论文总字数：29371字

摘 要

近些年来，驾驶模拟器由于其安全、高校、实验可控、数据易采集等备受研究者的青睐，然而模拟驾驶与实际道路驾驶存在一定差异，基于模拟舱的研究成果直接被应用于工程实践，忽略对模拟舱环境下实验结论可信度分析研究，则实际应用效果缺乏可靠性验证和真实性。本文的主要工作就是验证生心理指标下的驾驶模拟有效性。

首先，本文结合国内外驾驶模拟方面的研究成果，在较为先进的生心理信号检测仪器的基础上，探讨驾驶员生心理指标在驾驶过程中的变化情况。通过对脑电波、心电波、眼球运动等指标所反映的驾驶特征深入分析，选取波、low 波、high 波、波、SMR、BVP心率、瞳孔半径作为驾驶员生心理指标。

其次，论文设计了合理的实验方案，以宁杭高速三期为实验道路进行室外驾驶实验，基于Forum8驾驶模拟舱进行室内驾驶实验，并利用多通道生理反馈仪和眼动仪采集驾驶过程中相关数据。

然后，基于采集到的原始数据，选取具有一段具有代表性的圆曲线直观定性探讨室内外实验的指标变化一致性，接着对室内外全程各指标相应数据进行样本对T检验，探讨基于不同指标的驾驶模拟相对有效性与绝对有效性。

最后，论文总结研究成果，提出现有模拟设备及方法的局限，并对未来该领域工作做出展望。

关键词: 驾驶模拟有效性 生心理指标 室外实验 仿真实验

Study On the Validity of the Driving Simulation Based on the Psychological Characteristics of the Driver

Abstract

In recent years, driving simulator has attracted the attention of researchers due to its safety, efficiency, controlled experiment and easy data acquisition. But there is certain difference between simulated driving and real road driving. If the research results of simulation cabin were directly applied to engineering practice, without putting the conclusion credibility of simulation cabin into consideration, then actual application effect are lack of reliability verification and authenticity. The main job of this paper is to verify the validity of the driving simulation under the psychological indicators

First of all, this paper combines driving simulation research results at home and abroad, and evaluate the changes of driver's physiological and psychological indicators in the driving process with advanced psychological signal detection instrument. And then this paper select the wave of , low , high , and SMR as the brain waves; select BVP rate as heart waves; select pupil radius as ocular movement features

Secondly, this paper designs reasonable experimental plan, including outdoor driving experiment on the third term of Ninghang highway and indoor driving experiment based on Forum8 driving simulation cabin. Related experimental data are collected by multi-channel physiological feedback instrument and eye movement instrument during both experiment.

Then, based on the collected raw data, this paper selects a representative circular curve to check the consistency of indications intuitively. Then the corresponding data sample of T test is discussed based on different indicators to evaluate the absolute validity and relative validity.

Finally, the paper summarized the research results, proposed the limitation of simulation equipment and the method, and made the prospect to the future work in this domain.

KEY WORDS: the validity of driving simulation physiological indications outdoor experiment indoor experiment

目录

摘要.....................................................I

Abstract................................................II

目录....................................................III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2国外研究现状 2

1.2.1生心理指标与驾驶行为 2

1.2.2驾驶模拟有效性研究 2

1.3国内研究现状 3

1.3.1生心理指标与驾驶行为研究 3

1.3.2驾驶模拟有效性研究 4

1.4研究内容 4

1.5技术路线 5

第二章 实验设备及指标选取 6

2.1 UC-WIN/ROAD软件及Forum8驾驶模拟器 6

2.2多通道生心理反馈仪 7

2.3眼动仪 8

2.4实验指标选取 8

2.4.1脑电指标选取 8

2.4.2心电指标选取 9

2.4.3皮电 10

2.4.4肌电 10

第三章 室内外实验方案设计 12

3.1室外实验方案设计 12

3.2室内实验方案设计 15

第四章 实验数据不同路段一致性 17

第五章 实验数据样本对T检验 22

5.1样本对T检验 22

5.2脑电指标T检验 23

5.2.1脑电指标T检验结论： 27

5.3心电指标T检验 28

5.3.1心电指标T检验结论 31

5.4眼动指标T检验 31

5.4.1眼动指标T检验结论 33

第六章 结论与展望 35

6.1主要结论： 35

6.2创新点： 35

6.3局限性及展望： 35

致谢.... 37

参考文献（References） 38

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

计算机运算效率的提高、仿真技术的开发与完善、图像生成技术的飞速发展使得虚拟驾驶仿真环境的搭建成为可能。过去的几年中，大量研究表明基于驾驶模拟器的研究一定程度上应该成为实地研究替代方案，原因如下：一是因为采集野外数据的复杂性，实地研究费用非常高昂。另外是通过控制环境和交通条件，完成测量遇到的困难。与此相反的，先进的交互式驾驶模拟器拥有几个特点，如效率高、费用低、安全、实验可控和数据收集的易用性。

因此，高仿真性能的驾驶模拟舱在道路交通组织优化、交通安全设施评价、驾驶员特性、驾驶行为等方面的研究日益受到科研人员的青睐。此外，驾驶模拟器也在评价酒精、药品、毒品、疲劳驾驶影响度的传统研究方面发挥巨大潜力。然而，实际驾驶环境与驾驶模拟舱的仿真环境之间存在一定程度的差异，这种差异性成为影响基于虚拟驾驶仿真研究成果的可信性，也是该领域当今学者讨论的焦点。若基于模拟舱的研究成果直接被应用于工程实践，忽略对模拟舱环境下实验结论可信度分析研究，则实际应用效果缺乏可靠性验证和真实性。

