驾驶韵律及其产生机理分析

余博，陈雨人（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804，中国）



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驾驶韵律及其产生机理分析

余博，陈雨人（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804，中国）

驾驶韵律是指驾驶人行车过程中寻求的一种节奏感，它与行车安全性与舒适性息息相关。驾驶人视觉道路环境和道路力学条件之间的异步作用是产生驾驶韵律的机理。驾驶人通过视觉感知道路环境信息，然后基于其感知的信息会产生期望生期望的加速度/作用力，和T时刻后实际受到的信息之间存进行耦合作用，影响着行驶速度的变化，从而产生了驾驶韵律。

驾驶韵律；视觉环境感知；道路力学条件

0 引言

有过驾驶经验的人都知道“车感”这个词儿，那车感是什么？车感就是驾驶机动车的韵律。驾驶人会根据道路条件、交通环境等有意识或者无意识地寻求一种自己感觉安全和舒适的节奏，这种韵律体现了整体行车系统的状态，称为驾驶韵律。没有紧急情况的时候，每辆机动车就是整体车流中一个和谐的音符，可以谱写出动人的乐章；如果出现紧急情况，比如有人突然紧急制动、危险变道等，整体的韵律就会被打破，容易带来行车风险，对驾驶人个体来说，就是美好旋律的中断，势必引起驾驶行为变化，甚至情绪的波动，大家关注的“路怒族”也许就和驾驶韵律被打断有关。从这个意义上来说，驾驶车辆就好比演奏音乐。

目前，国内外对驾驶韵律的研究也开展了一些。比如，刘建蓓等［1］指出运行车速的变化应该要处于合理的范围，速度梯度越大事故率越高，而速度的合理变化需要通过保证道路线形的一致性来实现；马莹莹等［2］研究了自由车速与车道宽度的关系，得出了交叉口以及路段车速随着车道宽度的变化趋势；Recarte和Nunes［3］的研究表明当行车环境过于简单、单调的情形下，驾驶人容易产生分心并不由自主地提高行车速度；Baulk等［4］指出当驾驶任务复杂繁重时驾驶人容易进入疲劳状态，同时会通过降低行车速度来增加处理任务的时间；Schmidt-Daffy［5］指出许多关于驾驶行为机理研究的模型中都表明行车过程中产生的威胁感是引导驾驶人选择降低速度的一个重要原因，而道路环境以及行车条件的改变对威胁感的产生有极大影响。不过纵观这些研究，基本上还只是一些相对独立或者单一的研究，主要关注的是某个影响因素和实际的道路条件等，并没有把道路条件和驾驶行为结合起来，因此在本文中将驾驶人视觉环境感知与道路力学条件相结合，探求两者之间作用机理，为进一步深入研究驾驶韵律奠定基础。

表1 音符高低

1 驾驶韵律及其特征值

驾驶韵律的定义是根据音乐中韵律的概念衍生出来的，因此对照音乐中韵律的特征，基于行车速度将驾驶韵律的基本构成要素分解成三个特征值表示，即“音符的高低”“节拍的组合”和“节奏的重复”。以3秒（这个符合驾驶人反应时间要求，一般在道路几何设计中很多指标都和3秒有关）作为一个节拍的时间（音乐中是1秒一个节拍），考虑采用4拍作为一个小节，作为驾驶韵律的基本单元，共计12秒。结合音乐基本知识，有四分音符（一拍， 3秒，记为 “X”）、二分音符（二拍， 6秒，记为“X-”）和全音符（四拍，12秒，记为“X---”）等，这样机动车行驶起来就可能有“XXXX”，“X-X-”，“X---”，“X-XX”和“XXX-”等节拍组合的情况，此外音乐中还有2/4拍的进行曲 “强、弱”，3/4拍的圆舞曲“强、弱、弱”和4/4拍 “强、弱、次强、次弱”这样的节奏，驾驶韵律将通过下面的特征表现出来。

1）音符高低：计划根据行车速度确定，称它为“音符码”。划分为低音区｛1，2，3，4，5，6，7｝，中音区 ｛1，2，3，4，5，6，7｝和高音区｛1，2，3，4，5，6，7｝。用三组1-7个数字表示，可以覆盖行驶速度绝大部分的范围，如表1。

2）节拍组合：这是表示一个小节里几个音符的组合情况，称它为“节拍码”。每个“节拍码”用四位数字编码表示一个小节内音符的相对强弱，不考虑绝对大小，是反映行驶速度相对变化情况，取值范围｛1，2，3，4｝。

