急剎預(yù)警作用下的車輛時(shí)空?qǐng)D特性

李海艦 趙國(guó)強(qiáng) 楊艷芳 常鑫 趙曉華

(1.北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量急速增加，由此帶來的交通事故數(shù)量也在急劇上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，前向碰撞事故占所有交通事故的67.1%[1]，前方車輛緊急剎車是引起前向碰撞事故的主要原因，尤其在彎道、黑夜或者雨雪天氣等視覺條件較差的情況下，汽車在高速行駛時(shí)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方車輛緊急剎車并采取相應(yīng)的緊急措施。如果配有前車緊急剎車預(yù)警系統(tǒng)，秉承主動(dòng)安全技術(shù)理念，將前車急剎事件通過預(yù)警方式提前告知，將能大幅降低此類事故的發(fā)生率，有效避免交通事故造成的人身財(cái)產(chǎn)損失。車路協(xié)同技術(shù)是下一代車聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之一，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車與車、車與路、車與人、車與云之間的信息交互共享，使車和周圍環(huán)境協(xié)同與配合；它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)前車速度的變化狀態(tài)并反饋，不受天氣條件和障礙物的限制，實(shí)現(xiàn)超視距感知，可以幫助駕駛員完成從基于視覺刺激的反應(yīng)行為到基于心理預(yù)期的主動(dòng)應(yīng)對(duì)行為的轉(zhuǎn)換，大大降低交通事故發(fā)生率。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)車路協(xié)同環(huán)境下前車急剎預(yù)警做了大量研究[2- 7]，以求達(dá)到減少前向碰撞的目的。

Tatchikou等[2]設(shè)計(jì)了基于廣播式車車通信方式的協(xié)同避撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使跟隨車輛在前車制動(dòng)燈亮之前便采取對(duì)應(yīng)的制動(dòng)措施，有效減少連環(huán)事故的發(fā)生。Li等[3]基于風(fēng)險(xiǎn)感知的跟車模型提出的防追尾系統(tǒng)可以通過車聯(lián)網(wǎng)接收設(shè)備獲取前車的速度、加速度、方向、位置和車載傳感器收集的有用信息等，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)判斷前車緊急剎車等危險(xiǎn)狀態(tài)，通過車載設(shè)備給予駕駛員聲光預(yù)警。Chen等[4]研究了在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于深度學(xué)習(xí)CPGN(基于遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))的方式來預(yù)測(cè)本車與前車追尾的概率，通過車車通信的方式獲取前車狀態(tài)信息，建立碰撞因子庫(kù)，并對(duì)前向碰撞概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。Wu等[5]通過駕駛模擬器搭建車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，研究在霧天環(huán)境中前方車輛緊急剎車場(chǎng)景下預(yù)警系統(tǒng)對(duì)駕駛員避撞性能的影響。張嘉琦、劉鍇等[6- 7]研究了臨近事故下駕駛員視覺應(yīng)激特性以及車路協(xié)同環(huán)境下道路交叉口防碰撞系統(tǒng)對(duì)駕駛員心理和生理習(xí)慣的影響。裴曉飛等[8]基于避撞時(shí)間余量設(shè)計(jì)了一種適用于不同駕駛員避撞特性的分級(jí)報(bào)警和避撞算法，并且通過聲光報(bào)警及主動(dòng)制動(dòng)來幫助駕駛員實(shí)現(xiàn)有效避撞，并在前車緊急制動(dòng)等3個(gè)工況下驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

