張興儉，趙曉華

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院，北京 100124)

1 問題的提出

1.1 我國交通安全形勢嚴(yán)峻

進(jìn)入2000年以來，我國道路交通運輸行業(yè)迅猛發(fā)展，機(jī)動車保有量持續(xù)大幅度增加，年平均增長率達(dá)到13%［1］.截至2011年底，全國機(jī)動車保有量達(dá)到2.25億輛.但隨著交通行業(yè)的發(fā)展，交通安全問題呈現(xiàn)出嚴(yán)峻的態(tài)勢.據(jù)2010年官方統(tǒng)計，全國共發(fā)生道路交通事故約22萬起，造成6.5萬人死亡、25.4萬人受傷，萬·車死亡率達(dá)到2.9.我國仍是世界上交通安全問題最為嚴(yán)峻的國家之一［2］.

1.2 人因失誤是交通事故重要原因

道路交通系統(tǒng)是由“人－車－路－環(huán)境”構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng).交通安全需要交通系統(tǒng)中各個要素之間的相互協(xié)調(diào)才能得以保證.道路交通事故的發(fā)生從根本上講是道路交通系統(tǒng)中的要素失去平衡造成的.我國交通事故統(tǒng)計表明，在造成交通事故的諸多要素中，人的因素達(dá)到80%以上［3］.在國外，駕駛?cè)耸д`同樣是交通事故最重要的原因［4］.駕駛?cè)说男熊囀恰案兄獩Q策—操作”的駕駛過程，人因失誤則主要表現(xiàn)在感知失誤、判斷決策失誤、反應(yīng)操作失誤3個方面.研究表明，在由駕駛?cè)嗽斐傻牡缆方煌ㄊ鹿手?，由于感知失誤引起的事故占48.1%;判斷決策失誤引起的事故占36.0%;反應(yīng)操作失誤引起的事故占7.8%;其他的占8.1%［5］.

1.3 人因因素組成

人因失誤是上述因素的綜合作用，出現(xiàn)人因失誤時，便會導(dǎo)致“人－車－路－環(huán)境”系統(tǒng)的失衡，主要表現(xiàn)在出現(xiàn)不相符的駕駛行為，并可能導(dǎo)致交通事故.不當(dāng)?shù)鸟{駛行為只是表象，各種人因因素則是導(dǎo)致這種表象的內(nèi)在原因.因此，深入分析人因因素特征與交通安全的關(guān)系，探索其影響機(jī)理是解決交通安全問題的突破口.

1.4 人因因素研究平臺不足

雖然基于人因因素的交通安全研究備受關(guān)注，但目前并未得到深入而系統(tǒng)的研究.究其原因，主要在于缺乏可靠和完善的研究平臺和實驗條件.目前在駕駛?cè)巳艘蛞蛩匮芯恐械闹匾问邱{駛模擬技術(shù).但是駕駛模擬器僅為駕駛員提供了一種虛擬駕駛體驗，主要采集了駕駛員駕駛行為數(shù)據(jù)和車輛數(shù)據(jù)等外在表象特征，這對于支持人因因素的相關(guān)研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.

因此，我們以駕駛模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各種人因因素指標(biāo)測試技術(shù)和方法，搭建了完善的人因因素研究綜合實驗平臺.運用該平臺能獲取駕駛?cè)烁鞣N人因因素參數(shù)以及駕駛參數(shù)，不僅支持人因因素對駕駛行為及交通安全的影響特征研究，而且有利于分析其影響機(jī)理及內(nèi)在致因，從而進(jìn)一步支持交通安全相關(guān)研究，為交通安全研究水平的提升奠定基礎(chǔ).

2 駕駛模擬技術(shù)

2.1 駕駛模擬系統(tǒng)簡介

駕駛模擬技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個重要方面.駕駛模擬系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)營造一個虛擬的駕駛訓(xùn)練環(huán)境，用戶通過操作模擬器與虛擬的環(huán)境進(jìn)行交互，完成模擬駕駛.駕駛模擬系統(tǒng)由動力學(xué)仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、聲頻仿真系統(tǒng)、運行操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)組成［7］.用戶在駕駛艙操作駕駛模擬器時，計算機(jī)實時產(chǎn)生行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動感覺，實現(xiàn)操作與環(huán)境的交互，使用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，達(dá)到模擬駕駛的目的.

駕駛模擬器作為實驗平臺，能以一定的頻率記錄車輛運行狀態(tài)特征如速度、加速度、橫向車道位置等以及駕駛員操作特征，包括油門、制動、轉(zhuǎn)向盤等，同時還能記錄附近其他車輛信息.

2.2 駕駛模擬器在交通中的應(yīng)用

駕駛模擬技術(shù)作為一種研究工具.其優(yōu)點主要表現(xiàn)在便捷性好、安全性高、影響因素易于控制、易于數(shù)據(jù)檢測、成本低及效率高等方面［7］.因此，一些研究部門就針對所要研究的內(nèi)容開發(fā)了自己的駕駛模擬器，應(yīng)用于“人－車－路－環(huán)境”系統(tǒng)的研究.目前，汽車駕駛模擬器的仿真程度逐步提高，應(yīng)用越來越廣泛，幾乎涉及交通系統(tǒng)的每個方面.