在人-车-路系统中，人是汽车驾驶行为的主体，对行车安全起着主导作用。驾驶员的驾驶行为大致可以概括为：道路环境（道路本身几何特征、道路交通流、周围自然环境）作用于人的感觉器官（眼睛、耳朵、身体），感官又将这些外部信息传递给中枢神经系统，驾驶员作出决策和判断，通过运动器官（主要是手脚）对汽车进行操控，从而又再次获取新的外部信息，如此循环往复……在上述过程中，都会伴随着驾驶员生心理的变化，生理上的变化主要通过驾驶员的循环机能的变化、血液的变化、呼吸机能的变化、分泌物的变化、神经机能的变化、体温的变化等表现;而心理上则主要通过驾驶员情绪、注意力等反应。通过对生心理指标的检测与分析，可以量化模拟舱的驾驶环境与实际驾驶环境之间的差异，来进一步研究驾驶模拟的有效性及其程度，甚至对驾驶模拟器作出改进，以更好地实现对实际道路的模拟仿真。

本课题设置实验组和控制组对比试验，分别进行室内试验和室外试验，通过对实验中驾驶员的生心理指标如脑电波、心率、眼动特征进行对比分析，基于样本对T检验给出基于上述指标的定量分析，并以某段具有代表性圆曲线给出室内外一致性定性分析，确定指定情况下的驾驶模拟有效性，并对相对有效性及绝对有效性进行深入探讨。本研究有助于驾驶疲劳、饮酒驾驶等道路交通安全问题的研究，并对道路设计及其合理性评价具有重要指导意义。

1.2国外研究现状

1.2.1生心理指标与驾驶行为

科研人员对驾驶员生心理的研究开始于上个世纪初，但由于时代的局限性，发展一直较为缓慢。直到上世纪六、七十年代，汽车工业、医学、计算机科技的飞速发展，才真正高速推动了该方面的研究。对生心理指标及驾驶行为的研究多基于室外实际实验。

20世纪中叶，交通从业者开始将路用者纳入人-机系统进行研究。1959年，美国公共交通局聘请心理学家从事研究和管理工作。

之后的几十年，美、德、日、俄等国家的交通工作者利用脑电波、心率、血压、眼部运动、皮肤电阻等多项生理指标对驾驶行为、道路设计及评估、交通安全等进行了大量的研究。

20世纪90年代, Jorna^[1][1]研究了飞行员在新机型试飞时飞机着陆过程的心电图，Jorna 用心电仪记录试飞新机型的飞行员着陆过程的首次试飞、试飞测验、试飞完成三个阶段的心率起伏状况。

Mark.A在驾驶员驾驶模拟过程中，选取脑电信号功率评价驾驶员的表现，研究表明脑电信号的变化因驾驶员注意力而异。

2002年，Byung Chan Min 和 Soon Cheol Chun^[2]等人测量和探究了年轻驾驶员对于 3 种不同的行车条件下和5 种不同的车速的客观生理反应测量指标(心率、皮肤电阻、皮肤温度)和主观评价之间的联系。

Karel A. Brookhuisa^[3][3]等在驾驶模拟条件下获取走神、单调、疲劳及一些特殊驾驶条件下驾驶员的生理反应，如心率、眼动特征、脑电波等，结论表明只有在适度的精神工作量下，才能保持驾驶安全。

总之，国外在这个领域的起步较早，他们的模拟器产品早已发展到了第二代甚至是第三代，在驾驶模拟系统的分析上他们的理论已经较为完善，目前，国外的研究方向思路较为广阔。

1.2.2驾驶模拟有效性研究

为给我们提供有益的探索或道路设计工具，汽车驾驶模拟器必须接受正确验证。通常有两个层次的有效性：绝对和相对有效性。绝对有效性是指在汽车驾驶模拟器中和在现实世界中的行为之间的数值对应关系。相对有效性是指驾驶情况不同变化的影响下的之间的对应关系。Tornos指出，一种模拟器是一个有用的研究工具，相对有效性是必要的，但绝对有效性不是必需的。这是由于研究问题通常要处理事宜与有关的独立变量的影响，而不是设法确定驱动程序的绝对数值。

图1-1 绝对有效性与相对有效性

如方案A中第二组指标具有绝对有效性，方案B中两组指标均具有相对有效性。

国外对驾驶模拟的有效性多采用行车速度、横向偏移等汽车行为指标。

Bella^[4][4]等人在模拟舱内对一条乡村双车道公路进行驾驶模拟，记录11个测站点的速度，结论认为CRISS驾驶模拟器具有很好的相对有效性，并在9个测站点取得绝对有效性。

Tornros^[5][5]基于隧道驾驶场景验证驾驶模拟舱的有效性，20 名驾驶员驾驶车辆在隧道中往返各 6 次，以侧位移和速度作为指标，研究发现，模拟器中车辆行驶速度高于实际隧道中的行驶速度，利用统计分析得出了该情形下模拟器不具有完全有效性的结论。认为驾驶行为实验中关注的是不同实验因素（条件）下相应实验评价指标的变化规律，因此，基于驾驶模拟器的验证实验中，更关心的是驾驶模拟器的相对真实性水平。

Xuedong Yan, Mohamed Abdel-Aty^[6][6]等采用交通参数（速度）和交通安全参数（历史事故率）来研究平面交叉口处的驾驶模拟有效性。实验结果显示室外实验和室内实验的交通安全事故率数理统计上都服从正态分布且具有相同的平均值，从而证明了该情况下驾驶模拟具有绝对有效性。

1.3国内研究现状

1.3.1生心理指标与驾驶行为研究

在国内，从心理生理角度研究交通问题在近些年才开始得到人们的关注，并主要集中在道路线形评价和驾驶适宜性方面。但都集中在基于实际道路的生心理指标反馈。

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