駕駛模擬器在駕駛行為和心理影響因素研究方面的應(yīng)用

向往，閆學(xué)東，王江鋒

(北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044)

駕駛員是引發(fā)交通事故的主要原因，對(duì)駕駛員駕駛行為和心理的研究已成為交通安全的研究熱點(diǎn)。但實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)常常難以滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性、可控性和數(shù)據(jù)采集的要求，因此高仿真度駕駛模擬器已成為研究駕駛?cè)诵袨楹托睦淼闹匾ぞ摺?/p>

在利用駕駛模擬器研究駕駛行為和心理影響時(shí)，選定研究的影響因素，讓駕駛員在特定的模擬駕駛環(huán)境中行駛，代替實(shí)車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)車(chē)輛上的檢測(cè)器和傳感器檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到車(chē)輛控制數(shù)據(jù)、駕駛員的認(rèn)知行為和生理變化等客觀數(shù)據(jù)，并輔以駕駛員的主觀評(píng)價(jià)分析結(jié)果，對(duì)駕駛行為和心理的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外利用駕駛模擬器進(jìn)行駕駛行為和心理研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 駕駛行為和心理的影響因素

駕駛員的駕駛行為和心理會(huì)受到很多外界因素的影響，包括干擾因素、身體損害、病理影響與康復(fù)、群體和個(gè)人差異以及駕駛態(tài)度等。

1.1 干擾因素

干擾因素是指駕駛員在駕駛過(guò)程中所受到的外界干擾，能夠減弱駕駛員處理突發(fā)情況的能力和效率。駕駛模擬器可以利用實(shí)物或者計(jì)算機(jī)代碼輸入場(chǎng)景將干擾因素反映出來(lái)，然后檢測(cè)駕駛員的駕駛操作行為，研究不同情況下駕駛員的駕駛操作、注意力變化及損害程度。圖1給出了造成駕駛員注意力分散的主要干擾因素。

對(duì)干擾因素的研究主要集中于通訊設(shè)備、MP3、談話等對(duì)駕駛員的影響，在不同交通量情況下，干擾因素存在時(shí)駕駛操作都是非正常的［1］。由于在駕駛時(shí)使用手機(jī)的情況比較嚴(yán)重，手機(jī)對(duì)駕駛績(jī)效、駕駛員注意力、多種條件下的駕駛操作影響都有研究［2－4］。通過(guò)在行人過(guò)街、車(chē)輛并線、前車(chē)剎車(chē)三種情況下觀測(cè)駕駛員的反應(yīng)和眼動(dòng)，證明MP3對(duì)駕駛員操作有影響［5］。另外，乘客和駕駛員的談話等也會(huì)對(duì)駕駛員造成影響［6］。

圖1 干擾因素的分類(lèi)Fig.1 Classification of interference factors

1.2 身體損害

身體損害是指駕駛員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等生理機(jī)能受到外物的損害，包括酒后駕駛、藥物刺激后駕駛、視力矯正、視野盲區(qū)和聽(tīng)力損失等。駕駛模擬器可以通過(guò)逼真的圖像和聲音輸入模擬真實(shí)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試身體損害駕駛員的駕駛行為、認(rèn)知行為和生理變化，判斷身體損害的綜合影響。

國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是酒后駕車(chē)和藥物刺激后駕車(chē)，無(wú)論是新手還是熟練駕駛員，在喝醉情況下對(duì)危險(xiǎn)情況的處理能力都會(huì)降低［7］。醉酒駕駛在駕駛操作、認(rèn)知能力和自我克制等方面對(duì)駕駛員影響嚴(yán)重［8］，攝入少量酒精和缺乏睡眠也會(huì)降低在危險(xiǎn)情況下的認(rèn)知能力［9］。另外，還有人研究大麻、利他靈等藥物對(duì)駕駛員身體和駕駛行為的影響［10－12］。

1.3 病理影響與康復(fù)

