第 17 卷 第 4 期 Vol.17 No.4 August 2017 Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology 文章编号 1009-6744(2017)04-0090-07 中文分类号 U491 文 献 标 志 码 A DOI:10.16097/j.cnki.1009-6744.2017.04.014 时 恒 涂辉招* 高 坤 (同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804) 摘 要 跟驰过程中跟驰车速 跟车间距的波动性表征了驾驶员跟驰行为平稳性.利用 8 自由度高逼真驾驶模拟器 通过开启关闭运动系统构建动模拟器 分析运动系统对 不同跟驰状态下驾驶员跟驰行为平稳性的影响.模拟器相对于模拟器对比结果 表明 加速跟驰状态下 跟驰车速 跟车间距平稳性分别提高了 12.5%和 27.4% 减速跟驰 状态下 跟驰车速 跟车间距平稳性分别提高了 27.4%和 22.9% 稳定跟驰状态下 在跟驰 车速为 10 km/h 40 km/h 和 80 km/h 时 跟驰车速平稳性分别提高了 30.7% 22.2%和 17.6% 跟车间距平稳性分别提高了 23.6% 37.9%和 17.0%.显著性检验结果表明 在跟驰 车速为 40 km/h 的稳定跟驰状态下 跟驰车速和跟车间距在动模拟下的平稳性存在 显著差异 加速跟驰状态下 动模拟器下驾驶员跟车间距平稳性存在显著性差异 减 速跟驰状态下 动模拟器下驾驶员跟驰车速平稳性存在显著性差异.研究成果为开展 驾驶模拟实验的动模拟器的选择提供了参考. 关键词 交通工程 跟驰行为 平稳性 驾驶模拟器 运动系统 The Effects of Motion System of Driving Simulation on Stability of Car-following Behavior SHI Heng, TU Hui-zhao, GAO Kun (The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China) Abstract: In Car-Following(CF) process, the variations of following speed and space are the indicators of the stability of drivers CF behavior. A high fidelity driving simulator is utilized to conduct the analysis of the differences of stabilities of drivers CF behavior between static and dynamic simulator. The static and dynamic simulator is defined by turning on and off the motion system. Compared to static simulator, the results of dynamic simulator indicate that the stability of following speed and space increases 12.5% and 27.4% respectively in the acceleration stage. In the deceleration stage, the stability of following speed and space increases 27.4% and 22.9%, respectively. In the stable CF stage, in case of following speed with 10 km/h, 40 km/h and 80 km/h, stabilities of following speed increase 30.7%, 22.2% and 17.6% respectively, and stabilities of following space increase 23.6%, 37.9% and 17.0% respectively. The significant test indicates that, in the stable CF stage with the speed of 40 km/h, the stabilities of following speed and space have significant differences between static and dynamic simulator. In the acceleration CF stage, the