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，結合自動駕駛接管的技術和現(xiàn)實背景，從自動駕駛接管績效的影響因素，包括場景、技術、心理和生理等因素，梳理國內外駕駛員接管自動駕駛車輛的研究成果，總結主要研究內容和方法，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，同時非駕駛相關任務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，內容精確豐富，方法科學完善;而對駕駛員接管績效評價和干預研究，重點關注在統(tǒng)計學的基礎上，建立完善的數(shù)據指標評價體系，用于評價和干預駕駛員接管績效.未來針對自動駕駛接管的研究，一方面尋求自動車輛技術突破;另一方面綜合心理學和統(tǒng)計學理論基礎，建立駕駛員接管能力培訓體系.

　　關鍵詞:自動駕駛;行為特性;接管績效;評價指標

　　0引言

　　隨著自動駕駛技術發(fā)展的推進，相關企業(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鍵[1]，然而不成熟的自動駕駛技術在自然交通環(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，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.相關學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，自動駕駛技術的發(fā)展存在局限性和倫理性問題，因此，總結分析當前國內外關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與參考.

　　1自動駕駛接管的相關概念

　　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，這些車輛已經達到美國機動車工程師學會(SocietyofAutomotiveEngineers，SAE)2018年的自動車輛標準中駕駛輔助系統(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SAE于2018年更新的自動車輛標準[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，駕駛員需要作為應對突發(fā)狀況的備用人員，4級自動車輛面臨超過駕駛設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任務，自動系統(tǒng)僅是期望駕駛員能及時響應接管請求(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，當自動車輛面臨特殊場景時，駕駛員必須接管車輛控制權[6].自動駕駛接管行為主要發(fā)生在2/3級自動車輛[7]，當自動系統(tǒng)無法處理某些狀況時，駕駛員必須在安全的時間內接管車輛控制權，即接管時間(駕駛員接管車輛控制權所需的時間)，接管時間是衡量接管績效的重要指標.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)面臨難以應對的狀況時，發(fā)出接管請求，駕駛員在安全時間內接管車輛控制權.全文將遵從定義總結自動駕駛接管的相關研究進展.

　　2自動駕駛接管績效的影響因素

　　駕駛場景多樣化、復雜化對于自動駕駛技術是一項重大的挑戰(zhàn)，場景模擬測試是評估自動駕駛技術發(fā)展水平的重要手段[8].SAE2018定義的自動駕駛標準中對于自動系統(tǒng)運行范圍定義為:特定的駕駛操作設計域(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注[10G16].接管請求影響了駕駛員接管車輛控制權的績效[10]，眾多學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查，調查選取了140種不同語速、語調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，但是結果表明，振動方向不能提示風險來源.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]在前人的基礎上，設計了視覺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，研究結論過于單一，無法對自動駕駛接管績效起到實質性的提升，因此，在研究分析接管請求方式時，應該綜合考慮接管請求和其他因素，設計基本理論結構框架，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[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].當前自動車輛要求駕駛員能夠及時響應接管請求，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:看電影，看文章，監(jiān)督自動系統(tǒng)，分析結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、理解任務困難和記憶能力較差.

　　此外，年齡對參與非駕駛相關任務也有影響，Hallie等[24]研究通過模擬器實驗觀測青年駕駛人(18~35歲)和老年駕駛人(62~81歲)非駕駛任務參與情況，結果表明，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)一標準，年齡因素對于接管績效的影響沒有統(tǒng)一的觀點，因此，研究結論在老年駕駛員駕駛自動車輛方面難以提供實質性的指導和建議.

　　2.3非駕駛相關任務(次要任務)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任務.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任務，例如，喝咖啡，發(fā)短信和玩手機等[25G26].研究表明，參與非駕駛相關任務對駕駛人有利有弊，優(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任務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，結果表明，非駕駛相關任務導致駕駛員反應能力下降，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]探究了非駕駛相關任務(視覺任務)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任務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，非駕駛相關任務對接管性能的影響，結果表明，前者會降低接管時間，非駕駛相關任務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任務對駕駛接管時間卻沒有影響，Ebru[32]得到了相似的結論，通過動態(tài)駕駛模擬器模擬條件自動化車輛，結果表明，非駕駛相關任務并沒有對自動駕駛接管產生顯著影響.此外，Lin[33]探究了駕駛員參與非駕駛相關任務的思維模式，①當駕駛員預計危險事件發(fā)生率較低時，參與非駕駛相關任務時可能會很少關注道路狀況;②當危險事件出現(xiàn)的時間是均勻分布的，會導致駕駛員產生時間期望效應(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當預計危險很緊迫時，駕駛員傾向于脫離非駕駛相關任務，相反地，如果預期危險不緊迫，駕駛員傾向于頻繁的切換注意力以參與非駕駛相關任務.

