基于駕駛模擬技術(shù)的車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)節(jié)能減排效果分析

摘要：本研究旨在測(cè)試車路協(xié)同條件下生態(tài)駕駛的節(jié)能減排潛力。研究基于駕駛模擬技術(shù)搭建以生態(tài)車道（Ecolane）為路端、生態(tài)駕駛?cè)藱C(jī)交互系統(tǒng)（EcoHMI）為車端的車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)（Ecolane-HMI-CVIS）。招募40名駕駛?cè)碎_展駕駛模擬實(shí)驗(yàn)和主觀問卷調(diào)查，探究Ecolane-HMI-CVIS對(duì)機(jī)動(dòng)車能耗排放的影響。與實(shí)驗(yàn)對(duì)照組相比，Ecolane-HMI-CVIS降低能耗1.03%，CO2、CO、HC、NOX排放分別降低1.01%，10.72%，1.52%和9.83%；駕駛?cè)酥饔^認(rèn)同且客觀行為遵循Ecolane-HMI-CVIS預(yù)警信息時(shí)，車輛能耗排放最低。研究結(jié)果表明，車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)能夠促使駕駛?cè)瞬捎蒙鷳B(tài)駕駛行為，從而降低車輛能耗排放；同時(shí)，駕駛?cè)酥饔^認(rèn)知對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的節(jié)能減排效果有明顯影響，駕駛?cè)烁兄杏眯缘挠绊懽顬轱@著。1車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)搭建1.1平臺(tái)框架本研究旨在基于駕駛模擬技術(shù)設(shè)計(jì)生態(tài)車道與車路協(xié)同人機(jī)交互終端相結(jié)合的車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警系統(tǒng)。預(yù)警系統(tǒng)由駕駛模擬器、協(xié)同處理中心、人機(jī)交互終端（HumanMachineInteraction，HMI）3個(gè)部分組成。圖1車路協(xié)同生態(tài)駕駛模擬平臺(tái)示意圖1.2生態(tài)車道設(shè)計(jì)與駕駛模擬場(chǎng)景搭建研究選用京禮高速公路為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建生態(tài)車道，利用3Dmax繪圖軟件進(jìn)行道路基礎(chǔ)場(chǎng)景開發(fā)，并在駕駛模擬器中進(jìn)行場(chǎng)景再現(xiàn)。如圖2所示，道路為雙向四車道高速公路，全長(zhǎng)46km，橫斷面寬度26m，限速120km/h。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的生態(tài)車道為專用車道，車道長(zhǎng)度為3.5km，限速90km/h。生態(tài)車道鋪有綠色路面，繪制“生態(tài)車道”標(biāo)識(shí)，并在車道起點(diǎn)和終點(diǎn)的路邊設(shè)置相應(yīng)的交通標(biāo)志。圖2實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)1.3車路協(xié)同生態(tài)駕駛預(yù)警終端設(shè)計(jì)與研發(fā)依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)研發(fā)融合生態(tài)駕駛理念的車路協(xié)同人機(jī)交互系統(tǒng)（EcoHMI）。EcoHMI選用華為M3平板電腦作為交互媒介，基于Android6.0系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。圖3ECOHMI界面設(shè)計(jì)2駕駛模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試2.1場(chǎng)景設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中共設(shè)置了七個(gè)虛擬區(qū)域，控制區(qū)（Zone1和Zone7，各200m）、預(yù)警前區(qū)域（Zone2，500m）、生態(tài)車道路（Zone3—Zone6，共3500m）。Zone1為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在受到EcolaneHMI-CVIS影響之前的車輛運(yùn)行狀態(tài)是否一致；Zone2為正常駕駛到生態(tài)車道預(yù)警的漸變段；Zone4設(shè)置了跟馳慢速車輛事件（慢速車輛為70km/h），當(dāng)跟馳事件結(jié)束后，慢速車輛將加速離開。實(shí)驗(yàn)路段的交通流條件均設(shè)置為自由流，車輛不允許隨意變道和超車。