2026-05-25 10:44:03, 人机环境同步平台 北京津发科技股份有限公司
本研究针对弯道风险预测中驾驶员动态因素考虑不足的问题,提出结合驾驶员转向行为与工作负荷的个性化轨迹风险预测方法。以ErgoLAB 人机环境同步平台 V3.0为核心技术底座,通过驾驶模拟实验实现 “轨迹 + 车辆动态 + 眼动” 多源数据的高精度同步采集与质控,最终让轨迹预测误差降低 29.1%、工作负荷识别准确率达 97.4%,为高级驾驶辅助系统(ADAS)研发提供关键技术参考。
在交通领域,风险预测技术对保障道路安全至关重要,尤其是弯道风险预测。传统风险预测多基于车辆位置检测,随着技术发展,基于轨迹的风险预测成为主流。长短期记忆(LSTM)网络因在处理序列数据上的优势,被广泛应用于轨迹预测,进而用于风险评估。例如,部分研究利用LSTM实现轨迹预测并构建碰撞预警模型,但这些早期方法常将驾驶员因素视为常量,未充分考虑其动态变化对风险的影响。驾驶员作为驾驶过程中的关键因素,其驾驶行为和工作负荷对风险预测有显著作用。驾驶员驾驶行为受驾驶习惯、路况、车辆性能等多种因素影响,难以精准建模。同时,驾驶风险与驾驶员工作负荷紧密相关,高工作负荷可能导致驾驶员注意力分散、反应迟缓,增加事故风险。基于Wilde的风险稳态理论,驾驶员会根据自身感知的风险和最大可接受风险调整驾驶行为,这进一步强调了在风险预测中考虑驾驶员动态因素的必要性。
当前,该领域研究的一个显著特征是广泛采用多源数据融合技术。除了传统的轨迹数据和车辆动态数据,眼动数据、生理数据等也被纳入研究范畴,以更全面地刻画驾驶员状态。例如,通过分析眼动数据中的注视点、瞳孔直径等指标,可评估驾驶员的注意力分配和认知负荷,从而为风险预测提供更丰富的信息。另一显著趋势在于提升模型的个性化与自适应能力。不同驾驶员的驾驶风格和行为模式存在差异,开发能够适应个体差异的风险预测模型成为研究热点。如本研究通过引入个性化指标,融合驾驶员转向行为与工作负荷信息,提升了轨迹预测和风险评估的准确性。未来,随着传感器技术、人工智能算法的不断发展,风险预测技术有望在更复杂场景下实现高精度、实时性的风险评估,为智能交通系统和高级驾驶辅助系统的发展提供有力支撑,进一步提升交通安全性。
下面请阅读基于ErgoLAB 人机环境同步平台V3.0结合多模态驾驶行为、眼动等数据进行驾驶风险预测的研究。
题目:Personalized Trajectory-based Risk Prediction on Curved Roads with Consideration of Driver Turning Behavior and Workload
作者:Yahui Liu, Jingyuan Li, Yingbo Sun, Xuewu Ji and Chen Lv
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON HUMAN-MACHINE SYSTEMS
DOI:10.1109/THMS.2024.3407333
相较于直道驾驶,弯道驾驶的事故风险更高。据致命事故分析报告系统数据,约 25% 的致命事故发生在水平弯道,且 76% 的弯道致命事故为单车车道偏离事故。因此,弯道风险预测对降低事故率至关重要。
现有研究表明,车辆位置的检测与预测是风险预测的核心环节。为降低车道偏离风险,部分车辆配备车道偏离预警系统(LDWS),该系统通过检测车辆相对车道的位置,在车辆偏离车道时及时发出预警。近年来,车载传感技术与高精度全球定位系统(GPS)的发展为高级预警系统奠定基础 —— 这类系统有望利用预测车辆轨迹进行风险预测,并通过驾驶员界面提供辅助,从而主动降低交通事故率、保障驾驶安全。
当前弯道风险预测仍面临两大挑战:1)驾驶员转向行为受多种因素影响,建模难度大;2)驾驶风险受驾驶员工作负荷与风险感知的影响,需将驾驶员工作负荷纳入风险预测模型。
这两大挑战的核心瓶颈在于数据获取能力,转向行为建模需同时高频同步采集‘车辆轨迹 + 方向盘操作’数据,工作负荷量化需获取眼动等认知指标,且需与车辆动态数据对齐。ErgoLAB 人机环境同步平台 V3.0 支持多模态数据高频同步采集与精准预处理,为‘转向行为 + 工作负荷’的量化分析提供了可行的数据基础。
基于轨迹的风险预测
车辆轨迹预测领域已有大量研究,LSTM 因预测性能优异被广泛应用。例如,Liu 等人采用 LSTM 编码网络进行机动识别,并提出一种考虑轨迹风格的轨迹预测模型;为提升预测精度,研究者还尝试纳入驾驶员意图与驾驶行为。此外,部分研究聚焦于利用预测轨迹进行风险预测,并融入多种驾驶员相关因素,如 Lyu 等人基于 LSTM 实现轨迹预测并应用于碰撞预警模型,Huang 等人将驾驶员行为融入风险预测框架并以历史轨迹为输入。然而,多数现有研究将风险模型中的驾驶员因素视为常量,忽略了其动态特性。
