李嘉郡，楊振，曾伊琳，馬舒

(浙江理工大學 心理系,杭州 310018)

1 引言

自動駕駛技術在提高交通安全性、減少擁擠和凈化空氣等方面被人們寄予厚望。根據(jù)美國汽車工程師協(xié)會(SAE)的定義，在L3等級的自動駕駛條件下，駕駛員可以從事與駕駛無關的活動，但受到技術的限制，當出現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)失靈或無法處理的交通狀況時，系統(tǒng)會向司機發(fā)出接管請求(takeover request,TOR)。司機需要及時調(diào)整狀態(tài)，將注意力從非駕駛相關任務轉(zhuǎn)移到駕駛場景中，獲得充分的情境意識，做出行動決策，完成接管任務。

然而，對于司機而言從環(huán)外狀態(tài)(out-of-loop)調(diào)整為環(huán)內(nèi)狀態(tài)(in-the-loop)需要時間，在這個過程中需要使司機處于一定的喚醒狀態(tài)，并且將司機的注意力轉(zhuǎn)移到駕駛?cè)蝿罩校蛊浍@得充分的情境意識。及時、安全地接管車輛是個巨大的挑戰(zhàn)[1]。一方面，自動駕駛過程中司機可能出現(xiàn)被動疲勞，降低司機的生理喚醒水平。即便是15 min的自動駕駛時長，司機也會報告自己很疲憊[1]，當自動駕駛時長在20 min時，生理數(shù)據(jù)表明被試的認知狀態(tài)有所降低[1]。Woerle等人發(fā)現(xiàn)[18]，與一直處于清醒狀態(tài)的駕駛員相比，從睡眠中被TOR叫醒的司機要更長的時間才能接管車輛。另一方面，將汽車的控制權交給自動駕駛系統(tǒng)，會使司機處于駕駛?cè)蝿盏摹碍h(huán)外”，司機會更多的從事非駕駛相關活動，導致情景意識喪失，接管反應時間的增加、出現(xiàn)更多突然的、猛烈的剎車或轉(zhuǎn)向行為，以及更不穩(wěn)定的行車軌跡[1，9]，威脅駕駛安全[1]。因此，若想要司機順利接管車輛，我們需要恰當?shù)貑拘烟幱凇碍h(huán)外”的司機，引導其注意的轉(zhuǎn)換，并提高其情境意識，以輔助駕駛權的順利過渡，保障接管安全。

通過提高接管請求的緊迫性，可能有利于及時有效地喚醒司機、引導其將注意力快速轉(zhuǎn)移到駕駛場景中。設計中，尋找恰當?shù)耐ǖ篮头绞绞顷P鍵。首先，相較于駕駛信息主要來源的視覺通道，以聽覺通道傳達接管請求，有全方位性和迫聽性的優(yōu)勢，更能快速引起司機的注意。其次，相較于非語言信息，語言警告的學習成本低，能提供更具體的、有代表性的信息、且有較高的遵從性[10]。不同的語音可以傳達不同程度的緊迫性。比如，語速快的語音比語速慢的語音更有緊迫性和命令性[2]；一些短句如“危險，接管”(Danger,take over)引起的主觀緊迫感比“請接管”(Please take over)更高[2]。與單調(diào)的語音風格相比，高緊迫性的語音風格會產(chǎn)生更高的主觀緊迫感[5]。

然而，在模擬駕駛中的研究表明，高緊迫性的告警雖然可以使司機的反應更快，但司機反應的準確度會下降，而且出現(xiàn)較高的橫向位移偏差[12]。這可能是因為緊迫感強的警告雖然能誘發(fā)司機的快速反應，但是往往以情境意識不充足為代價，從而影響了接管階段的駕駛表現(xiàn)，出現(xiàn)更多突然的、猛烈的剎車或轉(zhuǎn)向行為，以及更不穩(wěn)定的行車軌跡[1]。