車路協(xié)同系統(tǒng)不依靠固定基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是通過路側(cè)單元與車載單元之間端與端的連接來實(shí)現(xiàn)信息交互，這就要求在通訊范圍內(nèi)所有車輛和路側(cè)單元都要形成自建網(wǎng)絡(luò)，各參與者充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路。這是一個(gè)十分復(fù)雜的、龐大的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)投入實(shí)際使用之前需要通過駕駛模擬的方式進(jìn)行試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的缺陷，保證系統(tǒng)的安全性，同時(shí)節(jié)約系統(tǒng)的開發(fā)成本。Konstantopoulos等[9]利用駕駛模擬器研究駕駛員在不同能見度情況下的安全性，并通過模擬器矯正駕駛行為，改變適應(yīng)性條件以提升駕駛的安全性。Zhao、Chang等[10- 11]基于駕駛模擬器搭建了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境測(cè)試平臺(tái)，并分析了霧天不同可見度水平下的駕駛行為特征。胥川等[12]借助駕駛模擬實(shí)驗(yàn)來尋找疲勞預(yù)警的最佳提示時(shí)機(jī)。王磊等[13]在駕駛模擬環(huán)境下研究了多信息刺激下駕駛員的警覺性改善狀況。黃利華、趙曉華等[14- 15]基于駕駛模擬技術(shù)對(duì)不同橋形標(biāo)志的設(shè)置方案和平交路口安全設(shè)施的有效性進(jìn)行了評(píng)估。王冠[16]給出了可視化的車路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過研究同質(zhì)車隊(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法，得出可視化的車路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是對(duì)現(xiàn)有交通仿真軟件的一個(gè)有益的補(bǔ)充。柴琳果等[17]將車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和軟件工程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)車輛運(yùn)行環(huán)境高度還原。由于現(xiàn)實(shí)中獲取特定的緊急剎車事件難度較高，基于駕駛模擬技術(shù)獲取前車急剎數(shù)據(jù)十分有必要；并且當(dāng)前沒有成熟的車路協(xié)同環(huán)境下測(cè)試前車急剎事件的方法，因此通過駕駛模擬技術(shù)搭建前車急剎事件是比較可行、可信的方案。

目前對(duì)車路協(xié)同環(huán)境下前車急剎事件的微觀特征及宏觀表現(xiàn)挖掘不足，理論與實(shí)際不易建立聯(lián)系，缺乏從數(shù)據(jù)層面分析前車急剎事件下駕駛行為的方法，基于此，本研究通過駕駛模擬技術(shù)搭建車路協(xié)同系統(tǒng)，在此環(huán)境下設(shè)計(jì)了前車急剎事件，從數(shù)據(jù)層面分析在車路協(xié)同環(huán)境中前車急剎情形下的駕駛行為特性。

1 車路協(xié)同實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的搭建

1.1 駕駛模擬設(shè)備與平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用北京工業(yè)大學(xué)AutoSimAS駕駛模擬平臺(tái)，該駕駛模擬平臺(tái)由實(shí)車、中控設(shè)備、影音系統(tǒng)及投影裝置4部分組成，通過該模擬器能搭建實(shí)驗(yàn)所需的道路及交通條件，能夠滿足駕駛?cè)送瓿芍付▓?chǎng)景的駕駛?cè)蝿?wù)。在駕駛員實(shí)驗(yàn)過程中，模擬器以20 Hz的頻率記錄駕駛?cè)瞬倏匦袨閰?shù)(如加速踏板/制動(dòng)踏板踩踏深度、方向盤轉(zhuǎn)角、檔位等)和車輛運(yùn)行參數(shù)(速度、加速度、側(cè)向位移等)，完成整套駕駛數(shù)據(jù)的獲取。車載終端采用華為平板電腦M3，設(shè)備內(nèi)置Android 6.0系統(tǒng)，尺寸為215.5 mm×124.2 mm×7.3 mm?；谝陨显O(shè)備，實(shí)驗(yàn)通過無線通信(Wi-Fi)協(xié)議聯(lián)通駕駛模擬平臺(tái)與智能終端，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)互聯(lián)互通。該平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸延遲低于0.5 s，能夠支持高仿真度車路協(xié)同實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的搭建，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室駕駛模擬設(shè)備如圖1所示。

