駕駛韻律及其產(chǎn)生機理分析

余博，陳雨人（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804，中國）

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駕駛韻律及其產(chǎn)生機理分析

余博，陳雨人（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804，中國）

駕駛韻律是指駕駛人行車過程中尋求的一種節(jié)奏感，它與行車安全性與舒適性息息相關。駕駛人視覺道路環(huán)境和道路力學條件之間的異步作用是產(chǎn)生駕駛韻律的機理。駕駛人通過視覺感知道路環(huán)境信息，然后基于其感知的信息會產(chǎn)生期望生期望的加速度/作用力，和T時刻后實際受到的信息之間存進行耦合作用，影響著行駛速度的變化，從而產(chǎn)生了駕駛韻律。

駕駛韻律；視覺環(huán)境感知；道路力學條件

0 引言

有過駕駛經(jīng)驗的人都知道“車感”這個詞兒，那車感是什么？車感就是駕駛機動車的韻律。駕駛人會根據(jù)道路條件、交通環(huán)境等有意識或者無意識地尋求一種自己感覺安全和舒適的節(jié)奏，這種韻律體現(xiàn)了整體行車系統(tǒng)的狀態(tài)，稱為駕駛韻律。沒有緊急情況的時候，每輛機動車就是整體車流中一個和諧的音符，可以譜寫出動人的樂章；如果出現(xiàn)緊急情況，比如有人突然緊急制動、危險變道等，整體的韻律就會被打破，容易帶來行車風險，對駕駛人個體來說，就是美好旋律的中斷，勢必引起駕駛行為變化，甚至情緒的波動，大家關注的“路怒族”也許就和駕駛韻律被打斷有關。從這個意義上來說，駕駛車輛就好比演奏音樂。

目前，國內(nèi)外對駕駛韻律的研究也開展了一些。比如，劉建蓓等［1］指出運行車速的變化應該要處于合理的范圍，速度梯度越大事故率越高，而速度的合理變化需要通過保證道路線形的一致性來實現(xiàn)；馬瑩瑩等［2］研究了自由車速與車道寬度的關系，得出了交叉口以及路段車速隨著車道寬度的變化趨勢；Recarte和Nunes［3］的研究表明當行車環(huán)境過于簡單、單調(diào)的情形下，駕駛人容易產(chǎn)生分心并不由自主地提高行車速度；Baulk等［4］指出當駕駛任務復雜繁重時駕駛人容易進入疲勞狀態(tài)，同時會通過降低行車速度來增加處理任務的時間；Schmidt-Daffy［5］指出許多關于駕駛行為機理研究的模型中都表明行車過程中產(chǎn)生的威脅感是引導駕駛人選擇降低速度的一個重要原因，而道路環(huán)境以及行車條件的改變對威脅感的產(chǎn)生有極大影響。不過縱觀這些研究，基本上還只是一些相對獨立或者單一的研究，主要關注的是某個影響因素和實際的道路條件等，并沒有把道路條件和駕駛行為結合起來，因此在本文中將駕駛人視覺環(huán)境感知與道路力學條件相結合，探求兩者之間作用機理，為進一步深入研究駕駛韻律奠定基礎。

表1 音符高低

1 駕駛韻律及其特征值

駕駛韻律的定義是根據(jù)音樂中韻律的概念衍生出來的，因此對照音樂中韻律的特征，基于行車速度將駕駛韻律的基本構成要素分解成三個特征值表示，即“音符的高低”“節(jié)拍的組合”和“節(jié)奏的重復”。以3秒（這個符合駕駛人反應時間要求，一般在道路幾何設計中很多指標都和3秒有關）作為一個節(jié)拍的時間（音樂中是1秒一個節(jié)拍），考慮采用4拍作為一個小節(jié)，作為駕駛韻律的基本單元，共計12秒。結合音樂基本知識，有四分音符（一拍， 3秒，記為 “X”）、二分音符（二拍， 6秒，記為“X-”）和全音符（四拍，12秒，記為“X---”）等，這樣機動車行駛起來就可能有“XXXX”，“X-X-”，“X---”，“X-XX”和“XXX-”等節(jié)拍組合的情況，此外音樂中還有2/4拍的進行曲 “強、弱”，3/4拍的圓舞曲“強、弱、弱”和4/4拍 “強、弱、次強、次弱”這樣的節(jié)奏，駕駛韻律將通過下面的特征表現(xiàn)出來。

1）音符高低：計劃根據(jù)行車速度確定，稱它為“音符碼”。劃分為低音區(qū)｛1，2，3，4，5，6，7｝，中音區(qū) ｛1，2，3，4，5，6，7｝和高音區(qū)｛1，2，3，4，5，6，7｝。用三組1-7個數(shù)字表示，可以覆蓋行駛速度絕大部分的范圍，如表1。

2）節(jié)拍組合：這是表示一個小節(jié)里幾個音符的組合情況，稱它為“節(jié)拍碼”。每個“節(jié)拍碼”用四位數(shù)字編碼表示一個小節(jié)內(nèi)音符的相對強弱，不考慮絕對大小，是反映行駛速度相對變化情況，取值范圍｛1，2，3，4｝。

