郭烈，胥林立，秦增科，王旭

(大連理工大學(xué)，汽車工程學(xué)院,遼寧大連 116024)

0 引言

隨著網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在汽車行業(yè)的不斷應(yīng)用和人工智能、控制算法及車載傳感器的不斷突破，自動(dòng)駕駛技術(shù)得到快速發(fā)展，各種駕駛輔助系統(tǒng)相繼投入使用。電氣化、智能化及網(wǎng)聯(lián)化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的新方向。

根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)(Society of Automotive Engineers,SAE)制定的分類標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)駕駛共分為6級(jí)：無自動(dòng)化(L0)、駕駛輔助(L1)、部分自動(dòng)化(L2)、條件自動(dòng)化(L3)、高度自動(dòng)化(L4)以及完全自動(dòng)化(L5)。2021年，SAE International對(duì)駕駛自動(dòng)化分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更新和完善，進(jìn)一步明確L3 級(jí)和L4 級(jí)之間的區(qū)別，包括：駕駛員所承擔(dān)的角色，L3 級(jí)自動(dòng)化級(jí)別的功能回退以及L4 級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(Automated Driving System,ADS)對(duì)車內(nèi)用戶發(fā)出警報(bào)的可能性。報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào)，駕駛員作為執(zhí)行動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的后備角色，在自動(dòng)駕駛時(shí)不需要監(jiān)督L3 級(jí)ADS，但在ADS 發(fā)生故障或駕駛環(huán)境超出系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)域(Operational Design Domain,ODD)而不支持ADS 繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，要求駕駛員在ADS發(fā)出接管請(qǐng)求時(shí)重新恢復(fù)動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)。其中，ODD 指ADS 功能設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)ADS 功能執(zhí)行環(huán)境的限制，包括：天氣狀況、地理?xiàng)l件、道路情況、前方區(qū)域是否可行駛及行駛路線是否明確等一系列限制[1]。

在駕駛員重新恢復(fù)動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的過程中，駕駛員對(duì)駕駛環(huán)境信息的感知和理解以及人-機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)接管過程起著重要作用，駕駛接管安全將更取決于人和自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合性能[2-3]。因此，本文主要研究對(duì)象為L3 級(jí)別的自動(dòng)駕駛車輛，除非特殊指明，下文所述自動(dòng)駕駛車輛和ADS均指L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛。

接管過程由幾個(gè)連續(xù)的階段組成。在自動(dòng)駕駛過程中突發(fā)緊急事件或ADS 超出ODD 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)接管請(qǐng)求(Take Over Request,TOR)，并通過人-機(jī)交互系統(tǒng)提醒駕駛員接管車輛[4]。駕駛員在接收到系統(tǒng)的請(qǐng)求后，需要將注意力從非駕駛相關(guān)任務(wù)(Non-Driving Related Task,NDRT) 完全轉(zhuǎn)移到駕駛環(huán)境上，通過對(duì)環(huán)境的重新感知和理解，恢復(fù)對(duì)車輛的控制[5]。同時(shí)，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)ADS無法勝任駕駛?cè)蝿?wù)，或者因自身原因無法或不愿繼續(xù)控制車輛時(shí)，在ADS具備自動(dòng)駕駛的條件下，駕駛員可主動(dòng)接管車輛或?qū)Ⅰ{駛?cè)蝿?wù)轉(zhuǎn)移給ADS[2,6]。由此可見，駕駛接管的安全性受較多因素影響，具體包括：人因問題(NDRT、駕駛員年齡、接管經(jīng)驗(yàn)、情景感知、接管時(shí)間預(yù)算)、交通環(huán)境(交通密度、道路條件)以及人-機(jī)交互系統(tǒng)(接管請(qǐng)求方式、控制權(quán)切換形式)等[7-8]。

駕駛員接管車輛的表現(xiàn)通常用接管績效來衡量，接管績效包括時(shí)間和質(zhì)量兩大維度[8]。從時(shí)間維度看，接管時(shí)間通常定義為TOR與駕駛員第1次在視覺或行為反應(yīng)之間的時(shí)間間隔。駕駛員的視覺反應(yīng)時(shí)間通常用TOR 發(fā)出后與駕駛員第1 次關(guān)注某區(qū)域之間時(shí)間來衡量。駕駛員行為反應(yīng)時(shí)間通常用手或腳第1 次重新定位到控制單元之間的時(shí)間以及駕駛員第1 次有效接管車輛時(shí)間來衡量(通常定義為駕駛員踩下剎車踏板超過10%或轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤超過2°)。

接管事件中駕駛員對(duì)車輛的操作將導(dǎo)致車輛橫、縱向的速度發(fā)生變化，因此，衡量接管質(zhì)量最重要的指標(biāo)是車輛的速度和加速度指標(biāo)。同時(shí)，接管質(zhì)量還取決于駕駛員對(duì)接管事件的反應(yīng)，例如，與危險(xiǎn)源之間的碰撞時(shí)間，對(duì)方向盤和制動(dòng)踏板的操縱。同時(shí)，換道相關(guān)數(shù)據(jù)也可被收集于接管過程[9]。

除此之外，基于生理測(cè)量的評(píng)價(jià)方法也被用于評(píng)價(jià)駕駛員在自動(dòng)駕駛過程中的情境意識(shí)和腦力負(fù)荷[10]。使用生理測(cè)量方式評(píng)估駕駛員腦力負(fù)荷的潛力已在先前的研究中得到廣泛證實(shí)。其主要優(yōu)勢(shì)在于客觀性、非中斷性以及在現(xiàn)實(shí)世界和模擬環(huán)境中持續(xù)使用的潛力。但其局限性在于容易受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響。因此，必須對(duì)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化，最大限度地減少環(huán)境噪聲和個(gè)體差異的影響。例如，ALREFAIE 等[11]使用平均標(biāo)準(zhǔn)化瞳孔直徑和心率評(píng)估駕駛員在執(zhí)行NDRT 時(shí)的腦力負(fù)荷。發(fā)現(xiàn)從事占用手部資源的NDRT 將導(dǎo)致心率顯著增加，并認(rèn)為瞳孔直徑的測(cè)量僅在實(shí)驗(yàn)環(huán)境受到高度控制時(shí)才有效。在ZHANG 等[12]和CHARLES 等[13]的綜述中，詳細(xì)討論了生理測(cè)量在駕駛員情景意識(shí)獲取和腦力負(fù)荷方面的應(yīng)用。

近年來，網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展使自動(dòng)駕駛車輛獲取信息的邊界得到了極大的擴(kuò)展。網(wǎng)聯(lián)技術(shù)融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)車與X(車、路、人、云等)之間的信息交換和共享。智能網(wǎng)聯(lián)車輛具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策以及協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、高效、舒適、節(jié)能行駛，并最終實(shí)現(xiàn)替代人來操作[14]。

TOR 以及控制權(quán)切換(Transitions of Control,ToC)問題作為自動(dòng)駕駛車輛關(guān)鍵核心技術(shù)之一，在自動(dòng)駕駛過程中需保證駕駛員在長時(shí)間脫離駕駛?cè)蝿?wù)后仍具有一定的認(rèn)知能力，且接管請(qǐng)求應(yīng)能使駕駛員的注意力及時(shí)轉(zhuǎn)移到對(duì)駕駛環(huán)境的感知中，避免因此引起駕駛員慌亂。在控制權(quán)切換過程中，需保證控制權(quán)能平穩(wěn)安全的過渡給駕駛員，避免交通事故發(fā)生。同時(shí)，隨著網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，利用其提供的駕駛信息，更高效、更安全地完成接管，也是駕駛接管需要關(guān)注的重點(diǎn)。本文基于以上關(guān)鍵問題，以駕駛接管系統(tǒng)為中心，對(duì)接管過程中涉及的人因、交通環(huán)境、人機(jī)交互等影響因素進(jìn)行分析與討論，并對(duì)該領(lǐng)域未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 人因?qū)庸苓^程的影響

