面向人因因素的驾驶模拟综合实验平台搭建

张兴俭，赵晓华

(北京工业大学城市交通学院，北京 100124)

1 问题的提出

1.1 我国交通安全形势严峻

进入2000年以来，我国道路交通运输行业迅猛发展，机动车保有量持续大幅度增加，年平均增长率达到13%［1］.截至2011年底，全国机动车保有量达到2.25亿辆.但随着交通行业的发展，交通安全问题呈现出严峻的态势.据2010年官方统计，全国共发生道路交通事故约22万起，造成6.5万人死亡、25.4万人受伤，万·车死亡率达到2.9.我国仍是世界上交通安全问题最为严峻的国家之一［2］.

1.2 人因失误是交通事故重要原因

道路交通系统是由“人－车－路－环境”构成的复杂系统.交通安全需要交通系统中各个要素之间的相互协调才能得以保证.道路交通事故的发生从根本上讲是道路交通系统中的要素失去平衡造成的.我国交通事故统计表明，在造成交通事故的诸多要素中，人的因素达到80%以上［3］.在国外，驾驶人失误同样是交通事故最重要的原因［4］.驾驶人的行车是“感知—决策—操作”的驾驶过程，人因失误则主要表现在感知失误、判断决策失误、反应操作失误3个方面.研究表明，在由驾驶人造成的道路交通事故中，由于感知失误引起的事故占48.1%;判断决策失误引起的事故占36.0%;反应操作失误引起的事故占7.8%;其他的占8.1%［5］.

1.3 人因因素组成

人因失误是上述因素的综合作用，出现人因失误时，便会导致“人－车－路－环境”系统的失衡，主要表现在出现不相符的驾驶行为，并可能导致交通事故.不当的驾驶行为只是表象，各种人因因素则是导致这种表象的内在原因.因此，深入分析人因因素特征与交通安全的关系，探索其影响机理是解决交通安全问题的突破口.

1.4 人因因素研究平台不足

虽然基于人因因素的交通安全研究备受关注，但目前并未得到深入而系统的研究.究其原因，主要在于缺乏可靠和完善的研究平台和实验条件.目前在驾驶人人因因素研究中的重要支撑是驾驶模拟技术.但是驾驶模拟器仅为驾驶员提供了一种虚拟驾驶体验，主要采集了驾驶员驾驶行为数据和车辆数据等外在表象特征，这对于支持人因因素的相关研究是远远不够的.

因此，我们以驾驶模拟技术为基础，结合各种人因因素指标测试技术和方法，搭建了完善的人因因素研究综合实验平台.运用该平台能获取驾驶人各种人因因素参数以及驾驶参数，不仅支持人因因素对驾驶行为及交通安全的影响特征研究，而且有利于分析其影响机理及内在致因，从而进一步支持交通安全相关研究，为交通安全研究水平的提升奠定基础.

2 驾驶模拟技术

2.1 驾驶模拟系统简介

驾驶模拟技术是虚拟现实技术的一个重要方面.驾驶模拟系统利用虚拟现实仿真技术营造一个虚拟的驾驶训练环境，用户通过操作模拟器与虚拟的环境进行交互，完成模拟驾驶.驾驶模拟系统由动力学仿真系统、视景仿真系统、声频仿真系统、运行操作系统和数据记录系统组成［7］.用户在驾驶舱操作驾驶模拟器时，计算机实时产生行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动感觉，实现操作与环境的交互，使用户沉浸在虚拟环境中，达到模拟驾驶的目的.

驾驶模拟器作为实验平台，能以一定的频率记录车辆运行状态特征如速度、加速度、横向车道位置等以及驾驶员操作特征，包括油门、制动、转向盘等，同时还能记录附近其他车辆信息.

2.2 驾驶模拟器在交通中的应用

驾驶模拟技术作为一种研究工具.其优点主要表现在便捷性好、安全性高、影响因素易于控制、易于数据检测、成本低及效率高等方面［7］.因此，一些研究部门就针对所要研究的内容开发了自己的驾驶模拟器，应用于“人－车－路－环境”系统的研究.目前，汽车驾驶模拟器的仿真程度逐步提高，应用越来越广泛，几乎涉及交通系统的每个方面.

