李永濤，耿兆龍，韓瑞龍，于 波

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

當(dāng)前，人機(jī)共駕技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)人類駕駛到機(jī)器完全自主駕駛的過渡環(huán)節(jié)技術(shù)，已漸漸成為解決交通難題的通解型技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對車輛的有效控制，人和機(jī)器必須在感知、決策和執(zhí)行等方面進(jìn)行深層次地合作，分享車輛控制權(quán)和決策權(quán)，協(xié)同完成駕駛?cè)蝿?wù)。人機(jī)共駕的核心問題還是在于人機(jī)交互的協(xié)同。由于自動駕駛測試場景得不可復(fù)現(xiàn)性以及測試的安全、周期、成本的限制，相關(guān)的技術(shù)測試難以完全依靠實(shí)車道路測試實(shí)驗(yàn)[1]。隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步，自動駕駛汽車相關(guān)測試可以在更安全、舒適、經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下進(jìn)行。駕駛模擬系統(tǒng)作為一種汽車測試工具，兼顧車端與人因端數(shù)據(jù)采集功能，利用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種場景高精度還原，極大地提高了智能汽車人機(jī)交互測試評價的效率，對于智能汽車人機(jī)共駕技術(shù)的研究具有重要的實(shí)際價值與意義。

1 駕駛模擬系統(tǒng)

汽車駕駛模擬系統(tǒng)綜合了計算機(jī)、機(jī)械、電子電器、控制、光學(xué)等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品，是用于汽車動力學(xué)模擬、汽車性能測試的有效工具。通過綜合運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，它可以實(shí)時在線模擬駕駛員聽覺、視覺、觸覺等感官，對在實(shí)際駕駛過程中的極端場景及不可復(fù)現(xiàn)的駕駛場景進(jìn)行充分模擬，并進(jìn)行重復(fù)使用[2]。作為一種低成本、高效率以及高精度測量的自動駕駛車輛的測試方式，駕駛模擬技術(shù)對于自動駕駛車輛的開發(fā)具有重要意義。

駕駛模擬系統(tǒng)主要有桌面級、緊湊級、靜態(tài)級和動態(tài)級四種模擬系統(tǒng)。

1.1 桌面級

由方向盤、剎車、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、座椅、顯示屏組成，是最為基礎(chǔ)的入門級模擬系統(tǒng)。通過與測試軟件的聯(lián)調(diào)，駕駛員實(shí)際操作方向盤、剎車、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等，給予駕駛操作控制的真實(shí)觸感，只在視覺感官上仿真車輛運(yùn)動狀態(tài)時的橫向控制和縱向控制效果。

1.2 緊湊級

在桌面級系統(tǒng)上進(jìn)行升級改造，加入顯示大屏幕、安全帶、氣墊、儀表盤等設(shè)備，可配備專用駕駛員座椅，按照真實(shí)的駕駛姿態(tài)進(jìn)行駕駛操作，獲得真實(shí)的駕駛行為。

1.3 靜態(tài)級

靜態(tài)級在緊湊級上進(jìn)一步升級，構(gòu)建真實(shí)車輛的駕駛艙，并在駕駛艙前增加環(huán)形大屏幕，以獲得駕駛環(huán)境的真實(shí)觸感和視覺感。體驗(yàn)沉浸感和方向盤手感更加真實(shí)，適用于HMI、ADAS、軟硬件在環(huán)應(yīng)用。

1.4 動態(tài)級

動態(tài)級與以上三種都不同，動態(tài)級系統(tǒng)在靜態(tài)級系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了自由度平臺，給予駕駛員真實(shí)的轉(zhuǎn)向、顛簸等反饋系統(tǒng)，使駕駛模擬的感官更加真實(shí)。是最為完備的駕駛模擬仿真方法。

