不同警告方式下驾驶人应激反应能力模拟试验研究*

赵俊玮，华 珺， 刘永涛，魏 朗

(长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064)

0 引言

在驾驶过程中，因驾驶人感知迟滞、判断失误或行为差错造成的道路交通事故可以通过先进驾驶辅助系统来改善[1-2]。目前，前方碰撞预警系统、车道偏离预警系统、自动紧急制动系统等可在交通场景危险事件即将发生时提醒驾驶人立刻采取措施来有效避免交通事故的发生。而随着驾驶辅助系统的融合发展，其使用的警告方式趋于多样化，驾驶人在不同方式作用下的应激反应能力也存在差异。因此，研究不同警告方式对驾驶人应激反应能力的影响，对于道路交通安全的提升以及先进驾驶辅助系统的设计改进具有十分重要的意义。

国外学者对驾驶人在不同警告方式下表现出的应激反应能力的研究已有一定进展。Zhang等[3]研究了通知警告与命令警告对驾驶人制动响应时间、转向响应时间的作用，并预测了不同语音预警风格下可能发生碰撞的概率；Winkler等[4-5]先后研究了在不同交通危急情况下单级视觉警报、多级组合警报对驾驶人应激反应时间的影响；Remo等[6]通过驾驶模拟器研究了在不同程度认知干扰的音频任务下，车内视觉警告系统对驾驶人换道反应速度的影响；Forster等[7]在现有视觉提醒的基础上，研究了驾驶人在不同类型听觉提示信息下对危险事件的反应时间。国内目前大多停留在不同交通危险场景下驾驶人应激反应能力的研究。例如，吕爱红等[8]结合驾驶人操作行为数据和车辆运动数据，建立了驾驶人应激反应能力评估算法，并通过驾驶模拟器试验验证了评估算法的可靠性。然而，关于警告方式对应激反应能力影响的研究较少。黎景壮[9]研究了驾驶人在不同预警方式下的应激反应过程，但未深入考虑不同危险场景状况的影响。

目前对于驾驶人应激反应的研究多以驾驶模拟器为试验平台，并且上述学者通过设置虚拟动画来呈现危险驾驶场景，缺乏一定的真实性，与实际驾驶效果有一定偏差。Vingilis等[10]研究发现，实际驾驶视频会影响观看者的驾驶行为，高风险驾驶视频能够提升驾驶人驾驶操作反应能力；Kovácsová等[11]通过对十字交叉路口的实际视频进行剪辑，评测试验者以不同速度接近路口时的反应判断能力；华珺等[12]通过实际交通场景视频对驾驶人反应能力进行测试及培训，取得了良好的反馈效果。因此，在模拟试验中使用实际危险场景视频能够更好地反映驾驶人应激反应能力。

国外对驾驶人应激反应能力的研究多以驾驶模拟器为试验平台、虚拟动画视频为试验场景。而国内对驾驶人应激反应能力的研究尚处于传统驾驶阶段，在驾驶辅助系统下的应激反应能力研究较少。因此，本文分别以计算机与驾驶模拟器为试验平台，以实际驾驶视频为试验场景，研究驾驶人在不同警告方式下应激反应能力表现差异，以促进先进驾驶辅助技术在提升交通安全方面的发展。

1 试验设计

1.1 模拟试验环境及危险场景设置

试验基于计算机模拟与驾驶模拟器进行指标数据获取，其中，计算机模拟是通过鼠标点击软件界面测试按钮进行应激反应操作；驾驶模拟器模拟是通过方向盘、加速踏板、制动踏板进行操作。试验数据的读取、视频软件的播放、警告方式的设置均采用自主开发的驾驶人应激反应能力测试软件，测试界面如图1所示。

图1 软件测试界面Fig.1 Software test interface

通过资料查阅与文献调研[13-14]，本试验采用先进驾驶辅助系统可能感知到的危险场景作为典型测试场景。试验场景包含6类，每类场景包含视频6～10个，每个视频经过剪辑至3 min左右。视频素材来源于行车记录仪视频，提取其中并未发生事故的危险场景，具体场景描述如表1所示。

表1 典型突发事件交通场景Table 1 Typical traffic emergency scenes

1.2 警告方式设置

先进驾驶辅助系统能够通过传感器、决策器以及控制器进行危险场景的提示，从最初的听觉警告到视觉警告都可以有效提醒驾驶人采取避险操作[15]。在实现完全自动驾驶过程之前，研究驾驶人在驾驶辅助系统下的应激反应操作尤为重要。因此，本试验设置听觉警告、视觉警告、视听觉组合警告3种方式。其中听觉警告通过重复短暂的滴滴声进行提示；视觉警告通过对场景视频进行处理，以线框框出危险突发位置进行提示，如图2所示；视听觉组合警告是同时使用上述2种警告方式。

