認(rèn)知分心下車輛運(yùn)行參數(shù)時(shí)域和頻域特性分析

施 雯，谷夢(mèng)路，黃曉夢(mèng)

(1.陜西青年職業(yè)學(xué)院,陜西 西安 710068；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引言

一般將駕駛分心分為視覺、聽覺、操作分心和認(rèn)知分心[4-5]，不同種類的駕駛分心都會(huì)伴有認(rèn)知分心，其本質(zhì)是駕駛?cè)苏J(rèn)知通道的占用導(dǎo)致駕駛?cè)丝梢苑峙涞今{駛主任務(wù)上的注意力減少。

研究駕駛?cè)朔中鸟{駛狀態(tài)常用的參數(shù)有眼動(dòng)參數(shù)[6]、操作反應(yīng)時(shí)間[7-8]、方向盤回轉(zhuǎn)率[9-11]、速度控制能力[12-14]和車道保持能力[15-20]等駕駛績效指標(biāo)。研究表明，駕駛分心會(huì)使駕駛?cè)藢?duì)車輛的橫、縱向操控能力變差[21]。

在以往的駕駛分心研究中，在車輛駕駛績效參數(shù)特征方面，只考慮了參數(shù)的時(shí)域特征，沒有考慮該參數(shù)在相應(yīng)的駕駛狀態(tài)下相應(yīng)時(shí)間內(nèi)頻域信息的組成及變化。本文主要研究認(rèn)知分心對(duì)駕駛?cè)朔较虮P操控特性、車輛運(yùn)行參數(shù)的影響，以及不同參數(shù)時(shí)域和頻域變化特征。方向盤轉(zhuǎn)角和方向盤角速度的變化直接反映駕駛?cè)藢?duì)車輛的操控特征，橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度反映車輛的運(yùn)行特征。研究認(rèn)知分心下車輛參數(shù)的頻域特征，可以更加完善地得到駕駛?cè)苏J(rèn)知分心駕駛下車輛的運(yùn)行狀態(tài)特征。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究認(rèn)知分心對(duì)車輛操控能力以及車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響，開展了實(shí)車道路駕駛實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，為駕駛?cè)耸┘硬煌恼J(rèn)知分心任務(wù)，以方向盤轉(zhuǎn)角和方向盤角速度作為表征駕駛操作的參數(shù)，以橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度作為車輛運(yùn)行特征參數(shù)，通過相關(guān)傳感器設(shè)備和錄像設(shè)備獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、記錄實(shí)驗(yàn)過程，用采集到的數(shù)據(jù)分析不同等級(jí)的認(rèn)知分心對(duì)駕駛?cè)朔较虮P操作行為的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)路線

實(shí)驗(yàn)路線選擇西安市內(nèi)城市快速路西太路直線路段，路段雙向六車道，限速80 km/h，交通流量實(shí)際觀測(cè)值約為700 vph，實(shí)驗(yàn)路段全線封閉，除起點(diǎn)和終點(diǎn)位置可進(jìn)行掉頭之外(由交通信號(hào)燈控制的可掉頭十字路口)，全線無車輛掉轉(zhuǎn)、行人橫穿情況，避免了突發(fā)事件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)路線及道路實(shí)景如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)路線及道路實(shí)景

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和被試駕駛?cè)?/h3>

搭建了裝載多路傳感器的駕駛行為特征提取實(shí)驗(yàn)車，該車輛裝載了視頻采集系統(tǒng)、方向盤傳感器、陀螺儀和VBOX 3i GPS主機(jī)等設(shè)備，各設(shè)備的采集參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及采集參數(shù)

由于真實(shí)道路分心駕駛實(shí)驗(yàn)的特殊性，只招募了6名駕齡6 年以上、駕駛里程60 000 km以上的熟練的駕駛?cè)俗鳛楸辉嚾藛T，并為每位被試駕駛?cè)撕蛯?shí)驗(yàn)人員購買了中國平安保險(xiǎn)的短期綜合意外險(xiǎn)中的基礎(chǔ)款保險(xiǎn)。

自2002年以來，云、貴、川三省體育局共審批各類比賽4 123項(xiàng)，承辦各類比賽近4 000余項(xiàng)。2020東京奧運(yùn)會(huì)臨近前，各類項(xiàng)目測(cè)試也在陸續(xù)開展，這些高層次的大型體育賽事不僅在一定方面滿足了三省居民的多樣化需求，同時(shí)也促進(jìn)了三省大型體育賽事市場化運(yùn)作管理的發(fā)展。此外，經(jīng)過這些賽事的鍛煉，三省的賽事組織、運(yùn)作與管理水平也獲得了相應(yīng)提高，為2022年“北京——張家口”冬奧會(huì)培養(yǎng)了一大批賽事運(yùn)作與管理人才。