驾驶模拟器所能获得数据主要为驾驶人的驾驶行为特征，主要以人为核心，分析包括车辆设置、道路特征、环境特征及驾驶人状态等不同因素对驾驶人驾驶行为特征的影响，研究人与其他因素相互作用的机制，进而指导各因素的设置或控制.但是，这种研究只能停留在对驾驶人外在表现，即驾驶行为的研究方面，无法支持更为深入的剖析各因素对驾驶人的作用机理.

传感器是空调系统的主要设备，其主要功能是检测测量参数的变化并发出相应的信号。传感器有以下几种主要类型：

3 驾驶模拟综合实验平台的搭建

在驾驶人的研究中，驾驶行为仅是驾驶人的一种表现特征.期望分析产生这种驾驶行为的机理和原因，还需要集成其他各项人因因素，如驾驶人个性、心理、态度、状态等方面的特征，进而获得其他各种因素对人的作用机理及内在联系.驾驶模拟器为研究者提供了虚拟驾驶和驾驶行为数据采集功能，但缺乏这些人因因素参数的采集能力.因此，需要基于驾驶模拟器搭建综合实验平台，实现采集驾驶行为数据的同时，获得各种人因因素特征参数，明确这些驾驶行为产生的内在机理和驾驶人心理机制，为分析交通系统中车、路、环境对人的作用机理奠定基础.

3.1 综合实验平台功能设计

按照人因因素的组成类型及测试方法的不同，围绕驾驶模拟器搭建的综合实验平台要能采集驾驶人个性特征、静态特征、动态驾驶特征参数.因此，基于驾驶模拟器并结合各种人因因素参数测试仪器及方法，设计搭建的综合实验平台所能采集的相关参数如图1所示.

图1 综合实验平台采集参数

驾驶人个性特征是生理因素和心理因素的结合，是确定驾驶人类型的重要参数.驾驶人基本信息及睡眠习惯用调查问卷直接获得;人格特征则用艾森克人格问卷(EPQ)进行调查;驾驶习惯特征依然通过问卷调查获得，反应驾驶人平时习惯的驾驶倾向.场依存性是指驾驶人独立性特征，与场独立性相对，即依赖环境进行决策的倾向性程度，该参数通过棒框测试确定.

静态特征是相对于动态而言的，是指驾驶人在无任何活动时的基本特征，也称为驾驶适应性特征.它是职业适应性的一种，是指驾驶人安全、有效地驾驶车辆所须具备的心理、生理素质要求，其检测主要是从心理、生理和人机工程学等方面展开［8］.静态特征参数能反映驾驶人的状态特征和驾驶能力.这些参数主要运用三联公司驾驶适应性检测系统采集［9］，执行国家标准 GB18463《机动车驾驶员身体条件及其测评要求》.

动态特征主要指驾驶人在驾驶过程中各参数时序变化特征.动态特征直接反应驾驶过程中驾驶人实时变化情况，是人因因素研究的关键点.在由“感知—决策—操作”组成的驾驶过程中，眼动、心电、脑电和操作特征是其重要指标.综合实验平台中配置了眼动仪、心电仪和脑电仪，与驾驶模拟器相结合实现了动态参数的采集.眼动仪包括非接触式眼动仪和头盔式眼动仪，前者测试眼睛闭合及面部特征，获得P80数据，后者得到驾驶过程注视点特征;心电仪主要测试心跳特征;脑电仪测试大脑各部位的脑电反应特征［10］.

3.2 综合实验平台搭建技术

面向人因因素研究的驾驶模拟综合实验平台，以驾驶模拟技术为基础，以获取各方面人因因素指标为主要目的，为人因因素相关研究，驾驶人受各因素影响的机理分析提供支撑平台和技术服务.综合实验平台的搭建技术从功能层次上应包括被试筛选层、数据检测层、数据参数层、技术服务层、数据存储层和数据应用层，平台构成如图2所示.

图2 综合实验平台技术构成

4 综合实验平台应用

4.1 一般应用流程

驾驶模拟综合实验平台是一套综合的研究工具，在人因因素研究中，需要遵循严格的应用流程，一般使用的基本流程如图3所示.

在应用中，首先需要明确研究目的及方法，确定需要采集的指标数据和虚拟驾驶场景特征.其次，根据研究设计选用测试仪器和测试方法，并设计开发虚拟驾驶环境，设计内容包括道路线形、道路属性、道路景观以及事件设计等.各项工作和设备准备好后，即可依据设计流程安排被试驾驶人进行驾驶实验，收集期望参数数据.

