基于駕駛模擬器的霧天駕駛行為特性研究＊

陳秀鋒 曲大義 劉尊民 郝 杰

（青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 青島 266520）

0 引 言

任何駕駛員在霧天行駛都存在駕駛風(fēng)險，美國聯(lián)邦公路管理局統(tǒng)計，每年因霧天引起的交通事故導(dǎo)致大約600人死亡，16 300人受傷.許多霧天事故都是多車事故，導(dǎo)致大量嚴重人員傷亡.在我國，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，霧害越來越嚴重，由濃霧引起的道路交通事故率也呈上升趨勢.霧天是影響能見度最惡劣的氣象條件之一，駕駛員視距大幅下降會導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生猶豫、疏忽甚至錯覺［1－2］.由于霧對光的散射及吸收作用，目標輪廓的清晰度下降，駕駛員對交通標志、路面設(shè)施和行人識別困難，容易造成追尾事故［3］.因此，研究霧天對行車安全的影響，發(fā)現(xiàn)事故規(guī)律，提出減少和預(yù)防霧天事故的措施和對策，對保障駕駛員生命和財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義.

1 研究概況

R.J.Snowden［4］基于霧天環(huán)境視野范圍內(nèi)對比度統(tǒng)一下降的假設(shè)，提出駕駛員在低能見度霧天條件下往往以更高的速度駕駛.相反，D.A.Owens等［5］通過類似研究認為，霧天條件下駕駛員往往高估自己的車速，并以低于指示速度行駛.P.Pretto［6］提出霧天條件下對比度統(tǒng)一下降的假設(shè)是不合理的，霧天視野對比度隨距離而變化，遠離駕駛員的區(qū)域?qū)Ρ榷确浅５?，靠近駕駛員區(qū)域的對比度較高.Pretto認為人們在霧天由于能見度的降低會高估駕駛車速.雖然Pretto確定了霧天駕駛員對車速的感知與控制，但一方面沒有涉及速度限制和車速計用來指導(dǎo)駕駛情況下的駕駛行為研究，沒有考慮道路標線對駕駛行為的影響；另一方面對現(xiàn)實行駛過程中駕駛速度和車道保持行為的關(guān)系也沒有深入研究.

相對于霧天駕駛速度的影響因素，霧天駕駛行為和駕駛能力的影響因素要復(fù)雜得多.許多學(xué)者試用觀測傳感器對霧天車輛跟馳行為進行了研究.Hawkins［7］研究表明霧天能見度小于150m時，駕駛車速降低，能下降到100m時，車速降低25%～30%.同時平均車頭間距小于60m的的車輛增加25%.研究霧天駕駛員駕駛行為變化的常用途徑是駕駛模擬器仿真.van Derhulst等［8］利用駕駛模擬器仿真能見度為150m時的駕駛行為，實驗表明駕駛員在低能見度時增加車頭時距，但其原因是由于駕駛員希望知道是什么導(dǎo)致能見度下降而不是駕駛視野的變化.Broughton等［9］通過霧天跟馳模擬研究霧天駕駛員對能見度降低的反映情況，以及駕駛模式的改變對車速、安全和事故風(fēng)險的影響程度，提出了“遲滯”與“非遲滯”兩種駕駛模式.

國內(nèi)對霧天交通安全的研究相對較晚，潘曉東等［10］分析高速公路成霧原因及對交通安全的影響，提出交通建設(shè)措施和應(yīng)對策略.廖海峰等［11］根據(jù)跟車狀態(tài)下停車過程及標志視認方法，進行了基于停車視距和交通標志認知距離的安全車速技術(shù).李洪強、史桂芳等分別通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和場地試驗方法進行了霧天限制車速計算.縱觀國內(nèi)研究，霧天行車安全研究側(cè)重于車速感知，單純從霧天環(huán)境車速限制和停車視距進行研究，不能反映霧天實際環(huán)境下影響車輛運行安全的多元性.為此，筆者針對霧天減加速提示、車速表和保持車道3種指令的組合約束模式，研究不同能見度下車輛速度選擇及行車軌跡特性，研究結(jié)果能準確體現(xiàn)霧天駕駛員實際行車特性，為霧天安全行車管理與決策提供決策支持.