图2 视觉警告测试界面Fig.2 Visual warning test interface

1.3 测试指标

驾驶人对交通突发危险事件的应激反应是快速感知判断并准确决策、操作的过程，主要考察驾驶人操作的准确度和反应的快慢。因此，选取操作准确度及反应时间2个指标测试驾驶人的应激反应能力。

1)操作准确度：在计算机模拟试验中被试人正确点击操作按钮即为成功应对突发事件；在驾驶模拟器模拟试验中被试人正确操作方向盘及踏板即为成功应对突发事件。操作的正确动作及时间范围经过经验丰富的驾驶人反复确定并在软件内设置。

2)反应时间：测试视频播放过程及时间节点说明如图3所示。当被试人能够在警告发出后且危险尚未发生时(即td至to段)做出正确避险操作(定义该时刻为tc)，采集反应时间T(T=tc-td)。对于计算机模拟，点击正确操作按钮时刻为tc；对于驾驶模拟器，转向信号、踏板信号开始变化为tc。当被试人在td至to做出错误避险操作时，软件界面显示事故后果图，事故后果图来源于相似场景的实际事故图；若被试人在危险事件发生(即to时刻)后尚未做出避险操作，视频停止播放并显示事故后果图。只有在操作准确的基础上才考虑反应时间，否则测试失败，试验无效。

图3 视频播放过程Fig.3 Playback process

图3中，ts表示视频开始播放；td表示危险出现且警告发出；to表示危险事件发生；tc表示被试人采取避险操作。若被试人在警告发出后无法做出避险操作，则警告信息持续至to，视频停止播放，警告结束。

1.4 被试人选取

首先利用应激反应能力测试软件考察候选被试人的计算机和驾驶模拟器操作能力，并进行初步应激反应能力测试以保证其能力不存在显著差异。最终选取24名被试人员，包括20名男性和4名女性，其年龄为24～28岁，平均年龄26岁，驾驶里程均在10 000 km以下。根据警告方式的不同，分为听觉警告组、视觉警告组、视听觉警告组以及无警告组。将被试人随机分配到上述4组，每组6人(包括5名男性和1名女性)，每组被试人均需完成计算机模拟试验和驾驶模拟器试验。

1.5 测试流程

各组被试应激反应能力测试流程如下：

1)各组被试人首先熟悉应激反应能力测试软件操作流程，包括计算机操作按钮以及驾驶模拟器控制操作。由于计算机模拟点击与通常驾驶操作有所不同，为保证测试结果更加准确可靠，需对被试人进行正式试验前的指导。

2)各组被试人从软件入口分别选择模拟试验方式进行测试。每组测试包含6题，每题为1个不同场景视频，视频播放间隔为2 min，每组试验约需进行30 min，完成试验并适当休息后进行另一种模拟试验。

3)若各组被试人准确采取避险措施，则视频顺利播放，软件存储记录其反应时间。若采取错误避险操作或未采取避险操作，则视频停止播放，并弹出相应事故场景后果图，如图4所示。记录初次试验数据作为基准数据。

4)由于被试人需要一定时间熟悉警告方式，因此反复训练至能够熟练掌握测试后，记录被试人最优试验数据，并与初次实验的基准数据进行对比。测试流程如图5所示。

图4 类似场景事故后果Fig.4 Similar scene accident consequence

图5 测试流程Fig.5 Test process

2 数据处理与结果分析

2.1 操作准确率

在计算机模拟试验和驾驶模拟器试验中分别统计各组被试人的操作准确度，并按照式(1)计算被试人在不同警告方式下反复训练前后的平均操作准确率。图6反映了4组被试人在2种模拟试验条件下初次试验的操作准确率。图7～8分别反映了4组被试人在计算机模拟试验和驾驶模拟器试验中反复训练后操作准确率的最优表现相对于初次试验的变化情况。

(1)

式中：O为平均操作准确率；N为被试人数量；Ci为每名被试人正确题数；z为每名被试人测试总题数。

由图6可知，在2种模拟试验中，被试人在视听觉警告和视觉警告下的操作准确率均明显高于听觉警告和无警告的情形。对于有警告的组别来说，无警告组由于需要被试人自行判断可能发生的危险事件而可能存在感知迟滞或判断失误的情况，因此操作准确率较低。而视觉警告方式由于用线框的形式展现出危险存在的位置，向被试人传递的信息更加明确，能够为驾驶人提供相对充足的时间做出应激反应，因此其操作准确率相比于听觉警告组更高。这也使得视觉警告对于视听觉警告组被试人的操作准确率起主要作用。

