準中針對汽車自動化級別進行了劃分和描述，明確了不同等級自動駕駛系統的功能以及駕駛員和系統的責任范圍。在所有級別中，L3級有條件自動駕駛系統由于能夠在大多數常規道路上實現自主行駛且無需駕駛員監管，因此具有更大的市場應用前景，已成為國內外許多車企重點布局的目標量產產品。

L3級有條件自動駕駛可以在其設定的操作設計域（operational design domain，ODD）內執行全部動態駕駛任務（dynamic driving task，DDT）。但自動駕駛系統一旦發生系統失效或者故障，將無法可靠地執行動態駕駛任務，進而導致事故的發生，因此需要人工干預。此時，系統會向駕駛員發出接管請求（take-over request，TOR），駕駛員需要及時響應并接管車輛。在L3級自動駕駛期間，駕駛員不需要對車輛進行監控，可以從事各種非駕駛任務（nondriving related tasks，NRDT）［2］，其手、腳、眼、腦等感官往往處于離環狀態（out of the loop，OOTL）。這種情況下，駕駛員對駕駛環境的感知理解將減弱，尤其是在長時間的非駕駛任務后，接管車輛重新回到在環狀態（in the loop，ITL）進行操縱將極具挑戰性［3］。Zeeb等［4］和Kerschbaum等［5］認為接管過程包括以下幾個心理和生理階段：（1）將注意力從非駕駛任務轉移到駕駛環境上；（2）評估當前駕駛場景做出決策；（3）將手、腳移動到轉向盤、踏板上準備進行操縱；（4）最終通過轉向盤、踏板執行操縱。當L3級自動駕駛車輛發出TOR時，盡管它不能再安全地執行操作，但可以通過HMI來輔助駕駛員做出決策。

關于駕駛員年齡和駕駛經驗方面，Clark等［6-7］發現，相比于年輕駕駛人，年齡較大的駕駛人偏離道路中心線的程度更低，駕駛速度相應較低。徐筱秦等［8］表示，年齡對接管反應時間沒有影響，而在接管操作方面有差異，有經驗的中年駕駛員比沒有經驗的年輕駕駛員能夠識別出更多的危險，時間預算更短。

本研究旨在探討不同駕駛經驗對駕駛員接管績效的影響。根據駕駛員駕齡和年均駕駛里程將參與者分為駕駛經驗不足和駕駛經驗豐富兩組，在駕駛模擬器平臺上進行實驗，設計了不同非駕駛任務、視覺輔助和緊急避障接管場景來模擬L3級自動駕駛中的接管過程，采集表征參與者反應時間和接管績效的一系列測量指標進行統計分析，預期為駕駛經驗與接管績效的相關性研究提供理論依據。

1 方法

1.1 實驗參與者

實驗招募了24名參與者（男性16名，女性8名），年齡范圍在22至51歲之間，平均年齡29.95歲。實驗參與者均持有我國有效駕照，平均駕齡為8.04年，平均年均駕駛里程為7 283.33 km，年均駕駛里程標準差為8 893.36 km，并且所有參與者沒有過L3級自動駕駛相關經驗。參與者中年輕駕駛員為在校大學生，駕齡和年均駕駛里程較短；中年駕駛員駕駛經驗相對較為豐富。

表1 參與者信息

1.2 實驗設備

實驗在模擬L3級自動駕駛功能的駕駛模擬器平臺上進行，具體包括以下設備：工作站主機、駕駛場景顯示屏、一個額外的7英寸小屏幕用于顯示視覺輔助、一個用作非駕駛任務的平板電腦、聽覺提醒音響、羅技G29 Driving Force模擬賽車轉向盤、制動和加速踏板等。如圖1所示，在實驗過程中自動駕駛期間，參與者的手、腳、眼和注意力可以脫離駕駛任務。

1.3 實驗設計

實驗場景為通過Prescan-Simulink軟件聯合仿真環境下搭建的總體區域長1 000 m、寬500 m的城市道路場景，包括雙向四車道和雙向六車道。在接管請求發出前，L3自動駕駛汽車以50 km/h的速度在城市道路上行駛。緊急避障接管場景中分為兩種情況：前方道路施工區域和道路上出現墜落物（見圖3）。接管請求發出后，參與者需要進行制動或換道以避開障礙。參與者可以直接通過轉動轉向盤或踩下制動踏板來停用自動駕駛功能，重新控制車輛。

當L3級自動駕駛系統超過其ODD時，系統無法繼續安全執行駕駛任務，但此時仍然可以通過HMI顯示信息采集、信息分析和決策選擇階段的可用信息。實驗中的接管請求使用1 s左右的“WARNING”人聲警報音作為TOR，同時伴有如圖3所示的3種視覺輔助。

（1）無輔助：“WARNING”圖像代表無規劃信息。

（2）文字輔助：“向左/向右”和“制動”圖像代表文字型視覺輔助。

（3）圖標輔助：綠色箭頭和紅色三角圖像代表圖標型視覺輔助。

實驗中的次任務選擇了看視頻（認知和視覺任務）和玩游戲（認知、視覺和動作任務）。各組實驗中，接管場景出現的位置和時間略有不同，并且接管請求的類型和非駕駛任務出現的順序都是隨機的，以此降低學習效應。