由于人類不擅長長時(shí)間保持警惕和持續(xù)關(guān)注的任務(wù)[15]，當(dāng)駕駛員從駕駛?cè)蝿?wù)中解脫后，可能造成駕駛員精神負(fù)荷不足，并隨著時(shí)間的推移，會(huì)出現(xiàn)注意力不集中和反應(yīng)變慢等被動(dòng)疲勞狀態(tài)[16]。這些表現(xiàn)降低了駕駛員的監(jiān)管能力，削弱了駕駛員在必要時(shí)進(jìn)行接管的反應(yīng)能力，從而導(dǎo)致潛在的危急情況。因此，駕駛接管過程中的人因問題研究受到了廣泛的關(guān)注，成為該領(lǐng)域研究中的重點(diǎn)之一。

1.1 非駕駛相關(guān)任務(wù)

在L3 級(jí)ADS 中，駕駛員可以完全脫離駕駛?cè)蝿?wù)，甚至無需監(jiān)督駕駛環(huán)境，這意味著駕駛員可以在自動(dòng)駕駛期間執(zhí)行與駕駛無關(guān)的任務(wù)，即非駕駛相關(guān)任務(wù)或次任務(wù)。之前的研究發(fā)現(xiàn)，即使不被允許，駕駛員仍有可能在L3 自動(dòng)化以下的車輛上從事非駕駛相關(guān)的任務(wù)，并對(duì)駕駛性能帶來了負(fù)面影響[17-18]。更高水平的自動(dòng)化進(jìn)入市場(chǎng)后(L3～L5)，預(yù)計(jì)會(huì)推動(dòng)更復(fù)雜的NDRT。同時(shí)，NDRT 也將從次任務(wù)級(jí)別提升為第2主要任務(wù)(除準(zhǔn)備接管外)。根據(jù)FORSTER等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，與L2級(jí)ADS相比，L3 級(jí)ADS 中的NDRT 參與度明顯更強(qiáng)，并且駕駛員在NDRT中的參與度隨著時(shí)間的推移而更高。

MORALES-ALVAREZ 等[20]根據(jù)NDRT 的資源需求將其劃分為認(rèn)知需求、視覺需求及身體需求(主要為手部)任務(wù)。先前的研究表明，NDRT 會(huì)延長接管時(shí)間并對(duì)接管績效產(chǎn)生負(fù)面影響[21]。特別是執(zhí)行具有手部資源需求的NDRT時(shí)，接管時(shí)間平均增加了1.33 s，而參與具有視覺和認(rèn)知需求NDRT 的接管時(shí)間比不使用NDRT 時(shí)略微增加0.29 s[8]。此外，NDRT 也可根據(jù)其任務(wù)類型分為標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)(例如，N-back 任務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)視覺SuRT 任務(wù)等)和自然型任務(wù)(例如，看視頻，與乘客交談等)。由于其出色的可控性和可重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)通常被用作NDRT 評(píng)估駕駛員在自動(dòng)駕駛中的表現(xiàn)[22]。然而，標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)的缺點(diǎn)是將研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的能力有限。尤其是在L3 級(jí)ADS 中，駕駛員從事的NDRT會(huì)更加復(fù)雜。事實(shí)上，當(dāng)自然型任務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)被用作次要任務(wù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異已經(jīng)確定，例如，駕駛員在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)型通話任務(wù)時(shí)(執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算)要比自然型通話任務(wù)對(duì)駕駛的干擾更大，標(biāo)準(zhǔn)型通話任務(wù)下的速度差異(平均速度變化為2.1 m·s-1要顯著高于自然型通話任務(wù)下的速度差異(平均速度變化為2.5 m·s-1)[23]。KO 等[24]認(rèn)為，在研究NDRT 時(shí)，“flow”(對(duì)一項(xiàng)任務(wù)的強(qiáng)烈投入或完全專注)的概念相比于傳統(tǒng)的基于工作負(fù)載的自動(dòng)駕駛范式更合適，這也意味著自然型任務(wù)比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型任務(wù)更有效，駕駛員更有動(dòng)力執(zhí)行自然型任務(wù)。PFLEGING等[25]的一項(xiàng)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，駕駛員在更高級(jí)別的ADS中更傾向于使用智能手機(jī)，與乘客交談以及聽音樂等活動(dòng)。因此，在L3級(jí)ADS 的研究中，需要更多地考慮自然型任務(wù)，以檢查這些任務(wù)的分心潛力。

1.2 駕駛員認(rèn)知負(fù)荷特性

ADS發(fā)出接管請(qǐng)求后，駕駛員需要完成對(duì)交通環(huán)境的重新感知，并做出合理預(yù)判和駕駛決策，因此，駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷會(huì)直接影響到接管績效[26]。在長時(shí)間的自動(dòng)駕駛過程中，駕駛員容易出現(xiàn)駕駛分心、被動(dòng)疲勞、對(duì)ADS過度信任和駕駛技能退化等4個(gè)問題[27]。接管過程時(shí)間線如圖1所示。

圖1 接管過程時(shí)間線Fig.1 Timeline of takeover process

駕駛分心主要表現(xiàn)為駕駛員的注意力從監(jiān)視路況等基本駕駛?cè)蝿?wù)轉(zhuǎn)移到NDRT 中，進(jìn)而降低駕駛員對(duì)交通狀況的認(rèn)知。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出接管請(qǐng)求后，駕駛員需要先脫離NDRT，才能恢復(fù)對(duì)場(chǎng)景的重新感知，因此，在一定程度上延長了接管時(shí)間，并對(duì)接管質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[28-29]。駕駛員在未參與NDRT 時(shí)，會(huì)頻繁地檢查抬頭顯示器和后視鏡，收集更多關(guān)于道路環(huán)境的信息，因執(zhí)行NDRT而分心的駕駛員會(huì)更多地將目光集中在道路中心[30]。因此，參與NDRT 可能會(huì)降低駕駛員對(duì)駕駛環(huán)境相關(guān)因素的感知，導(dǎo)致較差的接管績效[31]。在長時(shí)間的自動(dòng)駕駛過程中，駕駛?cè)蝿?wù)的大幅減少會(huì)導(dǎo)致駕駛員認(rèn)知負(fù)荷降低并陷入被動(dòng)疲勞，進(jìn)而致其表現(xiàn)出昏睡、注意力不集中以及對(duì)周圍刺激反應(yīng)減弱等狀態(tài)[32-33]。同時(shí)，駕駛員對(duì)ADS 功能的過于信任和過度依賴，也將進(jìn)一步增加駕駛分心和被動(dòng)疲勞的傾向[34]。

部分研究發(fā)現(xiàn)，在長時(shí)間自動(dòng)駕駛后，適當(dāng)?shù)腘DRT 使駕駛員有更好地接管績效。駕駛員在從事NDRT 時(shí)，仍保持一定的認(rèn)知負(fù)荷，從而降低了被動(dòng)疲勞水平，在面對(duì)TOR 時(shí)能更加警覺[35-36]。GOLD 等[7]發(fā)現(xiàn)隨著NDRT 負(fù)荷的增加，最小碰撞時(shí)間也上升了?？赡艿慕忉屖牵琋DRT帶來的認(rèn)知負(fù)荷激活了駕駛員的注意力資源，降低了被動(dòng)疲勞水平。