應(yīng)用駕駛模擬系統(tǒng)進(jìn)行駕駛實(shí)驗(yàn)，可以重現(xiàn)人類日常駕駛行為模式及危險人類駕駛模式，并且可以在不帶來安全風(fēng)險的條件下，增加實(shí)驗(yàn)的可操作性和可重復(fù)性。駕駛模擬系統(tǒng)還可以補(bǔ)充道路測試的短處，通過提供更安全的環(huán)境和更多的控制條件及減少實(shí)現(xiàn)的困難與地形相關(guān)的不確定性。當(dāng)前，汽車駕駛模擬系統(tǒng)已在國外已逐步應(yīng)用推廣，尤其大型汽車均已或正在建設(shè)自主駕駛模擬驗(yàn)證平臺，用以支撐研發(fā)試驗(yàn)和業(yè)務(wù)需求。在車聯(lián)網(wǎng)方面，國外汽車企業(yè)利用人機(jī)共駕驗(yàn)證平臺進(jìn)行自動駕駛功能的開發(fā)和驗(yàn)證，開發(fā)出便捷、安全的各項(xiàng)功能，這些功能最終引領(lǐng)了行業(yè)的開發(fā)方向、設(shè)計思路、術(shù)語定義以及標(biāo)準(zhǔn)制定，同時也形成了一定的技術(shù)壟斷。但在國內(nèi)，主流汽車廠的駕駛模擬驗(yàn)證平臺建設(shè)還處于起步階段，多數(shù)還未形成能夠進(jìn)行高質(zhì)量訓(xùn)練或測試驗(yàn)證的能力。有關(guān)學(xué)術(shù)方面的研究更少，國內(nèi)近兩年才漸漸開始有相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)出現(xiàn)，多數(shù)相關(guān)方向的研究都是外文文獻(xiàn)。整體來看，自動駕駛方向的駕駛模擬器技術(shù)應(yīng)用比較初級，同時還存在很多技術(shù)問題有待解決。

2 基于駕駛模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互驗(yàn)證

2.1 人機(jī)交互驗(yàn)證架構(gòu)

人機(jī)交互關(guān)鍵技術(shù)涉及人與系統(tǒng)交互、控制權(quán)移交接管等諸多環(huán)節(jié)，基于人的心理、反應(yīng)等個體差異，進(jìn)行人機(jī)共駕環(huán)境/場景的構(gòu)建，探究人機(jī)交互形式，構(gòu)建控制權(quán)釋放模式、時機(jī)等模型。目前對于人機(jī)交互驗(yàn)證方式主要有傳統(tǒng)人機(jī)驗(yàn)證方式和虛擬仿真驗(yàn)證兩種方式。傳統(tǒng)人機(jī)交互驗(yàn)證通常采用物理模型（硬質(zhì)模型、油泥模型）或樣機(jī)（實(shí)物樣機(jī)、CAD樣機(jī)、DMU樣機(jī)）等方式，導(dǎo)致測試成本高、效率低、復(fù)用性差；而虛擬仿真驗(yàn)證方式克服了以上缺點(diǎn)，擁有靈活、快速、成本低的優(yōu)勢，但采用純虛擬技術(shù)的驗(yàn)證可驗(yàn)證內(nèi)容十分有限，并且駕駛?cè)藛T無法獲得真實(shí)的駕駛行為操控及反饋體感，缺乏對真實(shí)駕駛行為的模擬，無法滿足需求，而整車平臺驗(yàn)證成本很高。因此，基于駕駛模擬系統(tǒng)的測試驗(yàn)證技術(shù)，將駕駛模擬系統(tǒng)與虛擬駕駛場景的聯(lián)合應(yīng)用來測試人機(jī)交互驗(yàn)證，對智能汽車功能進(jìn)行驗(yàn)證，不僅驗(yàn)證內(nèi)容豐富，且成本較低，是人機(jī)交互驗(yàn)證的最佳解決方案。

駕駛模擬系統(tǒng)以多自由度駕駛模擬器作為硬件基礎(chǔ)，集成了各項(xiàng)人機(jī)交互系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、運(yùn)行控制中心、仿真場景庫、仿真軟件等軟硬件輔助系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)共駕交互的仿真測試。通過在人機(jī)交互臺架上集成了人因設(shè)備、人機(jī)交互方案或樣機(jī)、駕駛設(shè)備，利用主控計算機(jī)將場景顯示在環(huán)幕上，并且收集和同步各類驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，從而完成人機(jī)交互驗(yàn)證臺架的調(diào)試、應(yīng)用、工程服務(wù)等全流程工作，如圖1所示駕駛模擬系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 基于駕駛模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互驗(yàn)證架構(gòu)