因此在提高接管請求的緊迫性的同時，提供帶有情境信息的語音警告，可能是解決以上問題的有效途徑。前人通過眼動技術，發(fā)現(xiàn)詳細路況語音告警能加快司機對于潛在危險的探測，增加了他們對于潛在危險區(qū)域的眼動注視時間。在Serrano等人的研究中[16]，他們向被試展示了4種不同的交通情境，其中2種存在危險情況(如闖紅燈的行人)，2種不存在危險情況，被試需要在圖片呈現(xiàn)后快速判斷是否存在危險情況。根據(jù)不同的實驗條件，在圖片呈現(xiàn)前會播放不同的語音信息，基線組只告知被試“看路”，但是實驗組會告知被試“看左邊/右邊”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實驗組被試判斷危險情況存在的準確率和速度都高于基線組。通過模擬自動駕駛，Wright等人[19]也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，提供危險環(huán)境的信息提高了被試對潛在危險的檢測，增加了他們對于潛在危險區(qū)域的眼動注視時間。不過，以上研究都只通過分析眼動數(shù)據(jù)，聚焦接管反應做出之前的情境意識的獲取階段，沒有探討詳細的語音信息對于司機接管動作執(zhí)行結(jié)果和績效的影響。此外，由于聽覺信息是短時暫存信息的序列呈現(xiàn)，通過提高語速，可能能彌補因為詳細程度提高而帶來的信息接收時間延長的不足，可能帶來更好的效果。

2 對象與方法

2.1 被試

在浙江理工大學招募了32名持有有效的中國駕照被試，年齡在19-25歲(x=21.84，SD=1.913)，其中女性被試16名，被試視力均正?；虺C正至正常。被試平均駕駛年齡為1.59年(s=1.663)，平均總駕駛里程為1718.44公里(s=7097.605)，前一年平均駕駛里程為542.25公里(s=1831.034)。

2.2 研究工具

2.2.1 模擬駕駛器

本研究采用固定式駕駛模擬器。駕駛場景使用STIMIS3構(gòu)建，并通過分辨率為1 920×1 080像素的60英寸顯示屏向被試展示，顯示器下方有音響播放駕駛相關聲音和TOR警告。駕駛員坐在一個可調(diào)節(jié)的座位上，可以使用羅技的方向盤以及制動踏板控制模擬汽車，踏板包括剎車踏板和油門踏板。

2.2.2 駕駛場景

駕駛員行駛在雙車道公路上。我們要求被試開啟自動駕駛模式后就開始低頭進行非駕駛相關任務(俄羅斯方塊)并盡量不要抬頭。在車輛自動駕駛行駛了2.6公里或4.6公里(取決于自動駕駛時長的條件)后，出現(xiàn)接管情景并響起TOR警告。每個被試經(jīng)歷四種接管情境:分別為行人從左側(cè)道路(1)或右側(cè)道路(2)闖紅燈過斑馬線；停在左側(cè)路肩(3)或右側(cè)路肩(4)的車輛突然匯入司機所處的車道前方。駕駛員可以通過打方向盤或者踩剎車踏板來控制車輛。每次駕駛被試只經(jīng)歷一次接管場景，接管完成后再重新開始下一次駕駛。實驗對自動駕駛時長、接管情境以及危險物出現(xiàn)方向在被試間進行了拉丁方平衡。

2.3 實驗設計

2.3.1 自變量設計

實驗采用2×2被試內(nèi)設計，兩個自變量分別是TOR的詳細程度(簡單、詳細)和緊迫性(不緊迫、緊迫)，因此每個被試經(jīng)歷四次接管，每次接管前被試接收到的TOR警告不同。每個條件下，TOR都是提前7s的前置時間發(fā)出。簡單的TOR只是提醒駕駛員注意道路(“注意前方道路”)，詳細的TOR則會告知駕駛員潛在碰撞物是什么以及其所在方向(如“注意右前方車輛”)。使用Balabolka軟件將這兩種文本信息合成語音警告，并通過變化語速和語調(diào)分別合成了緊迫(語速3，語調(diào)10)和不緊迫(語速1，語調(diào)1)兩個版本。在浙江理工大學隨機找了9名學生對警告的緊迫性進評估，重復方差分析結(jié)果表示，兩個版本警告的緊迫性存在顯著差異(F(1,9)=87.223，P<0.001)。