駕駛模擬器所能獲得數(shù)據(jù)主要為駕駛?cè)说鸟{駛行為特征，主要以人為核心，分析包括車輛設(shè)置、道路特征、環(huán)境特征及駕駛?cè)藸顟B(tài)等不同因素對駕駛?cè)笋{駛行為特征的影響，研究人與其他因素相互作用的機(jī)制，進(jìn)而指導(dǎo)各因素的設(shè)置或控制.但是，這種研究只能停留在對駕駛?cè)送庠诒憩F(xiàn)，即駕駛行為的研究方面，無法支持更為深入的剖析各因素對駕駛?cè)说淖饔脵C(jī)理.

傳感器是空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備，其主要功能是檢測測量參數(shù)的變化并發(fā)出相應(yīng)的信號。傳感器有以下幾種主要類型：

3 駕駛模擬綜合實驗平臺的搭建

在駕駛?cè)说难芯恐?，駕駛行為僅是駕駛?cè)说囊环N表現(xiàn)特征.期望分析產(chǎn)生這種駕駛行為的機(jī)理和原因，還需要集成其他各項人因因素，如駕駛?cè)藗€性、心理、態(tài)度、狀態(tài)等方面的特征，進(jìn)而獲得其他各種因素對人的作用機(jī)理及內(nèi)在聯(lián)系.駕駛模擬器為研究者提供了虛擬駕駛和駕駛行為數(shù)據(jù)采集功能，但缺乏這些人因因素參數(shù)的采集能力.因此，需要基于駕駛模擬器搭建綜合實驗平臺，實現(xiàn)采集駕駛行為數(shù)據(jù)的同時，獲得各種人因因素特征參數(shù)，明確這些駕駛行為產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理和駕駛?cè)诵睦頇C(jī)制，為分析交通系統(tǒng)中車、路、環(huán)境對人的作用機(jī)理奠定基礎(chǔ).

3.1 綜合實驗平臺功能設(shè)計

按照人因因素的組成類型及測試方法的不同，圍繞駕駛模擬器搭建的綜合實驗平臺要能采集駕駛?cè)藗€性特征、靜態(tài)特征、動態(tài)駕駛特征參數(shù).因此，基于駕駛模擬器并結(jié)合各種人因因素參數(shù)測試儀器及方法，設(shè)計搭建的綜合實驗平臺所能采集的相關(guān)參數(shù)如圖1所示.

圖1 綜合實驗平臺采集參數(shù)

駕駛?cè)藗€性特征是生理因素和心理因素的結(jié)合，是確定駕駛?cè)祟愋偷闹匾獏?shù).駕駛?cè)嘶拘畔⒓八吡?xí)慣用調(diào)查問卷直接獲得;人格特征則用艾森克人格問卷(EPQ)進(jìn)行調(diào)查;駕駛習(xí)慣特征依然通過問卷調(diào)查獲得，反應(yīng)駕駛?cè)似綍r習(xí)慣的駕駛傾向.場依存性是指駕駛?cè)霜毩⑿蕴卣?，與場獨立性相對，即依賴環(huán)境進(jìn)行決策的傾向性程度，該參數(shù)通過棒框測試確定.

靜態(tài)特征是相對于動態(tài)而言的，是指駕駛?cè)嗽跓o任何活動時的基本特征，也稱為駕駛適應(yīng)性特征.它是職業(yè)適應(yīng)性的一種，是指駕駛?cè)税踩?、有效地駕駛車輛所須具備的心理、生理素質(zhì)要求，其檢測主要是從心理、生理和人機(jī)工程學(xué)等方面展開［8］.靜態(tài)特征參數(shù)能反映駕駛?cè)说臓顟B(tài)特征和駕駛能力.這些參數(shù)主要運用三聯(lián)公司駕駛適應(yīng)性檢測系統(tǒng)采集［9］，執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB18463《機(jī)動車駕駛員身體條件及其測評要求》.

動態(tài)特征主要指駕駛?cè)嗽隈{駛過程中各參數(shù)時序變化特征.動態(tài)特征直接反應(yīng)駕駛過程中駕駛?cè)藢崟r變化情況，是人因因素研究的關(guān)鍵點.在由“感知—決策—操作”組成的駕駛過程中，眼動、心電、腦電和操作特征是其重要指標(biāo).綜合實驗平臺中配置了眼動儀、心電儀和腦電儀，與駕駛模擬器相結(jié)合實現(xiàn)了動態(tài)參數(shù)的采集.眼動儀包括非接觸式眼動儀和頭盔式眼動儀，前者測試眼睛閉合及面部特征，獲得P80數(shù)據(jù)，后者得到駕駛過程注視點特征;心電儀主要測試心跳特征;腦電儀測試大腦各部位的腦電反應(yīng)特征［10］.