　　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任務[34].但是，參與非駕駛相關任務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，非駕駛相關任務的影響需要進一步的明確和統(tǒng)一，因此，未來的研究應該集中開發(fā)綜合理論模型，如建立標準化的樣本選取、實驗設計和分析方法，通過主觀評價和客觀實驗結合相互驗證，建立科學的實驗體系，為非駕駛相關任務研究提供理論基礎和有力的依據.

　　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，以駕駛人行為特性為基礎，選取駕駛員行為指標評價接管績效，優(yōu)點在于實驗數(shù)據客觀，可靠性強，目前針對駕駛人行為特性的自動駕駛接管研究主要包括以下指標.

　　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，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，通過問卷調查接管任務難度和反應時間壓力的主觀評價，結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)危險到雙手握轉向盤和腳踩剎車的時間作為駕駛員的反應指標，將轉向盤轉角發(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后，車輛的轉角、速度和橫向位置等作為駕駛員接管操作能力指標，Happee等[43]的研究將轉角變化超過2°的時間點作為駕駛員的轉向響應時間，用于評價駕駛員在駕駛車輛換道規(guī)避風險的接管表現(xiàn);Wiedemann等[44]將車輛的橫向位置變化、轉向盤角度變化作為車輛橫向控制指標，速度變化作為縱向控制指標共同評估駕駛員接管績效;Lotz等[45]將雙手握住轉向盤作為駕駛員的動作反應時間指標，接管請求開始到轉向盤轉角變化1°或者制動踏板角度變化5%作為駕駛員的操作反應時間指標.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，駕駛模擬器觀測駕駛員的接管行為，同時結合駕駛模擬器測量駕駛人的接管，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，Blommer等[47]為分散注意的駕駛員設計了一個周期性的手動駕駛任務，結果表明周期性的手動駕駛任務有效地減少駕駛員響應時間，Wu[48]驗證了手動駕駛任務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內有效.對于第二和第三階段的提升方法為培訓，Payre等[49]設計了一組對照試驗，實驗組進行了詳細培訓(由研究人員培訓進行自動駕駛相關的視頻和文本內容培訓)，結果表明，詳細培訓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，同樣建議結合接管理論和實踐培訓的方式，提升駕駛員的接管績效.2)技術層面方面.技術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，當車輛處于自動駕駛狀態(tài)時，轉向盤隱藏到角落為駕駛員提供更多的活動空間，接管發(fā)生時轉向盤恢復到初始位置，方向盤的運動過程可能會降低反應時間提高接管質量.

　　此外，PetermeiGjer[51]的研究試圖增加接管請求內容的信息量，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.盡管研究已經取得了一系列的成果，但是基于駕駛員行為特性的培訓仍然沒有有力的理論基礎，自動駕駛技術提升仍然存在很多問題，短時間內還無法應用于實際自動駕駛接管績效提升中.未來的研究應以駕駛員能力訓練與自動車輛技術革新的為重點，依據心理學培訓理論基礎，建立科學的干預和培訓體系，綜合接管過程中多項信息參數(shù)的結算結果，確定行之有效加以推廣的干預和培訓方法，駕駛員培訓和自動駕駛技術革新必將成為今后自動駕駛接管績效研究的重要方向.

　　5結束語

　　1)眾多學者關于自動駕駛接管請求方式的研究結果已經達成共識，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，研究結果不能明確老年駕駛員的接管能力強弱與否.非駕駛相關任務對自動駕駛接管的影響仍然不能統(tǒng)一，此結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突破，實現(xiàn)實車實地實驗，驗證模擬實驗結果，為參與非駕駛相關任務提供理論和數(shù)據支持.

　　3)目前，自動駕駛接管績效的提升方法眾多，關于駕駛員層面主要建議以培訓教育為主，培訓教育的優(yōu)勢是顯著的，但是培訓的方法并沒有做到具體、規(guī)范和成體系，使得模糊的干預和培訓方法并不能夠實際應用于自動駕駛接管培訓.因此，未來研究應致力于結合心理學和統(tǒng)計學理論基礎，建立更科學有效的教育方法，為駕駛員的自動駕駛接管績效起到實質性的提升.

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