CN101690666A

CN101690666A - 汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法

Info

Publication number: CN101690666A
Application number: CN200910093545A
Authority: CN
Inventors: 胡江碧; 李安; 龙伟峰; 王维利; 张美杰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: CN101690666B

Abstract

本发明公开了一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，利用驾驶员的生理、心理和驾驶行为来表征和获取驾驶员驾驶工作负荷，采用主任务测量、生、心理测量和工作负荷自评估系统的同步的测量，筛选指标建立驾驶工作负荷计算模型；包括：构建汽车驾驶员驾驶工作负荷特征信息检测系统；汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型建立方法；通过得到的驾驶工作负荷信息，通过数据分析和筛选进行汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型；采用心电指标作为驾驶员心生理驾驶工作负荷测量的表征指标；本发明考虑了驾驶员驾驶行为的特点，提高了汽车驾驶员驾驶工作负荷计算的准确性和及时性，同时操作方法简便，为道路交通安全研究提供了参考依据。

Description

汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法

技术领域

本方法涉及一种应用技术的研究，特别涉及一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，其成果主要在道路交通安全工程领域。

技术背景

汽车驾驶员驾驶工作负荷是指汽车驾驶员在道路上驾驶车辆时，道路、交通和环境条件对驾驶员施加的工作任务和频率而产生的在精神压力下的支撑工作的信息道能力。近年来，随着人们对道路交通安全的关注，其相关研究越来越深入。但目前主要存在以下问题：

汽车驾驶员驾驶工作负荷的测量技术手段有很多种，主要包括主观评价、主任务测量、剩余能力的次任务测量和生、心理测量等。但是这些方法在实际操作过程中都是相对独立的。虽然现有技术能满足部分标准，但能满足所有标准的技术却十分罕见。

目前，对于汽车驾驶员驾驶工作负荷的研究，仅有定性的理论分析。对于上述技术方法测量出来的驾驶工作负荷，没有明确的评估标准，针对汽车驾驶员驾驶工作负荷的计算没有明确的理论计算方法。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，以使驾驶员驾驶工作负荷信息可以同步采集、多维信息的融合及筛选；以达到驾驶员驾驶工作负荷量化指标。

本发明是通过以下技术手段实现的：

一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，利用驾驶员的生理、心理和驾驶行为来表征和获取驾驶员驾驶工作负荷，采用主任务测量、生、心理测量和工作负荷自评估系统的同步的测量，筛选指标建立驾驶工作负荷计算模型；

步骤1：构建汽车驾驶员驾驶工作负荷特征信息检测系统；

所述系统由驾驶员生理、心理传感器、驾驶员驾驶工作负荷自评估系统和车辆实时状态检测系统构成；检测过程与上述驾驶工作负荷同步进行；

所述的检测系统包括：脑电仪、动态眼动仪、体位与心电仪、呼吸仪、皮肤电仪、动态GPS；上述系统，实时、同步获取驾驶员包括大脑、动态视觉特征和视野范围、心率、血压、呼吸、皮肤和车辆运行速度的多维的驾驶工作负荷信息；

所述的车辆实时状态检测系统，采集驾驶员行车轨迹、驾驶员操作失误数、行车速度、加减速度、反应时间和微观行特征等作为主任务测量的评价指标；

所述的驾驶员驾驶工作负荷自评估系统，对驾驶过程中自身身体的舒适程度进行质的分类或量的评估；根据不同驾驶负荷状态的表述，选择适合自己真实状态的驾驶工作负荷等级；

步骤2：汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型建立方法

通过得到的驾驶工作负荷信息，通过数据分析和筛选进行汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型；包括：

采用心电指标作为驾驶员心生理驾驶工作负荷测量的表征指标；

所述的数据分析包括：对驾驶员生理、心理指标的变化，在不同的行车阶段驾驶员面临的应激环境具有明显的差异，将记录到的生理、心理变量和驾驶员行车状态进行一一对应，获得不同道路交通环境条件下驾驶时刻驾驶员行车状况对应生理、心理变量值；

