駕駛員在真實(shí)交通危險(xiǎn)工況中的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間

李 霖，朱西產(chǎn)，馬志雄

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

前言

當(dāng)前汽車安全技術(shù)的研究重心正在由被動(dòng)安全向主動(dòng)安全轉(zhuǎn)移。先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance systems, ADAS)是現(xiàn)在汽車主動(dòng)安全技術(shù)研究的熱點(diǎn)。目前很多關(guān)于ADAS的研究及產(chǎn)品都屬于縱向輔助系統(tǒng)，比如前碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system, FCW)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(autonomous emergency braking system, AEB)等。這類系統(tǒng)只考慮汽車縱向運(yùn)動(dòng)方向上的危險(xiǎn)，在開(kāi)發(fā)時(shí)必須考慮駕駛員的制動(dòng)行為特征。以FCW為例，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警告的時(shí)間必須足夠早，以留給駕駛員充足的反應(yīng)時(shí)間實(shí)施制動(dòng)避免碰撞，但如果系統(tǒng)發(fā)出警告的時(shí)間過(guò)早，則會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)，干擾駕駛員正常行駛，使用戶接受度降低。因此，駕駛員制動(dòng)行為包括制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)輸入特征是開(kāi)發(fā)FCW的兩個(gè)基本要素[1]。

目前已有不少關(guān)于駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的研究[2-6]，但由于測(cè)試信號(hào)和測(cè)試環(huán)境等的不同，得出的研究結(jié)果差異很大。同時(shí)，在開(kāi)發(fā)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)時(shí)，算法中所涉及的駕駛員反應(yīng)時(shí)間應(yīng)與真實(shí)交通環(huán)境中駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間一致。但是，目前關(guān)于真實(shí)交通環(huán)境中的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的研究較少，大部分研究都是在特定的測(cè)試環(huán)境中，比如場(chǎng)地測(cè)試和駕駛模擬器測(cè)試，測(cè)試條件相對(duì)簡(jiǎn)單，考慮因素有限，駕駛員對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中出現(xiàn)的危險(xiǎn)有心理預(yù)期。這些測(cè)試環(huán)境與真實(shí)的駕駛環(huán)境有較大差異，因而研究成果不能直接應(yīng)用于ADAS的開(kāi)發(fā)。另外，不同國(guó)家和地區(qū)的駕駛員駕駛習(xí)慣不同，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間也會(huì)有差異，因此為開(kāi)發(fā)適合我國(guó)特殊交通狀況的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)，必須研究我國(guó)駕駛員在真實(shí)交通環(huán)境中的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

本文中首先通過(guò)車輛行駛記錄儀(video drive recorder, VDR)對(duì)上海市嘉定區(qū)的真實(shí)交通工況進(jìn)行了采集，然后通過(guò)篩選和分類，得到典型的危險(xiǎn)工況類型，最后對(duì)這些典型危險(xiǎn)工況中駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了提取和分析。

1 真實(shí)交通工況采集

出租車具有運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行道路覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，因此特別適用于快速獲取真實(shí)的交通工況數(shù)據(jù)。本文中通過(guò)在數(shù)輛出租車、警車和私家車上安裝車輛行駛記錄儀(VDR)對(duì)上海市嘉定區(qū)的真實(shí)駕駛場(chǎng)景進(jìn)行了采集(圖1)。VDR內(nèi)置一個(gè)攝像頭來(lái)記錄車輛前方視野的道路交通影像和其他有關(guān)信息，如車輛速度、縱向加速度、側(cè)向加速度等記錄。本文中所用的VDR在縱向或側(cè)向加速度絕對(duì)值大于0.4g時(shí)觸發(fā)，只記錄觸發(fā)前15s和觸發(fā)后5s的數(shù)據(jù)。

