楊智博，張志強，秦孔建 ＊，陳曉東，王 磊

（1.機械科學(xué)研究總院 中汽認(rèn)證中心有限公司，北京 100044；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

由于汽車自動駕駛技術(shù)具有有效提高道路交通安全、緩解道路擁堵、減少排放、提高國家和企業(yè)的市場競爭力的優(yōu)勢，其得到了社會的廣泛關(guān)注并取得了高速的發(fā)展。隨著自動駕駛等級的不斷提高，自動駕駛越來越多地替代了駕駛員本應(yīng)執(zhí)行的操作和責(zé)任，這帶來了全新的人機交互模式和駕駛方式[1]。針對這樣的變革需要對駕駛員的特定生理適應(yīng)性做出分析，以確保自動駕駛功能的使用沒有因為對駕駛員造成生理或心理上的不適而導(dǎo)致潛在的重大風(fēng)險[2]。

現(xiàn)有研究表明，自動駕駛汽車在一些復(fù)雜場景下，例如過近的跟車距離、過多交通參與物、過于復(fù)雜的交通環(huán)境等，將導(dǎo)致駕駛員和乘員的舒適性下降、接管能力降低、信任度不足等負(fù)面影響[3～6]。這些負(fù)面影響將致使駕駛員做出錯誤的操作，導(dǎo)致潛在的安全威脅。對于駕駛員感受的研究，傳統(tǒng)方法是依賴于駕駛員和乘員的主觀評價。但現(xiàn)有研究表明生理指標(biāo)的變化是主觀精神感受的前提基礎(chǔ)，主觀感受與相應(yīng)的生理狀態(tài)是相關(guān)的[7]。生理數(shù)據(jù)作為客觀指標(biāo)能從另一維度表征駕駛員生理及心理狀態(tài)的變化，隨著生理數(shù)據(jù)的采集越來越方便、準(zhǔn)確，使得生理數(shù)據(jù)成為研究自動駕駛舒適性的有效手段之一。

現(xiàn)有研究表明，不同的自動駕駛場景對心率（Heart Rate）、心率變異性（HRV；Heart Rate Variability）、皮電（SCR；Skin Conductance Response）等生理參數(shù)的影響是顯著的，且這些生理數(shù)據(jù)的變化意味著主觀感受的變化[8]。Beggiato[3]等人基于駕駛模擬器的研究表明，在自動駕駛時如果出現(xiàn)不舒適的場景，駕駛?cè)说男穆?、及瞳孔直徑（Pupil-diameter）會出現(xiàn)顯著變化。長時間不舒適的場景會導(dǎo)致心率的下降及瞳孔直徑的減小。李顯生[4]等學(xué)者基于駕駛模擬器的研究表明，駕駛員在面對應(yīng)激場景時心率變異性的時域指標(biāo)會發(fā)生顯著變化，且緊張程度越高心率變異性指標(biāo)越小。Valderas等[5]利用心電圖對比研究了駕駛員在擁堵的市區(qū)快速干道和毫無通行障礙的高速公路上行車時的心理壓力，結(jié)果表明駕駛員在暢行的高速公路上比擁擠的市區(qū)快速干道上心理緊張程度更高。Valderas[9]等學(xué)者的研究顯示，在不同的情緒下人類的心率變異性會出現(xiàn)顯著變化。心率變異性頻域指標(biāo)LF（Low Frequency）、HF（High Frequency）以及它們的比值LF/HF能夠顯著表征被測人員的心理狀態(tài)是否處在愉悅狀態(tài)。袁偉[10]等學(xué)者研究了不同城市道路類型對駕駛員工作負(fù)荷的影響，發(fā)現(xiàn)心率變異性的RMSSD和LF指標(biāo)有顯著變化，有效表征了不同的駕駛員心理狀態(tài)。田小婷[11]則基于對心率變異性等生理指標(biāo)的監(jiān)測開展了駕駛員精神負(fù)荷的評價工作。

