駕駛員接管自動駕駛車輛研究進展

　　摘要:為全面認識自動駕駛接管行為特征，分析駕駛員接管行為，結(jié)合自動駕駛接管的技術(shù)和現(xiàn)實背景，從自動駕駛接管績效的影響因素，包括場景、技術(shù)、心理和生理等因素，梳理國內(nèi)外駕駛員接管自動駕駛車輛的研究成果，總結(jié)主要研究內(nèi)容和方法，并展望其未來研究趨勢.通過歸納和分析揭示了影響駕駛員接管自動車輛的因素，主要包括接管場景和接管請求方式，同時非駕駛相關(guān)任務(wù)和年齡等因素也會影響駕駛員的接管行為和表現(xiàn).針對駕駛員接管的駕駛特征及行為研究，內(nèi)容精確豐富，方法科學(xué)完善;而對駕駛員接管績效評價和干預(yù)研究，重點關(guān)注在統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)上，建立完善的數(shù)據(jù)指標(biāo)評價體系，用于評價和干預(yù)駕駛員接管績效.未來針對自動駕駛接管的研究，一方面尋求自動車輛技術(shù)突破;另一方面綜合心理學(xué)和統(tǒng)計學(xué)理論基礎(chǔ)，建立駕駛員接管能力培訓(xùn)體系.

　　關(guān)鍵詞:自動駕駛;行為特性;接管績效;評價指標(biāo)

　　0引言

　　隨著自動駕駛技術(shù)發(fā)展的推進，相關(guān)企業(yè)也開展了自動車輛道路實車試驗，盡管研究人員認為自動車輛可能是解決碰撞事故的關(guān)鍵[1]，然而不成熟的自動駕駛技術(shù)在自然交通環(huán)境中也會引發(fā)交通事故，其中很重要的原因是現(xiàn)階段自動駕駛系統(tǒng)并不安全和可靠[2].自動車輛仍需要駕駛員時刻監(jiān)管路面和自動系統(tǒng)，并隨時接管車輛掌握駕駛控制權(quán)，駕駛員主動或者被動的接管車輛一定程度上能夠降低自動駕駛模式下事故發(fā)生率.相關(guān)學(xué)者對于自動駕駛接管進行了一系列探索性的研究，主要包括探究高效的接管請求方式，探索駕駛員接管的影響因素，以及提升駕駛員的接管績效.但是，自動駕駛技術(shù)的發(fā)展存在局限性和倫理性問題，因此，總結(jié)分析當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于自動駕駛接管行為的研究熱點，重點闡述現(xiàn)有的研究成果，并分析其發(fā)展趨勢，為自動駕駛接管進一步擴展研究提供依據(jù)與參考.

　　1自動駕駛接管的相關(guān)概念

　　早在1992年，Hancock等[3]認為人類在車輛完全自動化前扮演著重要角色，市場中具備橫向自動控制或者縱向自動控制功能的車輛眾多，這些車輛已經(jīng)達到美國機動車工程師學(xué)會(SocietyofAutomotiveEngineers，SAE)2018年的自動車輛標(biāo)準(zhǔn)中駕駛輔助系統(tǒng)的級別(PartialDrivingAutomation，L1)更高級別的自動車輛也逐漸進入人們視野.根據(jù)SAE于2018年更新的自動車輛標(biāo)準(zhǔn)[4]，將自動車輛劃分為6個等級，其中2/3級自動車輛處于自動駕駛模式時，駕駛員需要作為應(yīng)對突發(fā)狀況的備用人員，4級自動車輛面臨超過駕駛設(shè)計域時需要駕駛員接管車輛.

