林睿，張偉

(清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京 100084)

1 引言

在傳統(tǒng)駕駛中，駕駛員人為失誤是導(dǎo)致交通事故的最重要因素。美國(guó)高速公路委員會(huì)通過(guò)對(duì)5 470起交通事故的深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大約了90%的交通事故是由駕駛員人為因素導(dǎo)致的[1]。為此，人們寄希望于自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)駕駛員，減少人為失誤導(dǎo)致的交通事故，幫助人們實(shí)現(xiàn)更安全便捷的出行，并將人類從繁瑣的駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來(lái)?，F(xiàn)階段市場(chǎng)上最先進(jìn)的自動(dòng)駕駛技術(shù)雖然并不能完全代替駕駛員，但已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)橫向和縱向的車輛控制。駕駛員只需要監(jiān)視系統(tǒng)和道路情況，在遇到危險(xiǎn)和故障時(shí)對(duì)控制權(quán)進(jìn)行及時(shí)接管。例如，Volvo的Pilot assist ii和特斯拉的Autopilot已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)這些功能。根據(jù)汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)的分級(jí)，這些系統(tǒng)屬于二級(jí)自動(dòng)駕駛[2]。而幾起與二級(jí)自動(dòng)駕駛相關(guān)的交通死亡事故，讓人們對(duì)現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛技術(shù)產(chǎn)生了擔(dān)憂。為了幫助設(shè)計(jì)者更深入地理解二級(jí)自動(dòng)駕駛下駕駛員角色、任務(wù)形式、認(rèn)知和行為，本文將針對(duì)其存在的工效學(xué)問(wèn)題和已有研究進(jìn)行總結(jié)和分析。

2 自動(dòng)駕駛的分類

在自動(dòng)駕駛發(fā)展的過(guò)程中，已有不同的研究機(jī)構(gòu)提出了自動(dòng)駕駛的分級(jí)方式。本文采用最為普遍使用的汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)的分級(jí)。該分類方式基于車輛控制、道路監(jiān)視、自動(dòng)化失效時(shí)的接管控制和自動(dòng)駕駛適應(yīng)環(huán)境的角度進(jìn)行劃分(如圖 1所示)[2]。

○級(jí)：傳統(tǒng)手動(dòng)駕駛，在所有路段的所有駕駛控制都由駕駛員執(zhí)行。

一級(jí)：自動(dòng)化系統(tǒng)有縱向或橫向單一方向的控制功能。例如，具有自適應(yīng)巡航(ACC)系統(tǒng)或車道保持輔助(LKA)的車輛。駕駛員需要負(fù)責(zé)另一部分的車輛控制和其它駕駛?cè)蝿?wù)。

二級(jí)：自動(dòng)化系統(tǒng)同時(shí)具有縱向和橫向的車輛控制，駕駛員需要監(jiān)視駕駛道路環(huán)境并在系統(tǒng)失效時(shí)及時(shí)進(jìn)行接管。系統(tǒng)往往只適應(yīng)于部分道路環(huán)境。

三級(jí)：自動(dòng)化系統(tǒng)同時(shí)具有縱向和橫向的車輛控制，駕駛員不需要時(shí)時(shí)監(jiān)視駕駛道路環(huán)境，在系統(tǒng)失效時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提前提醒駕駛員進(jìn)行接管。系統(tǒng)只適應(yīng)于部分道路環(huán)境。

四級(jí)：自動(dòng)化系統(tǒng)同時(shí)具有縱向和橫向的車輛控制，駕駛員不需要時(shí)時(shí)監(jiān)視駕駛道路環(huán)境，在系統(tǒng)失效時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自己進(jìn)行處理，無(wú)需駕駛員干預(yù)。但系統(tǒng)仍然只適應(yīng)于部分道路環(huán)境。

五級(jí)：自動(dòng)化系統(tǒng)可在所有道路環(huán)境下執(zhí)行全部的駕駛?cè)蝿?wù)。

本文重點(diǎn)討論二級(jí)自動(dòng)駕駛，即駕駛員需要監(jiān)視道路環(huán)境，在需要接管時(shí)系統(tǒng)提供提醒的情況，其他更高級(jí)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)于駕駛員注意力資源的使用會(huì)顯著減少。

