基于趋势面模型的不同预警信号参数研究

基于趋势面模型的不同预警信号参数研究

朱强 1 罗晨伟 2 黎景壮 3

1. 广州市中心区交通项目管理中心 广东广州 510030

2. 广州市交通规划研究院 广东广州 510030

3. 华南理工大学 土木与交通学院 广东广州 510641

摘要：为了确定不同预警方式的最优预警信号参数，选取了20位驾驶人开展听觉、视觉、触觉的预警信号参数研究实验，采集了驾驶人的反应时间数据。基于听觉、视觉、触觉的不同预警信号，针对其信号强度、单次作用时长对驾驶人反应时间的影响进行了差异性研究。以最小反应时间为目标，构建了基于预警信号强度、单次作用时长的趋势面模型，确定了听觉、视觉、触觉预警方式下的最优预警信号参数。实验及模型结果表明：驾驶人的反应时间存在类“U”形分布，过强或过弱的信号参数对驾驶人制动都不利。听觉预警信号强度最优参数为80dB，单次作用时长为0.7s；视觉预警信号强度最优参数为49cd/m²，单次作用时长为0.4s；触觉预警信号强度最优参数为1.45m/s²，单次作用时长为0.7s。

关键词：趋势面模型；预警信号参数；反应时间；差异性分析

0 引言

预警信号刺激驾驶人感官，适度的应激反应引起皮层适度唤醒，驾驶人适度紧张，注意力集中，思维积极化以及动机调整，有利于驾驶人应对危险状况；但强烈、持久的应激将引起大脑皮层的过度唤醒，驾驶人认识能力迅速降低，出现消极情绪，有碍于个体的应对和适应，驾驶人的过度应激反应会做出不恰当驾驶操作。

驾驶预警系统能够有效地帮助驾驶人应对危险情况。Chang^[1]对年轻驾驶员进行了交叉口碰撞的听觉预警实验，结果表明，驾驶员在有预警的条件下，反应时间更短、速度和事故率更低；文献[2]指出视觉预警对驾驶行为有一定的帮助，且对驾驶人的干扰较小；苟锐^[3]等人对触觉预警进行了研究，发现触觉预警有效的引起驾驶人注意力，并能引导驾驶方向。

虽然较多研究表明，不同的预警方式能够有效地帮助驾驶人进行正确的操作。但是不同的预警信号参数也会改变驾驶人的反应，出现积极或消极的影响。国内外研究表明，信号的强度和单次作用时长是影响人感官的主要因素，许多驾驶人也反应外界信号的强度和工作频率会影响驾驶人的心理感受和制动反应。Marshall等人研究了听觉预警的信号参数对驾驶人紧迫感和烦恼感的影响，实验表明预警声音的调和级数、脉冲持续时间、脉冲间隔、开始时间、结束时间、占空比对驾驶人的紧迫感和烦恼感的影响具有同步性，驾驶人紧迫感增加，烦恼感也增加，但烦恼感的变化幅度大于紧迫感。吴乙万研究了车道偏离预警，分析了触觉预警的信号幅值、频率和波形对驾驶人预警效果的影响，利用自主研制的驾驶模拟器开展实验，结果表明：驾驶人更喜欢小幅值的三角波信号，但方形波和大幅值的预警信号具有更佳预警效果，信号频率对驾驶人影响不明确。

目前国内外学者针对不同预警方式对驾驶人的影响均进行了一定的研究，不同的研究对预警信号的设计各有差异，但是未能说明设计缘由。然而不同预警信号的参数却会对驾驶人的影响有一定程度的差异，此有必要量化研究预警信号的强度、单次作用时长等参数对驾驶人的预警效果，解决以往实验中预警方式设置所忽略的信号参数设计问题。为了弥补现有研究的不足，本文将综合听觉、视觉、触觉预警信号，针对其信号强度、单次作用时长对驾驶人反应时间的影响进行研究，并通过趋势面模型拟合预警信号参数与驾驶人反应时间的关系，准确地反映不同预警信号参数对驾驶人反应时间的影响。

1实验方案设计

1.1实验思路

国内外较多实验研究已经证实模拟驾驶获取数据的可靠性，而且室内模拟驾驶环境相比外界环境而言，其他因素的干扰相对较小，不同预警信号参数对驾驶人的影响更加明显，更有利研究。因此，本文通过模拟驾驶实验对驾驶人在不同预警信号参数下的反应时间进行数据采集。

