朱國章， 黃洪榮， 王 珊

(1.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；2. 同濟大學汽車學院,上海 201804)

0 引 言

乘員舒適性評價涉及人機工程學、心理學、生理學等多方面因素[1]。結合不同學者對舒適性的定義和表述，舒適性是人在與環(huán)境發(fā)生交互時的愉悅狀態(tài)，取決于內外部影響因素的共同作用，包括生理和心理因素，其評價是主觀的[2-3]。

NVH、熱舒適性等是傳統汽車舒適性的研究范疇，對于自動駕駛汽車，乘坐舒適性表現出新特征。自動駕駛模式下，車輛行駛依靠系統的環(huán)境感知、決策規(guī)劃、以及運動控制，其行駛表現的優(yōu)劣不再取決于駕駛員自身的駕駛水平，而完全取決于自動駕駛系統的性能。在駕駛權喪失的情況下，自動駕駛系統控制的不同車輛行駛行為會影響乘員的安全感和信任度，進而引發(fā)心理、生理不舒適問題。常見情況表現為，強烈的橫縱向加速度變化會刺激人體的前庭器官造成眩暈、過小的障礙物間距會造成乘員心理緊張等[4]。

從影響機理分析，人體對于舒適狀態(tài)的認知基于多通道信息輸入，通過整合來自不同感官通道的信息，乘員能夠更準確地感知外部環(huán)境并做出合理反應[5]。據此，目前研究多從引發(fā)人體平衡覺感受的車輛運動狀態(tài)和視覺感受的環(huán)境交通狀況入手對乘員舒適性問題加以分析。平衡覺感受方面，國內外學者從速度、加速度及其變化率、行車間距等車輛運動學參數出發(fā)開展了一系列理論和試驗研究。Schrauf等人[6]開展了不同交通場景下的實車對比試驗，證實加速度及其變化率、操縱靈敏度、行車間距等運動學參數的改變會引起乘員體感舒適性的變化。Bellem等人[7]發(fā)現對于加減速工況，受試者期望車輛以盡可能小的加速度及加速度變化率行駛。此外，蒙昊藍等人[4]設計并開展了換道工況下的自動駕駛汽車行駛行為對比試驗，證實了側向加速度對于體感舒適性的影響。視覺感受方面，解業(yè)達[8]通過分析受試者對于不同標準道路的路況評級和期望車速，證實了路面標線、道路整體色調、不良彎坡道路組合及護欄等因素屬于道路狀況評價突出要素，能夠決定乘員對自動駕駛汽車行駛行為預期。Bellem等人[7]認為自動駕駛汽車乘員對于緊急狀況與潛在危險的感知將決定行駛行為偏好：針對被迫換道行為，乘員在安全距離標識的提示下偏好迅速且激進的換道行為。 綜上所述，以上研究分別探討了平衡覺和視覺因素對舒適性的影響，但并未進行不同刺激強度對于舒適性影響規(guī)律的研究，且未深入探討兩種刺激輸入對乘員舒適性的耦合作用?；诖耍疚倪x定典型換道工況，設計并開展不同程度的平衡覺和視覺刺激的雙因素3×3混合試驗，3級平衡覺刺激體現為由換道側向加速度峰值為衡量指標的慢、中、快換道，3級視覺刺激由設置不同視覺危險度的障礙物(無障礙、錐桶、假車)實現，研究兩類影響因素在耦合作用下對乘坐舒適性的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗場景和流程設計

試驗在封閉測試區(qū)一條筆直的雙向四車道上進行，模擬換道工況(如圖1所示)。右側車道近端設置有障礙物，受試者乘坐自動駕駛測試車輛，從右側車道由靜止加速至60km/h后勻速直線行駛接近障礙物，在障礙物前方由同一位置向左換道避讓障礙物，完成換道后逐漸減速直至車速為零。

圖1 試驗工況設置圖

試驗設置3條換道軌跡對應慢、中、快換道以側向加速度峰值為平衡覺輸入控制變量設計不同的換道軌跡，記amax1為向左避讓階段的側向加速度峰值，amax2為向右回正階段的側向加速度峰值；試驗的平衡覺輸入工況設置如表 1所示。

表1 試驗平衡覺輸入工況設置

此外，試驗選取障礙物視覺刺激強度作為視覺輸入控制變量。一般來說，體積越大、質量越重的障礙物給人的視覺危險感越強，因此分別通過強障礙(放置靶車)、弱障礙(放置水馬)、無障礙(不放置障礙物)實現3級視覺輸入刺激，設置如圖 2所示。

