張?zhí)m芳, 崔博宇, 王俊驊, 折 欣,2

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804;2.中國安全生產科學研究院,北京 100012)

相關研究表明,駕駛過程中使用手機是導致交通事故發(fā)生的重要因素之一,并且會導致事故風險顯著上升[1-6].針對這一問題,已有近70個國家和地區(qū)頒布了駕駛時禁止使用手機相關行為的法律法規(guī)[7-8].法規(guī)之間的差異在一定程度上表明各國或地區(qū)在使用手機對駕駛行為的影響方面缺乏全面的共識.與此同時,這些法規(guī)也并未得到駕駛人的廣泛接受[9-12],而隨著智能手機功能的爆炸式發(fā)展,駕駛人駕駛時使用手機的行為愈加頻繁.

在駕駛過程中,駕駛任務主要包括控制車輛穩(wěn)定和監(jiān)控行車環(huán)境,與駕駛人視覺注意水平直接相關.研究顯示在使用手機的過程中,駕駛人執(zhí)行接聽、撥打操作時,視線平均偏移率為33.1%和59.5%,而在使用手持和免持方式的通話操作中,視線偏移率分別為9.5%和15.6%[13-14].因而一些國家或地區(qū)制定相關的法律法規(guī)時,禁止使用手機進行手持通話,但可以使用免持通話,忽略了通話操作產生的認知分心對行車安全的影響.依據(jù)人機工程學理論,通話操作產生的認知分心對車輛控制穩(wěn)定以及監(jiān)控行車風險的影響有兩個方面:首先,人的注意力是有一定限度的[15],在駕駛過程中主要用于執(zhí)行駕駛操作和處理行車環(huán)境信息.當分心行為產生的分心強度較強時,需要分配部分注意力用于處理分心任務,從而對駕駛人控制活動的強度和監(jiān)控行車環(huán)境的能力產生干擾;同時,根據(jù)Wickens的多資源理論[16],雖然通話過程主要依賴于聽覺,執(zhí)行駕駛任務主要依賴于視覺,但當通話內容引發(fā)駕駛人在視覺方面的記憶時,就會對視覺行為產生干擾,導致駕駛人處理視覺信息的能力更加遲鈍,執(zhí)行控制操作和監(jiān)控行車環(huán)境的敏感程度有所下降.Collet等[17]比較了手持通話和與乘客談話時駕駛人心率、皮膚電阻的變化,結果表明駕駛人進行這兩種分心行為時的生理指標顯著提高,且手持通話時駕駛人的生理反應和與乘客交談時并無顯著不同.

早期與使用手機相關的分心駕駛研究主要是基于駕駛模擬器探究使用手機對駕駛行為的影響,研究發(fā)現(xiàn)駕駛過程中手持通話或收發(fā)短信會導致車速顯著降低[18-19]、行車速度與車距難以保持穩(wěn)定[20]、分心過程中平均變道次數(shù)降低、橫向偏移增加、橫向穩(wěn)定性降低[21-22],同時駕駛人識別信號出現(xiàn)失誤[23],反應時間變長[24-25]、駕駛人行車速度和換擋能力受到顯著影響[26]等,駕駛模擬環(huán)境為駕駛過程中使用手機行為的相關研究提供了良好的實驗條件和數(shù)據(jù)采集機會,并取得了大量的研究成果.但駕駛模擬研究的實驗性較強,實驗者往往在相對陌生的駕駛環(huán)境下被要求進行分心行為,無法依據(jù)駕駛狀態(tài)選擇是否執(zhí)行分心行為,與真實場景有較大差異,研究結果存在一定的局限性.

隨著大型自然駕駛項目的展開(SHRP2、UTDrive、SH-NDS),研究人員開始基于自然駕駛數(shù)據(jù)進行相關的分心駕駛研究[8,13,27-29].自然駕駛研究減少了實驗設計對駕駛人的干擾,但駕駛行為也易受到各類行車環(huán)境的影響.當前,大部分自然駕駛研究并未考慮道路環(huán)境等因素對駕駛行為的干擾,相關分析結果容易受到干擾影響.而且,自然分心駕駛狀態(tài)下,駕駛人會在分心程度較弱的時刻進行一定的自我調整,導致難以表征出分心行為對車輛運行狀態(tài)的影響.此外,使用手機這一分心行為包含了多項子操作如接聽、撥打、通話、掛斷,不同分心操作的主要分心類型、強度以及時長存在差異,以往研究一般將使用手機行為分為幾種典型操作,并未依據(jù)操作特征對分心過程中的子操作進行區(qū)分比較.