1.2 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

興延高速途經(jīng)昌平和延慶兩區(qū)，起點(diǎn)為六環(huán)的雙橫立交，終點(diǎn)位于京藏高速營(yíng)城子立交收費(fèi)站以北，是一條雙向四車道高速公路。該項(xiàng)目建成通車后前期主要服務(wù)于2019年中國(guó)北京世界園藝博覽會(huì)，遠(yuǎn)期將與延崇高速相接，為2022年冬奧會(huì)提供交通保障，形成北京西北方向的高速通道。本研究在興延高速中選擇長(zhǎng)度為46 km的連續(xù)路段作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)原型。場(chǎng)景設(shè)置為雙向四車道，道路橫斷面為 26 m(車道寬度3.75 m、綠化帶寬度2 m、肩寬4.5 m)，自由流狀態(tài)下限速80～120 km/h。為保證數(shù)據(jù)的有效性，避免被試者疲勞駕駛，將路段用服務(wù)區(qū)分割為兩段，長(zhǎng)度分別為22 km和24 km。依據(jù)我國(guó)V2X應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng) 車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》[18]以及美國(guó) AERIS(Applications for the Environment：Real-Time Information Synthesis)項(xiàng)目，最終形成8個(gè)車路協(xié)同預(yù)警系統(tǒng)共13個(gè)事件的場(chǎng)景庫(kù)，場(chǎng)景設(shè)計(jì)詳細(xì)信息見表1。

(a)車路協(xié)同測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

Fig.1 Structure and equipments of driving simulation test platform

前車緊急剎車是引起追尾的主要原因之一，研究車路協(xié)同環(huán)境中前車緊急剎車場(chǎng)景下車輛特性對(duì)提高道路安全水平具有實(shí)際意義。在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中獲取前車緊急剎車事件中本車和前車駕駛行為數(shù)據(jù)難度較高，因此研究基于駕駛模擬技術(shù)獲取的急剎數(shù)據(jù)十分有必要。文中選用前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)中的前車急剎場(chǎng)景作為研究對(duì)象。前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)能夠在本車與行駛在同一車道上的前車存在追尾風(fēng)險(xiǎn)時(shí)給予預(yù)警提示，以避免追尾事故的發(fā)生，提高道路行車安全。前車急剎事件是此次車路協(xié)同駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)中的子事件。通過研究車路協(xié)同環(huán)境下前車急剎事件，可以分析在車路協(xié)同環(huán)境中有預(yù)警信息給予的駕駛條件下車輛的行駛特征，從而為將來車路協(xié)同技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后提高通行效率和道路安全水平提供理論依據(jù)，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

表1 車路協(xié)同實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)

Table 1 Test scenario design of cooperative vehicle infrastructure system

序號(hào)車路協(xié)同預(yù)警系統(tǒng)定義場(chǎng)景1危險(xiǎn)道路狀況預(yù)警對(duì)前方即將面臨的高風(fēng)險(xiǎn)道路狀況進(jìn)行預(yù)警前方長(zhǎng)下坡前方有霧前方施工區(qū)前方隧道前方預(yù)警2生態(tài)車道預(yù)警對(duì)前方道路上存在的為優(yōu)化交通環(huán)境而建立或臨時(shí)開辟的專用車道進(jìn)行預(yù)警前方生態(tài)車道3前向碰撞預(yù)警當(dāng)駕駛?cè)伺c同一車道車輛存在追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行預(yù)警前車停止前車慢速前車急剎4異常車輛預(yù)警當(dāng)同一車道存在拋錨車時(shí)對(duì)本車駕駛?cè)诉M(jìn)行預(yù)警前方異常車輛5車輛失控預(yù)警當(dāng)其他車輛出現(xiàn)失控時(shí)對(duì)本車駕駛?cè)诉M(jìn)行預(yù)警后方車輛失控6緊急車輛預(yù)警提醒駕駛?cè)藢?duì)行駛過程中的消防車、救護(hù)車、警車等緊急車輛進(jìn)行避讓后方緊急車輛7前方擁堵/排隊(duì)預(yù)警當(dāng)前方發(fā)生交通擁堵/排隊(duì)狀況時(shí)對(duì)本車駕駛?cè)诉M(jìn)行提示前方擁堵8限速預(yù)警(全程)當(dāng)車輛超過道路限速值時(shí)對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前車急剎事件是通過二級(jí)預(yù)警的方式來提醒駕駛員前方急剎事件存在?，F(xiàn)實(shí)情境中急剎事件的發(fā)生具有隨機(jī)性，在車路協(xié)同環(huán)境下一旦檢測(cè)到前方車輛存在急剎行為，應(yīng)立刻向周圍車輛發(fā)送事件類型和位置信息，從而避免碰撞事故發(fā)生。本次車路協(xié)同駕駛模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定一級(jí)預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)是在本車距離前車360 m處，表現(xiàn)為前車突然出現(xiàn)急剎狀況，同時(shí)向本車發(fā)送預(yù)警信息，此時(shí)本車車載人機(jī)交互設(shè)備(HMI)的提示文字和警示圖標(biāo)為黃色，語(yǔ)音播報(bào)內(nèi)容為“前方360米有急剎車輛，請(qǐng)小心駕駛”。二級(jí)預(yù)警觸發(fā)條件是前車速度降為0，當(dāng)速度降為0時(shí)便向周圍車輛發(fā)送事件類型和位置信息。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，前車速度降為0的位置點(diǎn)距離本車的距離約為290 m，本實(shí)驗(yàn)取本車距離前車290 m處為二級(jí)預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)。此時(shí)本車車載HMI的提示文字和警示圖標(biāo)皆為紅色，顏色更加醒目(見后文圖4)，語(yǔ)音播報(bào)內(nèi)容為“前方290米有急剎車輛，請(qǐng)小心駕駛”。兩次預(yù)警皆采取聽覺+視覺組合方式對(duì)駕駛員預(yù)警；距離急剎車192 m處為視覺刺激點(diǎn)，在此位置處駕駛員剛好能夠依靠視覺發(fā)現(xiàn)前方急剎車輛存在。該事件一直處于彎道路段，在視覺刺激點(diǎn)之前急剎車位于視距范圍之外，駕駛員無法通過視覺觀察到急剎車輛的存在。圖2為前車急剎事件示意圖與對(duì)應(yīng)駕駛模擬場(chǎng)景。

