新型全触屏人机交互模式对驾驶风险的影响特性

王畅, 张岩, 赵晨, 马万良

(长安大学汽车学院, 西安 710061)

全触屏人机界面(human-machine interaction,HMI)已成为车辆领域人机交互的主流趋势,这种设计模式迎合了驾驶人对车辆科技感的需求。从外在表现形式而言,驾驶人利用全触屏HMI执行次任务的过程类似于操作一台平板电脑,这是一种全新的人机交互模式,彻底颠覆了传统HMI依靠按键、旋钮的交互模式。

在全触屏HMI模式下,常见的人机交互任务全部依靠触屏点击来完成,如空调调整、雨刮调整等。驾驶过程中操作全触屏会占用驾驶人视觉通道,由视觉分心所造成的交通安全问题日益显现[1],有研究指出,将近80%的交通事故是由于驾驶分心引起的,包括视觉分心、认知分心和操作分心等,且驾驶人在视觉分心状态下的事故风险相比正常驾驶时增加了将近3倍[2-4]。

驾驶过程中使用全触屏调节车内温度是对驾驶技能有较高要求的操作,当操作全触屏由于触控没有反馈、车机响应慢以及空调在全触屏操作空间小极易操作失误等都会占用驾驶人较多的视线时间,而视线离开前方超过一定时长会影响驾驶人的环境感知能力,严重影响驾驶安全[5]。高岩等[6]分析了驾驶次任务难度对接管行为的研究,发现驾驶次任务涉及的分心形式越复杂,接管过程安全性越差;王畅等[7]分析了实车道路试验中驾驶人视线离开前方期间车辆的运行状态,发现车辆偏离车道中心线的趋势随着视线离开前方时间的增加而增大,马勇等[8]验证了车道偏离随着驾驶分心时长的增加而增大;吴付威等[9]使用车道偏离标准差评估视觉分心对驾驶人车道保持能力的影响;美国国家道路与交通安全管理局规定车内操作界面的设计应满足驾驶人单次观察时长小于2 s;然而有研究表明驾驶人在驾驶过程中使用全触屏完成调节收音机、导航等的单次视线离开路面时间超过2 s,严重影响驾驶安全[10]。

在对车载HMI的研究中,大多数研究集中于中控屏布局位置、操作导航、收音机等对车辆各个参数的影响,采用驾驶模拟器试验是该领域常见的研究手段。褚英帆等[11]为了获取车载中控屏的最佳信息布局位置,对不同年龄组的参试者在中控屏不同信息布局位置的视觉绩效进行实验测试。结果可为提高驾驶过程中执行次任务时的驾驶安全性提供参考。吴绍斌等[12]基于虚拟驾驶仿真平台对比了车载信息系统物理按键手动交互和触控屏手动交互对驾驶行为的影响,结果显示触控屏手动交互对驾驶分心的影响更大。曾淼[13]通过驾驶模拟器测定物理按键式、触屏式、语音控制式3种车载信息系统在对驾驶安全的影响,结果表明最利于驾驶安全的车载信息系统为物理按键式,其次为语音控制式,最不利的是触屏式。许娜[14]通过模拟驾驶实验探究3种不同类型的次任务(导航设置/蓝牙电话/音乐搜索)对驾驶安全性的影响,结果表明,视触觉次任务对安全状态的影响是渐进的,次任务持续时间越长,次任务负荷对安全状态的影响也越大。

郭柏苍[15]和龚天洋等[16]以视觉类次任务驾驶对驾驶人的眼球运动状态和车身行驶状态的影响进行了研究,建立了基于BP(back propagation)神经网络的次任务驾驶安全性预测模型,并对安全性预测模型的适用性进行了分析。张捷等[17]通过构建模糊综合分心评价模型横向对比不同车联网信息形式对行车安全的影响,结果表明文字分心相比语音分心需要更多地分配注意力到屏幕上,对接收前方道路信息产生干扰,不能及时调整车辆方向和速度有关,以致对行车安全造成更大威胁。钟奇等[18]对车载信息系统交互方式(手动和语音)对驾驶行为的影响开展研究,结果表明无论是手动和语音交互,相对于正常驾驶,都会造成车辆纵向和横向驾驶性能恶化,驾驶负荷增加,但语音交互方式对驾驶性能的影响较小。