stabilities of following space have significant differences between static and dynamic simulator. In the deceleration CF stage, the stabilities of following speed have significant differences between static and dynamic simulator. This study provides the evidence for choosing static or dynamic simulator of driving simulation experiments. Keywords: traffic engineering; car-following behavior; stability; driving simulator; motion system 收稿日期 2016-10-19 修回日期 2017-05-16 录用日期 2017-05-31 基金项目 国家自然科学基金/National Natural Science Foundation of China 71271155. 作者简介 时恒 1990- 男 江苏徐州人 博士生. *通信作者 huizhaotu@tongji.edu.cn
第 17 卷第 4 期 91 0 引言 车辆跟驰 (Car-Following,CF) 行为是最基本的 微观驾驶行为, 描述了单车道上行驶车队中相邻 两车之间的相互作用 [1]. 驾驶员在跟驰过程中跟驰 车速 跟车间距的波动性等跟驰行为平稳性分别 指跟驰过程中跟驰车速, 以及跟车间距的变化幅 度与频率. 驾驶模拟器通过虚拟现实技术将现实中 存在的诸多因素转化为逼真的三维视 听 触等感 觉, 并通过多种传感设备传递给驾驶员, 有效地规 避了现实环境中危险因素对驾驶员可能造成的伤 害. 越来越多的学者开始利用驾驶模拟器开展驾驶 行为影响因素的研究, 包括外界环境 ( 能见度 侧风 等 ), 以及驾驶模拟器本身 ( 运动系统 影像系统等 ) 对驾驶员驾驶行为的影响. 驾驶模拟器运动系统对驾驶员驾驶行为的影 响研究主要可以分为两类 : 第 1 类是研究有无运动 系统对驾驶员驾驶行为的影响 ; 第 2 类是不同自由 度运动系统对驾驶员驾驶行为的影响. 对于第 1 类 [2] 研究,Colombet 等验证了驾驶模拟器运动系统对 驾驶行为偏好的影响, 认为驾驶模拟器运动系统 [3] 的开关对于纵向速度没有显著的影响.Siegler 等 研究了运动系统对于刹车行为的影响, 结果表明 运动系统使驾驶员避免采用过高的减速度进行刹 [4] 车. 对于第 2 类研究,Repa 等的研究结果表明随着 横向运动系统自由度的升高, 驾驶员对车辆的操 控更加稳健, 同时作者发现横向运动系统自由度 对车头方向的影响比横向位置的影响更大.Siegler [3] 等通过研究发现, 横向运动系统对转弯时驾驶员 的线速度和横向加速度有较大的影响, 纵向运动 [5] 系统影响不明显.Greenberg 等让驾驶员沿设定的 曲线行驶, 通过开启或关闭横向运动系统, 测量在 外界环境干扰情况下的车身的横向偏移, 以及车 头方向与曲线切线的夹角, 研究发现横向运动系 统有助于驾驶员更加精确的操控车辆, 减少操控 [6] [7] 误差. 除此之外, 刘浩学和杨俊 曹辉等分别分 析了驾驶模拟器运动系统的实现原理, 前者针对 3 自由度运动系统提出了实用数学模型, 后者设计 了基于动力学的驾驶模拟器运动仿真算法, 并且 对算法进行了试验验证, 得出运动仿真算法能较 [8] 好的模拟现实情况的结果.Törnros 等总结出当驾 驶模拟器满足相对有效性验证的条件时就可以作 为驾驶行为的研究工具, 为利用驾驶模拟器进行 驾驶行为的相关研究提供了理论基础. 第 1 类研究 与第 2 类研究通过对比不同自由度运动系统下驾 驶员驾驶行为变量的差异, 分析驾驶模拟器运动 系统对驾驶员驾驶行为的影响, 得出了如运动系 统对驾驶员横向速度的影响相对于纵向速度更为 显著等结论. 驾驶员驾驶行为特性不仅包括驾驶员 对速度 跟车间距等驾驶行为变量的偏好, 也包括 车辆行驶过程中速度 跟车间距的波动性等驾驶 行为平稳性, 特别是跟驰过程中的驾驶行为平稳 性即跟驰行为平稳性. 已有的研究成果鲜有关于驾 驶员跟驰行为平稳性影响因素的相关结论, 驾驶 模拟器运动系统对驾驶员跟驰行为平稳性的影响 有待于深入研究. 本文利用同济大学 8 自由度高逼真驾驶模拟 器, 通过开启和关闭驾驶模拟器运动系统构建动 态和驾驶模拟实验场景, 采集分析动试 验场景中驾驶员在不同跟驰状态下的跟驰行为数 据, 对比分析动驾驶模拟实验场景中不同跟 驰状态下跟驰行为平稳性的变化规律, 探究驾驶 模拟器运动系统对跟驰行为平稳性的影响. 