认知次任务对驾驶安全的影响研究

顾佳满，姚建红，董萍萍，戴志林，邱梓豪

（常熟理工学院 汽车工程学院，江苏 常熟 215500）

随着生活水平的不断提升，汽车已经成为人们出行必不可少的交通工具．而在行车过程中，经常存在着驾驶安全问题．这些问题主要是驾驶员在驾驶过程中执行次任务造成的．次任务驾驶是指驾驶人在驾驶过程中除正常驾驶外，还同时执行与主要驾驶任务无关或不直接相关的任务．这会转移驾驶人的注意力，从而易发生交通事故．次任务又分为认知次任务和视觉次任务．认知次任务是指抢夺正常驾驶的主要任务的认知资源，使驾驶员的认知资源不能全部集中于驾驶主要任务上，从而无法应对道路上出现的突发状况．

研究能够降低次任务驾驶危险性的方法[1]，对减少道路交通安全问题有着重要意义．关于次任务驾驶方面的研究，咸化彩[2]在驾驶过程中进行视觉次任务与认知次任务的实验，确定了4个认知次任务驾驶行为状态参数与3个次任务驾驶车辆状态参数．Haque等[3]的研究进一步表明，认知次任务和视觉次任务均会增加驾驶人反应时间．Hartono等[4]运用权变算法，建立了次任务驾驶行为与风险关系的理论模型，实验结果表明交谈等认知类次任务驾驶行为对驾驶安全有显著影响．

综上，本文针对认知次任务展开研究，分析认知次任务对驾驶安全的影响，并筛选出认知次任务驾驶下的安全评价特征参数，为构建认知次任务驾驶的安全性评价模型奠定基础，进而为开发认知次任务驾驶预警系统提供参考数据．

1 实验方案设计与数据处理

1.1 实验平台建立

以汽车为主体（图1），利用树莓派4B[5]与隔离式双通道具有CAN通信功能的扩展模块以及HDMI显示屏搭建车辆数据采集系统（图2），并与新能源汽车的整车CAN总线进行通信，利用多线程功能实现同步采集，采集车辆方向盘转角大小、汽车的制动力、纵向速度、纵向加速度等数据，解析采集的数据，并存储于系统中．

图1 实验汽车车内结构

图2 数据采集系统

1.2 实验方案设计

本实验总共招募了30名实验人员，选择路面平整宽敞的封闭道路进行测试．为研究次任务对驾驶安全的影响，会在实验道路中设计不同类型的道路场景，具体设置分为三类：

（1）针对道路上的交通基础设施，设计了减速带场景；

（2）针对道路上的行人，设计了行人过马路的场景；

（3）针对道路建设，设计了路面施工场景，在路面上摆放锥筒标，使一条车道无法正常通行，以考验驾驶员遇到突发路况时的应急处理能力．

为了方便对比，要求每位实验人员在指定道路完成两次驾驶：第一次驾驶为正常驾驶，即不做任何认知次任务在指定路面驾驶．第二次驾驶即为次任务驾驶，同样通过实验数据采集平台进行驾驶数据采集．

2 认知次任务特征参数体系初步构建

次任务驾驶与正常驾驶下的特征参数的总体分布形式是不一致的，存在正态分布与非正态分布．由于是对两个独立样本进行差异显著性检验，当样本总体分布为正态分布时，还需要判断其方差是否齐性．因此，选用合适的特征参数分析方法，才能提高分析结果的准确性．这对选取评价驾驶安全性的指标起到至关重要的作用．