总体而言,车载HMI对驾驶安全的影响是目前研究较多的领域,但针对全触屏交互模式的对比研究整体较少,尤其是横向对比使用不同人机交互模式对驾驶安全的影响研究较少,为数不多的研究也集中于驾驶模拟器试验,对于车企来说,实车试验数据更具有参考价值。基于此,现采用实车试验的方法,通过搭建两类真实道路驾驶数据采集平台,将采集到的真实数据对两种交互模式下驾驶人操作空调次任务进行风险分析,为汽车企业的HMI设计以及涉及视觉分心的驾驶辅助系统开发提供理论依据和数据支持。

1 实车试验

1.1 试验车型与试验任务

试验选择HMI为物理按键的奥迪A4L(2020款)和HMI为全触屏的比亚迪秦(2018款)两款车,具备了两种模式下的HMI界面,如图1所示。

图1 交互模式Fig.1 Interactive mode

两种模式下设计的空调调整任务是相同的,驾驶人从预先设定好的温度调整至指定温度值,操作步骤数量是完全相同的。从图1可知,全触屏模式下操作空调为图1(a)黄色圈住的区域,操作方式为通过屏幕点击空调的图标,之后可通过屏幕左下角加减号来完成调高或调低温度;物理按键的调节位置为图1(b)红色圈住的位置,操作方式为按下去启动,之后按照左减右加的原则调低或调高温度。

对两类试验车型,分别在40、60、80、100 km/h开展驾驶试验。在正式试验开始前,先对驾驶人进行熟悉驾驶过程,随后在指定道路中完成实车试验。驾驶人在操作次任务之前由副驾驶将空调温度设置为统一值,并关闭车机系统,副驾驶通过观察周围车况保证安全的情况下下达指令,驾驶人待副驾驶下达完指令后再开始操作,整个过程中要求驾驶人不执行任务时双手驾驶,执行任务阶段保证安全驾驶的前提下尽快完成驾驶次任务,次任务阶段驾驶人在车道内处于自由行驶状态,尽量保持车速稳定。为保证试验数据不受偶然因素影响,两种HMI交互在4种车速下每位驾驶人分别完成5次试验。

1.2 试验线路

试验道路共两段:第一段道路为某城市边沿主干道,道路为双向8车道,限速70 km/h,中央绿化带隔离,道路条件良好且车流量较小,可在该路段完成车速40 km/h 和60 km/h的试验任务;第二段为某高速公路,道路为双向8车道,限速120 km/h,道路条件良好基本为平直路段,车流量较小且无货车流,可在该路段完成车速80 km/h和100 km/h的试验任务。

1.3 被试驾驶人信息

为了保障试验安全,以自愿参加方式招募了26名被试开展实车试验,其中女性驾驶人5名,男性驾驶人21名。所招募的驾驶人均持有C1驾照,驾龄均在6 a以上,每年驾驶里程均在7 500 km以上,具有丰富的驾驶经验,所有被试身体健康,无影响驾驶安全的疾病,基本信息如表1所示。

表1 驾驶人基本信息Table 1 Basic driver information

1.4 采集参数与设备

根据参数表征对象的不同,试验过程中采集相应的参数如下。

(1)任务总时长(total task duration,TTD):定义为完成次任务总共花费的时间,具体为操作次任务的开始帧到完成次任务的结束帧所用的时间,其中开始帧可通过视频判断是视线先离开道路前方还是手先离开方向盘,以先离开的定为开始帧,同理结束帧以最后回去的那个定为结束帧。以某一次过程为例,各个判定标准如图2所示。

图2 驾驶人操作过程Fig.2 Driver operation process

(2)注视切换次数(number of gaze switching,NGS):定义为驾驶人完成次任务所需的注视切换次数。

(3)视线离开前方总时间(total time of sight away from the front,TTSF):定义为驾驶人在完成次任务阶段,视线离开前方时间之和。

(4)车道位置标准差(standard deviation of the lateral position,SDLP):定义为整个次任务阶段每一帧的车道线距离求标准差即可得到SDLP。其中车道线距离的定义为左前轮胎外侧到左侧车道线内侧之间的距离;该指标可用来反应次任务阶段车辆横向位置的变化情况。

通过高清运动相机录制整个试验过程,每辆车各装3个,其安装位置如图3所示,相机1用来采集车道线距离的数据,相机2用来采集驾驶人的眼部数据,相机3用来采集驾驶人的手部数据;图4为某一帧的车道线距离;对视频图像进行逐帧分析处理,得到所需要的4个参数。