2 危險(xiǎn)工況的獲取和分類

通過(guò)VDR采集總共獲得了約4 000例觸發(fā)工況，經(jīng)過(guò)仔細(xì)查看觸發(fā)工況的視頻錄像，去掉沒(méi)有任何碰撞危險(xiǎn)的工況，最終得到了8例事故工況和1 200例危險(xiǎn)工況。再通過(guò)主觀評(píng)價(jià)對(duì)這1 200例危險(xiǎn)工況按照危險(xiǎn)程度進(jìn)行分級(jí)，危險(xiǎn)等級(jí)主要分為4級(jí)：0-危險(xiǎn)預(yù)兆，1-輕微危險(xiǎn)，2-一般危險(xiǎn)，3-緊急危險(xiǎn)。這里選取危險(xiǎn)度為2級(jí)和3級(jí)的危險(xiǎn)工況作為分析目標(biāo)，共計(jì)430例。將這430例危險(xiǎn)工況按照NHTSA提出的37類預(yù)碰撞場(chǎng)景分類方法[7]進(jìn)行分類，從分類結(jié)果(圖2)可以看出，最典型的6類危險(xiǎn)工況共有303例，占所有430例危險(xiǎn)工況的70%左右，這6類工況根據(jù)數(shù)量的多少按Ⅰ-Ⅵ排列，具體含義如圖3所示。本文中利用這6類典型的危險(xiǎn)工況來(lái)分析駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

3 駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間提取

在這6類總共303例危險(xiǎn)工況中，所有駕駛員都通過(guò)制動(dòng)操作來(lái)避免碰撞，本文中通過(guò)對(duì)駕駛員的制動(dòng)行為進(jìn)行分析提取駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間定義為從出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)到駕駛員開(kāi)始制動(dòng)操作所經(jīng)歷的時(shí)間。一般包括駕駛員識(shí)別危險(xiǎn)并決定制動(dòng)所需的大腦信息處理時(shí)間和駕駛員的腳離開(kāi)加速踏板到接觸制動(dòng)踏板所需的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。在有些研究中，制動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間也包含在內(nèi)。

首先須確定碰撞危險(xiǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻，如何確定危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻是目前所有基于自然行駛工況的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間研究所面臨的難題。在這6類危險(xiǎn)工況中，工況類型Ⅱ(前車減速)的危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻相對(duì)容易確定，定義為前車制動(dòng)燈亮的時(shí)刻。其他5類工況中危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻定義為前方車輛開(kāi)始導(dǎo)致碰撞危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻。比如在工況類型Ⅰ中，危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻定義為本車側(cè)前方自行車(摩托車)突然拐入本車行駛車道，或者本車前方被遮擋的自行車(摩托車)突然從遮擋物后竄出的時(shí)刻；工況類型Ⅲ中，危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻定義為本車在路口轉(zhuǎn)向時(shí)車輛前方被遮擋的自行車(摩托車)從遮擋物后竄出，或者車輛前方的自行車(摩托車)突然改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(改變后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致了危險(xiǎn)的發(fā)生)的時(shí)刻；工況類型Ⅳ和Ⅵ中，危險(xiǎn)開(kāi)始時(shí)刻定義為車輛側(cè)前方車輛開(kāi)始向本車道轉(zhuǎn)向或偏移的時(shí)刻；工況類型Ⅴ中，危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻定義為車輛前方行人開(kāi)始橫穿公路，或者被遮擋行人從遮擋物后竄出的時(shí)刻。如果無(wú)法直接判斷危險(xiǎn)開(kāi)始時(shí)刻，則通過(guò)研究人員和擁有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員共同進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)確定，舍去無(wú)法直接判斷危險(xiǎn)開(kāi)始時(shí)刻且主觀評(píng)價(jià)結(jié)果差異很大的工況。

然后，通過(guò)車輛速度曲線(圖4)確定駕駛員制動(dòng)開(kāi)始的時(shí)刻。對(duì)車輛速度曲線進(jìn)行分段直線擬合，其中C-D段車輛速度急劇減小，因此可視為駕駛員的緊急制動(dòng)過(guò)程，C點(diǎn)可視作駕駛員緊急制動(dòng)起始時(shí)刻。實(shí)際上由于制動(dòng)器響應(yīng)帶來(lái)的延遲，駕駛員開(kāi)始制動(dòng)的時(shí)刻應(yīng)該比C點(diǎn)更早，但為分析方便，本文中也將制動(dòng)器響應(yīng)延遲時(shí)間視作駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的一部分。

在駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的提取過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些工況下駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間非常長(zhǎng)。這主要有兩個(gè)原因：一是在本文中定義的危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)刻時(shí)，一些駕駛員注意力不集中，未能及時(shí)識(shí)別到危險(xiǎn)的出現(xiàn)；二是一些駕駛員雖然已經(jīng)注意到危險(xiǎn)，但認(rèn)為不必立刻進(jìn)行制動(dòng)。這些工況中得出的數(shù)據(jù)不能作為駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)的引入會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果方差過(guò)大，平均值偏高。從已有的文獻(xiàn)可看出，幾乎所有研究得出的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間都小于2s，而本文中得出的結(jié)果也絕大部分在2s以下，因此只選駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間在2s以下的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

