认知接管能力测量方法研究

最新推荐文章于 2025-11-25 13:18:53 发布

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#认知接管 #自动驾驶 #驾驶模拟 #口头反应 #NDR任务

方法开发和交互引导驾驶后驾驶员接管能力认知

自动驾驶领域的进一步发展进步为驾驶员带来了新的自由度，例如在自动驾驶期间可以更多地参与非驾驶相关任务。然而，注意力水平的相应降低引发了一个问题：当出现接管请求时，驾驶员何时能在认知上重新“回到环路”中，并具备适当的能力接管驾驶任务？情境处理和决策等认知过程的重要性已在多项研究中得到探讨。大众汽车与WIVW有限公司开发了一种用于记录认知接管能力的创新方法。

动机

汽车领域背景下的自动化程度不断提高，自动化系统能够自主完成大部分驾驶任务，驾驶员无需再进行监控活动[1]，使得驾驶员可以暂时参与次要活动[2, 3]或放松休息。这可能导致驾驶员在驾驶过程中“脱离环路”[4]。班克斯和斯坦顿[5]将这种状态描述为驾驶员不再对控制他们的汽车，同时处于注意力水平较低的被动状态。驾驶员的唯一任务是意识到可能的系统切换，并在几秒钟的时间内重新接管手动驾驶。可以假设，驾驶员重新回到环路所需的时间取决于其脱离环路的程度以及接管情境的复杂程度。

因此，接管能力显著受到驾驶员状态和接管情境的影响，尤其是情境处理和决策所必需的认知过程。

接管请求（TOR）的响应通常在文献中通过个体的视觉或运动动作[6]来描述。驾驶员必须首先感知接管请求，并理解当前状况（视觉上重新介入），然后将双手放回方向盘，双脚放回踏板组（运动上重新介入）。在此过程中，驾驶员必须整合驾驶信息并决定最佳响应。当前的研究结果记录了这些视觉和运动反应时间，首次注视道路的时间为0.9至1.1秒，握住方向盘的时间为1.8至2.6秒[7, 8]。这导致总接管时间为3至9秒[7, 8, 9, 10]。这些反应时间可能受到非驾驶相关NDR任务[11, 12, 13]以及压力增加或情境复杂性[10, 11, 13]的影响。

认知接管能力的决策过程，其中信息加工理论[14]表示，位于感知处理和执行响应[15]之间，超出了对情境的纯视觉感知，迄今为止尚未被考虑。

因此，本研究贡献的目标是增强在接管能力方面的表现：驾驶员在经历一段时间的自动驾驶后表现出认知准备状态，并使其可被测量。此外，还需更详细地考虑情境复杂性、非驾驶相关任务的表现与定位，以及其在接管请求发出时能否同时被中断的影响。

方法开发

在与维尔茨堡交通科学研究所（WIVW有限公司）合作的过程中，为开发用于实验记录认知接管能力的程序化方法，开展了四项预试验研究。

基于上述理论原则，本研究采用了一种创新方法，并借助驾驶模拟器研究：作为一项额外的次要任务，受试者在面临接管请求时，需口头表达决策过程中所需的应对动作（避让方向）。

测试设置

所采用的自动化为原型三级系统，在高速公路的一段道路上完全接管横向和纵向控制，设定速度为100公里/小时。驾驶员无需监控系统，可将双手离开方向盘。人机界面（HMI）由仪表盘中的图标和文字指令以及声音元素组成。试驾在三车道高速公路上进行，驾驶员被指示在中间车道行驶。接管请求（TOR）在之后发出。

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1300米自动驾驶，基于驾驶员所在车道的封闭。从中间车道开始，驾驶员需向左或右进行变道。受试者还被要求在做出决策后立即口头表达避让方向（“左”或“右”）。为了增强驾驶员脱离回路的影响，在系统激活时关闭了驾驶场景的投影（视觉场景遮挡）。在系统运行47秒的驾驶时间后，投影与接管请求同时重新激活，接管请求包括视觉和听觉反馈。

根据周围交通和不同的相对速度，应在适当时刻向适当方向执行变道，以确保自车不会引发危险。通过在变道时刻变化周围交通状况，生成了三种不同复杂程度的接管情境（简单、中等、困难）。

本案例中的非驾驶相关任务是一项问答游戏。基于问答节目“谁想成为百万富翁？”，驾驶员需通过中控台上的触摸屏输入，从三个选择题答案中选择正确回答。该问答游戏仅在自动驾驶期间激活，在接管请求期间会自动关闭。

PILOT STUDIES

测试设置及其迭代调整在四次预试验研究中进行了检验。情境复杂性（三个等级）、避让方向（左 vs. 右）以及对非驾驶相关任务的注意力集中（仅在预研究4中；有与无问答游戏）被设为自变量。考虑了以下因变量：

首次注视左右外后视镜的反应时间（通过眼动追踪）
手动操作的反应时间（通过方向盘中的电容传感器）
首次口头反应的反应时间（对录制的音频文件进行分析）
反应时间直到首次转向响应（转向角 > 3°）

在前两次预试验研究中，所述流程采用5秒和8秒两种不同的接管时间进行。每次研究均有六名受试者（WIVW有限公司的员工）参与。结果表明，口头反应和转向响应对情境复杂性的变化是敏感的，并呈比例地作出反应。在较长的接管时间条件下，发现口头反应比转向响应早300毫秒发生。在5秒接管请求中，这两种反应通常同时发生（平均差异为100毫秒）。

示意图1

为了评估口头反应对接管时间的潜在影响，开展了一项针对六名受试者的第三次先导研究，且该研究中未使用任何语音输出。结果未显示出对手接触时间和转向反应时间具有统计学意义上的显著影响。

第四项驾驶研究表明，非驾驶相关任务可能会对认知接管能力产生影响。15名受试者（平均年龄35岁，47%女性）参与了该研究。情境复杂性对口头反应的时间点（F[2;28]= 71.071；p <.000）和转向响应（F[2;28]=32.629；p <.000）均有影响。

在处理非驾驶相关任务时，发现更早地查看右侧外后视镜（F[1;9]= 7.291; p <.05）以及更快的手接触时间（F[1;14]= 9.414; p <.01），但对口头反应无影响。

主研究

在方法开发研究结果的基础上，大众汽车集团集团研究部的静态驾驶模拟器中实施了另一项研究。本研究的测试设置保持不变。在主研究中，更详细地考虑了认知接管能力、情境复杂性以及非驾驶相关任务各个维度之间的交互作用。

非驾驶相关任务的执行（“组内”；有无测验）
非驾驶相关任务的位置（“组间”；车载信息娱乐系统 versus 平板电脑）
中断能力（“组间”；在接管请求期间有与无NDR任务自动中断的情况）

64名测试人员（平均年龄36岁，36%为女性）参与了该研究。他们来自大众汽车股份公司测试人员库。

结果表明，情境复杂性（F[1; 342]= 9.56；p <.000）且执行（F[1;342]= 21.06; p <.000）和非驾驶相关任务的定位（F[1; 342]= 28.30; p <.000）对认知接管能力有影响。进一步详细分析后两个因素，图4显示，在平板电脑上进行问答游戏时的口头反应比其他条件下的反应更晚（3.1秒），而使用车载信息娱乐系统的反应时间为2.7秒，不进行问答游戏的反应时间也为2.7秒。

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