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    車路協同環境下駕駛行為特性與交通安全綜述
    發布時間:2018-07-20閱讀次數:2927來源:上海經達信息科技股份有限公司

    來源:厚勢


    隨著車路協同技術的發展,車路協同安全應用的相關技術是否會影響駕駛人的感知、判斷、操作等駕駛行為受到愈來愈多的關注?;谶@樣的背景,通過對國內外車路協同技術的當前研究進展進行綜述,分析車路協同環境下駕駛行為的變化,從而得出在車路協同安全應用技術全面推廣之前,應充分評估車路協同技術對駕駛人行為,以及駕駛安全可靠性的影響,特別是如何最大限度地發揮其安全保障作用。

    本文來自 2014 年 10 月 20 日出版的《交通信息與安全》 ,作者是北京航空航天大學交通科學與工程學院、北京航空航天大學車路協同與安全控制北京市重點實驗室魯光泉教授和宋陽博士。本文雖然針對的是有人駕駛環境下的車路協同,但可較易地推廣到無人駕駛場景。

     

    引言

     

    交通系統是一個典型的復雜系統,依靠傳統的交通管理方式,難以應對當今日益復雜的交通擁堵,事故頻發,環境污染等問題。隨著計算機技術和信息技術的飛速發展,車路協同技術的出現為緩解交通擁堵,改善交通安全,提供了新的技術手段,并引發了管理理念上的革命性變化。

     

    車路協同作為車車/車路通信基礎上的高級應用,以提高道路安全為目標的同時,也為交通信息感知、交通服務和交通控制提供了新的思路。當前的智能交通技術正在從單個交通要素的智能化轉向一體化發展,車路協同系統作為智能交通系統的重要子系統和新的發展方向,目前正受到國內外科研人員的廣泛關注,車路協同是當前世界交通發達國家的研究熱點。

     

    車路協同相關技術的主要目標是提高交通安全水平,但是車路協同技術在努力提升交通安全水平的同時,也會對駕駛人的駕駛行為帶來影響。在各類交通事故中,人的因素占很大比重,駕駛人行為已被世界公認為引發道路交通事故的主要因素。因此,對車路協同下的駕駛行為進行分析,探討車路協同對駕駛行為的影響十分必要。

     

    1.車路協同技術

     

    1.1 車路協同系統概述

     

    車路協同系統(cooperative vehicle infrastructure system)是基于先進的傳感和無線通信等技術,實現車車、車路信息的實時動態交互,完成交通信息的采集和融合,從而保障復雜交通環境下車輛行駛安全,提高路網運行效率的新一代智能交通系統技術。

     

    車路協同系統最主要的兩個子系統是路側單元和車載單元,各個交通組成單元通過路側單元和車載單元,以有線或無線通信方式來實現車輛與車輛、車輛與路側以及路側與路側之間的信息傳輸和共享。

     

    路側單元的主要功能是:收集路側傳感器檢測到的各種信息(如交通流量、突發事件、密集人群、交叉口行人信息、道路異物侵入、路面濕滑狀態),以無線短程通信的方式發送給車輛,以有線或無線通信的方式發送給其它路側單元或管理中心;接收來自車載單元或其他路側單元的信息。

     

    車載單元的主要功能是:收集各類車載傳感器采集到的信息(如定位、運動等)進行融合處理后發送給其它車載單元;接收來自其它車載單元的信息;接收來自路側單元的信息;對接收到的信息和收集到的本車傳感器信息進行融合處理,做出安全預警判斷和車輛控制決策,以合適的交互方式向駕駛人提供信息,或向車輛控制單元發出控制指令。

     

    1.2 車路協同技術的應用

     

    車路協同技術的應用主要包括:安全應用、交通管理與服務應用。在車路協同的安全應用中主要由基于車車信息交互的安全應用和基于車路信息交互的安全應用。

     

    基于車車信息交互的安全應用場景主要包括:基于車車協同的交叉口車輛避撞,基于信息交互的車輛跟馳,基于車車協同的車輛換道,基于車車協同的非正常占道預警,以及緊急制動電子制動燈預警等 5 種車車協同系統的典型應用。

     

    ·  基于車車協同的交叉口車輛避撞:在交叉口,通過車車信息交互,可以對路口的車車沖突狀態進行預測和評估,實現沖突消解,避免碰撞;

    ·  基于信息交互的車輛跟馳:在同向同車道行駛中,通過車車信息交互,可以對跟馳中的車車沖突狀態進行預測與評估,避免碰撞;

