王暢, 張巖, 趙晨, 馬萬良

(長安大學汽車學院, 西安 710061)

全觸屏人機界面(human-machine interaction,HMI)已成為車輛領域人機交互的主流趨勢,這種設計模式迎合了駕駛人對車輛科技感的需求。從外在表現(xiàn)形式而言,駕駛人利用全觸屏HMI執(zhí)行次任務的過程類似于操作一臺平板電腦,這是一種全新的人機交互模式,徹底顛覆了傳統(tǒng)HMI依靠按鍵、旋鈕的交互模式。

在全觸屏HMI模式下,常見的人機交互任務全部依靠觸屏點擊來完成,如空調調整、雨刮調整等。駕駛過程中操作全觸屏會占用駕駛人視覺通道,由視覺分心所造成的交通安全問題日益顯現(xiàn)[1],有研究指出,將近80%的交通事故是由于駕駛分心引起的,包括視覺分心、認知分心和操作分心等,且駕駛人在視覺分心狀態(tài)下的事故風險相比正常駕駛時增加了將近3倍[2-4]。

駕駛過程中使用全觸屏調節(jié)車內溫度是對駕駛技能有較高要求的操作,當操作全觸屏由于觸控沒有反饋、車機響應慢以及空調在全觸屏操作空間小極易操作失誤等都會占用駕駛人較多的視線時間,而視線離開前方超過一定時長會影響駕駛人的環(huán)境感知能力,嚴重影響駕駛安全[5]。高巖等[6]分析了駕駛次任務難度對接管行為的研究,發(fā)現(xiàn)駕駛次任務涉及的分心形式越復雜,接管過程安全性越差;王暢等[7]分析了實車道路試驗中駕駛人視線離開前方期間車輛的運行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)車輛偏離車道中心線的趨勢隨著視線離開前方時間的增加而增大,馬勇等[8]驗證了車道偏離隨著駕駛分心時長的增加而增大;吳付威等[9]使用車道偏離標準差評估視覺分心對駕駛人車道保持能力的影響;美國國家道路與交通安全管理局規(guī)定車內操作界面的設計應滿足駕駛人單次觀察時長小于2 s;然而有研究表明駕駛人在駕駛過程中使用全觸屏完成調節(jié)收音機、導航等的單次視線離開路面時間超過2 s,嚴重影響駕駛安全[10]。

在對車載HMI的研究中,大多數(shù)研究集中于中控屏布局位置、操作導航、收音機等對車輛各個參數(shù)的影響,采用駕駛模擬器試驗是該領域常見的研究手段。褚英帆等[11]為了獲取車載中控屏的最佳信息布局位置,對不同年齡組的參試者在中控屏不同信息布局位置的視覺績效進行實驗測試。結果可為提高駕駛過程中執(zhí)行次任務時的駕駛安全性提供參考。吳紹斌等[12]基于虛擬駕駛仿真平臺對比了車載信息系統(tǒng)物理按鍵手動交互和觸控屏手動交互對駕駛行為的影響,結果顯示觸控屏手動交互對駕駛分心的影響更大。曾淼[13]通過駕駛模擬器測定物理按鍵式、觸屏式、語音控制式3種車載信息系統(tǒng)在對駕駛安全的影響,結果表明最利于駕駛安全的車載信息系統(tǒng)為物理按鍵式,其次為語音控制式,最不利的是觸屏式。許娜[14]通過模擬駕駛實驗探究3種不同類型的次任務(導航設置/藍牙電話/音樂搜索)對駕駛安全性的影響,結果表明,視觸覺次任務對安全狀態(tài)的影響是漸進的,次任務持續(xù)時間越長,次任務負荷對安全狀態(tài)的影響也越大。