3）節(jié)奏重復：以小節(jié)為單位，表示小節(jié)重復的情況，稱為“節(jié)奏碼”。每個“節(jié)奏碼”用二位數(shù)字表示，取值范圍｛0，1｝，第1位數(shù)字= 0，表示該小節(jié)前面的“節(jié)拍碼”和自己不相同，=1，表示前面一個“節(jié)拍碼”和自己相同。第2位數(shù)字=0，表示該小節(jié)后面一個 “節(jié)拍碼”和自己不相同，=1，表示后面一個的“節(jié)拍碼”和自己相同，這樣可以前后串起來描述行車速度特征持續(xù)時間，如果節(jié)拍碼M為（1232）/（3421）/（3421）/ （2111）/ （1111）/ （1111）/ （1111），那么對應的節(jié)奏碼N就是〈0，1〉/〈1，0〉/〈0，0〉/〈0，1〉 /〈1，1〉。

若能處于理想的駕駛韻律中，行車的安全與舒適性將得到保障。視覺道路環(huán)境和道路力學條件之間的異步作用是產(chǎn)生駕駛韻律的機理。不同視覺道路環(huán)境下駕駛人期望的加速度/作用力與實際的感受之間存在著差別，駕駛人會根據(jù)期望操控機動車行駛，形成T時刻后的車輛實際感受， 駕駛人會情不自禁地將這兩者進行比較。如果前者大，此時駕駛人不容易感覺到危險和不舒適，很大可能會毫無察覺地誘使駕駛人產(chǎn)生加速的愿望，超過了道路條件所能提供的支持。如果后者大，駕駛人會感覺到危險和不舒適，主動地采取減速行為來減少壓力。

2 駕駛韻律產(chǎn)生機理分析

駕駛人主要通過視覺感知道路環(huán)境信息，然后完成對車輛的操作，對于駕駛人視覺環(huán)境信息的定量描述是一個至關重要的課題。道路透視圖中，構成透視圖輪廓的道路邊線與中心線起著關鍵作用，其中，中心線更具有代表性。國內(nèi)外許多學者對道路透視圖的數(shù)學模型進行了深入的研究探討，發(fā)現(xiàn)道路曲線在駕駛人眼中的形狀類似雙曲線或者拋物線，然而，這些曲線通常情況下只能描述存在一個拐點的道路形狀，對于像S曲線等情況的道路透視圖是不能充分表述的，因此需要采用三次曲線對道路透視圖進行描述。在之前的研究中［6］，我們將三次Bezier曲線、三次B樣條曲線以及Catmull-Rom樣條曲線這些屬于連續(xù)可導的平滑曲線用來擬合道路透視中心線，最終發(fā)現(xiàn)，由于Catmull-Rom樣條曲線通過所有控制點，并且具有局部性，更易控制曲線形態(tài)，相比之下Catmull-Rom樣條曲線的擬合結果最優(yōu)［7］，并且可以通過駕駛人視覺感知獲得水平/垂直兩個方面的視曲率分量［8］事實上正是駕駛人視覺感知的水平/ 垂直分量視曲率分量和T時刻后駕駛人身體力學感知之間的一種異步作用產(chǎn)生駕駛韻律。

2.1 視覺水平/垂直視曲率分量

在文獻［8］中，駕駛人通過視覺感知對道路幾何條件進行重構，會產(chǎn)生水平方向和垂直方向兩個方面的信息，稱之為“視覺水平/垂直視曲率分量”，實質上就是道路幾何條件中平面條件和縱斷面條件產(chǎn)生的映射，駕駛人情不自禁地根據(jù)這兩個分量產(chǎn)生加速度/作用力的期望，并會和T時刻后車輛運動到該位置產(chǎn)生的實際加速度/作用力進行比較，從而會調(diào)節(jié)行車速度，進而反映在駕駛韻律上面。

2.2 道路力學響應

車輛在運動過程中，隨著道路幾何條件會產(chǎn)生水平、上下和前后加速度/作用力的變化，這些實際產(chǎn)生的信息可以通過簡單的車載設備（比如帶有重力傳感器的行車記錄儀）獲取。如前所述，正是駕駛人視覺感知的水平/ 垂直分量視曲率分量和T時刻后駕駛人實際感知加速度/作用力之間的耦合作用產(chǎn)生駕駛韻律。

2.3 視覺環(huán)境感知與道路力學響應作用分析

相關研究已經(jīng)表明，駕駛人在行車過程中，不同速度下有一個大致的視線集中距離，如表2，表明駕駛人視線集中點就在這個位置前后，由此可以推斷，所謂視覺感知的信息和實際感知信息之間基本上就在這個范圍附近，也可以理解成駕駛人將眼前的視覺感知信息和視線集中距離處將要實際感受到加速度/作用力進行比較的，也就是在不同行車速度下存在著不同的視覺感知時間T。本文針對40km/h、60 km/h和80km/h情況下的視覺感知時間T進行了計算。

