并发任务对驾驶员驾驶行为的影响

胡 夫，孙 健，黄一哲，周 岱

（1.广东台山沿海高速公路有限公司，广东 台山 529231；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 交通研究中心，上海 200240；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 土木工程系，上海 200240）

并发任务对驾驶员驾驶行为的影响

胡 夫1，孙 健2，黄一哲2，周 岱3

（1.广东台山沿海高速公路有限公司，广东 台山 529231；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 交通研究中心，上海 200240；3.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 土木工程系，上海 200240）

驾驶过程中使用手机、收听音乐等并发任务会对驾驶员驾驶行为产生不同程度的影响，进而给周围道路环境、车辆以及行人造成安全威胁。为了系统探析不同并发任务模式对驾驶员驾驶行为的影响程度，以四种典型并发任务模式（手机使用、乘客互动、视频播放、音频播放）为研究对象，引入主成分分析法，构建面向驾驶员行为表现的综合评价体系。同时，以国外学者针对不同并发任务进行模拟实验所用的原始数据作为数据来源，对四种并发任务对于驾驶员行为的不同影响进行了评价。结果表明，使用手机对于驾驶员的驾驶行为影响最大，与乘客互动次之；视觉上注意力的分散相对于认知上注意力的分散更容易对驾驶员的驾驶能力产生负面影响。

并发任务；注意力分散；驾驶员行为；主成分分析法；综合评价体系

0 引言

驾驶员行为对城市交通系统的安全性和可靠性有着重要影响。随着科技的迅猛发展，各类设备（如手机、迷你电视、CD播放器及其他）在驾驶中同时被频繁使用，增加了驾驶员注意力分散的可能性，严重威胁了公共安全。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）报告显示，2005—2009年有27 537起交通意外事故因驾驶员注意力分散所致[1]，约占交通事故总数的1/4。因而，开展多项并发任务对驾驶员行为特别是行车安全影响的研究显得非常必要。

国外针对并发任务对交通驾驶员反应能力、控制表现影响的相关研究较为成熟。最早的相关研究可追溯到1969年Brown I.D.等[2]评估驾驶员处于压力下的反应速度，得出“一定程度的外界干扰会增加驾驶员处理并发状况的需求，从而影响驾驶员行为”的结论。之后，Goodman等[3]采用综合评估法研究了车内手机使用对于具体驾驶行为表现的影响；Horberry T.等[4]进一步研究发现复杂环境更容易导致驾驶员注意力分散；Charlton S. G.[5]通过模拟器模拟多种紧急情形（如山石滑坡、行人过街、警示信号等），得出使用手机交谈会对驾驶员行为产生严重负面影响的结论；Feaganes J.等与Stutts J.等[6-7]通过对不同并发任务模式所带来的注意力分散程度进行比较排序，得知来自车辆外界的行人、物体、车辆会分散驾驶员29.4%的注意力，调整车内娱乐设施会分散11.4%；Smiley A.等[8]研究发现即使对于熟练的驾驶员，车内视听娱乐系统也会对其驾驶行为如车道保持、刹车反应时间等有一定程度的影响；Birdsall M.S.[9]研究发现道路环境所带来的注意力影响同样重要，其中广告牌是分散注意力的主要来源之一。

相对于国外丰富多样的研究，国内对于并发任务对交通驾驶员行为影响的研究尚处于起步阶段。2010年，李平凡等[10]从心理认知学等角度就手机使用对于人脑负荷的影响进行了研究；刘畅等[11]构建了以使用手机为前提的驾驶可靠度模型；白玉等[12]从驾驶时使用手机的原因入手，综述了手机使用对驾驶员行为的影响；李宏汀等[13]分析了手机对于驾驶员分心的心理学机理。相对于国外，国内相关研究方法系统性欠佳，主要研究的并发任务聚焦在手机使用方面。

