秦華，李吉濤，冉令華

(1.北京建筑大學，機電與車輛工程學院，北京102616；2.中國標準化研究院，北京100191)

0 引言

駕駛過程中，部分駕駛員會做一些與駕駛無關的事情，這些事情被稱為次任務。當駕駛員處于次任務狀態(tài)時，其雙眼的視覺搜索能力不同與正常駕駛條件下駕駛員時刻專注于路面的視覺搜索能力，且受次任務類型與車速等因素影響。這種差異最終體現在駕駛員對外界信息做出判斷的反應時長上。顯然，駕駛員對外界信息做出反應的耗時越長發(fā)生事故的風險也就越大。

美國國家公路交通安全管理局[1]將駕駛過程中的次任務分為3種類型，分別是視覺、聽覺和認知。大量研究表明，次任務類型對駕駛接管績效具有顯著影響。Wickens[2]的多資源理論指出，強認知或聽覺信息加工活動同樣會與視覺通道在知覺資源上產生競爭，從而影響駕駛員對視覺注意帶的有效跟蹤和判斷。魯光泉[3]等研究結果顯示，駕駛過程中的視覺次任務會顯著增加駕駛員接管控制的時間，次任務會對駕駛接管時間和視覺搜索能力產生影響。當前對于視覺搜索速度的測試方法，主要是通過動態(tài)視野測試來實現。于瑞峰[4]等考慮視野和反應時等因素，提出單目標隨機視覺搜索模型，并開發(fā)相應靜態(tài)和動態(tài)情形下的視覺搜索測試方法。

綜上所述，已有不少學者研究駕駛過程中的次任務，但集中在對接管任務類型方面，主要通過構建仿真場景進行研究，部分采用瞳孔面積、注視區(qū)域等視覺指標進行評價。真實駕駛接管環(huán)境中，部分危險物并不是持續(xù)出現在駕駛員視野范圍內，隨著汽車移動，部分危險物會逐漸劃出駕駛員視野，故本文研究駕駛員面對瞬時出現的視覺搜索目標接管控制時所表現出的績效。采用注視區(qū)域、反應時長、注視頻率作為評價指標，探究駕駛過程中不同沉浸程度的次任務對駕駛績效的影響，以沉浸種類和沉浸時長作為影響因素，研究駕駛員在這些影響因素下所表現出的視覺搜索能力。

1 實驗方法

1.1 實驗變量

實驗共包含兩個自變量：沉浸類型和沉浸時長。沉浸類型分聽相聲和打游戲，分屬聽覺次任務和視覺次任務，時長分別為5 min 和10 min。因變量為被試從次任務中反應過來的時長，視覺搜索任務的正確率和相關眼動數據(包括注視點坐標，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，從任務難度方面看，游戲任務高于相聲任務，從認知通道角度看，游戲主要占用視覺認知通道(游戲任務全程靜音)，相聲主要占用聽覺通道，故選取這兩種次任務作為實驗對象。

1.2 被試招募

本實驗共招募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 實驗設備

視覺搜索任務采用視覺測試系統(tǒng)進行測試，該系統(tǒng)由于瑞峰[4]等對動態(tài)有效視野的定義和測試方法進行開發(fā)。系統(tǒng)包含兩種測試界面：第1種圖形為任務界面，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 個凝視點和多個觸點組成。任務界面包含72 個觸點，均勻分布在以凝視點為起點的9個同心圓和8條呈放射狀的軸線交叉點上。放射狀軸線分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，凝視點符號為實心圓圈，干擾符號為十字叉“×”，目標符號為空心圓圈“○”。判斷界面包含兩種不同的識別標簽，分別為實心圓圈的凝視點及“＋”覆蓋標簽。

