基于BP網(wǎng)絡(luò)的駕駛員黃昏空間距離判識(shí)規(guī)律＊

趙煒華 劉浩學(xué) 陳 昊

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院 西安 710064）

交通事故日發(fā)生規(guī)律統(tǒng)計(jì)顯示，黃昏時(shí)段交通事故多發(fā)［1］.交通事故發(fā)生因素的相關(guān)研究表明，駕駛員因素起主要作用，占發(fā)生事故的80%以上.駕駛員在駕駛車輛過(guò)程中，感知道路交通信息，是駕駛行為和決策的基礎(chǔ)［2］.在駕駛員事故致因中，感知失誤占42%，判斷失誤占36%.而對(duì)于駕駛員感知信息的方式研究又表明，無(wú)論采用上行模式還是下行模式獲取交通信息，90%以上信息感知來(lái)自于視覺(jué)［3－5］.由此可見(jiàn)，視覺(jué)特征的相關(guān)研究，對(duì)于改進(jìn)駕駛員行車安全具有重要意義.在以前相關(guān)研究中，對(duì)于黃昏交通事故的成因分析，多集中于暗適應(yīng)的影響［6］.在道路交通標(biāo)志設(shè)置中，針對(duì)黃昏時(shí)段環(huán)境照度不斷下降，而人眼對(duì)藍(lán)色光波長(zhǎng)的光線最為敏感，且視認(rèn)性最高的特性，進(jìn)行交通標(biāo)志的顏色設(shè)計(jì).相關(guān)文獻(xiàn)研究了晝間動(dòng)態(tài)環(huán)境中紅、綠色障礙物隨著速度變化，空間距離判識(shí)及差異的數(shù)量關(guān)系［7－8］.但隨著黃昏時(shí)段環(huán)境照度不斷下降，駕駛員對(duì)于距離判識(shí)會(huì)如何變化，對(duì)駕駛員行車策略有何影響等問(wèn)題，仍未可知.在駕駛員信息加工過(guò)程研究中，由于神經(jīng)學(xué)和生理學(xué)限制，且人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能，可以比較輕松的實(shí)現(xiàn)非線性映射過(guò)程，尤其是可在信息處理模式未知情況下可分析相互關(guān)系，使得對(duì)于生物神經(jīng)的模擬研究應(yīng)用逐漸增多［9－10］.本文力圖通過(guò)實(shí)際道路試驗(yàn)，獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本，運(yùn)用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬駕駛員在黃昏時(shí)段，判識(shí)空間距離隨環(huán)境照度下降而變化的定量規(guī)律，分析其對(duì)于駕駛行為和交通安全的影響.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與被試選擇

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)費(fèi)希納定理可知，感知差異與物理量差異，呈非線性的關(guān)系.因此，試驗(yàn)環(huán)境照度在多次準(zhǔn)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)多人次判識(shí)差異聚類分析，確定正式試驗(yàn)環(huán)境照度.結(jié)果分別為3000，2000，1000，500，200，50，10，2，0.6lx等9個(gè)照度值.試驗(yàn)均在設(shè)計(jì)照度下進(jìn)行，并嚴(yán)格控制試驗(yàn)步驟［11］.試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)如圖1所示.

1）試驗(yàn)道路為1100m 直線路段，方向?yàn)闁|西走向；試驗(yàn)時(shí)間區(qū)段為18：30～20：00時(shí)，天氣晴或多云.

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

2）在車輛行駛深度方向，辨識(shí)點(diǎn)與第一障礙物的距離，按近距離（25m）、中等距離（75m）、遠(yuǎn)距離（125m）3種狀況設(shè)置，兩個(gè)障礙物之間的相對(duì)距離始終為40m 不變，被試分別對(duì)3組深度距離不同的障礙物進(jìn)行判識(shí).