综合国内外研究现状来看，多数研究基于模拟实验得到数据，通过显著性检验等统计方法进行比较分析，对于不同并发任务模式下驾驶员行为的差异有着较为深入的研究。其中，手机使用是研究热点，无论是其对任务本身的影响程度，还是其在驾驶员个体中存在的差异等方面的研究都取得了较多成果。然而，有关并发任务的研究仍存在以下问题：①除手机使用外，就其他并发任务模式对于城市交通驾驶员行为的影响缺少全面的定量研究；②在衡量驾驶员综合驾驶行为能力表现时，尚未有标准化的、综合性的评价系统加以统一比较；③多数研究侧重于分析某种特定并发任务模式以及在该模式下驾驶员行为的表现，综合比较不同并发任务模式对驾驶员具体行为影响的研究较少。

针对以上问题，本文将从建立综合评价体系入手，选取代表驾驶员驾驶行为能力的具体指标，引入系统性方法对各分指标加以筛选并形成标准化体系；同时在此基础上，运用该评价指标体系，量化、比较多种并发任务模式对驾驶员整体驾驶行为的影响。

1 并发任务模式及其典型模式

并发任务的发生将占用驾驶员脑部资源并分散驾驶的注意力，影响驾驶员处理信息和进行行为决策的过程与结果。常见的注意力分散来源主要有视觉注意力分散、动作注意力分散以及认知注意力分散，其中视觉注意力分散指当驾驶员受到外界信息的干扰，而将视线移开路面去关注或处理与驾驶无关的其他视觉信息；动作注意力分散指驾驶员因受外界信息干扰，将手移开方向盘或汽车控制装置而去操控其他与驾驶无关的设备；当用于维持车辆安全操控的注意力因被其他信息干扰而减少时，驾驶员便会产生认知注意力分散。这三种类型的注意力分散来源既可单独作用于驾驶员信息处理的过程，亦可两两或三者同时作用共同产生影响。

常见并发任务模式可按注意力分散来源的不同来分类，如表1所示[14]。其中，V（Visual）指视觉注意力分散；C（Cognitive）指认知注意力分散；P（Physical）指动作注意力分散。

表1 按注意力分散来源分类的七类常见并发任务模式[14]

从研究实用性角度出发，需从各类并发任务模式中进一步筛选出典型情景进行深入分析。本文采用交通事故贡献率作为筛选并发任务的重要指标，它可反映注意力分散的程度。Young K.L.[14]统计了由注意力分散现象所导致事故中较为常见的并发任务模式的交通事故贡献率，如表2所示。

表2 常见并发任务模式与相应事故贡献率[14]

根据表2数据，本文选取与乘客互动交谈、手机对话、收听或调节收音机或音乐、观看或调节视频设备这四种具有较高事故贡献率的并发任务作为典型并发任务情景加以探讨。

2 评价模型的建立

为系统分析典型并发任务模式下驾驶员的综合行为表现，运用层次分析法确定相关评价指标体系，并构建以主成分分析法为基础的评价模型。

2.1 评价指标体系的确定

为系统评价驾驶员驾驶任务完成的良好程度，依照参考文献[14]针对驾驶能力的调查分析结果，可从驾驶行为表现的四类指标（即违规现象、车辆操纵、注意疏忽和应急反应）着手。其中，违规现象指驾驶员在驾驶过程中产生的违反交通法规的现象；车辆操纵指从车辆本身行驶状况的角度，考评驾驶员对车辆的操纵和控制能力；注意疏忽指驾驶员受到并发任务影响产生注意力转移的现象；应急反应主要测量驾驶员在紧急情况下的反应时间，如刹车、绿灯起步时间等。根据以上分类，初步确定驾驶员行为能力表现的综合评价指标体系，如表3所示。