　　具體的，2級(partialdrivingautomation)與3級(conGditionaldrivingautomation)自動車輛的重要區(qū)別在于，前者要求駕駛員監(jiān)控自動車輛和路面(2級，監(jiān)控和接管)，后者允許駕駛員參與非駕駛相關(guān)任務(wù)，自動系統(tǒng)僅是期望駕駛員能及時響應(yīng)接管請求(3級，接管).Boelhouwer等[5]的研究將自動駕駛接管定義為在特定的交通狀況下自動駕駛，但是，當(dāng)自動車輛面臨特殊場景時，駕駛員必須接管車輛控制權(quán)[6].自動駕駛接管行為主要發(fā)生在2/3級自動車輛[7]，當(dāng)自動系統(tǒng)無法處理某些狀況時，駕駛員必須在安全的時間內(nèi)接管車輛控制權(quán)，即接管時間(駕駛員接管車輛控制權(quán)所需的時間)，接管時間是衡量接管績效的重要指標(biāo).綜上所述，將自動車輛接管定義為:2/3級自動車輛在自動駕駛模式下，自動系統(tǒng)面臨難以應(yīng)對的狀況時，發(fā)出接管請求，駕駛員在安全時間內(nèi)接管車輛控制權(quán).全文將遵從定義總結(jié)自動駕駛接管的相關(guān)研究進展.

　　2自動駕駛接管績效的影響因素

　　駕駛場景多樣化、復(fù)雜化對于自動駕駛技術(shù)是一項重大的挑戰(zhàn)，場景模擬測試是評估自動駕駛技術(shù)發(fā)展水平的重要手段[8].SAE2018定義的自動駕駛標(biāo)準(zhǔn)中對于自動系統(tǒng)運行范圍定義為:特定的駕駛操作設(shè)計域(operationaldesigndomain，ODD)，依此定義接管場景為:自動駕駛時遇到超出ODD以外的駕駛場景，例如，前方施工路段、惡劣的天氣氣候或者緊急的交通事故[9]，接管場景不同也會影響駕駛員的接管績效，此外自動駕駛接管的影響因素眾多，因此，從以下幾個方面介紹自動駕駛接管的影響因素.

　　2.1接管請求與自動駕駛接管

　　在研究自動駕駛接管績效的影響因素中，接管請求一直受到廣泛的關(guān)注[10G16].接管請求影響了駕駛員接管車輛控制權(quán)的績效[10]，眾多學(xué)者在研究自動駕駛的接管請求時，圍繞不同的接管請求方式開展了大量研究.相關(guān)研究表明，語音接管請求是一種有效的接管請求方式[11]，BazilinGskyy等[12]進行了大樣本量的公眾調(diào)查，調(diào)查選取了140種不同語速、語調(diào)和情緒的語音接管請求，研究發(fā)現(xiàn)，提升語速和特殊口頭短語(例如，“立即接管”)會使駕駛員感覺更加緊迫，相反地，語音播報員的性別和情緒對駕駛員沒有影響.

　　另外的研究還發(fā)現(xiàn)，觸覺震動不需要駕駛員集中注意力就可以獲取信息[13]，也是一種具有優(yōu)勢的接管請求方式，Petermeijer等[14]不僅驗證了觸覺震動信號是有效的接管請求方式，而且試圖通過不同方向的振動警示駕駛員危險來源的方位，但是結(jié)果表明，振動方向不能提示風(fēng)險來源.更進一步地，F(xiàn)orster等[15]考慮了混合接管請求方式，研究表明，聽覺和視覺的組合比單一(聽覺或視覺)接管請求更有效.Yoon等[16]在前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計了視覺①聽覺;②震動;③混合(1+2，1+3，2+3，1+2+3)共計7種請求方式，研究表明，僅有視覺接管請求時駕駛員接管時間最長，駕駛員滿意度較高的均是包含聽覺警報的混合請求方式(1+2，2+3，1+2+3).綜上所述，視覺、聽覺和觸覺請求方式都能有效地提升駕駛員接管績效，視覺請求方式由于駕駛員需要集中注意力，所以通常與其他方式組合研究.然而，目前針對接管請求的研究，絕大多數(shù)只是分析了基于視覺、聽覺和觸覺等接管請求方式的有效性和差異性，研究結(jié)論過于單一，無法對自動駕駛接管績效起到實質(zhì)性的提升，因此，在研究分析接管請求方式時，應(yīng)該綜合考慮接管請求和其他因素，設(shè)計基本理論結(jié)構(gòu)框架，循序漸進的完善接管請求模式，減少駕駛員信息接收負荷，既可有效地提升駕駛員接管績效，同時又能協(xié)助駕駛員識別危險來源.