駕駛人通過視覺感知道路環(huán)境信息，然后基于其感知的信息會產(chǎn)生期望的加速度/作用力，這和T時刻后身體受到的加速度/作用力之間存在著耦合作用，這種交互的作用的結果就是行車速度的變化，即駕駛韻律。因此，駕駛人視覺環(huán)境感知和道路力學條件之間的異步作用對于行車安全與舒適性有著重要影響。這種異步作用的時間T可以稱為視覺感知時間，對T進行深入研究，將有助于進一步探索視覺環(huán)境感知與道路力學響應作用之間的交互作用。

首先，將實際行車中獲取的駕駛人視覺信息和東路力學相應信息（通過GarMin行車記錄儀GDR35采集的）按照行駛速度40Km/h、60Km/h和80Km/h進行分類。

表2 農(nóng)村公路不同速度下的視線集中距離

然后，根據(jù)不同的行駛速度，進行時間片段劃分，根據(jù)行車記錄儀記錄頻率，1s作為一個時間片段，40Km/h按照0-18.0s劃分為18個片段（0-1s，0-2s，...，0-18s），60km/h按照0-12.0s劃分為12個片段（0-1s，0-2s，...，0-12s），80Km/h按照0-9.0s劃分為9個片段（0-1s，0-2s，...，0-9s）。

接下來，按照上面劃分方法進行采樣，分別提取“視覺水平/垂直視曲率分量”以及相應的（0-M秒）處的道路力學響應（加速度/作用力），將這些數(shù)據(jù)進行相關性分析，可以得到40km/h時（0-12.0s）的相關系數(shù)最高（0.522），60Km/h時（0-9.0s）的相關系數(shù)最高（0.932）和80Km/h時（0-7.0s）的相關系數(shù)最高（0.554），因此可以得出不同速度下的視覺感知時間，具體在表2中。

3 總結

駕駛韻律是指駕駛人會根據(jù)道路條件、交通環(huán)境等有意識或者無意識地尋求一種自己感覺安全和舒適的節(jié)奏，這種韻律體現(xiàn)了整體行車系統(tǒng)的狀態(tài)，與行車安全舒適性息息相關。駕駛韻律的產(chǎn)生是基于駕駛人視覺環(huán)境感知與道路力學條件的異步作用，因此本文中建立駕駛人視覺車道模型描述駕駛人視覺感知，加速度/作用力表征道路力學條件，分析了不同速度下異步作用時間差的規(guī)律，為進一步探索駕駛韻律的產(chǎn)生機理提供基礎。在今后的研究中，將基于駕駛韻律研究道路條件影響行車風險的機理，并將駕駛韻律運用于行車系統(tǒng)主動安全技術研究中，力求優(yōu)化道路交通環(huán)境設計保障行車安全與舒適。

［1］ 劉建蓓，郭忠印，胡江碧，張媛. 公路路線設計安全性評價方法與標準［J］. 中國公路學報，2010，S2∶28-35.

［2］ 馬瑩瑩，楊曉光，曾瀅. 城市道路自由車速與車道寬度關聯(lián)性分析［J］. 同濟大學學報（自然科學版），2009，12∶1621-1626.

［3］ Recarte M A， Nunes L. Mental load and loss of control over speed in real driving.∶ Towards a theory of attentional speed control［J］. Transportation Research Part F∶Traffic Psychology and Behaviour， 2002， 5（2）∶ 111-122.

［4］ Baulk S D， Biggs S N， Reid K J， et al. Chasing the silver bullet∶ measuring driver fatigue using simple and complex tasks［J］. Accident Analysis & Prevention， 2008， 40（1）∶396-402.

［5］ Schmidt-Daffy M. Fear and anxiety while driving∶differential impact of task demands， speed and motivation［J］. Transportation research part F∶ traffic psychology and behaviour，2013， 16∶ 14-28.

［6］ Yu B， Chen Y， Wang R， et al. Safety reliability evaluation when vehicles turn right from urban major roads onto minor ones based on driver's visual perception［J］. Accident Analysis & Prevention， 2015.

［7］ 陳雨人，王瑞云，董永杰，賀思虹. 應用CatMull-Rom樣條曲線描述道路透視圖中心線特征的方法研究［J］. 重慶交通大學學報（自然科學版），2015，04∶45-51+112.

［8］ 陳雨人，余博，賀思虹，“基于視覺感知偏差的公路幾何平縱協(xié)調(diào)分析技術”，《同濟大學學報》2015，9.

Generation mechanism analysis of driving rhythm

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

Driving rhythm refers to the tempo that drivers seek while driving. It is closely related to driving safety and comfort. The generation mechanism of driving rhythm is the asynchronous effect of drivers’ visual environmental perception and mechanics road conditions. Drivers obtain the road environment information from visual perception， then produce expected acceleration，which has a coupling effect with physical acceleration after t seconds. This asynchronous effect leads to the changes of driving speeds and generates the driving rhythm.

Driving rhythm； visual environmental perception； mechanics road condition