表3 驾驶员行为表现综合评价指标体系

由于表3中分指标过于繁琐，需要对其进行进一步筛选。针对第一类“违规现象”指标，本文仅统计驾驶员在不同并发任务模式下的总违规次数，而不分类统计具体违规次数；对于第二类“车辆操纵”指标，选取平均速率、速率方差和车道位置方差三个分指标，剔除车道位置分指标；对于第三类“注意疏忽”和第四类“应急反应”，因各项分指标所代表的驾驶员行为能力不能互相替代，因此全部保留。筛选后得到的驾驶员行为表现综合评价指标体系如表4所示，可为下一步数据采集提供指导。

表4 筛选后的驾驶员行为表现综合评价指标体系

2.2 数据获取及其标准化

本文采用Strayer D.L.,Beede K.E.以及Cooper J.M.[15-17]等人于2003—2012年针对不同并发任务进行模拟实验的原始数据作为数据来源开展研究。考虑到各模拟实验的差异性，需对数据进行预处理，将原始数据无量纲化、标准化和统一化。选取原模拟实验中不同分指标对应的实验组（有并发任务作用）数值和控制组（无并发任务作用）数值，定义新分指标数据为二者比值，即：

根据式（1）对实验数据进行标准化处理，得到如表5所示的统一化数据。

表5 典型并发任务模式下不同分指标统一化数据表

表5中，当统一化数值大于1时，表示并发任务对分指标代表的相应驾驶员行为表现起到反作用；当统一化数值小于1时，表示并发任务对分指标起到正向作用。

2.3 主成分分析评价模型的建立

首先计算相关系数矩阵，在此基础上计算各特征值以及各主成分的方差贡献率和累计方差贡献率，结果如表6所示。前两大主成分的累计方差贡献率为86.765%，大于85%的主成分提取标准，故提取第一主成分Z1和第二主成分Z2作为新的子指标来评价驾驶员综合行为表现。

表6 主成分特征值、方差贡献率及累计方差贡献率

根据各主成分的载荷，可得主成分与随机变量的线性关系如下：

式中：Z1为第一主成分；Z2为第二主成分；x1, x2,…,x9为不同类型的分指标。

根据累计方差贡献率，可得两个主成分对应的随机变量的系数，即相应的主成分载荷。Z1和Z2的方差贡献率分别为48.796%和37.968%，两者累计方差贡献率为86.765%。将两个主成分的权重进行标准化处理，得到综合主成分Z的表达式：

将式（2）、式（3）代入式（4），得到Z的最终表达式如下：

综合计算结果，第一主成分Z1、第二主成分Z2和综合主成分Z的载荷如表7所示。

表7 主成分载荷阵及结果

可根据不同并发任务下各随机变量xi的值计算综合主成分Z的得分，并以此评价驾驶员综合驾驶行为能力。

3 模型计算结果分析

由表7可得，影响第一主成分得分的主要因素为平均速率、刹车反应时间和起步反应时间，三者对应的主成分载荷分别为-0.223，0.228和0.226，可推断第一主成分主要反映驾驶员的应急反应能力。影响第二主成分得分的主要因素为总违规次数、车道位置方差、视线转移时间比以及手脱离方向盘时间，四者对应的主成分荷载分别为0.288，0.280，-0.286和-0.288。第二主成分与注意疏忽类和违规现象类指标联系最大，而注意力上的疏忽往往会进一步导致违规现象的增加和车辆位置的波动变化，可推断第二主成分所代表的是驾驶员注意力集中与否的整体表现。

将四种典型并发任务的标准化随机变量xi的值带入式（2）、式（3）和式（5）中，得到四种典型并发任务模式下驾驶员行为的第一主成分Z1、第二主成分Z2和综合主成分Z的得分及排名情况，如表8所示。