　　2.2駕駛員年齡與自動駕駛接管

　　人們期望自動車輛能解決一些的交通難題，其中包括專為老年人提供服務(wù)[17]，然而，研究表明，駕駛員隨著年齡的增長駕駛能力逐漸衰弱[18G19]，伴隨著情景意識水平降低[19]，同時更容易卷入致命的碰撞事故[20].當(dāng)前自動車輛要求駕駛員能夠及時響應(yīng)接管請求，因此，研究人員針對年齡作為自動駕駛接管的影響因素開展了相關(guān)研究.在接管時間方面，Petermann等[21]的研究表明年輕駕駛員組(25~35歲)和年長駕駛員(50~70歲)組都能從容地接管車輛，結(jié)論是年齡對于接管時間并無顯著影響.其他研究證明了這一觀點，Körber等[22]通過模擬器實驗比較年輕駕駛員組(≤28歲)與老年駕駛員組(≥60歲)的接管能力，結(jié)果證明，老年駕駛員的接管速度與年輕駕駛員相同，但是，接管操作方面存在差異，老年駕駛員會更頻繁地制動保持足夠的安全距離(距離前方障礙物)，表現(xiàn)比年輕駕駛員更加安全.Miller等[23]的研究評估了3組駕駛員(年輕人、成年人和老年人)接管車輛的表現(xiàn)，實驗中駕駛員完成以下任務(wù):看電影，看文章，監(jiān)督自動系統(tǒng)，分析結(jié)果驗證了年齡在接管操作方面有顯著差異，具體表現(xiàn)為老年駕駛員難以聽從指令、理解任務(wù)困難和記憶能力較差.

　　此外，年齡對參與非駕駛相關(guān)任務(wù)也有影響，Hallie等[24]研究通過模擬器實驗觀測青年駕駛?cè)?18~35歲)和老年駕駛?cè)?62~81歲)非駕駛?cè)蝿?wù)參與情況，結(jié)果表明，老年駕駛員傾向于交談，青年駕駛員則傾向于使用電子設(shè)備，同時2組駕駛員在2次接管請求之間的駕駛性能也存在顯著差異.總的來說，年齡對于自動駕駛接管的影響主要體現(xiàn)在駕駛操作，接管反應(yīng)時間方面則沒有顯著的區(qū)別.但是，在駕駛員年齡因素與自動駕駛接管的研究中，年齡段劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，年齡因素對于接管績效的影響沒有統(tǒng)一的觀點，因此，研究結(jié)論在老年駕駛員駕駛自動車輛方面難以提供實質(zhì)性的指導(dǎo)和建議.

　　2.3非駕駛相關(guān)任務(wù)(次要任務(wù))與自動駕駛接管

　　SAE規(guī)定的3級以上自動車輛中，駕駛員允許參與非駕駛相關(guān)任務(wù).此外，研究者發(fā)現(xiàn)部分自動化車輛(SAE，2級)中駕駛員也傾向于參與非駕駛相關(guān)任務(wù)，例如，喝咖啡，發(fā)短信和玩手機等[25G26].研究表明，參與非駕駛相關(guān)任務(wù)對駕駛?cè)擞欣�有弊，�?yōu)點在于減輕困倦[27];缺點則體現(xiàn)在干擾注意力和影響接管績效[28].研究人員針對非駕駛相關(guān)任務(wù)與自動駕駛接管的影響進行了一系列探索，Dogan等[29]開展了一項駕駛模擬器實驗，結(jié)果表明，非駕駛相關(guān)任務(wù)導(dǎo)致駕駛員反應(yīng)能力下降，增加了接管時間，但是在車輛橫向控制和交通環(huán)境監(jiān)控方面沒有影響.魯光泉等[30]探究了非駕駛相關(guān)任務(wù)(視覺任務(wù))對年輕駕駛員的影響，研究表明，年輕駕駛員參與視覺非駕駛相關(guān)任務(wù)時會顯著增加接管時間.

