自動駕駛條件下視覺非駕駛相關任務類型對接管效率的影響

王驍萱，常若松，馬錦飛，張藝競

(1.大連楓葉國際學校，遼寧大連 116650；2.遼寧師范大學，遼寧大連 116029)

1 引言

隨著智能社會的到來，智能交通為解決人口暴增、交通堵塞等諸多城市頑疾，帶來了希望的曙光。自動駕駛技術作為智能交通的核心，被人們寄予提高安全性、減少擁擠和凈化空氣等諸多期望[1]。就在人們期許自動駕駛技術所帶來的美好神話時，卻屢屢傳來自動駕駛車輛致人傷亡的事故報告。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會起草的定義，自動駕駛車輛是指：搭載先進的車載傳感、控制、執(zhí)行裝置，融合現(xiàn)代通訊與網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)車與人、車、路的智能信息交換，最終可替代駕駛員的新一代汽車[2]。

美國汽車工程師學會(SAE)依據(jù)車輛自動化程度將其分為0-5六個等級，分別是：無自動化(L0),駕駛輔助(L1)，部分自動化(L2)，有條件自動化(L3)，高度自動化(L4)，完全自動化(L5)[3]。國內(nèi)外研究者將L3等級自動駕駛車輛視為人機交互的臨界點，原因在于L3等級自動駕駛條件下，駕駛員無需持續(xù)查看路面，但要及時對車輛因不能處理復雜問題而發(fā)出的接管請求做出響應。

Winter,Happee,Martens 和 Stanton(2014年)發(fā)現(xiàn)，隨著車輛自動化程度的提高，駕駛員由于不需要持續(xù)操控車輛和監(jiān)控路面，參與非駕駛相關任務的時間將更長、頻率也會更高[4]。Horrey,Lesch,Garabet,Simmons 和 Maikala(2017年)證明了駕駛員對非駕駛相關任務的參與程度越高，接管過程中的表現(xiàn)也就越差[5]。常見非駕駛相關任務的類型包括視覺、聽覺、操作、認知任務等，不同類型非駕駛相關任務對駕駛員接管請求效率的影響不盡相同。由于駕駛活動在感知階段對視覺資源要求較高[6]，因此視覺分心通常被認為是與安全相關的最關鍵的分心方式，與發(fā)生事故的可能性呈顯著正相關并且是駕駛過程中發(fā)生事故的主要因素之一。

已有很多研究表明，非駕駛相關任務會導致更快的駕駛表現(xiàn)下降[7-9]。但以往研究大都只關注了非駕駛相關任務的類型，卻忽略了任務本身的吸引程度對接管請求的影響。Horrey等人的研究表明，相比于無聊的聽覺材料，有趣的聽覺材料更能吸引駕駛員的注意并造成其對路面危害的制動反應的延遲[5]。因此，本研究通過駛模擬器，考察娛樂性和新聞視頻對接管過程的反應時及正確率的影響，為自動駕駛中的人機交互模式提供理論指導。

2 對象與方法

2.1 被試

于2018年1-3月，面向社會成員招募56名沒有自動駕駛車輛使用經(jīng)驗的駕駛員，年齡20-33歲(M=24.83，SD=2.81)，駕齡在1-10年(M=2.94，SD=2.06)。隨機將56名駕駛員分入趣味性視頻組與新聞視頻組。

2.2 研究工具

2.2.1 駕駛模擬器

宣愛QJ-3A1(小)型駕駛模擬器。采用單調高速路上的自動駛模式場景，不需要駕駛員操控方向或加油制動。接管任務由駕駛模擬器是兩側屏幕隨機呈現(xiàn)，要求駕駛員對出現(xiàn)的行人圖片予以剎車反應，任務呈現(xiàn)時間在60±40 s之間隨機，如圖1(a)所示。駕駛模擬器將記錄駕駛員從行人出現(xiàn)到踩下剎車之間的反應時。有研究者測得駕駛員接管反應時間在1.5～2.0 s之間[10]，故在本研究內(nèi)，刺激呈現(xiàn)2 s內(nèi)駕駛員反應記為正確，刺激呈現(xiàn)2 s后駕駛員仍未反應的記為錯誤；為正確率。

(a) (b)