所述的数据还包括：汽车驾驶员的动态驾驶特性和目前动态测量驾驶员认知的生、心理可操作性，采用以驾驶时间为同步计算的参考标准；

通过以驾驶员驾驶时视觉信息跟踪同步获取的多维动态驾驶工作负荷大样本量数据的分析、筛选和挖掘，得出频域分析指标

前述的驾驶工作负荷计算模型为：

K_{ij} = | {(\frac{LF}{HF})}_{ij} - A_{i} | / V_{ij}

其中：

K_ij——驾驶员i在道路上j位置的驾驶工作负荷度；

LF_ij——驾驶员i在道路上j位置的低频段功率值(ms²)；

HF_ij——驾驶员i在道路上j位置的高频段功率值(ms²)；

A_i——驾驶员i正常工作负荷驾驶时的

值；

V_ij——驾驶员i在道路上j位置的运行速度(km/h)。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，通过在试验过程中记录下驾驶员实时的视野范围和视觉特征，综合驾驶员驾驶工作负荷量表和驾驶工作负荷信息的生、心理信号，采取视频、量表和心生理信息同步分析，并融合先验专家知识的分析策略，通过对大量样本的实验研究来实现驾驶工作负荷信息的融合。基于视觉特征，依照同步视觉录像、手动记录和驾驶工作负荷量表，筛选有意义的驾驶员心生理指标参数，剔除存在外界干扰的不良试验信息，表征分析不同驾驶条件下驾驶员的心生理指标变化情况，将多维、多通道的驾驶工作合法信息融合为一个可以有效表征驾驶员驾驶工作负荷的参数。

由于本发明考虑了驾驶员驾驶行为的特点，提高了汽车驾驶员驾驶工作负荷计算的准确性和及时性，同时操作方法简便，为道路交通安全研究提供了参考依据。

附图说明

图1为汽车驾驶员驾驶工作负荷多道信息获取示意图；

图2为对驾驶员进行综合筛选和分析获得依据与传感器连接示意图；

图3为三名驾驶员不同路段实时驾驶工作负荷度(K_ij)对比示意图。

具体实施方式

本发明根据基础生理心理学原理，针对汽车驾驶员操作环境和操作任务的特殊性，通过理论分析论证和大量的室内外实验，融合、筛选驾驶员驾驶工作负荷的有效测量方法和具体量测指标，建立汽车驾驶员驾驶工作负荷度量指标和计算模型。

汽车驾驶员驾驶工作负荷计算整体研究思路如图1所示。其中1为支撑理论，2为工作负荷评价方法，3为多维驾驶工作负荷信息，4为建立模型。

本方法的驾驶员工作负荷主要是指驾驶员的脑力负荷，驾驶员在行车过程中完成驾驶任务需要不断地进行信息采集和加工处理、决策以及反应操纵，由此产生的精神压力即为驾驶员的工作负荷。驾驶员的工作负荷与驾驶员自身生理、心理特征、驾驶经验、驾驶行为安全态度以及行车道路、交通和环境有关。同样道路、交通和环境条件下由于驾驶员的生理、心理特征、驾驶经验、驾驶行为安全态度不同，驾驶员驾驶相同车辆的工作负荷不同；驾驶员的工作负荷与输入的知觉信息量有关，不同行车环境具有不同的信息量，同一驾驶员在不同环境条件下驾驶工作负荷也不相同。

本发明的汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，是以驾驶员生、心理测量动态系统为平台，采用以下步骤完成多汽车驾驶员驾驶工作负荷的计算：

步骤1：构建汽车驾驶员驾驶工作负荷特征信息检测系统

汽车驾驶员的驾驶工作负荷特征信息检测系统是由驾驶员生、心理传感器、驾驶员驾驶工作负荷自评估系统和车辆实时状态检测系统构成的。三种驾驶工作负荷检测技术同步进行，三类特征信息实时传递驾驶工程中汽车驾驶员的驾驶工作信息。此三种驾驶工作负荷检测技术分别为生、心理测量、主任务测量和主观评定测量。

