秦華，李吉濤，冉令華

(1.北京建筑大學(xué)，機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京102616；2.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100191)

0 引言

駕駛過(guò)程中，部分駕駛員會(huì)做一些與駕駛無(wú)關(guān)的事情，這些事情被稱為次任務(wù)。當(dāng)駕駛員處于次任務(wù)狀態(tài)時(shí)，其雙眼的視覺(jué)搜索能力不同與正常駕駛條件下駕駛員時(shí)刻專注于路面的視覺(jué)搜索能力，且受次任務(wù)類型與車速等因素影響。這種差異最終體現(xiàn)在駕駛員對(duì)外界信息做出判斷的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)上。顯然，駕駛員對(duì)外界信息做出反應(yīng)的耗時(shí)越長(zhǎng)發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局[1]將駕駛過(guò)程中的次任務(wù)分為3種類型，分別是視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和認(rèn)知。大量研究表明，次任務(wù)類型對(duì)駕駛接管績(jī)效具有顯著影響。Wickens[2]的多資源理論指出，強(qiáng)認(rèn)知或聽(tīng)覺(jué)信息加工活動(dòng)同樣會(huì)與視覺(jué)通道在知覺(jué)資源上產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，從而影響駕駛員對(duì)視覺(jué)注意帶的有效跟蹤和判斷。魯光泉[3]等研究結(jié)果顯示，駕駛過(guò)程中的視覺(jué)次任務(wù)會(huì)顯著增加駕駛員接管控制的時(shí)間，次任務(wù)會(huì)對(duì)駕駛接管時(shí)間和視覺(jué)搜索能力產(chǎn)生影響。當(dāng)前對(duì)于視覺(jué)搜索速度的測(cè)試方法，主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)視野測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。于瑞峰[4]等考慮視野和反應(yīng)時(shí)等因素，提出單目標(biāo)隨機(jī)視覺(jué)搜索模型，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情形下的視覺(jué)搜索測(cè)試方法。

綜上所述，已有不少學(xué)者研究駕駛過(guò)程中的次任務(wù)，但集中在對(duì)接管任務(wù)類型方面，主要通過(guò)構(gòu)建仿真場(chǎng)景進(jìn)行研究，部分采用瞳孔面積、注視區(qū)域等視覺(jué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。真實(shí)駕駛接管環(huán)境中，部分危險(xiǎn)物并不是持續(xù)出現(xiàn)在駕駛員視野范圍內(nèi)，隨著汽車移動(dòng)，部分危險(xiǎn)物會(huì)逐漸劃出駕駛員視野，故本文研究駕駛員面對(duì)瞬時(shí)出現(xiàn)的視覺(jué)搜索目標(biāo)接管控制時(shí)所表現(xiàn)出的績(jī)效。采用注視區(qū)域、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、注視頻率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究駕駛過(guò)程中不同沉浸程度的次任務(wù)對(duì)駕駛績(jī)效的影響，以沉浸種類和沉浸時(shí)長(zhǎng)作為影響因素，研究駕駛員在這些影響因素下所表現(xiàn)出的視覺(jué)搜索能力。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)變量

實(shí)驗(yàn)共包含兩個(gè)自變量：沉浸類型和沉浸時(shí)長(zhǎng)。沉浸類型分聽(tīng)相聲和打游戲，分屬聽(tīng)覺(jué)次任務(wù)和視覺(jué)次任務(wù)，時(shí)長(zhǎng)分別為5 min 和10 min。因變量為被試從次任務(wù)中反應(yīng)過(guò)來(lái)的時(shí)長(zhǎng)，視覺(jué)搜索任務(wù)的正確率和相關(guān)眼動(dòng)數(shù)據(jù)(包括注視點(diǎn)坐標(biāo)，注視前方區(qū)域的頻率)。游戲和相聲分屬兩種差異較大的次任務(wù)，從任務(wù)難度方面看，游戲任務(wù)高于相聲任務(wù)，從認(rèn)知通道角度看，游戲主要占用視覺(jué)認(rèn)知通道(游戲任務(wù)全程靜音)，相聲主要占用聽(tīng)覺(jué)通道，故選取這兩種次任務(wù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

1.2 被試招募

本實(shí)驗(yàn)共招募32名被試，男女各1/2，年齡18～60歲，矯正視力均不低于0.8。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

