工況緊急程度對(duì)駕駛員避撞行為的影響

王雪松， 朱美新， 陳　銘

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

?

工況緊急程度對(duì)駕駛員避撞行為的影響

王雪松， 朱美新， 陳銘

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

摘要：利用同濟(jì)大學(xué)8自由度高仿真駕駛模擬器研究了臨撞工況緊急程度對(duì)駕駛員避撞行為的影響.通過(guò)不同初始車(chē)頭時(shí)距(<1.0 s, [1.0 s,1.5 s), [1.5 s,2.5 s])和不同前車(chē)減速度(0.30g, 0.50g, 0.75g)的組合，建立了不同緊急程度的前車(chē)減速臨撞工況，運(yùn)用駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間、油門(mén)釋放反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)轉(zhuǎn)移時(shí)間、制動(dòng)延誤、最大剎車(chē)踏板壓力、最大減速度等指標(biāo)比較了不同緊急程度下避撞行為的差異.結(jié)果表明，①隨著工況緊急程度的增加，駕駛員更快地釋放油門(mén)及達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力，并且施加更大的制動(dòng)力度；②當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距為1.5 s左右時(shí)，駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間約為1.2 s，而當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距增大到2.5 s以上時(shí)，感知反應(yīng)時(shí)間變得非常大，甚至達(dá)到了3 s；③駕駛員開(kāi)始釋放油門(mén)與開(kāi)始制動(dòng)間的轉(zhuǎn)移時(shí)間不受工況緊急程度影響，保持在0.8 s附近；④在低緊急程度下，駕駛員表現(xiàn)出多階段剎車(chē)行為，使得駕駛員需要更多的時(shí)間才能達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力.

關(guān)鍵詞：追尾事故； 避撞行為； 感知反應(yīng)時(shí)間； 制動(dòng)延誤； 工況緊急程度； 駕駛模擬器

追尾事故在事故總數(shù)中所占比例非常高，在國(guó)外，占25%～40%[1]；在上海，占20%，而在高速公路和隧道中，上升到49%和67%[2].導(dǎo)致這類(lèi)事故發(fā)生的主要原因有2個(gè)：一是車(chē)距過(guò)近以致駕駛員沒(méi)有及時(shí)作出反應(yīng)；二是駕駛員在避險(xiǎn)的過(guò)程中剎車(chē)力度不夠[3].研究駕駛員在臨撞工況下的反應(yīng)及剎車(chē)行為(即避撞行為)對(duì)于建立剎車(chē)曲線模型、避撞預(yù)警算法等有著重要作用.

駕駛員的避撞行為受多種因素影響：如駕駛員的預(yù)期、性別、年齡及認(rèn)知負(fù)荷等[4]，工況的緊急程度是其中之一[5]，但已有研究并未對(duì)不同緊急程度下的避撞行為作系統(tǒng)的探討.本研究利用同濟(jì)大學(xué)8自由度高仿真駕駛模擬器，通過(guò)調(diào)整初始車(chē)頭時(shí)距及前車(chē)減速度來(lái)設(shè)置不同緊急程度的臨撞工況，系統(tǒng)探究工況緊急程度對(duì)駕駛員避撞措施選擇、感知反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)前反應(yīng)序列、制動(dòng)后反應(yīng)序列以及制動(dòng)力度的影響.

1研究綜述

駕駛員避撞行為可以分為2個(gè)階段：制動(dòng)前反應(yīng)過(guò)程和制動(dòng)后減速過(guò)程.制動(dòng)前反應(yīng)過(guò)程的重要參數(shù)為感知反應(yīng)時(shí)間，其定義為前車(chē)開(kāi)始制動(dòng)至后車(chē)駕駛員開(kāi)始采取制動(dòng)或轉(zhuǎn)向措施所需要的時(shí)間.感知反應(yīng)時(shí)間反映了駕駛員感知到危險(xiǎn)并采取避撞措施的快慢，是前向避撞預(yù)警及事故重建所需的重要參數(shù)[6].但已有研究得到的感知反應(yīng)時(shí)間差異非常大，變化范圍達(dá)到了0.5～10 s[7].不同研究在試驗(yàn)方法上的差異是導(dǎo)致得到的感知反應(yīng)時(shí)間不一致的一個(gè)原因，另一個(gè)原因則是由于感知反應(yīng)時(shí)間本身受到多種因素的影響，包括駕駛員的預(yù)期、性別、年齡及認(rèn)知負(fù)荷等[4].