由于两独立样本的样本量为30，属于小样本．因此对于正态性检验，采用的是S-W检验方法．针对方差齐性检验，采用的是莱文检验方法．

假设样本数据是正态分布为H0，而不是正态分布为H1．显著性P值只要大于0.05时，就要接受H0假设，拒绝H1假设，表示样本数据分布是正态分布．

假设样本总体是方差齐性的，为H0．而实际样本总体是方差不齐的，为H1．显著性P值大于0.05时，表示样本总体是方差齐性的．

通过SPSS软件分析次任务驾驶与正常驾驶数据标准差的正态分布与方差齐性，确定相应数据的分析方法，如表1所示．

表1 驾驶数据的分析方法

曼-惠特尼秩和检验法：假设两个独立样本之间不存在差异为H0，两个独立样本之间存在差异为H1．首先混合两个独立样本，然后按照一定规律从小到大进行编号排序，若遇到相同的数据，则赋予对应编号的平均值．编号从1开始，逐渐递增1．计算两个样本对应编号的和R1与R2．计算出两个样本的样本数量N1与N2．得到对应样本的检验统计量U1与U2．U1与U2计算公式如式（1）与式（2）所示．

由于置信水平为0.95，查观测值U的临界值表确定Uα值，与min{U1,U2}进行比较．若min{U1,U2}＜Uα，拒绝H0，接受H1，表明两个独立样本之间存在差异性．反之，不存在差异性．

t检验方法：独立样本t检验其对应的独立样本具备正态性，样本容量较小，样本的方差相等．对于数据的要求需要能够对比大小．t值计算公式如式（3）所示．

式中：为两样本的均值；S12和S22为两样本的方差；n1和n2为两样本容量．自由度df=n1+n2-2．根据自由度df，查t值表，确定对应的t值．若t＜1/2t0.05，则P值大于0.05，不拒绝H0，表示没有差异．

3 特征参数的分析

3.1 认知次任务对驾驶安全的影响分析

由于车辆的纵向速度受驾驶人对油门和刹车踏板操控的影响，能够直观地反映出驾驶人对车辆的操控状态．所以选择车辆状态参数中的纵向速度的均值这个特征参数，对其进行分析，证明认知次任务对驾驶员驾驶安全存在的影响．

通过对采集数据进行统计学分析，得出两种驾驶状态下的车辆纵向速度的均值统计结果如表2所示．可以看出，在驾驶过程中，进行次任务驾驶时的纵向速度均值小于正常驾驶时的纵向速度均值．

表2 车辆纵向速度均值统计分析 单位：km/h

驾驶员在进行次任务驾驶时，为了自身的安全，多次使用汽车的制动踏板，增加制动力，从而降低车速，使自身有足够的时间去应对面前的突发事件．通过纵向速度均值的实验数据分析结果表明，认知次任务对正常驾驶是存在影响的．

3.2 数据分析

对30组实验数据运用统计学方法进行计算（如最大值、最小值），得到表3．

表3 特征参数数据分析结果

运用曼-惠特尼秩和检验法、独立样本t检验对P值进行计算，得到表4．

表4 次任务驾驶与正常驾驶的8个特征参数差异显著性整体分析结果

根据上述分析结果，对8个特征参数进行影响分析：

在次任务驾驶中，驾驶员会放松对方向盘的操纵，不断变换制动踏板开度．为了不影响道路交通，又会对油门进行频繁操纵，油门的变化很大．遇到突发情况时，又会采取制动降速举措．差异显著性检验证明了8个特征参数能够很好地判断驾驶人是否在执行次任务驾驶，并可以使用这8个特征参数作为驾驶安全性的评价指标．但是考虑到传感器精度、数据离散分布与正常驾驶数据的差异性、数据离散程度的大小、数据差异明显程度等情况，最后选取方向盘转角标准差、汽车制动力均值、纵向速度标准差、纵向加速度标准差这4个参数作为认知次任务驾驶安全性的评价特征参数．

4 总结

针对认知次任务驾驶安全性影响进行研究，通过设计实验方案，采集相关数据，确定特征参数显著性分析方法，论证次任务对驾驶安全存在影响；使用统计学方法分析研究两种驾驶状态下的驾驶员行为参数与车辆状态参数，并通过曼-惠特尼秩和检验法与t检验法检验特征参数差异显著性，筛选出存在明显差异性的特征参数．即方向盘转角标准差、汽车制动力均值、纵向速度标准差、纵向加速度标准差．本研究可为未来构建次任务驾驶安全性评价模型提供重要的特征数据．