陜西科技大學(xué) 西安 710021

1 研究背景

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),汽車保有量和道路里程逐步增大,給人們的生活帶來(lái)極大方便,但伴隨而來(lái)的問題也日益凸顯,如交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染等。一直以來(lái),智能汽車技術(shù)被視為一種有效的解決方案,發(fā)展備受矚目。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)[1-2],到2040年,智能汽車將達(dá)到汽車保有量的75%。所謂智能汽車,簡(jiǎn)單而言,就是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,用信息技術(shù)和智能控制技術(shù)進(jìn)行控制的汽車,具有自動(dòng)識(shí)別行駛道路、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)調(diào)速等功能。智能汽車的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā),將從根本上改變現(xiàn)有信息采集處理、信息交換、行車導(dǎo)航與定位、車輛控制、安全保證等的技術(shù)方案和體系結(jié)構(gòu),使汽車研究發(fā)生重大變革[3]。形象地說(shuō),智能汽車就是裝有四個(gè)輪子的計(jì)算機(jī)。

2 智能汽車結(jié)構(gòu)

智能汽車亦稱智能車輛,又叫輪式移動(dòng)機(jī)器人,是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng),集中應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通信、人工智能、自動(dòng)控制等技術(shù),是典型的高新技術(shù)綜合體。智能汽車的結(jié)構(gòu)主要包括六個(gè)功能模塊:感知模塊[4]、識(shí)別模塊、狀態(tài)分析模塊、知識(shí)庫(kù)模塊、自適應(yīng)模塊和控制模塊。以感知模塊為例,其功能包括:① 感知來(lái)自駕駛員的命令,如轉(zhuǎn)方向盤、踩油門等;② 感知駕駛員的操縱行為過程,如反應(yīng)時(shí)間、控制精確性、生理數(shù)據(jù)等;③ 直接或間接感知車輛的行駛環(huán)境,如氣候、路面條件、其它車輛交通行為,以及全自動(dòng)車門鎖等;④ 通過所感知的信息來(lái)測(cè)試自身的性能和內(nèi)部條件。

3 人機(jī)交互界面

汽車與人的交互界面是人與汽車互動(dòng)的媒介,其可用性和易用性受到人、車、環(huán)境等多種復(fù)雜情境的影響。汽車產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中,不斷集成先進(jìn)技術(shù),智能化程度不斷提高[5]。與此同時(shí),可感知的信息也不斷增多,人們?cè)谲噧?nèi)可以獲取更多信息,完成更多操作。傳統(tǒng)的汽車人機(jī)交互界面信息顯示以被動(dòng)反饋為主,較少考慮汽車移動(dòng)過程中環(huán)境等情境因素的影響。基于情境感知的汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì),將復(fù)雜多變的情境融入設(shè)計(jì)過程中,利用車載智能系統(tǒng)對(duì)情境進(jìn)行感知,能夠在不增加用戶操作負(fù)荷的前提下感知相關(guān)情境,為用戶提供信息和服務(wù),實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)過程中的信息實(shí)時(shí)交互,進(jìn)而較好地滿足用戶的使用需求。

在人機(jī)交互界面中,人需要感知周圍環(huán)境和學(xué)習(xí)智能系統(tǒng)。人的活動(dòng)和環(huán)境是相互建構(gòu)的整體,而不是相分離的個(gè)體。由此,學(xué)習(xí)無(wú)法脫離個(gè)人和環(huán)境之間的關(guān)系。對(duì)于智能汽車而言,人需要感知外部特定的環(huán)境時(shí),先要通過汽車的感知系統(tǒng)進(jìn)行感知,然后傳遞到人的大腦。而對(duì)于普通汽車而言,絕大部分外部環(huán)境信息由人直接進(jìn)行感知。