然而，一些研究卻無法復(fù)制這些發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為NDRT沒有引起接管績效的提高[37-38]。這些矛盾結(jié)果的一個(gè)可能原因是，強(qiáng)制性的NDRT對(duì)每個(gè)駕駛員來說沒有相同的內(nèi)在動(dòng)機(jī)特征，因此，沒有產(chǎn)生相同的刺激效果，由于工作量大，長期強(qiáng)制參與NDRT 甚至可能導(dǎo)致主動(dòng)疲勞(由長時(shí)間的高工作負(fù)荷引起)[39]。因此，駕駛員適當(dāng)?shù)淖栽竻⑴c可選的NDRT，在一定程度上可以自我調(diào)節(jié)，以消除被動(dòng)疲勞，使駕駛員保持一定的認(rèn)知負(fù)荷。

1.3 接管時(shí)間預(yù)算

1.3.1 人因?qū)庸軙r(shí)間預(yù)算的影響

受限于車載傳感器的探測(cè)范圍和預(yù)測(cè)系統(tǒng)邊界的能力，ADS只能在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)即將到來的危險(xiǎn)做出警報(bào)，以提醒駕駛員接管車輛。因此，駕駛員接管車輛所需時(shí)間是非常重要的問題。

接管時(shí)間提前量一般指從系統(tǒng)發(fā)出接管請(qǐng)求到關(guān)鍵事件發(fā)生所需的時(shí)間。然而，由于駕駛員的反應(yīng)特性、所從事的NDRT 及所處的駕駛環(huán)境不同，駕駛員接管所需時(shí)間相差較大。在有時(shí)間要求的場(chǎng)景下，接管時(shí)間多在3～7 s范圍內(nèi)[40-41]。而在無時(shí)間壓力的接管研究中，駕駛員接管的時(shí)間均值在4.5～6.0 s，但實(shí)際范圍卻在1.9～25.7 s[42]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員的情境意識(shí)和注意力的恢復(fù)約占整個(gè)接管提前量的1/2，接管提前量越短，駕駛員反應(yīng)越快，操縱車輛的時(shí)間也就越早，但是對(duì)車輛的操作也更激烈，接管質(zhì)量也相對(duì)更差；當(dāng)駕駛員沒有足夠時(shí)間恢復(fù)對(duì)情景的認(rèn)知并做出正確的決定時(shí)，駕駛員往往更傾向于采取制動(dòng)操作，以降低車速獲得更多的時(shí)間來做出決定或進(jìn)行變道[37]。

不同類型的NDRT 對(duì)接管時(shí)間的影響也有一定的差異，占據(jù)手部資源的NDRT表現(xiàn)出更長的接管時(shí)間，除此之外，進(jìn)行視覺類NDRT 的平均接管時(shí)間略有增加。ALREFAIE 等[11]檢查了由認(rèn)知和視覺-認(rèn)知NDRT 引起的瞳孔直徑和心率的變化，發(fā)現(xiàn)在視覺-認(rèn)知NDRT的條件下，瞳孔擴(kuò)張最大，心率也較高，且駕駛員的反應(yīng)時(shí)間也較長。ZEEB等[22]通過分析駕駛員的眼部運(yùn)動(dòng)和機(jī)動(dòng)反應(yīng)，認(rèn)為駕駛員的視覺反應(yīng)和建立運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)幾乎是條件反射的，但對(duì)環(huán)境認(rèn)知的處理過程受到駕駛員分心的影響，從而影響最終的接管質(zhì)量。

同時(shí)，接管經(jīng)驗(yàn)對(duì)接管時(shí)間有很強(qiáng)的影響，重復(fù)接管試驗(yàn)將有助于縮短反應(yīng)時(shí)間，即使在多次體驗(yàn)接管后，該現(xiàn)象會(huì)減弱，但不會(huì)消失[43]。徐筱秦等[44]的研究發(fā)現(xiàn)，年齡對(duì)接管的影響主要體現(xiàn)在駕駛操作方面，而非反應(yīng)時(shí)間。接管時(shí)間在很大程度上反映了接管的機(jī)動(dòng)過程，而不是年齡的限制，年長司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間較慢，但其駕駛風(fēng)格可能更謹(jǐn)慎，即使在不是嚴(yán)格必要的情況下也可能很快接管。

駕駛接管請(qǐng)求往往是在較為緊急的情況下發(fā)出的，因此，接管時(shí)間提前量較為受限。然而，網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，可以使車輛更早的發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，增加接管時(shí)間提前量的可利用范圍[45]。但是過早且頻繁的警報(bào)有可能會(huì)造成駕駛員對(duì)警報(bào)信號(hào)缺乏警惕性。因此，如何利用好這段時(shí)間來引導(dǎo)駕駛員恢復(fù)對(duì)場(chǎng)景的感知，并做出合理的駕駛決策也是今后研究的重點(diǎn)。

1.3.2 雙階段接管請(qǐng)求研究

目前，大多數(shù)ToC的相關(guān)研究都采取單步接管的模式，尤其是在緊急場(chǎng)景中，駕駛員需要在系統(tǒng)發(fā)出接管請(qǐng)求后的幾秒內(nèi)重新恢復(fù)對(duì)車輛的控制權(quán)。然而，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間取決于多種因素，不能期望駕駛員在任何駕駛環(huán)境下都能在固定的時(shí)間內(nèi)完成接管操作。

近年來，隨著網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，道路信息的獲取邊界得到了極大的擴(kuò)展，智能網(wǎng)聯(lián)車輛能更早地獲取到潛在的危險(xiǎn)，為ToC 提供了更長的過渡時(shí)間，如果能將其充分利用，ToC 將更加安全。DEMMEL 等[46]通過仿真技術(shù)得出，V2X 技術(shù)能將危險(xiǎn)預(yù)警的提前時(shí)間增加6～7 s，通過提前預(yù)警，可以使駕駛員有足夠的時(shí)間恢復(fù)場(chǎng)景感知并重新獲得車輛的控制權(quán)。

雙階段接管模式將接管預(yù)警信號(hào)分為兩次發(fā)出，第1 次作為預(yù)警，將駕駛員的注意力吸引到駕駛環(huán)境中，完成對(duì)駕駛環(huán)境的感知；第2 次作為最后的警報(bào)，提醒駕駛員已經(jīng)到了最后的接管時(shí)間點(diǎn)，要求駕駛員接管[47]。雙階段接管模式在ToC前留給駕駛員一段過渡期，讓駕駛員提前恢復(fù)對(duì)駕駛環(huán)境的感知，從而有效降低駕駛員接管過程中的工作負(fù)荷[48-50]。相比單步接管的方式，駕駛員在雙階段接管請(qǐng)求模式下展現(xiàn)出更好的接管質(zhì)量以及更高的接受度[51-52]。ZHANG等[53]研究發(fā)現(xiàn)，雙階段接管模式下，5 s和7 s的警報(bào)間隔，要比3 s和9 s能帶來更好的接管質(zhì)量，且5 s 的時(shí)間間隔對(duì)駕駛員來說是最佳的。雙階段接管模式如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)督請(qǐng)求和接管請(qǐng)求Fig.2 Environmental monitoring requests and takeover requests

綜上分析可知，與單步接管的情況相比，雙階段接管模式下，駕駛員表現(xiàn)出更好的接管績效，對(duì)接管請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間更短，接管質(zhì)量也更高。雙階段接管系統(tǒng)有望在未來依托于網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的提高而得到更好的應(yīng)用，從而提高車輛的接管安全性，降低發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)[54]。

2 交通環(huán)境對(duì)接管過程的影響

2.1 交通密度

駕駛是一種動(dòng)態(tài)的交互行為，需要實(shí)時(shí)獲取其他道路使用者的行駛狀態(tài)，并做出合理預(yù)判和駕駛決策。因此，駕駛員接收到接管請(qǐng)求，恢復(fù)情景感知并重新接管車輛的過程中，交通密度在一定程度上影響了接管過程。