1.4 實驗流程

實驗開始前，參與者被要求填寫一份包括年齡、性別和有關駕駛經歷的問卷。然后，向參與者介紹研究目的、實驗要求、模擬器功能和參與者在實驗中的任務角色。之后，參與者坐在駕駛模擬器中，將座椅調整到舒適的位置，以確保他們能夠看到駕駛場景屏幕、視覺輔助屏幕和非駕駛任務設備。

接下來，參與者在駕駛模擬器中進行5-10 min的練習，以熟悉駕駛場景、自動駕駛系統和接管操作。練習實驗場景與正式實驗場景相似。同時，向參與者解釋每一種視覺輔助的含義。參與者被要求在自動駕駛開啟時進行非駕駛任務，將手離開轉向盤，腳離開踏板，此時不必時刻關注道路。

在準備和練習之后，在正式實驗中，每名參與者在L3級自動駕駛模擬器上通過不同的非駕駛任務和視覺輔助組合，進行了6組實驗。每組實驗中自動駕駛持續約3 min，然后當碰撞時間（time to collision，TTC）低于6 s時，系統會發出TOR，其中包括1 s左右的“WARNING”人生警報和一種類型的視覺輔助。然后參與者需要根據所看到的視覺輔助給出的決策建議或自身經驗規避障礙。

每組實驗結束后，參與者休息3-5 min；同時，實驗人員保存實驗數據，修改實驗場景。

1.5 實驗指標及其預處理

本實驗采用了如下客觀測量指標來獲取參與者的反應時間和接管績效。

（1）操縱反應時間：操縱反應時間指從TOR發出開始到第一個可檢測到的轉向或制動輸入之間的時間，單位為s。

（2）車速標準差：TOR發出后手動駕駛期間的車速標準差，單位為m/s。

（3）最大轉向盤轉角：TOR發出后手動駕駛期間轉向盤轉過的最大角度，單位為rad。

（4）轉向盤轉角標準差：TOR發出后手動駕駛期間轉向盤轉角的標準差，單位為rad。

（5）車道位置標準差：TOR發出后手動駕駛期間車輛中心線與車道中心線之間偏移距離的標準差，單位為m。

（6）最大合加速度：TOR發出后手動駕駛期間的最大合加速度，單位為m/s2。

式中：ax為縱向加速度；ay為橫向加速度，單位為m/s2。

由于數據記錄不當，或者有些參與者在接管請求發出前已經觸碰了轉向盤，從144組（24名參與者×6組試驗）實驗數據中排除了9組數據。

2 實驗結果

2.1 操縱反應時間

圖4為不同駕駛經驗的參與者在操縱反應時間上的對比情況。不同駕駛經驗的參與者在無輔助條件下（配對t檢驗，p=0.136＞0.05）、文字輔助條件下（配對t檢驗，p=0.184＞0.05）和圖標輔助條件下（配對t檢驗，p=0.421＞0.05）的反應時間均不存在顯著差異。駕駛經驗豐富的參與者之間，不同視覺輔助下的反應時間不存在顯著差異（F（2，63）=0.197，p=0.769＞0.05）；駕駛經驗不足的參與者之間，不同視覺輔助條件下的反應時間不存在顯著差異（F（2，63）=0.903，p=0.447＞0.05）。

2.2 車速標準差

圖5顯示了不同駕駛經驗參與者的車速標準差對比情況。不同駕駛經驗的參與者，在無輔助條件下的車速標準差存在顯著差異（配對t檢驗，p=0.036＜0.05），在文字輔助條件下（配對t檢驗，p=0.078＞0.05）和圖標輔助（配對t檢驗，p=0.112＞0.05）條件下不存在顯著差異。駕駛經驗豐富的參與者之間，不同視覺輔助下的最大轉向盤轉角不存在顯著差異（F（2，63）=0.645，p=0.583＞0.05）；駕駛經驗不足的參與者之間，不同視覺輔助條件下的反應時間不存在顯著差異（F（2，63）=0.792，p=0.465＞0.05）。

2.3 最大轉向盤轉角

圖6顯示了不同駕駛經驗參與者的最大轉向盤轉角對比情況。不同駕駛經驗組別的參與者在無輔助（配對t檢驗，p=0.024＜0.05）、文字輔助（配對t檢驗，p=0.027＜0.05）和圖標輔助（配對t檢驗，p=0.047＜0.05）條件下的最大轉向盤轉角均存在顯著差異。駕駛經驗豐富的參與者之間，不同視覺輔助下的最大轉向盤轉角不存在顯著差異（F（2，63）=2.832，p=0.067＞0.05）；駕駛經驗不足的參與者之間，不同視覺輔助條件下的最大轉向盤轉角存在顯著差異（F（2，63）=3.212，p=0.031＜0.05）。

