自动驾驶条件下视觉非驾驶相关任务类型对接管效率的影响

王骁萱，常若松，马锦飞，张艺竞

(1.大连枫叶国际学校，辽宁大连 116650；2.辽宁师范大学，辽宁大连 116029)

1 引言

随着智能社会的到来，智能交通为解决人口暴增、交通堵塞等诸多城市顽疾，带来了希望的曙光。自动驾驶技术作为智能交通的核心，被人们寄予提高安全性、减少拥挤和净化空气等诸多期望[1]。就在人们期许自动驾驶技术所带来的美好神话时，却屡屡传来自动驾驶车辆致人伤亡的事故报告。根据中国汽车工业协会起草的定义，自动驾驶车辆是指：搭载先进的车载传感、控制、执行装置，融合现代通讯与网络技术，实现车与人、车、路的智能信息交换，最终可替代驾驶员的新一代汽车[2]。

美国汽车工程师学会(SAE)依据车辆自动化程度将其分为0-5六个等级，分别是：无自动化(L0),驾驶辅助(L1)，部分自动化(L2)，有条件自动化(L3)，高度自动化(L4)，完全自动化(L5)[3]。国内外研究者将L3等级自动驾驶车辆视为人机交互的临界点，原因在于L3等级自动驾驶条件下，驾驶员无需持续查看路面，但要及时对车辆因不能处理复杂问题而发出的接管请求做出响应。

Winter,Happee,Martens 和 Stanton(2014年)发现，随着车辆自动化程度的提高，驾驶员由于不需要持续操控车辆和监控路面，参与非驾驶相关任务的时间将更长、频率也会更高[4]。Horrey,Lesch,Garabet,Simmons 和 Maikala(2017年)证明了驾驶员对非驾驶相关任务的参与程度越高，接管过程中的表现也就越差[5]。常见非驾驶相关任务的类型包括视觉、听觉、操作、认知任务等，不同类型非驾驶相关任务对驾驶员接管请求效率的影响不尽相同。由于驾驶活动在感知阶段对视觉资源要求较高[6]，因此视觉分心通常被认为是与安全相关的最关键的分心方式，与发生事故的可能性呈显著正相关并且是驾驶过程中发生事故的主要因素之一。

已有很多研究表明，非驾驶相关任务会导致更快的驾驶表现下降[7-9]。但以往研究大都只关注了非驾驶相关任务的类型，却忽略了任务本身的吸引程度对接管请求的影响。Horrey等人的研究表明，相比于无聊的听觉材料，有趣的听觉材料更能吸引驾驶员的注意并造成其对路面危害的制动反应的延迟[5]。因此，本研究通过驶模拟器，考察娱乐性和新闻视频对接管过程的反应时及正确率的影响，为自动驾驶中的人机交互模式提供理论指导。

2 对象与方法

2.1 被试

于2018年1-3月，面向社会成员招募56名没有自动驾驶车辆使用经验的驾驶员，年龄20-33岁(M=24.83，SD=2.81)，驾龄在1-10年(M=2.94，SD=2.06)。随机将56名驾驶员分入趣味性视频组与新闻视频组。

2.2 研究工具

2.2.1 驾驶模拟器

宣爱QJ-3A1(小)型驾驶模拟器。采用单调高速路上的自动驶模式场景，不需要驾驶员操控方向或加油制动。接管任务由驾驶模拟器是两侧屏幕随机呈现，要求驾驶员对出现的行人图片予以刹车反应，任务呈现时间在60±40 s之间随机，如图1(a)所示。驾驶模拟器将记录驾驶员从行人出现到踩下刹车之间的反应时。有研究者测得驾驶员接管反应时间在1.5～2.0 s之间[10]，故在本研究内，刺激呈现2 s内驾驶员反应记为正确，刺激呈现2 s后驾驶员仍未反应的记为错误；为正确率。

(a) (b)