相關(guān)研究表明，復(fù)雜的交通環(huán)境對(duì)接管績效造成一定的負(fù)面影響，尤其是在駕駛員認(rèn)知負(fù)荷較高的情況下，駕駛員眼部注視情況更為復(fù)雜，從而導(dǎo)致接管準(zhǔn)備度相對(duì)較低，接管質(zhì)量較差[55]。在交通密度較高且有轉(zhuǎn)向操作要求工況下，駕駛員會(huì)更加關(guān)注相鄰車道和左、右后視鏡，在沒有轉(zhuǎn)向操作需求時(shí)，則會(huì)很少關(guān)注后視鏡和人-機(jī)交互界面，而將更多的注視時(shí)間停留在本車道[56]。在高密度交通環(huán)境中，由于對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的認(rèn)知度較低，駕駛員的心率加速模式處于一種較高的水平(比低交通密度環(huán)境中約高23%左右)，且在注意力需求較大的場(chǎng)景下，復(fù)雜的交通環(huán)境會(huì)使駕駛員選擇性地忽視或拒絕接收一些交通信息[57]。

在高密度的交通場(chǎng)景下，周圍車輛的動(dòng)態(tài)會(huì)迫使駕駛員采取一些比較保守的操作，例如，謹(jǐn)慎使用轉(zhuǎn)向或加速操作，致使駕駛員的制動(dòng)頻次增加[58-60]。同時(shí)，由于行車間距較小，車輛之間的碰撞時(shí)間減少，也在一定程度上增加了接管過程中的碰撞概率，相比于低密度條件，駕駛員在高密度場(chǎng)景下的碰撞概率增加了40%左右[61]。

2.2 道路條件及氣候環(huán)境

影響接管的另一個(gè)關(guān)鍵因素是道路的幾何形狀，道路形狀會(huì)對(duì)車輛的速度與加速度產(chǎn)生限制作用，進(jìn)而影響駕駛員的操作。道路的曲率會(huì)影響駕駛員將車輛保持在車道中央的能力，且彎曲的道路阻礙了未來一段時(shí)間內(nèi)道路交通情況的可見性。因此，在許多情況下，當(dāng)駕駛員以較高的車速進(jìn)入彎道之前，通常會(huì)采取緊急制動(dòng)等措施來降低車速，以避免車輛失穩(wěn)[62]。此外，當(dāng)駕駛員重新控制車輛時(shí)，道路幾何形狀也會(huì)影響駕駛員的減速模式，在進(jìn)入彎道時(shí)，駕駛員的減速操作會(huì)更加突然[63]。

自動(dòng)駕駛車輛可以根據(jù)其開發(fā)的控制算法使速度適應(yīng)當(dāng)前的道路曲率，但觸發(fā)TOR時(shí)，需要考慮道路形狀對(duì)駕駛員接管操作的影響。道路曲率較高時(shí)，駕駛員需要更多時(shí)間做出操作反應(yīng)，且駕駛員控制車輛時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大橫向偏差和更高的偏差變化率[64]。BOROJENI 等[65]發(fā)現(xiàn)道路形狀和接管請(qǐng)求的緊急度之間存在明顯的交互作用，在直線道路上發(fā)生接管請(qǐng)求時(shí)，駕駛員對(duì)高緊急度請(qǐng)求的反應(yīng)速度平均要快0.22 s；在彎道條件下，駕駛員對(duì)高緊急度請(qǐng)求的響應(yīng)平均要慢0.09 s。

除了道路曲率外，氣候環(huán)境對(duì)駕駛員恢復(fù)場(chǎng)景感知也產(chǎn)生了一定的影響。例如，霧濃度較高時(shí)，駕駛員的注視區(qū)域更多停留在道路和儀表板之間，而霧濃度較低時(shí)，駕駛員更傾向于看路中間。同時(shí)，在可見度較低的場(chǎng)景下，駕駛員對(duì)關(guān)鍵事件的反應(yīng)時(shí)間更長，需要花更多的時(shí)間重新將注意力轉(zhuǎn)移到駕駛場(chǎng)景上[66]。

綜上分析，道路曲率和可見度等因素會(huì)影響駕駛員的感知、認(rèn)知及決策過程，當(dāng)駕駛員感知到車輛在彎道上行駛或可見度較低時(shí)，需要更多的時(shí)間去理解當(dāng)前的駕駛環(huán)境，才能執(zhí)行比較安全的操作。

2.3 混合交通中智能網(wǎng)聯(lián)車輛的控制權(quán)切換管理

隨著網(wǎng)聯(lián)車輛和自動(dòng)駕駛車輛的普及，會(huì)出現(xiàn)不同級(jí)別的自動(dòng)駕駛車輛、網(wǎng)聯(lián)車輛及傳統(tǒng)車輛共存的混合交通路況。由于缺少傳感器輸入，高度復(fù)雜的情況，人為因素等原因，自動(dòng)駕駛車輛在道路上的某些區(qū)域可能無法維持現(xiàn)有的自動(dòng)化水平[67]。因此，自動(dòng)駕駛車輛在這些區(qū)域內(nèi)將改變其自動(dòng)化水平，稱這些地區(qū)為“過渡區(qū)”[68]。

如果沒有適當(dāng)?shù)慕煌ü芾硐到y(tǒng)，在“過渡區(qū)”內(nèi)，可能會(huì)導(dǎo)致車輛發(fā)出TOR 甚至啟動(dòng)最低風(fēng)險(xiǎn)策略(Minimum Risk Maneuvers，MRM)將車輛停止到本車道或路肩[69]。且在駕駛員未能響應(yīng)TOR 而導(dǎo)致車輛執(zhí)行MRM 時(shí)，新的交通環(huán)境可能會(huì)觸發(fā)其他車輛執(zhí)行ToC，進(jìn)而影響總體的交通流量和車輛行駛安全性。因此，需要新穎的交通管理系統(tǒng)來有效和安全地處理多種控制權(quán)過渡問題。不僅要考慮自車，還要考慮總體交通流，針對(duì)不同ToC 觸發(fā)場(chǎng)景定義不同的管理方式，并適用于網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛及傳統(tǒng)車輛共存的混合交通場(chǎng)景[70-71]。網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下接管時(shí)間線如圖3所示。

圖3 網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下接管時(shí)間線Fig.3 Timeline of takeover in connected environment

在這方面，歐盟TransAID(Transition Areas for Infrastructure-Assisted Driving)Horizon 2020 項(xiàng)目專注于混合交通場(chǎng)景中的ToC問題，開發(fā)協(xié)同智能交通管理系統(tǒng)(Cooperative Intelligent Transport Systems,C-ITS)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)及傳統(tǒng)車輛的平穩(wěn)共存，從而避免過渡區(qū)集中出現(xiàn)ToC和MRM，或通過一定的措施來管理它們，以提高總體交通安全性和效率。在TransAID項(xiàng)目中，定義以下3種方法處理過渡區(qū)域中的ToC問題，以最小化ToC對(duì)交通效率和安全性的影響[72]：

(1)預(yù)防ToC。分析當(dāng)前總體交通狀況，在交通效率不被擾亂的情況下，制定交通管理措施以維持智能網(wǎng)聯(lián)車輛的自動(dòng)駕駛等級(jí)。

(2)分布ToC。在預(yù)測(cè)到將要觸發(fā)ToC 且無法預(yù)防的情況下，在時(shí)間和空間上對(duì)每個(gè)車輛的ToC進(jìn)行分布，以避免在同一區(qū)域中出現(xiàn)多個(gè)車輛觸發(fā)ToC的情況。

(3)管理ToC。當(dāng)無法避免ToC，且沒有時(shí)間或空間來分布ToC時(shí)，在執(zhí)行ToC期間引導(dǎo)智能網(wǎng)聯(lián)車輛以最小化負(fù)面影響。