实验主要是对驾驶人在听觉、视觉、触觉不同预警信号参数下反应时间的采集。驾驶人在模拟高速路况上行驶，速度保持在60-70km/h，与前车保持距离，当驾驶人驾驶平稳时，随机给以预警信号，驾驶人采取踩刹车制动，车辆停止后再启动行驶。

实验操作步骤如表1所示，通过适应性实验使驾驶人熟悉驾驶模拟器的操作，然后分别改变听觉、视觉、触觉预警信号的强度和单次作用时长参数，随机对驾驶人给以预警信号，通过检测设备采集驾驶人的反应时间。

表 1 实验操作步骤

1.2预警方式选取及安装

由于本研究主要为不同预警信号参数对驾驶人的影响，因此针对听觉预警、视觉预警、触觉预警，本文分别采用普遍使用的抽象音、LED灯和座椅振动为预警信号。预警装置主要安装在模拟驾驶器仪表台附近及座椅处，其中蜂鸣器在仪表台左右两侧各安装一个，LED灯安装在仪表台右侧，振动电机在座椅下方左右两侧各安装一个，在座椅背部左右两侧各安装一个，制动感应开关安装在刹车踏板上，如图1-图2所示。

图 1 蜂鸣器（①）和LED灯（②）安装位置

图 2振动电机安装位置

1.3预警参数设计

预警用的听觉信号强度必须高于车辆以及环境的噪声，其响度水平要使驾驶人都能接收到警告信息并引起注意，最好保证信号比噪声强度超出8- 15dB的水平。实验测得模拟驾驶器平稳运行状态下的噪声强度约为67dB，结合人耳对噪声的适用范围，确定听觉预警信号的声音强度范围为72dB-90dB。将声强（I）划分为7个刻度，依次为72dB 、75dB 、78dB、81dB、84dB、87dB、90dB。听觉预警信号的工作频率用单次作用时长（t_a）（注意，下文简称为作用时长）来表示，两次作用间隔时间与单次作用时长相同，作用时长越小则工作频率越高，将作用时长划分为6个刻度，分别为0.1s、0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s，总时长5秒。

本研究用光亮度（E）表示视觉预警信号强度，测得模拟驾驶器平稳运行状态下的道路环境亮度为25 cd/m²，结合人眼对亮度的适应程度，确定视觉预警信号的光亮度范围为30-60 cd/m²，将光亮度划分为7个刻度，依次为30cd/m²、35cd/m²、40cd/m²、45cd/m²、50cd/m²、55cd/m²、60cd/m²；工作频率用单次作用时长（t_v）来表示，两次作用间隔时间与单次作用时长相同，单次作用时长越小则工作频率越高，将单次作用时长划分为6个刻度，分别为0.1s、0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s，总时长5秒。

国际上座椅振动强度的测量参数常规定为加速度，根据ISO2631-1:1997《机械振动与冲击——人体承受全身振动的评价——第一部分：通用要求》，采用“加权加速度均方根值”作为基本评价方法。本研究用加权均方根加速度（a_w）表示触觉预警信号强度，测得模拟驾驶器平稳运行状态下的座椅振动为0.29 m/s²，结合人体对振动的适用范围，确定触觉预警信号的加权均方根加速度范围为0.5-2 m/s²，将其划分为7个刻度，依次为0.5m/s²、0.75m/s²、1.0m/s²、1.25m/s²、1.5m/s²、1.75m/s²、2.0m/s²；工作频率用单次作用时长（t_t）来表示，两次作用间隔时间与单次作用时长相同，单次作用时长越小则工作频率越高，将单次作用时长划分为6个刻度，分别为0.1s、0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s，总时长5秒。

1.4实验样本与设备

驾驶人的应激反应受预警方式、驾驶人个性特征、驾驶人生理心理状态以及驾驶环境等影响，由于本研究的重点是预警方式对驾驶人的影响，因此对其他无关变量进行控制，减少干扰，另一方面为了体现实验结果的可代表性，驾驶人的年龄并没有严格控制，选取中青年有丰富驾驶经验的驾驶人。

为控制性别因素对实验的影响，本次实验样本为20-35岁的男性驾驶人20人，平均驾龄4年，平均驾驶时长510小时。实验人员没有听力、视力等方面的疾病，也无心脏病或者神经系统疾病，在实验前保证睡眠充足，无饮酒及服药情况，实验过程中皆处于健康状态。