模型评分结果越高，表示驾驶员操纵和调控导致的车辆行驶状况变动越大，驾驶员在该模式下的综合行为表现越差。由表8可得，使用手机这一并发任务模式的综合主成分得分最高，随后依次为与乘客互动、播放视频以及播放音频。该结果反映出在四种典型并发任务中，使用手机对驾驶员的驾驶行为产生的影响最大，其次是与乘客互动，两种情况下驾驶员综合表现得分均为正，这说明驾驶过程中使用手机以及与乘客互动给驾驶员驾驶行为带来的负面影响较大。播放视频和播放音频两种并发任务模式下，驾驶员综合表现得分为负值，说明在驾驶过程中从事这两种并发任务时，驾驶员综合行为表现受到的影响较小，对车辆的综合控制能力较优。其中，视频对驾驶员产生的影响程度大于音频，播放视频时驾驶员受到视觉上和动作上两种注意力分散来源的作用；播放音频时受到认知上和动作上两种来源的影响。综合分析可知，认知上的注意力分散不及视觉上的注意力分散对驾驶员影响程度大。

根据第一主成分得分结果，驾驶员使用手机模式得分最高，说明驾驶员在使用手机时应急反应能力在上述典型并发任务中下降最多，反应时间最长，速率变动也最大；而其他三种模式对于驾驶员这一能力的影响较小。根据第二主成分得分结果，驾驶员与乘客互动模式下得分最高，说明驾驶员在与乘客互动交流时，更容易产生注意力分散，引发更多的违规驾驶行为，行车稳定性较差。

4 结论

本文以四种典型并发任务模式（手机使用、乘客互动、播放视频、播放音频）为研究对象，引入主成分分析法，构建了面向驾驶员行为表现的综合评价体系，并以国外学者针对不同并发任务进行模拟实验所用的原始数据作为数据来源，就四种并发任务对于驾驶员驾驶行为的影响进行了评价，得出如下结论。

（1）手机使用对于城市交通驾驶员综合行为表现的影响最大，且主要影响驾驶员的应急反应能力。交通法规中应进一步加强对驾驶员使用手机的限制，例如严禁、禁止或者减少驾驶员在驾驶过程中对手机的使用，以保障驾驶员及车内乘客和车外环境的安全。

（2）与车内乘客的互动交流对驾驶员综合行为能力的影响仅次于手机使用。进行该项并发任务，驾驶员同时产生视觉上、认知上和动作上三方面的注意力分散，使其及时处理各方信息和行为决策的效率降低。所以，在后续驾驶相关法律法规的完善工作中，应控制驾驶员主动与乘客互动的行为，并在相关宣传上引导车内乘客减少与驾驶员互动，从双向减少该并发任务发生的可能。

（3）视觉上的注意力分散与认知上的注意力分散相比，更易对驾驶员驾驶能力产生负面影响，故应通过立法立规和强化执法，减少驾驶员视觉上注意力的分散，如减少驾驶过程中的视频播放等。

需要说明的是，本文仅筛选了四种典型并发任务模式进行讨论，且缺少相关实证实验，无法消除不同实验数据来源的偏差。下一步将扩大研究范围，进一步考虑驾驶员个体差异、路面状况以及外部环境对驾驶员行为表现的影响，同时设计相关实验加以验证。

[1] United States National Highway Traffic Safety Administra-tion.Traffic Safety Facts:Distracted Driving 2010[EB/OL]. (2012-09-01)[2015-04-15].http://www-nrd.nhtsa.dot.gov/ Pubs/811650.pdf.

[2] BROWN I D,TICKNER A H,SIMMONDS D C.Interference Between Concurrent Tasks of Driving and Telephoning [J].Journal of Applied Psychology,1969,53(5):419-424.

[3] United States National Highway Traffic Safety Administration.An Investigation of the Safety Implications of Wireless Communications in Vehicles[EB/OL].(1997-11-29)[2015-12-19].http://www.nhtsa.gov/people/injury/research/wireless.

[4] HORBERRY T,ANDERSON J,REGAN M A,et al.Driver Distraction:the Effects of Concurrent in-Vehicle Tasks,Road Environment Complexity and Age on Driving Performance [J].Accident Analysis&Prevention,2006,38(1):185-191.

