驾驶模拟器在驾驶行为和心理影响因素研究方面的应用

向往，闫学东，王江锋

(北京交通大学交通运输学院，北京 100044)

驾驶员是引发交通事故的主要原因，对驾驶员驾驶行为和心理的研究已成为交通安全的研究热点。但实车实验常常难以满足安全性、经济性、可控性和数据采集的要求，因此高仿真度驾驶模拟器已成为研究驾驶人行为和心理的重要工具。

在利用驾驶模拟器研究驾驶行为和心理影响时，选定研究的影响因素，让驾驶员在特定的模拟驾驶环境中行驶，代替实车进行实验，通过车辆上的检测器和传感器检测评价指标，得到车辆控制数据、驾驶员的认知行为和生理变化等客观数据，并辅以驾驶员的主观评价分析结果，对驾驶行为和心理的影响进行综合评价。本文对国内外利用驾驶模拟器进行驾驶行为和心理研究的现状进行了归纳和总结。

1 驾驶行为和心理的影响因素

驾驶员的驾驶行为和心理会受到很多外界因素的影响，包括干扰因素、身体损害、病理影响与康复、群体和个人差异以及驾驶态度等。

1.1 干扰因素

干扰因素是指驾驶员在驾驶过程中所受到的外界干扰，能够减弱驾驶员处理突发情况的能力和效率。驾驶模拟器可以利用实物或者计算机代码输入场景将干扰因素反映出来，然后检测驾驶员的驾驶操作行为，研究不同情况下驾驶员的驾驶操作、注意力变化及损害程度。图1给出了造成驾驶员注意力分散的主要干扰因素。

对干扰因素的研究主要集中于通讯设备、MP3、谈话等对驾驶员的影响，在不同交通量情况下，干扰因素存在时驾驶操作都是非正常的［1］。由于在驾驶时使用手机的情况比较严重，手机对驾驶绩效、驾驶员注意力、多种条件下的驾驶操作影响都有研究［2－4］。通过在行人过街、车辆并线、前车刹车三种情况下观测驾驶员的反应和眼动，证明MP3对驾驶员操作有影响［5］。另外，乘客和驾驶员的谈话等也会对驾驶员造成影响［6］。

图1 干扰因素的分类Fig.1 Classification of interference factors

1.2 身体损害

身体损害是指驾驶员的视觉、听觉、触觉等生理机能受到外物的损害，包括酒后驾驶、药物刺激后驾驶、视力矫正、视野盲区和听力损失等。驾驶模拟器可以通过逼真的图像和声音输入模拟真实场景，设计实验测试身体损害驾驶员的驾驶行为、认知行为和生理变化，判断身体损害的综合影响。

国内外研究的热点是酒后驾车和药物刺激后驾车，无论是新手还是熟练驾驶员，在喝醉情况下对危险情况的处理能力都会降低［7］。醉酒驾驶在驾驶操作、认知能力和自我克制等方面对驾驶员影响严重［8］，摄入少量酒精和缺乏睡眠也会降低在危险情况下的认知能力［9］。另外，还有人研究大麻、利他灵等药物对驾驶员身体和驾驶行为的影响［10－12］。

1.3 病理影响与康复

病理影响与康复是指驾驶员在疾病状态下和康复过程中的驾驶行为和心理。病理影响与康复的研究主要是侧重病人驾驶员的驾驶操作、生理变化和认知行为，分析与正常驾驶员的差别，判断病人是否适合驾驶，并将这种变化作为反映病人病情的指标，连续性的指标测量能反映病人治疗效果和康复情况。此外，驾驶模拟器还能作为特定疾病的康复手段。使用驾驶模拟器可以研究驾驶不当与各种形式的神经损伤或疾病的关系，表1给出了文献记载的利用驾驶模拟器研究过的疾病。

表1 文献记载利用驾驶模拟器研究过的疾病Table 1 Recorded disease researched with a driving simulator

1.4 群体和个体差异

群体差异是指年龄、驾龄、性别的差别，新手和熟练的驾驶员发生的交通事故数据不对称，驾驶操作差异大，年龄和性别也使驾驶操作具有一定差异。个体差异是指驾驶员的身体状况和生活、工作习惯的不同，驾驶时间、肥胖、饮食、运动频率、特殊职业等都会造成驾驶操作的差异。驾驶模拟器可以检测出这些差异，为交通管理和交通安全研究提供理论基础。

群体和个体差异的研究主要集中在年龄、驾龄、性别和驾驶疲劳等方面。年龄对驾驶员的认知、车辆操作、危险情况感知等方面都有影响［33－35］，新手驾驶员的危险洞察力、操作能力、心理承受能力都有欠缺［36－37］，在反应时间上性别的差异比较明显［35］。对于驾驶疲劳，有身体不同部位的疲劳研究，如脑力疲劳、精神疲劳、腰部疲劳和肌肉疲劳等［39－42］;也有疲劳的原因研究，如单调环境、混乱的声音等［43－44］;探求驾驶员疲劳时身体变化的研究，脑电信号、心电信号、肌电信号、血氧含量等［45－47］。高龄驾驶和疲劳驾驶会导致认知能力、反应时间、紧急情况处理能力等下降;新手和熟练驾驶员的差异主要反映在车道保持、对车辆间距的判断、复杂的机动操作和交叉口决策等方面;女性比男性驾驶更加专注、遵守操作规范和交通规则、更加谨慎等，而男性比女性反应时间短、车速快、危险情况处理好、不易产生疲劳等。

