52、智能互联车辆信息系统（CVIS）研究与设计洞察-优快云博客

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智能互联车辆信息系统（CVIS）研究与设计洞察

1. CVIS 概述

智能互联车辆信息系统（CVIS）近年来备受关注。通过互联车辆（CV）技术传输信息，CVIS 有望利用屏幕、扬声器甚至触觉设备来扩展道路通信带宽，更快速、准确地传达道路使用者的意图以及其他重要道路信息。

CV 和车与万物（V2X）技术能够增强车辆、行人与道路基础设施之间的连接性。此前研究普遍认为，CV 技术有潜力提高交通效率、道路安全性和用户舒适度。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）曾发布提案，要求在所有新的美国轻型车辆中强制部署车与车（V2V）通信技术。在互联车辆环境下，各种防撞系统，如前碰撞预警（FCW）、盲点预警（BSW）、车道偏离预警（LDW）、车道变更预警（LCW）和交叉路口移动辅助（IMA）等，能够提醒驾驶员即将发生的碰撞情况，减少机动车碰撞的数量和严重程度。

为了强调用户对 CVIS 设计的偏好，以促进安全、有效和广泛的道路使用，采用了两步研究方法：
- 第一步：收集用户对 CVIS 的需求和偏好。通过焦点小组访谈定性探索参与者对 CVIS 设计的看法，包括提供的功能、首选的警告信号、信息呈现方法等，随后根据收集的信息制定问卷，在中国进行问卷调查，定量研究驾驶员对 CVIS 设计的偏好。
- 第二步：设计并测试用于减少反应时间的振动警告。进行驾驶模拟器实验。

2. 案例研究 1：驾驶员对 CVIS 设计的偏好——警告信号和功能设置

2.1 研究目标

CVIS 作为一个技术系统，必须进行适当设计以满足潜在用户的偏好。目前，虽然许多研究集中在 CVIS 的技术方面，但在驾驶员对 CVIS 功能和界面设计的偏好和观点方面仍存在知识差距，这不仅影响用户接受度，还影响其在实际使用中的有效性。

CVIS 设计的两个关键问题：
- 确定用户需求并定义设计功能：提供适当的信息可以提高驾驶员的态势感知能力，并通过有效的早期预警系统避免危险情况。
- 人机界面（HMI）设计：定义如何及时警告驾驶员以及如何准确呈现信息。良好的 HMI 设计，使用适当的警告信号并提供简洁的信息，有助于驾驶员及时、清晰地意识到潜在的困难情况，并促进有效的驾驶员反应。

2.2 研究方法

焦点小组 ：
- 共有 21 名驾驶员参加了为期 2 小时的焦点小组访谈，分为三组，每组七名参与者。他们通过微信招募。
- 所有参与者在焦点小组访谈前签署了知情同意书并完成了人口统计问卷。实验主持人说明了焦点小组的目的是收集驾驶员对 CVIS 设计的意见和需求。所有焦点小组会议都进行了视频和音频记录，并保证参与者的隐私得到保护。
- 焦点小组访谈采用半结构化形式，围绕几个开放式问题进行，开放式问题用于逐步引导参与者参与讨论，过渡问题引导关注研究目标的关键问题，最后结束问题总结会议并提供结论。

焦点小组	问卷调研
性别：男性 14（66.7%），女性 7（33.3%）	性别：男性 625（58.7%），女性 440（41.3%）
年龄：34.5（SD = 5.5）	年龄：30.92（SD = 8.46）
年驾驶距离（1000 公里）：41.3（SD = 34.7）	年驾驶距离（1000 公里）：19.92（SD = 54.16）
驾驶年限：8.5（SD = 3.3）	驾驶年限：4.87（SD = 4.65）
教育水平：高中及以下 19%，本科/大专文凭 61.9%，硕士及以上 19%	教育水平：高中及以下 16.3%，本科/大专文凭 51.2%，硕士及以上 32.5%