4 駕駛感知差異

4.1 正常駕駛

目前,普通汽車擁有防抱死剎車、自動(dòng)巡航等一般性功能。智能汽車除了擁有普通汽車的功能之外,還擁有自動(dòng)輔助駕駛、語(yǔ)音指令等功能。自動(dòng)輔助駕駛功能具體包括輔助轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變道、主動(dòng)巡航、自動(dòng)緊急制動(dòng)、自動(dòng)遠(yuǎn)光燈、平行自動(dòng)泊車、側(cè)撞預(yù)警、盲點(diǎn)檢測(cè)、車速輔助等。為了驗(yàn)證普通汽車和智能汽車駕駛系統(tǒng)的感知差異,選取當(dāng)下較成熟的特斯拉智能汽車和大眾帕薩特普通汽車進(jìn)行試驗(yàn)。駕駛員在相同狀態(tài)、相同路況,且均為城市道路的駕駛環(huán)境下,分別駕駛普通汽車和智能汽車行駛5 km,記錄駕駛員駕駛過程中的感知差異。普通汽車駕駛視野如圖1所示,智能汽車輔助面板如圖2所示。

圖1 普通汽車駕駛視野

圖2 智能汽車輔助面板

駕駛員在駕駛普通汽車時(shí),觀察范圍主要集中在前擋風(fēng)玻璃區(qū)域,用眼睛觀察前方及四周環(huán)境。普通汽車提供的環(huán)境信息由駕駛員直接獲取,駕駛員的操作表現(xiàn)較為自信,能夠更加熟練地駕駛汽車。當(dāng)汽車發(fā)生操作變化,如超車或轉(zhuǎn)向時(shí),駕駛員需要觀察左右倒車鏡,確定汽車的左右兩側(cè)是否有車,對(duì)左右兩側(cè)的行車環(huán)境進(jìn)行判斷感知,再轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。

駕駛員駕駛智能汽車時(shí),在正常直線行駛狀態(tài)下,觀察區(qū)域除了擋風(fēng)玻璃外,還增加了駕駛室中間的輔助面板和儀表盤的顯示屏,兩者用于顯示感知的信息。由于智能汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將駕駛員的絕大部分操作進(jìn)行簡(jiǎn)化,并且駕駛員會(huì)接收到語(yǔ)音信息提示,因此使用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)駕駛時(shí),駕駛員的注意力容易分散,接收外界環(huán)境信息的能力降低。當(dāng)汽車超車或轉(zhuǎn)向時(shí),車輛的感知模塊會(huì)自動(dòng)對(duì)汽車左右兩側(cè)的行車環(huán)境進(jìn)行感知,并通知駕駛員,使駕駛員在需要做出基本操作時(shí)省去情境認(rèn)知的過程,減少了危險(xiǎn)性。由此不難發(fā)現(xiàn),智能汽車的駕駛員在接收外界環(huán)境信息時(shí),一方面得到了更多的環(huán)境信息,另一方面也需要處理更多的信息,注意力容易不集中。

4.2 非正常駕駛

除正常駕駛情況外,還對(duì)駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)或發(fā)生不可控情況時(shí)做了駕駛感知差異模擬試驗(yàn)。在遇到非正常情況時(shí),駕駛員駕駛普通汽車容易產(chǎn)生慌張、不安等情緒,手腳操作不靈敏,易犯錯(cuò),以至于無(wú)法準(zhǔn)確快速獲取外界的環(huán)境信息,從而無(wú)法做出相應(yīng)的反應(yīng),導(dǎo)致事故發(fā)生。而在駕駛智能汽車時(shí),駕駛情緒比較穩(wěn)定,手腳不需要進(jìn)行過多的復(fù)雜操作,汽車可以通過自適應(yīng)模塊、感知模塊和狀態(tài)分析模塊對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行分析,形成簡(jiǎn)單的信號(hào),反饋至駕駛員的大腦,使駕駛員的大腦能夠更快地分析處理當(dāng)前的駕駛環(huán)境,做出快速準(zhǔn)確的判斷。并且,智能汽車還會(huì)根據(jù)獲得的外部環(huán)境信息幫助駕駛員的大腦提前做出合理的反應(yīng),從而提高安全性。