    ·  基于車車協同的車輛換道:在換道過程中,換道車輛通過感知周圍車輛的狀態,確定合適的換道時機,并通過無線通信,把換道信息傳遞給周圍車輛,從而提高換道行駛安全性;

    ·  基于車車協同的非正常占道預警:車輛出故障或因其它原因發生非常的占道,事故車輛向一定區域內的駕駛車輛發送警告信息就可以避免不必要的碰撞;

    ·  緊急制動電子制動燈預警:當車輛在分離摩擦系數或者摩擦系數較低的路面行駛時,車輛容易發生打滑,駕駛人往往會采取緊急制動措施,但這對其他車輛容易造成碰撞事故。如果車輛自動給其他車輛發送警告信息,就可以避免事故發生。

     

    對于不同的應用,對車輛運動狀態信息采集、預警與控制模型和車輛運動狀態控制的要求不同?;谲嚶沸畔⒔换サ陌踩珣弥?,車輛主要以路側單元發送的信息進行危險判斷,進而對駕駛人的操作進行引導,或對車輛進行控制。

     

    但無論是什么樣的安全應用,對駕駛人的引導或預警是其中的重要一步,這必將對駕駛人的駕駛行為產生影響。同時,由于信息感知與決策判斷的引入,導致汽車行駛過程中的人車路相互作用系統發生改變,這種改變會對駕駛過程安全可靠性產生影響,并間接影響到汽車行駛安全性。

     

    2. 車路協同技術對駕駛安全的影響

     

    駕駛行為是與駕駛人相關的各種處理操作的總稱,典型的駕駛行為過程主要包括感知、判斷和操作三個階段。駕駛人首先在感知到周圍環境信息的情況下,對得到的信息進行分析處理后做出相應判斷,然后通過對車輛進行操作,改變車輛運動狀態并達到駕駛操作目的。在整個過程當中,駕駛人是整個操作的核心,也是影響交通安全的主體。

     

    2.1 對駕駛人行為的影響

     

    車路協同環境對駕駛人的影響是多方面的,駕駛行為過程總體上可以分為感知、判斷和操作三個階段。其中,車路協同環境對駕駛行為的影響主要體現在前兩個階段。

     

    感知階段是后續各個階段的基礎,快速獲得準確的信息是保障后續正確判斷、準確操作的基礎,影響駕駛人感知速度和準確程度的主要影響因素是注意力分配和信息負荷大小。林彩霞等通過對比分析使用導航系統、地圖以及憑記憶駕駛 3 種情況的實驗結果得到,在不同的情形下,駕駛人落在道路前方的注意力分別為:57%,78%,85%。這表明,在駕駛過程中使用導航設備,會導致行駛過程中更多注意力需要放在導航系統中,影響了駕駛人的注意力分配。根據Yerkes-Dodson 定理,得出在工作負荷增加時駕駛人疲勞和注意力缺失情況逐步減少,駕駛績效逐漸提高;但是達到理想狀態后,工作負荷增大會降低駕駛績效,造成主動注意力分散和駕駛疲勞。

     

    近年來,隨著車路協同技術的快速發展,人們開始關注車路協同技術對駕駛行為的影響。

     

    Haneen Farah 等研究表明在使用車路協同系統時,駕駛人的精神狀態如眨眼頻率、心跳頻率等均表明駕駛人的緊張程度的感知會比不使用車路協同系統時低。相比與年輕人,車路協同系統對老年人的作用更大,它能夠提高駕駛人的感知水平,縮短駕駛人的感知時間。Pengjun Zheng 和 Mike McDonald提出自適應巡航系統能夠通過雷達、攝像頭等能在車輛行駛過程中主動收集周圍環境變化信息,提高駕駛人的態勢感知能力并減少焦慮。

     

    Karel A. Brookhuis 等提出了先進的駕駛輔助系統能夠有效減少甚至消除駕駛人的失誤,顯著減少人員傷亡、經濟損失和環境污染,同時增加道路容量。先進的駕駛輔助系統通過為駕駛人提供駕駛相關的建議、指導和警告,能有效減少駕駛人的反應時間,在車路協同系統持續工作的情況下,駕駛人的反應時間可以減少到 1s。但 Heejin Kim 等提出,駕駛人在行車途中如果操作車載信息系統(如車載導航或者車載多媒體系統),會造成對駕駛操作的延遲,研究表明對不同的行駛速度延遲時間不同,車速為 50的延遲為 5.7s,車速為 100 km/h 的延遲為 7.9s。

     