圖1宣愛QJ-3A1(小)型駕駛模擬器自動駕駛場景

2.2.2 非駕駛相關任務

在駕駛模擬器方向盤的正中間放置一個用來播放視頻的平板電腦，如圖1(b)所示。駕駛員進行自動駕駛期間可以自主選擇觀看視頻與否。視頻分為娛樂性視頻和新聞視頻。娛樂性視頻的內(nèi)容是綜藝節(jié)目，新聞視頻的內(nèi)容是新聞。視頻來源于網(wǎng)絡并隨機抽取10人進行評估，獨立樣本t檢驗結果表示，娛樂性視頻和新聞視頻的娛樂性存在顯著差異(t=3.130,P<0.05)。駕駛員對綜藝視頻視頻趣味性的主觀評定顯著高于新聞視頻。

2.3 實驗設計

本研究采用2(視頻組別：綜藝視頻組、新聞視頻組)×5(反應時段：1-5)的混合設計對56名駕駛員被試模擬自動駕駛實驗，被試間變量為視頻趣味性，被試內(nèi)變量為六個階段。需要說明的是，為增加本實驗的生態(tài)效度，并不干預駕駛員是否觀看視頻。但在數(shù)據(jù)分析時，將剔除二、三、四、五階段仍未打開視頻駕駛員的數(shù)據(jù)。

2.4 實驗程序

(1)請被試填寫駕駛員信息表：包括姓名、性別、年齡等人口學信息及駕齡、當日有/無駕駛行為等駕駛方面信息。

(2)向被試介紹指導語

(3)正式實驗50 min，連續(xù)駕駛五個階段，每個階段10 min；

(4)正式實驗結束后給予一定的被試費，口頭詢問模擬駕駛中遇到的問題及心理狀況，感謝被試參與。

2.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0對所得數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗、相關分析、重復測量方差分析。

3 結果

3.1 兩種視頻類型對打開視頻時間的影響

方差分析結果表明：兩種視頻組別(新聞視頻和娛樂性視頻)對駕駛員打開視頻時間沒有顯著差異(F(1,53)=1.514,P>0.05,η2=0.029 )。研究結果證明了被試與實驗材料之前并未受到污染，保證了實驗的科學性和嚴密性。

3.2 打開視頻時間與駕駛員響應接管請求反應時之間的關系

采用皮爾遜相關系數(shù)檢驗兩兩指標間的相關性，結果表明：駕駛員打開視頻時間與反應時總體呈顯著負相關(r=-0.291,P<0.05)，而與每個階段反應時沒有顯著相關,如表1所示。

表1 打開視頻時間與反應時之間的關系

注：*P<.05,**P<.01。

3.3 實驗條件下駕駛員反應時與正確率

表2 實驗條件下駕駛員反應時與正確率(平均數(shù)和標準差)

3.4 不同視頻類型對反應時的影響

由表2重復測量方差分析可知：駕駛過程中測量的四個階段之間主效應不顯著(F(3,45)=1.726,P>0.05,η2=0.036)，娛樂性視頻和新聞視頻兩種刺激條件下的主效應差異顯著(F(1,47)=5.920,P<0.05,η2=0.114)，即娛樂性視頻條件下的反應時長于新聞視頻條件下的反應時(1.26>1.05)，駕駛過程中四個階段測量與兩種刺激條件的交互作用不顯著(F(4,44)=0.119,P>0.05,η2=0.003)。

3.5 四個階段不同視頻類型對正確率的影響

重復測量方差分析表明：駕駛過程中測量的四個階段之間主效應差異不顯著(F(3，45)=1.549,P>0.05,η2=0.033)，娛樂性視頻和新聞視頻兩種刺激條件下的主效應呈邊緣性顯著(F(1,47)=3.646,P=0.062,η2=0.073)，即娛樂性視頻條件下的正確率低于新聞視頻條件下的正確率(0.91<0.95)，駕駛過程中四個階段測量與兩種刺激條件的交互作用不顯著(F(4,44)=0.433,P>0.05,η2=0.009)。

3.6 三個階段不同視頻類型對正確率影響

重復測量方差分析表明：再去掉最后一個階段發(fā)現(xiàn)，駕駛過程中測量的三個階段之間主效應差異不顯著(F(2,46)=2.004,P>0.05,η2=0.04)，娛樂性視頻和新聞視頻兩種刺激條件下的主效應顯著(F(1,47)=6.284,P<0.05,η2=0.120)，即娛樂性視頻條件下的正確率低于新聞視頻條件下的正確率(0.91<0.96)，駕駛過程中三個階段測量與兩種刺激條件的交互作用不顯著(F(3,45)=0.103,P>0.05,η2=0.002)。

