汽车主动安全预警系统警告触发方式研究＊

刘月杰 金立生 郑 义 李英杰

（1.一汽轿车股份有限公司；2.吉林大学）

1 前言

据有关资料表明，若能在潜在交通事故发生前1 s有效给驾驶人员发出警报，则可避免90%以上的交通事故；如果在事故前2 s驾驶人员能够采取相应措施，几乎所有的交通事故都能避免[1]。

汽车主动安全预警系统可有效降低交通事故的发生。该系统主要通过不同方式的警告提醒驾驶人员，从而避免事故的发生。警告触发的效果以驾驶人员反应时间的长短为主要评价指标,其次是对警告信息的正确理解和对危险工况操作的正确性。不同的感觉器官对警告触发方式的响应时间是不同的，通常情况下听觉和触觉的响应时间较短，视觉次之[2]。许多研究结果表明[3，4]，不同的警告触发方式对驾驶人员操作行为的影响差异很大，驾驶人员对不同的警告触发方式的接受能力也不同。因此，警告触发方式的选择直接影响预警效果的好坏。国外发达国家如美国、日本等对于警告触发的相关研究越来越重视[5]，已有汽车应用了主动安全预警系统，部分取得了一定效果；国内在汽车主动安全预警系统方面大部分仅侧重于研究危险状态的检测，而对警告触发方式相关研究较少。

本文从视觉、听觉和触觉等方面对警告触发方式进行探索性研究，并借助典型的汽车主动安全预警系统——车道偏离预警系统进行试验验证分析，从而确定出更适合中国驾驶人员的警告触发方式。

2 主观判断

本文通过驾驶模拟器来实现模拟驾驶环境及车道偏离工况。在VC++的环境下开发程序，通过并口控制，实现视觉、听觉、触觉及不同组合的警告触发，同时实现数据的采集与记录。

为了更准确地模拟主动安全预警系统，在试验过程中使驾驶人员通过转向盘控制车辆行驶，在其不知情情况下通过计算机施加一定的偏航角，以具体实现模拟车道偏离工况。在施加偏航角的同时，由计算机对驾驶人员发出视觉、听觉、触觉和组合警告并开始计时，当驾驶人员意识到警告信号开始回正转向盘或者踩下制动踏板时，采集转向盘的数据并停止计时，由此便记录了由发出警告信息到驾驶人员采取相应措施的响应时间。

基于以上模拟环境，对驾驶人员分别进行视觉、听觉和触觉的预警试验，通过驾驶人员的主观判断筛选出适合作为警告触发方式的可行性方案。

2.1 听觉警告

听觉警告最基本条件:在嘈杂的驾驶环境中驾驶人员能够清晰辨别出警告信息，警告信息应该具有较强的警告提示作用[6]。以计算机合成的5种同一音调而不同主频的声音作为警告信息，其频率分布在 1000～5000 Hz，间隔为 1000 Hz，其声响为滴滴声，每种频率下声响时间间隔包括0.1 s/次、0.2 s/次、0.3 s/次、0.4 s/次。听觉预警装置如图1所示。

根据3步骤对声音进行筛选:

a.筛选出在预警过程中能清晰辨别出听觉警告信息的声音；

b.在上步筛选出的声音中再选出驾驶人员对听觉警告信息没有感到厌烦的声音；

c.在上步筛选出的声音中再选出听到警告信息能意识到有危险状况发生的声音。

驾驶人员对5种主频的声音几乎都能清楚辨别出，但是声音的主频太高或太低都会使驾驶人员感到厌烦。驾驶人员在驾驶过程中不仅能清晰听到警告声音，而且听到声音后能意识到有状况或有危险发生的声音警告方式为3000 Hz 0.1 s/次、4000 Hz 0.2 s/次。

2.2 视觉警告

视觉警告具有传输远、面积小、图样多、引人注目等特点，但视觉信息容易加重驾驶人员视觉负担。视觉警告的设计包括颜色设计、形状设计以及布置设计等[7]。本文通过调研分析，并结合中国人的习惯，选取红、黄、绿作为警告灯的颜色，利用发光二极管制作直径为5.5 cm的圆形发光灯。驾驶人员对灯光的不同颜色、不同位置、不同频率的变化进行主观判断，预警装置如图2所示，具体方案见表1。

