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abiopp9個(gè)月前 (04-09)技術(shù)61
公開數(shù)據(jù)集分享
高度自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中乘客駕駛風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的研究

自動(dòng)駕駛的安全性一直是行業(yè)和消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于如何提高高度自動(dòng)駕駛車輛的行路安全,最近,研究人員開始關(guān)注乘客的在不同駕駛場(chǎng)景中的對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知。因?yàn)槿祟惐举|(zhì)上是一種特殊的傳感器,即使是不需要控制汽車的乘客,也能夠感知風(fēng)險(xiǎn)。因此,研究基于人的狀態(tài)的腦機(jī)接口(BrAIn-computer inference, BCI)系統(tǒng)以克服自動(dòng)駕駛算法的功能缺陷是有意義的。

 
今天,我們將為大家介紹一個(gè)用于研究乘客在高度自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中駕駛風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知的功能性近紅外光譜(fNIRS)數(shù)據(jù)集,介紹該數(shù)據(jù)集的原文題為:“An fNIRS dataset for driving risk cognition of passengers in highly automated driving scenarios”。該數(shù)據(jù)集包含在多個(gè)高速駕駛場(chǎng)景中的乘客前額葉皮層活動(dòng)數(shù)據(jù),還提供了駕駛場(chǎng)景的詳細(xì)信息,如車輛位置、速度和加速度。該研究為自動(dòng)駕駛的安全性提供了新的視角,為未來自動(dòng)駕駛車輛的腦機(jī)接口系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
  圖1. 文章封面
研究背景
在高度自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景中,車輛的操作不再依賴駕駛員,而是由自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制。然而,乘客的心理狀態(tài)也能反映車輛的安全性,其前額葉皮層活動(dòng)可以反映出他們對(duì)駕駛風(fēng)險(xiǎn)的感知,這種感知可以幫助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)更好地應(yīng)對(duì)潛在的危險(xiǎn)場(chǎng)景。

在這項(xiàng)研究中,研究者使用近紅外光譜設(shè)備(OctaMon, Artinis Medical Systerm)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬駕駛情境中的乘客前額葉的氧合血紅蛋白(ΔHbo)和脫氧血紅蛋白(ΔHbR)變化,這些數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映出乘客在不同駕駛場(chǎng)景中的心理負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)感知。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)記錄
研究者首先使用虛擬測(cè)試駕駛(virtual test drive,VTD)軟件構(gòu)建了14種高度自動(dòng)駕駛場(chǎng)景(見圖2)。這些場(chǎng)景涵蓋了三種典型的單車場(chǎng)景:插隊(duì)、緊急制動(dòng)和行人橫穿馬路。具體場(chǎng)景包括:領(lǐng)頭車輛從右側(cè)車道切出、領(lǐng)頭車輛從左側(cè)車道切出、領(lǐng)頭車輛長距離自主緊急制動(dòng)、周圍車輛短距離從左側(cè)車道切入、周圍車輛短距離從右側(cè)車道切入、周圍車輛長距離從右側(cè)車道切入、 領(lǐng)頭車輛短距離自主緊急制動(dòng)、周邊車輛從左側(cè)車道長距離插隊(duì)、周邊車輛在右側(cè)車道行駛且不插隊(duì)、行人從右側(cè)橫穿馬路、行人從左側(cè)橫穿馬路、行人站在左側(cè)不橫穿馬路、行人站在右側(cè)不橫穿馬路、周邊車輛在左側(cè)車道行駛且不插隊(duì)。因此每個(gè)場(chǎng)景包含一輛自動(dòng)駕駛的本車,目標(biāo)車輛或者行人。這14種場(chǎng)景的具體參數(shù)描述可參考原文表2。

其次,從這14種場(chǎng)景中隨機(jī)選擇25個(gè)場(chǎng)景組成一個(gè)虛擬測(cè)試駕駛(VTD)片段。每個(gè)VTD片段的最初1000米內(nèi),沒有任何事件發(fā)生,本車在三車道道路上以70 公里/小時(shí)的速度直線行駛,期間無事發(fā)生,目的是讓參與者適應(yīng)模擬駕駛環(huán)境。當(dāng)本車到達(dá)觸發(fā)位置后,目標(biāo)車輛或行人開始執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作,如切入、變道、過馬路等。

研究員一共準(zhǔn)備了12個(gè)VTD片段,每個(gè)片段長約13分鐘。在數(shù)據(jù)分析時(shí),會(huì)舍棄每個(gè) VTD 片段中最后一個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù),僅提取前面二十四個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。十二個(gè)VTD片段中二十四個(gè)場(chǎng)景的順序可參考原文表1。

最終,由20名中國被試在駕駛模擬器上專注觀看所有12個(gè)VTD片段,不能進(jìn)行其他干擾任務(wù),以確保對(duì)場(chǎng)景的感知和反應(yīng)不受影響。觀看VTD的過程中,一旦被試感知到危險(xiǎn)或者聽到刺激聲音,則需要按鍵。任務(wù)過程會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)的一些刺激聲音,以此判斷其是否專注。且在同一天內(nèi),被試最多觀看4個(gè)VTD片段。