病理影響與康復(fù)是指駕駛員在疾病狀態(tài)下和康復(fù)過(guò)程中的駕駛行為和心理。病理影響與康復(fù)的研究主要是側(cè)重病人駕駛員的駕駛操作、生理變化和認(rèn)知行為，分析與正常駕駛員的差別，判斷病人是否適合駕駛，并將這種變化作為反映病人病情的指標(biāo)，連續(xù)性的指標(biāo)測(cè)量能反映病人治療效果和康復(fù)情況。此外，駕駛模擬器還能作為特定疾病的康復(fù)手段。使用駕駛模擬器可以研究駕駛不當(dāng)與各種形式的神經(jīng)損傷或疾病的關(guān)系，表1給出了文獻(xiàn)記載的利用駕駛模擬器研究過(guò)的疾病。

表1 文獻(xiàn)記載利用駕駛模擬器研究過(guò)的疾病Table 1 Recorded disease researched with a driving simulator

1.4 群體和個(gè)體差異

群體差異是指年齡、駕齡、性別的差別，新手和熟練的駕駛員發(fā)生的交通事故數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)，駕駛操作差異大，年齡和性別也使駕駛操作具有一定差異。個(gè)體差異是指駕駛員的身體狀況和生活、工作習(xí)慣的不同，駕駛時(shí)間、肥胖、飲食、運(yùn)動(dòng)頻率、特殊職業(yè)等都會(huì)造成駕駛操作的差異。駕駛模擬器可以檢測(cè)出這些差異，為交通管理和交通安全研究提供理論基礎(chǔ)。

群體和個(gè)體差異的研究主要集中在年齡、駕齡、性別和駕駛疲勞等方面。年齡對(duì)駕駛員的認(rèn)知、車(chē)輛操作、危險(xiǎn)情況感知等方面都有影響［33－35］，新手駕駛員的危險(xiǎn)洞察力、操作能力、心理承受能力都有欠缺［36－37］，在反應(yīng)時(shí)間上性別的差異比較明顯［35］。對(duì)于駕駛疲勞，有身體不同部位的疲勞研究，如腦力疲勞、精神疲勞、腰部疲勞和肌肉疲勞等［39－42］;也有疲勞的原因研究，如單調(diào)環(huán)境、混亂的聲音等［43－44］;探求駕駛員疲勞時(shí)身體變化的研究，腦電信號(hào)、心電信號(hào)、肌電信號(hào)、血氧含量等［45－47］。高齡駕駛和疲勞駕駛會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知能力、反應(yīng)時(shí)間、緊急情況處理能力等下降;新手和熟練駕駛員的差異主要反映在車(chē)道保持、對(duì)車(chē)輛間距的判斷、復(fù)雜的機(jī)動(dòng)操作和交叉口決策等方面;女性比男性駕駛更加專(zhuān)注、遵守操作規(guī)范和交通規(guī)則、更加謹(jǐn)慎等，而男性比女性反應(yīng)時(shí)間短、車(chē)速快、危險(xiǎn)情況處理好、不易產(chǎn)生疲勞等。

1.5 駕駛態(tài)度

駕駛態(tài)度是指駕駛員對(duì)路權(quán)、車(chē)速、擁擠、可插間隙等的認(rèn)知，除了與駕駛員本身性格有關(guān)外，與憤怒、激動(dòng)、傷心、抑郁等不同的情緒也有關(guān)。駕駛模擬器能夠記錄車(chē)輛運(yùn)行狀況，監(jiān)測(cè)駕駛員的駕駛操作，檢測(cè)不同駕駛態(tài)度駕駛員的駕駛行為。

侵犯型駕駛行為與駕駛員的安全傾向之間有相關(guān)性，并與駕駛員的自戀有直接關(guān)系。侵犯型駕駛行為是習(xí)得的，歸因和環(huán)境是導(dǎo)致侵犯型駕駛行為的主要因素。侵犯型駕駛行為對(duì)交通安全有危害，而謹(jǐn)慎型駕駛行為影響道路實(shí)際通過(guò)能力［48－50］。對(duì)駕駛時(shí)情緒的研究有生氣對(duì)駕駛的影響，以及生氣與多種情緒之間的對(duì)比等［51－52］。

2 駕駛行為和心理的影響評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠定量地表達(dá)影響程度，反映駕駛員駕駛行為和心理變化等。