臨撞工況的緊急程度是影響駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間的重要因素[5].已有研究主要通過(guò)2類(lèi)指標(biāo)來(lái)衡量工況的緊急程度：一類(lèi)是工況觸發(fā)時(shí)兩車(chē)的時(shí)空關(guān)系，如工況觸發(fā)時(shí)兩車(chē)的距離、車(chē)頭時(shí)距、碰撞時(shí)間；另一類(lèi)是避撞過(guò)程中兩車(chē)接近的快慢，如前車(chē)減速度.基于第1類(lèi)指標(biāo)，Liebermann等[8]測(cè)試了駕駛員在2種不同的跟車(chē)距離(6 m和12 m)及跟車(chē)速度(60 km·h-1和80 km·h-1)下的感知反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)跟車(chē)速度對(duì)感知反應(yīng)時(shí)間并無(wú)影響，而跟車(chē)距離越近，駕駛員反應(yīng)更快.基于第2類(lèi)指標(biāo)，Hulst[9]測(cè)試了駕駛在2種不同的前車(chē)減速度(1 m·s-2與2 m·s-2)下的感知反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)前車(chē)減速度越大，駕駛員反應(yīng)越快.

值得注意的是，既有研究并未將衡量工況緊急程度的2類(lèi)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)探討其對(duì)駕駛員避撞行為的影響.考慮到這2類(lèi)指標(biāo)分別從工況初始狀態(tài)和工況中間過(guò)程2個(gè)不同的角度反映了工況的緊急程度，有必要將二者結(jié)合起來(lái)系統(tǒng)地探究工況緊急程度對(duì)避撞行為的影響.

制動(dòng)后避撞行為包括制動(dòng)力度、制動(dòng)至最大剎車(chē)踏板壓力所需時(shí)間等.目前，針對(duì)該方面的研究只是提出了相關(guān)的指標(biāo)但沒(méi)有分析工況緊急程度對(duì)其的影響.對(duì)駕駛員剎車(chē)行為的研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員在開(kāi)始制動(dòng)后，并不是立即達(dá)到最大制動(dòng)力度，而是存在一定的延誤[6].同時(shí)，駕駛員(尤其是不熟練駕駛員)在臨撞工況中經(jīng)常未能施加足夠的制動(dòng)力度從而導(dǎo)致事故.研究工況緊急程度對(duì)駕駛員制動(dòng)延誤及制動(dòng)力度的影響對(duì)理解駕駛員的剎車(chē)行為、建立剎車(chē)曲線模型等具有重要意義.

2臨撞工況試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)人員

共招募了29名持有駕照的駕駛員參加了“臨撞工況下駕駛行為試驗(yàn)”，駕駛員年齡分布在23歲至54歲之間(平均值33，標(biāo)準(zhǔn)差8.7)，其中男性23名，女性6名.有4位駕駛員在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)輕微不適癥狀，因此補(bǔ)充了4位駕駛員作為替代者，所有駕駛員的行駛里程均超過(guò)了1萬(wàn)km.

2.2試驗(yàn)設(shè)備

同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器硬件系統(tǒng)由駕駛艙和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成.其中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有 8個(gè)自由度(6Z自由度、XY橫縱向工作臺(tái))，XY橫縱向工作臺(tái)的活動(dòng)范圍分別為5 m，20 m；駕駛艙為球穹頂封閉剛性結(jié)構(gòu)，由仿真轎車(chē)與投影系統(tǒng)組成.仿真轎車(chē)內(nèi)飾齊全，車(chē)型為Renault Megane Ⅲ，去除發(fā)動(dòng)機(jī)、保留輪胎，加載其他設(shè)備如方向盤(pán)、剎車(chē)、換檔的力反饋系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)備，后視鏡由3塊LCD屏幕組成.投影系統(tǒng)由5個(gè)分辨率為1 400×1 050、刷新率為60幀·s-1的投影儀組成，場(chǎng)景投影到球形幕上，水平視角為250°.駕駛模擬器控制軟件為法國(guó)OKTAL公司開(kāi)發(fā)的商業(yè)軟件SCANeRTM.系統(tǒng)整體見(jiàn)圖1.