2.3.2 因變量

本研究使用計算機以30Hz的頻率自動記錄所有駕駛相關動態(tài)數(shù)據(jù)，計算后得到的客觀數(shù)據(jù)包括：接管反應時間、接管時最大橫向加速度和最大縱向加速度。(1)接管時間被定義為發(fā)出TOR警告到駕駛員做出反應之間的最小間隔時間值(轉(zhuǎn)向角度>2°或剎車踏板率>10%)[8]。(2)最大橫向/縱向加速度是駕駛員接管過程中最大的橫向/縱向加速度值，加速度值越大代表接管質(zhì)量越差[6]。此外，還使用TOR的可接受度問卷[17]收集了被試對于TOR的主觀評價。接受度問卷可以基于駕駛員對于告警的有用性和滿意度評估駕駛員的態(tài)度。問卷中包括了9個問題，均是從-2到2以李克特5點評分方式計分。其中5個奇數(shù)項問題的平均分作為有用性評分，4個偶數(shù)項的平均分為滿意度分數(shù)。負值代表沒用/反感；正值代表有用/滿意；分數(shù)越高代表被試覺得越有用/滿意。

2.4 實驗程序

(1)被試填寫駕駛員信息表:學信息及駕駛信息。

(2)向被試介紹相關的設備，并讓他們調(diào)整座位。

(3)練習階段。被試先自己駕駛一次，以熟悉模擬車輛。完成后向被試介紹自動駕駛系統(tǒng)，并讓其練習如何激活自動駕駛模式和接管車輛。被試被告知開啟自動駕駛模式后就開始低頭進行非駕駛相關任務(在智能手機上玩俄羅斯方塊)并盡量不要抬頭。

(4)正式實驗。每個被試經(jīng)歷四次駕駛，每次大約持續(xù)3-4 min,經(jīng)歷一次接管，每次完成后被試需填寫對本次駕駛證TOR告警的可接受度問卷。整個實驗持續(xù)了大約30 min，完成后每個被試獲得20元的報酬。

2.5 數(shù)據(jù)采集和分析

柯爾莫諾夫-斯米爾諾夫檢驗分析顯示因變量不服從正態(tài)分布，且數(shù)據(jù)存在缺失值(被試有時沒踩剎車)，因此對于所得數(shù)據(jù)我們采用了廣義線性混合模型(GLMM)。GLMMs是基于線性模型的擴展，其因變量可以服從非正態(tài)分布。本研究將TOR的緊迫程度和詳細程度作為固定因素，危接管情景作為隨機因素，同時控制了試次順序，構(gòu)建GLMM模型。

3 結(jié)果

在本研究的128次接管事件中，發(fā)生了5次碰撞，且都是避讓行人的接管情景，其中4次是在不緊急條件下發(fā)生的。其他描述統(tǒng)計以及GLMM分析結(jié)果如表1、2所示。

表1 TOR詳細程度對接管表現(xiàn)和主觀評價的影響

續(xù)表1

表2 TOR緊迫程度對接管表現(xiàn)和主觀評價的影響

3.1 不同類型TOR對接管表現(xiàn)的影響

3.1.1 不同類型TOR對接管反應時的影響

GLMM結(jié)果顯示，TOR的緊迫性對駕駛員的接管反應時間影響顯著(F(1,123)=6.155，P<0.05，β=0.354)，即如圖1所示，相比于不緊迫的TOR，TOR緊迫性高時被試的接管反應時更短。詳細程度主效應不顯著(F(1,123)=0.410，P=0.523)，TOR詳細程度和緊迫性交互效應不顯著(F(1,123)=0.091，P=0.763)。

圖1 模擬駕駛設備及場景

圖1 TOR對接管反應時的影響

3.1.2 不同類型TOR對最大橫向加速度的影響

結(jié)果表明，TOR的詳細程度對最大橫向加速度有顯著影響(F(1,123)=4.151，P<0.05,β=0.504)，如圖2所示，詳細TOR條件下被試接管的最大橫向加速度低于簡單TOR條件下的最大橫向加速度(1.432<1.942)。緊迫程度的主效應(F(1,123)=0.628，P=0.429)以及交互作用(F(1,123)=0.232，P=0.631)的影響不顯著。