針對(duì)上述方法，TransAID項(xiàng)目制定5種服務(wù)措施，每種服務(wù)作為一項(xiàng)交通管理措施，用以處理不同場(chǎng)景下可能出現(xiàn)的ToC 集中觸發(fā)的事件[73]。針對(duì)混合交通下的不同交通場(chǎng)景，相關(guān)研究根據(jù)TransAID項(xiàng)目提出的5項(xiàng)服務(wù)措施，通過仿真技術(shù)驗(yàn)證了C-ITS所支持的交通管理措施，能最大程度地減少過渡地區(qū)ToC的負(fù)面影響，幫助過渡區(qū)ToC的管理[74-76]。過渡區(qū)交通管理服務(wù)如表1所示。

表1 過渡區(qū)交通管理服務(wù)Table 1 Traffic management services for transition zone

C-ITS 利用網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)車輛以及基礎(chǔ)設(shè)施等網(wǎng)聯(lián)設(shè)備所提供的道路信息，制定不同的交通控制措施[77]。從宏觀交通角度引導(dǎo)和管理智能網(wǎng)聯(lián)車輛，避免大量智能網(wǎng)聯(lián)車輛集中在過渡區(qū)發(fā)生ToC和MRM而導(dǎo)致交通混亂，并有助于平穩(wěn)、安全地重新安置需要ToC的車輛。

3 人-機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)接管過程的影響

人-機(jī)交互系統(tǒng)作為駕駛員和系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的樞紐，在發(fā)生緊急事件或超出系統(tǒng)運(yùn)行域的時(shí)候，必須清晰有效地向駕駛員發(fā)出接管信息。如果駕駛員未能識(shí)別出接管請(qǐng)求或因此引起慌亂，可能會(huì)引起碰撞事故的發(fā)生。因此，在接管過程中，人-機(jī)交互是十分重要的。

3.1 視覺交互

視覺交互的優(yōu)點(diǎn)在于能在較短的時(shí)間內(nèi)給駕駛員提供較多的交互信息，不僅能提醒駕駛員及時(shí)接管車輛，還能傳遞請(qǐng)求接管的原因和當(dāng)前駕駛狀況等信息。同時(shí)，面對(duì)復(fù)雜的信息，人類在視覺上的處理速度具有一定的優(yōu)勢(shì)[78]。視覺交互的硬件多集成在車輛儀表盤和中控屏上，通過圖標(biāo)等方式提醒駕駛員接管車輛[78-80]。

然而，目前大多數(shù)研究均不建議采用單一的視覺交互形式，與其他交互類型相比，純視覺警告可能會(huì)導(dǎo)致駕駛員的反應(yīng)時(shí)間更長，駕駛員在僅有視覺交互場(chǎng)景下的平均接管時(shí)間為3.44 s，而在視覺-聽覺組合場(chǎng)景下的平均接管時(shí)間為1.79 s[81]。且單一的視覺提醒可能不會(huì)立即引起駕駛員的注意，甚至可能被直接忽略[82]。駕駛員主要通過視覺來感知環(huán)境，視覺類的NDRT在一定程度上轉(zhuǎn)移了駕駛員恢復(fù)環(huán)境感知時(shí)的注意力[83]。視覺交互設(shè)計(jì)如圖4(a)所示。

圖4 視覺交互設(shè)計(jì)Fig.4 Visual interaction design

近幾年的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，使用動(dòng)態(tài)或環(huán)繞型的視覺交互方式更容易被分心的駕駛員注意到[84]。如圖4(b)所示，在方向盤上使用LED燈并向產(chǎn)生接管原因的方向動(dòng)態(tài)點(diǎn)亮，會(huì)使駕駛員的反應(yīng)更加迅速，并能附加一些指向性信息[85]。YANG 等[86]設(shè)計(jì)了一種位于擋風(fēng)玻璃底部的LED 氛圍燈，通過改變LED 氛圍燈的顏色、頻率以及照明位置可以將接管請(qǐng)求、系統(tǒng)狀態(tài)以及檢測(cè)到的潛在危險(xiǎn)等信息傳遞給駕駛員。

視覺交互所能傳達(dá)的信息量以及對(duì)信息的展現(xiàn)模式是其他類型的交互形式所不能比擬的，在網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的支持下，車輛接收到的信息將更加多樣化。未來的研究應(yīng)該更加注重視覺交互的多樣性，通過不同形式的視覺交互吸引駕駛員的注意力，并通過增加一些指向性的接管信息，輔助駕駛員快速認(rèn)知接管原因和當(dāng)前的行車環(huán)境[87]。

3.2 聽覺交互

聲音是與圖像相互獨(dú)立的一種信息傳播形式，駕駛員可以同時(shí)進(jìn)行聽覺和視覺上的信息處理，因此，在很大程度上消除了接管信息對(duì)駕駛員利用視覺恢復(fù)情景感知能力的影響[88]。目前，基于聽覺的交互類型多為警報(bào)(例如，短促的“嘟”和“嗶”聲)和語音兩種類型。

語音交互通常由3 種特性組成，即語義、語速及語調(diào)。相關(guān)研究表明，語義對(duì)信息傳遞的緊迫性有一定影響，例如，“危險(xiǎn)”會(huì)被認(rèn)為比“注意”更緊迫，警告型的語義要比通知型的語義更具緊迫感[89-90]。語速的提高也將導(dǎo)致語音交互的緊迫性增加，且語速對(duì)緊迫性的影響與語音錄制者的性別或情緒基調(diào)無關(guān)[91]。較為急促的語調(diào)會(huì)使接管信息更具有緊急性，能更快地引起駕駛員的注意[92]。RICHIE 等[93]對(duì)比了男性、女性語音以及警報(bào)型“嗶”聲對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)間的影響，結(jié)果顯示，在男性提示音下，駕駛員的反應(yīng)最快，而反應(yīng)時(shí)間最長的是女性提示音。造成該現(xiàn)象的一項(xiàng)合理的解釋為，男性聲音聽起來可能比女性聲音更具權(quán)威性，而權(quán)威風(fēng)格的信息比通知風(fēng)格的信息更具遵從性[94]。一項(xiàng)調(diào)查顯示，語音交互要比警報(bào)提醒更受歡迎，且女性的聲音通常比男性的聲音被認(rèn)為更加舒適[95]。

聽覺警告對(duì)駕駛員的警示性要強(qiáng)于視覺交互。警報(bào)型的傳達(dá)率高，不分散注意力，但傳遞的信息量有限。語音型的信息量較大，但傳遞時(shí)間長，需要更多的注意力投入。因此，如何根據(jù)傳遞的信息和急迫性選擇合適的通知類型，是聽覺交互設(shè)計(jì)中的重中之重。

3.3 觸覺交互

觸覺交互方式多為振動(dòng)型，即將振動(dòng)觸覺刺激作為接管信號(hào)使駕駛員可以有效地接收到來自系統(tǒng)的接管請(qǐng)求。目前，觸覺交互硬件多集中在方向盤和座椅(座墊或靠背)等車內(nèi)部件，通過刺激駕駛員不同的身體部位傳遞接管信號(hào)。例如，通過在方向盤上產(chǎn)生特定方向的振動(dòng)或變型，可以為駕駛員提供指向性操作信息，有效降低駕駛員總體工作負(fù)荷[96]。然而，在自動(dòng)駕駛模式下，駕駛員雙手多會(huì)脫離方向盤，因此，基于方向盤的觸覺交互可用作接管后的操作提示輔助(轉(zhuǎn)向或保持直行)，不適合直接作為接管請(qǐng)求提示。可變型的方向盤如圖5所示，振動(dòng)觸覺交互如圖6所示。