OxySoft 軟件記錄由血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量的氧合血紅蛋白變化(ΔHbo)和脫氧血紅蛋白變化(ΔHbR)的原始數(shù)據(jù),此外,OxySoft軟件還輸出原始強(qiáng)度數(shù)據(jù),這些原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)可根據(jù)特定需求進(jìn)行預(yù)處理,可通過Homer3或其他軟件獲得ΔHbo和ΔHbR的預(yù)處理數(shù)據(jù);Matlab/Simulink模塊負(fù)責(zé)硬件與主機(jī)之間、主機(jī)與OxySoft軟件之間的通信;Python模塊和鍵盤共同記錄參與者按下鍵盤時(shí)主機(jī)的當(dāng)前時(shí)間。

另外,本實(shí)驗(yàn)以動(dòng)能場(chǎng)作為駕駛場(chǎng)景危險(xiǎn)程度的客觀指標(biāo),該指標(biāo)使用目標(biāo)車輛(或者行人)的相對(duì)縱向距離和速度來計(jì)算。并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn),選取動(dòng)能值0.05作為割點(diǎn)(或者叫刺激點(diǎn)),以此將自動(dòng)駕駛場(chǎng)景分為前半段低風(fēng)險(xiǎn)和后半段高風(fēng)險(xiǎn)部分。

  圖2. 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景以及數(shù)據(jù)處理流程
數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)和命名
該數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)和命名遵循一定規(guī)范,有助于高效管理和使用數(shù)據(jù),具體如下:
數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu):包含三個(gè)主要文件(participants.tsv、participants.json和dataset_description.json)和二十個(gè)文件夾。其中,二十個(gè)文件夾分別以符合大腦影像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(BIDs)的格式保存二十名參與者的數(shù)據(jù)。participants.tsv 記錄參與者的年齡、性別、駕駛經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)VTD片段危險(xiǎn)程度的主觀評(píng)價(jià);participants.json和dataset_description.json則分別是關(guān)于參與者和數(shù)據(jù)集的解釋說明文件。

命名規(guī)則:文件命名具有明確指向性,如participants.tsv中 “participants”表明與參與者相關(guān),“tsv”是文件格式,說明該文件以制表符分隔存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。“participants.json”同樣圍繞參與者,“json”格式便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和交換。“dataset_description.json”里“dataset_description”清晰表明這是對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行描述的文件。文件夾以參與者編號(hào)命名(對(duì)應(yīng)二十名參與者),用于分類存儲(chǔ)不同參與者的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),方便查找和管理 。

如何獲取和使用這個(gè)數(shù)據(jù)集?
該數(shù)據(jù)集已在OpenNeuro平臺(tái)上公開,鏈接為:https://openneuro.org/datasets/ds004973/versions/1.0.1
此外,研究人員還提供了以下工具和資源,幫助用戶更好地利用該數(shù)據(jù)集:
·VTD項(xiàng)目文件:用戶可以使用VTD軟件重建14種駕駛場(chǎng)景。
·Python數(shù)據(jù)處理函數(shù):用于處理OctaMon采集的原始ΔHbo和ΔHbR數(shù)據(jù)。
·Homer預(yù)處理示例:展示了如何使用Homer軟件進(jìn)行fNIRS數(shù)據(jù)預(yù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)分析。
 
關(guān)于該數(shù)據(jù)集的重要補(bǔ)充
原文作者基于該數(shù)據(jù)集發(fā)表了名為《Driving risk cognition of passengers in highly automated driving based on the prefrontal cortex activity via fNIRS》的文章,研究聚焦于高度自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中乘客的駕駛風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知問題。且該研究只選取了14種場(chǎng)景中的4種作分析。這些場(chǎng)景分別為:前車短距離自主緊急制動(dòng)、前車短距離從左車道切入、前車短距離從右車道切入和行人從右側(cè)過馬路。通過分析氧合血紅蛋白濃度特征,發(fā)現(xiàn),Brodmann 10區(qū)因駕駛場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)的心理活動(dòng)非常活躍,大腦氧含量與駕駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景呈正相關(guān);還分析了性別和駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)心理活動(dòng)的影響,例如在短距離緊急制動(dòng)場(chǎng)景中,有駕駛經(jīng)驗(yàn)的參與者在低風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)片段的差異更明顯,男性參與者的差異比女性參與者更顯著。

原文鏈接
Zhang, X., Wang, Q., Li, J. et al. An fNIRS dataset for driving risk cognition of passengers in highly automated driving scenarios. Sci Data 11, 546 (2024). 
https://doi.org/10.1038/s41597-024-03353-6. 

作者簡(jiǎn)介
該研究由清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院、醫(yī)學(xué)院以及倫敦帝國理工學(xué)院電氣與電子工程系的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)共同完成。Xiaofei Zhang和Qiaoya Wang作為共同一作,均來自清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院,Hong Wang 來自清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院,是文章的通訊作者。

關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)(北京)信息技術(shù)有限公司成立于2006年,是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系,致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者,為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù),協(xié)助用戶的科研工作,持續(xù)提升使用體驗(yàn)。

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