(a)前車急剎事件示意圖

(b)前車急剎事件駕駛模擬場(chǎng)景

1.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面是指人與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行各種符號(hào)和動(dòng)作的雙向信息交換的平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)基于交通工程學(xué)、生理學(xué)、行為學(xué)和人機(jī)工程學(xué)等知識(shí)，多角度考慮預(yù)警信息對(duì)駕駛?cè)说挠绊?。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)在基于功能重要性、使用次序性以及使用頻率性等原則之上，參考市面上現(xiàn)有的駕駛輔助系統(tǒng)來進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。該人機(jī)交互界面主要包含前方危險(xiǎn)提示、限速提示、車距提示、盲區(qū)提示區(qū)域等功能，具體功能區(qū)域如圖3所示。

其中第①部分是導(dǎo)航區(qū)，實(shí)時(shí)顯示道路線形、當(dāng)前剩余里程及所需時(shí)間；第②部分是預(yù)警信息接收區(qū)，針對(duì)不同的交通事件采取語(yǔ)音+文字組合預(yù)警的方式對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒[19]；第③部分是預(yù)警類型圖標(biāo)顯示區(qū)，加快駕駛員對(duì)預(yù)警信息的直觀了解；第④部分是本車與周圍狀況提示區(qū)，當(dāng)前方以及左右后方盲區(qū)存在車輛時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域會(huì)變成紅閃狀態(tài)，同時(shí)伴隨著“滴滴滴”的提示音；第⑤部分是系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)，可以對(duì)HMI各項(xiàng)功能進(jìn)行選擇。文中研究的是前方車輛急剎事件，其中本車距離前車290 m處的預(yù)警界面如圖4所示。

圖3 人機(jī)交互界面功能示意圖

圖4 前方車輛急剎預(yù)警界面

Fig.4 Warning view of emergency braking event of the vehicle in front

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 被試駕駛員招募

本次實(shí)驗(yàn)一共邀請(qǐng)了37名擁有3年以上駕齡且視覺、聽覺正常的被試駕駛員，由于有2名駕駛員的駕駛數(shù)據(jù)采集存在部分缺失，故剔除這2名駕駛員數(shù)據(jù)，以35名駕駛員數(shù)據(jù)作為本文分析的基礎(chǔ)；其中男性駕駛員20名，女性駕駛員15名，均有高速公路駕駛經(jīng)歷，男女駕駛員比例約為1.33：1，符合我國(guó)駕駛員性別分布特征。有效被試駕駛員詳細(xì)信息如表2所示。