3）被試在未知實(shí)際距離情況下，判識(shí)障礙物的空間距離.開始時(shí)，車輛位于判識(shí)標(biāo)桿處，被試駕駛員坐入駕駛座，并保持駕駛姿態(tài).被試判識(shí)同一環(huán)境中的絕對(duì)空間距離X（車頭與第一判識(shí)點(diǎn)障礙物距離）和兩障礙物之間的相對(duì)距離Y，分別直接報(bào)出X 和Y 的主觀判識(shí)數(shù)值.除直接報(bào)出距離數(shù)值外，要求每位駕駛員試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每組判識(shí)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)描述.

4）試驗(yàn)車輛為福特全順JX6541B－H 型，前風(fēng)擋玻璃無(wú)遮擋物影響；道路障礙物尺寸為0.5m×0.5m×1.3 m，顏色選用暖色調(diào)的紅色和冷色調(diào)的綠色；環(huán)境照度用LX1330B型數(shù)字照度計(jì)測(cè)試.

1.2 被試選擇

被試駕駛員按照隨機(jī)性原則選取，并注意相關(guān)因素的影響，共選取不同行業(yè)、不同駕駛經(jīng)歷、不同職業(yè)、不同年齡和不同駕齡的32名男性駕駛員.要求駕駛年限均超過(guò)5 年駕齡，持有B 照以上駕駛執(zhí)照.視覺(jué)機(jī)能正常，技術(shù)嫻熟，且有良好的駕駛習(xí)慣，無(wú)生理缺陷和重、特大事故經(jīng)歷.被試基本情況如表1所列.

表1 被試駕駛員基本情況分類表

2 試驗(yàn)結(jié)果

將全部被試在不同試驗(yàn)條件下獲得的距離判識(shí)結(jié)果，分別進(jìn)行配對(duì)T 檢驗(yàn)，以分析顏色對(duì)判識(shí)結(jié)果的影響.檢驗(yàn)結(jié)果表明，黃昏時(shí)隨著環(huán)境照度下降，不同顏色障礙物距離判識(shí)差異顯著；隨著深度距離增加，不同顏色障礙物距離判識(shí)差異顯著.取不同判識(shí)條件下被試判識(shí)結(jié)果平均值，作為駕駛員距離判識(shí)特征值.因紅、綠顏色障礙物的判識(shí)差異顯著，分別建模對(duì)所獲判識(shí)結(jié)果進(jìn)行分析.

3 判識(shí)距離變化規(guī)律

1）模型結(jié)構(gòu) 基于距離判識(shí)結(jié)果，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立駕駛員黃昏空間距離判識(shí)模型.模型采用3層前向BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層為照度和深度距離，共2 個(gè)神經(jīng)元；對(duì)于模型隱含層神經(jīng)元，絕對(duì)距離判識(shí)模型中紅色障礙物為15個(gè)神經(jīng)元，綠色為17個(gè)神經(jīng)元；紅、綠色相對(duì)距離模型隱含層均為14 個(gè)神經(jīng)元；輸出層為空間距離判識(shí)值，僅有1個(gè)神經(jīng)元.

2）模型算法 隱含層的神經(jīng)元均采用正切tansig函數(shù)作為傳遞函數(shù)，將輸入值進(jìn)行歸一化處理.輸出層的神經(jīng)元采用logsig函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)考慮網(wǎng)絡(luò)泛化能力，選取了trainbr函數(shù).訓(xùn)練步數(shù)為2000，調(diào)整比率為0.5，學(xué)習(xí)誤差設(shè)置為不超過(guò)0.1%.

4 模型訓(xùn)練及模擬

4.1 黃昏距離判識(shí)模型訓(xùn)練及檢驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)方案中的環(huán)境照度和深度距離為輸入量，駕駛員距離判識(shí)平均量為輸出指導(dǎo)值，訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模擬判識(shí)距離變化.再將判識(shí)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)值作為網(wǎng)絡(luò)測(cè)試樣本，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度.模型經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)樣本的訓(xùn)練，得到滿足誤差要求的權(quán)值和閾值，并將其保存到模型中，作為模型的參數(shù)，然后用該模型進(jìn)行判識(shí)距離模擬.經(jīng)檢驗(yàn)，模型對(duì)判識(shí)數(shù)據(jù)擬合程度非常好，指導(dǎo)值與模型檢驗(yàn)結(jié)果之間差異在有限范圍內(nèi).