1 研究方法 1.1 理论基础 本文实验中前车在不同行驶状态的加速度为 定值, 前车速度随时间呈线性关系变化, 不存在波 动性, 所以跟驰车速的平稳性即为前后车速度差 的平稳性, 以后车相对于前车速度的标准偏差作 为衡量速度平稳性的指标, 标准偏差越大则平稳 性越差, 记为 t end δv = 1 t end - t sta ((V i,n - 1 - V i,n) - Vˉ) 2 (1) i = t sta 式中 :t sta 和 t end 分别为某工况的起始和结束时刻 ; V i,n - 1 和 V i,n 分别为 i 时刻前车和后车速度 ;Vˉ 为时刻 t sta 至时刻 t end 前后车速度差的. 驾驶员在跟驰过程中会保持一定的跟车间距 ( 防撞间距 ) 以防止交通事故的发生. 跟车间距的平 稳性表现在前后车跟驰行驶时跟车间距的波动 性, 本文以前后车跟车间距的标准偏差作为衡量
92 跟车间距平稳性的指标 标准偏差越大则平稳性 连续过程 稳定跟驰状态下前车速度设置 3 个特征 越差 记为 值 10 km/h 40 km/h 和 80 km/h 分别模拟低速 中 δs = 1 (S i - Sˉ)2 t end - t sta i=t tend (2) sta 速和高速稳定跟驰状态 如图 2 所示. 在实验过程中每位驾驶员将重复经历上述过 式中 t sta 和t end分别为某工况的起始和结束时刻 S i 为i时刻前后车跟车间距 Sˉ为时刻t sta至时刻t end全部 程 采集和模拟器下驾驶员驾驶行为数 S i的. 的影响. 据 分析动模拟器对驾驶员跟驰行为平稳性 1.2 试验设置 1.2.1 实验设备 本次实验使用同济大学高逼真度的驾驶模拟 器(图 1).该模拟器的驾驶模拟舱中放置了一辆完 全真实的车辆 该车设置了真实的力反馈系统 包 括方向盘 油门 刹车.车辆前方是一个 250 的环形 屏幕 刷新频率是 60 Hz.通过 SCANeR 软件来控 制整个驾驶模拟器.该驾驶模拟器配备八自由度的 运动系统 此运动系统可以开启和关闭. 1.2.2 实验人员 33 名驾驶员参与了本次实验 他们都拥有合 Fig. 1 图1 同济大 学 8 自由 度驾驶模拟器 High fidelity driving simulator in Tongji University 格的驾驶证 全部 33 名驾驶员对驾驶模拟器的适 表1 用性良好 没有驾驶模拟症.表 1 是参与实验驾驶 Table 1 员的基本信息. 年 龄 平 39.8 范 围 36~44 标准差 3.0 1.2.3 实验方案 在和驾驶模拟实验场景中 每位驾 驶员将分别在双向四车道限速 120 km/h 的高速公 参与 实验 驾驶员基本 信息 General information of drivers 驾 龄 平 9.4 范 围 6~13 标准差 3.3 路上重复经历加速跟驰 稳定跟驰 减速跟驰 3 个 1.3 实验步骤 Fig. 2 图2 某驾驶员前后车速度轨迹 Trajectory data of leading and following cars speed by one driver 1.3.1 预实验 每位驾驶员将被告知应遵守的操作规范 并 熟悉驾驶模拟器.随后驾驶员在实验环境下的一条 察员将确认驾驶员是否有不适反应.若驾驶员一切 正常 休息 5 min 后开始正式实验. 1.3.2 实验与数据采集 基于和驾驶模拟器采集后车速度 高速公路上自由驾驶 5 min 在此过程中 驾驶员 后车加速度 以及跟车间距等驾驶行为数据.跟车 将经历加速 减速 平稳行驶等过程 同时驾驶员 间距表征后车车头至前车车尾的距离 时间间隔 也将熟悉踩踏油门和刹车板的动作 与此同时 观 表征后车以当前车速通过跟车间距需要的时间.
第 17 卷第 4 期 93 [9] Kim 等通过采集实际车流的车速等数据分析了 不同速度下跟车间距与时间间隔的变化趋势, 并 指出跟车间距与间隔时间是描述跟驰过程的重要 指标. 采集分析全部 33 名驾驶员驾驶行为数据, 图 3(a) 给出了跟车间距与跟驰车速关系的散点图, 随 着速度增加, 跟车间距随之变大, 并且离散性也随 之变大, 说明驾驶员跟车间距异质性随速度增加 而增大. 图 3(b) 给出了时间间隔与跟驰车速关系的 散点图, 随着车速增加, 时间间隔随之减小, 并且离 散性也随之减小, 说明驾驶员时间间隔异质性随速 [9] 度增加而减小. 本文实验采集的数据与 Kim 等的 实测数据基本一致, 验证了利用驾驶模拟器研究 其自身运动系统对驾驶员跟驰行为平稳性影响的 可行性. 图 3 跟驰行为特征图 Fig. 3 Features of CF behaviors 2 实验结果与分析 2.1 跟驰车速平稳性动模拟器下稳定跟驰 加速跟驰, 以及减速跟驰时跟驰车速平稳性差异如图 4 所示. 