表2 被試駕駛員信息

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

在駕駛之前需對(duì)駕駛員進(jìn)行駕駛培訓(xùn)，保證駕駛員對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)要素有清晰地了解；培訓(xùn)后試駕 3～5 min，適應(yīng)駕駛模擬器駕駛。適應(yīng)后分兩次實(shí)驗(yàn)隨機(jī)完成4個(gè)場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景結(jié)束后至少休息 5 min；4個(gè)場(chǎng)景結(jié)束后填寫主觀問卷，完成主觀認(rèn)知感受評(píng)價(jià)。

2.3 前車急剎事件數(shù)據(jù)處理

駕駛模擬設(shè)備以0.05 s等時(shí)間間隔記錄車輛各項(xiàng)行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。依據(jù)本文的研究目的，提取了前車急剎事件的13個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)——采樣時(shí)間、本車坐標(biāo)X、本車坐標(biāo)Y、事件標(biāo)志、橫向擺動(dòng)LP、行駛速度、行駛加速度、油門踏板角度、前車距離、前車速度、剎車踏板角度、行駛距離和加加速度。為研究駕駛過程中的時(shí)空特性，將各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以1 m為等距離間隔的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。并按照一級(jí)預(yù)警前200 m處至急剎事件結(jié)束后200 m處為采樣區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，進(jìn)而獲得整個(gè)前車急剎事件的完整數(shù)據(jù)，用于前車急剎事件下時(shí)空特性和駕駛自信特性的研究。

3 前車急剎事件交通流時(shí)空?qǐng)D特性分析

3.1 平均時(shí)空?qǐng)D特性分析

車輛行駛在道路上時(shí)，隨著時(shí)間的推移，車輛在不停地發(fā)生空間變化。將車輛時(shí)間-位移關(guān)系通過二維圖像的形式表達(dá)出來，就得到了車輛行駛過程的時(shí)空?qǐng)D。時(shí)空?qǐng)D一般表示單輛車的空間對(duì)時(shí)間的變化情況，斜率代表對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)車輛的運(yùn)行速度，也可以通過直觀的觀察時(shí)空?qǐng)D的彎曲程度來判斷車輛行駛過程中的速度調(diào)整信息。利用時(shí)空?qǐng)D研究基于車路協(xié)同環(huán)境中前車急剎事件情形下車輛行駛狀態(tài)，可以簡(jiǎn)化車輛動(dòng)態(tài)刻畫方式，使車輛行駛狀態(tài)特征呈現(xiàn)得更加直觀。35名駕駛員分別在有無車載HMI預(yù)警信息提示情況下的平均時(shí)空?qǐng)D曲線(虛線對(duì)應(yīng)關(guān)閉車載HMI預(yù)警信息提示；實(shí)線對(duì)應(yīng)開啟車載HMI預(yù)警信息提示；“開始”表示前車開始急剎位置；“停止”表示急剎車停止位置)如圖5所示。通過對(duì)平均時(shí)空?qǐng)D曲線進(jìn)行研究可以減少單個(gè)駕駛員數(shù)據(jù)的個(gè)性化影響，從而獲得整體普遍的時(shí)空?qǐng)D特性趨勢(shì)。

從圖5中可以大體觀察到兩條曲線的拐點(diǎn)不盡相同：無車載預(yù)警信息下車輛運(yùn)行平均時(shí)空?qǐng)D曲線在縱軸方向上靠上，拐點(diǎn)變化明顯；有預(yù)警信息下車輛運(yùn)行平均時(shí)空?qǐng)D曲線在縱軸方向上靠下，拐點(diǎn)變化不明顯。拐點(diǎn)的位置和彎曲程度代表著車輛行駛時(shí)采取控速行為的具體位置和調(diào)整強(qiáng)度。速度調(diào)整強(qiáng)度越高，駕駛員駕駛穩(wěn)定性越差、面對(duì)前車急剎事件越急迫。從平均時(shí)空?qǐng)D可以大體看出有車載HMI預(yù)警信息提示的駕駛員較無車載HMI預(yù)警信息提示的駕駛員對(duì)車輛采取控速行為在位置上更提前、速度調(diào)整強(qiáng)度更低。說明車載HMI預(yù)警信息在一定程度上能夠提前引起駕駛員的警覺，并體現(xiàn)在速度調(diào)整上。但是僅從平均時(shí)空?qǐng)D上無法體現(xiàn)曲線拐點(diǎn)的細(xì)節(jié)信息，本研究通過曲率來表征平均時(shí)空?qǐng)D拐點(diǎn)的細(xì)節(jié)信息，曲率計(jì)算公式為