3.2 綜合實驗平臺搭建技術(shù)

面向人因因素研究的駕駛模擬綜合實驗平臺，以駕駛模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，以獲取各方面人因因素指標(biāo)為主要目的，為人因因素相關(guān)研究，駕駛?cè)耸芨饕蛩赜绊懙臋C(jī)理分析提供支撐平臺和技術(shù)服務(wù).綜合實驗平臺的搭建技術(shù)從功能層次上應(yīng)包括被試篩選層、數(shù)據(jù)檢測層、數(shù)據(jù)參數(shù)層、技術(shù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層，平臺構(gòu)成如圖2所示.

圖2 綜合實驗平臺技術(shù)構(gòu)成

4 綜合實驗平臺應(yīng)用

4.1 一般應(yīng)用流程

駕駛模擬綜合實驗平臺是一套綜合的研究工具，在人因因素研究中，需要遵循嚴(yán)格的應(yīng)用流程，一般使用的基本流程如圖3所示.

在應(yīng)用中，首先需要明確研究目的及方法，確定需要采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)和虛擬駕駛場景特征.其次，根據(jù)研究設(shè)計選用測試儀器和測試方法，并設(shè)計開發(fā)虛擬駕駛環(huán)境，設(shè)計內(nèi)容包括道路線形、道路屬性、道路景觀以及事件設(shè)計等.各項工作和設(shè)備準(zhǔn)備好后，即可依據(jù)設(shè)計流程安排被試駕駛?cè)诉M(jìn)行駕駛實驗，收集期望參數(shù)數(shù)據(jù).

4.2 應(yīng)用舉例

以疲勞駕駛為例，疲勞是一種典型的危險駕駛狀態(tài).通過駕駛模擬器，可獲得駕駛?cè)似跁r的駕駛行為數(shù)據(jù)，但是，同時需要明確疲勞是如何影響這些行為以及從哪些角度造成影響的，以確定疲勞對駕駛?cè)说挠绊懱卣骱蜋C(jī)理.因此，依托駕駛模擬綜合實驗平臺對招募到的25名駕駛?cè)诉M(jìn)行實驗測試，分析疲勞狀態(tài)下各參數(shù)的變化特征，并分析疲勞影響機(jī)理.測試內(nèi)容包括基本信息、睡眠習(xí)慣及駕駛習(xí)慣調(diào)查;正常及疲勞狀態(tài)下的靜態(tài)特征;開發(fā)完成高速路虛擬場景40 km，駕駛?cè)嗽诹璩?:00進(jìn)行疲勞模擬駕駛，采集心電、腦電、眼睛閉合、駕駛行為及面部特征數(shù)據(jù).

圖3 綜合實驗平臺應(yīng)用流程

通過實驗測試，獲得了各種實驗數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)并分析得到疲勞狀態(tài)下的各參數(shù)變化特征.主要結(jié)論如下:

1)疲勞時心率下降，血壓下降，光刺激反應(yīng)時間和音刺激反應(yīng)時間明顯增長;

2)隨著疲勞程度的增加，心率呈現(xiàn)下降趨勢，心臟搏動間期均值和標(biāo)準(zhǔn)差均呈上升趨勢;

3)疲勞程度的變化與腦電中的δ、θ、α、β四項波段具有較高的相關(guān)性;

4)疲勞時駕駛?cè)说难劬﹂]合比例顯著升高，P80隨著疲勞程度的加深呈上升趨勢，即閉眼比例增高;

5)疲勞時車輛運行距離車道中心線距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差顯著增大，駕駛?cè)瞬僮鬓D(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角均值和標(biāo)準(zhǔn)差均比正常偏大.

6)疲勞駕駛行為的影響機(jī)理為:疲勞首先影響駕駛?cè)松硖卣鳎湫捅憩F(xiàn)為心率下降，使駕駛?cè)松眢w機(jī)能和反應(yīng)能力變慢或某瞬間失去意識，然后導(dǎo)致駕駛行為表現(xiàn)特征的變化，主要表現(xiàn)為駕駛判斷的滯后性，進(jìn)而危險性提高.

在疲勞特征分析中，綜合實驗平臺全面支持了各因素數(shù)據(jù)采集，使研究者能進(jìn)行各因素特征分析以及人因因素影響機(jī)理研究.這對于檢測和預(yù)防疲勞駕駛，改善交通安全十分重要.該平臺能采集豐富的數(shù)據(jù)，既便于實驗工作的開展，又高效利用了實驗資源，展現(xiàn)出綜合實驗平臺支持人因因素研究的巨大潛力.

5 結(jié)束語

總結(jié)了與交通安全相關(guān)的駕駛?cè)巳艘蛞蛩馗黜椫笜?biāo)，說明了單獨駕駛模擬器在研究中的缺陷及深入研究所需要的條件，基于此搭建了面向人因因素研究的駕駛模擬綜合實驗平臺，介紹了各項指標(biāo)的檢測方法，提出了應(yīng)用綜合平臺進(jìn)行研究的基本流程，并舉例說明了該平臺的應(yīng)用優(yōu)勢.駕駛模擬綜合實驗平臺在全面的人因因素研究方面發(fā)揮了重要的支撐作用，搭建該平臺對于推進(jìn)人因因素與交通安全相關(guān)研究水平是很有必要性.

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