基于驾驶分心的次级交互任务沉浸等级研究

王文丽　石小涛　陈彬妍

摘要：随着智能化时代的到来，汽车不再是单纯的交通工具，而是人们生活中不可或缺的移动终端。人在车内完成交互任务时，会在一定程度上沉浸在交互任务中，各种各样的因素都会导致驾驶员分心，这将直接影响行车安全。文章对驾驶时的次级交互任务沉浸等级进行分析，提出座舱交互任务优化策略。首先，通过深度访谈确定用户行车过程中的主要次级交互任务；其次，通过搭建实验平台对各交互任务的沉浸等级进行量化分析，确定驾驶员在行车过程中对交互任务的沉浸程度；最后，通过AHP层次分析法对交互任务的沉浸等级进行验证支持，并分析其分心因素。通过实验和AHP层次分析验证，调查几种次级交互任务的沉浸等级，以及交互任务对驾驶员分心现象的影响因素，进而通过分析分心因素，最终得到针对座舱的交互设计优化策略。驾驶过程中的驾驶分心大多是沉浸于次级任务造成的，造成分心的因素有多种，在文章提出的交互感官通道、交互界面、内饰布局三个优化策略中，内饰布局优化的权重最高。

关键词：座舱；驾驶分心；人机交互；沉浸等级；AHP层次分析法

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）18-00-03

1 相关概述

1.1 驾驶分心的表现

驾驶分心一般分为认知分心、视觉分心和操作分心。认知分心是由于认知负荷增加，驾驶员的认知资源逐渐被其他非驾驶活动占用，造成了认知分心。视觉分心是因为人的视野有限，当非必要视觉信息刺激作用于视觉感受器时，就会造成视觉分心，进而导致扫视时间、注视次数增多。操作分心则是由于駕驶员在做出操作行为时，通常通过对信息的经验认知作出决策，所以当认知和视觉都分心时，驾驶员的决策能力也会下降，进而出现一定程度的操作分心。

1.2 座舱交互

1.2.1 驾驶中的次级交互任务

在驾驶过程中，除了主要的驾驶任务之外，还会进行一些必要的活动。当前的次级交互形式一般是大型的数字仪表盘、先进的中控交互平台、情景语音交互、灵敏的生物识别、虚拟车载助理等，随着汽车软硬件的升级与创新，再加上汽车网联化的发展，人机交互逐渐突破传统，形式更加多样化，人、车、环境之间的联系更加密切。

1.2.2 交互任务沉浸等级

驾驶员在车内做出交互行为时，会将一部分注意力转移至驾驶任务以外的活动上，当需要进行必要的驾驶操作时，其注意力无法瞬间抽离出来，必须经过一定时间的调整才能恢复驾驶状态。交互任务沉浸等级越高，驾驶员恢复正常驾驶状态所需要的调整时间就越长［1］。

2 交互任务沉浸等级模拟实验

2.1 实验平台

2.1.1 驾驶模拟器

本实验借助驾驶模拟器，其内部传感器和数据采集卡能精准采集模拟驾驶过程中的驾驶信息，真实地模拟车辆加速、减速、高速和转向等行车情况。同时，此实验平台可在室内操作，不受时间、地点、天气的影响。另外，使用驾驶模拟器可以规避真车上路进行实验时所面临的安全风险，降低实验成本。此次共有20名资深驾驶员参与了实验，被试人员的年龄范围为20～45岁，均身体健康且能够正常驾驶。

2.1.2 沉浸等级衡量指标

（1）横向稳定状态。在实验研究中，汽车达到稳定状态通常以横向稳定状态为衡量指标，横向稳定状态的界定为在某一段时间内其横向偏移值未超过稳定阈值。参考交通工程学理论，界定车辆在某时刻后2.5秒的范围内，横向偏移波动在10%内，则定义该时刻为车辆进入横向稳定时刻，从发出正常驾驶指令的时刻到横向稳定时刻这一段时间，就是驾驶员从沉浸的次级任务中抽离出来进行调整的时间，达到横向稳定状态所用的时间越长，代表驾驶员的分心程度越高，其沉浸等级就越高，反之则沉浸等级越低［2］（见图1）。

（2）方向盘转动角度。当接收到正常驾驶指令时，驾驶员会下意识转动方向盘，这在一定程度上属于驾驶中的风险补偿信念。风险补偿信念指的是，人们认为在驾驶过程中的风险行为可以通过参与其他活动得到补偿，因此在沉浸于非驾驶相关活动之后，驾驶员会下意识进行一些行为补偿。在本实验中，方向盘转动角度越大，代表驾驶员的分心程度越高，沉浸等级就越高，反之则沉浸等级越低。

（3）任务完成时间。对沉浸在次级交互活动中的驾驶员下达指令，使其完成某一项驾驶任务，由于驾驶员从非驾驶相关的活动中抽离需要一定的调整时间，所以完成指令的任务也需要一定的时间。从下达指令的时刻到指令任务完成的时刻，这段时间即衡量交互任务沉浸等级的指标。完成任务所需时间越长，代表驾驶员的分心程度越高，次级任务活动的沉浸等级也就越高，反之则沉浸等级越低。

2.1.3 用户访谈

对被试人员进行问卷访谈，问卷内容是针对行车过程中常见的非驾驶活动作出频率选择和判断。通过访谈数据得知，人们在车内进行的次级交互活动频率从高到低依次是看导航、接打电话、听音乐、看仪表盘、调节空调、调节音量、看视频、睡觉。为了研究结果的准确性和普适性，选定实验中的次级交互活动为看导航、接打电话、听音乐和看仪表盘。