1.3 認(rèn)知分心駕駛次任務(wù)

根據(jù)長安大學(xué)袁鈺[22]的靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用于模擬認(rèn)知分心的數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)字記憶認(rèn)知分心可以囊括不同等級(jí)和類型的認(rèn)知分心，并且非常適合代替真實(shí)駕駛時(shí)的分心情況。本文選用簡單計(jì)算(不帶進(jìn)、借位的100以內(nèi)加減法)、復(fù)雜計(jì)算(帶進(jìn)、借位的100以內(nèi)加減法)和短時(shí)記憶(11位手機(jī)號(hào)碼的記憶)作為3種認(rèn)知分心次任務(wù)。簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶對(duì)應(yīng)的認(rèn)知分心程度依次提增高。

在所選擇的城市快速路實(shí)驗(yàn)路段，由實(shí)驗(yàn)工作人員在副駕駛位置口頭向被試駕駛?cè)岁愂稣J(rèn)知分心駕駛次任務(wù)，并記錄相應(yīng)次任務(wù)下被試駕駛?cè)送瓿傻臏?zhǔn)確率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，所有被試駕駛?cè)藢?duì)所施加的認(rèn)知分心次任務(wù)的回答準(zhǔn)確率大于85%，表明被試駕駛?cè)擞行度氲搅苏J(rèn)知分心駕駛次任務(wù)當(dāng)中，保證了實(shí)驗(yàn)的可靠性。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)過程中每名被試駕駛?cè)烁鬟M(jìn)行正常駕駛和分別施加簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算、短時(shí)記憶認(rèn)知分心次任務(wù)的駕駛過程，后續(xù)稱之為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶4種駕駛狀態(tài)。不考慮駕駛?cè)酥g的異質(zhì)性，剔除無效樣本，共得到52個(gè)駕駛過程樣本，其中,每種狀態(tài)的樣本13個(gè)，4個(gè)駕駛狀態(tài)的累計(jì)時(shí)長分別為1 333 s、1 300 s、1 323 s、1 383 s，總計(jì)時(shí)長5 339 s。

分別統(tǒng)計(jì)了每種駕駛狀態(tài)下駕駛過程中車輛方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤角速度，以及橫、縱向加速度，橫擺角速度的值。

2 認(rèn)知分心參數(shù)的頻譜特性分析

頻譜分析實(shí)際就是利用傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)隨時(shí)間變化的表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)殡S頻率變化的表達(dá)式即將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)。信號(hào)的幅值信息與相位信息可通過傅里葉變換得到。以往在駕駛認(rèn)知分心車輛參數(shù)特性研究中，只考慮了參數(shù)的時(shí)域特征信息，并沒有考慮相應(yīng)時(shí)間內(nèi)不同駕駛狀態(tài)參數(shù)的頻域特征。因此，本研究利用MATLAB中傅里葉變換工具箱，對(duì)正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶4種駕駛狀態(tài)下車輛的方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤角速度、橫向加速度、縱向加速度和橫擺角速度進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)不同駕駛狀態(tài)下不同參數(shù)的頻域特征。

2.1 方向盤轉(zhuǎn)角

方向盤轉(zhuǎn)角幅值變化的快慢與大小直接影響車輛行駛的橫向穩(wěn)定性。為了從頻域的角度研究方向盤轉(zhuǎn)角變化情況，利用快速傅里葉變換將方向盤轉(zhuǎn)角從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻譜分析。圖2為被試駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛和3種分心駕駛狀態(tài)下的方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)域圖與對(duì)應(yīng)的頻譜圖(其他被試駕駛?cè)说姆较虮P轉(zhuǎn)角幅值情況與之類似)。圖2a～圖2d的駕駛狀態(tài)分別為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶。

圖2 不同駕駛狀態(tài)下的方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)序圖與頻譜圖

由方向盤轉(zhuǎn)角時(shí)序圖可知，正常駕駛時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角變化非常平緩，方向盤轉(zhuǎn)角在1～5°內(nèi)變化；簡單計(jì)算情況下方向盤轉(zhuǎn)角的波動(dòng)明顯比正常駕駛時(shí)大，但是整體而言比較穩(wěn)定；復(fù)雜計(jì)算情況下方向盤轉(zhuǎn)角變化明顯加快并且變化幅度增大，在-2～7°之間變化；短時(shí)記憶與復(fù)雜計(jì)算情況類似，方向盤回轉(zhuǎn)率明顯增大且轉(zhuǎn)角變化幅度在3種分心駕駛中最為嚴(yán)重，在-2～10°之間變化。此結(jié)果與史盛慶[23]和Ranney等的研究結(jié)果一致：史盛慶研究發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)四X負(fù)荷越嚴(yán)重，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)越大；Ranney等根據(jù)模擬器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)嗽趫?zhí)行次任務(wù)時(shí)對(duì)方向盤的控制能力降低，方向盤回轉(zhuǎn)率增加。