焦点小组访谈问题：
1. 请简要介绍一下你自己。
2. 描述你遇到的道路通信效率低下问题的经历。
3. 你期望 CVIS 具备哪些功能？
4. 你更喜欢哪种类型的警告信号？
5. 你希望如何呈现信息？
6. 你对 CVIS 的设计有其他建议或意见吗？

问卷调查 ：
- 问卷在专业在线调查平台（www.wjx.com）上开发，并通过微信分发，答案自动收集。每个有效问卷的参与者可获得 15 元人民币作为奖励。调查共收到 1065 份有效回复，大多数参与者来自中国经济发达地区，如北京、江苏和上海，这些地区可能有更多潜在的 CVIS 用户。
- 调查问卷基于焦点小组访谈的结果。第一部分收集参与者的人口统计信息，包括性别、年龄、位置、教育背景、驾驶经验、估计的年驾驶距离以及过去三年的交通违规和碰撞情况。第二部分关注 CVIS 的设计，包括对系统功能、警告信号和信息呈现偏好的评估。参与者需要在五点李克特量表上对其同意程度进行评分，从 1（强烈不同意）到 5（强烈同意）。
数据分析 ：
- 焦点小组访谈的音频记录逐字转录，并使用 Excel 文件进行分析。转录过程中，实验者可参考视频记录补充音频记录。首先将原始转录内容拆分为完整句子，然后进行分类，类别包括“道路信息效率低下问题的原因”、“不同警告信号模式”、“不同信息呈现策略”和“CVIS 的功能”，无法归入预定义类别的句子归入“其他建议”，最后将分类结果合并到一个文件中，对冲突项进行投票以确定最终分类。
- 对于问卷数据分析，进行单因素方差分析（ANOVA）以测试不同警告模式和信息呈现策略的偏好差异。使用事后分析进行多重比较，并进行 Bonferroni 调整。所有分析的显著性水平α为 0.05，数据分析使用 R studio（版本 1.3.959）进行。

2.3 研究结果与结论

道路信息效率低下问题的原因 ：当被要求“描述道路通信效率低下问题的经历”时，焦点小组的参与者一致认为这是一种普遍现象，也是交通事故的重要原因。给出了四种类型的原因及其相应的频率：
|原因|频率|
| ---- | ---- |
|道路通信信号受限|7|
|驾驶员局限性（无法判断距离或速度、注意力不集中、视线受阻）|9、6、3|
|环境局限性（道路条件密集复杂、道路设施规划不合理、标志可读性差）|2、2、1|
|其他|3|
CVIS 功能 ：焦点小组访谈的参与者提到了三种类型的 CVIS 功能：
- 通过信息交换提高驾驶安全性（37 次，72.5%）。
- 通过调整交通流量提高效率（9 次，17.6%）。
- 通过提供信息服务提高驾驶舒适度（5 次，9.8%）。

所有功能的评分均高于 3（中立态度）。其中，前三项功能与安全相关，提供危险情况下的救援服务评分最高（M = 4.31，SD = 0.79），其次是提醒车辆异常情况（M = 4.29，SD = 0.79），第三是传输周围危险信息（M = 4.23，SD = 0.78）。评分最低的三项功能分别是提供周围驾驶员的个性特征（M = 3.39，SD = 1.04）、提供驾驶操作建议（M = 3.79，SD = 0.82）和根据交通流量动态调节交通信号灯（M = 3.82，SD = 0.94）。

功能	均值	标准差
交通安全 - 提供救援服务	4.31	0.79
交通安全 - 提醒车辆异常情况	4.29	0.79
交通安全 - 传输周围危险信息	4.23	0.78
交通安全 - 告知周围驾驶员实时状态	4.05	0.90
交通安全 - 传输周围驾驶员近期行动	3.97	0.82
交通安全 - 提供周围车辆必要信息	3.88	0.87
交通安全 - 提供周围驾驶员个性特征	3.39	1.04
交通效率 - 告知交通灯状态	3.92	0.82
交通效率 - 动态调节交通灯	3.82	0.94
交通效率 - 提供驾驶操作指南	3.79	0.82
交通便利 - 提供信息服务	4.09	0.80