圖1 任務界面Fig.1 Task interface

圖2 判斷界面Fig.2 Judgment interface

當測試系統(tǒng)界面中的凝視點始終位于圖片中間，即無緩沖時間時，進行靜態(tài)有效視野測試。當凝視點沿x軸水平從左向右移動至屏幕中央后(約6～7 s)，進行動態(tài)有效視野測試。當凝視點從屏幕右側中央接近顯示屏幕中心時，顯示屏幕顯示出以該凝視點為圓心的任務界面，該圖形繼續(xù)向右移動至設定的刺激呈現時間300 ms時，任務界面消失并顯示判斷界面，測試者需用鼠標點擊記憶中任務界面上目標符號所在位置。

測試界面為黑色背景，紅色刺激。每1個刺激中，目標符號(空心圓圈)隨機呈現在第1 種圖形上56 個觸點中的某1 個。為了避免被試眼球出現因掃視運動而多次注視刺激圖像或注視其他地方，將刺激呈現時間設置為300 ms。測試期間使用眼動儀記錄實驗數據。

1.4 實驗任務

實驗按照自變量(沉浸種類、沉浸時長)將32名被試隨機分為4組，分別為打游戲5 min組，打游戲10 min組，聽相聲5 min組，聽相聲10 min組。每位被試需要依據其分組執(zhí)行相應的次任務，游戲組需要用手機贏得一場游戲，相聲組需要聽一段相聲并回答相聲中的問題。實驗期間，被試佩戴眼動儀用于采集視線注視點坐標和注視頻率。

被試在執(zhí)行相應的次任務時，頭部盡量保持不動，當聽到語音提示后，需立刻停止當前次任務并注視屏幕中的凝視點完成視覺搜索任務。任務包括靜態(tài)視野測試和動態(tài)視野測試。靜態(tài)視野測試模擬次任務條件下那些駕駛員需要立刻處理的搜索任務，動態(tài)視野測試模擬駕駛員有一定緩沖時間(7 s)的動態(tài)搜索任務。靜態(tài)視野測試中，被試需要在收到提示后立刻注視屏幕中央進行視覺搜索；動態(tài)視野測試中，被試需要在收到提示后注視屏幕左側出現的凝視點并在其即將劃動至屏幕中央位置時進行視覺搜索。

被試需要在兩種視覺搜索任務下找到瞬時出現的目標符號，并標注出位置。正確找到目標符號所需要的時間即為反應時長，目標符號查找是否正確即為視覺搜索任務的正確率。

考慮到被試在測試過程中可能會產生學習效應，即被試可能會因為熟悉了實驗流程而在次任務中不去專注于完成次任務而是關注于盡快對收到的提示做出應答。一方面向被試強調在測試過程中需要注意力集中，并且每位被試在執(zhí)行實驗搜索任務過程中會隨機穿插一些相似的搜索任務，并且提示出現的時間也不是完全固定在5/10 min 這個時間點上，會有±10 s 內的隨機變化。如果存在被試注意力因學習效應導致的分散情況，則不予錄入此數據。另一方面，次任務的沉浸程度是一個較難量化的指標，在實際駕駛環(huán)境下大部分駕駛員也不可能完全專注于次任務，因此認為較少的注意力分散是合理的。

2 結果與討論

表1為不同沉浸類型和沉浸時長下，被試視覺搜索區(qū)域面積，搜索正確率和注視頻率的統(tǒng)計值。表1中：搜索正確率為被試成功找到搜索目標的次數占總搜索次數的比例，反應時長為被試從收到提示至做出應答的時間間隔(動態(tài)任務已去除緩沖時間)，搜索區(qū)域面積為反應時內被試注視點的分布區(qū)域，注視頻率為反應時內被試平均每秒注視前方屏幕的次數。

表1 視覺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：

(1)沉浸時長對接管績效各指標的影響中，正確率指標的變化幅度較小，在1%～2%之間，隨著沉浸時長增加，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%；反應時長變化幅度較小，相聲組和游戲組的縮段幅度分別為7.3%和29.7%，且沒有表現出顯著性。該結論與王磊[5]等研究結論中關于次任務間隔時間的結論相似，其次任務間隔設定為200～2000 ms，對反應時無顯著影響；本文任務沉浸時長為5～10 min，也同樣沒有表現出顯著性影響。