2.2 人機(jī)交互協(xié)同驗(yàn)證

自動駕駛汽車人機(jī)交互的核心問題是妥善解決駕駛員與駕駛系統(tǒng)間的接管問題，以有效地解決駕駛模式切換為前提，著重探究駕駛?cè)撕拖到y(tǒng)在感知層、決策層和控制層三個層次的協(xié)同合作[3]。目前基于駕駛模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互驗(yàn)證方式在駕駛狀態(tài)檢測、駕駛能力評價、駕駛權(quán)交接等方向具有獨(dú)特優(yōu)勢。

2.2.1 駕駛狀態(tài)檢測

駕駛狀態(tài)檢測的研究主要集中在識別駕駛員的異常狀態(tài)如疲勞檢測、分心狀態(tài)監(jiān)測、不規(guī)則駕駛行為等。根據(jù)檢測手段可以將駕駛狀態(tài)檢測分為兩類，一是借助各類傳感器設(shè)備檢測駕駛員動作（比如攝像頭進(jìn)行面部表情識別）[4]，同時通過穿戴設(shè)備監(jiān)測駕駛員生理、心理狀態(tài)，對駕駛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和駕駛行為分析；二是通過獲取車輛的操縱數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)參數(shù)，來檢測駕駛狀態(tài)信息并判斷駕駛員的駕駛狀態(tài)是否發(fā)生異常，從而為人機(jī)駕駛權(quán)控制作出決策判斷。為滿足駕駛狀態(tài)檢測的基礎(chǔ)設(shè)備需求，人因數(shù)據(jù)庫、駕駛模擬系統(tǒng)等方面的技術(shù)開發(fā)成為了駕駛狀態(tài)檢測研究過程中重要的研究基礎(chǔ)。

2.2.2 駕駛能力評價

車輛駕駛過程是一個高度復(fù)雜的信息加工（認(rèn)知）過程，國內(nèi)外對于駕駛能力的評價主要從三個方面進(jìn)行：一是通過統(tǒng)計方法，對事故組與安全組進(jìn)行對比分析；二是通過控制變量法，研究單一駕駛特性（包括年齡、藥物、疲勞等）對駕駛能力的影響；三是結(jié)合駕駛員身心狀態(tài)參數(shù)，對駕駛能力進(jìn)行綜合評估。目前，為有效結(jié)合各類方法優(yōu)勢，統(tǒng)一駕駛能力評價原則，對于相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定成為了該方向進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。

2.2.3 駕駛權(quán)交接

智能車輛中的駕駛權(quán)交接主要分類兩類：切換型駕駛、連續(xù)型駕駛。切換型駕駛明顯地對駕駛員進(jìn)行了區(qū)分，人作為駕駛員控制的場景和機(jī)器作為駕駛員控制的場景之間的切換有顯著的交接過程，切換的順暢度是影響駕駛體驗(yàn)的重要的因素。而連續(xù)型駕駛將人和機(jī)器作為一個整體考慮，根據(jù)駕駛場景動態(tài)平衡人和機(jī)器的駕駛權(quán)重。駕駛員和機(jī)器間的操作權(quán)限的切換、人機(jī)交互過程的順暢度和合理性將影響整個交通運(yùn)輸環(huán)境的運(yùn)行安全性。整個過程，存在如下兩個關(guān)鍵問題。一是在由機(jī)駕到人駕的控制權(quán)切換過程中，駕駛?cè)四芊裼行У貙Ξ?dāng)前駕駛狀態(tài)進(jìn)行認(rèn)知和評估，進(jìn)而接管車輛操作并最終規(guī)避風(fēng)險，是保證行駛安全，降低自動駕駛事故率的關(guān)鍵。二是如何對控制權(quán)切換過程進(jìn)行合理的績效評價、選擇恰當(dāng)?shù)那袚Q請求時機(jī)，以及對人機(jī)交互的有效性進(jìn)行優(yōu)化等，也是人機(jī)交互的有效性進(jìn)行優(yōu)化等，也是智能汽車發(fā)展過程中必須解決的重要問題。為此，仿真場景下的驗(yàn)證和數(shù)據(jù)采集成為了該方向發(fā)展的必經(jīng)之路。