4.2 应用举例

以疲劳驾驶为例，疲劳是一种典型的危险驾驶状态.通过驾驶模拟器，可获得驾驶人疲劳时的驾驶行为数据，但是，同时需要明确疲劳是如何影响这些行为以及从哪些角度造成影响的，以确定疲劳对驾驶人的影响特征和机理.因此，依托驾驶模拟综合实验平台对招募到的25名驾驶人进行实验测试，分析疲劳状态下各参数的变化特征，并分析疲劳影响机理.测试内容包括基本信息、睡眠习惯及驾驶习惯调查;正常及疲劳状态下的静态特征;开发完成高速路虚拟场景40 km，驾驶人在凌晨2:00进行疲劳模拟驾驶，采集心电、脑电、眼睛闭合、驾驶行为及面部特征数据.

图3 综合实验平台应用流程

通过实验测试，获得了各种实验数据，在数据库中调取数据并分析得到疲劳状态下的各参数变化特征.主要结论如下:

1)疲劳时心率下降，血压下降，光刺激反应时间和音刺激反应时间明显增长;

2)随着疲劳程度的增加，心率呈现下降趋势，心脏搏动间期均值和标准差均呈上升趋势;

3)疲劳程度的变化与脑电中的δ、θ、α、β四项波段具有较高的相关性;

4)疲劳时驾驶人的眼睛闭合比例显著升高，P80随着疲劳程度的加深呈上升趋势，即闭眼比例增高;

5)疲劳时车辆运行距离车道中心线距离的均值和标准差显著增大，驾驶人操作转向盘的转角均值和标准差均比正常偏大.

6)疲劳驾驶行为的影响机理为:疲劳首先影响驾驶人生理特征，典型表现为心率下降，使驾驶人身体机能和反应能力变慢或某瞬间失去意识，然后导致驾驶行为表现特征的变化，主要表现为驾驶判断的滞后性，进而危险性提高.

在疲劳特征分析中，综合实验平台全面支持了各因素数据采集，使研究者能进行各因素特征分析以及人因因素影响机理研究.这对于检测和预防疲劳驾驶，改善交通安全十分重要.该平台能采集丰富的数据，既便于实验工作的开展，又高效利用了实验资源，展现出综合实验平台支持人因因素研究的巨大潜力.

5 结束语

总结了与交通安全相关的驾驶人人因因素各项指标，说明了单独驾驶模拟器在研究中的缺陷及深入研究所需要的条件，基于此搭建了面向人因因素研究的驾驶模拟综合实验平台，介绍了各项指标的检测方法，提出了应用综合平台进行研究的基本流程，并举例说明了该平台的应用优势.驾驶模拟综合实验平台在全面的人因因素研究方面发挥了重要的支撑作用，搭建该平台对于推进人因因素与交通安全相关研究水平是很有必要性.

［1］高岩，缪小冬，尤志栋，等.面向交通安全教育的驾驶模拟技术研究［J］.交通信息与安全，2011，29(2):79-82，87.

［2］中华人民共和国公安部交通管理局.道路交通事故统计年报(2010年度)［R］.北京:公安部交通管理局，2011.

［3］马艳丽.驾驶员驾驶特性与道路交通安全对策研究［D］.哈尔滨工业大学，2007.

［4］MOHAMED A，ABDELATY，AESSAMRADWAN.Modeling traffic accident occurrence and involvement［J］.Accident Analysis and Prevention，2000，32(5):633-635.

［5］黄曙东，甘卫平，戴立操.道路交通事故的人因失误分析［J］.人类工效学，2006，12(03):39-41.

［6］袁华东.培养高素质的驾驶员是驾校的神圣职责［J］.辽宁警专学报，2007(4):91-92.

［7］龚鸣.驾驶模拟器视认特性的有效性研究［D］.北京工业大学，2011.

［8］李德慧.快速路交通流中驾驶特性差异研究与仿真［D］.北京工业大学，2008.

［9］金会庆.道路交通事故防治工程［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［10］房瑞雪.基于生理信号的驾驶疲劳预警对策有效性的实验研究［D］.北京工业大学，2010.