從不同駕駛狀態(tài)的頻譜圖可知，方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)主要集中在低頻部分(0～0.2 Hz)，但是相比于正常駕駛，在分心駕駛狀態(tài)下低頻部分的幅值有增大的趨勢(shì)，并且高頻部分的信號(hào)幅值也明顯增大，短時(shí)記憶的駕駛狀態(tài)時(shí)這一現(xiàn)象尤為明顯。直線路段上轉(zhuǎn)向操作的頻率與幅度相對(duì)都較小，因此反應(yīng)在頻域上表現(xiàn)為以低頻信號(hào)為主(0～0.3 Hz)，但當(dāng)駕駛分心時(shí)，由于駕駛?cè)藢?duì)方向盤的控制能力下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操作的幅度變大，因此需要不斷調(diào)整方向盤，所以方向盤轉(zhuǎn)角頻譜的幅值偏大，且開始出現(xiàn)較高頻信號(hào)(0.5～1 Hz)。

2.2 方向盤角速度

方向盤角速度直接表現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的快慢。為了從頻域的角度研究方向盤角速度的變化情況，利用快速傅里葉變換將方向盤角速度幅值從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻譜分析。圖3為1名被試駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛與3種分心駕駛狀態(tài)下的方向盤角速度幅值時(shí)域圖與對(duì)應(yīng)的頻譜圖。圖3a～圖3d的駕駛狀態(tài)分別為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶。

從角速度的時(shí)序圖可知，在正常駕駛情況下角速度的變化較平穩(wěn)，簡單計(jì)算時(shí)有時(shí)出現(xiàn)角速度突然變大的情況，復(fù)雜計(jì)算角速度突變情況較多，短時(shí)記憶時(shí)突變出現(xiàn)的次數(shù)雖然減少但是突變的幅度最大。駕駛?cè)耸苷J(rèn)知分心影響，突然轉(zhuǎn)向增多，引起方向盤角速度增大且離散度增強(qiáng)。此結(jié)果與石涌泉[24]的研究類似，石涌泉研究表明駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛時(shí)以平穩(wěn)的角速度操作，但是在認(rèn)知分心時(shí)以較大角速度離散操作的趨勢(shì)增大。

圖3 不同駕駛狀態(tài)下的角速度時(shí)序圖與頻譜圖

從不同駕駛狀態(tài)的頻譜圖可知，角速度頻譜圖中以低頻信號(hào)為主(0～0.5 Hz)。正常駕駛時(shí)幅值較低，分心駕駛時(shí)幅值有增大的趨勢(shì)，并且分心駕駛時(shí)較高頻區(qū)域的幅值有增加的趨勢(shì)，這與方向盤轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律比較相符。

2.3 橫擺角速度

橫擺角速度是車輛圍繞垂直軸偏轉(zhuǎn)速度的大小，是表征汽車橫向操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。車輛橫擺角速度的變化是由駕駛?cè)藢?duì)方向盤的操縱引起的。圖4為1名被試駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛與3種分心駕駛狀態(tài)下的橫擺角速度幅值時(shí)域圖與對(duì)應(yīng)的頻譜圖。圖4a～圖4d的駕駛狀態(tài)分別為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶。

圖4 不同駕駛狀態(tài)下的橫擺角速度時(shí)序圖與頻譜圖

從橫擺角速度的時(shí)序圖可知，在正常駕駛情況下橫擺角速度的變化比較平穩(wěn)，在-1(°)/s～0之間變化；簡單計(jì)算時(shí)橫擺角速度的變化幅度雖然增加了但是變化比較平緩，在-2(°)/s～0之間變化；復(fù)雜計(jì)算與短時(shí)記憶時(shí)橫擺角速度的變化比較劇烈且變化幅度明顯增加，在-3～1(°)/s之間變化。情況與方向盤轉(zhuǎn)角情況相符。

從不同駕駛狀態(tài)的頻譜圖可知，橫擺角速度頻譜圖中以低頻信號(hào)為主(0～0.5 Hz)，正常駕駛時(shí)幅值較低，分心駕駛時(shí)幅值有增大的趨勢(shì)。正常駕駛時(shí)，橫擺角速度主要集中在低頻區(qū)域，在分心駕駛時(shí)橫擺角速度在較高頻區(qū)域的幅值有所增加。