1.5 驾驶态度

驾驶态度是指驾驶员对路权、车速、拥挤、可插间隙等的认知，除了与驾驶员本身性格有关外，与愤怒、激动、伤心、抑郁等不同的情绪也有关。驾驶模拟器能够记录车辆运行状况，监测驾驶员的驾驶操作，检测不同驾驶态度驾驶员的驾驶行为。

侵犯型驾驶行为与驾驶员的安全倾向之间有相关性，并与驾驶员的自恋有直接关系。侵犯型驾驶行为是习得的，归因和环境是导致侵犯型驾驶行为的主要因素。侵犯型驾驶行为对交通安全有危害，而谨慎型驾驶行为影响道路实际通过能力［48－50］。对驾驶时情绪的研究有生气对驾驶的影响，以及生气与多种情绪之间的对比等［51－52］。

2 驾驶行为和心理的影响评价指标

评价指标能够定量地表达影响程度，反映驾驶员驾驶行为和心理变化等。

2.1 车辆控制

车辆控制指标是指通过各种车载传感器自动检测获取，通过后期数据处理能够反映驾驶行为的参数，这些参数具有客观性，能够为驾驶员驾驶行为和心理的研究提供客观依据。表2给出了表征车辆控制的指标。

表2 车辆控制指标分类Table 2 Classification of vehicle control factor

车辆控制指标与道路状况、交通状况、驾驶员性格、驾驶经验、驾驶熟练程度、驾驶员生理和心理状况等都有关。加减速实现车速的变化，不仅影响自身驾驶的舒适性和安全性，还影响后续车辆的驾驶操作，此指标能够反映驾驶员对接受周围交通环境刺激后所做出的反应能力［1］。车道控制涉及车道保持和车道转换，由方向盘转向实现，能够反映驾驶稳定性和驾驶态度，跟驾驶员精神状况和熟练程度相关［3］。行车轨迹用于分析驾驶员的驾驶态度，表征不同驾驶员在遇到同样的交通情况时的处理方式［7］。

2.2 认知行为

驾驶员的认知行为指标包含反应时间、视觉行为、认知能力等，图2给出了认知行为指标的分类。

反应时间是指驾驶员接受刺激之后到明显反应开始所需要的时间，因人而异，并与刺激物的类型有关，触觉、听觉、视觉刺激的反应时间各不相同［38］。视觉行为是指驾驶员通过视觉获得交通信息的行为［35］。认知能力指驾驶员加工、存储和提取交通信息的能力，即从各个方面获取信息的准确率，是集合视觉、听觉、触觉、嗅觉等多种形式的综合指标［34］。

图2 认知行为指标分类Fig.2 Classification of cognitive behavior factor

2.3 生理变化

生理状态除了存在个体差异和群体差异，在正常状态和驾驶状态下也有不同，在驾驶模拟过程中可以通过医学手段寻找其中的规律，反映生理变化。生理变化指标包括生物电信号和血液等。图3给出了生物电信号的检测和分析过程。

图3 生物电信号检测与分析过程Fig.3 Detection and analysis process of a bio－electricity signal

生物电信号包括脑电信号、心电信号和肌电信号，3者结合能够分析驾驶员对刺激的反应和特殊条件对身体的影响，间接反映驾驶员心理的变化。脑部是驾驶员的信息处理中心和指令中心，脑电信号可以研究驾驶对驾驶员生理的综合影响［39］。心电信号可以分析和鉴别驾驶员的心率变化和心率变异性，心率是现代医学研究中描述患者情绪的重要指标［46］。肌电信号可以反映进行不同的驾驶操作时驾驶员的肌肉变化，检测肌肉的疲劳状况［42］。

血液指标主要包括血压和血液成分。血压跟驾驶员自身特点有关，也和情绪和药物刺激有关，驾驶员的疲劳、群体和个体差异都能够在血压上有所反映［43］。时刻变化的血液成分直接影响各项身体机能，分析某种物质在血液中的时序效应，可以从生理层面研究驾驶员在特殊条件下驾驶行为的变化。

表3给出了国内外的驾驶行为和心理研究中使用过的指标对比，国内使用过的指标不如国外齐全，缺乏对认知行为和生理变化的研究，尤其是在病理影响与康复领域国内比较欠缺。

表3 国内外驾驶行为和心理研究中使用过的指标Table 3 Comparisons of factors used in global driving behavior and psychology

3 实验方法

在利用驾驶模拟器进行驾驶行为和心理研究时，实验方法如自设计直接影响分析结果的可靠性。

3.1 实验样本

实验样本是实验过程中抽取的实验对象的样本数，具有代表性、针对性和可控性。样本取样的关键问题是选取合适的样本量。通过SCI、SSCI和EI检索了相关研究领域的100篇文献，其中选取多组样本的文献65篇，选取一组样本的文献35篇，所采用的样本数比较如图4所示。