2.1 車(chē)輛控制

車(chē)輛控制指標(biāo)是指通過(guò)各種車(chē)載傳感器自動(dòng)檢測(cè)獲取，通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理能夠反映駕駛行為的參數(shù)，這些參數(shù)具有客觀性，能夠?yàn)轳{駛員駕駛行為和心理的研究提供客觀依據(jù)。表2給出了表征車(chē)輛控制的指標(biāo)。

表2 車(chē)輛控制指標(biāo)分類(lèi)Table 2 Classification of vehicle control factor

車(chē)輛控制指標(biāo)與道路狀況、交通狀況、駕駛員性格、駕駛經(jīng)驗(yàn)、駕駛熟練程度、駕駛員生理和心理狀況等都有關(guān)。加減速實(shí)現(xiàn)車(chē)速的變化，不僅影響自身駕駛的舒適性和安全性，還影響后續(xù)車(chē)輛的駕駛操作，此指標(biāo)能夠反映駕駛員對(duì)接受周?chē)煌ōh(huán)境刺激后所做出的反應(yīng)能力［1］。車(chē)道控制涉及車(chē)道保持和車(chē)道轉(zhuǎn)換，由方向盤(pán)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)，能夠反映駕駛穩(wěn)定性和駕駛態(tài)度，跟駕駛員精神狀況和熟練程度相關(guān)［3］。行車(chē)軌跡用于分析駕駛員的駕駛態(tài)度，表征不同駕駛員在遇到同樣的交通情況時(shí)的處理方式［7］。

2.2 認(rèn)知行為

駕駛員的認(rèn)知行為指標(biāo)包含反應(yīng)時(shí)間、視覺(jué)行為、認(rèn)知能力等，圖2給出了認(rèn)知行為指標(biāo)的分類(lèi)。

反應(yīng)時(shí)間是指駕駛員接受刺激之后到明顯反應(yīng)開(kāi)始所需要的時(shí)間，因人而異，并與刺激物的類(lèi)型有關(guān)，觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)刺激的反應(yīng)時(shí)間各不相同［38］。視覺(jué)行為是指駕駛員通過(guò)視覺(jué)獲得交通信息的行為［35］。認(rèn)知能力指駕駛員加工、存儲(chǔ)和提取交通信息的能力，即從各個(gè)方面獲取信息的準(zhǔn)確率，是集合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等多種形式的綜合指標(biāo)［34］。

圖2 認(rèn)知行為指標(biāo)分類(lèi)Fig.2 Classification of cognitive behavior factor

2.3 生理變化

生理狀態(tài)除了存在個(gè)體差異和群體差異，在正常狀態(tài)和駕駛狀態(tài)下也有不同，在駕駛模擬過(guò)程中可以通過(guò)醫(yī)學(xué)手段尋找其中的規(guī)律，反映生理變化。生理變化指標(biāo)包括生物電信號(hào)和血液等。圖3給出了生物電信號(hào)的檢測(cè)和分析過(guò)程。

圖3 生物電信號(hào)檢測(cè)與分析過(guò)程Fig.3 Detection and analysis process of a bio－electricity signal

生物電信號(hào)包括腦電信號(hào)、心電信號(hào)和肌電信號(hào)，3者結(jié)合能夠分析駕駛員對(duì)刺激的反應(yīng)和特殊條件對(duì)身體的影響，間接反映駕駛員心理的變化。腦部是駕駛員的信息處理中心和指令中心，腦電信號(hào)可以研究駕駛對(duì)駕駛員生理的綜合影響［39］。心電信號(hào)可以分析和鑒別駕駛員的心率變化和心率變異性，心率是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究中描述患者情緒的重要指標(biāo)［46］。肌電信號(hào)可以反映進(jìn)行不同的駕駛操作時(shí)駕駛員的肌肉變化，檢測(cè)肌肉的疲勞狀況［42］。