2.4 縱向加速度

縱向加速度直接表征速度變化的快慢。為了從頻域的角度研究縱向加速度的變化情況，利用傅里葉變換將縱向加速度幅值從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻譜分析。圖5為1名被試駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛與3種分心駕駛狀態(tài)下的縱向加速度幅值時(shí)域圖與對(duì)應(yīng)的頻譜圖。圖5a～圖5d的駕駛狀態(tài)分別為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶。

從縱向加速度的時(shí)序圖可知，在正常駕駛情況下縱向加速度的變化比較平穩(wěn)，在3種分心駕駛的情況下縱向加速度時(shí)快時(shí)慢不穩(wěn)定性增加。從不同駕駛狀態(tài)的頻譜圖可知，縱向加速度頻譜圖中以低頻信號(hào)為主(0～0.5 Hz)，正常駕駛時(shí)幅值較低，分心駕駛時(shí)幅值有增大的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)要求駕駛?cè)吮M量在50 km/h左右的速度下行駛，所以駕駛?cè)嗽趫?zhí)行次任務(wù)時(shí)，速度可能超出實(shí)驗(yàn)要求的范圍，因此駕駛?cè)藭?huì)不斷調(diào)整操作加速踏板或者制動(dòng)踏板以使速度維持在一定的區(qū)間內(nèi)，因此在分心駕駛時(shí)縱向加速度時(shí)快時(shí)慢，且變化急促。此結(jié)果與顧高峰研究類似，顧高峰研究發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)嗽趫?zhí)行次任務(wù)時(shí)對(duì)加速踏板的控制能力降低，加速度變化幅度增大。

圖5 不同駕駛狀態(tài)下的縱向加速度時(shí)序圖與頻譜圖

2.5 橫向加速度

橫向加速度表征車輛的橫向穩(wěn)定性。利用傅里葉變換將橫向加速度幅值從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行頻譜分析。圖6為1名被試駕駛?cè)嗽谡ｑ{駛與3種分心駕駛狀態(tài)下的車輛橫向加速度幅值時(shí)域圖與對(duì)應(yīng)的頻譜圖。圖6a～圖6d的駕駛狀態(tài)分別為正常駕駛、簡單計(jì)算、復(fù)雜計(jì)算和短時(shí)記憶。

從橫向加速度的時(shí)序圖可知，在正常駕駛情況下橫向加速度的變化比較平穩(wěn)，在0～0.4 m/s2的區(qū)間內(nèi)變化，但是在3種分心駕駛的情況下橫向加速度有變大的趨勢(shì)并且變化時(shí)快時(shí)慢不穩(wěn)定性增加，尤其是在進(jìn)行短時(shí)記憶的次任務(wù)時(shí)變化尤為明顯，在0.2～0.5 m/s2之間變化。

從橫向加速度在不同駕駛狀態(tài)時(shí)的頻譜圖可知，橫向加速度頻譜圖中以低頻信號(hào)為主(0～0.5 Hz)，正常駕駛時(shí)幅值較低，分心駕駛時(shí)幅值明顯增大，尤其是短時(shí)記憶時(shí)，幅值明顯增大，并且在分心駕駛時(shí)，較高頻帶幅值有增大的趨勢(shì)。

圖6 不同駕駛狀態(tài)下的橫向加速度時(shí)序圖與頻譜

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了認(rèn)知分心駕駛次任務(wù)并進(jìn)行了城市快速路實(shí)車道路認(rèn)知分心駕駛實(shí)驗(yàn)，采集了正常駕駛狀態(tài)和3種認(rèn)知分心駕駛狀態(tài)下方向盤轉(zhuǎn)角、角速度、橫擺角速度、縱向加速度以及橫向加速度參數(shù)。對(duì)參數(shù)進(jìn)行傅里葉變換得到各參數(shù)在不同駕駛狀態(tài)下的幅值譜，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行時(shí)域分析得出了不同參數(shù)在不同駕駛狀態(tài)下的特點(diǎn)。認(rèn)知分心時(shí)駕駛?cè)朔磻?yīng)變慢使得方向盤轉(zhuǎn)角、角速度、縱向加速度等參數(shù)變化穩(wěn)定性降低，突變情況增多，且分心程度較深時(shí)突變更加嚴(yán)重。各參數(shù)信號(hào)主要集中在低頻區(qū)域，認(rèn)知分心時(shí)有向較高頻區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)，且認(rèn)知分心時(shí)各參數(shù)幅值均有明顯增加，分心越嚴(yán)重增加越顯著。