3 基于駕駛模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互展望

智能汽車駕駛模擬系統(tǒng)可以用于監(jiān)測駕駛員的行為、表現(xiàn)和注意力與駕駛權(quán)操縱接管時機(jī)的研究，可用于主動安全、車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛的設(shè)計和評估。目前，該方法已經(jīng)成為自動駕駛汽車研發(fā)的重要工具，同時，這項(xiàng)系統(tǒng)還將會在提高我國汽車產(chǎn)業(yè)自主化、提高競爭能力的方面繼續(xù)得到重視。未來，駕駛模擬系統(tǒng)將在以下幾個方面繼續(xù)推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展。

3.1 自動駕駛?cè)艘驍?shù)據(jù)庫建設(shè)

人機(jī)交互系統(tǒng)是解決人與計算機(jī)相互理解的問題，使計算機(jī)在最大程度上幫助人類完成數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等服務(wù)[5]。駕駛員與機(jī)器之間的相互理解，對自動駕駛車輛安全運(yùn)行有著重要影響。通過對語音指令、視覺信息、駕駛員生理及心理行為數(shù)據(jù)的采集與處理，有利于更好的研究駕駛行為、優(yōu)化人機(jī)交互模式。人因數(shù)據(jù)庫包括，語音數(shù)據(jù)庫、視覺數(shù)據(jù)庫和生理及心理行為數(shù)據(jù)庫。

語音數(shù)據(jù)庫：基于語料集設(shè)計、人員特色、噪音類型等維度，面向通訊、導(dǎo)航、車控等多維指令集，由不同類型的人員組成、多種場景環(huán)境下的噪聲源信息。視覺數(shù)據(jù)庫：通過對駕駛員人臉、眼動、手勢等數(shù)據(jù)采集與標(biāo)注，建成駕駛員視覺交互的數(shù)據(jù)庫，用于產(chǎn)品功能研發(fā)與競品車對標(biāo)。生理及心理行為數(shù)據(jù)庫：基于眼動儀、面部表情檢測系統(tǒng)、生理行為檢測系統(tǒng)、動作行為記錄系統(tǒng)，采集和分析駕駛員生理、心理與行為數(shù)據(jù)，建立生理及心理行為數(shù)據(jù)庫，結(jié)合車輛數(shù)據(jù)與接管場景數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛駕駛權(quán)切換的研究。

3.2 多感聯(lián)動系統(tǒng)建設(shè)

針對語音、視覺交互以及其他交互方式，結(jié)合駕駛員風(fēng)格研究，可開展數(shù)據(jù)庫建設(shè)、算法工具開發(fā)、產(chǎn)品評價等方面研究?；谙嚓P(guān)數(shù)據(jù)庫，為測評功能升級提供支持，形成完善的智能駕駛數(shù)據(jù)評價體系；基于人機(jī)協(xié)同控制過程中的機(jī)理模型進(jìn)行駕駛行為數(shù)據(jù)工具鏈產(chǎn)品研發(fā)，開發(fā)智能駕駛的交互開發(fā)、測試、評價工具、數(shù)據(jù)處理；提升識別交互與監(jiān)控算法水平，提升交互應(yīng)用效率。

3.3 人機(jī)交互功能優(yōu)化策略

人機(jī)協(xié)同駕駛切換過程中的人機(jī)交互時機(jī)及其行駛，顯著影響著駕駛?cè)朔磻?yīng)時間和接管績效。深入剖析和理解自動駕駛車輛智能控制系統(tǒng)與駕駛員的駕駛邏輯，分析車輛動力學(xué)對于介入準(zhǔn)則的約束，探索緊急工況下的切換機(jī)理，分析沖突與交互機(jī)制，從而尋找優(yōu)化的預(yù)警時機(jī)及其模型，優(yōu)化視覺、聽覺、觸覺等交互方式及接管請求的發(fā)送方式，解決自動駕駛汽車功能中的控制權(quán)切換難題。

4 總結(jié)

綜合運(yùn)用駕駛模擬系統(tǒng)是自動駕駛車輛驗(yàn)證測試的一項(xiàng)有效手段，可以研究自動駕駛車輛、駕駛員的各項(xiàng)性能指標(biāo)。未來，基于駕駛模擬系統(tǒng)的人機(jī)交互驗(yàn)證，將在智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試層面、數(shù)據(jù)資源層面、技術(shù)培訓(xùn)層面及標(biāo)準(zhǔn)層面發(fā)揮重要的作用。