次任务下的驾驶员视觉搜索能力研究

秦华，李吉涛，冉令华

(1.北京建筑大学，机电与车辆工程学院，北京102616；2.中国标准化研究院，北京100191)

0 引言

驾驶过程中，部分驾驶员会做一些与驾驶无关的事情，这些事情被称为次任务。当驾驶员处于次任务状态时，其双眼的视觉搜索能力不同与正常驾驶条件下驾驶员时刻专注于路面的视觉搜索能力，且受次任务类型与车速等因素影响。这种差异最终体现在驾驶员对外界信息做出判断的反应时长上。显然，驾驶员对外界信息做出反应的耗时越长发生事故的风险也就越大。

美国国家公路交通安全管理局[1]将驾驶过程中的次任务分为3种类型，分别是视觉、听觉和认知。大量研究表明，次任务类型对驾驶接管绩效具有显著影响。Wickens[2]的多资源理论指出，强认知或听觉信息加工活动同样会与视觉通道在知觉资源上产生竞争，从而影响驾驶员对视觉注意带的有效跟踪和判断。鲁光泉[3]等研究结果显示，驾驶过程中的视觉次任务会显著增加驾驶员接管控制的时间，次任务会对驾驶接管时间和视觉搜索能力产生影响。当前对于视觉搜索速度的测试方法，主要是通过动态视野测试来实现。于瑞峰[4]等考虑视野和反应时等因素，提出单目标随机视觉搜索模型，并开发相应静态和动态情形下的视觉搜索测试方法。

综上所述，已有不少学者研究驾驶过程中的次任务，但集中在对接管任务类型方面，主要通过构建仿真场景进行研究，部分采用瞳孔面积、注视区域等视觉指标进行评价。真实驾驶接管环境中，部分危险物并不是持续出现在驾驶员视野范围内，随着汽车移动，部分危险物会逐渐划出驾驶员视野，故本文研究驾驶员面对瞬时出现的视觉搜索目标接管控制时所表现出的绩效。采用注视区域、反应时长、注视频率作为评价指标，探究驾驶过程中不同沉浸程度的次任务对驾驶绩效的影响，以沉浸种类和沉浸时长作为影响因素，研究驾驶员在这些影响因素下所表现出的视觉搜索能力。

1 实验方法

1.1 实验变量

实验共包含两个自变量：沉浸类型和沉浸时长。沉浸类型分听相声和打游戏，分属听觉次任务和视觉次任务，时长分别为5 min 和10 min。因变量为被试从次任务中反应过来的时长，视觉搜索任务的正确率和相关眼动数据(包括注视点坐标，注视前方区域的频率)。游戏和相声分属两种差异较大的次任务，从任务难度方面看，游戏任务高于相声任务，从认知通道角度看，游戏主要占用视觉认知通道(游戏任务全程静音)，相声主要占用听觉通道，故选取这两种次任务作为实验对象。

1.2 被试招募

本实验共招募32名被试，男女各1/2，年龄18～60岁，矫正视力均不低于0.8。

1.3 实验设备

视觉搜索任务采用视觉测试系统进行测试，该系统由于瑞峰[4]等对动态有效视野的定义和测试方法进行开发。系统包含两种测试界面：第1种图形为任务界面，如图1所示；第2 种图形为判断界面，如图2所示，每种图形均由1 个凝视点和多个触点组成。任务界面包含72 个触点，均匀分布在以凝视点为起点的9个同心圆和8条呈放射状的轴线交叉点上。放射状轴线分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，凝视点符号为实心圆圈，干扰符号为十字叉“×”，目标符号为空心圆圈“○”。判断界面包含两种不同的识别标签，分别为实心圆圈的凝视点及“＋”覆盖标签。

