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车路协同环境下驾驶行为特性与交通安全综述
发布时间:2018-07-20阅读次数:1392来源:上海经达信息科技股份有限公司

来源:厚势


随着车路协同技术的发展,车路协同安全应用的相关技术是否会影响驾驶人的感知、判断、操作等驾驶行为受到愈来愈多的关注。基于这样的背景,通过对国内外车路协同技术的当前研究进展进行综述,分析车路协同环境下驾驶行为的变化,从而得出在车路协同安全应用技术全面推广之前,应充分评估车路协同技术对驾驶人行为,以及驾驶安全可靠性的影响,特别是如何最大限度地发挥其安全保障作用。

本文来自 2014 年 10 月 20 日出版的《交通信息与安全》 ,作者是北京航空航天大学交通科学与工程学院、北京航空航天大学车路协同与安全控制北京市重点实验室鲁光泉教授和宋阳博士。本文虽然针对的是有人驾驶环境下的车路协同,但可较易地推广到无人驾驶场景。

 

引言

 

交通系统是一个典型的复杂系统,依靠传统的交通管理方式,难以应对当今日益复杂的交通拥堵,事故频发,环境污染等问题。随着计算机技术和信息技术的飞速发展,车路协同技术的出现为缓解交通拥堵,改善交通安全,提供了新的技术手段,并引发了管理理念上的革命性变化。

 

车路协同作为车车/车路通信基础上的高级应用,以提高道路安全为目标的同时,也为交通信息感知、交通服务和交通控制提供了新的思路。当前的智能交通技术正在从单个交通要素的智能化转向一体化发展,车路协同系统作为智能交通系统的重要子系统和新的发展方向,目前正受到国内外科研人员的广泛关注,车路协同是当前世界交通发达国家的研究热点。

 

车路协同相关技术的主要目标是提高交通安全水平,但是车路协同技术在努力提升交通安全水平的同时,也会对驾驶人的驾驶行为带来影响。在各类交通事故中,人的因素占很大比重,驾驶人行为已被世界公认为引发道路交通事故的主要因素。因此,对车路协同下的驾驶行为进行分析,探讨车路协同对驾驶行为的影响十分必要。

 

1.车路协同技术

 

1.1 车路协同系统概述

 

车路协同系统(cooperative vehicle infrastructure system)是基于先进的传感和无线通信等技术,实现车车、车路信息的实时动态交互,完成交通信息的采集和融合,从而保障复杂交通环境下车辆行驶安全,提高路网运行效率的新一代智能交通系统技术。

 

车路协同系统最主要的两个子系统是路侧单元和车载单元,各个交通组成单元通过路侧单元和车载单元,以有线或无线通信方式来实现车辆与车辆、车辆与路侧以及路侧与路侧之间的信息传输和共享。

 

路侧单元的主要功能是:收集路侧传感器检测到的各种信息(如交通流量、突发事件、密集人群、交叉口行人信息、道路异物侵入、路面湿滑状态),以无线短程通信的方式发送给车辆,以有线或无线通信的方式发送给其它路侧单元或管理中心;接收来自车载单元或其他路侧单元的信息。

 

车载单元的主要功能是:收集各类车载传感器采集到的信息(如定位、运动等)进行融合处理后发送给其它车载单元;接收来自其它车载单元的信息;接收来自路侧单元的信息;对接收到的信息和收集到的本车传感器信息进行融合处理,做出安全预警判断和车辆控制决策,以合适的交互方式向驾驶人提供信息,或向车辆控制单元发出控制指令。

 

1.2 车路协同技术的应用

 

车路协同技术的应用主要包括:安全应用、交通管理与服务应用。在车路协同的安全应用中主要由基于车车信息交互的安全应用和基于车路信息交互的安全应用。

 

基于车车信息交互的安全应用场景主要包括:基于车车协同的交叉口车辆避撞,基于信息交互的车辆跟驰,基于车车协同的车辆换道,基于车车协同的非正常占道预警,以及紧急制动电子制动灯预警等 5 种车车协同系统的典型应用。

 

·  基于车车协同的交叉口车辆避撞:在交叉口,通过车车信息交互,可以对路口的车车冲突状态进行预测和评估,实现冲突消解,避免碰撞;

·  基于信息交互的车辆跟驰:在同向同车道行驶中,通过车车信息交互,可以对跟驰中的车车冲突状态进行预测与评估,避免碰撞;