在稳定跟驰状态下 ( 图 4(a)), 和模拟器下跟驰车速平稳性随跟驰车速的增加而提高 (δv 减小 ), 说明相对于低速跟驰, 驾驶员在高速跟驰时倾向于保 持相对平稳的跟驰车速 ; 在跟驰车速为低速 (10 km/h) 中速 (40 km/h) 和高速 (80 km/h) 时, 相对于模拟器, 模拟器下跟驰车速平稳性分别提升了 30.7% 22.2% 和 17.6%, 随着跟车速度的增加, 动模拟器下跟驰车速平稳性的差异有减小的趋势. 在加速和减速跟驰状态下 ( 图 4(b)), 相对于模拟器, 模拟器下跟驰车速平稳性分别提高了 12.5% 和 27.4%; 图 4 动模拟器不同跟驰状态跟驰车速平稳性差异 Fig. 4 Stabilities of speed in different CF phases between static and dynamic simulators 相对于外界影响因素 ( 能见度等 ) 对驾驶员的员能更好地感知车身状态, 间接地影响到驾驶员跟驰行为变量 ( 跟驰车速 跟车间距等 ) 造成直接影跟驰行为变量, 使驾驶员采取更准确的跟驰策略. 响, 模拟器通过运动系统的反馈使驾驶本文认为在显著性水平为 0.1 时, 差异性检验的结
94 果已经能够作为判断运动系统对跟驰行为平稳性的影响是否显著的依据. 以 F 检验判断不同跟驰状态下跟驰行为平稳性指标的方差齐性, 以秩和检验判断不同跟驰状态下跟驰行为平稳性指标差异的显著性, 表 2 给出了动模拟器稳定跟驰状态跟驰车速平稳性的差异性检验结果. 中速稳定跟驰状态下, 动模拟器下跟驰车速的平稳性差异显著, 而在低速和高速稳定跟驰状态下跟驰车速的平稳性不存在显著性差异, 说明跟驰车速 平稳性在中速稳定跟驰状态更容易受到动模拟器的影响. 表 3 给出了动模拟器加速和减速跟驰状态下跟驰车速平稳性的差异性检验结果. 加减速跟驰状态下跟驰车速平稳性在和模拟器下差异不显著 ; 低速稳定跟驰状态和减速跟驰状态下, 跟驰车速平稳性方差齐性检验结果显著, 说明在动模拟器下低速稳定跟驰状态和减速跟驰状态下的跟驰车速平稳性存在异质性. Table 2 表 2 动模拟器稳定跟驰状态跟驰车速平稳性差异性检验 (alpha=0.1) Diversity test of stabilities of speed in stable CF phase between static and dynamic simulator(alpha=0.1) 跟驰车速 / (km/h) 10 40 80 δv 6.19 (1.33) 5.49 (1.40) 5.18 (2.16) 8.93 (2.16) 7.06 (2.23) 6.29 (2.66) - -30.7% (-38.4%) -22.2% (-37.2%) -17.6% (-18.8%) P=0.001 P=0.280 P=0.628 P=0.535 P=0.073 P=0.534 表 3 Table 3 动模拟器加减速跟驰状态跟驰车速平稳性差性异检验 (alpha=0.1) Diversity test of stabilities of speed in ACC/DEC CF phase between static and dynamic simulator(alpha=0.1) 跟驰状态 加速跟驰 减速跟驰 δv 4.46 (1.50) 2.81 (1.77) 5.10 (1.48) 3.29 (2.18) - -12.5% (1.4%) -27.4% (-18.8%) P=0.976 P=0.023 P=0.456 P=0.534 2.2 跟车间距平稳性动模拟器下稳定跟驰 加速跟驰, 以及减速跟驰时跟车间距平稳性差异如图 5 所示. 在低速 (10 km/h) 中速 (40 km/h) 和高速 (80 km/h) 稳定跟驰状态下 ( 图 5(a)), 相对于模拟器, 模拟器下跟车间距的平稳性分别提升了 23.6% 37.9% 和 17.0%, 并且跟驰车速为 40 km/h 时, 动模拟器下跟车间距平稳性存在显著差异. 在加速和减速跟驰状态下 ( 图 5(b)), 相对于模拟器, 模拟器下跟车间距平稳性分别提高了 27.4% 和 22.9%. 加速跟驰状态跟车间距平稳性在和模拟器下存在显著差异. 表 4 给出了动模拟器稳定跟驰状态跟车间距平稳性指标和方差的差异性检验结果. 在 中速稳定跟驰状态下, 动模拟器下跟车间距平稳性差异显著, 在低速和高速稳定跟驰状态下, 动模拟器下跟车间距平稳性不存在显著性差异, 说明跟车间距平稳性在低速和高速稳定跟驰状态受到动模拟器的影响较小, 在中速稳定跟驰状态受到动模拟器的影响较大. 表 5 给出了动模拟器加速和减速跟驰状态跟车间距平稳性指标和方差的差异性检验结果. 加减速跟驰状态跟车间距平稳性指标在和模拟器下的差异不显著, 说明动模拟器对加减速跟驰状态跟车间距平稳性的影响较小. 在加速跟驰状态下, 跟车间距平稳性方差齐性检验结果显著, 说明在加速跟驰时动模拟器下跟车间距平稳性存在异质性.