因此,本文基于上海自然駕駛實驗,首先通過設置樣本篩選條件,減少道路交通因素對分析結果的干擾,并對駕駛人使用手機過程中的不同階段的操作行為進行了劃分,然后從駕駛人使用手機的分心機理出發(fā),基于動態(tài)時窗構建多個表征駕駛人控制行為的指標,包括駕駛控制活動強度指標,駕駛控制操作敏感度指標以及駕駛控制狀態(tài)穩(wěn)定性指標,探究自然駕駛狀態(tài)下使用手機的5種操作行為:接聽、撥打、通話、掛斷和查看信息對駕駛人控制行為的影響.

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 上海自然駕駛項目

上海自然駕駛研究項目(SH-NDS)由同濟大學,通用汽車和弗吉尼亞理工大學交通學院聯(lián)合進行,是國內的首個自然駕駛研究,可以長時間連續(xù)觀察駕駛人的行為,并且可以將收集的數(shù)據(jù)存儲長達兩個月,從而在一定程度上減少了對駕駛人日常駕駛行為的干擾.目前,項目共有60名實驗者參與,年齡介于35至50歲之間,且每位實驗者擁有5年以上的駕駛經驗.迄今為止,項目已開展六期,收集了超過750 000 km行程的駕駛數(shù)據(jù).如表1和圖1所示,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多普勒雷達、三軸加速儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)和4個同步高清攝像頭等組成.

表1 數(shù)據(jù)采集設備的功能概述

1.2 樣本篩選

為了減少道路交通因素對分心駕駛行為分析結果的干擾,本文在樣本獲取階段設置了5個樣本篩選條件:①行駛在高速路或快速路上;②處于連續(xù)交通流或自由流;③駕駛過程中一次只執(zhí)行一種分心操作;④實驗車輛無急剎、緊急變道行為;⑤分心前后存在一段時長的正常駕駛過程.

使用手機分心駕駛樣本篩選條件的判斷通過核查自然駕駛視頻中的駕駛人面部視頻、手部視頻和前視視頻進行.當駕駛人視線發(fā)生偏移,一只手開始伸向手機即認為事件發(fā)生,直到駕駛人視線回歸,重新將雙手放置在方向盤上,判定事件結束,期間確認駕駛人未發(fā)生其他分心行為,并通過前視視頻判別周邊行車環(huán)境信息是否滿足篩選要求.上海自然駕駛項目中的視頻數(shù)據(jù)與總線數(shù)據(jù)采用了統(tǒng)一的時間軸,可以通過自然駕駛視頻中的時間戳提取對應的總線數(shù)據(jù).

圖1 上海自然駕駛項目視頻數(shù)據(jù)采集框架

Fig.1 The framework of video data in SH-NDS

1.3 行為分割

駕駛過程中使用手機的行為可歸為兩類:手持通話行為與查看信息行為;其中,手持通話行為分為接聽通話與撥打通話.如表2所示,手持通話行為可以劃分為接聽或撥打、通話和掛斷等過程.在使用手機過程中,查看、撥打、接聽、掛斷主要導致駕駛人產生視覺和操作分心,且分心的復雜程度依次下降,而通話操作主要對駕駛人的認知水平產生干擾.表2列舉了各子操作發(fā)生時的判定條件,當符合判定條件時,通過記錄自然駕駛視頻中的時間戳,可以獲取對應時間軸的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù).此外,在使用手機行為發(fā)生前后取時長3 s的正常行駛過程作為對照樣本.為避免對照樣本受到使用手機行為的影響,在對照樣本區(qū)間與分心樣本區(qū)間設置1 s緩沖間隔.

表2 使用手機時各操作過程的行為描述

2 指標構建

本文將基于自然駕駛項目中采集的車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)表征駕駛控制行為,分析不同操作對駕駛人控制活動、控制靈敏度和控制狀態(tài)的影響.在使用手機的過程中,分心操作會導致駕駛人在某一不確定的時刻注意力顯著分散,從而對駕駛控制行為產生影響.結合這一特點,需要充分利用自然駕駛項目的序列數(shù)據(jù),構建能夠捕捉分心行為影響的特征指標.