3 第二級(jí)自動(dòng)駕駛中駕駛員的任務(wù)形式

根據(jù)上述定義，二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將傳統(tǒng)的手動(dòng)駕駛中的操控任務(wù)轉(zhuǎn)換成了監(jiān)視任務(wù)，需要駕駛員對(duì)系統(tǒng)功能有著清晰的理解，并對(duì)道路情況保持警覺(jué)，以便及時(shí)進(jìn)行接管。在駕駛員控制模型(Driver in Control model，DiC)[3]中(如圖 2所示)，駕駛員在駕駛車輛的過(guò)程中需要完成不同層面的控制過(guò)程，具體從下至上包括跟蹤前車，調(diào)整車輛在車道中的位置，監(jiān)視道路，并規(guī)劃行車目標(biāo)。從底層到上層，控制循環(huán)是由補(bǔ)償性控制到預(yù)測(cè)性控制的變化過(guò)程。而在二級(jí)自動(dòng)駕駛過(guò)程中，跟蹤與調(diào)整控制層由自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施，駕駛員只需要監(jiān)視道路，并規(guī)劃行車目標(biāo)。那么相比于手動(dòng)駕駛，駕駛員在進(jìn)行道路監(jiān)視時(shí)就缺少了車輛控制結(jié)果帶來(lái)的反饋，繼而導(dǎo)致了駕駛員“脫離循環(huán)”(Out-of-the-loop)的問(wèn)題。

駕駛員“脫離循環(huán)”具體指，當(dāng)車輛操控由自動(dòng)化系統(tǒng)控制，駕駛員可能會(huì)同時(shí)減少對(duì)道路場(chǎng)景的理解和對(duì)車輛的掌控，從而降低了在險(xiǎn)情時(shí)的接管績(jī)效[4]。從系統(tǒng)可靠性的角度，二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可靠性并不足以完全代替駕駛員。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者寄希望于駕駛員對(duì)道路保持警覺(jué)，與系統(tǒng)共同組成了并聯(lián)形式的系統(tǒng)，人-車系統(tǒng)將具有較高并優(yōu)于手動(dòng)駕駛的可靠性。而當(dāng)駕駛員“脫離循環(huán)”，人-車系統(tǒng)將成為串聯(lián)形式的系統(tǒng)，整體可靠性很低，甚至有可能會(huì)低于手動(dòng)駕駛的性[5]。所以，在二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，駕駛員在不需要操控車輛的同時(shí)，對(duì)道路保持注意就變得十分重要。

4 注意力的問(wèn)題

從注意力的角度，Endsley和Kiris(1995年)指出了脫離循環(huán)的問(wèn)題往往是由警覺(jué)性下降(Vigilance Decrement)和自動(dòng)化系統(tǒng)的自滿(Complacency)導(dǎo)致的[6]。一方面駕駛員因警覺(jué)性下降沒(méi)有辦法對(duì)于道路險(xiǎn)情保持持續(xù)的注意力，另一方面，駕駛員過(guò)于信任自動(dòng)化系統(tǒng)的能力，可能投入過(guò)多注意力執(zhí)行與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)。Banks和Stanton(2014年)對(duì)駕駛員的任務(wù)投入狀態(tài)進(jìn)行分析，從主動(dòng)和被動(dòng)兩方面描述了自動(dòng)駕駛中脫離循環(huán)的狀態(tài)，他們認(rèn)為執(zhí)行與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)是一種主動(dòng)的脫離循環(huán)，而警覺(jué)性下降則是被動(dòng)的脫離循環(huán)(如表 1所示)[7]。

表1 駕駛?cè)蝿?wù)投入狀態(tài)[7]

早期經(jīng)典的警覺(jué)任務(wù)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，要求人類長(zhǎng)期監(jiān)視系統(tǒng)變化、需求或者錯(cuò)誤是十分困難的，人們很難對(duì)不太變化的信息保持持續(xù)性注意[8]。此外，Greenlee等人(2018年)的模擬駕駛研究顯示，駕駛員在長(zhǎng)時(shí)間的二級(jí)自動(dòng)駕駛中險(xiǎn)情檢測(cè)率降低了，險(xiǎn)情反應(yīng)時(shí)間提高了，這同樣意味著二級(jí)自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)具有典型警覺(jué)任務(wù)的特性[9]。這些研究都揭示了，駕駛員在二級(jí)自動(dòng)駕駛中如果進(jìn)行單一的監(jiān)視任務(wù)是比較困難的。