血液指標(biāo)主要包括血壓和血液成分。血壓跟駕駛員自身特點(diǎn)有關(guān)，也和情緒和藥物刺激有關(guān)，駕駛員的疲勞、群體和個(gè)體差異都能夠在血壓上有所反映［43］。時(shí)刻變化的血液成分直接影響各項(xiàng)身體機(jī)能，分析某種物質(zhì)在血液中的時(shí)序效應(yīng)，可以從生理層面研究駕駛員在特殊條件下駕駛行為的變化。

表3給出了國(guó)內(nèi)外的駕駛行為和心理研究中使用過(guò)的指標(biāo)對(duì)比，國(guó)內(nèi)使用過(guò)的指標(biāo)不如國(guó)外齊全，缺乏對(duì)認(rèn)知行為和生理變化的研究，尤其是在病理影響與康復(fù)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)比較欠缺。

表3 國(guó)內(nèi)外駕駛行為和心理研究中使用過(guò)的指標(biāo)Table 3 Comparisons of factors used in global driving behavior and psychology

3 實(shí)驗(yàn)方法

在利用駕駛模擬器進(jìn)行駕駛行為和心理研究時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法如自設(shè)計(jì)直接影響分析結(jié)果的可靠性。

3.1 實(shí)驗(yàn)樣本

實(shí)驗(yàn)樣本是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中抽取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的樣本數(shù)，具有代表性、針對(duì)性和可控性。樣本取樣的關(guān)鍵問(wèn)題是選取合適的樣本量。通過(guò)SCI、SSCI和EI檢索了相關(guān)研究領(lǐng)域的100篇文獻(xiàn)，其中選取多組樣本的文獻(xiàn)65篇，選取一組樣本的文獻(xiàn)35篇，所采用的樣本數(shù)比較如圖4所示。

圖4 國(guó)外在一組樣本和多組樣本情況下的樣本量取值Fig.4 Sample size under a group of samples and multiple groups of samples collected abroad

一般多組樣本的實(shí)驗(yàn)比一組樣本的實(shí)驗(yàn)樣本量大，多組樣本實(shí)驗(yàn)采用的樣本數(shù)為20～80，平均樣本量為58;一組樣本實(shí)驗(yàn)采用的樣本數(shù)為10～30，平均樣本量為23。實(shí)驗(yàn)樣本量的選取除了要考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐?，還受到資金、獲得樣本的難易程度等因素的制約，因此，樣本量的選取需要綜合考慮多個(gè)因素。樣本量確定之后，需要確定樣本結(jié)構(gòu)，包括樣本中的性別比例、年齡分布、駕齡分布、職業(yè)分布以及身體狀況等。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括駕駛模擬器及其附屬設(shè)施和人體測(cè)試儀器。目前，用于研究的駕駛模擬器以三屏幕主動(dòng)式和液壓伺服體感為主，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)使用三屏幕主動(dòng)式駕駛模擬器［2，36，39］。液壓伺服體感駕駛模擬器(如TOYOTA、NADS－1)盡管價(jià)格昂貴，但能夠提供震動(dòng)、傾斜等運(yùn)動(dòng)體感，可以更加逼真地模擬駕駛過(guò)程。場(chǎng)景輸出一般使用計(jì)算機(jī)生成圖像(CGI)，除了駕駛模擬器，表4給出了實(shí)驗(yàn)需要的附屬設(shè)施和測(cè)量人體的儀器。

表4 人體測(cè)量的儀器Table 4 Human body measurement apparatus

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備的齊全;讓工作人員熟悉實(shí)驗(yàn)流程，明確每段實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、需要人工測(cè)試的內(nèi)容和時(shí)刻;對(duì)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行相關(guān)的培訓(xùn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)前的一段時(shí)間進(jìn)行生理和心理調(diào)節(jié)。

(2)選擇實(shí)驗(yàn)形式。根據(jù)樣本組的不同將實(shí)驗(yàn)形式分為一組樣本和多組樣本2種，一組樣本實(shí)驗(yàn)是同一組人員在不同外界環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，駕駛時(shí)間、駕駛環(huán)境等外在因素存在差異;多組樣本實(shí)驗(yàn)是不同人員的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究不同組人員之間的差異。2種形式的實(shí)驗(yàn)都可能會(huì)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)中駕駛員會(huì)對(duì)駕駛環(huán)境產(chǎn)生記憶，影響相同環(huán)境下的駕駛操作，因此，在駕駛場(chǎng)景不會(huì)對(duì)測(cè)試指標(biāo)產(chǎn)生明顯影響情況下，需要對(duì)駕駛環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓詼p小重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的影響。