視覺(jué)搜索任務(wù)采用視覺(jué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)由于瑞峰[4]等對(duì)動(dòng)態(tài)有效視野的定義和測(cè)試方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)包含兩種測(cè)試界面：第1種圖形為任務(wù)界面，如圖1所示；第2 種圖形為判斷界面，如圖2所示，每種圖形均由1 個(gè)凝視點(diǎn)和多個(gè)觸點(diǎn)組成。任務(wù)界面包含72 個(gè)觸點(diǎn)，均勻分布在以凝視點(diǎn)為起點(diǎn)的9個(gè)同心圓和8條呈放射狀的軸線交叉點(diǎn)上。放射狀軸線分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，凝視點(diǎn)符號(hào)為實(shí)心圓圈，干擾符號(hào)為十字叉“×”，目標(biāo)符號(hào)為空心圓圈“○”。判斷界面包含兩種不同的識(shí)別標(biāo)簽，分別為實(shí)心圓圈的凝視點(diǎn)及“＋”覆蓋標(biāo)簽。

圖1 任務(wù)界面Fig.1 Task interface

圖2 判斷界面Fig.2 Judgment interface

當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)界面中的凝視點(diǎn)始終位于圖片中間，即無(wú)緩沖時(shí)間時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)有效視野測(cè)試。當(dāng)凝視點(diǎn)沿x軸水平從左向右移動(dòng)至屏幕中央后(約6～7 s)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)有效視野測(cè)試。當(dāng)凝視點(diǎn)從屏幕右側(cè)中央接近顯示屏幕中心時(shí)，顯示屏幕顯示出以該凝視點(diǎn)為圓心的任務(wù)界面，該圖形繼續(xù)向右移動(dòng)至設(shè)定的刺激呈現(xiàn)時(shí)間300 ms時(shí)，任務(wù)界面消失并顯示判斷界面，測(cè)試者需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊記憶中任務(wù)界面上目標(biāo)符號(hào)所在位置。

測(cè)試界面為黑色背景，紅色刺激。每1個(gè)刺激中，目標(biāo)符號(hào)(空心圓圈)隨機(jī)呈現(xiàn)在第1 種圖形上56 個(gè)觸點(diǎn)中的某1 個(gè)。為了避免被試眼球出現(xiàn)因掃視運(yùn)動(dòng)而多次注視刺激圖像或注視其他地方，將刺激呈現(xiàn)時(shí)間設(shè)置為300 ms。測(cè)試期間使用眼動(dòng)儀記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)按照自變量(沉浸種類、沉浸時(shí)長(zhǎng))將32名被試隨機(jī)分為4組，分別為打游戲5 min組，打游戲10 min組，聽(tīng)相聲5 min組，聽(tīng)相聲10 min組。每位被試需要依據(jù)其分組執(zhí)行相應(yīng)的次任務(wù)，游戲組需要用手機(jī)贏得一場(chǎng)游戲，相聲組需要聽(tīng)一段相聲并回答相聲中的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)期間，被試佩戴眼動(dòng)儀用于采集視線注視點(diǎn)坐標(biāo)和注視頻率。

被試在執(zhí)行相應(yīng)的次任務(wù)時(shí)，頭部盡量保持不動(dòng)，當(dāng)聽(tīng)到語(yǔ)音提示后，需立刻停止當(dāng)前次任務(wù)并注視屏幕中的凝視點(diǎn)完成視覺(jué)搜索任務(wù)。任務(wù)包括靜態(tài)視野測(cè)試和動(dòng)態(tài)視野測(cè)試。靜態(tài)視野測(cè)試模擬次任務(wù)條件下那些駕駛員需要立刻處理的搜索任務(wù)，動(dòng)態(tài)視野測(cè)試模擬駕駛員有一定緩沖時(shí)間(7 s)的動(dòng)態(tài)搜索任務(wù)。靜態(tài)視野測(cè)試中，被試需要在收到提示后立刻注視屏幕中央進(jìn)行視覺(jué)搜索；動(dòng)態(tài)視野測(cè)試中，被試需要在收到提示后注視屏幕左側(cè)出現(xiàn)的凝視點(diǎn)并在其即將劃動(dòng)至屏幕中央位置時(shí)進(jìn)行視覺(jué)搜索。

被試需要在兩種視覺(jué)搜索任務(wù)下找到瞬時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)符號(hào)，并標(biāo)注出位置。正確找到目標(biāo)符號(hào)所需要的時(shí)間即為反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)，目標(biāo)符號(hào)查找是否正確即為視覺(jué)搜索任務(wù)的正確率。