當(dāng)車輛觸發(fā)預(yù)警點(diǎn)時(shí)，預(yù)警信息通過(guò)HMI傳遞給駕駛?cè)?。圖4預(yù)警點(diǎn)設(shè)計(jì)表1預(yù)警信息表2.2實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)共分為三個(gè)步驟：①駕駛前問卷、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和駕駛練習(xí)；②兩組駕駛模擬實(shí)驗(yàn)（Control組和Ecolane-HMI-CVIS組順序隨機(jī)）；③實(shí)驗(yàn)后問卷。表2被試對(duì)Ecolane-HMI-CVIS主觀感受問卷調(diào)查題目2.3實(shí)驗(yàn)樣本量研究共招募40名被試，要求被試擁有C2及以上等級(jí)駕照，且無(wú)嚴(yán)重生理、心理疾病。為測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景合理性，選取3名被試參與預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終共有37名被試參與正式實(shí)驗(yàn)。所有被試均簽署實(shí)驗(yàn)知情書面同意書。表3被試基本屬性信息統(tǒng)計(jì)表本研究中使用的樣本量測(cè)量方法參見公式（1）,在本研究中，Z為1.25，??為0.4，E為10%，計(jì)算所需的樣本量為25個(gè)。此外，通過(guò)梳理近5年駕駛模擬相關(guān)文獻(xiàn)，駕駛模擬實(shí)驗(yàn)所邀請(qǐng)的被試數(shù)量多在20～35之間，因此，本實(shí)驗(yàn)參與被試數(shù)量滿足最小樣本量的要求。3數(shù)據(jù)分析結(jié)果3.1主觀調(diào)查結(jié)果總體上，駕駛?cè)藢?duì)系統(tǒng)具有較高的認(rèn)可度。其中，駕駛?cè)藢?duì)使用系統(tǒng)的態(tài)度平均分為4.11分，呈現(xiàn)積極狀態(tài)；但其標(biāo)準(zhǔn)差為1.1，分?jǐn)?shù)離散程度最大，說(shuō)明少部分駕駛?cè)藢?duì)預(yù)警系統(tǒng)為消極態(tài)度。在感知有用性方面，平均分為3.80分，標(biāo)準(zhǔn)差為0.942，說(shuō)明駕駛?cè)苏J(rèn)為預(yù)警系統(tǒng)有用。在感知易用性方面，平均分約為4分，標(biāo)準(zhǔn)差為0.825，表明多數(shù)駕駛?cè)苏J(rèn)為預(yù)警系統(tǒng)比較容易操作和使用。在分心感知方面，平均分為2.36分，標(biāo)準(zhǔn)差為1.04，說(shuō)明駕駛?cè)苏J(rèn)為系統(tǒng)在行車過(guò)程中確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，使得駕駛?cè)舜嬖诜中男袨?，但干擾影響較輕。圖5被試對(duì)Ecolane-HMI-CVIS主觀評(píng)價(jià)結(jié)果3.2生態(tài)特性分析本研究選取車輛油耗（FC）以及HC、CO、CO2等排放物反映Ecolane-HMI-CVIS對(duì)能耗排放的影響。研究選取車輛比功率（VehicleSpecificPower，VSP）來(lái)計(jì)算車輛排放值，根據(jù)碳平衡法，獲得車輛的能耗情況?；谝陨蠝y(cè)算方法，可獲得車輛能耗排放值，由公式得出的基準(zhǔn)排放率。表4實(shí)驗(yàn)路段及各關(guān)鍵區(qū)域能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果表5實(shí)驗(yàn)路段及各關(guān)鍵區(qū)域排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果總體上Ecolane-HMI-CVIS對(duì)生態(tài)駕駛行為具有正向影響作用，能夠有效地改善駕駛?cè)说男袨閺亩档湍芎呐欧拧?.3主客觀一致性分析為分析主客觀一致性對(duì)Ecolane-HMI-CVIS效用的影響，本研究首先將所有被試設(shè)定為ALL組；然后將態(tài)度、感知有用性、感知易用性方面平均得分大于4分，且分心感知方面得分小于2分的被試認(rèn)定為在主觀方面對(duì)Ecolane-HMI-CVIS積極接受，即主觀積極組（subjectivepositive，SP）；再?gòu)腟P組進(jìn)一步篩選在整個(gè)實(shí)驗(yàn)路段中Ecolane-HMI-CVIS組能耗排放低于Control組的被試，定義為主客觀一致組（Subjectiveandobjectiveconsistency，SOC）。圖6主客觀一致性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：（1）被試所占比例ALL組大于SP組大于SOC組，其中SOC組的被試人數(shù)最少；（2）在Ecolane-HMI-CVIS的干預(yù)下，降低能耗效果ALL組低于SP組低于SOC組，其中SOC中Ec