基于驾驶人分心影响程度的驾驶分心任务评级＊

马 勇 付 锐，2▲ 袁 钰 周晓桐

（1.长安大学汽车学院 西安 710064；2.长安大学汽车运输安全保障技术交通行业重点实验室 西安 710064）

0 引言

根据国际标准化组织（ISO）的定义，驾驶分心（driving distraction）是指注意力指向与正常驾驶不相关的活动，从而导致驾驶操作能力下降的1种现象［1］。因驾驶人视线偏离或分心产生的注意力不集中是引发交通事故的常见且重要原因［2］，这一诱因在车辆追尾事故中表现尤为显著。根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的对百辆车自然驾驶行为的长期实车观测试验，近80%的碰撞和65%的临近碰撞都与驾驶分心有关［3］。针对上述问题，自20世纪80年代以来，许多研究人员都对驾驶分心进行了研究［4－7］。现有研究主要集中于驾驶分心检测方法的探究，以及某种单一分心任务对驾驶安全的影响。其中，常用的驾驶分心检测方法包括眼动测量和视觉遮挡（VOT）等直接测量法，以及外周视觉检测任务（PDT）等间接测量法［8］。

使用手机是最常研究的1种分心任务，而在真实的驾驶过程中，除了使用手机，还可能发生许多其他的分心任务。根据分心来源一般可将驾驶分心分为3 大类：视觉分心（如查看汽车导航信息）、操作动作分心（如调节车载收音机、CD 等）和认知分心（如思考和回忆问题等）［9］。通常认为，视觉分心和认知分心是造成交通事故的主要原因［10］。Yekhshatyan［11］的分析指出，认知分心通常与声音系统、数学计算或者接免提电话有关，并使驾驶人对危险反应变得迟缓。驾驶人视线离开前方道路的时间少于2s时一般不会增加事故风险，而超过2s时风险则会加 倍［3，11］。Kaber等［12］采用仿真试验模拟使用导航时产生的视觉分心、认知分心和复合分心，并分别评估每1类分心在制动、加速和超车时对驾驶人反应能力产生的影响，认为复合分心对驾驶人要求最高，视觉分心和认知分心也都增加了驾驶人的工作负荷，对车辆的控制和驾驶人的注视行为产生了不同程度的影响。

综上所述，目前对分心的检测方法及某种单一分心任务对驾驶安全的影响虽然已有较多研究，但无论是实车道路试验还是驾驶模拟器仿真试验，都是直接使用不同类型的分心任务，对同一类型的分心任务，往往直接通过施加时间来区分任务的影响程度。然而不同类型的分心任务对驾驶人反应能力及操作能力的影响是否存在程度上的差异，是否能对其进行一定的评级，分心任务施加时间对分心程度的影响如何，相关研究都很少。因此，笔者设计了3种不同的分心任务，以模拟几种常见的分心任务，并根据不同复杂度条件下各种分心任务对驾驶人的影响程度对分心任务进行量化的评级，以期为今后的试验研究提供方便、准确地施加精确量化的分心任务奠定基础。

1 试验方案设计

1.1 试验设备及测试原理

反应时间是指从刺激呈现到做出反应之间所经历的时间，它是评价人类活动的1 个重要变量［13］。本试验根据驾驶适宜性原理，采用选择反应测试仪（见图1），检测驾驶人行车过程中在不分心和各种分心的状态下，对于突发信息和相互重叠的信号是否能够迅速做出反应，并进行准确无误的处理。同时将反应时间和操作准确度作为考察驾驶人反应速度、准确性及其机敏性的测量指标。

图1 选择反应判断检测仪Fig.1 Choice and reaction judgment detection module

选择反应测试仪的硬件：红、绿、蓝3种刺激信号在5cm 处的照度分别为110，230和60lx；蜂鸣器的声强在1.5 m 处为40dB；反应时间以1／1 000s计，最长可读取到9.99s。软件部分可以通过USB接口将反应时间和操作准确度的数据传输到PC机内的串口调试器软件。

选择反应测试仪即采用计算机控制红、绿、蓝3种颜色刺激信号和蜂鸣器，使其随机出现，并要求被试者针对不同刺激分别做出左手按键、右手按键和右脚踩踏板等相应的反应。在进行分析时，上述操作任务被称为主任务。

1.2 被试驾驶人

选取21名非职业驾驶人参与试验，但只有13人完整参与了包括视觉分心、认知分心和复合分心在内的3 种分心试验。13 人中，男性7 名，女性6名，年龄为23～29岁，驾龄为0.5～5年。试验过程中保持环境安静，避免驾驶人受其他因素影响导致试验结果不准确。

