驾驶人车内次任务叠加实验研究

关闯，赵媛劼，谷亚蒙，刘毅坤

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

随着车载多媒体系统的快速发展，驾驶人执行车内次任务的情况明显增加，而驾驶过程中执行车内次任务会对驾驶行为会产生不同程度的影响，进而对道路车辆、行人造成安全隐患，因此开展车内次任务对驾驶人驾驶行为的研究显得非常必要。

Rakauskas等[1]利用驾驶模拟器研究了不同的手机通话难度级别对驾驶人驾驶行为的影响，结果表明无论通话难度大小都会增加驾驶负担。Steven等[2]以驾驶过程中超速、碰撞、错过停车标志等的次数为试验指标，研究了手机通话对驾驶人驾驶行为的影响。瑞典道路与运输研究所、新西兰Roland Matthews等研究了机动车驾驶人在不同的交通环境下，驾驶人手持手机通话、免提通话以及不进行通话3种状态的驾驶行为的表现进行了分析[3-5]。王抢等[6]在虚拟环境下研究了视觉以及听觉次任务对驾驶员视觉特性的影响和差异性，统计视觉搜索面积、瞳孔面积和次任务完成时间等指标，得出视觉次任务对驾驶人的影响更为明显的结论。

本文针对驾驶过程中视觉、认知以及视觉和认知叠加次任务对驾驶人的影响展开研究，在驾驶模拟器上应用换道测试（LCT）为主任务，并且设计了相应的认知、视觉和叠加次任务，最后统计部分车辆运行状态数据进行驾驶绩效分析。

1 实验环境和设计

1.1 LCT标准实验环境

LCT（换道测试）是一个依托于PC机的驾驶模拟器，其包括了ISO制定的标准实验环境和操作流程。实验过程中要求驾驶人保持60km/h的车速匀速行驶，测试的场景路段会随机出现3种换道标志，要求驾驶人在看清换道标志后尽快完成相应的换道动作，同时PC机记录车辆的实时运行状态数据[7]。通过LCT可以定量地表现由于执行车内次任务而引起的驾驶人驾驶性能的退化程度。

1.2 实验设计

本次实验为组内实验，选取来自不同年龄、性别、职业以及驾龄的10名驾驶人，其中，5名男性，5名女性，平均年龄28岁，平均驾龄2.1年，并要求驾驶人视力或者矫正视力达到相关要求[8]。实验在单屏驾驶模拟器上进行（模拟器包含座椅、方向盘、变速器、踏板等相关设备），同时使用手机作为虚拟车载信息服务设备。

在驾驶人熟悉驾驶模拟器后进行LCT基本换道测试，车辆行驶路径偏差不高于1.2，每名驾驶人进行4组实验，完成每组实验后驾驶人休息2分钟后进行下组实验，其中：

1）主任务为LCT驾驶任务。

2）视觉次任务为观看手机给出的PPT，驾驶人在提示音期间将视线由道路前方转向手机PPT界面。

3）认知次任务为记忆并复述手机以音频给出的四位随机自然数。

4）叠加次任务为记忆并复述由手机以PPT给出的四位随机自然数。

为避免学习效应，实验中视听数据均为随机抽取，执行次任务的总时长控制在4s。

表1 实验组及任务设计

2 车辆运行状态数据

2.1 典型车辆轨迹变化

图1 次任务换道偏差

LCT换道测试中会产生随时间变换的车辆轨迹信息和方向盘转角数据，图1为车辆由左侧车道换入中央车道时车辆横向位置随时间变化数据，不同次任务下车辆位置信息有明显差异。驾驶人在仅执行LCT基本换道任务时，驾驶人的车道保持能力优秀，车辆的中心横向偏移小于4m；驾驶人在执行认知次任务时，车辆的中心横向偏移虽有增加，但还是保持在4m左右，同时驾驶人的车道保持能力出现一定的下滑；而驾驶人执行视觉次任务和叠加次任务时，车辆的横向偏移均接近或达到5m。

2.2 典型方向盘转角变化

驾驶人仅执行LCT主任务时，方向盘保持平稳，车辆的最大转向角为5°；在执行认知次任务下方向盘出现一定的波动，最大转向角超过7°，驾驶人的方向保持能力出现下滑，而在执行视觉次任务和叠加次任务时方向转向角均达到10°左右，驾驶过程中表现为车辆一次性换道成功率低，需要进一步调整车辆姿态位置，并且叠加次任务下车辆的方向盘转角波动相较视觉次任务下更加明显。

图2 次任务方向盘转角

3 单一指标特性分析

3.1 平均路径偏差

平均路径偏差MD是实际换道路径与理想换道路径之间的包络面积除以行驶距离的结果[9]。

式中：Xd,i为车辆横向偏移量；Xp,i为车辆实际运行时的车辆横向位置；同样Xr,i是车辆理论运行路径的横向距离；式（1）中s为分析的数据单元个数；Yi+1，YI-1分别为i+1和i-1时车辆的纵向位置，i是车辆运行时不同的时间点。

驾驶人执行各组次任务下的平均路径偏差如图3所示，认知任务组与基本任务组相差不大，认知任务组平均路径偏差的均值要略大于基本任务组；而视觉任务组和叠加任务组的平均路径的偏差要明显大于基本任务组和认知任务组，叠加任务组的均值小于视觉任务组。数据证明了执行次任务使驾驶人驾驶绩效降低的结论，同时也表明，叠加此任务下驾驶绩效下降的最为严重，视觉次任务次之，认知次任务虽有下降但是变化不大。

图3 平均路径偏差

图4 正确换道比例

3.2 正确换道比例

驾驶人执行不同类型次任务时的正确换道比例有一定的差异，基本任务组的正确换道比例为97.25%；认知任务组的正确换道比例为89.87%；视觉任务组的正确换道比例为85.18%；叠加任务组的正确换道比例为75.97%。由此可见基本任务组的正确换道比例最高，认知任务组次之，叠加任务组的正确换道比例最低。

3.3 车道偏移次数

驾驶人实际驾驶路径超出LCT理论范围内的次数称之为车道偏移次数。统计驾驶人执行不同次任务下的车道偏移次数，结果表明：LCT基本任务组车道偏移次数平均值为0.25次，认知任务组为0.33次，视觉任务组为1.33次，叠加任务组为2次。视觉任务组和叠加任务组明显高于基本任务组和认知任务组。

4 结语

本文运用LCT标准实验环境提供的车辆轨迹信息和平均转向角以及新增的平均路经偏差、正确换道比例和车道偏移次数为实验指标。就四种不同类型次任务下驾驶人驾驶绩效的变化进行了定量评价，实验表明：视觉叠加次任务对驾驶人驾驶行为影响最大，驾驶性能退化最为明显，视觉次任务次之，认知次任务最小。