圖5 35名駕駛員平均時(shí)空?qǐng)D

(1)

式中：K為駕駛員平均時(shí)空?qǐng)D的曲率值；y″為駕駛員平均時(shí)空?qǐng)D的二階導(dǎo)數(shù)；y′為駕駛員平均時(shí)空?qǐng)D的一階導(dǎo)數(shù)。

曲率K是表征曲線彎曲程度的指標(biāo)，以每米為間隔計(jì)算平均時(shí)空?qǐng)D曲率，可以得到平均時(shí)空?qǐng)D在各個(gè)位置的彎曲程度。曲率越大，表示曲線彎曲程度越大，反映在時(shí)空特性曲線上表示速度調(diào)整強(qiáng)度越高；曲率越小，表示曲線彎曲程度越小，反映在時(shí)空特性曲線上表示速度調(diào)整強(qiáng)度越低；可以通過計(jì)算兩條時(shí)空特性曲線的每一點(diǎn)曲率來具體反映曲線彎曲程度的變化情況，進(jìn)而體現(xiàn)有無車載HMI預(yù)警信息提示的速度調(diào)整特征。圖6為無車載和有車載HMI預(yù)警信息提示的時(shí)空特性曲線曲率圖，表3為對(duì)應(yīng)曲率圖的數(shù)據(jù)特征。

由圖6和表3可見，在無車載HMI預(yù)警信息提示下時(shí)空特性曲線曲率圖主要集中于同一位置，并且表現(xiàn)的高而陡，曲率于距采樣區(qū)間起始點(diǎn)656 m處達(dá)到了最大值0.126 8，體現(xiàn)在駕駛員在無車載HMI預(yù)警信息情況下僅僅依靠視覺發(fā)現(xiàn)急剎事件速度調(diào)整的急迫性；而在有車載HMI預(yù)警信息情況下時(shí)空特性曲線曲率圖于距采樣區(qū)間起始點(diǎn)500 m處附近就已經(jīng)出現(xiàn)速度調(diào)整的波動(dòng)性，曲率于距采樣區(qū)間起始點(diǎn)667 m處達(dá)到最大值0.076 9。說明有車載預(yù)警信息情況下駕駛員在明確前方存在急剎事件時(shí)速度調(diào)整較無車載預(yù)警信息情況更早、速度控制更平穩(wěn)，從曲率層面峰值速度調(diào)整強(qiáng)度降低39.4%。對(duì)比曲率最大值處的位置可見，有車載HMI預(yù)警信息提示下曲率最大值的位置，在無車載HMI預(yù)警信息提示情況下曲率最大值的位置之后，說明在有預(yù)警信息給予情況下駕駛員采取強(qiáng)度較高的速度調(diào)整位置較無預(yù)警信息情況更加接近急剎車輛，表現(xiàn)出前車急剎事件中駕駛自信特征。文中接下來將針對(duì)車路協(xié)同環(huán)境下前車急剎事件中駕駛員駕駛自信特征開展研究。

圖6 時(shí)空特性曲線曲率圖

Fig.6 Curvature diagram of spatiotemporal characteristic curve

表3 曲率特征

3.2 駕駛自信特征分析

駕駛自信是指駕駛員在駕駛過程中對(duì)前方交通事件信息有心理預(yù)期時(shí)，引導(dǎo)駕駛員應(yīng)對(duì)交通事件時(shí)采取從容自信的駕駛操作的一種駕駛心態(tài)。這種駕駛心態(tài)在有預(yù)警信息給予的情況下表現(xiàn)得更加明顯，可以通過速度、加速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差等駕駛指標(biāo)來進(jìn)行表征[20]。文中對(duì)有無HMI預(yù)警信息提示情形下35名駕駛員的平均加速度指標(biāo)的表現(xiàn)特征進(jìn)行對(duì)比分析。