本文將基于動態(tài)時窗概念[30]構建表征駕駛人控制行為的特征指標.如圖2所示,α代表速度、加速度等參數(shù)值,在每個1 s時窗內針對某一參數(shù)值計算標準差作為該秒內參數(shù)波動情況的度量.上海自然駕駛項目中車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率一般為10 Hz,因此每隔0.1 s即可構建一個1 s時間窗口,σi則代表第i個1 s窗口參數(shù)值的標準差.可通過該方法獲取某一過程中所有1 s窗口的參數(shù)標準差計算結果,形成由參數(shù)標準差組成的新序列.

圖2 動態(tài)時窗示意圖

在自然駕駛狀態(tài)下,車輛的速度、加速度、車道偏移值等容易受到道路交通因素或駕駛人自身駕駛意愿的影響.當駕駛人的控制能力保持在正常水平,且行車環(huán)境較為穩(wěn)定時,每秒內參數(shù)的波動將維持在一定范圍內,且在較小時間段內的參數(shù)波動更加穩(wěn)定,從而能較好地表征分心操作對駕駛行為產生的影響.采用動態(tài)時窗的方法進行計算,可以充分利用整個分心過程的序列數(shù)據(jù)進行初步的特征提取,確保初步計算得到的參數(shù)標準差值序列與分心行為存在較強的相關性,便于后續(xù)依據(jù)參數(shù)的特性進行指標構建.

2.1 控制活動指標

控制活動指標體現(xiàn)了駕駛人進行駕駛控制操作的頻率與積極的強度,表征了駕駛人在執(zhí)行駕駛操作任務時的注意力資源分配情況.車輛的加速度值是與駕駛控制操作如控制油門、剎車踏板、轉動方向等直接相關的參數(shù),故本文采用縱向加速度值和橫向加速度值分別構建表征駕駛人縱向和橫向控制活動的特征指標.基于動態(tài)時窗進行計算后,選用各操作過程中加速度值的標準差序列的中位數(shù)值表征該過程中駕駛人的控制活動的強度.

2.2 控制操作靈敏度指標

控制操作靈敏度指標主要表征駕駛人獲取道路信息和執(zhí)行駕駛任務的遲緩程度.當駕駛人注意力分散程度較高時,執(zhí)行控制操作的靈敏度開始下降.本文計算了各操作過程中橫向和縱向加速度值的標準差序列,在第i個時間窗口內,將兩個加速度的σi值構造為二維向量用于表征i窗口內駕駛人的整體控制活動情況.進一步通過計算相鄰窗口向量的標準歐式距離(d)表征相鄰時刻駕駛人控制操作的變化情況,并采用該過程中所有距離值的中位數(shù)值表征該過程駕駛人控制操作變化的靈敏程度.

(1)

式中:i為動態(tài)視窗的序列編號;j的取值為{1,2},代表兩種加速度類別;σij即為i時刻窗口內j加速值的標準差;Sj代表整個過程j加速度的標準差值序列的標準差;d為相鄰特征向量的標準歐式距離計算值.

2.3 控制狀態(tài)穩(wěn)定性指標

速度、車道偏移是表征車輛在縱向與橫向上的最直觀的運行狀態(tài)信息,與行車安全有著很強的相關性,因此本文采用速度值和車道偏移值構建表征駕駛人縱向和橫向控制狀態(tài)穩(wěn)定性的指標,用于反映分心操作對控制狀態(tài)穩(wěn)定性的影響.S為整個操作過程中速度值標準差序列的標準差,用以表征該過程縱向駕駛控制狀態(tài)的波動情況.同理,采用車道偏移值的S值表征操作過程內駕駛人橫向控制狀態(tài)的穩(wěn)定情況.

3 結果

如表3所示,研究共計提取了涉及25名實驗人員的296個使用手機分心操作的樣本,包括接聽、撥打、通話、掛斷和查看五種類型的操作.本文將通過配對樣本T檢驗或單因素重復測量方差分析探究不同操作過程中駕駛控制行為指標的差異性.