郭柏蒼[15]和龔天洋等[16]以視覺類次任務駕駛對駕駛人的眼球運動狀態(tài)和車身行駛狀態(tài)的影響進行了研究,建立了基于BP(back propagation)神經網絡的次任務駕駛安全性預測模型,并對安全性預測模型的適用性進行了分析。張捷等[17]通過構建模糊綜合分心評價模型橫向對比不同車聯(lián)網信息形式對行車安全的影響,結果表明文字分心相比語音分心需要更多地分配注意力到屏幕上,對接收前方道路信息產生干擾,不能及時調整車輛方向和速度有關,以致對行車安全造成更大威脅。鐘奇等[18]對車載信息系統(tǒng)交互方式(手動和語音)對駕駛行為的影響開展研究,結果表明無論是手動和語音交互,相對于正常駕駛,都會造成車輛縱向和橫向駕駛性能惡化,駕駛負荷增加,但語音交互方式對駕駛性能的影響較小。

總體而言,車載HMI對駕駛安全的影響是目前研究較多的領域,但針對全觸屏交互模式的對比研究整體較少,尤其是橫向對比使用不同人機交互模式對駕駛安全的影響研究較少,為數(shù)不多的研究也集中于駕駛模擬器試驗,對于車企來說,實車試驗數(shù)據更具有參考價值。基于此,現(xiàn)采用實車試驗的方法,通過搭建兩類真實道路駕駛數(shù)據采集平臺,將采集到的真實數(shù)據對兩種交互模式下駕駛人操作空調次任務進行風險分析,為汽車企業(yè)的HMI設計以及涉及視覺分心的駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)提供理論依據和數(shù)據支持。

1 實車試驗

1.1 試驗車型與試驗任務

試驗選擇HMI為物理按鍵的奧迪A4L(2020款)和HMI為全觸屏的比亞迪秦(2018款)兩款車,具備了兩種模式下的HMI界面,如圖1所示。

圖1 交互模式Fig.1 Interactive mode

兩種模式下設計的空調調整任務是相同的,駕駛人從預先設定好的溫度調整至指定溫度值,操作步驟數(shù)量是完全相同的。從圖1可知,全觸屏模式下操作空調為圖1(a)黃色圈住的區(qū)域,操作方式為通過屏幕點擊空調的圖標,之后可通過屏幕左下角加減號來完成調高或調低溫度;物理按鍵的調節(jié)位置為圖1(b)紅色圈住的位置,操作方式為按下去啟動,之后按照左減右加的原則調低或調高溫度。

對兩類試驗車型,分別在40、60、80、100 km/h開展駕駛試驗。在正式試驗開始前,先對駕駛人進行熟悉駕駛過程,隨后在指定道路中完成實車試驗。駕駛人在操作次任務之前由副駕駛將空調溫度設置為統(tǒng)一值,并關閉車機系統(tǒng),副駕駛通過觀察周圍車況保證安全的情況下下達指令,駕駛人待副駕駛下達完指令后再開始操作,整個過程中要求駕駛人不執(zhí)行任務時雙手駕駛,執(zhí)行任務階段保證安全駕駛的前提下盡快完成駕駛次任務,次任務階段駕駛人在車道內處于自由行駛狀態(tài),盡量保持車速穩(wěn)定。為保證試驗數(shù)據不受偶然因素影響,兩種HMI交互在4種車速下每位駕駛人分別完成5次試驗。

1.2 試驗線路

試驗道路共兩段:第一段道路為某城市邊沿主干道,道路為雙向8車道,限速70 km/h,中央綠化帶隔離,道路條件良好且車流量較小,可在該路段完成車速40 km/h 和60 km/h的試驗任務;第二段為某高速公路,道路為雙向8車道,限速120 km/h,道路條件良好基本為平直路段,車流量較小且無貨車流,可在該路段完成車速80 km/h和100 km/h的試驗任務。

1.3 被試駕駛人信息

為了保障試驗安全,以自愿參加方式招募了26名被試開展實車試驗,其中女性駕駛人5名,男性駕駛人21名。所招募的駕駛人均持有C1駕照,駕齡均在6 a以上,每年駕駛里程均在7 500 km以上,具有豐富的駕駛經驗,所有被試身體健康,無影響駕駛安全的疾病,基本信息如表1所示。