2 霧天駕駛實驗設(shè)計

2.1 試驗樣本

選擇120名（80名男性，40名女性）駕駛員進行試驗測試，年齡在25～55歲之間，平均駕齡2.9 a.所有駕駛員經(jīng)醫(yī)院進行常規(guī)的健康檢查均符合身體健康要求，都沒有視覺問題.每個小組包括20名參加者.對測試者存在3種指令：（1）是否使用速度提示；（2）駕駛?cè)蝿?wù)的優(yōu)先次序；（3）是否使用車速表.駕駛模擬具體分組及指令組合見表1.

表1 駕駛員分組情況表

車速提示器用來給駕駛員提供車速反饋，當(dāng)他們的速度大于或低于試驗要求速度時，用來提醒駕駛員“降低你的車速”或“提高你的速度”.如果某組采用了速度提示器，那么在所有霧天環(huán)境下行駛都會給出適當(dāng)?shù)木?沒有收到任何速度提示的被稱為沒有速度提示.任務(wù)優(yōu)先是指要求駕駛員必須調(diào)整車速以便安全保持原有車道行駛.試驗可以為霧天車輛主動安全預(yù)警和路側(cè)可變信息版應(yīng)用提供理論支持.

2.2 試驗方法

研究試驗平臺有駕駛器、計算機控制、虛擬仿真場景和車輛運行信息采集等系統(tǒng)構(gòu)成.駕駛員駕駛一輛固定駕駛模擬器與一雙通道立體顯示屏連接.主控制機通過VCR技術(shù)建立虛擬路況場景并將駕駛員輸入信息融合進行模擬.試驗者通過轉(zhuǎn)向盤、踏板操作與模擬器互動.在整個試驗中該模擬器采用100Hz的頻率收集車速和位置數(shù)據(jù)，采集有效數(shù)據(jù)不包括前30s試驗數(shù)據(jù).

模擬道路環(huán)境為直彎道組合線形二級公路，雙向2車道，單車道寬度3.75m，設(shè)計速度60km／h.車道用單一的白色邊緣線和單黃中心線作為標記.

2.3 霧天場景

霧是懸浮在近地面大氣中的大量細微水滴的可視集合體.霧的出現(xiàn)導(dǎo)致地面的水平能見度顯著降低.正常行駛時，能見度為500m，而濃霧天氣能見度低于30m.隨著霧的濃度的變化，駕駛員在直路上的能見距離不斷降低，本次試驗取霧天能見度為500，200，80，50和30m.

3 驗結(jié)果分析

為了保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，試驗的前30s所得數(shù)據(jù)不計.按照2.1中的分組和要求進行駕駛模擬，測試者可以不斷的重復(fù)試驗環(huán)節(jié)，直到他們感到能舒適地駕駛模擬器為止.每個環(huán)節(jié)結(jié)束后測試者都進行短暫的休息.

3.1 車輛運行速度

試驗小組平均車速隨能見度變化趨勢，見圖1，表2為不同能見度不同分組車輛平均速度.

圖1 試驗小組平均車速隨能見度變化趨勢圖

由表2可知，從500～50m能見度下，6組試驗駕駛員的平均行車速度在56.8～62.3km／h變動，隨著能見度的降低車速降低不明顯，車輛速度與霧天期望車速不匹配，80m能見度下平均車速最高；30m能見度下，平均車速降低明顯，為56.8km／h.利用SPSS軟件對每組進行單因素方差分析，霧天能見度降低對第1組（p＜0.5）除外的其他5組駕駛速度影響顯著.隨著能見度的降低，速度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢.對不同能見度進行單因素分析得出，500m能見度F（5，71）＝2.9，p＜0.5；200m 能見度F（5，71）＝3.1，p＜0.5；80m能見度F（5，71）＝4.2，p＜0.001；50m能見度下F（5，71）＝3.8，p＜0.001；30m能見度下F（5，71）＝6.5，p＜0.001；500，200，80和50 m能見度下，第4組車輛運行速度最高.而30m能見度下第1組車輛平均運行速度最高.