圖2 障礙物設置情況實景圖

綜上，試驗分別改變平衡覺、視覺刺激強度，構建3×3階共9種試驗工況，模擬自動駕駛汽車面對三級視覺輸入強度障礙物下的三類具備不同平衡覺感受的換道行為。試驗招募了5位受試者，其中男性1位，女性4位，年齡分布在21歲至24歲之間(平均值M=22.6歲，標準差SD=0.89)，全部持有駕照。試驗過程中，每位受試者將經歷全部9次行駛過程，在每級障礙物下依次經歷慢換道、中換道、快換道三種行駛工況，試驗流程如圖 3所示。

圖3 試驗流程示意圖

1.2 主觀評價

試驗主觀評價分為測前問卷、測中問卷、測后訪談三部分。設計測前問卷，從乘車經歷、乘車習慣、駕駛風格、駕駛水平等角度收集受試者的個人統計學基本信息；設計測中問卷獲取受試者對于每級障礙物類型下的三種換道行駛行為的主觀偏好；設計測后訪談問卷獲取受試者對于9種行駛工況舒適性的總體評價和反饋。測前及測中問卷以選項形式收集答案，訪談項問題通過記錄受試者主觀反饋作為結果。

2 試驗結果

2.1 數據分析方法

由于本試驗樣本量較小，采用t檢驗中的配對檢驗方法，驗證不同工況下主觀評價結果差異的統計學意義。t檢驗通過運用t分布理論來推斷差異發(fā)生的概率，從而比較兩個樣本平均數的差異是否顯著[9],計算公式如公式1所示。

(1)

2.2 試驗結果假設

本文假設，當上述兩類因素處于耦合狀態(tài)時，視覺輸入強度將決定乘員對生理和心理舒適性的訴求，進而影響乘員對于行駛行為的主觀接受度及偏好。隨著環(huán)境障礙物危險程度增加，視覺輸入對于乘員舒適性的影響能力上升，使心理舒適性對于乘員舒適性的主導作用增強，而生理舒適性的主導作用降低。環(huán)境障礙物的視覺危險程度越高，乘員避免發(fā)生碰撞的意愿越強烈，即越傾向于通過犧牲生理舒適性以換取心理舒適性的提升；反之，環(huán)境障礙物的視覺危險程度越低，平衡覺感受對于乘員舒適性的影響作用越強，乘員越傾向于追求生理舒適性的提升。由此，在強障礙情況下，預計乘員將偏好平衡覺輸入最高而視覺輸入最低的快換道工況；在弱障礙情況下，預計乘員將偏好平衡覺和視覺輸入均為中等的中換道工況；在無障礙情況下，預計乘員將偏好平衡覺輸入最低的慢換道工況。

2.3 主觀問卷結果

受試者實際主觀偏好結果如表 2所示：強障礙和弱障礙情況下，5位受試者均偏好中換道工況；無障礙情況下，3位受試者偏好慢換道工況，2位受試者偏好中換道工況。主觀評價的統計學結果如表 3所示：強障礙與弱障礙情況下的主觀偏好不存在統計學差異；強障礙與無障礙情況下的主觀偏好以及弱障礙與無障礙情況下的主觀偏好均存在顯著差異，具有統計學意義(P<0.1)。

表2 主觀偏好結果

表3 主觀偏好假設檢驗結果

2.4 主觀評價結果可靠性驗證

前序研究中，蒙昊藍等通過實車試驗證實皮膚電水平變化幅值與乘員不舒適狀態(tài)呈正相關，是有效表征不舒適程度的客觀生理指標[4]。本文在試驗全程采集并記錄了受試者皮膚電水平信號，從客觀生理信號的角度驗證主觀評價結果的可靠性。皮膚電水平在試驗過程中的變化趨勢如圖4所示，車輛啟動前受試者皮膚電水平趨于較低的穩(wěn)定狀態(tài)(對應靜息值)，試驗開始后受試者經歷換道過程，皮膚電水平升高至峰值后下降，最后恢復為穩(wěn)定狀態(tài)。試驗選取信號變化幅值Δh，即峰值與靜息值的差值作為客觀生理信號分析指標。