表1 駕駛人基本信息Table 1 Basic driver information

1.4 采集參數(shù)與設備

根據參數(shù)表征對象的不同,試驗過程中采集相應的參數(shù)如下。

(1)任務總時長(total task duration,TTD):定義為完成次任務總共花費的時間,具體為操作次任務的開始幀到完成次任務的結束幀所用的時間,其中開始幀可通過視頻判斷是視線先離開道路前方還是手先離開方向盤,以先離開的定為開始幀,同理結束幀以最后回去的那個定為結束幀。以某一次過程為例,各個判定標準如圖2所示。

圖2 駕駛人操作過程Fig.2 Driver operation process

(2)注視切換次數(shù)(number of gaze switching,NGS):定義為駕駛人完成次任務所需的注視切換次數(shù)。

(3)視線離開前方總時間(total time of sight away from the front,TTSF):定義為駕駛人在完成次任務階段,視線離開前方時間之和。

(4)車道位置標準差(standard deviation of the lateral position,SDLP):定義為整個次任務階段每一幀的車道線距離求標準差即可得到SDLP。其中車道線距離的定義為左前輪胎外側到左側車道線內側之間的距離;該指標可用來反應次任務階段車輛橫向位置的變化情況。

通過高清運動相機錄制整個試驗過程,每輛車各裝3個,其安裝位置如圖3所示,相機1用來采集車道線距離的數(shù)據,相機2用來采集駕駛人的眼部數(shù)據,相機3用來采集駕駛人的手部數(shù)據;圖4為某一幀的車道線距離;對視頻圖像進行逐幀分析處理,得到所需要的4個參數(shù)。

圖3 高清運動相機安裝位置Fig.3 HD action camera installation location

圖4 車道線識別Fig.4 Lane line recognition

所有被試在4種車速、2類車型下共采集到1 040組試驗數(shù)據,剔除部分異?；蛘唏{駛人處于干擾狀態(tài)的數(shù)據,共得到1 012組有效數(shù)據。

2 數(shù)據分析

2.1 任務總時長(TTD)

表2是不同模式下駕駛人完成空調調整的任務總時長結果。從表2可知,物理按鍵模式下4種車速對應的任務總時長分布在1.77～9.53 s;全觸屏模式下,任務總時長分布在3.07～11.90 s;對兩種交互模式下的任務總時長進行獨立樣本T檢驗,結果表明兩者存在顯著性差異(p=0.000<0.05),這說明不同交互模式對操作次任務所需的總時長有顯著性影響。

表2 任務總時長結果Table 2 Result of total task duration

圖5是4種車速、2種交互模式下駕駛人完成次任務TTD分布的箱線圖。4種車速下,全觸屏的時間分布窗口要高于物理按鍵,且平均任務總時長要明顯高于物理按鍵,平均任務總時長相比物理按鍵分別增加37.3%、29.7%、37.4%、34.5%,表明,駕駛人完成相同的任務時,全觸屏模式下所需的時間明顯較長。

圖5 任務總時長的分布Fig.5 Distribution of total task duration

從車速變化對TTD的影響來看,物理按鍵模式下平均TTD隨車速的增加呈現(xiàn)一定幅度的下降趨勢,但下降幅度較小,TTD的分布區(qū)間整體保持穩(wěn)定。

這表明,物理按鍵模式下車速對駕駛人完成任務時長的影響較小;全觸屏模式下,隨著車速的增加,TTD分布區(qū)間和平均TTD均呈現(xiàn)一定幅度的下降趨勢,且下降幅度要大于物理按鍵。從操作行為而言,由于物理按鍵模式的操作動作對視覺的需求較小,車速對駕駛人操作行為的影響較小,因此任務總時長保持相對穩(wěn)定,變化較小。