总体而言,LSTM 在预测任务中应用广泛,且将轨迹信息用于风险预测的趋势日益明显,但鲜有研究在风险预测中考虑驾驶员的动态转向行为。
驾驶员工作负荷
驾驶员工作负荷指驾驶与非驾驶活动占用的驾驶员认知资源,其水平受驾驶环境复杂度与次要任务影响。已有大量研究通过车辆动态信号与生理信号识别驾驶员认知工作负荷:车辆动态信号中,方向盘转角与纵向车速应用最广泛;生理信号则包括眼动、心率、脑电图等,其中眼动信号因可无接触测量而具有显著优势,主要指标包括扫视、注视、瞳孔直径、gaze位置及gaze速度。
研究表明,驾驶员认知工作负荷对未来驾驶风险有显著影响。根据 Wilde 的风险稳态理论,驾驶员会在感知风险与最大可接受风险间建立动态平衡,并据此调整驾驶行为——即驾驶员对自身工作负荷的认知及对当前风险的感知,会显著影响未来驾驶表现。为保障安全,部分驾驶员在工作负荷增加时会表现出风险补偿行为。另有研究证实,进行免提通话的驾驶员比无干扰驾驶员的横向偏移更小、车速更慢,这表明需关注高工作负荷下的车辆行驶状态,而非简单认为高工作负荷必然导致风险升高。因此,将驾驶员工作负荷融入弯道基于轨迹的风险预测十分必要。
解决当前弯道风险预测中对驾驶员动态相关因素考虑有限、算法对个体差异适应性差的问题,进而提升弯道风险预测的准确性与稳健性,减少车道偏离事故以改善交通安全性。具体而言,研究旨在通过结合驾驶员转向行为与工作负荷这两个关键动态因素,构建一种新型个性化轨迹风险预测方法:一方面实现对驾驶员转向行为(向弯道内侧 / 外侧行驶)和认知工作负荷的有效识别与量化;另一方面将这些个性化信息融入轨迹预测模型以优化预测精度,并基于优化后的预测轨迹,利用风险势场理论实现更贴合驾驶员个体特征的弯道风险预测,最终为高级驾驶辅助系统提供技术支撑。
两类转向行为的 RMSE 存在差异,该结果与现有研究(Khakzar 等人,2021)一致,表明驾驶员行为会影响轨迹预测误差。
根据 Wickens 多资源理论,人可在视觉、听觉、认知、手动通道间进行多任务处理:驾驶需同时占用四类通道,而免提通话仅占用认知与听觉通道(驾驶员双手可握方向盘、双眼可看道路),手持通话则占用全部四类通道 —— 两类通话在通道占用上存在差异,若将手持通话作为次要任务,可能获得不同实验结果。
研究局限性:(1)驾驶员样本量较小,未来需招募更多驾驶员进行亚组分析,对比专业与非专业驾驶员在高工作负荷下的表现;(2)数据集来自驾驶模拟实验,虽模拟器已被证实可模拟真实驾驶环境,但通过显示器感知虚拟道路与真实驾驶仍存在差异。
本文提出一种结合驾驶员转向行为与工作负荷的新型轨迹风险预测方法,具体成果如下:
在两种工作负荷水平下,采集同步的轨迹数据、车辆动态数据与眼动数据。采用 k 均值算法对轨迹聚类,将其分为两类转向行为;基于轨迹数据构建 GRU 转向行为识别模型,基于车辆动态特征与眼动特征构建 LightGBM 工作负荷识别模型。
提出个性化指标融合转向行为与工作负荷识别结果,并将其融入 LSTM 编解码器网络。
引入风险势场理论进行弯道风险预测。
研究发现,扫视频率是工作负荷识别中最重要的特征;与 LSTM-2 算法相比,IW-LSTM 在 2 秒、3 秒、4 秒预测时域下的 RMSE 分别降低 15.6%、23.5%、29.1%;且 IW-LSTM 的风险场强度趋势与 TLC 趋势相反,证明框架有效性。
所提风险预测框架有望未来集成到高级驾驶辅助系统(ADAS)中,为制定干扰缓解策略提供指导;同时,考虑驾驶员转向行为与工作负荷的思路也可应用于其他场景。
本研究通过驾驶次任务打电话以诱发高工作负荷,进一步的研究可以结合ErgoExpert交通人因测试专家系统引入一些其它的次任务,如nback范式等,以更精准量化不同认知负荷水平对驾驶行为的影响。研究场景还可拓展至连续弯道、坡道弯道等复杂场景,加入多车交互场景,构建 “车辆 - 道路 - 周围车辆” 三元风险势场模型,完善风险评估维度。
当前实验数据样本量较小且依赖模拟数据,进一步的研究中可扩大样本量,覆盖不同年龄、驾驶风格及生理状态(如轻度疲劳)的群体,以优化模型适配性。在工作负荷识别中可以进一步加入心率变异性、脑电信号等生理特征,采用多模态融合以提升模型准确率。还可结合ErgoLAB的自然驾驶数据采集功能,缩小模拟数据与真实场景的差异,通过迁移学习提升模型落地性。
本文仅用于学术交流,原文版权归原作者和原发刊所有。
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