    盡管現在還沒有明確的結論表明車路協同技術對駕駛行為會產生什么樣的影響,但相關研究領域的結果可以為分析車路協同對注意力的影響提供借鑒。無論是基于車車信息交互的安全應用還是基于車路協同的安全應用,人機交互是其中一個重要的環節。車載單元要通過人機交互方式,把安全判斷的結果告訴駕駛人。這種人機交互方式可以是語音,也可以是圖像,還可能兩者都結合在一起。但無論是哪一種方式,都會導致駕駛人注意的重新分配。因此,在進行車路協同安全應用設計時,合理的人機交互模式是使駕駛人分配給人機交互系統的注意力最小。

     

    2.2 對行駛安全可靠性的影響

     

    傳統的駕駛行為主要由以駕駛人為核心的感知、判斷和操作過程構成一個閉環的控制系統。從系統可靠性的角度看,表述為分別由感知、判斷和操作三個子系統串聯的系統,見圖1。


    車路協同技術的安全應用,改變了汽車的駕駛過程。車路協同技術安全應用可以分為兩類:一類是以預警為目的的安全輔助系統,見圖2;另一類以自動控制為目的的安全輔助系統,見圖3。正如 Haneen Farah 等的研究結果所表明的那樣,在使用車路協同系統時,駕駛人的精神狀態如眨眼頻率、心跳頻率等均表明駕駛人的緊張程度的感知會比不使用車路協同系統時低。相比與年輕人,車路協同系統對老年人的作用更大,它能夠提高駕駛人的感知水平,縮短駕駛人的感知時間。

    從系統可靠性的角度看,以預警為目的的安全輔助系統可以認為是在感知階段與駕駛人的感知并聯了一個自動感知系統。該系統的并入,能夠提高駕駛人的感知水平,縮短駕駛人的感知時間。另一方面,車車/車路協同在感知的基礎上還進行危險的判斷與預警。盡管該系統判斷和預警的結果還需要駕駛人在此基礎上做出決策,但也會有效縮短駕駛人的判斷決策時間。對于并聯系統,系統的可靠性要高于其單個的子系統可靠性。因此從一定意義上說,以預警為目的的車路協同安全應用系統的引入,可以提高感知過程的可靠性。

    與以預警為目的的安全輔助系統不同的是,具有自動控制功能的安全輔助控制系統在對車輛的安全狀態進行判斷后,不但給駕駛人預警信息,還在必要的情況下向車輛的自動控制機構(如制動控制機構、加速控制機構)發出自動控制指令,見圖3。從系統可靠性的角度出發,該系統不但在駕駛人控制系統的基礎上在感知環節并聯了自動感知子系統,還在操作階段并聯了自動控制子系統。正如前面論述的一樣,在各個子系統可靠性不變的情況下,整個系統的可靠性會有所提高,因此車路協同技術的引入,應該可以提升行車過程的安全可靠性。

     

    3. 車路協同對交通安全的影響

     

    車路協同使得駕駛人可以獲得豐富的外部信息,甚至是看不到的信息。通過車路協同系統,可以幫助駕駛人更快地作出決策判斷,有利于提高駕駛安全性。然而這種結論是在現有駕駛人行為特征的情況下得出的,在車路協同技術的安全應用廣泛使用之后,這樣的結論并不一定準確。

     

    車路協同技術的應用,有可能改變駕駛人的駕駛行為特征。原來的駕駛行為是以人為中心的,現在并聯了自動感知、自動判斷,甚至自動控制的過程。從系統可靠性的角度來說,多個子系統并聯的系統可靠性高于其中的任何一個子系統的可靠性。但是這個結論有一個前提,這些子系統的可靠性是不變的。但車路協同技術的應用,有可能改變駕駛人的駕駛行為特征,從而引起駕駛人駕駛過程的安全可靠性發生變化,換句話說,由于引入了車路協同技術,圖1中駕駛人的駕駛行為特征與圖2或圖3中的駕駛人的駕駛行為特征不同。

     

    盡管目前對車路協同技術對駕駛行為的影響研究才剛剛開始,對車路協同技術對駕駛人在感知、判斷和操作各過程的影響還沒有明確的結論,但從現有研究可以看出,預警信息對駕駛人的駕駛行為的影響是不可忽視的,一方面預警信息有利于縮短駕駛人的判斷決策時間,另一方面駕駛人對車路協同人機交互信息的關注會導致注意力的分散。

     