实验设备为①模拟驾驶器：采用我国交通运输部公路科学研究院合作生产的模拟驾驶器1台；②预警装置：预警设备为自制设备，由蜂鸣器、LED灯、振动电机、调节电阻、周期开关和中央处理器组成，调节电阻可以控制预警信号发生器，周期开关控制各预警信号传感器工作频率，制动感应器感应驾驶人踩刹车动作，中央处理器控制各预警传感器的工作时间和记录制动时间；③预警信号强度测量仪：包括深圳标智公司生产的GM1356型号噪声计、日本KONICA MINOLTA公司生产的CL-500A型号分光辐射照度计、深圳标智公司生产的GM63A型号测振仪，分别测量声音强度、光强、振动幅度。

1.5实验内容设计

在实验的过程中，被测试驾驶人需要在设定的高速路况上，以60-70km/h速度正常行驶。在驾驶人熟悉驾驶模拟器的操作之后，分别在听觉、视觉、触觉预警方式下，改变信号的强度和单次作用时长，每种预警方式有7（强度）×6（作用时长）组实验。每个驾驶人进行两次实验，第一次控制信号强度改变单次作用时长参数，第二次控制单次作用时长，实验记录驾驶人制动的反应时间。每种预警方式下的实验结束后休息三小时，再进行下个预警方式实验。

2实验结果

2.1听觉预警方式下驾驶人的反应时间

分析得驾驶人在不同声强和单次作用时长下的平均反应时间。结果显示，驾驶人反应时间在声强和作用时长都存在类“U”型分布，信号参数过大或者过小，都不利于驾驶人制动反应。进一步进行两因素方差分析，检验结果表明，不同声强和作用时长对驾驶人的平均反应时间变化有非常显著影响（F=3.533，p=0.003<0.01），其中不同声强下驾驶人平均反应时间变化有非常显著性差异（F=3.671，p=0.007<0.01），不同作用时长下驾驶人平均反应时间变化有显著性差异（F=3.411，p=0.015<0.05）。

2.2视觉预警方式下驾驶人的反应时间

分析得驾驶人在不同光亮度和单次作用时长下的平均反应时间。结果显示，作用时长0.2s、0.4s、0.6s下，驾驶人的平均反应时间存在类“U”分布，进一步进行两因素方差分析，检验结果表明，不同光亮度和作用时长对驾驶人的平均反应时间变化有非常显著影响（F=4.529，p=0.000<0.01），其中不同光亮度下驾驶人平均反应时间变化有非常显著性差异（F=7.290，p=0.000<0.01），不同作用时长下驾驶人平均反应时间变化有显著性差异（F=1.215，p=0.033<0.05）。

2.3触觉预警方式下驾驶人的反应时间

分析得驾驶人在不同振动加速度和单次作用时长下驾驶人的平均反应时间。结果显示，在相同的信号作用时长下，驾驶人的平均反应时间随着振动加速度的增大而减少，进一步进行两因素方差分析，检验结果表明，不同振动加速度和作用时长对驾驶人的平均反应时间有非常显著影响（F=3.665，p=0.000<0.01），其中不同振动加速度下驾驶人平均反应时间变化有非常显著性差异（F=4.984，p=0.000<0.01），不同作用时长下 驾驶人平均反应时间变化具有非常显著性差异（F=2.082，p=0.000<0.01）。

3不同预警信号参数的趋势面模型构建

3.1趋势面模型介绍

（1）趋势面模型的表现形式

趋势面模型以傅立叶级数和多项式为主，但在逼近连续函数的效果评价中多项式占有优势，因此采用多项式用于趋势面拟合。依据本文研究的预警信号参数为强度和作用时长两个参数，所以选择二维趋势面拟合，根据最高阶次数的不同，又可分为一次、二次、三次等，但为了防止过拟合而忽略整体特征，一般情况下最高取三次。根据本研究特点，以二维趋势面为例，对趋势面模型的参数估计过程进行详细介绍，设驾驶人反应时间实测数据为 ，其中 为预警信号强度， 为预警信号的单次作用时长，趋势面趋势值为 。

（2）趋势面模型的适度检验

若要知道获得的预警信号强度、单次作用时长与反应时间之间的趋势面模型能否进行实际应用，需要对模型进行适度检验，检验评价有拟合系数R²检验和F检验，R²检验和F检验都通过后，趋势面拟合模型可以应用。