圖1　同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器

2.3測(cè)試工況與條件

試驗(yàn)中測(cè)試了發(fā)生頻率高且最易造成危險(xiǎn)的一類(lèi)前向臨撞工況：前車(chē)突然減速工況.工況觸發(fā)前，兩車(chē)處于穩(wěn)定的勻速跟車(chē)狀態(tài)(相對(duì)車(chē)速、車(chē)頭時(shí)距均在穩(wěn)定范圍內(nèi)).工況觸發(fā)時(shí)，前車(chē)突然以固定的減速度制動(dòng)至停止?fàn)顟B(tài)，形成危險(xiǎn)的臨撞工況.采用3種前車(chē)減速度條件(0.30g, 0.50g, 0.75g)和2種初始車(chē)頭時(shí)距條件(<1.0 s, [1.0 s,1.5 s), [1.5 s,2.5 s])，最終形成共3×3=9種不同緊急程度的試驗(yàn)測(cè)試條件.

2.4試驗(yàn)流程

2.4.1基礎(chǔ)信息采集

測(cè)試駕駛員到達(dá)駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)室后，首先在工作人員的輔助下了解試驗(yàn)基本過(guò)程、駕駛?cè)蝿?wù)以及試驗(yàn)中可能涉及到的安全因素，并填寫(xiě)試驗(yàn)知情同意書(shū)和駕駛員調(diào)查問(wèn)卷.

2.4.2模擬器試駕

試駕環(huán)節(jié)旨在幫助測(cè)試人員在短時(shí)間內(nèi)熟悉模擬器，包括基本操作練習(xí)、跟車(chē)練習(xí)及剎車(chē)練習(xí).試駕場(chǎng)景采用城市道路數(shù)據(jù)庫(kù)，場(chǎng)景中加入適當(dāng)社會(huì)車(chē)輛提高真實(shí)度.基本操作練習(xí)中包含了啟動(dòng)、加減速、停車(chē)、轉(zhuǎn)向(左右各1次)以及變道(左右各1次)練習(xí)；跟車(chē)練習(xí)中選取長(zhǎng)約1.5 km的直線路段，要求駕駛員跟隨前方車(chē)輛行駛，車(chē)速約為80 km·h-1.在跟車(chē)過(guò)程中，屏幕上方顯示駕駛員當(dāng)前跟車(chē)距離，駕駛員可以根據(jù)需要不斷改變與前車(chē)的距離，以熟悉在模擬器中對(duì)前車(chē)距離的感知；在剎車(chē)練習(xí)中，駕駛員首先被要求加速至100 km·h-1，并嘗試保持該車(chē)速，直至看到前方停止的輕型貨車(chē)，駕駛員需要按照其正常駕駛的習(xí)慣將車(chē)輛安全、平穩(wěn)地停止在前車(chē)后方.

2.4.3正式試驗(yàn)

試駕試驗(yàn)之后，如果駕駛員沒(méi)有任何模擬器眩暈的跡象，將在5 min的休息時(shí)間后開(kāi)始正式試驗(yàn).試驗(yàn)全程通過(guò)4個(gè)車(chē)載攝像頭監(jiān)視駕駛員心理與生理狀態(tài)，如圖2a.

正式試驗(yàn)場(chǎng)景選擇一條四車(chē)道、平原沿海高速公路，天氣晴朗、視野良好、對(duì)向車(chē)流較少，如圖2b.駕駛員首先被要求加速到120 km·h-1，并且行駛在內(nèi)側(cè)車(chē)道，為了減少對(duì)駕駛員的干擾，同向相鄰車(chē)道上未設(shè)置背景交通.約2 min后，一輛白色前車(chē)會(huì)切入到模擬器車(chē)輛前，并保持在120 km·h-1的速度穩(wěn)定行駛.此時(shí)測(cè)試駕駛員需要跟隨前車(chē)行駛，保持車(chē)距在60～80 m，如果駕駛員與前車(chē)車(chē)距超出了系統(tǒng)設(shè)定的最大值(100m)，那么屏幕上方將顯示“Speed Up”的提示信息，幫助駕駛員更好地進(jìn)入跟車(chē)狀態(tài).在試驗(yàn)全程中，前車(chē)會(huì)在不同車(chē)頭時(shí)距(1.5 s, 2.5 s)以不同前車(chē)減速度(0.30g, 0.50g, 0.75g)6次減速至靜止，形成前車(chē)突然減速臨撞工況.每次工況發(fā)生的時(shí)間間隔不等，大約為3 min，且都在初始車(chē)頭時(shí)距條件滿(mǎn)足時(shí)才觸發(fā).為了使駕駛員更難預(yù)期到前車(chē)的減速行為，采用了一些干擾措施，如設(shè)置前車(chē)尾燈亮起但并不發(fā)生減速.試驗(yàn)中，駕駛模擬器以20 Hz的采樣頻率記錄車(chē)輛速度、油門(mén)開(kāi)度、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、剎車(chē)踏板壓力等數(shù)據(jù).