表1 视觉警告设计方案

根据4步骤对声音进行筛选:

a.筛选出在预警过程中最能引起驾驶人员注意的灯光颜色；

b.从上步筛选出的灯光中再选出最能引起驾驶人员注意的灯光位置；

c.从第1步筛选出的灯光中再选出最能引起驾驶人员注意的灯光频率；

d.从第3步筛选出的灯光中再选出能使驾驶人员意识到有情况发生或有危险状况发生的灯光。

其中最能引起驾驶人员注意的灯光颜色为黄色和红色，且以驾驶人员视野的下方和左下方位置为警告位置接受的人数最多。最能引起驾驶人员注意的灯光频率为黄灯0.1 s/次、黄灯0.2 s/次、红灯0.1 s/次、红灯0.2 s/次、红灯0.3 s/次。但是能使驾驶人员意识到有情况或者有危险状况发生的灯光频率为黄灯 0.1 s/次、黄灯0.2 s/次、红灯 0.1 s/次、红灯0.2 s/次。

2.3 触觉警告

触觉警告一般是通过振动来实现的，如振动转向盘、振动座椅、振动安全带等。驾驶人员不同身体部位对同一振动频率及相同部位对不同振动频率的接受能力是不同的。不同身体部位受振的灵敏度也不同，振动灵敏度阈值也各不相同，灵敏度最高的是手，最差的是臀肌[8]。本文选择振动转向盘作为触觉警告触发方式。触觉预警装置如图3所示。结合调研分析，确定触觉警告试验设计方案如表2所列。

表2 触觉警告设计方案

根据2步骤对振动进行筛选:

a.筛选出在预警过程中没有影响到驾驶的振动；

b.在上步筛选出的振动中再选出能使驾驶人员意识到有情况或者有危险状况发生的振动。

在确保驾驶人员感觉到振动后没有影响到驾驶，且能意识到有状况或者有危险发生的振动警告方式为较轻转向盘振动和适中转向盘振动[9]。

3 预警试验

本文重点研究的是预警系统的触发方式，故在样本对象的选择上，需排除因驾驶人员自身因素对试验结果造成的影响和误差。选取200人作为试验对象，他们都有驾照，且身体健康，驾驶经验较丰富，无不良驾驶记录，年龄平均分布在25～40周岁，其中男性125名、女性75名。

将模拟试验和数据采集系统移植在自主开发的乘用车驾驶行为研究平台上，在正常驾驶情况下进行连续驾驶2小时的模拟试验驾驶。

目前，由于驾驶人员无意识条件下车辆偏离正常行驶车道导致的交通事故较多，而车道偏离预警系统技术可有效减少或避免此类事故发生。因此，本文在模拟的驾驶环境中真实模拟车道偏离工况，使车道偏离预警系统发生作用，并分别对驾驶人员进行无警告、单一警告和组合警告的预警试验。在不同的警告触发条件下，对驾驶人员的操作正确人数、平均响应时间和方差综合考虑，统计分析出适合驾驶人员的警告触发方式。

3.1 无警告试验

当驾驶人员在模拟的驾驶环境中驾驶一段时间后使其适应驾驶过程，在其不知情情况下模拟车道偏离工况，记录操作正确的人数及其响应时间。其结果为操作正确的人数是127人，平均响应时间为0.95s，方差为 0.014。

3.2 单一警告试验

当驾驶人员在模拟驾驶环境中驾驶一段时间后使其适应驾驶过程，在其不知情的情况下模拟车道偏离工况，并同时对驾驶人员分别进行视觉、听觉和触觉的单一警告。

从3方面对试验进行统计分析:

a.操作过程中是根据经验还是根据警告信息做出的选择；

b.模拟过程中操作正确的人数；

c.模拟过程中驾驶人员响应时间。

在统计数据中选择出依据警告信息且操作正确的人数，并计算其响应时间和方差。听觉、视觉、触觉警告试验统计结果分别见表3～表5。

表3 听觉警告试验统计

表4 视觉警告试验统计

表5 触觉警告试验统计

由表3～表5可知，听觉警告中，以4000 Hz、0.2 s/次警告方式要优于3000 Hz、0.1 s/次的警告方式；视觉警告中，在驾驶人员视野下方进行预警要优于左下方，且在视野下方预警时驾驶人员对视觉警告的差异不大，只是以红灯0.1 s/次的警告方式略优；触觉警告中，两种振动级别的触觉警告区别不大。