圖5 可變型的方向盤[96]Fig.5 Shape-changing steering wheel

圖6 振動(dòng)觸覺交互Fig.6 Vibration tactile interaction

如圖6(a)所示，為避免遺漏系統(tǒng)信息，觸覺類的接管提示應(yīng)該設(shè)置在諸如座椅等始終和駕駛員保持接觸的汽車部件中[97]。座椅振動(dòng)除了起到接管請(qǐng)求的作用，還可以利用振動(dòng)的振幅、位置(坐墊或靠背)和振動(dòng)的方向、節(jié)奏傳遞接管請(qǐng)求的緊急性和危險(xiǎn)源的方向，為駕駛員提供指向性信息[98-99]。COHEN-LAZRY等[100]將包含6個(gè)觸點(diǎn)的觸覺控制器集成在座椅坐墊中，通過對(duì)比振動(dòng)脈沖的方向發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖的方向背離危險(xiǎn)的方向時(shí)，駕駛員的反應(yīng)最快。

除了將觸覺交互集成在傳統(tǒng)的汽車部件之中，一些新型的穿戴式觸覺交互硬件也是未來人機(jī)交互的發(fā)展方向。如圖6(b)所示，KRUGER等[101]將一條帶有16 個(gè)等距安裝的振動(dòng)馬達(dá)腰帶作為人-機(jī)交互硬件，通過觸發(fā)不同位置的馬達(dá)和刺激強(qiáng)度指示危險(xiǎn)源所在的位置和緊急程度。LIAO[102]提出了一種腕帶式觸覺交互方式，通過單獨(dú)或同時(shí)觸發(fā)左、右兩個(gè)腕帶提供一些簡(jiǎn)單的指向性信息，該研究也為接管請(qǐng)求的觸覺交互設(shè)計(jì)提供了一些參考。

3.4 嗅覺交互及多種交互形式的組合

除了上述3 種比較常見的交互方式外，一些學(xué)者認(rèn)為嗅覺類的交互同樣值得關(guān)注。TANG等[103]將薄荷味的氣體作為輔助刺激，發(fā)現(xiàn)薄荷味的氣體使駕駛員的反應(yīng)更加迅速，提高了駕駛員的喚醒水平和機(jī)敏性。然而，嗅覺類的交互形式雖然提高了接管績效，但若作為主要的交互形式，可能導(dǎo)致駕駛員的反應(yīng)時(shí)間較長而造成更為嚴(yán)重的后果，目前的研究多將其作為輔助刺激，提高駕駛員的注意力[104]。

無論哪種交互方式都有其優(yōu)劣性，多項(xiàng)研究認(rèn)為，與單一的交互類型相比，多種交互類型相互組合的交互方式能結(jié)合各種交互類型的優(yōu)勢(shì)，使駕駛員的反應(yīng)更加迅速[105-106]。YUN等[107]發(fā)現(xiàn)，視覺-聽覺-觸覺這3 種交互模式的組合在駕駛員行為、生理數(shù)據(jù)以及車輛數(shù)據(jù)中顯示出最佳性能。各種交互類型的優(yōu)、缺點(diǎn)如表2所示。

表2 各種交互類型的優(yōu)、缺點(diǎn)Table 2 Advantages and disadvantages of various interaction types

雖然多種交互形式相組合的模式更有效，但是目前的研究仍未很好地解決如何實(shí)現(xiàn)和協(xié)調(diào)各交互形式之間的工作，如何利用各交互形式的優(yōu)點(diǎn)傳送不同的接管信息、駕駛環(huán)境信息以及操作信息等問題。值得注意的是，車輛還有許多其他功能的音頻警報(bào)，例如，碰撞警告、安全帶警告及車道偏離警告等，因此，如何將警報(bào)型的接管提示與其他功能的音頻警報(bào)以可區(qū)別的方式集成在一起，也是未來的研究重點(diǎn)之一。

3.5 網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下人-機(jī)交互研究

網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用增加了可用信息的范圍和種類，但過多的信息展示和頻繁的警告可能導(dǎo)致駕駛員超負(fù)荷工作。因此，網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的人-機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合安全性、可用性以及交互效率，從而決定哪些信息應(yīng)該以什么樣的形式展現(xiàn)給駕駛員[108]。網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下車輛可以提供給駕駛員的信息按其出現(xiàn)的階段可以大致分為以下3種[109]：

(1)持續(xù)性的信息，駕駛員可以隨時(shí)獲得(例如，前方車輛的速度)；

(2)基于事件的實(shí)時(shí)信息，僅在事件開始時(shí)可用(例如，超速的警告)；

(3)基于事件的高級(jí)信息，在重要事件發(fā)生之前提供(例如，前方擁堵等信號(hào))。

駕駛員在同時(shí)處理多個(gè)展示信息以及警告的能力較為有限，車輛中信息資源的增加分散了對(duì)重要信息的注意力，在一定程度上影響了駕駛員的接管績效。因此，必須根據(jù)這些信息的關(guān)鍵程度或信息性質(zhì)篩選和組織并設(shè)立優(yōu)先級(jí)，同時(shí)，考慮警告信息所處的階段和警告模式，在車中以適當(dāng)位置和不同的展現(xiàn)形式傳遞給駕駛員[110]。JIZBA 等[111]發(fā)現(xiàn)駕駛員更傾向于接收可能導(dǎo)致危險(xiǎn)駕駛的信息提示，并根據(jù)信息的緊急程度，將低危險(xiǎn)級(jí)別的警告利用觸覺反饋，以減小聲音提示的驚嚇效應(yīng)，同時(shí)以視覺的警告作為補(bǔ)充。

基于網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的警告信息應(yīng)及時(shí)并用適當(dāng)?shù)姆绞轿{駛員的注意力，傳達(dá)的信息應(yīng)清晰易懂，并能通過視覺、聽覺及觸覺的不同組合模式傳遞，從而引導(dǎo)駕駛員更安全和更有效地駕駛[110]。WEIDNER 等[112]認(rèn)為立體3D 技術(shù)可以利用網(wǎng)聯(lián)信息，為駕駛員提供自適應(yīng)的可視化，以提高駕駛員對(duì)交通場(chǎng)景可視化的理解，進(jìn)行更安全的接管。信息的呈現(xiàn)數(shù)量也會(huì)在一定程度上影響人-機(jī)交互界面的有效性和理解性，駕駛員更傾向于同時(shí)接收“3個(gè)信息項(xiàng)目”，信息過多時(shí)，駕駛員無法一次性理解所有信息的含義，而少于3 個(gè)信息項(xiàng)時(shí)，會(huì)被認(rèn)為缺乏警告信息[113]。以往大多數(shù)研究都顯示了高級(jí)人-機(jī)交互界面的積極影響，而少數(shù)研究顯示的負(fù)面影響，也都可能與信息過載有關(guān)[114]。

自動(dòng)駕駛過程中，駕駛員多會(huì)從事NDRT，相關(guān)研究認(rèn)為，與其阻止駕駛員從事NDRT，不如將駕駛情況，甚至TOR 提供到NDRT 的設(shè)備上，以增強(qiáng)接管過程的安全保障，并在駕駛員和車輛之間建立信任關(guān)系，使駕駛員更好地應(yīng)對(duì)接管情況。WINTERSBERGER 等[115]將移動(dòng)設(shè)備集成到自動(dòng)駕駛車輛和智能交通系統(tǒng)中的感知體系結(jié)構(gòu)，借助C2X通信，將一些不可預(yù)知的接管事件轉(zhuǎn)化為有計(jì)劃的接管，并允許駕駛員在緊急情況下，直接在手持設(shè)備上響應(yīng)接管請(qǐng)求并進(jìn)行接管操作。然而，在駕駛員未使用移動(dòng)設(shè)備時(shí)，移動(dòng)交互傳達(dá)率較低，因此，移動(dòng)交互可作為信息交互的輔助設(shè)備，而不建議將其作為主要的交互形式[116]。除交互設(shè)備以外，研究駕駛員對(duì)交通安全相關(guān)標(biāo)志的理解也是至關(guān)重要的，網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下更多種類的信息需要一些新穎的符號(hào)來展示，尤其是以前沒有在傳統(tǒng)車輛交互界面使用過的[117]。