車輛的加速度反映駕駛員制動(dòng)以及加速操作，通過加速度分布情況可以直觀觀察到駕駛員在面對(duì)前方急剎事件時(shí)的速度調(diào)整特征，可以通過速度調(diào)整特征體現(xiàn)駕駛員心理狀態(tài)。圖7所示為35名駕駛員的平均加速度隨車輛行駛距離的變化情況。

圖7 平均加速度隨車輛行駛距離變化情況

由圖7可知，有無HMI預(yù)警信息對(duì)駕駛員的駕駛指標(biāo)——加速度有較大的影響。圖中的視覺刺激點(diǎn)位于距采樣區(qū)間起始點(diǎn)492 m處，是指當(dāng)駕駛員行駛至此位置剛好能依靠視覺發(fā)現(xiàn)前方急剎車輛，由于本事件發(fā)生的位置為長(zhǎng)彎道路段，在無HMI預(yù)警信息提示的狀態(tài)下，駕駛員僅依靠視覺無法在一級(jí)預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)和二級(jí)預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)處觀察到前方急剎車輛的存在。從平均加速度曲線看出，無HMI預(yù)警信息提示情況下，在到視覺刺激點(diǎn)之前絕大部分加速度都處于零上狀態(tài)，即駕駛員在沒有觀察到前方急剎車輛存在時(shí)一直處于加速狀態(tài)。當(dāng)車輛行駛至視覺刺激點(diǎn)時(shí)，駕駛員可以通過視覺觀察到前方急剎事件存在，為了避免前向碰撞事件的發(fā)生，立即采取控速行為，因此出現(xiàn)加速度急劇下降的圖像特征。

在有HMI預(yù)警信息提示的情況下，駕駛員于一級(jí)預(yù)警觸發(fā)點(diǎn)處接收到前方有急剎車輛的一級(jí)預(yù)警信息，此位置位于視覺刺激點(diǎn)之前，雖然無法直接觀測(cè)到急剎車輛的具體位置，但是駕駛員通過預(yù)警信息已經(jīng)對(duì)前方發(fā)生的交通事件存在心理預(yù)期，大多采取了比較保守的措施，通過減速來降低前向碰撞事件發(fā)生的概率，于是出現(xiàn)一級(jí)預(yù)警后加速度降低至零下的情況；在二級(jí)預(yù)警提示后，駕駛員對(duì)于前方急剎事件具體位置進(jìn)一步確認(rèn)，同時(shí)在預(yù)警信息的刺激下，駕駛員也會(huì)主動(dòng)的觀察前方急剎車輛的具體位置，隨著車輛通過視覺刺激點(diǎn)，視距范圍內(nèi)也會(huì)觀察到急剎車輛的存在，進(jìn)一步證實(shí)駕駛員心理預(yù)期的急剎車輛位置信息，在應(yīng)對(duì)前方急剎事件的措施方面有了更加充足的時(shí)間去思考，從而主動(dòng)應(yīng)對(duì)前方出現(xiàn)的急剎事件，使駕駛更加有自信。表4給出了速度描述性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中“差值”表示視覺刺激點(diǎn)處加速度與最小加速度之間的差值，“平均加速度標(biāo)準(zhǔn)差”表示視覺刺激點(diǎn)位置至急剎車停車位置的平均加速度標(biāo)準(zhǔn)差，“對(duì)比”表示關(guān)閉HMI預(yù)警信息提示情況下指標(biāo)數(shù)值與開啟HMI預(yù)警信息提示情況下指標(biāo)數(shù)值的差值。

表4 速度描述性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表4可知，在有HMI預(yù)警信息提示情況下，臨近事件減速觸發(fā)位置提前81 m，說明有HMI情況下駕駛員會(huì)較早的采取控速行為；在視覺刺激點(diǎn)處的加速度下降0.284 3 m/s2，表明駕駛員看到前方急剎車輛存在時(shí)，有HMI預(yù)警信息提示情況下駕駛員加速度波動(dòng)范圍更小，控速水平更高；視覺刺激點(diǎn)位置至急剎車停車位置平均加速度標(biāo)準(zhǔn)差降低0.041 0，表明駕駛員看到前方急剎車輛存在時(shí)，有HMI預(yù)警信息提示情況下駕駛員加速度離散程度較低，加速度控制水平較為一致。通過上述指標(biāo)可以得出，有HMI預(yù)警信息提示情況下駕駛員控速水平較高，駕駛更為自信。