5 優(yōu)勢(shì)與不足

智能汽車在對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行處理時(shí),處理速度快,整合能力比普通汽車強(qiáng)。針對(duì)自然駕駛的研究表明,78%的行車碰撞事故和65%的臨近碰撞事故是由于駕駛員分心導(dǎo)致的,傳統(tǒng)的自主安全系統(tǒng)無(wú)法擺脫駕駛員操縱受限制的影響,在交叉路口、行人、夜間行車等安全方面存在一定的局限性[6-7]。智能汽車的駕駛系統(tǒng)對(duì)于駕駛員情境認(rèn)知及駕駛過程中的安全性而言,具有一定的優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。第一,智能汽車可以采用車路協(xié)同系統(tǒng),通過車載設(shè)備與路測(cè)系統(tǒng)及與周邊車載設(shè)備的通信,為駕駛員提供全時(shí)空信息,實(shí)現(xiàn)車路間的最大協(xié)調(diào)及更安全的駕駛,同時(shí)避免很多自主安全系統(tǒng)無(wú)法解決的問題[8]。第二,結(jié)合輔助駕駛的主動(dòng)安全技術(shù),如自適應(yīng)巡航、車輛接近通報(bào)、夜視輔助、自適應(yīng)前照明等,使智能汽車行駛更加安全可靠。第三,由于智能汽車由行車計(jì)算機(jī)精確控制,因此可以有效減少酒駕、疲勞駕駛、超速等人為不遵守交通規(guī)則所導(dǎo)致的交通事故。

智能汽車駕駛技術(shù)大大降低了駕駛員的學(xué)習(xí)成本,也降低了人腦的工作量。但從試驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn),智能汽車的功能會(huì)使駕駛員的大腦放松警惕,降低駕駛員情境認(rèn)知能力,進(jìn)而可能提高事故發(fā)生的概率。可見,對(duì)于智能汽車而言,智能汽車的感知能力越強(qiáng),駕駛員對(duì)智能汽車駕駛系統(tǒng)的信賴程度就越高,駕駛員的情境認(rèn)知能力就越弱,長(zhǎng)此以往,會(huì)使駕駛員缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。

6 發(fā)展前景

智能汽車技術(shù)在改變?nèi)藗凂{駛習(xí)慣的同時(shí),可以提高交通安全性,起到節(jié)能減排的作用,并會(huì)帶來(lái)城市與交通規(guī)劃的重新布局。未來(lái),智能汽車將向環(huán)保節(jié)能、智能化、個(gè)性化、安全舒適的方向發(fā)展。感知、通信和嵌入式技術(shù)的不斷成熟,將有力支撐智能汽車的發(fā)展。相信在不久的將來(lái),隨著智能技術(shù)的成熟、相關(guān)法規(guī)的完善,以及人們認(rèn)可接受程度的不斷提高,智能汽車將取得更大的發(fā)展,并最終走向普及[9]。

7 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段,智能汽車并不完善,還將經(jīng)歷兩個(gè)階段。第一階段是智能汽車發(fā)展的初級(jí)階段,即輔助駕駛。第二階段是智能汽車發(fā)展的終極階段,即完全替代人的無(wú)人駕駛。我國(guó)的智能汽車駕駛技術(shù)目前停留在基于單片機(jī)的智能車圖像處理與道路識(shí)別算法水平[10],雖然準(zhǔn)確率很高,但是速度不夠理想。對(duì)于智能汽車駕駛系統(tǒng)而言,研究重點(diǎn)是提高駕駛過程中提示信號(hào)的傳輸速度和效率,同時(shí)降低學(xué)習(xí)成本。作為需要代替人為操作的一項(xiàng)技術(shù),智能汽車駕駛系統(tǒng)整體的運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)的緊急處理也需要進(jìn)一步完善。對(duì)于駕駛員而言,在現(xiàn)階段駕駛智能汽車的過程中,不能過分依賴其感知系統(tǒng)。需要認(rèn)識(shí)到,人對(duì)環(huán)境的直接感知依然是汽車駕駛中最為重要的環(huán)節(jié)和行車安全的第一保證。