1.3 试验方法

笔者将无分心状态作为对照，在驾驶人操作选择反应测试仪的主任务基础上，设计了3种分心试验作为分心次任务，包括视觉分心、认知分心和复合分心。视觉分心采取视线遮挡法，遮挡时间用1s和3s作为复杂度区分，由试验员提示被试驾驶人闭眼以实现视线偏离。认知分心采用交谈、回忆和计算作为3种复杂度渐增的分心任务：交谈时，由试验员以交谈形式询问被试者各种问题；回忆信息时，试验员在试验开始前给予被试者一些电话号码和词语信息，要求被试者尽量记忆，并在试验开始后提醒被试者回忆；数学计算时，由试验员持续向被试者口述100 以内加减法计算题。复合分心采用视觉分心3s时的进行数学计算作为分心任务。3种分心次任务及其复杂度的设计见表1。试验中，被试在每种分心次任务中完成主任务操作的反应时间及操作准确度均由软件自动记录。

表1 3种分心次任务及其复杂度Tab.1 Three distraction tasks and the complex rates

2 试验结果与分析

2.1 反应时间

将13名被试者的反应时间数据按照7种分心任务进行统计，结果见表2。

表2 不同分心任务下被试者反应时间统计结果Tab.2 Driver’reaction time in different distraction tasks

通过分析数据发现，相比于无分心状态，其他6种分心任务的平均反应时间都有不同程度的增加，由表2不难看出，对驾驶人的操作反应能力影响最大的复合分心，其次是复杂条件下的认知分心和复杂条件下的视觉分心。

使用SPSS拟合工具对数据进行拟合，得出式（1）～（7）及图2，分别为各自条件下反应时间的概率密度函数及频率分布图。

由图2（a）可知，无分心时，被试驾驶人的平均反应时间较短，在0.44～0.8s的范围内分布不均匀，80%左右的平均反应时间分布在0.5～0.7s的范围内。

由图2（b）可知，视觉分心1s时，被试驾驶人的平均反应时间略有增加，不均匀的分布在0.53～0.93s的范围内，被试驾驶人的平均反应时间在0.8s左右的概率最大。由图2（c）可知，视觉分心3s时，被试驾驶人的平均反应时间有明显增加，不均匀地分布在0.83～1.25s的范围内，被试驾驶人的平均反应时间在0.96s左右的概率最大。

由图2（d）可知，交谈时被试驾驶人的平均反应时间与无分心相比略有增加，不均匀的分布在0.5～0.98s的范围内，且在0.7s左右概率最大。由图2（e）可知，回忆时被试驾驶人的平均反应时间比较长，不均匀的分布在0.67～1.20s的范围内，在0.87s左右概率最大。由图2（f）可知，计算时被试驾驶人的平均反应时间分布在0.70～1.54s之间，较前几种分心方式相比，平均反应时间明显增加且在1.02s左右的概率最大。由图2（g）可知，复合分心时，被试驾驶人的平均反应时间分布在0.96～1.49s之间，平均反应时间最长，且在1.26s左右的概率最大。

图2 不同分心任务时的反应时间频率分布Fig.2 Reaction time frequency distributions under different distraction tasks

对比各种试验条件下的数据发现，随着分心任务难度的增大，被试驾驶人平均反应时间的均值与方差都逐渐增大：均值体现了该状态下被试驾驶人反应时间的平均水平；方差体现了数据的离散程度，方差越大则该状态下被试驾驶人反应时间的变化越大。在无分心的情况下，被试驾驶人的平均反应时间的方差最小，即此时被试驾驶人对紧急情况的处理能力是相近的；而复合分心时平均反应时间的方差最大，即在该状态下被试驾驶人的平均反应时间波动最大，说明在难度较大的分心任务中，驾驶人对出现紧急情况时的反应差别较大。

2.2 操作错误次数

除了反应时间，本试验统计了7种分心任务条件下的操作错误次数，并将其作为评价分心任务对安全驾驶影响的另一项指标，统计得出的错误反应次数见表3。

表3 7种分心任务下操作错误次数Tab.3 Operation error counts under different distraction tasks

由表3可知，无分心时，被试驾驶人的操作错误次数最少；交谈与视觉分心1s时的操作错误次数有少量的增加；回忆时，操作错误次数较明显增加；视觉分心3s和计算时，操作错误次数较多，而复合分心时被试驾驶人的操作错误次数最多。综上所述，随着分心难度的增大，被试驾驶人受到的影响越大，更容易出现判断错误，操作错误次数明显增加，操作正确度有所下降。