　　但是，其他研究在接管時間方面得出了相反的結(jié)論，F(xiàn)rederik等[31]分別探究了部分自動化和高度自動化車輛中，非駕駛相關(guān)任務(wù)對接管性能的影響，結(jié)果表明，前者會降低接管時間，非駕駛相關(guān)任務(wù)有助于駕駛員在自動駕駛時保持警覺性;高度自動化車輛中非駕駛相關(guān)任務(wù)對駕駛接管時間卻沒有影響，Ebru[32]得到了相似的結(jié)論，通過動態(tài)駕駛模擬器模擬條件自動化車輛，結(jié)果表明，非駕駛相關(guān)任務(wù)并沒有對自動駕駛接管產(chǎn)生顯著影響.此外，Lin[33]探究了駕駛員參與非駕駛相關(guān)任務(wù)的思維模式，①當(dāng)駕駛員預(yù)計危險事件發(fā)生率較低時，參與非駕駛相關(guān)任務(wù)時可能會很少關(guān)注道路狀況;②當(dāng)危險事件出現(xiàn)的時間是均勻分布的，會導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生時間期望效應(yīng)(即危險按固定時間周期出現(xiàn))，降低駕駛員危險監(jiān)管注意力;③當(dāng)預(yù)計危險很緊迫時，駕駛員傾向于脫離非駕駛相關(guān)任務(wù)，相反地，如果預(yù)期危險不緊迫，駕駛員傾向于頻繁的切換注意力以參與非駕駛相關(guān)任務(wù).

　　綜上所述，駕駛員自動駕駛模式下(SAE2級以上)都傾向于參與非駕駛相關(guān)任務(wù)[34].但是，參與非駕駛相關(guān)任務(wù)并不一定影響接管時間[35]或者降低駕駛員接管能力[36]，目前，非駕駛相關(guān)任務(wù)的影響需要進一步的明確和統(tǒng)一，因此，未來的研究應(yīng)該集中開發(fā)綜合理論模型，如建立標(biāo)準(zhǔn)化的樣本選取、實驗設(shè)計和分析方法，通過主觀評價和客觀實驗結(jié)合相互驗證，建立科學(xué)的實驗體系，為非駕駛相關(guān)任務(wù)研究提供理論基礎(chǔ)和有力的依據(jù).

　　3自動駕駛接管績效評價方法

　　現(xiàn)有自動駕駛接管績效評價方法，一方面從量表數(shù)據(jù)入手，通過駕駛員自我評價衡量接管績效，優(yōu)點在于以人為本，更注重駕駛員的感受;另一方面，以駕駛?cè)诵袨樘匦詾榛�礎(chǔ)，選取駕駛員行為指標(biāo)評價接管績效，優(yōu)點在于實驗數(shù)據(jù)客觀，可靠性強，目前針對駕駛?cè)诵袨樘匦缘淖詣玉{駛接管研究主要包括以下指標(biāo).