3.6 駕駛員狀態(tài)檢測(cè)及預(yù)警

如前所述，駕駛員在自動(dòng)駕駛過程中較易出現(xiàn)疲勞和分心狀態(tài)，除了合理地參與NDRT來抵抗疲勞和分心外，也可以通過駕駛員狀態(tài)識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)駕駛員所處狀態(tài)，并在駕駛員處于疲勞和分心狀態(tài)時(shí)，通過人-機(jī)交互系統(tǒng)提醒駕駛員，使其保持警覺。

駕駛員狀態(tài)檢測(cè)大致分為3種方式：基于車輛操縱信息、基于駕駛員面部特征及基于生理信號(hào)的檢測(cè)方式?；谲囕v操縱信息的檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)方向盤的運(yùn)動(dòng)、油門或剎車模式以及汽車速度、橫向加速度等數(shù)據(jù)的持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)不規(guī)則的變化，從而判斷駕駛員狀態(tài)[118]。這種方式多用在L1級(jí)的自動(dòng)駕駛中，本文不再過多贅述。

基于駕駛員面部特征的檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)駕駛員的面部活動(dòng)(例如，眨眼、打哈欠、閉眼等)檢查駕駛員的狀態(tài)[119]。ZHANG 等[120]通過檢測(cè)眼球的狀態(tài)(閉眼持續(xù)時(shí)間、眨眼)識(shí)別駕駛員的疲勞程度。除此之外，眼瞼閉合度(Percentage of Eye Closure,PERCLOS)也被證明是檢測(cè)駕駛員疲勞狀態(tài)的有效指標(biāo)[121]。KHUNPISUTH 等[122]開發(fā)了一種提醒駕駛員疲勞的報(bào)警系統(tǒng)，通過檢測(cè)駕駛員的頭部傾斜和眼睛抖動(dòng)的程度以判斷駕駛員是否感到疲勞。

基于生理信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)，通過諸如心電和腦電等駕駛員生理指標(biāo)檢測(cè)駕駛員的疲勞狀態(tài)。BABAEIAN 等[123]通過檢測(cè)駕駛員心率，采用基于logistic 回歸的機(jī)器學(xué)習(xí)算法檢測(cè)駕駛員的困倦程度，并達(dá)到了90%的準(zhǔn)確率。關(guān)偉等[124]的綜述中，通過疲勞駕駛、分心駕駛、睡眠剝奪駕駛等4 個(gè)方面，對(duì)腦電研究涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、腦電信號(hào)處理方法及數(shù)據(jù)分析方法等進(jìn)行系統(tǒng)的歸納總結(jié)。

3.7 控制權(quán)切換形式

目前，大多數(shù)研究都集中在接管所需時(shí)間，請(qǐng)求方式的設(shè)計(jì)以及駕駛員狀態(tài)和接管控制權(quán)的能力評(píng)估。然而，接管控制單元發(fā)出請(qǐng)求后駕駛員接管的時(shí)間跨度問題仍然沒有得到很好的解決。通常情況下，即使駕駛員未準(zhǔn)備好執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)，控制權(quán)也會(huì)立即移交。目前，接管控制相關(guān)研究中比較常見的控制權(quán)移交方式有兩種：一種是當(dāng)接管請(qǐng)求發(fā)出后，自動(dòng)化系統(tǒng)立即停止工作，等待駕駛員的操作[53-54]；另一種是當(dāng)駕駛員對(duì)方向盤或踏板的操作行程達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，ADS 退出，由駕駛員操縱車輛[104]。

然而，由系統(tǒng)發(fā)起將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給駕駛員的情況，往往是由于某項(xiàng)指標(biāo)超出系統(tǒng)臨界點(diǎn)而產(chǎn)生的，這種情況多具有隨機(jī)性和不可預(yù)知性，若此時(shí)駕駛員正在進(jìn)行NDRT，那么對(duì)周圍環(huán)境感知的缺失可能導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生錯(cuò)誤的駕駛行為，從而降低接管的安全性。相關(guān)研究表明，對(duì)于系統(tǒng)發(fā)起的較為緊急的接管請(qǐng)求，通過一段時(shí)間的觸覺共享控制逐步將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給駕駛員，并在此過程中引導(dǎo)駕駛員恢復(fù)環(huán)境感知，能使駕駛員更加安全地完成接管[125-126]。

觸覺共享控制通過在控制引導(dǎo)和權(quán)利移交之間找到最佳平衡點(diǎn)，為控制權(quán)的切換設(shè)計(jì)提供一種系統(tǒng)的方法[127]。LI等[128]采用模型預(yù)測(cè)控制方法設(shè)計(jì)了一種新型的觸覺接管控制器，通過考慮駕駛員和ADS的預(yù)期路徑，得到最優(yōu)轉(zhuǎn)向輸入，根據(jù)駕駛員的狀態(tài)產(chǎn)生預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)向力矩，引導(dǎo)駕駛員逐漸恢復(fù)手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)的切換。OKADA等[129]提出一種針對(duì)彎道工況下的共享控制模式，控制權(quán)通過調(diào)整增益的方法逐漸轉(zhuǎn)移到駕駛員手中。

綜上所述，3 種切換形式各有優(yōu)、缺點(diǎn)，如表3所示，直接切換形式對(duì)駕駛員不產(chǎn)生控制干擾，但是在駕駛員不接管車輛的情況下，車輛將停止工作；閾值型切換形式在駕駛員不接管的情況下仍會(huì)保持自動(dòng)駕駛，但無法糾正錯(cuò)誤和激進(jìn)的駕駛行為；觸覺引導(dǎo)切換形式能糾正錯(cuò)誤駕駛行為，但容易對(duì)駕駛員產(chǎn)生控制干擾。

表3 3種切換形式的優(yōu)、缺點(diǎn)Table 3 Advantages and disadvantages of three switching forms

4 研究展望

隨著自動(dòng)駕駛車輛的發(fā)展和普及，控制權(quán)切換問題得到較多的關(guān)注和研究，隨著汽車行業(yè)電氣化、智能化以及網(wǎng)聯(lián)化的不斷推進(jìn)，車輛的接管控制仍有較大的發(fā)展空間，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)優(yōu)化NDRT 的設(shè)計(jì)。不同復(fù)雜度的NDRT如何影響駕駛員認(rèn)知和負(fù)荷特性及其內(nèi)在的機(jī)理尚不明確，如何保證駕駛員在經(jīng)歷長時(shí)間的自動(dòng)駕駛后仍能保持一定的認(rèn)知能力，還需要對(duì)駕駛員認(rèn)知和負(fù)荷特性進(jìn)行更深層次的基礎(chǔ)研究。現(xiàn)有的研究中認(rèn)為適當(dāng)?shù)腘DRT 對(duì)駕駛接管過程有著積極的影響，駕駛員保持一定的認(rèn)知負(fù)荷可以有效防止駕駛員進(jìn)入被動(dòng)疲勞狀態(tài)。今后的研究中需要針對(duì)不同類型和不同復(fù)雜度的NDRT 對(duì)駕駛員接管的影響開展試驗(yàn)分析和研究，并把握好NDRT復(fù)雜度的設(shè)計(jì)和NDRT的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足不同的駕駛員。