上述研究證明了客觀生理數(shù)據(jù)能表征駕駛員的生理、心理狀態(tài)，進而能夠基于此開展舒適性的量化研究。當(dāng)前研究主要分析含有交通參與物的環(huán)境場景對駕駛員的影響，而舒適性還受到車輛速度和加速度的影響。研究表明，具有較高的加速度會造成乘員的生理不適[12,13]。因此針對自動駕駛汽車單車場景下的運動學(xué)表現(xiàn)，例如過大的加速度、過高的速度等對駕駛員的影響研究略顯不足。本文基于實車實驗數(shù)據(jù)，研究了道路條件為直路段的多個初始速度下不同制動加速度對駕駛員心率變異性的影響情況。結(jié)合被測人員的主觀評價結(jié)果，對客觀生理數(shù)據(jù)與主觀評價結(jié)果之間的關(guān)系進行了分析，以探索自動駕駛條件下不同運動學(xué)表現(xiàn)對駕駛?cè)耸孢m性的影響及程度大小。

1 研究方法

1.1 被測人員

共有12名參與者（2名女性）作為被測對象參加了本次基于封閉場地的實車測試。每位被測者都持有有效的中國駕駛執(zhí)照，平均年齡為30±3歲，駕齡全部大于3年，全部被測者無既往心臟疾病史。此外，要求被測者在研究前24小時內(nèi)避免劇烈運動及攝入含有心臟興奮功能的食物和飲料，例如咖啡因、酒精和功能性飲料。研究過程中，三名被測人員的生理數(shù)據(jù)被排除，其中兩名人員由于出汗較多導(dǎo)致無法有效采集，一名人員由于患有其他基礎(chǔ)病，其心電數(shù)據(jù)顯著異常于其他被測。

1.2 實驗設(shè)備

為了使被測人員獲得真實的無人駕駛及車輛動力學(xué)感受，本研究基于封閉場地開展實車測試。為了更便捷地獲得自動駕駛狀態(tài)下不同的速度和加速度，我們采用常規(guī)車輛加裝自動駕駛機器人的方式實現(xiàn)L4級別自動駕駛。測試用車為豐田漢蘭達(dá)，車上裝備ABD公司生產(chǎn)的型號為CBAR和SR60的自動駕駛機器人。自動駕駛機器人經(jīng)標(biāo)定后可精確控制油門踏板、剎車踏板和方向盤，配合RT3000慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可精準(zhǔn)地控制并記錄車輛的位置、速度和加速度。

被測駕駛員的生理數(shù)據(jù)采集及分析使用ERGONEERS公司的PhysioLAB系統(tǒng)和設(shè)備。ECG（Electrocardiograph）信號的采集使用I導(dǎo)聯(lián)（Lead I）方式進行電極布置，采樣頻率100Hz。

圖1 心電采集及自動駕駛機器人示意圖

1.3 實驗設(shè)計及實驗過程

1.3.1 實驗設(shè)計

本次研究的實驗采用被試內(nèi)設(shè)計（Within-subjects design），因素一（Factor）為3個不同的行駛速度（20、60、100；km/h），因素二為3個不同的制動加速度（-2、-4、-6；m/s2），因素三為2個測量時間點（實驗前、實驗中）。每位被試者先后完成9次子實驗，每次子實驗包含一種行駛速度和一種制動速度，制動動作在車速穩(wěn)定1分鐘后的10秒內(nèi)隨機發(fā)生。9次子實驗順序在所有被試者間隨機分配，以避免出現(xiàn)學(xué)習(xí)效應(yīng)。所有子實驗在封閉測試場地內(nèi)的同一直路段進行，無其它交通參與物，實驗天氣晴好。

1.3.2 實驗過程

被試者到達(dá)實驗場地后，實地了解實驗詳情并簽署風(fēng)險知情同意書。之后，告知被試者實驗及設(shè)備的基本情況，包括實驗內(nèi)容、自動駕駛機器人的工作原理、工作條件及危險狀況下的急停操作以及主觀感受評價表（如表1所示）含義等。熟悉后被試者進入車輛進行適應(yīng)性實驗，包括熟悉實驗過程和急停操作等。適應(yīng)過程選擇（-4m/s2～60km/h）實驗點開展，隨后被試者佩戴電極開始正式實驗。每次子實驗開始前采集2分鐘實驗前心電數(shù)據(jù)，實驗開始達(dá)車速穩(wěn)定后開始采集實驗中心電數(shù)據(jù)，至制動發(fā)生后1分鐘結(jié)束采集。每次子實驗結(jié)束后被試者休息10分鐘，并根據(jù)主觀感受對該次實驗進行主觀打分。

表1 主觀評分基準(zhǔn)