通过汽车驾驶工作负荷试验，在驾驶仿真室和道路环境下采用脑电仪、动态眼动仪、体位与心电仪、呼吸仪、皮肤电仪、动态GPS等各种传感器，实时、同步获取驾驶员包括大脑、动态视觉特征和视野范围、心率、血压、呼吸、皮肤和车辆运行速度等多维的驾驶工作负荷信息。如图2所示。同时，随车试验记录人员应记录下突发事件及对应时间，为对驾驶员生、心理指标进行综合筛选和分析获得依据。

利用车辆实时状态检测系统采集驾驶员行车轨迹、驾驶员操作失误数、行车速度、加减速度、反应时间和微观行为特征等作为主任务测量的评价指标。

虽然生理测量指标具有客观、实时的特性，但为了进一步证明实验研究的可靠性和获得可靠的驾驶员驾驶工作负荷阈限，因此在主任务和生、心理测量的同时同步进行主观评定测量，主观和客观评价方法同时进行。

驾驶员驾驶工作负荷自评估系统就是让驾驶员陈述驾驶过程中的脑力负荷体验或根据这种体验对驾驶过程中自身身体的舒适程度进行质的分类或量的评估。根据驾驶工作负荷的表现层次，对汽车驾驶工作负荷的特征分为三类，高工作负荷(不舒适)、正常工作负荷(舒适、较舒适)、低工作负荷(不舒适)，如表1所示。

驾驶员通过量表对于不同驾驶负荷情况的描述，选择适合自己状态的驾驶负荷等级。本量表简单、清晰、准确的描述了驾驶员在不同状态下的身体、心理状态，鉴于驾驶工作负荷评价试验的一些限制，此量表是适合的。汽车驾驶员可以根据不同驾驶负荷状态的表述，选择适合自己真实状态的驾驶工作负荷等级。

表1驾驶员驾驶工作负荷度量表

步骤2：汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型建立方法，通过上述驾驶工作负荷特征信息的采集可以得到大样本量的驾驶工作负荷信息，基于工程生理心理学、道路交通工程学和驾驶工作负荷理论，通过数据分析和筛选进行汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型的建立。

由于一些生、心理学变量在条件精确控制的实验室环境下可以较为精确的测量，但在实际行车条件下受到的干扰因素复杂，难以精确测量，在实际应用中可行性不高。而心电对实验环境条件要求不高，又能较好的反应驾驶员工作负荷变化，故选择心电指标作为驾驶员心生理驾驶工作负荷测量的表征指标。

驾驶员生、心理指标的变化受多种因素的影响，在不同的行车阶段驾驶员面临的应激环境具有明显的差异。因此需将记录到的生、心理变量和驾驶员行车状态进行一一对应，才能去除其它干扰引起的驾驶员生、心理变化，准确获得不同驾驶时刻驾驶员行车状况对应生、心理变量的变化。

汽车驾驶员的动态驾驶特性和目前动态测量驾驶员认知的生、心理可操作性，采用以驾驶时间为同步计算的参考标准。

经过大量实地和驾驶仿真试验，通过以驾驶员驾驶时视觉信息跟踪同步获取的多维动态驾驶工作负荷大样本量数据的分析、筛选和挖掘，得出汽车驾驶员驾驶过程中的实时心率变异性(HRV)的一个关键的频域分析指标

能更加有效地反映驾驶员在驾驶过程中的安全与舒适性，是汽车驾驶员驾驶工作负荷的敏感指标，可以定量的评价汽车驾驶员驾驶工作负荷。

利用计算模型：

K_{ij} = | {(\frac{LF}{HF})}_{ij} - A_{i} | / V_{ij}

通过实验方案数据的采集和分析，计算得到汽车驾驶员驾驶工作负荷度(K_ij)后，其可靠性通过表1中跟车时时采集的驾驶员驾驶工作负荷度量表和驾驶中的道路、交通和环境条件定性获取的驾驶工作负荷度进行进一步验证。