警告信号类型和信息呈现方法 ：
- 焦点小组的参与者提到了不同模式的警告信号，大多数警告信号仅包含一个维度，只有两个信号是不同模式的组合，因此进一步研究集中在单一模式上。总体而言，三种模式的评分差异显著，参与者对视觉警告信号（M = 3.30，SD = 0.65）的偏好明显高于听觉警告信号（M = 3.17，SD = 3.17）和触觉警告信号（M = 2.63，SD = 0.86）。
- 对于视觉警告，一些参与者建议 CVIS 可以在仪表板或抬头显示（HUD）上显示视觉图标，并使用闪烁的红灯，但许多参与者认为视觉刺激容易被忽视，难以吸引他们的注意力。大多数参与者接受听觉刺激，包括警报和语音警告，认为听觉刺激可以迅速吸引驾驶员的注意力，且不占用视觉资源，但也有人担心环境噪音或车内音乐可能会掩盖重要的听觉警告。对于触觉警告，一些参与者表示偏好这种类型的信号，因为它只能被驾驶员感知，不易受到外部因素干扰，有人建议在驾驶员座椅、方向盘和刹车踏板中嵌入振动器。

模式	详情	均值	标准差
视觉	在 HUD 上显示图标	3.52	0.90
视觉	在仪表盘上显示图标	3.51	0.83
视觉	方向盘上的灯条开始闪烁	3.28	0.95
视觉	车内红灯闪烁	2.91	1.00
听觉	播放简短、清晰的语音	3.69	0.87
听觉	逐渐增强的警笛声	3.27	0.95
听觉	播放高频警报	2.57	0.95
触觉	方向盘开始振动	2.91	1.12
触觉	安全带收紧	2.91	1.11
触觉	座椅开始振动	2.56	1.05
触觉	脚踏板开始振动	2.51	1.03
触觉	轻微电流刺激	2.23	1.03

信息呈现方法 ：参与者建议通过视觉通道呈现信息，将简短的文字描述与车内屏幕上的视觉图标相结合，也有人认为增强现实（AR）是一种有用的方法，可以将必要信息直接附加到虚拟场景中。对于听觉通道，一些参与者建议使用简短的语音描述，并嵌入语音警告过程中。最后，有参与者提出可以利用预定义的触觉模式来传达信息。

3. 案例研究 2：用于减少反应时间的振动警告设计

3.1 研究目标与假设

在互联车辆环境下，需通过不同渠道向驾驶员展示不同信息。非紧急且无需驾驶员立即响应的信息通过视觉渠道展示，车载屏幕能向驾驶员传达复杂、冗长且有用的信息，但视觉警告不够醒目，易被忽略，不适用于传达关键信息。与视觉渠道相比，听觉渠道更适合传达高优先级信息，需要驾驶员注意但不紧急的信息，如“注意左后方车辆”，会通过视觉加听觉渠道呈现。此前研究表明，使用听觉警告能有效吸引驾驶员注意力并减少感知 - 反应时间，但导航系统声音、车载音乐、车内交谈等可能会掩盖重要的听觉警告。因此，振动渠道常被用于传达重要且紧急的信息，要求驾驶员快速、正确响应以避免碰撞。

本研究旨在探索在人体的哪个部位，触觉警告信号最为有效，并提出两个假设：
- 假设 H1 ：在简单反应时间任务中，振动离大脑越近，简单反应时间越短。
- 假设 H2 ：在选择反应时间任务中，当振动刺激与响应身体部位兼容时，振动警告更有效。