圖2 TOR對最大橫向加速度的影響

3.1.3 不同類型TOR對最大縱向加速度的影響

沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學上顯著影響最大縱向加速度的效應。TOR緊迫性的主效應不顯著(F(1,89)=1.481，P=0.227)，詳細程度的主效應不顯著(F(1,89)=2.339，P=0.130)，交互作用的影響也不顯著(F(1,89)=0.397，P=0.530)。

3.2 不同類型TOR對被是主觀評價的影響

3.2.1 不同類型TOR對有用性評價的影響

被試對詳細程度不同的TOR報告的有用性程度差異顯著(F(1,124)=11.553，P<0.005,β=1.225) ，被試對詳細TOR的有用性評分比簡單的TOR更高(6.56>5.25)。但未觀察到緊迫程度的主效應(F(1,124)=1.443，P=0.232)的影響，以及交互效應(F(1,124)=2.364，P=0.127)。

3.2.2不同類型TOR對有滿意度評價的影響 沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學上的顯著影響被試對TOR滿意度的因素。被試對不同緊迫程度TOR的主觀滿意度差異不顯著(F(1,124)=0.324，P=0.570)。TOR的詳細程度也不影響被試的滿意度評分(F(1,124)=2.318，P=0.130)。TOR詳細程度和緊迫程度的交互作用也不顯著(F(1,124)=0.003，P=0.955)。

4 討論

本文探討了在L3級別的自動駕駛中，語音告警的緊迫性和信息詳細程度對司機接管反應的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高緊迫性的告警可以使司機更快的響應接管請求；相對于信息內(nèi)容簡略的告警，詳細信息的告警條件下駕駛員接管車輛時的橫向偏移更小，接管過程更緩和；緊急且詳細的告警能引導司機快速地做出接管反應，且不會損害司機對于車輛的橫向控制。

4.1 緊迫的TOR對駕駛員接管反應的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，提高語音TOR的緊迫性能減少駕駛員的反應時，使駕駛員對接管的反應更快。這與前人的研究一致，Sadeghian Borojeni等人發(fā)現(xiàn)[13]，當車輛在直路上行駛時，駕駛員對于緊迫的視聽TOR的接管反應速度更快(1.31s<1.39 s)。這說明通過提高語音的語速和語調(diào)傳遞的語音TOR緊迫性，可以使處于“環(huán)外”狀態(tài)的駕駛員更快的對接管請求做出反應。Politis I.等人研究發(fā)現(xiàn)高緊迫性的TOR會引起更高的橫向位移偏差[11]，在本研究的結(jié)果中，雖然沒有發(fā)現(xiàn)緊迫性對于橫向加速度的顯著影響，但高緊迫性TOR引起的最大橫向加速度值大于低緊迫性TOR引起的最大橫向加速度值。由此可見，高緊迫度性的TOR所傳達的緊迫感引起了司機更高水平的生理激活[3]，使司機能夠更快的從被動疲勞狀態(tài)中警醒，并且更快的將注意轉(zhuǎn)移到駕駛?cè)蝿罩?。但是需要警惕高緊迫性的TOR引起司機快速的接管反應，可能是以犧牲接管質(zhì)量為代價。此外，被試對于TOR的主觀評價表明，不管TOR是否緊迫，被試都會覺得它們有用，且被試對所有的TOR都感到滿意。

4.2 詳細的TOR對駕駛員接管反應的影響

在本研究中可以看到，提供帶有情境信息的詳細語音警告，使車輛的橫向偏移更小，有更好的接管質(zhì)量。且對TOR的主觀評價表明，司機認為詳細的TOR能提供更多信息，更有用。從側(cè)面印證詳細的TOR促進了司機情景意識的獲取。這與我們的假設相符。