应用实例

试验研究小客车驾驶员在云南罗富高速公路上行驶时的驾驶工作负荷情况。罗富高速试验路段全长78.647公里，随机抽取了12名小客车驾驶员，分别采集其在试验路段上行驶时驾驶员的驾驶工作负荷多维信息，按本研究理论和方法进行驾驶员驾驶工作负荷度的计算。

试验采用了随车实时记录的方法，被试驾驶员在行车过程中佩戴动态生、心理仪器测量，实时记录被试驾驶员行车时的生、心理指标参数；同时，实验人员随车记录被试驾驶员在行车过程中按照驾驶量表(表1)的描述所主观评价的自我实时驾驶工作状态及对应时间。另外，录像并记录驾驶员在行车过程中遇到的可能对驾驶员心理造成影响的事件和对应时间。根据采集获取的20944组数据，计算驾驶员驾驶工作负荷度

以随机抽取的3名小客车职业驾驶员的试验数据为例，分别比较这3名驾驶员在试验路段I(K50+235～K51+045)和试验路段II(K68+452～K69+324)行驶期间，其各自的驾驶工作负荷度(K_ij)。被试驾驶员基本信息见表2所示。

表2被试驾驶员基本信息表

试验路段I为小半径曲线路段，3名驾驶员在此路段行驶过程中，均主观评价其驾驶工作不舒适、感觉紧张，不能完全适应道路状况，即对应为表1中的高工作负荷状态。而在试验路段II上行驶时，这3名驾驶员均主观评价其驾驶工作较舒适、驾驶操纵自如，即对应为表1中的正常工作负荷状态。

对比三名驾驶员在相同时间段内行驶于试验路段I和II上的实时驾驶工作负荷度(K_ij)可以看出，虽然不同驾驶员在同一路段行驶时，其驾驶工作负荷变化不完全相同，且驾驶工作负荷度不完全一致，但是驾驶工作负荷度在路段I上较路段II上普遍增高，且变化显著。如图3所示。

通过分析发现，在驾驶员自我评价其驾驶负荷高的时间段，其对应的汽车驾驶员驾驶工作负荷度(K_ij)明显高于其自我评价正常工作负荷时的负荷度(K_ij)明显。

根据以上结论可以说明，小客车驾驶员驾驶工作负荷度量指标(K_ij)同驾驶员定性的驾驶工作负荷量表(表1)相一致，此指标可以准确、有效地量化驾驶员的驾驶工作负荷，同时排除了运行速度、驾驶员个体差异和车辆性能对于驾驶工作负荷的影响。

Claims

1.一种汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，利用驾驶员的生理、心理和驾驶行为来表征和获取驾驶员驾驶工作负荷，采用主任务测量、生、心理测量和工作负荷自评估系统的同步的测量，筛选指标建立驾驶工作负荷计算模型；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建汽车驾驶员驾驶工作负荷特征信息检测系统；

所述的车辆实时状态检测系统，采集驾驶员行车轨迹、驾驶员操作失误数、行车速度、加减速度、反应时间和微观行为特征等作为主任务测量的评价指标；

步骤2：汽车驾驶员驾驶工作负荷计算模型建立方法

所述的数据分析包括：对驾驶员生理、心理指标的变化，在不同的行车阶段驾驶员面临的应激环境具有明显的差异，将记录到的生理、心理变量和驾驶员行车状态进行一一对应，获得不同驾驶时刻驾驶员行车状况对应生理、心理变量值；

2.根据权利要求1所述的汽车驾驶员驾驶工作负荷计算方法，其特征在于：所述的驾驶工作负荷计算模型为：

K_{i} = | (\frac{LF}{H F})_{i} - A_{i} | / V_{i}

其中：

K_i——i位驾驶员的驾驶工作负荷度；

LF_i——i位驾驶员的低频段功率值(ms²)；

HF_i——i位驾驶员的高频段功率值(ms²)；

A_i——i位驾驶员正常驾驶时的

值；

V_i——i位驾驶员的运行速度(km/h)。