考慮到被試在測(cè)試過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生學(xué)習(xí)效應(yīng)，即被試可能會(huì)因?yàn)槭煜ち藢?shí)驗(yàn)流程而在次任務(wù)中不去專注于完成次任務(wù)而是關(guān)注于盡快對(duì)收到的提示做出應(yīng)答。一方面向被試強(qiáng)調(diào)在測(cè)試過(guò)程中需要注意力集中，并且每位被試在執(zhí)行實(shí)驗(yàn)搜索任務(wù)過(guò)程中會(huì)隨機(jī)穿插一些相似的搜索任務(wù)，并且提示出現(xiàn)的時(shí)間也不是完全固定在5/10 min 這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，會(huì)有±10 s 內(nèi)的隨機(jī)變化。如果存在被試注意力因?qū)W習(xí)效應(yīng)導(dǎo)致的分散情況，則不予錄入此數(shù)據(jù)。另一方面，次任務(wù)的沉浸程度是一個(gè)較難量化的指標(biāo)，在實(shí)際駕駛環(huán)境下大部分駕駛員也不可能完全專注于次任務(wù)，因此認(rèn)為較少的注意力分散是合理的。

2 結(jié)果與討論

表1為不同沉浸類型和沉浸時(shí)長(zhǎng)下，被試視覺(jué)搜索區(qū)域面積，搜索正確率和注視頻率的統(tǒng)計(jì)值。表1中：搜索正確率為被試成功找到搜索目標(biāo)的次數(shù)占總搜索次數(shù)的比例，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為被試從收到提示至做出應(yīng)答的時(shí)間間隔(動(dòng)態(tài)任務(wù)已去除緩沖時(shí)間)，搜索區(qū)域面積為反應(yīng)時(shí)內(nèi)被試注視點(diǎn)的分布區(qū)域，注視頻率為反應(yīng)時(shí)內(nèi)被試平均每秒注視前方屏幕的次數(shù)。

表1 視覺(jué)搜索正確率面積及頻率Table 1 Area and frequency of visual search accuracy

從表1可以發(fā)現(xiàn)：

(1)沉浸時(shí)長(zhǎng)對(duì)接管績(jī)效各指標(biāo)的影響中，正確率指標(biāo)的變化幅度較小，在1%～2%之間，隨著沉浸時(shí)長(zhǎng)增加，被試注視前方的頻率逐漸減少，相聲組、游戲組的減小幅度分別為46%和62%；反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)變化幅度較小，相聲組和游戲組的縮段幅度分別為7.3%和29.7%，且沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性。該結(jié)論與王磊[5]等研究結(jié)論中關(guān)于次任務(wù)間隔時(shí)間的結(jié)論相似，其次任務(wù)間隔設(shè)定為200～2000 ms，對(duì)反應(yīng)時(shí)無(wú)顯著影響；本文任務(wù)沉浸時(shí)長(zhǎng)為5～10 min，也同樣沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性影響。

(2)沉浸種類對(duì)接管績(jī)效各指標(biāo)的影響中，正確率、注視頻率均表現(xiàn)為相聲組高于游戲組。其中，正確率指標(biāo)相聲組高于游戲組約10%，注視頻率指標(biāo)相聲組高于游戲組1倍以上，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)相聲組短于游戲組37%～80%。這可能是由于次任務(wù)類型和難度的差異性導(dǎo)致的。王磊[5]等研究表明，次任務(wù)的難度對(duì)反應(yīng)時(shí)具有顯著影響；楊林棟[6]等提出，特征與任務(wù)難度對(duì)搜索正確率影響的交互效應(yīng)顯著。此外，游戲組屬于視覺(jué)次任務(wù)，相聲組屬于聽(tīng)覺(jué)次任務(wù)，王搶[7]等研究表明，視覺(jué)次任務(wù)的反應(yīng)時(shí)高于聽(tīng)覺(jué)次任務(wù)的反應(yīng)時(shí)。因此在路況復(fù)雜的情況下，不推薦執(zhí)行難度較高的視覺(jué)類次任務(wù)。

圖3為被試在各沉浸類型和沉浸時(shí)長(zhǎng)下2 s 內(nèi)的注視點(diǎn)位置坐標(biāo)(已去除3 倍標(biāo)準(zhǔn)差外的數(shù)據(jù))，可以看出，因?yàn)閯?dòng)態(tài)視覺(jué)搜索任務(wù)中被試需要在搜索前注視凝視點(diǎn)移動(dòng)約7 s 的時(shí)長(zhǎng)，所以其注視點(diǎn)分布相對(duì)于靜態(tài)視野較連續(xù)。