圖7黑色圖窗位置進(jìn)一步證實(shí)在有HMI預(yù)警信息提示情況下駕駛員駕駛更加自信。由圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在無HMI預(yù)警信息提示情況下，視覺刺激點(diǎn)至加速度數(shù)值最小位置點(diǎn)之間車輛行駛加速度呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，無明顯上揚(yáng)趨勢(shì)；相反在有HMI預(yù)警信息提示情況下，視覺刺激點(diǎn)至加速度最小位置點(diǎn)之間，車輛行駛加速度并沒有呈現(xiàn)持續(xù)急劇下降的趨勢(shì)，反而局部出現(xiàn)上揚(yáng)現(xiàn)象。這一現(xiàn)象體現(xiàn)了駕駛員對(duì)前方急剎事件信息和將要采取的措施具有心理預(yù)期，駕駛心理更加自信，速度把控更加穩(wěn)定，已經(jīng)由從基于視覺的刺激反應(yīng)行為轉(zhuǎn)換為基于心理預(yù)期的主動(dòng)應(yīng)對(duì)行為。

4 結(jié)論與展望

(1)搭建了車路協(xié)同系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)了前車急剎事件及車載HMI。

(2)給出了一種基于時(shí)空?qǐng)D的車路協(xié)同環(huán)境下急剎駕駛特性分析方法，通過計(jì)算時(shí)空?qǐng)D各點(diǎn)曲率特征，獲取前方急剎事件下本車的速度調(diào)整強(qiáng)度和位置信息。

(3)通過對(duì)35名駕駛員在有無HMI預(yù)警信息提示情況下的平均時(shí)空?qǐng)D曲線特性分析，發(fā)現(xiàn)有HMI預(yù)警信息提示情況下開始采取控速行為的位置更接近急剎車輛，且速度調(diào)整強(qiáng)度更低，駕駛穩(wěn)定性較高?；谄骄鶗r(shí)空?qǐng)D曲線曲率分析，從數(shù)據(jù)層面進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)HMI預(yù)警信息開啟情況下速度調(diào)整強(qiáng)度降低了39.4%，曲率峰值位于無HMI預(yù)警信息提示情況下的曲率峰值之后，駕駛員面對(duì)急剎車輛控速更穩(wěn)定，表現(xiàn)出駕駛自信特征。

(4)基于駕駛員平均加速度特征分析，證明了有HMI預(yù)警信息提示情況下駕駛員能在視距范圍外感知急剎車輛的存在并采取一定程度的控速行為，觀察到急剎車輛時(shí)心理存在預(yù)期，速度調(diào)整也更平穩(wěn)。從數(shù)據(jù)層面上看當(dāng)HMI預(yù)警信息開啟時(shí)較HMI預(yù)警信息關(guān)閉時(shí)加速度強(qiáng)度下降0.284 3 m/s2，視覺刺激點(diǎn)位置至急剎車停車位置平均加速度標(biāo)準(zhǔn)差降低0.041 0，說明駕駛員在應(yīng)對(duì)前車急剎事件時(shí)會(huì)從基于視覺的刺激反應(yīng)行為轉(zhuǎn)換為基于心理預(yù)期的主動(dòng)應(yīng)對(duì)行為，速度調(diào)整更加從容，表現(xiàn)出駕駛自信特征。

(5)駕駛自信心理對(duì)于道路通行效率和交通安全水平等具有一定的影響，隨著我國(guó)車路協(xié)同技術(shù)測(cè)試和網(wǎng)聯(lián)車輛道路實(shí)測(cè)的逐步展開，基于車路協(xié)同環(huán)境下車輛時(shí)空實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析駕駛自信特征對(duì)道路通行效率以及交通安全等方面的影響，將可能是未來的研究方向。