4.2 黃昏距離判識(shí)變化模擬

利用訓(xùn)練好的模型，模擬計(jì)算不同深度距離下絕對(duì)距離判識(shí)值，其結(jié)果如表2所列.

采用相同處理方法，可獲得判識(shí)相對(duì)距離隨深度距離和環(huán)境照度的變化趨勢(shì)，其結(jié)果如表3所列.

表2 黃昏判識(shí)絕對(duì)距離模擬結(jié)果

表3 黃昏判識(shí)相對(duì)距離模擬結(jié)果

計(jì)算結(jié)果所得判識(shí)距離大于白天判識(shí)距離，變化趨勢(shì)與被試對(duì)空間距離感知變化的總結(jié)性描述一致，模擬結(jié)果可信.

黃昏時(shí)段隨著環(huán)境照度不斷下降，車輛行駛方向上相同深度距離判識(shí)值逐漸增大，造成駕駛員對(duì)于車輛運(yùn)行狀態(tài)安全性主觀感受大于實(shí)際水平，因此駕駛員易采用高于實(shí)際允許的行車速度或更小的跟車距離，誘發(fā)交通事故.同時(shí)駕駛員在黃昏空間距離辯識(shí)變化規(guī)律的定量研究，不僅對(duì)于車輛跟馳模型建立、事故勘查、駕駛行為模擬和駕駛員指導(dǎo)培訓(xùn)具有重要意義，而且對(duì)于特殊氣候條件下行車安全和工程實(shí)踐應(yīng)用具有重要作用.

5 結(jié) 論

1）在黃昏時(shí)段，判識(shí)距離大于實(shí)際距離，隨著環(huán)境照度的不斷下降，判識(shí)空間距離進(jìn)一步增大.

2）在黃昏時(shí)段，隨著深度距離增加，判識(shí)距離也逐漸增大，與實(shí)際距離的差異也逐漸增大，但相對(duì)距離判識(shí)準(zhǔn)確性高于絕對(duì)距離.

3）黃昏時(shí)段紅、綠色障礙物引起的判識(shí)距離存在差異，綠色判識(shí)距離大于紅色.

4）黃昏駕車時(shí)，駕駛員須降低車速或增大跟車距離，以保障足夠的碰撞接觸時(shí)間.

［1］黃 俊，方守恩，白玉瓊.道路交通事故的時(shí)間分布［J］.公路交通科技，2004，21（9）：112－116.

［2］袁 偉，付 銳，郭應(yīng)時(shí)，等.汽車駕駛?cè)烁兄瓫Q策－行為模式［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（3）：80－83.

［3］劉浩學(xué)，劉晞柏.交通心理學(xué)［M］.西安：陜西省科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［4］周榮剛，張 侃.多參照系條件下信息獲取方式對(duì)絕對(duì)方位判斷的影響［J］.心理學(xué)報(bào)，2008，40（11）：1137－1148.

［5］LEE D N.A theory of visual control of braking based on information about time－to－collision［J］.Perception，1976（5）：437－459.

［6］WANG Wenqun，CHEN Haibo，BELL M C.A review of traffic incident duration analysis［J］.Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology，2005，5（3）：127－140.

［7］劉浩學(xué)，趙煒華.駕駛員晝間動(dòng)態(tài)環(huán)境暖色調(diào)障礙物空間距離判識(shí)規(guī)律［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2009，9（2）：105－109.

［8］趙煒華，劉浩學(xué).色調(diào)對(duì)晝間動(dòng)態(tài)環(huán)境中駕駛員空間判識(shí)的影響［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29（5）：90－94.

［9］DUNCAN J，HUMPHREYS G W.Visual search and stimulus similarity［J］.Psychological Review，1989，96：433－458.

［10］賈林祥.試析認(rèn)知心理學(xué)的三種研究取向及其未來(lái)發(fā)展［J］.徐州師范大學(xué)學(xué)報(bào)：心理學(xué)和科學(xué)版，2005（3）：114－117.

［11］艾森克M W，基恩M T.認(rèn)知心理學(xué)［M］.高定國(guó)，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2008.