(2)沉浸種類對接管績效各指標的影響中，正確率、注視頻率均表現為相聲組高于游戲組。其中，正確率指標相聲組高于游戲組約10%，注視頻率指標相聲組高于游戲組1倍以上，反應時長相聲組短于游戲組37%～80%。這可能是由于次任務類型和難度的差異性導致的。王磊[5]等研究表明，次任務的難度對反應時具有顯著影響；楊林棟[6]等提出，特征與任務難度對搜索正確率影響的交互效應顯著。此外，游戲組屬于視覺次任務，相聲組屬于聽覺次任務，王搶[7]等研究表明，視覺次任務的反應時高于聽覺次任務的反應時。因此在路況復雜的情況下，不推薦執(zhí)行難度較高的視覺類次任務。

圖3為被試在各沉浸類型和沉浸時長下2 s 內的注視點位置坐標(已去除3 倍標準差外的數據)，可以看出，因為動態(tài)視覺搜索任務中被試需要在搜索前注視凝視點移動約7 s 的時長，所以其注視點分布相對于靜態(tài)視野較連續(xù)。

由表1和圖3可以看出，在5 min和10 min兩種沉浸時長下，對于兩種任務類型，被試的視覺搜索正確率沒有顯著差異(P＜0.05)。沉浸類型對視覺搜索正確率具有影響，表現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為以緩沖時間及沉浸程度作為影響因素的被試的眼動注視坐標單因素方差分析?？梢园l(fā)現，單獨反應時長和沉浸種類作為影響因素對注視點坐標不具有顯著性，但有無緩沖時間對注視點位置坐標具有顯著影響，依據有無緩沖時間分組后的沉浸時長和沉浸種類對注視點位置坐標具有顯著影響。

表2 注視點位置坐標單因素方差分析Table 2 ANOVA plot of fixation point position coordinates

表3為有無緩沖時間條件下，被試所表現出的反應時長。無緩沖條件要求被試在注意力回到屏幕上時，立刻進行視覺搜索；有緩沖條件需要被試注意力回到屏幕上后，在6～7 s 的緩沖時間后執(zhí)行搜索任務。

表3 各組別被試反應時長Table 3 Subject response times in each group

由表3可以發(fā)現，在執(zhí)行視覺搜索任務前有一段時長的準備時間(不算在反應時內)會減少被試做出應答的反應時，動態(tài)與靜態(tài)的反應時長具有顯著性差異(p＜0.05)，這一規(guī)律在各沉浸時長和沉浸類型的情況下都有所體現，縮短時長在24%～40%左右。

3 結論

本文從駕駛接管績效與視覺搜索能力之間的關系入手，測試不同時長和不同種類的沉浸程度下，當被試注意力突然從次任務轉移至當前主要任務且主要駕駛任務的凝視目標為瞬時出現時，駕駛員所表現出的視覺搜索能力。從沉浸程度與沉浸時長的角度分析了次任務對駕駛員反應時長的影響。模擬測試危險物出現并由遠及近的視覺情景，更加貼近駕駛員面對危險物時的真實視野。從眼動注視位置的角度指出駕駛員面對危險物時預留的緩沖時間與其視野范圍之間存在相關關系。

在駕駛系統(tǒng)設計過程中，傳統(tǒng)的設計方式是給駕駛員一個預留的反應時間，而本文考慮到駕駛員在駕駛過程中的次任務因素，從駕駛員視覺搜索能力的角度對這一時長進行進一步解釋，提出影響駕駛員反應時長的一個重要因素在于駕駛員從次任務切換到駕駛任務之間的視覺搜索能力。給駕駛員預留的緩沖時間越長則其視覺搜索能力越強，做出應答的時間也就越短。在設計駕駛系統(tǒng)的接管提示機制時，一方面應考慮駕駛員所做次任務種類對其反應績效的影響，另一方面也應考慮駕駛員注視區(qū)域突變所帶來的視野能力上的缺失。為經常執(zhí)行高沉浸程度次任務或者視覺搜索速度較慢的駕駛員提供更加敏感的提示機制，預留足夠的時間給駕駛員。