b 試驗(yàn)場(chǎng)景

2.5試驗(yàn)因變量

一個(gè)典型的剎車(chē)避撞過(guò)程可以描述為：前車(chē)突然減速、駕駛員察覺(jué)危險(xiǎn)、釋放油門(mén)踏板、開(kāi)始剎車(chē)、持續(xù)減速、剎車(chē)至最大壓力、成功避險(xiǎn)或發(fā)生碰撞.這一過(guò)程可以通過(guò)圖3表示，該圖顯示了避撞過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的變化曲線，包括前后車(chē)車(chē)速、本車(chē)減速度、剎車(chē)踏板壓力以及油門(mén)開(kāi)度等.

同時(shí)，圖中標(biāo)識(shí)出了用以提取避撞行為參數(shù)的關(guān)鍵時(shí)刻：工況觸發(fā)(A)，后車(chē)開(kāi)始釋放油門(mén)(B)，后車(chē)完全釋放油門(mén)(C)，后車(chē)開(kāi)始制動(dòng)(D)，后車(chē)制動(dòng)至25%踏板壓力(E)，后車(chē)制動(dòng)至50%踏板壓力(F)，后車(chē)制動(dòng)至最大踏板壓力(G)，后車(chē)最大剎車(chē)踏板壓力(H)，后車(chē)最大減速度(I). 通過(guò)提取關(guān)鍵時(shí)刻的駕駛行為參數(shù)，系統(tǒng)地描述駕駛員避撞行為.提取如表1所示避撞行為參數(shù)進(jìn)行分析.

圖4示意了部分避撞行為參數(shù)的定義及它們之間的關(guān)系.

a 避撞過(guò)程中速度及減速度變化

b 避撞過(guò)程中剎車(chē)踏板壓力及油門(mén)開(kāi)度變化

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)共采集174(29×6=174)個(gè)追尾臨撞工況的數(shù)據(jù)，其中，1個(gè)工況存在數(shù)據(jù)缺失，另有32個(gè)工況中出現(xiàn)了駕駛員在前車(chē)開(kāi)始制動(dòng)前釋放油門(mén)的情況.在提前釋放油門(mén)的工況中，無(wú)法確定工況的觸發(fā)時(shí)刻，進(jìn)而難以量化工況緊急程度及駕駛員反應(yīng)時(shí)間.因此，只有141個(gè)工況的數(shù)據(jù)用于本文的分析.

駕駛模擬器試驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)計(jì)不同等級(jí)的初始車(chē)頭時(shí)距(1.5 s與2.5 s)和前車(chē)減速度(0.30g, 0.50g和0.75g)，產(chǎn)生了不同緊急程度的臨撞工況.實(shí)際采集得到數(shù)據(jù)中事件觸發(fā)時(shí)的車(chē)頭時(shí)距并不與設(shè)計(jì)的完全一致，因此將車(chē)頭時(shí)距條件重新劃分為“<1.0 s”, “[1.0 s,1.5 s)”和“[1.5 s,2.5 s]”，分別對(duì)應(yīng)小(S)、中等(M)和長(zhǎng)(L)車(chē)頭時(shí)距條件.

利用方差分析探究不同緊急程度下駕駛員避撞行為的差異，置信度設(shè)置為0.01，初始車(chē)頭時(shí)距及前車(chē)減速度作為組內(nèi)變量.每位駕駛員均測(cè)試了6種臨撞工況，為了探究工況次序?qū)Ρ茏残袨榈挠绊懀瑢⒐r發(fā)生的次序也作為一個(gè)組內(nèi)變量進(jìn)行分析.駕駛員作為隨機(jī)效應(yīng)，以考慮不同駕駛員駕駛行為的差異.方差分析中對(duì)駕駛員的年齡、性別、駕駛經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了考慮，但未將結(jié)果在本文中呈現(xiàn).