图3 高清运动相机安装位置Fig.3 HD action camera installation location

图4 车道线识别Fig.4 Lane line recognition

所有被试在4种车速、2类车型下共采集到1 040组试验数据,剔除部分异常或者驾驶人处于干扰状态的数据,共得到1 012组有效数据。

2 数据分析

2.1 任务总时长(TTD)

表2是不同模式下驾驶人完成空调调整的任务总时长结果。从表2可知,物理按键模式下4种车速对应的任务总时长分布在1.77～9.53 s;全触屏模式下,任务总时长分布在3.07～11.90 s;对两种交互模式下的任务总时长进行独立样本T检验,结果表明两者存在显著性差异(p=0.000<0.05),这说明不同交互模式对操作次任务所需的总时长有显著性影响。

表2 任务总时长结果Table 2 Result of total task duration

图5是4种车速、2种交互模式下驾驶人完成次任务TTD分布的箱线图。4种车速下,全触屏的时间分布窗口要高于物理按键,且平均任务总时长要明显高于物理按键,平均任务总时长相比物理按键分别增加37.3%、29.7%、37.4%、34.5%,表明,驾驶人完成相同的任务时,全触屏模式下所需的时间明显较长。

图5 任务总时长的分布Fig.5 Distribution of total task duration

从车速变化对TTD的影响来看,物理按键模式下平均TTD随车速的增加呈现一定幅度的下降趋势,但下降幅度较小,TTD的分布区间整体保持稳定。

这表明,物理按键模式下车速对驾驶人完成任务时长的影响较小;全触屏模式下,随着车速的增加,TTD分布区间和平均TTD均呈现一定幅度的下降趋势,且下降幅度要大于物理按键。从操作行为而言,由于物理按键模式的操作动作对视觉的需求较小,车速对驾驶人操作行为的影响较小,因此任务总时长保持相对稳定,变化较小。

2.2 注视切换次数(NGS)

表3是不同模式下驾驶人完成任务过程中的注视切换次数结果。从表3可知,交互模式和车速的不同组合情况下,注视切换次数分布范围均为1～6次。两种交互模式下注视切换次数的独立样本T检验结果为存在显著性差异(p=0.000<0.05),说明交互模式对注视切换次数有显著性影响。

表3 注视切换次数结果Table 3 Result of gaze switching times

图6是不同车速与交互模式下注视切换次数的分布图。车速60 km/h时两种模式的平均NGS几乎一致,其余车速下全触屏的平均NGS要大于物理按键,尤其是车速80、100 km/h下,全触屏的平均NGS要明显高于物理按键,平均NGS相比物理按键分别增加23%和19%。

图6 注视切换次数分布Fig.6 Distribution of gaze switching times

随着车速的增加,驾驶人的视线切换次数有一定上升趋势。物理按键下,驾驶人一次视线切换后就基本确定所需要的信息和物理按键位置,并能在不注视空调区域的情况下继续进行空调设置。在全触屏模式下,驾驶人典型的空调调整过程通常包含两次注视切换。第一次视线切换到空调设置区域时驾驶人获取到当前显示温度值以及确定空调在屏幕中的操作位置,然后驾驶人将视线移回道路前方确保行车安全,经过短暂时间后第二次视线切换回来时,驾驶人才开始进行点击操作。

2.3 视线离开前方总时间(TTSF)

表4是不同模式下驾驶人完成任务的视线离开前方总时间结果。从表4可知,物理按键模式下,4种车速对应的TTSF分布范围从0.47～6.83 s;全触屏模式下,TTSF分布范围从1.53～9.73 s;对两种交互模式下TTSF进行独立样本T检验,结果表明两者存在显著性差异(p=0.000<0.05)。

表4 视线离开前方总时间结果Table 4 Result of total time of sight away from the front

图7是不同车速与交互模式下驾驶人的视线离开前方总时间分布图。由图7可知,全触屏的TTSF分布区间要明显高于物理按键,且全触屏的平均TTSF也明显高于物理按键,4种车速下全触屏平均TTSF相比物理按键分别增加57%、51.4%、48.1%、46.3%,平均增加了50.7%。最高增幅在车速40 km/h,达到了57%。上述结果表明,在完成相同的空调调整任务时,全触屏模式下驾驶人的视线离开前方总时间要明显大于物理按键模式。

图7 视线离开前方总时间分布Fig.7 Distribution of total time of sight away from the front

从车速对视线离开前方总时间的影响来看,不论是物理按键还是全触屏,平均TTSF随车速的增加均呈现一定幅度的下降趋势。这表明,随着车速的增加,驾驶人的谨慎程度在不断提高,这使得驾驶人单次操作更快,最终引起TTSF随着车速的增加有所减小。