综上所述，在单一警告试验中，驾驶人员在听觉警告下的操作正确人数、平均响应时间和方差都要优于视觉警告和触觉警告。因此，单一警告时在车道偏离预警中听觉警告更适合。

3.3 组合警告试验

由单一警告试验可知，听觉警告中以方案4000 Hz、0.2 s/次的声音为最优方案；视觉警告中以方案红灯0.1 s/次，且在驾驶人员视野的下方警告为最优方案（考虑到车道偏离工况特殊性，位置设计需进一步深入分析）；触觉警告以方案适中级别的转向盘振动为最优方案。在组合警告中选用3种不同警告方式组合作为警告方式[10]。当驾驶人员在模拟驾驶环境中驾驶一段时间后，使其适应驾驶过程，在其不知情情况下模拟车道偏离工况，并同时对驾驶人员分别进行视觉与听觉、听觉与触觉、视觉与触觉警告及视觉、听觉和触觉的组合警告。

从4个方面对试验进行统计分析:

a.操作过程中是根据经验还是根据警告信息做出的选择；

b.如根据警告信息做出的选择，是根据单一警告还是组合警告；

c.模拟过程中操作正确的人数；

d.模拟过程中驾驶人员响应时间。

在统计数据中，选择出依据组合警告信息且操作正确的人数，并计算出其响应时间和方差。统计结果见表6。

表6 组合警告试验统计

组合警告试验中，在听觉和触觉组合警告下，虽然驾驶人员的平均响应时间最短，但是操作正确的人数只有110人，比无警告条件下还少，说明此种警告方式已经影响到驾驶人员的正常驾驶。因此，听觉和触觉组合警告并不适合作为主动安全预警系统的警告触发方式。三者组合的警告中并没有达到预期的警告效果，反而加大了驾驶人员的驾驶负载。听觉和视觉组合警告与触觉和视觉组合相比，两种警告方式下驾驶人员响应时间的方差没有明显差异，但前者组合条件下的驾驶人员平均响应时间短，且操作正确的人数多。因此，在预警系统组合警告中，听觉和视觉的组合警告为最优的警告触发方式。

综上所述，警告效果的好坏是以驾驶人员反应时间的长短作为主要评价指标的；其次，是对危险工况操作的正确性和对警告信息的正确理解。听觉和视觉组合警告与单独的听觉警告相比，虽然两种警告方式下操作正确的人数没有明显差异，但驾驶人员的平均响应时间前者短。所以，在主动安全预警系统警告触发中，听觉和视觉组合警告方式略优于听觉警告方式。

本文也以某型号微型车为试验车做实车道路试验，对不同的警告触发效果进行测试。由实车试验所得数据可验证模拟过程所得结论的正确性。由于条件限制，实车试验的效果还不够理想，需要做更深入的研究和验证，但是所得结论仍可为开发相关检测警示系统提供理论与技术支持。

4 结束语

确定了汽车主动安全预警系统基于听觉、视觉和触觉为主的警告触发研究策略。通过驾驶人员主观判断筛选出适合作为警告触发方式的方案，并在模拟驾驶环境中借助开发的车道偏离预警系统分析比较了单一或组合的警告触发方式对驾驶人员操作行为的影响。对不同警告触发方式下驾驶人员操作的正确人数、平均响应时间和方差三者进行了统计分析，结果表明，听觉和视觉的组合警告更适合作为中国驾驶人员的警告触发方式。

1 公安部交通管理局.道路交通事故统计年报.无锡:公安部交通管理科学研究所，2009.

2 丁玉兰.人机工程学.上海:上海交通大学出版社，2004.131～141.

3 Keisuke Suzukia， Hakan Jansson.An Analysis of Driver’s Steering Behaviour during Auditory or Hap Tic Warnings for the Designing of Lane Departure Warning System.JSAE Review， 2003，24（4）:381～516.

4 Scott J.J.， Gray R.A Comparison of Tactile， Visual， and Auditory Warnings for Rear-end Collision Prevention in Simulated Driving.Human Factors， 2008，50（2）:264～275.

5 Liu Y.C.Comparative Study of the Effects of Auditory，Visual and Multimodality Displays on Drivers'Performance in Advanced Traveller Information Systems.Ergonomics，2001，l44（4）:425～442.

6 Cheng D.L.，Yi C.J.，Yao H.Y.， etal.Sound Signal Analysis of CVR Based on CVDS，WT&CZT algorithm， Proceedings of the 2nd International Conference on Dynamics.Vibration and Control，2007，129～134.

7 周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学.北京:北京理工大学出版社，1999.53～56.

8 Brown，S.B.Effects of Haptic and Auditory Warning on Driver Intersection Behavior and Perception.2005， Unpub⁃lished Master，Virginia Polytechnic and State University Blacksburg，Virginia.

9 王荣本，余天洪，郭烈，等.基于机器视觉的车道偏离警告系统研究综述.汽车工程，2005，27（4）:463～466.

10 董因平.高速汽车车道偏离预警系统的算法研究:[学位论文].吉林:吉林大学，2004.