3）节奏重复：以小节为单位，表示小节重复的情况，称为“节奏码”。每个“节奏码”用二位数字表示，取值范围｛0，1｝，第1位数字= 0，表示该小节前面的“节拍码”和自己不相同，=1，表示前面一个“节拍码”和自己相同。第2位数字=0，表示该小节后面一个 “节拍码”和自己不相同，=1，表示后面一个的“节拍码”和自己相同，这样可以前后串起来描述行车速度特征持续时间，如果节拍码M为（1232）/（3421）/（3421）/ （2111）/ （1111）/ （1111）/ （1111），那么对应的节奏码N就是〈0，1〉/〈1，0〉/〈0，0〉/〈0，1〉 /〈1，1〉。

若能处于理想的驾驶韵律中，行车的安全与舒适性将得到保障。视觉道路环境和道路力学条件之间的异步作用是产生驾驶韵律的机理。不同视觉道路环境下驾驶人期望的加速度/作用力与实际的感受之间存在着差别，驾驶人会根据期望操控机动车行驶，形成T时刻后的车辆实际感受， 驾驶人会情不自禁地将这两者进行比较。如果前者大，此时驾驶人不容易感觉到危险和不舒适，很大可能会毫无察觉地诱使驾驶人产生加速的愿望，超过了道路条件所能提供的支持。如果后者大，驾驶人会感觉到危险和不舒适，主动地采取减速行为来减少压力。

2 驾驶韵律产生机理分析

驾驶人主要通过视觉感知道路环境信息，然后完成对车辆的操作，对于驾驶人视觉环境信息的定量描述是一个至关重要的课题。道路透视图中，构成透视图轮廓的道路边线与中心线起着关键作用，其中，中心线更具有代表性。国内外许多学者对道路透视图的数学模型进行了深入的研究探讨，发现道路曲线在驾驶人眼中的形状类似双曲线或者抛物线，然而，这些曲线通常情况下只能描述存在一个拐点的道路形状，对于像S曲线等情况的道路透视图是不能充分表述的，因此需要采用三次曲线对道路透视图进行描述。在之前的研究中［6］，我们将三次Bezier曲线、三次B样条曲线以及Catmull-Rom样条曲线这些属于连续可导的平滑曲线用来拟合道路透视中心线，最终发现，由于Catmull-Rom样条曲线通过所有控制点，并且具有局部性，更易控制曲线形态，相比之下Catmull-Rom样条曲线的拟合结果最优［7］，并且可以通过驾驶人视觉感知获得水平/垂直两个方面的视曲率分量［8］事实上正是驾驶人视觉感知的水平/ 垂直分量视曲率分量和T时刻后驾驶人身体力学感知之间的一种异步作用产生驾驶韵律。

2.1 视觉水平/垂直视曲率分量

在文献［8］中，驾驶人通过视觉感知对道路几何条件进行重构，会产生水平方向和垂直方向两个方面的信息，称之为“视觉水平/垂直视曲率分量”，实质上就是道路几何条件中平面条件和纵断面条件产生的映射，驾驶人情不自禁地根据这两个分量产生加速度/作用力的期望，并会和T时刻后车辆运动到该位置产生的实际加速度/作用力进行比较，从而会调节行车速度，进而反映在驾驶韵律上面。

2.2 道路力学响应

车辆在运动过程中，随着道路几何条件会产生水平、上下和前后加速度/作用力的变化，这些实际产生的信息可以通过简单的车载设备（比如带有重力传感器的行车记录仪）获取。如前所述，正是驾驶人视觉感知的水平/ 垂直分量视曲率分量和T时刻后驾驶人实际感知加速度/作用力之间的耦合作用产生驾驶韵律。

2.3 视觉环境感知与道路力学响应作用分析

相关研究已经表明，驾驶人在行车过程中，不同速度下有一个大致的视线集中距离，如表2，表明驾驶人视线集中点就在这个位置前后，由此可以推断，所谓视觉感知的信息和实际感知信息之间基本上就在这个范围附近，也可以理解成驾驶人将眼前的视觉感知信息和视线集中距离处将要实际感受到加速度/作用力进行比较的，也就是在不同行车速度下存在着不同的视觉感知时间T。本文针对40km/h、60 km/h和80km/h情况下的视觉感知时间T进行了计算。