2.2 注視切換次數(shù)(NGS)

表3是不同模式下駕駛人完成任務過程中的注視切換次數(shù)結果。從表3可知,交互模式和車速的不同組合情況下,注視切換次數(shù)分布范圍均為1～6次。兩種交互模式下注視切換次數(shù)的獨立樣本T檢驗結果為存在顯著性差異(p=0.000<0.05),說明交互模式對注視切換次數(shù)有顯著性影響。

表3 注視切換次數(shù)結果Table 3 Result of gaze switching times

圖6是不同車速與交互模式下注視切換次數(shù)的分布圖。車速60 km/h時兩種模式的平均NGS幾乎一致,其余車速下全觸屏的平均NGS要大于物理按鍵,尤其是車速80、100 km/h下,全觸屏的平均NGS要明顯高于物理按鍵,平均NGS相比物理按鍵分別增加23%和19%。

圖6 注視切換次數(shù)分布Fig.6 Distribution of gaze switching times

隨著車速的增加,駕駛人的視線切換次數(shù)有一定上升趨勢。物理按鍵下,駕駛人一次視線切換后就基本確定所需要的信息和物理按鍵位置,并能在不注視空調區(qū)域的情況下繼續(xù)進行空調設置。在全觸屏模式下,駕駛人典型的空調調整過程通常包含兩次注視切換。第一次視線切換到空調設置區(qū)域時駕駛人獲取到當前顯示溫度值以及確定空調在屏幕中的操作位置,然后駕駛人將視線移回道路前方確保行車安全,經過短暫時間后第二次視線切換回來時,駕駛人才開始進行點擊操作。

2.3 視線離開前方總時間(TTSF)

表4是不同模式下駕駛人完成任務的視線離開前方總時間結果。從表4可知,物理按鍵模式下,4種車速對應的TTSF分布范圍從0.47～6.83 s;全觸屏模式下,TTSF分布范圍從1.53～9.73 s;對兩種交互模式下TTSF進行獨立樣本T檢驗,結果表明兩者存在顯著性差異(p=0.000<0.05)。

表4 視線離開前方總時間結果Table 4 Result of total time of sight away from the front

圖7是不同車速與交互模式下駕駛人的視線離開前方總時間分布圖。由圖7可知,全觸屏的TTSF分布區(qū)間要明顯高于物理按鍵,且全觸屏的平均TTSF也明顯高于物理按鍵,4種車速下全觸屏平均TTSF相比物理按鍵分別增加57%、51.4%、48.1%、46.3%,平均增加了50.7%。最高增幅在車速40 km/h,達到了57%。上述結果表明,在完成相同的空調調整任務時,全觸屏模式下駕駛人的視線離開前方總時間要明顯大于物理按鍵模式。

圖7 視線離開前方總時間分布Fig.7 Distribution of total time of sight away from the front

從車速對視線離開前方總時間的影響來看,不論是物理按鍵還是全觸屏,平均TTSF隨車速的增加均呈現(xiàn)一定幅度的下降趨勢。這表明,隨著車速的增加,駕駛人的謹慎程度在不斷提高,這使得駕駛人單次操作更快,最終引起TTSF隨著車速的增加有所減小。

2.4 車道位置標準差(SDLP)

表5是不同模式下駕駛人完成任務過程中的車道位置標準差結果。從表5可知,物理按鍵模式下4種車速對應的SDLP的分布在0.35～40.17 cm;全觸屏交互模式下,SDLP分布在1.10～43.96 cm;對兩種交互模式下的SDLP進行獨立樣本T檢驗,結果表明兩者存在顯著性差異(p=0.000<0.05),這說明不同交互模式對操作次任務過程中SDLP的變化有顯著性影響。