由表1和圖3可以看出，在5 min和10 min兩種沉浸時(shí)長(zhǎng)下，對(duì)于兩種任務(wù)類型，被試的視覺(jué)搜索正確率沒(méi)有顯著差異(P＜0.05)。沉浸類型對(duì)視覺(jué)搜索正確率具有影響，表現(xiàn)為相聲組大于游戲組，兩者具有顯著差異(P＜0.05)。此外，在注視頻率上，相聲組大于游戲組，從大到小依次為：5 min 相聲，10 min相聲，5 min游戲，10 min游戲。

圖3 被試的注視區(qū)域Fig.3 Fixation area of subjects

表2為以緩沖時(shí)間及沉浸程度作為影響因素的被試的眼動(dòng)注視坐標(biāo)單因素方差分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，單獨(dú)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)和沉浸種類作為影響因素對(duì)注視點(diǎn)坐標(biāo)不具有顯著性，但有無(wú)緩沖時(shí)間對(duì)注視點(diǎn)位置坐標(biāo)具有顯著影響，依據(jù)有無(wú)緩沖時(shí)間分組后的沉浸時(shí)長(zhǎng)和沉浸種類對(duì)注視點(diǎn)位置坐標(biāo)具有顯著影響。

表2 注視點(diǎn)位置坐標(biāo)單因素方差分析Table 2 ANOVA plot of fixation point position coordinates

表3為有無(wú)緩沖時(shí)間條件下，被試所表現(xiàn)出的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)。無(wú)緩沖條件要求被試在注意力回到屏幕上時(shí)，立刻進(jìn)行視覺(jué)搜索；有緩沖條件需要被試注意力回到屏幕上后，在6～7 s 的緩沖時(shí)間后執(zhí)行搜索任務(wù)。

表3 各組別被試反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)Table 3 Subject response times in each group

由表3可以發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行視覺(jué)搜索任務(wù)前有一段時(shí)長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間(不算在反應(yīng)時(shí)內(nèi))會(huì)減少被試做出應(yīng)答的反應(yīng)時(shí)，動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)具有顯著性差異(p＜0.05)，這一規(guī)律在各沉浸時(shí)長(zhǎng)和沉浸類型的情況下都有所體現(xiàn)，縮短時(shí)長(zhǎng)在24%～40%左右。

3 結(jié)論

本文從駕駛接管績(jī)效與視覺(jué)搜索能力之間的關(guān)系入手，測(cè)試不同時(shí)長(zhǎng)和不同種類的沉浸程度下，當(dāng)被試注意力突然從次任務(wù)轉(zhuǎn)移至當(dāng)前主要任務(wù)且主要駕駛?cè)蝿?wù)的凝視目標(biāo)為瞬時(shí)出現(xiàn)時(shí)，駕駛員所表現(xiàn)出的視覺(jué)搜索能力。從沉浸程度與沉浸時(shí)長(zhǎng)的角度分析了次任務(wù)對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的影響。模擬測(cè)試危險(xiǎn)物出現(xiàn)并由遠(yuǎn)及近的視覺(jué)情景，更加貼近駕駛員面對(duì)危險(xiǎn)物時(shí)的真實(shí)視野。從眼動(dòng)注視位置的角度指出駕駛員面對(duì)危險(xiǎn)物時(shí)預(yù)留的緩沖時(shí)間與其視野范圍之間存在相關(guān)關(guān)系。

在駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是給駕駛員一個(gè)預(yù)留的反應(yīng)時(shí)間，而本文考慮到駕駛員在駕駛過(guò)程中的次任務(wù)因素，從駕駛員視覺(jué)搜索能力的角度對(duì)這一時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)一步解釋，提出影響駕駛員反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的一個(gè)重要因素在于駕駛員從次任務(wù)切換到駕駛?cè)蝿?wù)之間的視覺(jué)搜索能力。給駕駛員預(yù)留的緩沖時(shí)間越長(zhǎng)則其視覺(jué)搜索能力越強(qiáng)，做出應(yīng)答的時(shí)間也就越短。在設(shè)計(jì)駕駛系統(tǒng)的接管提示機(jī)制時(shí)，一方面應(yīng)考慮駕駛員所做次任務(wù)種類對(duì)其反應(yīng)績(jī)效的影響，另一方面也應(yīng)考慮駕駛員注視區(qū)域突變所帶來(lái)的視野能力上的缺失。為經(jīng)常執(zhí)行高沉浸程度次任務(wù)或者視覺(jué)搜索速度較慢的駕駛員提供更加敏感的提示機(jī)制，預(yù)留足夠的時(shí)間給駕駛員。