　　1)駕駛員的視覺特性.手動駕駛時駕駛員通過視覺獲取80%以上的信息，相同地，自動車輛發(fā)出接管請求時，駕駛員讀取道路信息主要也是依靠視覺，Lu等[37]利用眼動儀獲取眼球運動數(shù)據(jù)，度量駕駛員的視覺注意力分布，注視活動定義為后視鏡的掃視頻率，通過問卷調(diào)查接管任務(wù)難度和反應(yīng)時間壓力的主觀評價，結(jié)果表明駕駛員獲得視覺信息的時間閾值為7s.Willem等[38]將注視潛在危險作為駕駛員發(fā)現(xiàn)潛在危害的指標(biāo)之一，研究表明，時間越充足駕駛員察覺潛在危險的比率越高.總的來說，視覺注視和視覺掃視能夠有效的表征駕駛員的注意力[37G39].以上的視覺注視延用了Velichkovsky等[40]的研究成果，即駕駛員注視危險點超過200ms認為駕駛員發(fā)現(xiàn)潛在危險.2)駕駛員的行為特性.自動駕駛時，駕駛員偶爾會雙手離開轉(zhuǎn)向盤或者雙腳離開踏板，因此，一些研究將駕駛員發(fā)現(xiàn)危險到雙手握轉(zhuǎn)向盤和腳踩剎車的時間作為駕駛員的反應(yīng)指標(biāo)，將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角發(fā)生2°變化或制動踏板10%變化作為駕駛員開始接管的時間閾值[41G42].

　　此外，駕駛員接管車輛控制權(quán)后，車輛的轉(zhuǎn)角、速度和橫向位置等作為駕駛員接管操作能力指標(biāo)，Happee等[43]的研究將轉(zhuǎn)角變化超過2°的時間點作為駕駛員的轉(zhuǎn)向響應(yīng)時間，用于評價駕駛員在駕駛車輛換道規(guī)避風(fēng)險的接管表現(xiàn);Wiedemann等[44]將車輛的橫向位置變化、轉(zhuǎn)向盤角度變化作為車輛橫向控制指標(biāo)，速度變化作為縱向控制指標(biāo)共同評估駕駛員接管績效;Lotz等[45]將雙手握住轉(zhuǎn)向盤作為駕駛員的動作反應(yīng)時間指標(biāo)，接管請求開始到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化1°或者制動踏板角度變化5%作為駕駛員的操作反應(yīng)時間指標(biāo).綜上所述，駕駛員的視覺和行為特性通常作為評價駕駛員接管績效的重要指標(biāo)，駕駛模擬器觀測駕駛員的接管行為，同時結(jié)合駕駛模擬器測量駕駛?cè)说慕庸�，將成為未來評估駕駛員接管績效的重要研究方法.

　　4自動駕駛接管績效優(yōu)化方法

　　自動駕駛接管研究目的是提升自動駕駛接管績效，保證自動駕駛接管為手動駕駛的過程安全高效，對于自動駕駛接管績效優(yōu)化方面，專家學(xué)者主要從以下方面著手.1)駕駛員方面.張藝競等[46]提出駕駛員接管心理模型的3個階段，警覺喚醒階段、接管決策階段和接管執(zhí)行階段.針對第一階段的主要方法為干預(yù)，Blommer等[47]為分散注意的駕駛員設(shè)計了一個周期性的手動駕駛?cè)蝿?wù)，結(jié)果表明周期性的手動駕駛?cè)蝿?wù)有效地減少駕駛員響應(yīng)時間，Wu[48]驗證了手動駕駛?cè)蝿?wù)能起到減少駕駛員的疲勞、保持駕駛員的興奮水平和提升自動駕駛接管績效的作用，但是僅在10min內(nèi)有效.對于第二和第三階段的提升方法為培訓(xùn)，Payre等[49]設(shè)計了一組對照試驗，實驗組進行了詳細培訓(xùn)(由研究人員培訓(xùn)進行自動駕駛相關(guān)的視頻和文本內(nèi)容培訓(xùn))，結(jié)果表明，詳細培訓(xùn)有效提升駕駛員的接管能力，尤其在緊急情況下，實驗組減少了接管響應(yīng)時間和剎車次數(shù).Boelhouwer[5]驗證了現(xiàn)有的自動駕駛操作手冊并不能有效的協(xié)助駕駛員判斷接管場景，同樣建議結(jié)合接管理論和實踐培訓(xùn)的方式，提升駕駛員的接管績效.2)技術(shù)層面方面.技術(shù)層面的提升方法眾多，其中Kerschbaum[50]提出了一種自動折疊方向盤，當(dāng)車輛處于自動駕駛狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向盤隱藏到角落為駕駛員提供更多的活動空間，接管發(fā)生時轉(zhuǎn)向盤恢復(fù)到初始位置，方向盤的運動過程可能會降低反應(yīng)時間提高接管質(zhì)量.