最終得出的6種危險(xiǎn)工況下駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間如圖5所示，平均值分布在1.02～1.36s之間。從駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)(表1)可以看出，駕駛環(huán)境對(duì)駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有很大的影響，不同類型的危險(xiǎn)工況下駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有明顯的差異。因此，無(wú)法得到一個(gè)適用于不同交通環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，這點(diǎn)與文獻(xiàn)[2]中的研究成果一致。

工況類型平均值標(biāo)準(zhǔn)差中位數(shù)75百分位值90百分位值Ⅰ102034101215Ⅱ136034137162178Ⅲ1070291031314Ⅳ115039101517Ⅴ106034111315Ⅵ114041111517

相比于由其他車輛導(dǎo)致的碰撞危險(xiǎn)(工況Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ)，當(dāng)危險(xiǎn)是由行人或騎車人等易受傷害的道路使用者導(dǎo)致時(shí)(工況Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ)，駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間更短，這說(shuō)明駕駛員對(duì)易受傷害的道路使用者更為警覺(jué)，在有危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)制動(dòng)反應(yīng)更快。

當(dāng)碰撞危險(xiǎn)都是由車輛引起時(shí)，相對(duì)于工況類型Ⅱ，在工況類型Ⅳ和Ⅵ中，碰撞危險(xiǎn)更為明顯。在工況類型Ⅱ中，在前車突然制動(dòng)前碰撞危險(xiǎn)都是潛在的，駕駛員并未對(duì)危險(xiǎn)的出現(xiàn)有心理預(yù)期，因此當(dāng)危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，駕駛員通常需要更多的時(shí)間來(lái)判斷交通環(huán)境并做出反應(yīng)。

因?yàn)槟壳爸髁鞯目v向駕駛輔助系統(tǒng)，如FCW、AEB等，主要目的是避免追尾碰撞事故或減小追尾事故的嚴(yán)重程度，所以工況類型Ⅱ(前車減速)最受關(guān)注。下面對(duì)工況Ⅱ下的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間做進(jìn)一步分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中的研究成果，駕駛員反應(yīng)時(shí)間近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，本文中也對(duì)前車減速工況下駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間做了對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖6所示，擬合的效果較好，相關(guān)系數(shù)R=0.87。對(duì)數(shù)正態(tài)分布的擬合均值μ=1.387s，與算術(shù)均值1.36s接近。

駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與速度的關(guān)系一直是研究的重點(diǎn)。但是，之前的研究并未達(dá)成共識(shí)。例如，文獻(xiàn)[10]中論述當(dāng)車速?gòu)?0km/h升高到64km/h時(shí)，駕駛員對(duì)黃燈的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間縮短了0.5s。但是文獻(xiàn)[11]中研究卻發(fā)現(xiàn)速度對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)間沒(méi)有影響。本文中對(duì)前車減速工況下駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與車速的關(guān)系做了分析，結(jié)果表明駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有隨車速升高而降低的趨勢(shì)(圖7)，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.24，相關(guān)性并不很強(qiáng)，但具有一定的指示性，說(shuō)明車速確實(shí)對(duì)駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有一定影響。