3.2 研究方法

参与者 ：24 名参与者（平均年龄 25.3 岁，年龄范围 20 - 37 岁，SD = 4.54；12 名男性和 12 名女性）参与了实验。所有参与者报告有正常的触觉感知能力、能区分颜色且为右利手。
实验设置 ：为研究不同身体部位的振动效果以及刺激 - 反应（S - R）兼容性，选择了三个振动位置：手腕、小腿和耳朵。使用振动电机模块（24 * 25 mm，HW - 738，DC5V，PWM）来呈现触觉警告。在每次试验中，用医用胶带将振动器固定在参与者的手腕背部、耳朵和小腿外侧（脚踝上方约 5 cm 处）。响应身体部位为手和脚。在 3（振动位置）× 2（响应身体部位）的组合中，只有小腿 - 脚和手腕 - 手的条件符合 S - R 兼容性，其他则不符合。
实验任务 ：
- 任务 1（简单反应时间任务） ：参与者按固定顺序完成 13 次手部响应试验（尽可能快地按下方向盘上的按钮）和 13 次脚部响应试验（尽可能快地踩下刹车踏板）。每次试验开始时，呈现 100 ms 的触觉刺激，在参与者做出响应后终止。试验间隔时间随机在 4 - 8 s 之间（平均每分钟 10 次试验），此任务中的反应时间称为简单反应时间（SRT）。
- 任务 2（选择反应时间任务） ：在 100 ms 的触觉刺激后，一个 LED（安装在方向盘后面，距离参与者 60 cm 处）会随机闪烁蓝色或红色。在每个试验块中，蓝色和红色各出现 13 次。参与者被要求在 LED 为蓝色时按下按钮，在 LED 为红色时踩下刹车踏板。正确响应后，LED 熄灭，开始新的试验。试验间隔时间与任务 1 相同，此任务中的反应时间称为选择反应时间（CRT）。用 CRT 减去 SRT 得到额外时间，称为决策时间（DT）。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始实验]):::startend --> B(呈现触觉刺激):::process
    B --> C{任务类型}:::decision
    C -->|任务 1| D(简单反应: 手或脚响应):::process
    C -->|任务 2| E(LED 闪烁蓝或红):::process
    E --> F{LED 颜色}:::decision
    F -->|蓝色| G(手响应):::process
    F -->|红色| H(脚响应):::process
    D --> I(记录 SRT):::process
    G --> J(记录 CRT):::process
    H --> J
    J --> K(计算 DT = CRT - SRT):::process
    I --> L{是否完成所有试验}:::decision
    J --> L
    L -->|否| B
    L -->|是| M([结束实验]):::startend

3.3 研究结果与结论

反应时间结果 ：结果显示，在简单反应任务和选择反应任务中，参与者对耳朵部位的振动响应最为迅速。同时，参与者用手响应的速度明显快于用脚响应。S - R 兼容性在所有任务中的效果不显著，仅在决策时间中存在。小腿 - 脚兼容组合下的决策时间比耳朵或手腕部位振动时更短。

振动位置	简单反应时间（SRT）	选择反应时间（CRT）	决策时间（DT）
耳朵	最短	最短	-
手腕	-	-	-
小腿	-	-	最短（兼容组合下）

建议：基于研究结果，为减少反应时间和提高道路安全性，提出以下建议：
- 耳朵是传递振动警告的最推荐部位，其次是手腕。可以考虑使用腕带和无线耳机来提供振动警告，这些可穿戴设备能让驾驶员无论处于何种姿势都能直接接收振动警告。
- 如果驾驶员在收到振动警告后需要通过观察路况进行快速准确的操作，可以适当考虑 S - R 兼容性。

综上所述，在智能互联车辆信息系统（CVIS）的设计中，了解用户对功能、警告信号和信息呈现的偏好至关重要。通过焦点小组访谈和问卷调查，明确了驾驶员对 CVIS 功能的需求和对不同警告信号的偏好。同时，通过振动警告实验，确定了在减少反应时间方面较为有效的振动部位和 S - R 兼容性的应用场景。这些研究结果为 CVIS 的设计和优化提供了有价值的参考，有助于提高交通效率、道路安全性和用户舒适度。