驾驶人通过视觉感知道路环境信息，然后基于其感知的信息会产生期望的加速度/作用力，这和T时刻后身体受到的加速度/作用力之间存在着耦合作用，这种交互的作用的结果就是行车速度的变化，即驾驶韵律。因此，驾驶人视觉环境感知和道路力学条件之间的异步作用对于行车安全与舒适性有着重要影响。这种异步作用的时间T可以称为视觉感知时间，对T进行深入研究，将有助于进一步探索视觉环境感知与道路力学响应作用之间的交互作用。

首先，将实际行车中获取的驾驶人视觉信息和东路力学相应信息（通过GarMin行车记录仪GDR35采集的）按照行驶速度40Km/h、60Km/h和80Km/h进行分类。

表2 农村公路不同速度下的视线集中距离

然后，根据不同的行驶速度，进行时间片段划分，根据行车记录仪记录频率，1s作为一个时间片段，40Km/h按照0-18.0s划分为18个片段（0-1s，0-2s，...，0-18s），60km/h按照0-12.0s划分为12个片段（0-1s，0-2s，...，0-12s），80Km/h按照0-9.0s划分为9个片段（0-1s，0-2s，...，0-9s）。

接下来，按照上面划分方法进行采样，分别提取“视觉水平/垂直视曲率分量”以及相应的（0-M秒）处的道路力学响应（加速度/作用力），将这些数据进行相关性分析，可以得到40km/h时（0-12.0s）的相关系数最高（0.522），60Km/h时（0-9.0s）的相关系数最高（0.932）和80Km/h时（0-7.0s）的相关系数最高（0.554），因此可以得出不同速度下的视觉感知时间，具体在表2中。

3 总结

驾驶韵律是指驾驶人会根据道路条件、交通环境等有意识或者无意识地寻求一种自己感觉安全和舒适的节奏，这种韵律体现了整体行车系统的状态，与行车安全舒适性息息相关。驾驶韵律的产生是基于驾驶人视觉环境感知与道路力学条件的异步作用，因此本文中建立驾驶人视觉车道模型描述驾驶人视觉感知，加速度/作用力表征道路力学条件，分析了不同速度下异步作用时间差的规律，为进一步探索驾驶韵律的产生机理提供基础。在今后的研究中，将基于驾驶韵律研究道路条件影响行车风险的机理，并将驾驶韵律运用于行车系统主动安全技术研究中，力求优化道路交通环境设计保障行车安全与舒适。

［1］ 刘建蓓，郭忠印，胡江碧，张媛. 公路路线设计安全性评价方法与标准［J］. 中国公路学报，2010，S2∶28-35.

［2］ 马莹莹，杨晓光，曾滢. 城市道路自由车速与车道宽度关联性分析［J］. 同济大学学报（自然科学版），2009，12∶1621-1626.

［3］ Recarte M A， Nunes L. Mental load and loss of control over speed in real driving.∶ Towards a theory of attentional speed control［J］. Transportation Research Part F∶Traffic Psychology and Behaviour， 2002， 5（2）∶ 111-122.

［4］ Baulk S D， Biggs S N， Reid K J， et al. Chasing the silver bullet∶ measuring driver fatigue using simple and complex tasks［J］. Accident Analysis & Prevention， 2008， 40（1）∶396-402.

［5］ Schmidt-Daffy M. Fear and anxiety while driving∶differential impact of task demands， speed and motivation［J］. Transportation research part F∶ traffic psychology and behaviour，2013， 16∶ 14-28.

［6］ Yu B， Chen Y， Wang R， et al. Safety reliability evaluation when vehicles turn right from urban major roads onto minor ones based on driver's visual perception［J］. Accident Analysis & Prevention， 2015.

［7］ 陈雨人，王瑞云，董永杰，贺思虹. 应用CatMull-Rom样条曲线描述道路透视图中心线特征的方法研究［J］. 重庆交通大学学报（自然科学版），2015，04∶45-51+112.

［8］ 陈雨人，余博，贺思虹，“基于视觉感知偏差的公路几何平纵协调分析技术”，《同济大学学报》2015，9.

Generation mechanism analysis of driving rhythm

YU Bo， CHEN Yuren （Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Driving rhythm refers to the tempo that drivers seek while driving. It is closely related to driving safety and comfort. The generation mechanism of driving rhythm is the asynchronous effect of drivers’ visual environmental perception and mechanics road conditions. Drivers obtain the road environment information from visual perception， then produce expected acceleration，which has a coupling effect with physical acceleration after t seconds. This asynchronous effect leads to the changes of driving speeds and generates the driving rhythm.

Driving rhythm； visual environmental perception； mechanics road condition