表1　試驗(yàn)因變量定義

圖4　避撞行為參數(shù)示意

3.1制動(dòng)/變道選擇與事故率分布

圖5　不同避撞方式工況總數(shù)及事故率

駕駛員經(jīng)歷臨撞工況時(shí)，既可以采取制動(dòng)避撞，也可以采取轉(zhuǎn)向避撞，或者采取兩者結(jié)合的方式進(jìn)行避撞.圖5展示了不同避撞措施下的工況數(shù)以及事故率.駕駛員在絕大部分(85%)的情況下僅通過(guò)制動(dòng)去避撞，剩余的15%的情況下會(huì)采取制動(dòng)與轉(zhuǎn)向結(jié)合的方式進(jìn)行避撞，沒(méi)有駕駛員采取僅轉(zhuǎn)向的避撞方式.若采取僅制動(dòng)避撞，其事故率約為30%，而采取制動(dòng)與轉(zhuǎn)向結(jié)合的方式進(jìn)行避撞，事故率為零.這一制動(dòng)與轉(zhuǎn)向結(jié)合方式的低事故率與實(shí)際情況存在差異(實(shí)際中制動(dòng)與轉(zhuǎn)向結(jié)合方式事故率較高[10])，可能是因?yàn)椋孩俨扇≈苿?dòng)與轉(zhuǎn)向結(jié)合避撞方式的工況本身較少；②模擬器試驗(yàn)中未在同向相鄰車(chē)道上設(shè)置背景交通.

Adams[10]總結(jié)11個(gè)臨撞工況下避撞方式相關(guān)的研究，也發(fā)現(xiàn)駕駛員在臨撞工況下更傾向于采取制動(dòng)來(lái)避撞.這可能是轉(zhuǎn)向避撞方式對(duì)駕駛員的操作要求更高(駕駛員需要留意相鄰車(chē)道的交通狀況)，造成僅有少數(shù)駕駛員采取轉(zhuǎn)向避撞方式.

圖6展示了在不同車(chē)頭時(shí)距和前車(chē)減速度下事故的分布情況.隨著前車(chē)減速度增大，事故率隨之變大，并且幅度遠(yuǎn)大于初始車(chē)頭時(shí)距改變所引起的事故率增長(zhǎng).原因可能是因?yàn)轳{駛員對(duì)前車(chē)減速度的變化敏感度較低，判斷危險(xiǎn)程度更多的是根據(jù)車(chē)頭時(shí)距.

a 長(zhǎng)初始車(chē)頭時(shí)距

b 中等初始車(chē)頭時(shí)距

c 短初始車(chē)頭時(shí)距

3.2感知反應(yīng)時(shí)間

感知反應(yīng)時(shí)間反映了前車(chē)開(kāi)始制動(dòng)后駕駛員感知到危險(xiǎn)并采取制動(dòng)或轉(zhuǎn)向措施需要的時(shí)間.圖 7展示了不同車(chē)頭時(shí)距和前車(chē)減速度下感知反應(yīng)時(shí)間的均值.感知反應(yīng)時(shí)間隨著前車(chē)減速度的增加而減小，隨著車(chē)頭時(shí)距的減小而減小，即當(dāng)工況的緊急程度越高時(shí)，駕駛員的感知反應(yīng)越快.基于方差分析，初始車(chē)頭時(shí)距(F[2,99]=26.54,P<0.000 1)和前車(chē)減速度(F[2,99]=6.47,P=0.002 3)均對(duì)感知反應(yīng)時(shí)間具有顯著影響.此外，工況發(fā)生的次序(F[5,99]=4.81,P=0.000 6)也顯著影響感知反應(yīng)時(shí)間：在駕駛員經(jīng)歷的6次工況中，第1次工況中的感知感應(yīng)時(shí)間比后續(xù)工況中的感知反應(yīng)時(shí)間平均長(zhǎng)0.67 s.

表2匯總了已有研究中報(bào)道的感知反應(yīng)時(shí)間的值，所有研究按照工況的初始車(chē)頭時(shí)距從小到大排列.表中所有研究均基于駕駛模擬器展開(kāi)，臨撞工況類(lèi)型均為前車(chē)突然減速；文獻(xiàn)[13]和[15]中的感知反應(yīng)時(shí)間及油門(mén)釋放時(shí)間是從論文圖片中估計(jì)的，因?yàn)槲恼轮胁⑽戳谐鼍唧w的數(shù)值；油門(mén)釋放時(shí)間為開(kāi)始釋放油門(mén)時(shí)間加完全釋放油門(mén)時(shí)間.概括起來(lái)看，當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距在1.5 s附近時(shí)，感知反應(yīng)時(shí)間約為1.2 s，而當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距增大到2.5 s以上時(shí)，感知反應(yīng)時(shí)間變得非常大，甚至達(dá)到了3 s.由此可以看出感知反應(yīng)時(shí)間受初始車(chē)頭時(shí)距影響較大.