表3 樣本情況統(tǒng)計

3.1 接聽通話過程

T檢驗結果顯示,在接聽過程中,駕駛人縱向控制活動顯著減弱(T(59)為2.659;顯著性水平P=0.010),但在其他操作過程未發(fā)現(xiàn)顯著變化;如表4、圖3和圖4所示(圖中數(shù)字為異常值樣本編號):在剔除異常值樣本后,在接聽通話過程中,接聽、通話與掛斷操作均導致駕駛人控制操作的靈敏度顯著下降;在接聽和通話過程中,駕駛人縱向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性受到了顯著影響,且通話操作對縱向控制狀態(tài)的影響顯著高于其他分心操作;此外,單因素重復測量方差分析F檢驗結果顯示未發(fā)現(xiàn)接聽通話行為對駕駛人橫向控制活動(F(1.6,94.8)=3.033,P=0.064)和橫向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性(F(2.9,78.6)=0.668,P=0.570)產生顯著影響.

圖3 接聽通話過程控制操作靈敏度統(tǒng)計結果

Fig.3 Statistical results of sensitivity during answering calls

表4 接聽通話過程各指標配對樣本T檢驗統(tǒng)計結果

注:顯著性水平為0.05,P?0.05代表P值小于0.001.

圖4 接聽通話過程縱向控制狀態(tài)穩(wěn)定性統(tǒng)計結果

Fig.4 Statistical results of longitudinal stability during answering calls

3.2 撥打通話過程

相較于接聽過程,撥打操作的分心程度更加復雜.配對T檢驗結果顯示相較于正常駕駛過程,撥打操作導致駕駛人縱向控制活動的強度顯著降低(T(38)=2.045,P=0.048),控制操作靈敏度顯著下降(T(38)=2.315,P=0.026),導致縱向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性變差 (T(38)=-4.466,P?0.05),但橫向控制狀態(tài)方面未發(fā)現(xiàn)顯著變化(T(38)=1.385,P=0.174;T(38)=-0.806,P=0.425).

3.3 查看信息過程

在控制活動方面,查看信息過程中縱向相關控制活動并未受到影響 (T(34)=1.839,P=0.075;T(34)=-0.617,P=0.514),但橫向相關控制活動顯著減弱(T(34)=2.498,P=0.017;T(34)=-2.044,P=0.049).

在控制操作靈敏度方面,分心過程中駕駛人駕駛控制的靈敏度顯著低于分心前,且分析結果顯示,分心行為發(fā)生前后的對照組樣本存在顯著差異.因此,本文進一步選取了分心行為結束后2~5 s,3~6 s,4~7 s和5~8 s共4段作為對照組樣本進行比較.如圖5、表5所示,在分心行為結束后5 s,駕駛人控制操作的靈敏度回歸正常狀態(tài).

圖5 查看信息過程中控制操作敏感度統(tǒng)計

Fig.5 Statistical results of control operation sensitivity during viewing information

最終,查看信息行為導致縱向駕駛控制狀態(tài)的穩(wěn)定性變差(T(34)=-3.265,P=0.002;T(34)=5.709,P?0.05),而橫向控制狀態(tài)未受到顯著影響(F(1.9,63.2)=1.429,P=0.247).

表5 查看信息過程控制操作敏感度配對樣本T檢驗結果

4 討論

在使用手機分心駕駛的過程中,接聽、撥打和查看是較為復雜的手動視覺分析操作.在接聽、撥打操作過程中,駕駛人的縱向控制活動有所減弱,執(zhí)行橫向控制活動的強度仍然保持在正常狀態(tài).而在查看過程中,橫向控制活動的強度有所降低,縱向控制活動沒有顯著變化.表明駕駛人在面對不同的分心壓力時具有一定的自我調節(jié)策略.

以往的研究曾表明,駕駛人在分心狀態(tài)下往往表現(xiàn)出一定的自我調節(jié)行為,如主動降低車速、增加前車間距、減少換道次數(shù)等,這種自我調節(jié)行為被認為可以有效降低駕駛需求和事故風險[31-33].不過,一些相近的自然駕駛研究沒有發(fā)現(xiàn)類似的結果[28-29],這可能與自然駕駛實驗環(huán)境的復雜性有關.本文則通過設置樣本篩選條件和指標構建盡量消除環(huán)境干擾因素的影響,控制活動強度指標在一定程度上反映了駕駛人的駕駛決策意愿.分析結果表明,駕駛人在面對較為復雜的手動視覺干擾引起的額外負荷時無法投入更多的注意力資源,并且傾向于減少縱向控制活動,從而確保橫向控制活動的強度不受影響.隨著分心負荷的加劇,這一策略發(fā)生了轉變.