圖4 換道試驗中皮膚電水平變化趨勢圖

圖5 強障礙下所有受試者皮膚電水平上升幅值

如圖5所示，以強障礙場景為例，分析不同換道行為的主觀評價結果和皮膚電水平變化。強障礙下所有受試者均偏好中換道工況，而皮電水平在中換道工況(2.429±1.960)中的上升幅值也均小于慢換道(6.789±5.284)和快換道(3.709±2.289)。中換道工況的皮膚電水平上升幅值最低的現象與主觀評價中受試者偏向中換道的結果表現出一致性，證實了試驗主觀評價結果具有可靠性。

3 分析與討論

試驗得到的主觀評價結果與預期結果的對比如圖 6所示：強障礙情況下，100%的受試者偏好中換道工況，與試驗預期不符；弱障礙情況下，100%的受試者偏好中換道工況，與預期相符；無障礙情況下，40%的受試者偏好中換道，另有60%的受試者偏好慢換道，總體上與預期部分相符。

圖6 換道試驗主觀結果與預期對比圖

結合試驗設置和訪談記錄分析，快換道不符合試驗預期結果的原因可能是由于該工況的平衡覺輸入過大。試驗結束后的訪談中部分受試者反映快換道工況下的側向加速度過大，導致體感不舒適程度過高。結合試驗設置可知，快換道工況回正階段的側向加速度峰值顯著高于其余兩種工況；

弱障礙情況下，全部受試者均偏好中換道工況，與預期完全相符。可見當引發(fā)換道的障礙物危險程度較低時，較小的視覺刺激不足以讓乘員產生犧牲體感舒適性而追求心理舒適性的傾向，此時乘員期望車輛的行駛行為既不存在碰撞風險，同時具備較小的平衡覺輸入。

在無障礙情況下，多數受試者偏好慢換道工況，符合試驗預期，僅有1號和4號受試者的偏好與預期不符，可證實當自動駕駛汽車進行非環(huán)境交通引發(fā)的自由換道時，由于不存在視覺輸入與平衡覺感受耦合，乘員舒適性將完全表現為生理舒適性，此時平衡覺因素成為舒適性的主導影響因素。偏好與預期不符的2位受試者均偏好中換道工況，結合試驗設置和訪談記錄分析可能原因，包括：(a)由于試驗條件限制，慢、中換道兩工況下平衡覺的實際輸入區(qū)分度不足，兩類行駛行為的體感易引發(fā)混淆；(b)受試者駕駛偏好和信任度差異：兩名受試者在手動駕駛場景中均偏好以大轉角盡早匯入的換道方式，激進的駕駛風格可能是其選擇中換道工況的潛在原因；此外，4號受試者對于自動駕駛系統信任程度較低，同樣可能造成選擇視覺碰撞風險更低的中換道工況。

綜合分析無障礙和弱障礙下的主觀偏好變化規(guī)律可知：隨著環(huán)境視覺輸入增加，受試者的行駛行為偏好由平衡覺輸入最低的慢換道轉變?yōu)槠胶庥X輸入增加而視覺輸入降低的中換道，在一定程度上證實當環(huán)境交通的視覺危險程度上升時，視覺因素對于乘員舒適性的影響程度將增大，而平衡覺因素對于乘員舒適性的影響程度將減小，乘員展現出犧牲一定程度的生理(體感)舒適性以換取心理(視覺)舒適性的傾向。此外，有受試者提出在強障礙下因慢換道工況下的安全距離過小而選擇中換道，可進一步佐證當環(huán)境交通的視覺危險程度較高時，心理舒適性的表現作用將增強。

4 結 語

本文在換道工況下探討了不同環(huán)境下車輛不同換道行為對乘員舒適性的影響，得到結論如下：

1)乘員舒適性受平衡覺刺激(體感舒適性)和視覺刺激(心理舒適性)的共同影響；

2)隨著外界環(huán)境視覺危險程度的增加，乘員舒適性的主要影響因素從平衡覺刺激向視覺刺激轉變。具體而言，乘員傾向于犧牲一定程度的生理舒適性以換取心理舒適性，期望車輛采取盡早感知并規(guī)避風險的行駛策略。

后續(xù)研究中，可進一步做優(yōu)化的方面包括：1)細化試驗設置中平衡覺和視覺輸入的顆粒度，構建多級工況，深入研究兩類影響因素分別逐級增大/減小的過程對于舒適性的影響規(guī)律；2)優(yōu)化車輛運動學參數和障礙物設置，避免過大或過小的平衡覺輸入，提升環(huán)境障礙物的視覺區(qū)分度等。