第 17 卷第 4 期 95 Fig. 5 图 5 动模拟器不同跟驰状态跟车间距平稳性差异 Stabilities of following space in different CF phases between static and dynamic simulators 表 4 动模拟器稳定跟驰状态跟车间距平稳性差异性检验 (alpha=0.1) Table 4 Diversity test of stabilities of following space in stable CF phase between static and dynamic simulators(alpha=0.1) 跟驰车速 / (km/h) δs - 10 9.93 (3.73) 12.99 (4.51) -23.6% (-17.3%) P=0.656 P=0.805 40 6.31 (5.92) 10.16 (4.22) -37.9% (40.3%) P=0.428 P=0.073 80 8.08 (3.78) 9.73 (6.88) -17.0% (-45.1%) P=0.172 P=0.902 表 5 动模拟器加减速跟驰状态跟车间距平稳性差异性检验 (alpha=0.1) Table 5 Diversity test of stabilities of following space in ACC/DEC CF phase between static and dynamic simulator(alpha=0.1) 跟驰状态 δs - 加速跟驰 3.57 (1.07) 4.92 (3.01) -27.4% (-64.5%) P=0.023 P=0.535 减速跟驰 3.01 (2.38) 2.45 (1.51) 22.9% (57.6%) P=0.292 P=0.804 3 结论在中速 (40 km/h) 稳定跟驰状态下, 和模拟器下驾驶员跟驰行为平稳性存在显著性差异, 模拟器下跟驰车速和跟车间距平稳性相对于模拟器分别提高了 22.2% 和 37.9%. 在低速 (10 km/h) 和高速 (80 km/h) 稳定跟驰状态下, 模拟器下跟驰车速和跟车间距平稳性相对于模拟器分别提高了 30.7% 和 23.6% 17.6 和 17.0%, 对于低速和高速稳定跟驰状态, 和模拟器下驾驶员跟驰行为平稳性差异性检验不 显著. 在中速稳定跟驰状态下, 动模拟器对跟驰车速和跟车间距平稳性都产生了显著影响. 在加速跟驰状态下, 模拟器下跟驰车速和跟车间距平稳性相对于模拟器分别提高了 12.5% 和 27.4%. 减速跟驰状态下, 模拟器下跟驰车速和跟车间距平稳性相对于模拟器分别提高了 27.4% 和 22.9%. 加速跟驰状态下, 动模拟器下跟车间距平稳性存在显著性差异 ; 减速跟驰状态下, 动模拟器下跟驰车速平稳性存在显著性差异. 模拟器提高了驾驶员跟驰行为平
96 稳性, 使得驾驶模拟器的实验数据更为可靠. 参考文献 : [1] 王殿海, 金盛. 车辆跟驰行为建模的回顾与展望 [J]. 中国公路学报, 2012, 25(1): 115-127. [WANG D H, JIN S. Review and outlook of modeling of car following behavior[j]. China Journal of Highway and Transport, 2012,25(1): 115-127] [2] COLOMBET F, DAGDELEN M, REYMOND G, et al. Motion cueing: What is the impact on the driver s behavior?[c]. Proceedings of the Driving Simulation Conference, 2012(32) :171-181. [3] SIEGLER I, REYMOND G, KEMENY A, et al. Sensorimotor integration in a driving simulator: contributions of motion cueing in elementary driving tasks[c]. Proceedings of Driving Simulation Conference, 2001: 21-32 [4] REPA B S, LEUCHT P M, WIERWILLE W W. The effect of simulator motion on driver performance[r]. SAE Technical Paper, 1982. [5] GREENBERG J, B ARTZ, L CATHEY. The effect of lateral motion cues during simulated driving[j]. Proceedings of DSC North America, 2003: 8-10. [6] 刘浩学, 杨俊. 汽车驾驶模拟器运动系统分析及数学建模 [J]. 西安公路交通大学学报, 2000, 20(4): 81-83. [LIU H X, YANG J. Mathmatical modeling and analysis of dynamic motor simulator[j]. Journal of Xi'an Highway University, 2000,20(4): 81-83.] [7] 曹辉, 严新平, 吴超仲, 等. 基于动力学分析的驾驶模拟器运动仿真算法 [J]. 武汉理工大学学报 ( 交通科学与工程版 ), 2005, 29(3): 404-406. [CAO H, YAN X P, WU C Z, et al. Motion system algorithm of driving simulator based on dynamics[j]. Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering), 2005,29(3): 404-406.] [8] TÖRNROS J. Driving behaviour in a real and a simulated road tunnel a validation study[j]. Accident Analysis & Prevention, 1998, 30(4): 497-503 [9] KIM T. Analysis of variability in car-following behavior over long-term driving maneuvers[j]. Standard, 2005.