4 討論

4.1 娛樂性視頻增加駕駛員響應接管請求反應時

觀看兩種視頻時間的增加并不會對響應接管請求反應時產(chǎn)生顯著的影響。然而，在自動駕駛條件下，駕駛員觀看娛樂性視頻的接管反應時，要長于觀看新聞視頻的接管反應時。這說明自動駕駛條件下觀看娛樂性視頻可以延長駕駛員的反應時，使駕駛員的接管響應變得遲鈍。這可能是因為娛樂性視頻引起了被試更高的視覺分心，因此在進行測試時，駕駛員的接管反應時要長于觀看新聞視頻的駕駛員。與本實驗設定相似的，還有Horrey(2017年)關于有趣與無趣的聽覺材料對于自動駕駛時駕駛員響應接管請求的影響的實驗[5]。該實驗的結論是：自動駕駛過程中有趣性聽覺材料能夠增加駕駛員響應接管請求反應時。因此，在自動駕駛條件下，駕駛員要盡量避免過多地接觸娛樂性的視覺和聽覺材料，以免出現(xiàn)響應接管請求遲鈍的情況而釀成無法挽回的后果。

4.2 娛樂性視頻降低駕駛員響應接管請求正確率

觀看兩種視頻時間的增加并不會對駕駛員響應接管請求的正確率產(chǎn)生顯著的影響。然而，觀看兩種不同類型視頻對駕駛員響應接管請求的正確率有邊緣性影響。駕駛員觀看娛樂性視頻時響應接管請求的錯誤率高于觀看新聞類視頻時響應接管請求的錯誤率。這可能是因為娛樂性視頻更吸引駕駛員的注意力，從而導致了更高程度的視覺分心，使駕駛員響應接管請求的正確率降低。

因此，刺激物的不同性質會導致不同注意資源的轉移和分配，從而造成不同程度的分心現(xiàn)象。這一結論警醒駕駛員：在自動駕駛條件下要適度進行非駕駛相關任務；要時刻提醒自己留心系統(tǒng)的接管請求信號，避免注意力被娛樂性材料完全占據(jù)而降低了判斷危險發(fā)生的意識，出現(xiàn)誤判、漏判的狀況。

此外，對比四個階段和三個階段娛樂性視頻對于響應接管請求正確率的影響，我們發(fā)現(xiàn)：在四個階段中，觀看不同視頻類型響應的正確率的差異，只呈現(xiàn)邊緣性顯著。但是，在除去最后一階段的三個階段中響應的正確率卻呈現(xiàn)出顯著差異。這可能是因為在實驗最后一個階段中，人們對娛樂性視頻已經(jīng)產(chǎn)生疲勞感和抵抗，因此降低了注意力在娛樂視頻上的分配，從而降低了分心現(xiàn)象。當然，這也可能是因為沉迷于兩種視頻的被試意識到實驗即將結束，從而決定認真地完成實驗者分配的任務，導致兩種視頻的觀看者在最后一個階段響應接管請求的正確率只有邊緣性差異。

4.3 可用性悖論的體現(xiàn)與自動駕駛條件下車載娛樂裝置建議

娛樂性視頻增加駕駛員響應接管請求的時間，并降低駕駛員響應接管請求的正確率，這一結果體現(xiàn)了可用性悖論?？捎眯糟Ｕ撌侵?，一個物體在使用過程中產(chǎn)生的效果和人們賦予該物體的目的相悖。本課題中，自動駕駛汽車車載娛樂性視頻的最初目的，是消除駕駛者在漫長的自動駕駛周期中的困倦感，使駕駛者擁有較充足的精力響應接管請求，而實際操作中，它卻使駕駛員產(chǎn)生了分心現(xiàn)象，與響應接管請求的注意力產(chǎn)生了競爭關系。這種情況下，駕駛者未及時對接管請求做出響應的風險增高，與安裝娛樂性視頻的初衷相悖。因此，擁有自動化駕駛系統(tǒng)的汽車供應商應該警惕可用性悖論的發(fā)生，謹慎地選擇下載娛樂裝置，科學地選擇娛樂性適度的裝置，避免在車內(nèi)安裝過多的娛樂性裝置，避免引起駕駛員分心的程度過高，從而造成慘痛的交通事故。

5 結論

(1)自動駕駛條件下，打開視頻時間可以預測駕駛員響應接管請求反應時。駕駛員打開視頻時間越長，分心程度越低，響應接管請求反應時越短。

(2)娛樂性視頻會增加駕駛員響應接管請求的反應時。直接表現(xiàn)為娛樂性視頻條件比新聞視頻條件駕駛員響應接管請求反應時更長。

(3)娛樂性視頻會降低駕駛員響應接管請求的正確率。直接表現(xiàn)為娛樂性視頻條件比新聞視頻條件駕駛員響應接管請求正確率更低。