(2)實(shí)現(xiàn)控制權(quán)的平穩(wěn)過渡。TOR的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在不同的駕駛環(huán)境下采取不同的切換策略。TOR可能在任何駕駛環(huán)境和道路條件下被觸發(fā)，但不能期望駕駛員在任何場(chǎng)景下都能高效率地完成ToC。目前，自動(dòng)駕駛接管的研究還很少涉及到不同接管條件下車輛穩(wěn)定性的研究和不同駕駛員的操作差異。因此，未來TOR 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)前交通狀況，遵循預(yù)測(cè)算法，采用輔助控制的方式輔助駕駛員完成控制權(quán)的平穩(wěn)過渡，使駕駛員在最小化橫向偏差的情況下接管車輛的控制權(quán)。同時(shí)，自動(dòng)駕駛車輛可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)，根據(jù)當(dāng)前駕駛場(chǎng)景下各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行建模，并根據(jù)特定駕駛員的歷史表現(xiàn)逐步學(xué)習(xí)，以解決個(gè)體差異。

(3)有效利用網(wǎng)聯(lián)信息。隨著網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的不斷應(yīng)用，需要改進(jìn)現(xiàn)有人-機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能。網(wǎng)聯(lián)技術(shù)增加了車輛和駕駛員所能獲取信息的種類和數(shù)量，但過多的信息展示和頻繁的警告可能導(dǎo)致駕駛員的工作負(fù)荷超出其所能承受的范圍。因此，在今后的人-機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)信息的重要程度進(jìn)行篩選并設(shè)立優(yōu)先級(jí)，以確定駕駛員應(yīng)接收的信息類型和數(shù)量，并用適當(dāng)?shù)慕换バ问角逦髁说卣宫F(xiàn)給駕駛員。例如，未來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)技術(shù)在抬頭顯示設(shè)備(Head Up Display,HUD)上的應(yīng)用，可以為駕駛員提供更加準(zhǔn)確的交互信息，并為不同的駕駛員定制不同的交互形式。同時(shí)，網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下信息的種類也更為豐富，更多種類的信息需要一些新穎的符號(hào)來展示，信息符號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮交通法規(guī)和駕駛習(xí)慣，保證駕駛員能清晰明了地理解其所表達(dá)的含義。

(4)關(guān)注過渡區(qū)的管理。過渡區(qū)域ToC的管理仍需要進(jìn)一步研究，尤其是在可預(yù)見的未來，網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛車輛將不得不與傳統(tǒng)車輛共存，自動(dòng)駕駛車輛在無法維持現(xiàn)有自動(dòng)化水平的過渡區(qū)內(nèi)，可能發(fā)生集體性的接管事件，進(jìn)而對(duì)交通安全產(chǎn)生一定的影響，且從單車層面很難解決該問題。同時(shí)，人為因素在理解交通流動(dòng)態(tài)和混合交通的管理中起著關(guān)鍵作用，但在現(xiàn)有的研究中很大程度上被忽略了，尤其是在研究ToC 期間，人類駕駛員行為的模型設(shè)計(jì)方面所做的工作還很少。因此，過渡區(qū)混合交通的研究需要更多的研究人為因素，更準(zhǔn)確地了解駕駛員的接管行為對(duì)混合交通的影響。在自動(dòng)化和網(wǎng)聯(lián)車輛滲透率較低等非理想條件下，駕駛員的非理性操作，可能導(dǎo)致交通管理協(xié)議的效率大幅降低，因此，需要對(duì)駕駛員行為進(jìn)行建模，并針對(duì)不同滲透率測(cè)試交通管理協(xié)議。

5 結(jié)論

(1)對(duì)駕駛接管過程中的人因問題展開分析，總結(jié)了駕駛分心、被動(dòng)疲勞、對(duì)ADS 過度信任、駕駛技能退化以及NDRT對(duì)接管過程的影響，并對(duì)接管過程中的接管時(shí)間進(jìn)行了討論。長時(shí)間的自動(dòng)駕駛以及對(duì)自動(dòng)駕駛功能的高估和過度依賴，導(dǎo)致駕駛員更易陷入被動(dòng)疲勞和駕駛分心狀態(tài)。適當(dāng)?shù)腘DRT可以使駕駛員保持一定的認(rèn)知負(fù)荷，降低了駕駛員的被動(dòng)疲勞水平，對(duì)接管績效產(chǎn)生積極作用。限于車載傳感器的探測(cè)范圍，接管時(shí)間提前量較為有限，未來網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，可以增加接管時(shí)間提前量的范圍，利用時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，將預(yù)警信號(hào)分為兩次發(fā)出，以保證駕駛員在采取接管操作之前能及時(shí)、充分地完成對(duì)駕駛環(huán)境的感知，從而提高駕駛員的接管績效。

(2)接管過程中復(fù)雜的駕駛環(huán)境會(huì)增加駕駛員的接管時(shí)間，增大駕駛員對(duì)車輛的操控難度，從而降低駕駛員的接管質(zhì)量。且在混和交通中，可能造成多車集體發(fā)生ToC和執(zhí)行MRM的情況。本文從交通密度、道路條件以及混合交通中控制權(quán)切換管理這3 個(gè)方面，對(duì)駕駛員的感知、認(rèn)知及決策的影響和混合交通下的交通管理措施進(jìn)行分析與討論。研究發(fā)現(xiàn)，交通密度和道路曲率較高的接管場(chǎng)景，駕駛員需要更多的時(shí)間恢復(fù)對(duì)環(huán)境的感知，且在控制車輛時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大橫向偏差和更高的偏差變化率，給駕駛員帶來更大的接管壓力。因此，TOR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)前駕駛環(huán)境，通過輔助控制的方式來輔助和引導(dǎo)駕駛員完成控制權(quán)的平穩(wěn)過渡。同時(shí)，在混合交通中，可以制定諸如提供路徑信息、車速和車頭時(shí)距、交通隔離、引入安全點(diǎn)以及對(duì)ToC的調(diào)度等交通管理措施，防止過渡區(qū)出現(xiàn)集中的ToC 和MRM，以緩解過渡區(qū)域中各車輛之間的相互干擾。

(3)從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及多種交互組合等方面總結(jié)了在接管過程中各類交互形式的優(yōu)、缺點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的人-機(jī)交互進(jìn)行討論，并分析控制權(quán)的切換形式。視覺交互可傳遞信息量較大，但駕駛員在分心狀態(tài)下可能會(huì)錯(cuò)過TOR。聽覺交互更容易引起駕駛員的警覺，但是警報(bào)型所傳遞的信息量較少，駕駛員可能不清楚所傳達(dá)的信息含義，而語音型清晰易懂，傳輸?shù)男畔⒘看?，但信息傳遞的時(shí)間長，需要占用駕駛員更多的注意力。觸覺交互的傳達(dá)率較高，但傳輸?shù)男畔⒘坑邢?，不適合傳遞多個(gè)警報(bào)。嗅覺交互能提高駕駛員的機(jī)敏性，而因其傳遞時(shí)間較長，僅能作為輔助刺激。多種類型相結(jié)合的交互形式能形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，及時(shí)地將接管信息傳遞給駕駛員，并將其注意力集中在對(duì)環(huán)境的感知上，且通過一些指向性信息輔助駕駛員增強(qiáng)對(duì)駕駛環(huán)境的理解。網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，使得可利用的行車信息的數(shù)量和種類都有所提高，網(wǎng)聯(lián)信息需要諸如HUD 和ARHUD等技術(shù)實(shí)現(xiàn)更好地呈現(xiàn)策略，以保證人-機(jī)交互界面具有較高的可用性和接受性，為駕駛員提供更加準(zhǔn)確的交互信息。除了合理的參與NDRT抵抗疲勞，也可利用駕駛員狀態(tài)識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)駕駛員所處狀態(tài)，并通過人-機(jī)交互系統(tǒng)提醒駕駛員，使其保持警覺，提高接管績效。