1.3.3 數(shù)據(jù)

本文選擇心率和心率變異性指標(biāo)作為被試人的生理參數(shù)，開展不同運動狀態(tài)下生理和心理特性的研究。心率是指每分鐘心跳的次數(shù)，心率變異性是指逐次心跳周期差異的變化情況，二者都可以客觀地反映被試人員的情緒變化。其中心率變異性時域指標(biāo)選取SDNN、RMSSD為研究參數(shù)，頻域指標(biāo)選取歸一化低高頻功率LFnorm、HFnorm為研究參數(shù)，參數(shù)說明如表2所示。

表2 研究參數(shù)說明

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

剔除學(xué)生化殘差超過±3的異常值后對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，結(jié)果顯示所有數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，可以進行配對T檢驗及方差分析。

2.1 總體結(jié)果

圖2給出了9個子實驗下所有被測人員數(shù)據(jù)平均值的變化情況，對比9個子實驗每個實驗過程中的數(shù)值和實驗前的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，HR有輕微升高，SDNN與RMSSD的數(shù)值有明顯減小，LFnorm、HFnorm的數(shù)值變化無顯著規(guī)律。

圖2 各實驗中生理數(shù)據(jù)

對所有實驗前和實驗過程中的數(shù)據(jù)做配對T檢驗，結(jié)果如表3所示。可以看到HR實驗中（76.09±7.79bpm）比HR實驗前（75.41±7.38bpm）升高了0.68bpm（95% CI：0.27～1.33bpm），t（70）=-2.078，P＜0.05。SDNN實驗中（32.46ms±18.39ms）比SDNN實驗前（43.79±20.46ms）降低了11.32ms（95% CI：8.42～14.23ms），t（70）=7.777，P＜0.001。RMSSD實驗中（26.71±13.82ms）比RMSSD實驗前（32.90±16.65ms）降低了6.19ms（95%CI：3.18～9.19ms），t（70）=4.112，P＜0.001。頻域指標(biāo)LFnorm、HFnorm前后的數(shù)值差異不顯著，P＞0.05。上述結(jié)果表明，自動駕駛狀態(tài)中不同初速度下的制動會造成駕駛員心率輕微上升和心率變異性時域指標(biāo)SDNN與RMSSD的顯著。減小，且這種減小意味著駕駛員在該情境下有顯著的不適感[4,14]。

表3 配對T檢驗

進一步研究不同速度、加速度水平對舒適度的影響程度，對心率及心率變異性時域數(shù)據(jù)開展方差分析。由于生理指標(biāo)受個體本身差異性影響較大，在相同情況下被測人員生理指標(biāo)基準(zhǔn)值也會存在差異，且室外的溫度、光照等氣象條件也難以做到完全一致，上述因素都會導(dǎo)致基準(zhǔn)值存在差異。因此取每個被測者兩個時間點的數(shù)據(jù)差值ΔHR、ΔSDNN、ΔRMSSD作為指標(biāo)研究不同速度、加速度對駕駛員生理及心理的影響程度。

2.2 心率分析

ΔHR滿足莫奇來球形檢驗（Mauchly's Test of Sphericity），對其開展兩因素重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示速度*加速度兩因素的交互作用不顯著（F（4，24）=0.712，P=0.592），因此對每個因素的主效應(yīng)進行單獨分析。結(jié)果顯示不同水平的加速度（F（2，12）=0.675，P=0.528）和速度（F（2，12）=1.450，P=0.273）對ΔHR主效應(yīng)都不顯著。如圖3所示，不同水平速度及加速度間ΔHR差異無明顯區(qū)別。這說明雖然不同速度下的制動會使HR上升，但HR的上升程度對不同水平速度和制動加速度并不敏感，無法用變化量表征不同運動水平下的不舒適度。

圖3 各速度&加速度下的心率差值

2.3 SDNN分析

ΔSDNN滿足莫奇來球形檢驗，對其開展兩因素重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示速度*加速度兩因素的交互作用不顯著（F（4，24）=0.872，P=0.495），因此對每個因素的主效應(yīng)進行單獨分析。結(jié)果顯示不同水平加速度（F（2，12）=4.517，P=0.034）對ΔSDNN的主效應(yīng)顯著，速度（F（2，12）=0.880，P=0.440）主效應(yīng)不顯著。這說明SDNN的下降程度會因制動加速度的不同存在顯著差異，且下降程度大小不受速度變化的調(diào)節(jié)。