2.2 实验情境设计

2.2.1 驾驶模拟实验

实验开始时正常行驶，研究者下达指令，要求驾驶员观察导航线路，5秒后要求恢复正常行驶，待驾驶达到横向稳定状态之后，记录从要求恢复正常行驶状态到达到横向稳定状态所用的时间和方向盘转动的角度；在横向稳定状态持续一段时间之后，研究人员重新下达观察导航线路的指令，再次等待5秒之后继续下达指令，要求其完成变道任务，并记录从变道指令下达到完成变道任务所用的时间。看导航交互场景结束之后，驾驶员可休息5～10分钟，之后再以同样的步骤进行另外几个场景的实验。

20名被试人员依次进行4个场景的实验，驾驶模拟器对所有实验指标进行数据采集，每人完成实验之后填写AHP层次分析问卷进行评分。

2.2.2 实验结果

实验完全结束之后，共采集240条数据，如表1所示。

根据实验中采集到的数据，从达到横向稳定状态的时间来看，沉浸等级为：接打电话＞看导航＞观察仪表盘＞听音乐；从方向盘转动角度来看，沉浸等级为：接打电话＞看导航＞观察仪表盘＞听音乐；从任务完成时间来看，沉浸等级为：接打电话＞看导航＞听音乐＞观察仪表盘。这表明在四项交互任务中，接打电话的沉浸等级最高，看导航次之，然后是观察仪表盘，听音乐的沉浸等级最低。

2.3 AHP层次分析验证

2.3.1 层级模型搭建

搭建可行性评价模型时，将座舱内次级交互任务沉浸等级作为目标层；将四个场景作为约束准则层，然后在各准则下设置约束要素，其中接打电话的约束要素为操作步骤、汽车速度和车辆稳定性，看导航的约束要素为视线范围、中控屏位置和界面布局，观察仪表盘的约束要素为信息复杂度、前方路况和仪表台布局，听音乐的约束要素为认知能力、感官通道占有和交互反馈；将交互感官通道优化、交互界面优化、内饰布局优化三个优化策略方向作为方案层。

2.3.2 数据结果（见表2）

3 实验结果分析

3.1 各次级交互任务的分心分析

結合实验和层次分析研究得出，在四个任务中，接打电话的沉浸等级最高，在行车过程中接打电话最能使驾驶员分心，在几个约束要素中，车辆的稳定性的权重最高；沉浸等级在第二位的交互任务是看导航，其主要的分心因素是视线的偏移范围、操作位移距离和屏幕的界面布局等，其中，视线偏移的权重最高；沉浸等级相对较低的次级交互任务为观察仪表盘和听音乐，这两项交互任务的分心因素主要是信息的复杂度过高导致认知空间不足以及交互感官通道的占用。对各层级的约束要素进行分析之后，得到三个优化方案权重，权重最高的方案是内饰布局优化，其次为交互感官通道优化，最后为交互界面优化（见表2）。

3.2 交互任务优化设计策略

3.2.1 提高内饰布局的有用性

“有用”具有一定的主观性，且需要在一定情境下才有明确意义。内饰布局的有用性指的是能使用户顺利完成一项任务或者某个目标，车内的人机交互行为受到用户目标意愿的驱动。比如一些具有自动驾驶功能的汽车座舱，在自动驾驶过程中可以将方向盘收起，能够大大节省座舱空间，当驾驶接管时，方向盘可弹出供驾驶员使用，这便是内饰布局的有用性。

3.2.2 提高次级交互任务的高效性

交互任务处理的高效性也对用户满意度具有很大的影响。交互任务的高效性主要体现在以下几个方面：首先是动作数量和位移距离，数量过多和位移过大都会增加驾驶负担。其次，眼睛注视范围、注视点数、语音识别也会影响交互效率，视野范围和声波传输距离是有限的，目标任务的位置超过了一定范围，将会大幅增加认知负荷。

3.2.3 提高多任务场景的安全性

驾驶作为一种多任务活动，安全性尤为重要，驾驶员有时候会对任务产生一定的认知偏差，进而导致其驾驶决策出现失误并进行错误操作，最终导致任务失败，引发驾驶安全问题。因此，在设计过程中要尽可能考虑到用户可能经历的各种复杂场景，模拟多种任务场景中驾驶员可能遇到的问题，对座舱内的布局和感官通道进行合理化设计，使驾驶员在各个场景都能安全有序地驾驶车辆［3］。

4 结语

座舱是驾驶员与汽车及驾驶环境进行交互的重要载体，在进行座舱内人机交互设计优化时，要将座舱内的功能体验和交互感知有效整合，尽量避免出现占用驾驶员注意力的因素，对关键信息进行特殊化处理，使驾驶员在车内的活动更加高效且舒适，当人车逐渐一体化时，二者之间便可以形成自然和谐的关系。

参考文献：

［1］ 王亚辉.智能汽车座舱人机交互认知机制与评价方法研究［D］.西安：西北工业大学，2019.

［2］ 王彦峰，陈浩林，赵晓华，等.驾驶次任务沉浸等级对接管行为的影响分析［J］.交通信息与安全，2022，40（1）：135-143.

［3］ 胡洁.模拟用户使用场景的整车质量评价方法［J］.汽车工程师，2020（7）：35-38.

作者简介：王文丽（1999—），女，山东滨州人，硕士在读，研究方向：智能座舱、交互设计、用户体验。

石小涛（1978—），男，湖北宜昌人，博士，副教授，研究方向：工业设计。

陈彬妍（1998—），女，江苏常州人，硕士在读，研究方向：汽车内饰、人性化设计、感官体验。

课题项目：本论文为2022年度江西省社科规划项目“陶瓷艺术创作多元化工艺的传承及演绎”研究成果，项目编号：12YS30