3.3制動(dòng)前反應(yīng)序列

制動(dòng)前反應(yīng)序列由開(kāi)始釋放油門(mén)時(shí)間、完全釋放油門(mén)時(shí)間、制動(dòng)轉(zhuǎn)移時(shí)間組成.圖8展示了不同車(chē)頭時(shí)距和前車(chē)減速度下制動(dòng)前反應(yīng)序列的均值.

根據(jù)圖8，隨著初始車(chē)頭時(shí)距的減小，開(kāi)始釋放油門(mén)時(shí)間有著明顯下降趨勢(shì).根據(jù)方差分析，車(chē)頭時(shí)距(F[2,99]=7.95,P=0.000 6)對(duì)開(kāi)始釋放油門(mén)時(shí)間影響顯著，表2中同樣反映了這一點(diǎn).

方差分析表明，完全釋放油門(mén)時(shí)間和制動(dòng)轉(zhuǎn)移時(shí)間均未受到初始車(chē)頭時(shí)距或前車(chē)減速度的顯著影響，說(shuō)明這里2個(gè)變量是較為固定的值(兩者之和在0.8 s附近)，不受工況緊急程度的影響.Young和Stanton[16]也發(fā)現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)移時(shí)間的取值較為固定，并解釋為：當(dāng)駕駛員有更多時(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)前車(chē)的突然制動(dòng)時(shí)，駕駛員將這部分時(shí)間應(yīng)用于感知活動(dòng)(開(kāi)始釋放油門(mén)時(shí)間)而不是機(jī)械性活動(dòng)(油門(mén)釋放至開(kāi)始制動(dòng)的轉(zhuǎn)移時(shí)間).

a 長(zhǎng)初始車(chē)頭時(shí)距

b 中等初始車(chē)頭時(shí)距

c 短初始車(chē)頭時(shí)距

表2　已有研究感知反應(yīng)時(shí)間值及油門(mén)釋放時(shí)間值總結(jié)

3.4制動(dòng)后反應(yīng)序列

制動(dòng)后反應(yīng)序列由制動(dòng)至25%踏板壓力時(shí)間、制動(dòng)至50%踏板壓力時(shí)間、制動(dòng)至最大踏板壓力時(shí)間組成，圖9展示了不同車(chē)頭時(shí)距和前車(chē)減速度下制動(dòng)后反應(yīng)序列的均值.制動(dòng)至25%和50%踏板壓力時(shí)間均隨著前車(chē)減速度的增加而減小，隨著車(chē)頭時(shí)距的減小而減小.而制動(dòng)至最大踏板壓力時(shí)間僅隨著前車(chē)減速度的增加而減小.方差分析結(jié)果表明，初始車(chē)頭時(shí)距及前車(chē)減速度對(duì)制動(dòng)至25%和50%踏板壓力時(shí)間有顯著影響，而制動(dòng)至最大踏板壓力時(shí)間只受前車(chē)減速度的影響.

a 長(zhǎng)初始車(chē)頭時(shí)距

b 中等初始車(chē)頭時(shí)距

c 短初始車(chē)頭時(shí)距

制動(dòng)后反應(yīng)序列反映了駕駛員從開(kāi)始制動(dòng)到剎車(chē)踏板達(dá)到不同程度壓力值之間的時(shí)間延誤，已有研究中[6]也指出了這種延誤的存在，即駕駛員在開(kāi)始制動(dòng)后不一定迅速地達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力，而是根據(jù)當(dāng)時(shí)的狀況對(duì)施加的踏板壓力進(jìn)行調(diào)節(jié).本文得到的制動(dòng)至最大踏板壓力時(shí)間在不同的工況條件下分布范圍為0.92～4.21 s，表現(xiàn)出極大的變化差異.為了探究這種差異產(chǎn)生的原因，圖 10對(duì)比了緊急程度相差最大的2組工況下的剎車(chē)踏板壓力曲線，所有曲線均被映射到0～1.0的時(shí)間軸上以便于比較，0代表前車(chē)開(kāi)始制動(dòng)的時(shí)刻，1.0代表后車(chē)靜止或碰撞發(fā)生后5 s.