表2 不同能見度不同分組車輛平均速度（標準差）

3.2 車輛車道保持

3.2.1 車道保持能力 駕駛員在行車過程中，根據(jù)交通狀況和路面特征狀況調(diào)整車速從而準確沿著規(guī)定道路行駛，保持正確的車道位置的能力，被稱為車道保持能力.如圖2所示是車輛行駛中車身保持在道路標線a，b之間的能力

圖2 車輛行駛示意圖

3.2.2 車道保持率 車道保持率是指駕駛過程中車輛車身越過2條道路標線行駛時間與全部時間之比，公式表示為

式中：t1為車身越過道路標線a行駛的時間，s；t2為車身越過道路標線b行駛的時間，s；T為車輛行駛總時間，s.

3.2.3 實驗數(shù)據(jù)分析 不同霧天能見度下，車道保持率分析圖，見圖3，表3.

圖3 不同霧天能見度下車道保持率分析圖

表3 不同能見度不同分組平均車道保持率（標準差）

由表3可知，在前3個最高能見度環(huán)境下，測試者都能夠很好地保持原車道行駛，汽車操縱性好，80m霧天能見度下車道保持率高于其他2個試驗小組，6組試驗者的平均百分率為96.32%；30m能見度下車道保持率明顯降低.能見度降低到80m時，由于駕駛視距的降低導(dǎo)致駕駛員緊張程度增加，道路標線成為駕駛的主要誘導(dǎo)方式，此時車道保持率有所增加；但隨著能見度的繼續(xù)降低，道路標線逐漸模糊而失去駕駛誘導(dǎo)作用，駕駛員車道保持率逐漸降低.綜上所述，在500m到30m的能見度變化中，車道保持率先增加后降低.

利用SPSS統(tǒng)計分析主效應(yīng)得出霧天能見度對車輛車道保持的影響遠大于不同分組情況的影響.單因素方差分析得出，霧天對每一組的車道保持率都有顯著影響.Post Hoc多重比較表明第1，2和6組能見度30m的車道保持率明顯小于其他能見距離.第3組試驗者車道保持率最高，平均為96.04%.霧天有效控制行車軌跡的方法是降低行車速度，但駕駛員在霧天超速行駛導(dǎo)致車道保持率明顯降低，主要原因有2個：（1）霧天駕駛員注意力集中，無意識的增加行駛速度；（2）低能見度下，道路標線識別能力下降.

4 結(jié)束語

本文在速度感知、速度反饋、駕駛行為反饋和駕駛優(yōu)先等約束下對駕駛行為進行研究，研究結(jié)果能更好的反應(yīng)霧天駕駛實際.試驗表明，在能見度逐漸降低的環(huán)境下，駕駛員具有較好的車道保持能力，并且趨向于高速行駛.但霧天駕駛員視距太小，車輛不能有效避讓道路危險，導(dǎo)致交通事故增多.今后，開展實際霧天駕駛行為調(diào)查分析，研究不同駕駛員霧天行車的心理和生理特點決定的行車特性，將更有益于霧天安全管理.

［1］史桂芳，袁 浩，程建川.霧天交通限速計算［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2010，45（1）：136－139.

［2］潘婭英，陳 武.引發(fā)公路交通事故的氣象條件分析［J］.氣象科技，2006，34（6）：778－782.

［3］李洪強，程國柱，夏正浩.高速公路不良天氣條件下最高車速限制合理取值［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，22（3）：78－81.

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