图4 国外在一组样本和多组样本情况下的样本量取值Fig.4 Sample size under a group of samples and multiple groups of samples collected abroad

一般多组样本的实验比一组样本的实验样本量大，多组样本实验采用的样本数为20～80，平均样本量为58;一组样本实验采用的样本数为10～30，平均样本量为23。实验样本量的选取除了要考虑实验目的外，还受到资金、获得样本的难易程度等因素的制约，因此，样本量的选取需要综合考虑多个因素。样本量确定之后，需要确定样本结构，包括样本中的性别比例、年龄分布、驾龄分布、职业分布以及身体状况等。

3.2 实验仪器设备

实验仪器设备包括驾驶模拟器及其附属设施和人体测试仪器。目前，用于研究的驾驶模拟器以三屏幕主动式和液压伺服体感为主，国内大多数研究机构使用三屏幕主动式驾驶模拟器［2，36，39］。液压伺服体感驾驶模拟器(如TOYOTA、NADS－1)尽管价格昂贵，但能够提供震动、倾斜等运动体感，可以更加逼真地模拟驾驶过程。场景输出一般使用计算机生成图像(CGI)，除了驾驶模拟器，表4给出了实验需要的附属设施和测量人体的仪器。

表4 人体测量的仪器Table 4 Human body measurement apparatus

3.3 实验过程设计

(1)实验前准备。保证实验设备的齐全;让工作人员熟悉实验流程，明确每段实验的开始时间和结束时间、需要人工测试的内容和时刻;对实验人员进行相关的培训，根据实验需要对实验人员在实验前的一段时间进行生理和心理调节。

(2)选择实验形式。根据样本组的不同将实验形式分为一组样本和多组样本2种，一组样本实验是同一组人员在不同外界环境下进行实验，驾驶时间、驾驶环境等外在因素存在差异;多组样本实验是不同人员的实验组和对比组进行对比实验，研究不同组人员之间的差异。2种形式的实验都可能会进行重复实验，在重复实验中驾驶员会对驾驶环境产生记忆，影响相同环境下的驾驶操作，因此，在驾驶场景不会对测试指标产生明显影响情况下，需要对驾驶环境进行适当的变化以减小重复实验对实验人员的影响。

(3)检测实验数据。实验数据有电子设备自动记录的数据，例如车辆操纵数据、生理信号等;也有人工记录的数据，如对特定驾驶员的行为和特殊情况的记载等，人工记录过程中不能干扰驾驶员操作。

3.4 结果分析方法

常用的分析方法主要有均值分析、方差分析、相关性分析和回归分析。前3种主要是均值、方差和相关系数的差异显著性检验，其适用情况见表5和表6。回归分析检测2个指标之间的一般关系，以线性回归为主。

表5 均值和相关系数差异显著性检验方法选择Table 5 Test method selection of obvious distinction between mean value and related

表6 样本方差差异显著性检验方法选择Table 6 Test method selection of obvious distinction among sample variances

4 研究展望

利用驾驶模拟器对驾驶行为和心理的研究涉及到驾驶行为和心理的多个影响因素，其中对驾驶行为和认知行为的影响的研究较为成熟，研究成果丰富，今后的重点是研究影响因素引起的驾驶员的生理变化，从驾驶员自身寻找驾驶行为变化的根本原因。目前国内研究的重点是影响因素对驾驶操作的影响，对于认知行为和生理变化涉及较少，病理影响与康复的研究比较欠缺，对认知行为和生理变化的研究是今后研究的趋势。跟国内的研究相比，国外有以下几点值得借鉴:

(1)设施全、领域广。国外驾驶模拟器的生产厂商技术水平较高，目前6自由度的液压伺服体感驾驶模拟器已经投入使用，而国内的研究型驾驶模拟器大多是三屏幕主动式。另外国外的附属设施和人体检测仪器也很齐全，能够满足大部分研究的硬件需求，经过半个多世纪的发展，国外的研究范围已非常广泛，对驾驶员心理和生理的众多方面都有涉及。

(2)样本大、数据多。国内不论是一组样本还是多组样本，样本量一般不超过20。国外取一组样本时样本量多数在20～30之间，取多组样本时平均样本量超过40，样本分组越多，样本量越大。样本量大，输出的数据多，结果的处理国外大部分研究包含均值分析、方差分析和相关性分析，部分研究中采用回归分析;国内的数据处理上相对简单，一些研究仅使用了均值和方差分析，少数研究使用回归分析。

(3)内容细、程度深。在驾驶员心理和生理方面的研究中，大致遵循研究的时间主线，即危害研究(驾驶行为)、原因研究(认知行为、生理变化)、检测方法研究和预防方法研究。国外在各个因素对驾驶行为和认知行为的影响方面都有过研究，而对生理变化的研究略有欠缺;国内目前还停留在对认知行为的研究阶段，就具体研究内容而言，国内研究覆盖面小，研究内容还有待细化，深度也需要加强。

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