·  基于车车协同的车辆换道:在换道过程中,换道车辆通过感知周围车辆的状态,确定合适的换道时机,并通过无线通信,把换道信息传递给周围车辆,从而提高换道行驶安全性;

·  基于车车协同的非正常占道预警:车辆出故障或因其它原因发生非常的占道,事故车辆向一定区域内的驾驶车辆发送警告信息就可以避免不必要的碰撞;

·  紧急制动电子制动灯预警:当车辆在分离摩擦系数或者摩擦系数较低的路面行驶时,车辆容易发生打滑,驾驶人往往会采取紧急制动措施,但这对其他车辆容易造成碰撞事故。如果车辆自动给其他车辆发送警告信息,就可以避免事故发生。

 

对于不同的应用,对车辆运动状态信息采集、预警与控制模型和车辆运动状态控制的要求不同。基于车路信息交互的安全应用中,车辆主要以路侧单元发送的信息进行危险判断,进而对驾驶人的操作进行引导,或对车辆进行控制。

 

但无论是什么样的安全应用,对驾驶人的引导或预警是其中的重要一步,这必将对驾驶人的驾驶行为产生影响。同时,由于信息感知与决策判断的引入,导致汽车行驶过程中的人车路相互作用系统发生改变,这种改变会对驾驶过程安全可靠性产生影响,并间接影响到汽车行驶安全性。

 

2. 车路协同技术对驾驶安全的影响

 

驾驶行为是与驾驶人相关的各种处理操作的总称,典型的驾驶行为过程主要包括感知、判断和操作三个阶段。驾驶人首先在感知到周围环境信息的情况下,对得到的信息进行分析处理后做出相应判断,然后通过对车辆进行操作,改变车辆运动状态并达到驾驶操作目的。在整个过程当中,驾驶人是整个操作的核心,也是影响交通安全的主体。

 

2.1 对驾驶人行为的影响

 

车路协同环境对驾驶人的影响是多方面的,驾驶行为过程总体上可以分为感知、判断和操作三个阶段。其中,车路协同环境对驾驶行为的影响主要体现在前两个阶段。

 

感知阶段是后续各个阶段的基础,快速获得准确的信息是保障后续正确判断、准确操作的基础,影响驾驶人感知速度和准确程度的主要影响因素是注意力分配和信息负荷大小。林彩霞等通过对比分析使用导航系统、地图以及凭记忆驾驶 3 种情况的实验结果得到,在不同的情形下,驾驶人落在道路前方的注意力分别为:57%,78%,85%。这表明,在驾驶过程中使用导航设备,会导致行驶过程中更多注意力需要放在导航系统中,影响了驾驶人的注意力分配。根据Yerkes-Dodson 定理,得出在工作负荷增加时驾驶人疲劳和注意力缺失情况逐步减少,驾驶绩效逐渐提高;但是达到理想状态后,工作负荷增大会降低驾驶绩效,造成主动注意力分散和驾驶疲劳。

 

近年来,随着车路协同技术的快速发展,人们开始关注车路协同技术对驾驶行为的影响。

 

Haneen Farah 等研究表明在使用车路协同系统时,驾驶人的精神状态如眨眼频率、心跳频率等均表明驾驶人的紧张程度的感知会比不使用车路协同系统时低。相比与年轻人,车路协同系统对老年人的作用更大,它能够提高驾驶人的感知水平,缩短驾驶人的感知时间。Pengjun Zheng 和 Mike McDonald提出自适应巡航系统能够通过雷达、摄像头等能在车辆行驶过程中主动收集周围环境变化信息,提高驾驶人的态势感知能力并减少焦虑。

 

Karel A. Brookhuis 等提出了先进的驾驶辅助系统能够有效减少甚至消除驾驶人的失误,显著减少人员伤亡、经济损失和环境污染,同时增加道路容量。先进的驾驶辅助系统通过为驾驶人提供驾驶相关的建议、指导和警告,能有效减少驾驶人的反应时间,在车路协同系统持续工作的情况下,驾驶人的反应时间可以减少到 1s。但 Heejin Kim 等提出,驾驶人在行车途中如果操作车载信息系统(如车载导航或者车载多媒体系统),会造成对驾驶操作的延迟,研究表明对不同的行驶速度延迟时间不同,车速为 50的延迟为 5.7s,车速为 100 km/h 的延迟为 7.9s。

 