图1 任务界面Fig.1 Task interface

图2 判断界面Fig.2 Judgment interface

当测试系统界面中的凝视点始终位于图片中间，即无缓冲时间时，进行静态有效视野测试。当凝视点沿x轴水平从左向右移动至屏幕中央后(约6～7 s)，进行动态有效视野测试。当凝视点从屏幕右侧中央接近显示屏幕中心时，显示屏幕显示出以该凝视点为圆心的任务界面，该图形继续向右移动至设定的刺激呈现时间300 ms时，任务界面消失并显示判断界面，测试者需用鼠标点击记忆中任务界面上目标符号所在位置。

测试界面为黑色背景，红色刺激。每1个刺激中，目标符号(空心圆圈)随机呈现在第1 种图形上56 个触点中的某1 个。为了避免被试眼球出现因扫视运动而多次注视刺激图像或注视其他地方，将刺激呈现时间设置为300 ms。测试期间使用眼动仪记录实验数据。

1.4 实验任务

实验按照自变量(沉浸种类、沉浸时长)将32名被试随机分为4组，分别为打游戏5 min组，打游戏10 min组，听相声5 min组，听相声10 min组。每位被试需要依据其分组执行相应的次任务，游戏组需要用手机赢得一场游戏，相声组需要听一段相声并回答相声中的问题。实验期间，被试佩戴眼动仪用于采集视线注视点坐标和注视频率。

被试在执行相应的次任务时，头部尽量保持不动，当听到语音提示后，需立刻停止当前次任务并注视屏幕中的凝视点完成视觉搜索任务。任务包括静态视野测试和动态视野测试。静态视野测试模拟次任务条件下那些驾驶员需要立刻处理的搜索任务，动态视野测试模拟驾驶员有一定缓冲时间(7 s)的动态搜索任务。静态视野测试中，被试需要在收到提示后立刻注视屏幕中央进行视觉搜索；动态视野测试中，被试需要在收到提示后注视屏幕左侧出现的凝视点并在其即将划动至屏幕中央位置时进行视觉搜索。

被试需要在两种视觉搜索任务下找到瞬时出现的目标符号，并标注出位置。正确找到目标符号所需要的时间即为反应时长，目标符号查找是否正确即为视觉搜索任务的正确率。

考虑到被试在测试过程中可能会产生学习效应，即被试可能会因为熟悉了实验流程而在次任务中不去专注于完成次任务而是关注于尽快对收到的提示做出应答。一方面向被试强调在测试过程中需要注意力集中，并且每位被试在执行实验搜索任务过程中会随机穿插一些相似的搜索任务，并且提示出现的时间也不是完全固定在5/10 min 这个时间点上，会有±10 s 内的随机变化。如果存在被试注意力因学习效应导致的分散情况，则不予录入此数据。另一方面，次任务的沉浸程度是一个较难量化的指标，在实际驾驶环境下大部分驾驶员也不可能完全专注于次任务，因此认为较少的注意力分散是合理的。

2 结果与讨论

表1为不同沉浸类型和沉浸时长下，被试视觉搜索区域面积，搜索正确率和注视频率的统计值。表1中：搜索正确率为被试成功找到搜索目标的次数占总搜索次数的比例，反应时长为被试从收到提示至做出应答的时间间隔(动态任务已去除缓冲时间)，搜索区域面积为反应时内被试注视点的分布区域，注视频率为反应时内被试平均每秒注视前方屏幕的次数。

表1 视觉搜索正确率面积及频率Table 1 Area and frequency of visual search accuracy

从表1可以发现：

(1)沉浸时长对接管绩效各指标的影响中，正确率指标的变化幅度较小，在1%～2%之间，随着沉浸时长增加，被试注视前方的频率逐渐减少，相声组、游戏组的减小幅度分别为46%和62%；反应时长变化幅度较小，相声组和游戏组的缩段幅度分别为7.3%和29.7%，且没有表现出显著性。该结论与王磊[5]等研究结论中关于次任务间隔时间的结论相似，其次任务间隔设定为200～2000 ms，对反应时无显著影响；本文任务沉浸时长为5～10 min，也同样没有表现出显著性影响。