而駕駛員如果進(jìn)行與駕駛無(wú)關(guān)的任務(wù)，雖然會(huì)緩解警覺(jué)性下降的程度，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的安全問(wèn)題。相比于手動(dòng)駕駛，二級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)駕駛員的需求降低了，駕駛員在二級(jí)自動(dòng)駕駛中執(zhí)行與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)，視線離開(kāi)道路的時(shí)間變長(zhǎng)[10]。從某種意義，自動(dòng)駕駛已經(jīng)將傳統(tǒng)駕駛中的分心問(wèn)題轉(zhuǎn)化成對(duì)與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)投入過(guò)多的問(wèn)題[11]。根據(jù)Wickens(1980年)的多重資源模型(Multiple Resource Model)，與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)，尤其是視覺(jué)任務(wù)，會(huì)干擾駕駛員對(duì)于接管險(xiǎn)情的監(jiān)視(感知階段)，可能會(huì)降低險(xiǎn)情的接管績(jī)效(認(rèn)知階段)[12]。所以，綜合考慮警覺(jué)性下降和執(zhí)行無(wú)關(guān)任務(wù)的影響，對(duì)于執(zhí)行無(wú)關(guān)任務(wù)是否一定會(huì)影響二級(jí)自動(dòng)駕駛的接管績(jī)效，研究目前尚未得到一致性結(jié)論。

5 工作負(fù)荷的問(wèn)題

對(duì)于駕駛員在二級(jí)自動(dòng)駕駛中難以保持注意力的問(wèn)題，也有一些研究從監(jiān)視任務(wù)的工作負(fù)荷進(jìn)行分析。模擬駕駛和道路實(shí)驗(yàn)的研究表明，駕駛員在在高速或者環(huán)路這樣的封閉道路上使用二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)，往往會(huì)在單調(diào)的場(chǎng)景中有較低的工作負(fù)荷，在復(fù)雜的場(chǎng)景中有較高的工作負(fù)荷；而自動(dòng)駕駛的使用經(jīng)驗(yàn)又在一定程度上降低駕駛員的工作負(fù)荷[13-14]。近期，Stapel等人(2019年)的道路研究表明駕駛員可能低估了使用二級(jí)自動(dòng)駕駛時(shí)的工作負(fù)荷，因?yàn)楸辉囋趯?shí)際使用特斯拉Autopilot時(shí)，主觀工作負(fù)荷較低，但是用信號(hào)反應(yīng)式測(cè)量的客觀工作負(fù)荷卻較高[15]。該作者推斷，較低的主觀工作負(fù)荷可能是駕駛員傾向于進(jìn)行與駕駛無(wú)關(guān)任務(wù)的原因，而主客觀工作負(fù)荷的差異則是駕駛員出現(xiàn)事故的重要原因[15]?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)于駕駛員在不同任務(wù)場(chǎng)景下使用二級(jí)自動(dòng)駕駛時(shí)的工作負(fù)荷情況，尚不完全清楚，此外，也沒(méi)有直接證據(jù)表明個(gè)體工作負(fù)荷的變化與其進(jìn)行無(wú)關(guān)任務(wù)的傾向有緊密聯(lián)系，未來(lái)仍需要大量工效學(xué)研究對(duì)這些問(wèn)題做進(jìn)一步深入全面地研究。