尽管现在还没有明确的结论表明车路协同技术对驾驶行为会产生什么样的影响,但相关研究领域的结果可以为分析车路协同对注意力的影响提供借鉴。无论是基于车车信息交互的安全应用还是基于车路协同的安全应用,人机交互是其中一个重要的环节。车载单元要通过人机交互方式,把安全判断的结果告诉驾驶人。这种人机交互方式可以是语音,也可以是图像,还可能两者都结合在一起。但无论是哪一种方式,都会导致驾驶人注意的重新分配。因此,在进行车路协同安全应用设计时,合理的人机交互模式是使驾驶人分配给人机交互系统的注意力最小。

 

2.2 对行驶安全可靠性的影响

 

传统的驾驶行为主要由以驾驶人为核心的感知、判断和操作过程构成一个闭环的控制系统。从系统可靠性的角度看,表述为分别由感知、判断和操作三个子系统串联的系统,见图1。


车路协同技术的安全应用,改变了汽车的驾驶过程。车路协同技术安全应用可以分为两类:一类是以预警为目的的安全辅助系统,见图2;另一类以自动控制为目的的安全辅助系统,见图3。正如 Haneen Farah 等的研究结果所表明的那样,在使用车路协同系统时,驾驶人的精神状态如眨眼频率、心跳频率等均表明驾驶人的紧张程度的感知会比不使用车路协同系统时低。相比与年轻人,车路协同系统对老年人的作用更大,它能够提高驾驶人的感知水平,缩短驾驶人的感知时间。

从系统可靠性的角度看,以预警为目的的安全辅助系统可以认为是在感知阶段与驾驶人的感知并联了一个自动感知系统。该系统的并入,能够提高驾驶人的感知水平,缩短驾驶人的感知时间。另一方面,车车/车路协同在感知的基础上还进行危险的判断与预警。尽管该系统判断和预警的结果还需要驾驶人在此基础上做出决策,但也会有效缩短驾驶人的判断决策时间。对于并联系统,系统的可靠性要高于其单个的子系统可靠性。因此从一定意义上说,以预警为目的的车路协同安全应用系统的引入,可以提高感知过程的可靠性。

与以预警为目的的安全辅助系统不同的是,具有自动控制功能的安全辅助控制系统在对车辆的安全状态进行判断后,不但给驾驶人预警信息,还在必要的情况下向车辆的自动控制机构(如制动控制机构、加速控制机构)发出自动控制指令,见图3。从系统可靠性的角度出发,该系统不但在驾驶人控制系统的基础上在感知环节并联了自动感知子系统,还在操作阶段并联了自动控制子系统。正如前面论述的一样,在各个子系统可靠性不变的情况下,整个系统的可靠性会有所提高,因此车路协同技术的引入,应该可以提升行车过程的安全可靠性。

 

3. 车路协同对交通安全的影响

 

车路协同使得驾驶人可以获得丰富的外部信息,甚至是看不到的信息。通过车路协同系统,可以帮助驾驶人更快地作出决策判断,有利于提高驾驶安全性。然而这种结论是在现有驾驶人行为特征的情况下得出的,在车路协同技术的安全应用广泛使用之后,这样的结论并不一定准确。

 

车路协同技术的应用,有可能改变驾驶人的驾驶行为特征。原来的驾驶行为是以人为中心的,现在并联了自动感知、自动判断,甚至自动控制的过程。从系统可靠性的角度来说,多个子系统并联的系统可靠性高于其中的任何一个子系统的可靠性。但是这个结论有一个前提,这些子系统的可靠性是不变的。但车路协同技术的应用,有可能改变驾驶人的驾驶行为特征,从而引起驾驶人驾驶过程的安全可靠性发生变化,换句话说,由于引入了车路协同技术,图1中驾驶人的驾驶行为特征与图2或图3中的驾驶人的驾驶行为特征不同。

 

尽管目前对车路协同技术对驾驶行为的影响研究才刚刚开始,对车路协同技术对驾驶人在感知、判断和操作各过程的影响还没有明确的结论,但从现有研究可以看出,预警信息对驾驶人的驾驶行为的影响是不可忽视的,一方面预警信息有利于缩短驾驶人的判断决策时间,另一方面驾驶人对车路协同人机交互信息的关注会导致注意力的分散。

 