(2)沉浸种类对接管绩效各指标的影响中，正确率、注视频率均表现为相声组高于游戏组。其中，正确率指标相声组高于游戏组约10%，注视频率指标相声组高于游戏组1倍以上，反应时长相声组短于游戏组37%～80%。这可能是由于次任务类型和难度的差异性导致的。王磊[5]等研究表明，次任务的难度对反应时具有显著影响；杨林栋[6]等提出，特征与任务难度对搜索正确率影响的交互效应显著。此外，游戏组属于视觉次任务，相声组属于听觉次任务，王抢[7]等研究表明，视觉次任务的反应时高于听觉次任务的反应时。因此在路况复杂的情况下，不推荐执行难度较高的视觉类次任务。

图3为被试在各沉浸类型和沉浸时长下2 s 内的注视点位置坐标(已去除3 倍标准差外的数据)，可以看出，因为动态视觉搜索任务中被试需要在搜索前注视凝视点移动约7 s 的时长，所以其注视点分布相对于静态视野较连续。

由表1和图3可以看出，在5 min和10 min两种沉浸时长下，对于两种任务类型，被试的视觉搜索正确率没有显著差异(P＜0.05)。沉浸类型对视觉搜索正确率具有影响，表现为相声组大于游戏组，两者具有显著差异(P＜0.05)。此外，在注视频率上，相声组大于游戏组，从大到小依次为：5 min 相声，10 min相声，5 min游戏，10 min游戏。

图3 被试的注视区域Fig.3 Fixation area of subjects

表2为以缓冲时间及沉浸程度作为影响因素的被试的眼动注视坐标单因素方差分析。可以发现，单独反应时长和沉浸种类作为影响因素对注视点坐标不具有显著性，但有无缓冲时间对注视点位置坐标具有显著影响，依据有无缓冲时间分组后的沉浸时长和沉浸种类对注视点位置坐标具有显著影响。

表2 注视点位置坐标单因素方差分析Table 2 ANOVA plot of fixation point position coordinates

表3为有无缓冲时间条件下，被试所表现出的反应时长。无缓冲条件要求被试在注意力回到屏幕上时，立刻进行视觉搜索；有缓冲条件需要被试注意力回到屏幕上后，在6～7 s 的缓冲时间后执行搜索任务。

表3 各组别被试反应时长Table 3 Subject response times in each group

由表3可以发现，在执行视觉搜索任务前有一段时长的准备时间(不算在反应时内)会减少被试做出应答的反应时，动态与静态的反应时长具有显著性差异(p＜0.05)，这一规律在各沉浸时长和沉浸类型的情况下都有所体现，缩短时长在24%～40%左右。

3 结论

本文从驾驶接管绩效与视觉搜索能力之间的关系入手，测试不同时长和不同种类的沉浸程度下，当被试注意力突然从次任务转移至当前主要任务且主要驾驶任务的凝视目标为瞬时出现时，驾驶员所表现出的视觉搜索能力。从沉浸程度与沉浸时长的角度分析了次任务对驾驶员反应时长的影响。模拟测试危险物出现并由远及近的视觉情景，更加贴近驾驶员面对危险物时的真实视野。从眼动注视位置的角度指出驾驶员面对危险物时预留的缓冲时间与其视野范围之间存在相关关系。

在驾驶系统设计过程中，传统的设计方式是给驾驶员一个预留的反应时间，而本文考虑到驾驶员在驾驶过程中的次任务因素，从驾驶员视觉搜索能力的角度对这一时长进行进一步解释，提出影响驾驶员反应时长的一个重要因素在于驾驶员从次任务切换到驾驶任务之间的视觉搜索能力。给驾驶员预留的缓冲时间越长则其视觉搜索能力越强，做出应答的时间也就越短。在设计驾驶系统的接管提示机制时，一方面应考虑驾驶员所做次任务种类对其反应绩效的影响，另一方面也应考虑驾驶员注视区域突变所带来的视野能力上的缺失。为经常执行高沉浸程度次任务或者视觉搜索速度较慢的驾驶员提供更加敏感的提示机制，预留足够的时间给驾驶员。