图1宣爱QJ-3A1(小)型驾驶模拟器自动驾驶场景

2.2.2 非驾驶相关任务

在驾驶模拟器方向盘的正中间放置一个用来播放视频的平板电脑，如图1(b)所示。驾驶员进行自动驾驶期间可以自主选择观看视频与否。视频分为娱乐性视频和新闻视频。娱乐性视频的内容是综艺节目，新闻视频的内容是新闻。视频来源于网络并随机抽取10人进行评估，独立样本t检验结果表示，娱乐性视频和新闻视频的娱乐性存在显著差异(t=3.130,P<0.05)。驾驶员对综艺视频视频趣味性的主观评定显著高于新闻视频。

2.3 实验设计

本研究采用2(视频组别：综艺视频组、新闻视频组)×5(反应时段：1-5)的混合设计对56名驾驶员被试模拟自动驾驶实验，被试间变量为视频趣味性，被试内变量为六个阶段。需要说明的是，为增加本实验的生态效度，并不干预驾驶员是否观看视频。但在数据分析时，将剔除二、三、四、五阶段仍未打开视频驾驶员的数据。

2.4 实验程序

(1)请被试填写驾驶员信息表：包括姓名、性别、年龄等人口学信息及驾龄、当日有/无驾驶行为等驾驶方面信息。

(2)向被试介绍指导语

(3)正式实验50 min，连续驾驶五个阶段，每个阶段10 min；

(4)正式实验结束后给予一定的被试费，口头询问模拟驾驶中遇到的问题及心理状况，感谢被试参与。

2.5 数据分析

采用SPSS 20.0对所得数据进行独立样本t检验、相关分析、重复测量方差分析。

3 结果

3.1 两种视频类型对打开视频时间的影响

方差分析结果表明：两种视频组别(新闻视频和娱乐性视频)对驾驶员打开视频时间没有显著差异(F(1,53)=1.514,P>0.05,η2=0.029 )。研究结果证明了被试与实验材料之前并未受到污染，保证了实验的科学性和严密性。

3.2 打开视频时间与驾驶员响应接管请求反应时之间的关系

采用皮尔逊相关系数检验两两指标间的相关性，结果表明：驾驶员打开视频时间与反应时总体呈显著负相关(r=-0.291,P<0.05)，而与每个阶段反应时没有显著相关,如表1所示。

表1 打开视频时间与反应时之间的关系

注：*P<.05,**P<.01。

3.3 实验条件下驾驶员反应时与正确率

表2 实验条件下驾驶员反应时与正确率(平均数和标准差)

3.4 不同视频类型对反应时的影响

由表2重复测量方差分析可知：驾驶过程中测量的四个阶段之间主效应不显著(F(3,45)=1.726,P>0.05,η2=0.036)，娱乐性视频和新闻视频两种刺激条件下的主效应差异显著(F(1,47)=5.920,P<0.05,η2=0.114)，即娱乐性视频条件下的反应时长于新闻视频条件下的反应时(1.26>1.05)，驾驶过程中四个阶段测量与两种刺激条件的交互作用不显著(F(4,44)=0.119,P>0.05,η2=0.003)。

3.5 四个阶段不同视频类型对正确率的影响

重复测量方差分析表明：驾驶过程中测量的四个阶段之间主效应差异不显著(F(3，45)=1.549,P>0.05,η2=0.033)，娱乐性视频和新闻视频两种刺激条件下的主效应呈边缘性显著(F(1,47)=3.646,P=0.062,η2=0.073)，即娱乐性视频条件下的正确率低于新闻视频条件下的正确率(0.91<0.95)，驾驶过程中四个阶段测量与两种刺激条件的交互作用不显著(F(4,44)=0.433,P>0.05,η2=0.009)。

3.6 三个阶段不同视频类型对正确率影响

重复测量方差分析表明：再去掉最后一个阶段发现，驾驶过程中测量的三个阶段之间主效应差异不显著(F(2,46)=2.004,P>0.05,η2=0.04)，娱乐性视频和新闻视频两种刺激条件下的主效应显著(F(1,47)=6.284,P<0.05,η2=0.120)，即娱乐性视频条件下的正确率低于新闻视频条件下的正确率(0.91<0.96)，驾驶过程中三个阶段测量与两种刺激条件的交互作用不显著(F(3,45)=0.103,P>0.05,η2=0.002)。