對加速度主效應(yīng)進行兩兩比對，發(fā)現(xiàn)在90%顯著水平下-6m/s2與-2m/s2（P=0.012）、-4m/s2（P=0.092）兩水平下的ΔSDNN差異顯著，而-2m/s2與-4m/s2間差異不顯著（P=0.853）。如圖4所示，ΔSDNN在-6m/s2時的下降程度達(dá)到-18.45ms（95% CI：-24.95～-11.95ms），顯著大于-2m/s2（-7.55ms（95% CI：-15.41～-0.32ms））和-4m/s2（-8.21ms（95% CI：-12.60～-3.82ms））水平下的下降程度。這說明SDNN的下降程度會隨著制動強度的增加而增加，過大的減速度帶來的生理不適感加劇能夠基于SDNN的變化量進行量化表征。此外，這種大幅度的程度變化在超過-4m/s2時呈現(xiàn)，可能表明該加速度是駕駛員生理不適感顯著增強的一個臨界點。

圖4 不同加速度下的SDNN差值

2.4 RMSSD分析

ΔRMSSD不滿足莫奇來球形檢驗，對其進行格林豪斯-蓋斯勒（Greenhouse &Geisser）校正后開展兩因素重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示速度*加速度兩因素的交互作用不顯著（F（4，24）=1.121，P=0.359），因此對每個因素的主效應(yīng)進行單獨分析。結(jié)果顯示不同水平的加速度（F（2，12）=0.382，P=0.691）和速度（F（2，12）=0.414，P=0.670）對ΔRMSSD主效應(yīng)都不顯著。如圖5所示，不同水平速度及加速度間ΔRMSSD差異無明顯區(qū)別。這說明雖然不同速度下的制動會使RMSSD顯著下降，但RMSSD的下降程度對不同水平速度和制動加速度并不敏感，無法用變化量表征不同運動水平下的不舒適度。

圖5 不同速度&加速度下的RMSSD差值

2.5 主觀評價分析

主觀評價分?jǐn)?shù)滿足莫奇來球形檢驗，對其開展兩因素重復(fù)測量方差分析。結(jié)果顯示速度*加速度兩因素的交互作用不顯著（F（4，24）=1.275，P=0.308），因此對每個因素的主效應(yīng)進行單獨分析。結(jié)果顯示不同水平加速度（F（2，12）=69.017，P＜0.001）對主觀評分的主效應(yīng)顯著，速度（F（2，12）=3.5，P=0.063）主效應(yīng)不顯著。對所有被測在各子實驗中的主觀評價分?jǐn)?shù)取平均值，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鲭S著制動強度的增加，駕駛員的舒適感顯著遞減，從-2m/s2制動水平下的“很滿意”依次遞減到-4m/s2水平的“不太滿意”和-6m/s2水平的“很不滿意”。此外駕駛員的舒適感與制動發(fā)生前的行駛速度無關(guān)，三個行駛速度下的評分無顯著差異。這說明被測人員的主觀舒適度評價與客觀生理數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果高度一致，既舒適感會因制動加速度的不同存在顯著差異但舒適感不受制動發(fā)生前速度變化的調(diào)節(jié)。

圖6 不同速度&加速度下的主觀評價分?jǐn)?shù)

使用斯皮爾曼模型對主觀評價分?jǐn)?shù)與心率、心率變異性指標(biāo)和速度加速度開展相關(guān)性分析。如表4所示，主觀評價分?jǐn)?shù)與加速度（Rho=0.9，P＜0.001）、ΔSDNN（Rho=0.287，P=0.015）相關(guān)性顯著。說明ΔSDNN可以一定程度上量化的表征本研究場景中由不同制動加速度引起的不適感，如圖7所示。

表4 主觀評價相關(guān)性分析

圖7 不同加速度下主觀評價分?jǐn)?shù)與相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本文基于心率及心率變異性并結(jié)合主觀評價對單車場景下自動駕駛汽車運動狀態(tài)對駕駛員舒適性的影響做了研究和分析，試圖確定駕駛員的主客觀舒適性是否會隨著自動駕駛車輛不同水平的制動加速度和速度而產(chǎn)生變化?？紤]到生理指標(biāo)受個體差異影響較大，個體的生理基準(zhǔn)值可能略有不同，因此使用個體兩時間水平上的差值作為研究對象。此外，由于不同的外界因素可能引發(fā)類似的生理及心理反應(yīng)[3]，本研究中選取了封閉場地進行實驗以確保環(huán)境的單一性。