表5 車道位置標準差結果Table 5 Result of standard deviation of lane position

圖8是不同車速與交互模式下的車道位置標準差分布圖。由圖8可知,除車速100 km/h全觸屏組合下的SDLP分布范圍相對分散外,其余的SDLP分布均比較集中。

圖8 車道位置標準差分布Fig.8 Distribution of standard deviation of lateral position

相同車速下的獨立樣本T檢驗結果表明,4種車速下不同交互模式均有顯著性差異(p40=0.014<0.05、p60=0.008<0.05、p80=0.005<0.05、p100=0.000<0.05)。全觸屏模式下的車道位置標準差要高于物理按鍵模式,且全觸屏的平均SDLP要明顯高于物理按鍵,相比物理按鍵分別增加31%、29.5%、29.2%、61.5%,平均增加37.8%,尤其在車速100 km/h,增幅最高達到了61.5%。

從車速對車道位置標準差的影響來看,隨著車速的增加,兩種交互模式下的SDLP均呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢,且全觸屏模式下的增加幅度更加明顯。

這表明,無論是物理按鍵還是全觸屏模式,當駕駛人進行空調調整時,車速越高則車輛的橫向運行穩(wěn)定性越差。

前文分析中表明,全觸屏模式下駕駛人的視線離開前方總時間要明顯高于物理按鍵模式,而車輛偏離的趨勢隨著視線離開前方時間的增加而增大,所以駕駛人需要對車輛進行更多的橫向調整,這引起車道位置標準差明顯增加。由此可知,相比于物理按鍵模式,駕駛人利用全觸屏進行空調調整時車輛的車道保持能力更差,這引起車輛橫向位置波動頻繁,車輛橫向穩(wěn)定性更差。

2.5 交互模式差異性致因分析

從不同交互模式對駕駛操作行為的影響來看,全觸屏模式下的任務總時長、注視切換次數(shù)以及視線離開前方總時間的平均值相比物理按鍵分別增加34.7%、13%、50.7%,對不同交互模式下的操作行為進行分析可知,全觸屏模式下存在空調調整區(qū)域面積較小,駕駛人點擊時需要特別注意,否則容易點不中、觸控沒有反饋以及有時車機系統(tǒng)響應慢等問題導致上述3個指標偏大。

與全觸屏不同的是,物理按鍵所對應的功能是確定的,駕駛人在熟悉車輛的前提下,能很快找到對應位置并對其進行操作,并且物理按鍵是帶有反饋的,每操作一下就代表完成了一步,駕駛人是十分清楚自己是否操作上,甚至對車輛熟悉的駕駛人在駕駛過程中找到其位置之后可以進行盲操,盲操階段駕駛人視線一直在前方,安全性得到了一定程度的提升;本文實車試驗統(tǒng)計分析結果與曾淼[13]的駕駛模擬器試驗雖然指標選取方面不相同,但兩者結果有相似規(guī)律,即物理按鍵相比全觸屏駕駛安全性要高。

從交互模式對車道位置標準差的影響來看,全觸屏模式下的平均車道位置標準差相比物理按鍵增加37.8%,原因在于全觸屏相比物理按鍵需要更多的視線離開前方時間,而車輛偏離的趨勢隨著視線離開前方時間的增加而增大[8-9],導致全觸屏相比物理按鍵在行車過程中操作次任務所帶來車輛橫向位置波動更大,帶來較差的車道保持能力和較高的橫向碰撞風險。

3 結論

(1)通過對兩種交互模式的人機交互數(shù)據進行分析,確定了交互模式對駕駛人視覺行為和車輛運動狀態(tài)的影響特性。

(2)在相同車速和相同任務情況下,全觸屏模式下的任務總時長、視線離開前方總時間和車道位置標準差要明顯高于物理按鍵模式。兩種交互模式下,任務總時長和視線離開前方總時間的平均值均隨著車速的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢,而車道位置標準差的平均值均隨著車速的增加而增大?？傮w而言,全觸屏模式增加了駕駛人的視覺負荷,對于駕駛風險帶來了一定的不利影響。