a 長(zhǎng)初始車(chē)頭時(shí)距

b 中等初始車(chē)頭時(shí)距

c 短初始車(chē)頭時(shí)距

圖10　剎車(chē)踏板壓力曲線對(duì)比

由圖10可以看出，在非常緊急的工況(S/0.75g)下,駕駛員開(kāi)始制動(dòng)后迅速達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力并保持這一剎車(chē)力度一段時(shí)間.而在不太緊急的工況(L/0.30g)下，駕駛員表現(xiàn)出了多階段剎車(chē)[17]的行為：面對(duì)前車(chē)的突然制動(dòng)，駕駛員首先使踏板壓力達(dá)到一個(gè)比較小的值并維持一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，如果駕駛員發(fā)現(xiàn)無(wú)法以現(xiàn)有踏板壓力成功避險(xiǎn)，駕駛員會(huì)施加更大的踏板壓力直至脫離危險(xiǎn).Every等[17]在卡車(chē)駕駛員中觀察到了類(lèi)似的現(xiàn)象.這種多階段剎車(chē)行為導(dǎo)致駕駛員需要更多的時(shí)間才能達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力.

3.5制動(dòng)頂峰特征

圖11展示了不同車(chē)頭時(shí)距和前車(chē)減速度下最大剎車(chē)踏板壓力及最大減速度的均值.最大剎車(chē)踏板壓力及最大減速度均隨著前車(chē)減速度的增加而增大.方差分析結(jié)果表明，前車(chē)減速度(F[2,98]=50.38,P<0.000 1)對(duì)最大剎車(chē)踏板壓力影響顯著；車(chē)頭時(shí)距(F[2,99]=5.60,P=0.005 0)及前車(chē)減速度(F[2,99]=25.50,P<0.000 1)均對(duì)最大減速度有顯著影響.

a 長(zhǎng)初始車(chē)頭時(shí)距

b 中等初始車(chē)頭時(shí)距

c 短初始車(chē)頭時(shí)距

最大剎車(chē)踏板壓力及最大減速度反映了駕駛員的制動(dòng)力度.根據(jù)上面的分析，駕駛員的制動(dòng)力度隨著工況緊急程度的提高而增大，圖10也反映了這一點(diǎn)：L/0.30g工況下的剎車(chē)踏板壓力明顯低于S/0.75g下.

4結(jié)論

利用同濟(jì)大學(xué)8自由度高仿真駕駛模擬器研究了追尾臨撞工況緊急程度對(duì)駕駛員避撞行為的影響.通過(guò)不同初始車(chē)頭時(shí)距(<1.0 s, [1.0 s,1.5 s), [1.5 s,2.5 s])和不同前車(chē)減速度(0.30g, 0.50g, 0.75g)的組合，建立了不同緊急程度的前車(chē)減速臨撞工況，比較了不同緊急程度下避撞行為的差異.

分析結(jié)果表明：①隨著工況緊急程度的增加，駕駛員更快地釋放油門(mén)及達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力，并且施加更大的制動(dòng)力度；②當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距為1.5 s左右時(shí)，駕駛員感知反應(yīng)時(shí)間約為1.2 s，而當(dāng)初始車(chē)頭時(shí)距增大到2.5 s以上時(shí)，感知反應(yīng)時(shí)間變得非常大，甚至達(dá)到了3 s；③駕駛員開(kāi)始釋放油門(mén)與開(kāi)始制動(dòng)間的轉(zhuǎn)移時(shí)間不受工況緊急程度影響，保持在0.8 s附近；④在低緊急程度下，駕駛員表現(xiàn)出了多階段剎車(chē)行為，使得駕駛員需要更多的時(shí)間才能達(dá)到最大剎車(chē)踏板壓力.

研究結(jié)果將深化對(duì)臨撞工況下駕駛員避撞行為的理解，同時(shí)也可為駕駛員反應(yīng)時(shí)間及剎車(chē)行為建模提供借鑒.此外，研究結(jié)果可用于優(yōu)化前向避撞預(yù)警系統(tǒng)及剎車(chē)輔助系統(tǒng).

參考文獻(xiàn):

[1]National Highway Traffic safety Administration. Traffic saftey facts 2013[R]. Washinton D C: Department of Transportation, National Highway Traffic Saftey Administration, 2013.

[2]Deng B, Chen X, Wang X. Shanghai 2020 driving scenario models and traffic 5 accident models development [R]. Shanghai: Tongji University, 2011.