4 讨论

4.1 娱乐性视频增加驾驶员响应接管请求反应时

观看两种视频时间的增加并不会对响应接管请求反应时产生显著的影响。然而，在自动驾驶条件下，驾驶员观看娱乐性视频的接管反应时，要长于观看新闻视频的接管反应时。这说明自动驾驶条件下观看娱乐性视频可以延长驾驶员的反应时，使驾驶员的接管响应变得迟钝。这可能是因为娱乐性视频引起了被试更高的视觉分心，因此在进行测试时，驾驶员的接管反应时要长于观看新闻视频的驾驶员。与本实验设定相似的，还有Horrey(2017年)关于有趣与无趣的听觉材料对于自动驾驶时驾驶员响应接管请求的影响的实验[5]。该实验的结论是：自动驾驶过程中有趣性听觉材料能够增加驾驶员响应接管请求反应时。因此，在自动驾驶条件下，驾驶员要尽量避免过多地接触娱乐性的视觉和听觉材料，以免出现响应接管请求迟钝的情况而酿成无法挽回的后果。

4.2 娱乐性视频降低驾驶员响应接管请求正确率

观看两种视频时间的增加并不会对驾驶员响应接管请求的正确率产生显著的影响。然而，观看两种不同类型视频对驾驶员响应接管请求的正确率有边缘性影响。驾驶员观看娱乐性视频时响应接管请求的错误率高于观看新闻类视频时响应接管请求的错误率。这可能是因为娱乐性视频更吸引驾驶员的注意力，从而导致了更高程度的视觉分心，使驾驶员响应接管请求的正确率降低。

因此，刺激物的不同性质会导致不同注意资源的转移和分配，从而造成不同程度的分心现象。这一结论警醒驾驶员：在自动驾驶条件下要适度进行非驾驶相关任务；要时刻提醒自己留心系统的接管请求信号，避免注意力被娱乐性材料完全占据而降低了判断危险发生的意识，出现误判、漏判的状况。

此外，对比四个阶段和三个阶段娱乐性视频对于响应接管请求正确率的影响，我们发现：在四个阶段中，观看不同视频类型响应的正确率的差异，只呈现边缘性显著。但是，在除去最后一阶段的三个阶段中响应的正确率却呈现出显著差异。这可能是因为在实验最后一个阶段中，人们对娱乐性视频已经产生疲劳感和抵抗，因此降低了注意力在娱乐视频上的分配，从而降低了分心现象。当然，这也可能是因为沉迷于两种视频的被试意识到实验即将结束，从而决定认真地完成实验者分配的任务，导致两种视频的观看者在最后一个阶段响应接管请求的正确率只有边缘性差异。

4.3 可用性悖论的体现与自动驾驶条件下车载娱乐装置建议

娱乐性视频增加驾驶员响应接管请求的时间，并降低驾驶员响应接管请求的正确率，这一结果体现了可用性悖论。可用性悖论是指，一个物体在使用过程中产生的效果和人们赋予该物体的目的相悖。本课题中，自动驾驶汽车车载娱乐性视频的最初目的，是消除驾驶者在漫长的自动驾驶周期中的困倦感，使驾驶者拥有较充足的精力响应接管请求，而实际操作中，它却使驾驶员产生了分心现象，与响应接管请求的注意力产生了竞争关系。这种情况下，驾驶者未及时对接管请求做出响应的风险增高，与安装娱乐性视频的初衷相悖。因此，拥有自动化驾驶系统的汽车供应商应该警惕可用性悖论的发生，谨慎地选择下载娱乐装置，科学地选择娱乐性适度的装置，避免在车内安装过多的娱乐性装置，避免引起驾驶员分心的程度过高，从而造成惨痛的交通事故。

5 结论

(1)自动驾驶条件下，打开视频时间可以预测驾驶员响应接管请求反应时。驾驶员打开视频时间越长，分心程度越低，响应接管请求反应时越短。

(2)娱乐性视频会增加驾驶员响应接管请求的反应时。直接表现为娱乐性视频条件比新闻视频条件驾驶员响应接管请求反应时更长。

(3)娱乐性视频会降低驾驶员响应接管请求的正确率。直接表现为娱乐性视频条件比新闻视频条件驾驶员响应接管请求正确率更低。