6 信任與依賴的問(wèn)題

對(duì)于駕駛員在自動(dòng)駕駛中難以保持注意力的問(wèn)題，很多研究都從信任的角度進(jìn)行分析。從概念上來(lái)說(shuō)，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的信任可以定義為“在不確定性和脆弱性特征下，人們對(duì)系統(tǒng)能否幫助自己實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所持有的態(tài)度”[16]。信任是非常主觀的，可直接影響人的行為，但是又非常容易改變的，是外在信息和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)共同作用的結(jié)果[17]。如果人們對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)持有不恰當(dāng)?shù)男湃?即過(guò)度信任或不信任)，可能會(huì)導(dǎo)致不使用、濫用和錯(cuò)誤使用自動(dòng)化系統(tǒng)[18]。在使用系統(tǒng)的同時(shí)，駕駛員不履行監(jiān)視道路的職責(zé)，而進(jìn)行無(wú)關(guān)任務(wù)，往往被認(rèn)為是過(guò)度信任導(dǎo)致的對(duì)系統(tǒng)的錯(cuò)誤使用[19]。針對(duì)特斯拉車主的訪談研究表明，駕駛員對(duì)于二級(jí)自動(dòng)駕駛的信任是隨使用時(shí)間變化的，駕駛員初始的信任往往與個(gè)體差異的背景相關(guān)，而在實(shí)際長(zhǎng)期交互過(guò)程中，駕駛員的不恰當(dāng)?shù)男湃卧谝欢ǔ潭壬蠒?huì)得到矯正，繼而調(diào)節(jié)駕駛員對(duì)系統(tǒng)的依賴程度[20]。在自動(dòng)駕駛中，信任往往伴隨了心智模型(Mental Model)的概念，被認(rèn)為是駕駛員對(duì)心智模型的信心的副產(chǎn)品，是心智模型影響行為的中介變量[21]。

7 心智模型與情景意識(shí)的問(wèn)題

心智模型的定義為“當(dāng)操作員與系統(tǒng)交互時(shí)，操作員對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)容、工作方式、和工作原理的理解，往往具有豐富而精細(xì)的結(jié)構(gòu)”[22]。心智模型是操作員對(duì)系統(tǒng)的記憶，用來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)如何響應(yīng)不同的控制輸入和環(huán)境變化，當(dāng)操作員預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)時(shí)，心智模型的準(zhǔn)確性與他們的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)[23]。而情境意識(shí)(Situation Awareness)的定義是“人們?cè)谝欢〞r(shí)間和空間的環(huán)境內(nèi)，對(duì)其中元素進(jìn)行的感知，理解和短時(shí)間內(nèi)發(fā)展變化的預(yù)測(cè)”[5]。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，情景意識(shí)是駕駛員的心智模型在具體道路場(chǎng)景中的應(yīng)用，具體的關(guān)系見(jiàn)圖 4。

手動(dòng)駕駛中，駕駛員需要基于車-路系統(tǒng)的心智模型，在特定的道路中形成具體情景意識(shí)，對(duì)于道路環(huán)境和車輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行感知、理解和預(yù)測(cè)。而在二級(jí)自動(dòng)駕駛中，駕駛員同時(shí)還需要對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的功能建立合理的心智模型，從而決定是否需要接管，來(lái)保證自己的行車安全。上文中提到的訪談研究同樣表明，在實(shí)際使用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，駕駛員錯(cuò)誤的心智模型也會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷得到矯正，而目前系統(tǒng)用戶手冊(cè)中并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行全面描述，駕駛員主要依靠駕駛經(jīng)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)信息和車主群中的信息分享來(lái)建立心智模型[20]。實(shí)際上，汽車廠商有義務(wù)向消費(fèi)者提供充分、詳實(shí)的基于應(yīng)用場(chǎng)景的功能性描述，幫助駕駛員建立合適的心智模型。

8 人機(jī)界面的問(wèn)題

汽車內(nèi)的人機(jī)界面(HMI)用于向駕駛員提供系統(tǒng)反饋，對(duì)于促進(jìn)駕駛員進(jìn)行合適的人車交互是十分重要的。錯(cuò)誤或不足的系統(tǒng)反饋可能會(huì)導(dǎo)致駕駛員形成不正確的心智模型，從而可能導(dǎo)致決策或行動(dòng)上的錯(cuò)誤[24]。對(duì)于如何促進(jìn)用戶形成正確的心智模型，Norman(1990年)提出了針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的HMI的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體為設(shè)計(jì)應(yīng)(1)假設(shè)存在錯(cuò)誤，(2)應(yīng)不斷提供反饋，(3)以有效的方式與用戶持續(xù)進(jìn)行交互，并且(4)應(yīng)該考慮到最壞的情況[25]。而現(xiàn)有研究總結(jié)了目前自動(dòng)駕駛車輛內(nèi)的視覺(jué)HMI中需要呈現(xiàn)的信息，包括(1)自動(dòng)駕駛狀態(tài)和分級(jí)的信息呈現(xiàn)，(2)行駛周邊環(huán)境的俯視圖，(3)車輛速度計(jì)，(4)對(duì)于行駛規(guī)劃路徑的抬頭顯示(Head-up Display，HUD)，(5)用于信息提示的信號(hào)燈，以及(6)用于操作提示的信號(hào)燈[26]。針對(duì)二級(jí)自動(dòng)駕駛，HMI要提以上供有效信息，來(lái)幫助駕駛員建立合適的心智模型對(duì)系統(tǒng)功能形成相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)期。