本文發(fā)現(xiàn)在制動發(fā)生的時候心率會有一個微小的升高，且該變化具有統(tǒng)計學(xué)意義。這與李顯生[4]、袁偉[10]、羅杰[15]等學(xué)者的研究結(jié)果一致，既在工作負(fù)荷增加、緊張情緒加劇等駕駛員生理、心理不適情況下心率會升高。額外需要注意的是，在使用生理指標(biāo)作為分析數(shù)據(jù)開展人因研究時，對適用場景和數(shù)據(jù)片段的選擇需要進行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C。Beggiato[3]研究結(jié)論顯示自動駕駛狀態(tài)下不適情景的出現(xiàn)會導(dǎo)致心率下降，這可能是由于Beggiato分析的數(shù)據(jù)片段為不適場景出現(xiàn)前后連續(xù)的一段時間內(nèi)心率的變化，而本文及上述其他作者對比的數(shù)據(jù)片段是實驗前的靜息心率與實驗中的心率。此外，Beggiato分析的場景為駕駛員發(fā)現(xiàn)不適情景出現(xiàn)后的幾秒，并認(rèn)為此時心率的下降是呼吸導(dǎo)致的，而這種生理調(diào)節(jié)是在為可能發(fā)生的危險情景做動作準(zhǔn)備。本文的研究場景只涉及直觀感受而未涉及接管任務(wù)，這也可能是結(jié)論不一致的原因。

心率變異性數(shù)據(jù)分析中，頻域指標(biāo)的變化無統(tǒng)計學(xué)意義，尚不能認(rèn)為本次研究中的場景對其產(chǎn)生了影響。時域指標(biāo)RMSSD和SDNN在制動場景下都出現(xiàn)了顯著的下降，這與先驗知識一致，說明制動會導(dǎo)致駕駛員的不舒適且這種不舒適主要是由制動減速度引起而非行駛速度。此外，本研究顯示加速度水平的變化對SDNN降低程度的主效應(yīng)明顯，且在制動加速度超過-4時變化程度最顯著。這與Bosetti[13]的研究成果相似，Bosetti在采集24名駕駛員的自然駕駛數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)駕駛員在99.99%的采集時間里制動加速度都未超過-2，只有極少數(shù)情況制動加速度超過了-4。因此SDNN的變化程度從客觀表明-4是駕駛員生理不適的一個臨界點。

主觀評價分?jǐn)?shù)顯示駕駛員的主觀感受與客觀生理數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果高度一致，既駕駛員主觀舒適度隨制動強度的增加而減小，且主觀評分與速度大小無關(guān)。此外，主觀評價的分?jǐn)?shù)與的相關(guān)性顯著，這說明可以作為客觀數(shù)據(jù)直接用來表征駕駛員的不適感。但相關(guān)系數(shù)（Rho=0.287）顯示二者的相關(guān)程度較弱，因此若采用生理指標(biāo)精確地直接表征駕駛員的不適感，則可能需要使用其他生理數(shù)據(jù)進行輔助和修正。

3.2 結(jié)論

1）平直路段不同初速度下自動駕駛汽車的制動會對駕駛員造成主觀和客觀上的不適，不適感會隨著制動強度的增加而增加，但不適感與行駛速度無關(guān)。

2）制動引起的不適會造成心率輕微上升，心率變異性時域指標(biāo)SDNN和RMSSD顯著下降。不同水平加速度對心率和RMSSD的變化程度的影響不顯著，對SDNN的變化程度影響顯著。

3）對舒適度的主觀評價與生理指標(biāo)數(shù)據(jù)表征的情況高度一致，且與SDNN變化程度的相關(guān)性顯著，使用SDNN并結(jié)合其他生理指標(biāo)對舒適度進行量化表征存在可行性。

后續(xù)將開展更多場景下的實驗，并采集更多維度的生理數(shù)據(jù)。對多種生理數(shù)據(jù)與不舒適度之間的量化關(guān)系開展研究，以更加全面地分析自動駕駛汽車不同運動狀態(tài)下駕駛員的主客觀舒適度。