2.3 显著性检验

通过以上描述性统计，不难看出视觉分心1s和交谈时的平均反应时间最短，错误次数最少；回忆时的平均反应时间略有增加，同时操作错误次数增多；而视觉分心3s和计算都使得被试驾驶人的反应时间和操作错误次数明显增加；被试驾驶人在复合分心时的反应时间最长，操作错误次数最多。为了验证上述结果，需引入显著性检验，以说明分心任务对反应时间是否存在影响，且该影响是否存在显著差异，结果见表4。

表4 7种试验条件下反应时间的显著性分析Tab.4 Difference analysis for reaction time under different distraction tasks

表4 对7 组数据进行了F检验，得到P＜0.05，因此在7种不同的试验条件下，被试驾驶人的平均反应时间之间存在差异，且这种差异非常显著。

下面对7种试验条件下的平均反应时间进行两两比较，分析不同分心任务时对被试驾驶人的影响是否有显著性差异，从而将其作为分心任务评级的理论基础。

第一步，将无分心与其他6种分心状态的差异性比较，由表5可知，视觉分心1s和交谈与无分心相比较，P＞0.05，则被试驾驶人的平均反应时间之间并没有显著的差异，因此视觉分心1s和交谈并没有对被试驾驶人产生明显的影响，可认为这2种分心对被试驾驶人产生了同等的影响，可归为一类。视觉分心3s、回忆、计算以及复合分心与无分心相比较时，P＜0.05，说明这4种分心任务都对被试驾驶人产生了明显的影响，需要再进行差异性比较。

表5 无分心与其他形式分心的反应时间差异性检验结果Tab.5 Difference analysis results for reaction time with and without distraction tasks

第二步，对视觉分心3s、回忆、计算以及复合分心4种分心进行比较。表6为视觉分心3s与另外3中分心的差异性比较，由表6可知，计算与视觉分心3s相比较时，P＞0.05，则被试驾驶人的平均反应时间之间没有显著的差异，因此可认为视觉分心3s和计算对被试驾驶人产生了同等的影响，可归为一类。回忆、复合分心与视觉分心3s相比较时，P＜0.05，则认为被试驾驶人的平均反应时间之间存在较为显著的差异，需要对回忆和复合分心进行进一步差异性比较。

表6 视觉分心3s与回忆、计算和复合分心的差异性检验结果Tab.6 Difference analysis results for reaction time between 3－second visual distraction and recalling，calculating，and compound distraction

第三步，对回忆和复合分心进行差异性比较，如表7所示，P＜0.05，则认为回忆与复合分心两两相比较时，被试驾驶人的平均反应时间存在显著差异。

表7 回忆与复合分心的差异性检验结果Tab.7 Difference analysis results for reaction time between recalling and compound distraction

综上，视觉分心1s和交谈对驾驶操作具有同等程度的影响，视觉分心3s和计算具有同等程度的影响，而无分心、回忆和复合分心分别与其他类型的分心都具有显著差异。结合图2中7种分心任务条件下的平均反应时间，可将该7种分心任务按照对驾驶人的影响程度由小至大分为5个等级，即无分心、视觉分心1s／交谈、回忆、视觉分心3s／计算、复合分心，见表8。

表8 7种分心任务的评级Tab.8 Rating for the different distraction tasks

3 结束语

被试驾驶人注意力不集中和视线偏离对驾驶操作会产生不同程度的影响。复合分心对驾驶人的影响最大；进行数学计算会使驾驶人在发生紧急状况时反应时间超过1s，与视觉分心3s一样对驾驶人影响较大；回忆信息对驾驶人的影响比较明显；视觉分心1s和交谈对驾驶人产生的影响较小。

通过平均反应时间及显著性差异表分析了不同分心状态对被试驾驶人的影响程度，并将分心任务按照影响程度递增划分为如表8所示的5级。在后续施加分心任务的模拟器驾驶和实车驾驶试验中，可以依照这样的5级划分对驾驶人施加不同程度的分心任务，例如，可将一般的交谈与视觉分心1s视为同等程度的分心任务，将一般的计算任务与视觉分心3s视为同等程度的分心任务。

笔者试验是在室内进行的模拟操作试验，未考虑车速的影响，对分心任务的程度划分也不够细致，后续可以将笔者研究结果在驾驶模拟器试验和实车道路试验中做进一步验证和细致的分析，并就不同车速时的分心任务影响进行探讨。

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