　　此外，PetermeiGjer[51]的研究試圖增加接管請求內(nèi)容的信息量，例如，通過不同方向的語音提示警示危險來源方向.Lu[52]的研究提出一種監(jiān)控請求干預(yù)策略，即接管請求之前系統(tǒng)發(fā)出監(jiān)控請求，要求駕駛員注意交通環(huán)境，結(jié)果表明，增加監(jiān)控請求能有效提升駕駛員的接管績效.3)接管績效提升方面.盡管研究已經(jīng)取得了一系列的成果，但是基于駕駛員行為特性的培訓(xùn)仍然沒有有力的理論基礎(chǔ)，自動駕駛技術(shù)提升仍然存在很多問題，短時間內(nèi)還無法應(yīng)用于實際自動駕駛接管績效提升中.未來的研究應(yīng)以駕駛員能力訓(xùn)練與自動車輛技術(shù)革新的為重點，依據(jù)心理學(xué)培訓(xùn)理論基礎(chǔ)，建立科學(xué)的干預(yù)和培訓(xùn)體系，綜合接管過程中多項信息參數(shù)的結(jié)算結(jié)果，確定行之有效加以推廣的干預(yù)和培訓(xùn)方法，駕駛員培訓(xùn)和自動駕駛技術(shù)革新必將成為今后自動駕駛接管績效研究的重要方向.

　　5結(jié)束語

　　1)眾多學(xué)者關(guān)于自動駕駛接管請求方式的研究結(jié)果已經(jīng)達成共識，混合接管請求方式(由聽覺、視覺或觸覺其中二者或以上組成)比單一方式更加有效，在這三者之中聽覺接管請求更加有效.在此基礎(chǔ)上，接管請求方式下一步的研究方向傾向于的通過接管請求提示駕駛員風(fēng)險來源信息，以及有效協(xié)助駕駛員快速讀取信息，減少駕駛員信息接收負荷是未來研究可能的重點也是難點.

　　2)自動駕駛接管的影響因素眾多，目前，年齡因素對自動駕駛接管反應(yīng)時間沒有影響，差異體現(xiàn)在不同年齡段的駕駛員接管操作方面，研究結(jié)果不能明確老年駕駛員的接管能力強弱與否.非駕駛相關(guān)任務(wù)對自動駕駛接管的影響仍然不能統(tǒng)一，此結(jié)果可能是由于駕駛模擬器與實際場景的差異性造成的，因此，未來的研究可以依靠技術(shù)突破，實現(xiàn)實車實地實驗，驗證模擬實驗結(jié)果，為參與非駕駛相關(guān)任務(wù)提供理論和數(shù)據(jù)支持.

　　3)目前，自動駕駛接管績效的提升方法眾多，關(guān)于駕駛員層面主要建議以培訓(xùn)教育為主，培訓(xùn)教育的優(yōu)勢是顯著的，但是培訓(xùn)的方法并沒有做到具體、規(guī)范和成體系，使得模糊的干預(yù)和培訓(xùn)方法并不能夠?qū)嶋H應(yīng)用于自動駕駛接管培訓(xùn).因此，未來研究應(yīng)致力于結(jié)合心理學(xué)和統(tǒng)計學(xué)理論基礎(chǔ)，建立更科學(xué)有效的教育方法，為駕駛員的自動駕駛接管績效起到實質(zhì)性的提升.

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