[5] CHARLTON S G.Driving While Conversing:Cell Phones that Distract and Passengers Who React[J].Accident Analysis&Prevention,2009,41(1):160-173.

[6] FEAGANES J,RODGMAN E,HAMLETT C,et al.Distractions in Everyday Driving[R].Washington,D.C.:AAA Foundation for Traffic Safety,2003.

[7] STUTTS J,FEAGANES J,REINFURT D,et al.Driver′s Exposure to Distractions in Their Natural Driving Environment [J].Accident Analysis&Prevention,2005,37(6):1093-1101.

[8] SMILEY A,SMAHEL T,DONDERI D C,et al.The Effects of Cellphone and CD Use on Novice and Experienced Driver Performance[M].Victoria:ARRB Group Limited,2007.

[9] BIRDSALL M S.The Debate Over Digital Billboards:Can New Technology Inform Drivers Without Distracting Them? [J].ITE Journal,2008,78(4):22-27.

[10]李平凡，王殿海，刘东波，等.驾驶中拨打手机对驾驶人脑力负荷及驾驶行为的影响分析[J].交通信息与安全，2010，28（4）：103-107.

[11]刘畅，丁荣，赵琼.基于驾驶模拟器的使用手机对车辆驾驶可靠度的影响[J].公路交通科技，2011（S1）：129-135.

[12]白玉，何熊，龙力.手机使用对驾驶员行为影响研究综述[J].交通信息与安全，2013，31（3）：29-31.

[13]李宏汀，刘彦宇，李文书.驾驶中使用手机对驾驶员行为安全绩效影响综述[J].中国安全科学学报，2013，23（1）：16-21.

[14]YOUNG K L,SALMON P M.Examining the Relationship Between Driver Distraction and Driving Errors:A Discussion of Theory,Studies and Methods[J].Safety Science, 2012,50(2):165-174.

[15]STRAYER D L,DREWS F A,CROUCH D J.A Comparison of the Cell Phone Driver and the Drunk Driver[J].Human Factors:The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society,2006,48(2):381-391.

[16]BEEDE K E,KASS S J.Engrossed in Conversation:The Impact of Cell Phones on Simulated Driving Performance[J]. Accident Analysis&Prevention,2006,38(2):415-421.

[17]COOPER J M,STRAYER D L.Effects of Simulator Practice and Real-World Experience on Cell-Phone-Related Driver Distraction[J].Human Factors:The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society,2008,50(6):893-902.

Influence of Concurrent Task on Road Driver′s Behavior

HU Fu1,SUN Jian2,HUANG Yi-zhe2,ZHOU Dai3
(1.Guangdong Taishan Coastal Expressway Co.,Ltd.,Taishan 529231,China;2.Transportation Research Center, School of Naval Architecture,Ocean&Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China;3.Department of Civil Engineering,School of Naval Architecture,Ocean&Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Driving accompanied by concurrent tasks,such as using cell phone,listening music,etc., tends to bring threatens to the safety of road,vehicle and pedestrian.In order to evaluate the impact of various concurrent tasks on driver′s behavior,four typical ones which were using cell phone,passenger interaction,playing video and playing audio were selected as cases,and the principal component analysis was used to build a driver′s behavior oriented comprehensive evaluation system.Experimental data from previous studies were obtained to evaluate the impact of the four concurrent tasks.The results indicate that using cell phone has the greatest impact on driver′s behavior,followed by passenger interaction.Compared to cognitive distraction,visual distraction is more likely to weaken the driver′s ability.

concurrent task;distraction;driving behavior;principal component analysis;comprehensive evaluation system

U491.1

A

2095-9931（2015）06-0045-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.06.008

2015-12-16

国家自然科学基金项目（71101109）；教育部人文社会科学基金项目（15YJCZH148）

胡夫（1968—），男，吉林长春人，工程师，主要从事交通运输公路管理工作。E-mail：danielsun@sjtu.edu.cm。