图6 初次试验平均操作准确率Fig.6 Average operation accuracy of initial test

由图7和图8可知，经过反复训练后，被试人的平均操作准确率在2种模拟实验中均得到了有效提升。在计算机模拟实验中，听觉警告组、视觉警告组、视听觉警告组和无警告组的平均操作准确率在反复训练后分别提升70.59%，30.77%，28.00%和16.67%；在驾驶模拟器试验中，则分别提升50.00%，29.63%，21.43%和42.86%。这说明反复训练能够有效提升驾驶人的应激反应操作准确度。然而，无警告组的操作准确率仍较低。

图7 计算机模拟训练前后平均操作准确率Fig.7 Average operation accuracy before and after computer simulation training

图8 驾驶模拟器训练前后平均操作准确率Fig.8 Average operation accuracy before and after driving simulator training

2.2 反应时间

图9反映了4组被试人初次进行计算机模拟试验和驾驶模拟器试验所测得的反应时间分布情况。经方差分析可知，视觉警告组和视听觉警告组被试人的反应时间在计算机模拟试验(p=0.707)和驾驶模拟器试验(p=0.617)中均无显著差异，这再次证明了视觉警告在复合警告方式中发挥的主要作用。而上述2组与听觉警告组相比差异明显(p<0.05)，说明在本试验中视觉警告方式效果优于听觉警告。无警告组反应时间明显长于其他3组被试人反应时间(p<0.05)。

图10～11分别显示了4组被试人在计算机模拟训练和驾驶模拟器训练后相较于初次试验的反应时间分布情况。经方差分析可知，听觉警告组、视觉警告组和无警告组在计算机模拟训练后的反应时间有了明显缩短(p=0.046，p=0.031和p=0.048)；而视听觉警告组虽变化不大(p=0.657)，但最大反应时间缩短了0.675 7 s。说明反复训练能够提高驾驶人在先进辅助驾驶系统下的应激反应能力。在驾驶模拟器训练后，虽然4组被试人反应时间没有明显变化(p=0.213，p=0.089，p=0.409和p=0.123)，但由图11可知，反应时间相较于初次试验在更短的时间处分布更为密集，说明驾驶模拟器训练能够有效缩短驾驶人面对危险事件时采取避险操作的反应时间。

图9 初次试验反应时间Fig.9 Reaction time in initial test

图10 计算机模拟训练前后反应时间Fig.10 Reaction time before and after computer simulation training

图11 驾驶模拟器训练前后反应时间Fig.11 Reaction time before and after driving simulator training

2.3 模拟试验对比分析

虽然计算机模拟试验和驾驶模拟器试验均能从一定程度上反映先进辅助驾驶系统的不同警告方式对驾驶人应激反应能力的影响，但由图6和图9可知，与计算机模拟试验相比，4组被试人在驾驶模拟器试验中所表现出的平均操作准确率更高，反应时间更短。这可能是由于计算机模拟试验要求被试人移动鼠标并使用鼠标点击屏幕按钮以完成避险操作，其操作方式区别于通常的驾驶操作，使得被试人缺乏驾驶体验感，操作准确率降低；而移动鼠标的过程也占用了一部分反应时间，使得反应时间延长。同时，计算机模拟试验的操作灵敏度容易受设备性能影响，从而导致试验结果出现较大偏差。而驾驶模拟器试验更接近于真实驾驶操作场景，因此其反映出的操作准确率和反应时间更符合驾驶人真实的应激反应能力水平，测试效果更好。

此外，过去的驾驶模拟器研究多使用动画视频作为测试场景，而实际驾驶视频的使用能够更加逼真地展现驾驶场景，提高所获取数据的真实性。

3 结论

1)在相对理想的试验环境(无外界声音干扰且被试人无分心情况)中，模拟驾驶辅助系统的不同警告方式能够反映驾驶人的应激反应能力，且反复训练能够有效提升驾驶人的操作准确率并缩短反应时间。

2)相较于无警告组，视觉警告可有效缩短驾驶人应激反应时间；视听觉组合警告中视觉警告方式发挥主要作用，听觉警告方式起辅助作用；听觉警告方式的效果略差于视觉警告方式和视听觉组合警告方式。

3)计算机模拟试验中存在操作误差，而通过驾驶模拟器试验获取的测试数据所反映的应激反应表现更接近于实际驾驶情况；同时，在模拟试验中，使用真实场景视频作为测试素材能够有效测试驾驶人应激反应能力。

4)试验通过在视频素材中直接框出危险点的方法设置视觉警告方式，但对于驾驶辅助系统来说，对驾驶人直接进行视觉提醒的技术还有待完善。同时，本试验尚未考虑到驾驶辅助系统存在一定的误报警概率。这是接下来需要进一步研究的方向。