(3)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有電子設(shè)備自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)，例如車(chē)輛操縱數(shù)據(jù)、生理信號(hào)等;也有人工記錄的數(shù)據(jù)，如對(duì)特定駕駛員的行為和特殊情況的記載等，人工記錄過(guò)程中不能干擾駕駛員操作。

3.4 結(jié)果分析方法

常用的分析方法主要有均值分析、方差分析、相關(guān)性分析和回歸分析。前3種主要是均值、方差和相關(guān)系數(shù)的差異顯著性檢驗(yàn)，其適用情況見(jiàn)表5和表6?；貧w分析檢測(cè)2個(gè)指標(biāo)之間的一般關(guān)系，以線性回歸為主。

表5 均值和相關(guān)系數(shù)差異顯著性檢驗(yàn)方法選擇Table 5 Test method selection of obvious distinction between mean value and related

表6 樣本方差差異顯著性檢驗(yàn)方法選擇Table 6 Test method selection of obvious distinction among sample variances

4 研究展望

利用駕駛模擬器對(duì)駕駛行為和心理的研究涉及到駕駛行為和心理的多個(gè)影響因素，其中對(duì)駕駛行為和認(rèn)知行為的影響的研究較為成熟，研究成果豐富，今后的重點(diǎn)是研究影響因素引起的駕駛員的生理變化，從駕駛員自身尋找駕駛行為變化的根本原因。目前國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)是影響因素對(duì)駕駛操作的影響，對(duì)于認(rèn)知行為和生理變化涉及較少，病理影響與康復(fù)的研究比較欠缺，對(duì)認(rèn)知行為和生理變化的研究是今后研究的趨勢(shì)。跟國(guó)內(nèi)的研究相比，國(guó)外有以下幾點(diǎn)值得借鑒:

(1)設(shè)施全、領(lǐng)域廣。國(guó)外駕駛模擬器的生產(chǎn)廠商技術(shù)水平較高，目前6自由度的液壓伺服體感駕駛模擬器已經(jīng)投入使用，而國(guó)內(nèi)的研究型駕駛模擬器大多是三屏幕主動(dòng)式。另外國(guó)外的附屬設(shè)施和人體檢測(cè)儀器也很齊全，能夠滿足大部分研究的硬件需求，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)外的研究范圍已非常廣泛，對(duì)駕駛員心理和生理的眾多方面都有涉及。

(2)樣本大、數(shù)據(jù)多。國(guó)內(nèi)不論是一組樣本還是多組樣本，樣本量一般不超過(guò)20。國(guó)外取一組樣本時(shí)樣本量多數(shù)在20～30之間，取多組樣本時(shí)平均樣本量超過(guò)40，樣本分組越多，樣本量越大。樣本量大，輸出的數(shù)據(jù)多，結(jié)果的處理國(guó)外大部分研究包含均值分析、方差分析和相關(guān)性分析，部分研究中采用回歸分析;國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理上相對(duì)簡(jiǎn)單，一些研究?jī)H使用了均值和方差分析，少數(shù)研究使用回歸分析。

(3)內(nèi)容細(xì)、程度深。在駕駛員心理和生理方面的研究中，大致遵循研究的時(shí)間主線，即危害研究(駕駛行為)、原因研究(認(rèn)知行為、生理變化)、檢測(cè)方法研究和預(yù)防方法研究。國(guó)外在各個(gè)因素對(duì)駕駛行為和認(rèn)知行為的影響方面都有過(guò)研究，而對(duì)生理變化的研究略有欠缺;國(guó)內(nèi)目前還停留在對(duì)認(rèn)知行為的研究階段，就具體研究?jī)?nèi)容而言，國(guó)內(nèi)研究覆蓋面小，研究?jī)?nèi)容還有待細(xì)化，深度也需要加強(qiáng)。

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