    另一個值得關注的是,車路協同技術的發展有可能引起駕駛人的技術依賴,就像習慣了具有倒車輔助系統的駕駛人在駕駛沒有倒車輔助系統的汽車時容易觀察不足一樣。一旦形成技術依賴,有可能導致圖2和圖3中由于駕駛人習慣了依賴車路協同系統的感知與判斷,會導致駕駛人子系統的可靠性降低,就需要車路協同安全應用系統具有非常高的可靠性來保障汽車行駛安全可靠性。否則,圖2和圖3所示的系統安全可靠性有可能由于駕駛人子系統可靠性的降低而抵消車路協同安全應用系統帶來的安全性能提升優勢,甚至有可能使安全性降低。因此,車路協同安全技術全面應用之前,應確保該系統的可靠性高于駕駛人感知、判斷、操作的系統可靠性。

     

    盡管車路協同安全應用技術的研究取得了快速的發展,但目前,定位的精度和可靠性、通信系統的可靠性、控制系統的可靠性是否能滿足車路協同安全應用還有待進一步測試分析。也正因為如此,大量學者致力于車路協同技術中定位、通信和控制系統的研究,如 Jihua Huang 等研究了基于差分全球定位系統(DGPS)的定位和車輛間通信的檢測道路危險錯誤的性能影響,統計分析了特征的位置和軌跡預測誤差估計,并將模擬通信錯誤作為預測誤差的一部分來確定檢測車載導航系統質量;Roozbeh Kianfar 等提出了一種協同自適應巡航控制(CACC)設計架構,并作為地面協同控制駕駛(GCDC)的一部分,通過對不同的模塊進行了測試,來保證達到并能保證 GC-DC 要求的最大延遲水平;M. Sepulcre 等通過挑戰性的駕駛和通信條件下車車通信平臺的主動安全應用測試,結果表明安全應用可以在高速行駛正常使用,通信傳播沒有阻礙。但通信系統的可靠性還有待進一步檢驗,特別是在干擾環境下的通信可靠性。

     

    車路協同安全應用技術是解決交通安全問題的革命性技術,但在強調其對提升行車安全性能的同時,要重視該技術的應用對駕駛人的影響,并把這種影響對交通安全的影響作為車路協同安全技術研究的重要內容。

     

    4. 結束語

     

    2014 年 2 月 3 日,美國交通運輸部在發表對外聲明,決定推動車車通信技術在輕型車上應用,這標志著車路協同技術即將從實驗室走向應用市場。作為車路協同的重要組成部分,車車協同技術是繼安全帶、安全氣囊之后新一代安全技術。這對交通領域將是一個革命性的變化,車車協同技術的發展,將對道路交通協同的控制、管理、運用等各方面產生革命性的影響。

     

    作為智能交通的重要組成部分,車路協同對提高交通運輸系統的效率和安全性,實現交通系統的可持續性發展具有十分重要的意義。車路協同環境下,交通控制與交通誘導一體化將得以實現,道路資源合理分配并發揮更高效率??梢哉f車路協同技術走向全面應用只是時間的問題。但在車路協同安全應用技術走向全面應用之前,評估該技術對安全的影響,特別是如何最大限度地發揮其安全保障作用,是亟需開展的研究。

     

    2012年,美國在約 3000 輛車上安裝了車車通信系統開展大規模的車路協同應用測試,安全預警是該系統的主要組成部分,也是其重要的測試內容。通過這個項目的測試,車路協同安全預警系統如何影響駕駛行為還有待數據分析結果。

     

    就車路協同安全應用技術對駕駛人行為特性、如何最大化發揮其安全保障作用,下述研究將必不可少:

     

    ·  車路協同技術對注意力分配的影響:研究車路協同技術的應用對駕駛人的注意力分配帶來的影響,是否會造成駕駛人注意力過多分配到車路協同設備上從而影響駕駛安全;

    ·  車路協同技術對駕駛人判斷決策過程的影響:研究車路協同技術的應用給駕駛人判斷決策過程帶來的變化,是否會引起駕駛人決策時間延長從而影響駕駛安全;

    ·  駕駛人對車路協同技術的依賴及其對安全的影響:研究車路協同技術的應用造成駕駛人對設備的依賴,當設備出現故障時是否會引起交通安全隱患;

    ·  行車安全對車路協同系統可靠性的要求:研究車路協同系統出現故障時是否會對行車安全帶來影響,明確車路協同系統設備需要多高的可靠性水平才能保證事故風險水平低于目前水平;

    ·  面向安全的車路協同系統人機交互設計方法:研究車路協同系統人機交互方式的設計是否會引起駕駛人的駕駛行為改變會帶來哪些改變以及是否對駕駛安全造成影響。

     





     

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