另一个值得关注的是,车路协同技术的发展有可能引起驾驶人的技术依赖,就像习惯了具有倒车辅助系统的驾驶人在驾驶没有倒车辅助系统的汽车时容易观察不足一样。一旦形成技术依赖,有可能导致图2和图3中由于驾驶人习惯了依赖车路协同系统的感知与判断,会导致驾驶人子系统的可靠性降低,就需要车路协同安全应用系统具有非常高的可靠性来保障汽车行驶安全可靠性。否则,图2和图3所示的系统安全可靠性有可能由于驾驶人子系统可靠性的降低而抵消车路协同安全应用系统带来的安全性能提升优势,甚至有可能使安全性降低。因此,车路协同安全技术全面应用之前,应确保该系统的可靠性高于驾驶人感知、判断、操作的系统可靠性。

 

尽管车路协同安全应用技术的研究取得了快速的发展,但目前,定位的精度和可靠性、通信系统的可靠性、控制系统的可靠性是否能满足车路协同安全应用还有待进一步测试分析。也正因为如此,大量学者致力于车路协同技术中定位、通信和控制系统的研究,如 Jihua Huang 等研究了基于差分全球定位系统(DGPS)的定位和车辆间通信的检测道路危险错误的性能影响,统计分析了特征的位置和轨迹预测误差估计,并将模拟通信错误作为预测误差的一部分来确定检测车载导航系统质量;Roozbeh Kianfar 等提出了一种协同自适应巡航控制(CACC)设计架构,并作为地面协同控制驾驶(GCDC)的一部分,通过对不同的模块进行了测试,来保证达到并能保证 GC-DC 要求的最大延迟水平;M. Sepulcre 等通过挑战性的驾驶和通信条件下车车通信平台的主动安全应用测试,结果表明安全应用可以在高速行驶正常使用,通信传播没有阻碍。但通信系统的可靠性还有待进一步检验,特别是在干扰环境下的通信可靠性。

 

车路协同安全应用技术是解决交通安全问题的革命性技术,但在强调其对提升行车安全性能的同时,要重视该技术的应用对驾驶人的影响,并把这种影响对交通安全的影响作为车路协同安全技术研究的重要内容。

 

4. 结束语

 

2014 年 2 月 3 日,美国交通运输部在发表对外声明,决定推动车车通信技术在轻型车上应用,这标志着车路协同技术即将从实验室走向应用市场。作为车路协同的重要组成部分,车车协同技术是继安全带、安全气囊之后新一代安全技术。这对交通领域将是一个革命性的变化,车车协同技术的发展,将对道路交通协同的控制、管理、运用等各方面产生革命性的影响。

 

作为智能交通的重要组成部分,车路协同对提高交通运输系统的效率和安全性,实现交通系统的可持续性发展具有十分重要的意义。车路协同环境下,交通控制与交通诱导一体化将得以实现,道路资源合理分配并发挥更高效率。可以说车路协同技术走向全面应用只是时间的问题。但在车路协同安全应用技术走向全面应用之前,评估该技术对安全的影响,特别是如何最大限度地发挥其安全保障作用,是亟需开展的研究。

 

2012年,美国在约 3000 辆车上安装了车车通信系统开展大规模的车路协同应用测试,安全预警是该系统的主要组成部分,也是其重要的测试内容。通过这个项目的测试,车路协同安全预警系统如何影响驾驶行为还有待数据分析结果。

 

就车路协同安全应用技术对驾驶人行为特性、如何最大化发挥其安全保障作用,下述研究将必不可少:

 

·  车路协同技术对注意力分配的影响:研究车路协同技术的应用对驾驶人的注意力分配带来的影响,是否会造成驾驶人注意力过多分配到车路协同设备上从而影响驾驶安全;

·  车路协同技术对驾驶人判断决策过程的影响:研究车路协同技术的应用给驾驶人判断决策过程带来的变化,是否会引起驾驶人决策时间延长从而影响驾驶安全;

·  驾驶人对车路协同技术的依赖及其对安全的影响:研究车路协同技术的应用造成驾驶人对设备的依赖,当设备出现故障时是否会引起交通安全隐患;

·  行车安全对车路协同系统可靠性的要求:研究车路协同系统出现故障时是否会对行车安全带来影响,明确车路协同系统设备需要多高的可靠性水平才能保证事故风险水平低于目前水平;

·  面向安全的车路协同系统人机交互设计方法:研究车路协同系统人机交互方式的设计是否会引起驾驶人的驾驶行为改变会带来哪些改变以及是否对驾驶安全造成影响。