此外,在接聽和撥打過程中,駕駛人執(zhí)行控制操作的靈敏度受到顯著影響,表明分心操作導致駕駛人的反應更加遲緩.從控制狀態(tài)的穩(wěn)定性來看,在上述兩個方面的影響下,駕駛人在接聽和撥打過程中縱向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性開始惡化,但橫向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性仍能保持在正常狀態(tài).

掛斷操作對駕駛人的控制行為幾乎沒有影響. 分析結果表明,雖然該操作削弱了駕駛人控制操作的靈敏度,但它對車輛控制的穩(wěn)定性沒有顯著影響,表明駕駛人可以應對該操作產生的額外負荷.

本文的分析結果顯示,通話操作沒有對駕駛人控制活動的強度產生顯著影響,表明通話操作的分心干擾對駕駛人注意力資源再分配所產生的壓力較小.但與其他操作相比,通話操作對駕駛人控制操作靈敏度的影響是相近的,且通話操作對駕駛人縱向控制狀態(tài)穩(wěn)定性的影響更加劇烈,表明通話行為產生的認知分心同樣會對行車穩(wěn)定性產生顯著影響.

在查看信息的過程中,查看信息同樣導致駕駛人綜合控制操作的靈敏度顯著下降.而且,在查看操作結束后4~5 s的時間段內,駕駛人執(zhí)行控制操作的靈敏程度仍未回歸正常狀態(tài),表明大腦在后續(xù)處理信息內容時產生的認知分心仍然對駕駛人存在顯著干擾.從控制狀態(tài)的結果來看,盡管駕駛人的橫向控制活動受到了顯著影響,但橫向控制狀態(tài)的穩(wěn)定性未受到影響,而縱向控制狀態(tài)出現(xiàn)了顯著波動.本文認為,在行車環(huán)境較為穩(wěn)定的情況下,駕駛人維持縱向穩(wěn)定比維持橫向穩(wěn)定需要投入更多精力,導致車輛縱向控制的穩(wěn)定性更易受到分心行為的影響.

5 結論

本文基于上海市自然駕駛項目,采集獲取了真實狀態(tài)下駕駛人使用手機分心駕駛的高精度樣本數(shù)據(jù),相較于駕駛模擬實驗與實車實驗,數(shù)據(jù)質量與真實性有了較大提升.且在樣本獲取中,設置了多項篩選條件用于減少干擾因素的影響,增加了分析結果的可靠性.同時,基于人機工程學理論,本文認為使用手機行為主要對駕駛人控制活動的強弱情況、控制操作的靈敏程度以及車輛控制狀態(tài)的穩(wěn)定性產生影響,并進一步基于動態(tài)時窗的概念,充分利用了自然駕駛序列數(shù)據(jù)構建了這三項特征指標.最終,本文依據(jù)使用手機過程中不同階段的行為特性對分心過程進行了操作劃分,分析了不同操作尤其是通話操作對駕駛控制行為的影響,得出結論如下:

在使用手機分心駕駛的過程中,駕駛人會采取不同的資源分配策略應對分心操作產生的額外負荷.典型的手動視覺分心操作,如接聽、撥打和查看,會對駕駛人的注意力水平產生顯著干擾,因而駕駛人進行了自我調節(jié)行為.分析表明,駕駛人在接聽或撥打過程中傾向于減少縱向控制活動,而在查看過程中傾向于減少橫向控制活動,這對降低駕駛需求和事故風險起到了一定作用.

在手持通話過程中,通話行為產生的認知分心會降低駕駛人控制操作的敏感度,其影響程度與其他操作并無顯著差異.此外,在接聽通話過程中,通話操作對縱向控制穩(wěn)定性的影響最為顯著,其對行車穩(wěn)定的影響并不亞于其他操作.結果表明僅禁止手持通話方式并不能完全消除使用手機行為產生的安全隱患.此外,自然條件下免持通話與手持通話的對比研究將在后續(xù)開展.

查看信息行為不僅對駕駛控制的敏感性和穩(wěn)定性有顯著影響,而且在分心行為結束后,這種影響仍將存在一段時間.隨著智能手機功能的發(fā)展,使用手機編輯短信的行為越來越少,而瀏覽查看信息的行為卻日益頻繁.社交媒體、移動導航,尤其是網(wǎng)約車服務的出現(xiàn),讓駕駛人對手機的依賴程度進一步加深,接下來需要進一步研究這些分心行為對各類道路行車安全的影響.

此外,本文的研究背景是基于高速公路或快速路環(huán)境,城市道路自然駕駛研究較為復雜,需要進一步研究.