2.4 轉向盤轉角標準差

圖7為不同駕駛經驗參與者的轉向盤轉角標準差的對比結果。不同駕駛經驗組別的參與者在無視覺輔助的條件下，轉向盤轉角標準差存在顯著差異（配對t檢驗，p=0.005＜0.01），在文字輔助條件下的轉向盤轉角標準差不存在顯著差異（配對t檢驗，p=0.112＞0.05），在圖標輔助的條件下轉向盤轉角標準差不存在顯著差異（配對t檢驗，p=0.083＞0.05）。駕駛經驗豐富的參與者之間，不同視覺輔助下的轉向盤轉角標準差不存在顯著差異（F（2，63）=0.462，p=0.598＞0.05）；駕駛經驗不足的參與者之間，不同視覺輔助條件下的轉向盤轉角標準差存在顯著差異（F（2，63）=3.236，p=0.043＜0.05）。

2.5 車道位置標準差

圖8顯示了不同駕駛經驗參與者的車道位置標準差對比情況。不同駕駛經驗組別的參與者在無輔助（配對樣本t檢驗，p=0.186＞0.05）、文字輔助（配對樣本t檢驗，p=0.423＞0.05）和圖標輔助（配對樣本t檢驗，p=0.407＞0.05）條件下的車道位置標準差均不存在顯著差異。不同視覺輔助條件下，駕駛經驗豐富的參與者之間（F（2，63）=1.976，p=0.364＞0.05）和駕駛經驗不足的參與者之間（F（2，63）=1.632，p=0.233＞0.05）的車道位置標準差均不存在顯著差異。

2.6 最大合加速度

圖9顯示了不同駕駛經驗參與者的最大合加速度差異。不同駕駛經驗組別的參與者之間在無輔助條件下的最大合加速度存在顯著差異（配對樣本t檢驗，p=0.017＜0.05），在文字輔助（配對樣本t檢驗，p=0.173＞0.05）和在圖標輔助（配對樣本t檢驗，p=0.071＞0.05）條件下的最大合加速度均不存在顯著差異。不同視覺輔助條件下，駕駛經驗豐富的參與者之間（F（2，63）=0.776，p=0.301＞0.05）和駕駛經驗不足的參與者之間（F（2，63）=0.972，p=0.147＞0.05）的最大合加速度均不存在顯著差異。

3 討論

通過對實驗中參與者的反應時間數據分析可以發現，不同駕駛經驗對于接管過程中的操縱反應時間沒有顯著影響。這一點與先前Clark［6-7］和徐筱秦［8］等的研究結果一致。然而，一些將接管時間與駕駛員年齡相關的研究結果與駕駛經驗的影響有些許差異。例如，Gold等［9］的研究發現，46歲以下的駕駛員接管時間比平均值更短；而Lee等［10］在針對年輕人（20-35歲）和老年人（60-81歲）的兩組實驗中卻發現老年人的各項反應時間低于年輕人。由此發現，在這些研究中對年齡分組和駕駛經驗分組的定義缺乏共識，尤其是包含駕駛經驗豐富的年輕駕駛群體，可能會混淆后續的統計分析。

在無輔助的情況下，駕駛經驗不足的參與者在接管過程中的車速標準差相對于駕駛經驗豐富的參與者更大。這反映了依靠自身經驗完成接管時，經驗不足的參與者對車速的把控能力較弱。而在具有視覺輔助下不同駕駛經驗的參與者避障過程中的車速標準差不存在顯著差異，是因為參與者在收到接管請求后回歸駕駛場景時，對車速的感知不足造成的。

不同駕駛經驗的參與者在最大轉向盤轉角上有著顯著的差異；同時，在輔助條件不同的情況下，駕駛經驗不足的參與者在最大轉向盤轉角和轉向盤轉角標準差上都存在顯著差異，而駕駛經驗豐富的參與者之間并沒有顯著性差異。這表現出駕駛經驗對于接管績效中的車輛橫向控制有明顯的影響，經驗豐富的參與者接管過程中的變道操作更平穩，而經驗不足的參與者在有無視覺輔助的情況下橫向控制差異明顯。車道位置標準差同樣顯示出經驗豐富組略小于經驗不足組，但沒有顯著的統計學差異。

最后，在無輔助的條件下駕駛經驗不足的參與者和駕駛經驗豐富的參與者之間的最大合加速度存在顯著差異。數值小的最大合加速度表示參與者對TOR的反應更穩定，這也說明依靠自身經驗接管車輛時，經驗豐富的參與者在TOR之后能更平穩安全地控制車輛。

4 結論

本實驗研究了L3級自動駕駛接管過程中駕駛經驗對接管績效的影響，并對實驗中采集的反應時間、表征駕駛員接管績效的車輛參數進行了分析。結果表明，具有不同駕駛經驗的參與者在反應時間上并沒有顯著差異。然而，豐富的駕駛經驗在最大轉向盤轉角、轉向盤轉角標準差等指標上表現出了顯著的提升。同時，在無視覺輔助的情況下，經驗不足組與經驗豐富組之間的差異更加明顯。因此，在L3級自動駕駛接管過程中，經驗豐富的駕駛員能夠更平穩、安全地恢復對車輛的控制。本實驗為今后研究駕駛經驗與接管績效的相關性提供了參考。