1. R²检验

拟合系数R²是检验趋势面模型拟合效果的一项关键指标，为回归平方和与总离差平方和比值，R²值越大表示拟合效果就越好。

② F检验

F检验是对趋势面模型的整体拟合效果的显著性检验。F服从F(p, n-p-1)分布，通过F分布表可以查得 值。若 ，则认为趋势面拟合模型回归效果显著，该回归曲面可以作为不同预警信号参数情况下驾驶人反应时间的趋势面；反之，则认为该回归曲面不能作为趋势面。

3.2听觉预警的趋势面模型构建与分析

由于声音强度、作用时长和反应时间的数量级差别较大，如直接对进行拟合，可能会带来数据纬度不同的干扰问题，影响拟合效果。对数据归一化处理后，分别求得一次、二次、三次阶数下的趋势面模型以及R²检验和F检验，如表2所示。

从表中可知当最高阶次数为3时，拟合度最好，F检验具有显著性，因此确定听觉预警信号下的趋势面模型为：

由于设备设置参数所限，声强可设参数为I=72,73,74,…,90dB，作用时长可设参数为t_a=0.1,0.2,0.3,…,1s，共19×10组数据，将数据标准化处理后代入模型公式，求得模型最小值时对应的标准化声强为0.44，标准化作用时长为0.67，也就是在听觉预警信号下，当声强为80dB，作用时长为0.7s时，有最佳反应时间。

表 2 听觉预警的趋势面模型

3.3视觉预警的趋势面模型构建与分析

对视觉预警信号下的光亮度、作用时长和反应时间数据归一化处理，分别求得一次、二次、三次阶数下的趋势面模型，如表3所示。

从表中可知当最高阶次数为3时，拟合度最好，因此确定听觉预警信号下的趋势面模型为： 由于设备设置参数所限，光亮度可设参数为L=30,31,32,…,60cd/m²，作用时长可设参数为t_v=0.1,0.2,0.3,…,1s，共31×10组数据，将数据标准化后代入模型公式，求得模型最小值时对应的标准化光亮度为0.633，标准化作用时长为0.33，也就是在视觉预警信号下，当光亮度为49cd/m²，作用时长为0.4s时，有最佳反应时间。

表 3 视觉预警信号趋势面模型

3.4触觉预警的趋势面模型构建与分析

对触觉预警信号下的振动加速度、作用时长和反应时间数据归一化处理，分别求得一次、二次、三次阶数下的趋势面模型，如表4所示。

从表中可知当最高阶次数为3时，拟合度最好，因此确定听觉预警信号下的趋势面模型为：

由于设备设置参数所限，振动加速度可设参数为a_w=0.5,0.55,0.6,…,2m/s²，作用时长可设参数为t_t=0.1,0.2,0.3,…,1ss，共31×10组数据，将数据标准化后代入模型公式，求得模型最小值时对应的标准化振动加速度为0.63，标准化作用时长为0.67，也就是在触觉预警信号下，当振动加速度为1.45m/s²，作用时长为0.7s时，有最佳反应时间。

表 4 触觉预警信号趋势面模型

4 结论

本文根据听觉、视觉、触觉预警信号的工作强度和单次作用时长对驾驶人反应时间的影响进行了研究，构建了不同预警信号参数的趋势面拟合模型，主要得出以下结论：

（1）听觉、视觉、触觉预警信号的工作强度和单次作用时长对驾驶人的反应时间均具有较为显著的影响。且驾驶人的反应时间存在类“U”形分布，过强或过弱的信号参数对驾驶人制动都不利。

（2）听觉、视觉、触觉预警信号的趋势面拟合模型，均为最高阶次为3次时，拟合效果最好。最优信号参数分别为：声强80dB与单次作用时长0.7s、光亮度49cd/m²与作用时长0.4s、振动加速度1.45m/s²与作用时长0.7s。

参考文献

1. Chang S.H., Lin C.Y., Hsu C.C., et al. The Effect of a Collision Warning System on the Driving Performance of Young Drivers at Intersections[J]. Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, 2009,12(5):371-380.

2. Liu Y.C.. Comparative study of the effects of auditory, visual andin advanced traveller information system smultimodality displays[J]. Ergonomics, 2001, 44(4): 425-442.

3. 苟锐. 公交车驾驶人座椅隔振设计与人机安全关系研究[J]. 人类工效学, 2015, 21(2):56-58.

4