根據(jù)情境意識三階段理論[7]，第一個階段是指對環(huán)境中特定的時空元素和事件的感知;第二個階段是對這些元素和事件的理解;第三個階段是對元素和事件未來狀態(tài)的預測。詳細的TOR理應可以通過加快第一或第二階段，幫助司機更快地獲得情境意識，然而在本研究中并沒有發(fā)現(xiàn)詳細的TOR能加快被試的接管反應速度。這可能由于司機聽到告警后，獲取情景意識和做出反應的過程并不是線性進行的。他們可能會盡快的做出反應，即使此時只有部分情境意識，而非完全的情境意識[4]；同時還在收集、處理自上而下的(告警內(nèi)容)/自下而上(環(huán)境)的信息。而同樣的語速下，詳細的TOR請求相較于簡略的TOR請求，會帶來信息接收、處理時間的延長，因而雖然可以縮短情境意識獲得時間提高接管的質(zhì)量，但聽覺信息接收時間更長，使得最終的接管反應時間上優(yōu)勢并不顯著。此外，我們計算的是最后做出行動的反應時間，而不是注意轉(zhuǎn)移到駕駛情境上(eyes-on road)或者手放在方向盤上(hands-on wheel)的反應時間，可能對于一個非線性的認知過程，一個最終的反應時不是很敏感。

4.3 詳細且緊迫的TOR對駕駛員接管反應的影響

研究結(jié)果中TOR的緊迫和詳細程度交互作用在各變量上都不顯著。但是分別從緊迫程度和詳細程度的主效應分析中可以看出，緊迫的TOR可以加快接管，但是存在犧牲接管質(zhì)量的風險，可能沒有獲得足夠情境意識下就進行接管反應，當TOR更緊迫時更需要結(jié)合告警內(nèi)容的優(yōu)化設計以確保安全。而詳細的TOR可以通過提供情境意識的信息幫助司機更平緩的高質(zhì)量接管車輛，但因為語音詳細程度提高而帶來的信息接收時間延長。因此，緊迫且詳細的TOR，可以較好地取長補短，可以彌補司機傾向于快速接管車輛的而情境意識不足的安全隱患，引導司機既快又好地進行車輛接管。

未來在設計前置時間很短的TOR時，我們可以讓TOR能夠提供詳細的情景信息，幫助司機更快的獲取情景意識，同時加快語速以彌補語音序列性對于反應時的負面影響，使得司機可以快速做出接管反應，且不會損害司機對于車輛的橫向控制。

4.4 研究不足

本研究探討了TOR緊迫程度和詳細程度對司機接管績效的影響，但在背后機制的解釋上還需要更多實證數(shù)據(jù)的支持，存在以下不足：首先，本研究未能收集被試的生理數(shù)據(jù)(如皮膚電、心率)，以更加直觀的比較不同TOR緊迫性下被試的生理激活水平，以更好的理解緊迫的語音TOR對于被試的喚醒以及更高的喚醒水平是如何促進被試更快的做出接管反應。第二，本研究通過接管的橫向加速度來對司機接管質(zhì)量做出評定，在今后的研究中可以收集眼動數(shù)據(jù)來輔助驗證TOR的緊急和詳細程度所帶來的情境意識獲取方面的差異，驗證我們的推論。第三，雖然駕駛模擬器可以提供一個有效的駕駛能力測試平臺，但它可能會導致駕駛員的行為與真實駕駛不同。TOR緊迫程度和詳細程度對司機的接管行為影響效果需要在未來的實際行車道路上進行檢驗。第四，本研究的被試為駕駛經(jīng)驗較少的新手司機，他們比有經(jīng)驗的司機報告更多的駕駛應激[20]，更不充足的情境意識[14-15]，未來的研究將在更多樣化的駕駛樣本中對接管進行調(diào)查，以檢驗目前的研究結(jié)果。

5 結(jié)論

緊迫的TOR可以使司機更快接管車輛，但是存在犧牲接管質(zhì)量的風險，可能是沒有獲得足夠情境意識下就進行接管反應。提供了詳細情境信息的TOR可以提高司機對車輛的控制，而司機獲取情景意識、做出反應的過程不是線性的，不管語音信息的長度司機的接管反應都一樣快。因此，在前置時間短的接管情景中，使用詳細且緊急的TOR可以使司機快速做出接管反應，且不會損害司機對于車輛的橫向控制。