本文研究發(fā)現(xiàn)，在前車減速工況下，當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生在路口時(shí)，駕駛員的平均制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間比在非路口時(shí)長(zhǎng)(圖8)。在路口時(shí)的平均制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為1.367s，而在非路口時(shí)的平均制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為1.356s。這個(gè)結(jié)論與一些已有的研究結(jié)果相悖，因?yàn)橐恍┭芯咳藛T認(rèn)為，當(dāng)車輛行駛在路口時(shí)，駕駛員通常對(duì)危險(xiǎn)出現(xiàn)有一定的心理預(yù)期，因此當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)制動(dòng)得更快。例如文獻(xiàn)[12]中通過(guò)駕駛員模擬器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論有沒(méi)有自動(dòng)前碰撞預(yù)警系統(tǒng)，在路口時(shí)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間總比在直路時(shí)短。本文中通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)工況視頻進(jìn)行細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，在路口時(shí)交通環(huán)境相比于在非路口行駛時(shí)更為復(fù)雜，駕駛員必須花更多的注意力關(guān)注從側(cè)面來(lái)的車輛或者其他道路使用者，加重了駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。因此，當(dāng)在路口遭遇前車突然減速時(shí)，駕駛員通常需要花費(fèi)更多的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的研究成果，碰撞危險(xiǎn)緊急程度越高，駕駛員制動(dòng)越快，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間越短。在實(shí)際應(yīng)用中，TTC(time-to-collision)經(jīng)常用來(lái)表征危險(xiǎn)程度，TTC是指同一路徑上的兩輛車保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變到發(fā)生碰撞所需要的時(shí)間，即兩車相對(duì)距離除以兩車相對(duì)速度。文獻(xiàn)[14]中研究了駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與TTC之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TTC越大，無(wú)論是平均制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間還是制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差都越大。但是，在前車減速工況中，前車開(kāi)始制動(dòng)時(shí)的TTC值分布范圍很大。這是因?yàn)樵诟嚽闆r下，相對(duì)速度可能很小，因而TTC可能非常大甚至為負(fù)。從這個(gè)結(jié)果可以看出，TTC并不總能夠正確反映危險(xiǎn)緊急程度。本文中嘗試采用THW(time headway)來(lái)表征危險(xiǎn)緊急程度。THW定義為兩車相對(duì)距離除以后車速度。從駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與前車制動(dòng)開(kāi)始時(shí)的THW的關(guān)系(圖9)可以看出，當(dāng)THW減小時(shí)，駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有減小的趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)為0.158，相關(guān)性較弱。

由于駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與THW的相關(guān)較弱，可見(jiàn)THW也不能很準(zhǔn)確反映危險(xiǎn)的緊急程度。因此嘗試采用文獻(xiàn)[15]中提出的危險(xiǎn)感知參數(shù)RP(Risk Perception)來(lái)表征危險(xiǎn)。危險(xiǎn)感知參數(shù)定義為

這個(gè)參數(shù)可以同時(shí)考慮TTC和THW的影響。計(jì)算在前車開(kāi)始減速時(shí)的危險(xiǎn)感知參數(shù)，如果在前車開(kāi)始減速時(shí)的TTC>15s或?yàn)樨?fù)值，則設(shè)定TTC=15s。從駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間與危險(xiǎn)感知參數(shù)的關(guān)系(圖10)可以看出，當(dāng)危險(xiǎn)感知參數(shù)變大時(shí)，駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有減小的趨勢(shì)，兩者相關(guān)系數(shù)為-0.247，其相關(guān)性比反應(yīng)時(shí)間與THW之間的相關(guān)性更強(qiáng)。

因此可見(jiàn)，當(dāng)危險(xiǎn)緊急程度上升時(shí)，駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間有減小的趨勢(shì)，這點(diǎn)與之前的研究結(jié)論一致。在前車減速工況中，危險(xiǎn)感知參數(shù)比THW和TTC更適合用來(lái)表征危險(xiǎn)緊急程度。

5 結(jié)論

首先通過(guò)行駛記錄儀(VDR)對(duì)上海市嘉定區(qū)的真實(shí)交通工況進(jìn)行了采集，然后對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分類，得到了6種典型的危險(xiǎn)工況。接著對(duì)這6種危險(xiǎn)工況下，特別是前車減速工況下的駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間做了提取和分析。結(jié)果表明，駕駛員反應(yīng)時(shí)間受駕駛環(huán)境影響很大，不同類型的危險(xiǎn)工況下駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間明顯不同。在前車減速工況中，駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間近似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布，當(dāng)車速增大、危險(xiǎn)等級(jí)增加或危險(xiǎn)發(fā)生在非路口時(shí)，駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間更短。

對(duì)駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的研究成果可用于在開(kāi)發(fā)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，評(píng)價(jià)控制策略性能，也可用于設(shè)計(jì)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的性能測(cè)試方法。由于本文中的所有數(shù)據(jù)都來(lái)源于我國(guó)真實(shí)的交通工況，因此特別適用于開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)兼容我國(guó)特殊工況的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

本文中用于分析駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的樣本量還相對(duì)較少，分析的范圍也主要局限在出租車和警車，未來(lái)計(jì)劃采集更多、覆蓋范圍更廣的數(shù)據(jù)對(duì)駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行深入研究。

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