2.4 车道位置标准差(SDLP)

表5是不同模式下驾驶人完成任务过程中的车道位置标准差结果。从表5可知,物理按键模式下4种车速对应的SDLP的分布在0.35～40.17 cm;全触屏交互模式下,SDLP分布在1.10～43.96 cm;对两种交互模式下的SDLP进行独立样本T检验,结果表明两者存在显著性差异(p=0.000<0.05),这说明不同交互模式对操作次任务过程中SDLP的变化有显著性影响。

表5 车道位置标准差结果Table 5 Result of standard deviation of lane position

图8是不同车速与交互模式下的车道位置标准差分布图。由图8可知,除车速100 km/h全触屏组合下的SDLP分布范围相对分散外,其余的SDLP分布均比较集中。

图8 车道位置标准差分布Fig.8 Distribution of standard deviation of lateral position

相同车速下的独立样本T检验结果表明,4种车速下不同交互模式均有显著性差异(p40=0.014<0.05、p60=0.008<0.05、p80=0.005<0.05、p100=0.000<0.05)。全触屏模式下的车道位置标准差要高于物理按键模式,且全触屏的平均SDLP要明显高于物理按键,相比物理按键分别增加31%、29.5%、29.2%、61.5%,平均增加37.8%,尤其在车速100 km/h,增幅最高达到了61.5%。

从车速对车道位置标准差的影响来看,随着车速的增加,两种交互模式下的SDLP均呈现出明显的上升趋势,且全触屏模式下的增加幅度更加明显。

这表明,无论是物理按键还是全触屏模式,当驾驶人进行空调调整时,车速越高则车辆的横向运行稳定性越差。

前文分析中表明,全触屏模式下驾驶人的视线离开前方总时间要明显高于物理按键模式,而车辆偏离的趋势随着视线离开前方时间的增加而增大,所以驾驶人需要对车辆进行更多的横向调整,这引起车道位置标准差明显增加。由此可知,相比于物理按键模式,驾驶人利用全触屏进行空调调整时车辆的车道保持能力更差,这引起车辆横向位置波动频繁,车辆横向稳定性更差。

2.5 交互模式差异性致因分析

从不同交互模式对驾驶操作行为的影响来看,全触屏模式下的任务总时长、注视切换次数以及视线离开前方总时间的平均值相比物理按键分别增加34.7%、13%、50.7%,对不同交互模式下的操作行为进行分析可知,全触屏模式下存在空调调整区域面积较小,驾驶人点击时需要特别注意,否则容易点不中、触控没有反馈以及有时车机系统响应慢等问题导致上述3个指标偏大。

与全触屏不同的是,物理按键所对应的功能是确定的,驾驶人在熟悉车辆的前提下,能很快找到对应位置并对其进行操作,并且物理按键是带有反馈的,每操作一下就代表完成了一步,驾驶人是十分清楚自己是否操作上,甚至对车辆熟悉的驾驶人在驾驶过程中找到其位置之后可以进行盲操,盲操阶段驾驶人视线一直在前方,安全性得到了一定程度的提升;本文实车试验统计分析结果与曾淼[13]的驾驶模拟器试验虽然指标选取方面不相同,但两者结果有相似规律,即物理按键相比全触屏驾驶安全性要高。

从交互模式对车道位置标准差的影响来看,全触屏模式下的平均车道位置标准差相比物理按键增加37.8%,原因在于全触屏相比物理按键需要更多的视线离开前方时间,而车辆偏离的趋势随着视线离开前方时间的增加而增大[8-9],导致全触屏相比物理按键在行车过程中操作次任务所带来车辆横向位置波动更大,带来较差的车道保持能力和较高的横向碰撞风险。

3 结论

(1)通过对两种交互模式的人机交互数据进行分析,确定了交互模式对驾驶人视觉行为和车辆运动状态的影响特性。

(2)在相同车速和相同任务情况下,全触屏模式下的任务总时长、视线离开前方总时间和车道位置标准差要明显高于物理按键模式。两种交互模式下,任务总时长和视线离开前方总时间的平均值均随着车速的增加而呈现下降的趋势,而车道位置标准差的平均值均随着车速的增加而增大。总体而言,全触屏模式增加了驾驶人的视觉负荷,对于驾驶风险带来了一定的不利影响。