[3]Van Winsum W, Heino A. Choice of time-headway in car-following and the role of time-to-collision information in braking [J]. Ergonomics, 1996, 39(4): 579.

[4]Green M. “How long does it take to stop?” methodological analysis of driver perception-brake times [J]. Transportation Human Factors, 2000, 2(3): 195.

[5]Summala H. Brake reaction times and driver behavior analysis [J]. Transportation Human Factors, 2000, 2(3): 217.

[6]Ising K W, Droll J A, Kroeker S G,etal. Driver-related delay in emergency braking response to a laterally incurring hazard [C]//Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society 56th Annual Meeting. Santa Monica: Sage Publications, 2012: 705-709.

[7]Muttart J W. Estimating driver response times [C]//Handbook for Forensic Human Factors in Litigation (Ch. 14). Boca Raton: Taylor & Francis, 2005: 1-25.

[8]Liebermann D G, Ben-David G, Schweitzer N,etal. A field study on braking responses during driving. I. Triggering and modulation [J]. Ergonomics, 1995, 38(9): 1894.

[9]Hulst M V D. Anticipation and the adaptive control of safety margins in driving [J]. Ergonomics, 1999, 42(2): 336.

[10]Adams L D. Review of the literature on obstacle avoidance maneuvers: Braking versus steering [R]. Michigan: The University of Michigan, 1994.

[11]Ohlhauser A D, Milloy S, Caird J K. Driver responses to motorcycle and lead vehicle braking events: The effects of motorcycling experience and novice versus experienced drivers [J]. Transportation research part F: Traffic Psychology and Behaviour, 2011, 14(6): 472.

[12]Abe G, Richardson J. Alarm timing, trust and driver expectation for forward collision warning systems [J]. Applied Ergonomics, 2006, 37(5): 577.

[13]Abe G, Richardson J. The effect of alarm timing on driver behaviour: an investigation of differences in driver trust and response to alarms according to alarm timing [J]. Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, 2004, 7(4): 307.

[14]Lee J D, McGehee D V, Brown T L,etal. Collision warning timing, driver distraction, and driver response to imminent rear-end collisions in a high-fidelity driving simulator [J]. Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society, 2002, 44(2): 314.

[15]Lee J, McGehee D, Dingus T,etal. Collision avoidance behavior of unalerted drivers using a front-to-rear-end collision warning display on the Iowa driving simulator [J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 1997, 1573: 1.

[16]Young M S, Stanton N A. Back to the future: Brake reaction times for manual and automated vehicles [J]. Ergonomics, 2007, 50(1): 46.

[17]Every J L, Salaani M K, Barickman F S,etal. Braking behavior of truck drivers in crash imminent scenarios [J]. SAE International Journal of Commercial Vehicles, 2014, 7(2014-01-2380): 487.

收稿日期：2015-11-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(51522810); “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(014BAG01B03)

中圖分類(lèi)號(hào)：U491

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Impacts of Situational Urgency on Drivers’ Collision Avoidance Behaviors

WANG Xuesong, ZHU Meixin, CHEN Ming

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

Abstract：Using the high fidelity Tongji University driving simulator with 8 degrees of freedom, this study examined impacts of situational urgency on drivers’ collision avoidance behaviors. By combining different initial headways (<1.0 s, [1.0 s, 1.5 s), [1.5 s, 2.5 s]) and different lead vehicle deceleration rates (0.30g, 0.50g, 0.75g), rear-end collision scenarios with different levels of situational urgency were established. Drivers’ perception response times (PRT), throttle release response times, throttle to brake transition times, brake delays, maximum brake pedal pressures and peak decelerations were compared across different levels of situational urgency. Results show: ①At higher situational urgency, drivers release the accelerator faster, and brake to maximum more quickly and forcefully; ②PRT was near 1.2 s when the initial headway was round 1.5 s, but PRT increased dramatically when initial headways were larger than 2.5 s, and could even reach 3 s; ③Transition time between throttle release and brake initiation is about 0.8 s and is not affected by situational urgency; ④At lower situational urgency, multi-stage braking behavior leads to longer delay from brake initiation to full braking.

Key words：rear-end collisions; collision avoidance behavior; perception response time; braking delay; situational urgency; driving simulator

第一作者： 王雪松(1977—)，男，教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻煌ò踩?、交通統(tǒng)計(jì)分析、交通規(guī)劃、駕駛模擬器應(yīng)用.

E-mail:wangxs@#edu.cn