此外，二級(jí)自動(dòng)駕駛中HMI設(shè)計(jì)還包含了駕駛員駕駛系統(tǒng)(Driver Monitoring System，DMS)識(shí)別了駕駛員注意力離開(kāi)道路后給予的反饋提醒。市面上的二級(jí)自動(dòng)駕駛都配備了駕駛員駕駛系統(tǒng)，系統(tǒng)多通過(guò)識(shí)別駕駛員的手部對(duì)方向盤施力的情況間接判斷駕駛員的注意力情況。如果系統(tǒng)沒(méi)有感知到駕駛員的手放在方向盤上，將在一段時(shí)間后通過(guò)視覺(jué)——聽(tīng)覺(jué)——觸覺(jué)通道來(lái)對(duì)駕駛員進(jìn)行分級(jí)提醒。然而自動(dòng)駕駛相關(guān)的事故調(diào)查顯示，在事故發(fā)生前的一段時(shí)間內(nèi)，方向盤只在發(fā)出提醒后的有限時(shí)間內(nèi)感知到駕駛員的手放在方向盤上(如圖 5所示)[27]。由此可知，現(xiàn)有的駕駛員監(jiān)視系統(tǒng)可能并不能完全避免駕駛員執(zhí)行無(wú)關(guān)任務(wù)，保持駕駛員對(duì)道路的持續(xù)注意。今后，駕駛員駕駛系統(tǒng)的優(yōu)化研究需要充分考量駕駛員認(rèn)為認(rèn)知特點(diǎn)，和適應(yīng)性行為。

9 總結(jié)

近年來(lái)，隨著二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在市面上出現(xiàn)和推廣使用，自動(dòng)駕駛相關(guān)的安全問(wèn)題已經(jīng)引發(fā)了各界的討論。而自動(dòng)駕駛的發(fā)展進(jìn)程除了依賴于軟件和硬件系統(tǒng)的優(yōu)化，也需要從工效學(xué)的角度，充分考慮駕駛員的能力限制和認(rèn)知過(guò)程，從而設(shè)計(jì)出更為安全有效的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，受限于技術(shù)水平的發(fā)展，并考慮到我國(guó)道路交通的復(fù)雜情況，更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛可能在短時(shí)間內(nèi)難以大規(guī)模推廣實(shí)施，而未來(lái)具有有限功能的二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)極有可能會(huì)在道路上逐步開(kāi)始普及。本文主要介紹了駕駛員在二級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中面臨的關(guān)于注意力的問(wèn)題，及其背后涉及到的工效學(xué)構(gòu)念，包括工作負(fù)荷、信任與依賴、心智模型與情景意識(shí)，以及現(xiàn)有的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)等?？偟膩?lái)說(shuō)，如何確保駕駛員對(duì)道路監(jiān)視保持持續(xù)性注意，輔助駕駛員在遇到險(xiǎn)情時(shí)進(jìn)行有效的接管，這些問(wèn)題尚未得到充分解決。因此，未來(lái)一個(gè)重要的研究方向就是基于幾十年里對(duì)于手動(dòng)駕駛中駕駛安全問(wèn)題的工效學(xué)研究，來(lái)深入探究如何促進(jìn)駕駛員對(duì)二級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視控制，最大化地發(fā)揮自動(dòng)駕駛的優(yōu)勢(shì)，減少二級(jí)自動(dòng)駕駛?cè)藶橐蛩貙?dǎo)致的交通事故。