車載信息對駕駛人眨眼特性及負荷的影響規律

朱 彤， 吳 玲， 路巧珍

(1.汽車運輸安全保障技術交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064;2.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064)

負荷是影響駕駛績效的重要因素.近年來，隨著智能交通系統的發展，車載信息系統(in-vehicle information system，IVIS)[1]獲得廣泛使用，為駕駛人提供娛樂、路徑引導、實時路況乃至出租車訂單與支付信息服務[2].但是，車載信息系統使駕駛人心理資源分配失衡[3]、負荷增加，也成為引發交通事故的重要因素之一[4].因此，有必要對車載信息下駕駛人工作負荷進行量測與分析.

近年來，已有較多學者開始研究工作負荷的測量方法.金立生等對相關研究方法進行了歸納[3]，O'Donnell等將工作負荷測量方法歸為4類[5-6]，分別為主任務表現法、雙任務法、主觀評價法和生理參數法.其中，主觀評價法無法實時評價駕駛人績效[7]，主任務法與雙任務法在實際道路交通環境下較難實現[8]，以往評價駕駛人工作負荷多限于室內實驗[9]或虛擬環境[10].比較而言，在實際道路環境下獲取駕駛人生理指標并分析其變化情況[11]，更為接近并反映駕駛人真實狀態.

考慮到車載信息對駕駛人影響的短暫性與細微性，需要選取敏感度高的生理指標，以反映駕駛負荷的變化.以往研究更多使用注視時間、注視次數等指標，如駕駛人視線離開前方視野的時間[12]，或討論次任務干擾對駕駛人造成的影響[13].然而，上述指標多用來表征信息獲取范圍與獲取量，而非直接表征負荷，導致車載信息對駕駛人負荷影響的研究較少.本文選擇眨眼頻率和眨眼持續時間指標進行深入分析，以反映工作負荷.研究表明，眨眼是反映駕駛人心理活動的一個重要指標，眨眼頻率高通常反映緊張、焦慮等[14-16]，在人因學研究和航空研究中，常作為負荷的評價指標[17-18].Benedetto等通過研究發現，眨眼持續時間是評價駕駛負荷的高靈敏指標，短眨眼的數量更能反映出駕駛人各類注意資源的消耗[1].

綜上所述，已有研究對于車載信息與駕駛人負荷之間的關系研究較少，特別是缺乏實際道路環境下的實驗研究.鑒于此，本文應用常見的車載導航系統作為信息服務設備，在城市道路條件下進行實車道路實驗.采集駕駛人眨眼時間長度與頻率數據，對比多種情況下駕駛人眨眼特性的差異，同時探討眨眼指標所反映的工作負荷變化規律.

1 實車道路實驗

1.1 實驗方案

被試包括不同職業、年齡、性別和駕齡共12位駕駛人(8名男性，4名女性，平均年齡31.5歲，平均駕齡3.8 a)，均已獲得機動車駕駛證，并要求視力或矯正視力達到相關要求.對駕駛人眼動參數的測量采用加拿大SR Research公司生產的EyeLink II型頭戴式眼動儀.實驗車輛為2007款起亞新佳樂，配備紐曼便攜式S480觸摸式車載導航設備.實驗天氣晴朗，選取城市快速干道中4段路線作為實驗路段，選擇晝間15:00～16:30非交通高峰時段為實驗時段，所有被試在不同日的同一時間段進行實驗.

1.2 實驗設計

通過實驗跟蹤并記錄駕駛人眨眼特性數據，對比駕駛人使用與未使用車載導航狀態下，在尋找路徑、決策判斷與控制車輛過程中，眨眼時間與頻率分布規律差異.同時，根據實驗控制因素差異，反映不同車載設備安裝位置、不同信息發布方式下的駕駛人眨眼特性.

實驗中可變因素包括是否使用車載信息服務、設備安裝位置、信息發布方式，其他因素則被視為干擾因素.實驗由9個階段組成，如表1所示.采用組內比較實驗方案，每個實驗參與人需要完成全部9階段任務.

表1 實驗方案設計Tab.1 Experimentation scheme

其中，第1階段目的是使駕駛人熟悉車輛與環境，此后7個階段為正式實驗，第9階段為恢復階段，目的是與第1階段對比，檢驗實驗前、后駕駛人眨眼數據是否存在明顯差異，以驗證實驗有效性.

圖1 車載導航安裝位置示意圖Fig.1 Positions of in-vehicle navigation system

第2階段采集無車載信息條件下數據，第3至第8階段分別采集不同信息發布位置、發布方式條件下數據.由于目前車載導航安裝位置尚無標準，因此結合被試的駕駛習慣及專家意見，設置駕駛人常用的3個安裝位置作為實驗變量.安裝位置包括前擋風玻璃中部、置物臺上方、置物臺下方共3處(簡稱為位置A、B、C)，3位置位于同一垂直平面上，如圖1所示.在駕駛人僅被告知起始地和目的地的情況下，依靠車載導航發布的信息確定路徑.導航路徑信息發布方式包括兩種，一種僅使用圖像提示，另一種則同時提供圖像與語音信息，分別代表視覺次任務和聽覺次任務所產生的作業負荷.

1.3 實驗過程

實驗開始前，駕駛人試車及車載信息系統、佩戴眼動儀.在確認駕駛人不熟悉實驗路線后，告知駕駛人完全按照車載導航所提供的圖像或語音路徑信息駕駛.實驗車輛前排為參與駕駛人與工作人員，后排放置眼動儀主機及相關電器設備.被試完全掌握設備使用方法并確認任務后，在指定起始點開始實驗.

為了盡可能減小道路的單一性以及長期佩戴眼動儀對實驗結果的干擾，9個階段實驗依次進行.每段路線的起點和終點對被試進行眼動行為標定，并提供5～10 min休息時間.各階段實驗持續8 ～10 min.

2 駕駛人眨眼持續時間特性

比較未使用車載導航與使用時眨眼次數分布規律，以50 ms為單位分別展開并觀察差別，如圖2(a)與圖2(b)所示.

圖2 眨眼次數分布Fig.2 The distribution of blink counts

未使用IVIS時，駕駛人眨眼持續時間主要集中于0～200 ms，其中小于50 ms的眨眼約占50%，50～100 ms的眨眼比例約為25%;使用IVIS后，小于50 ms的眨眼次數明顯增加，比例超過了50%，50～100 ms的眨眼則超過30%，100 ms以上眨眼占據的比例明顯減少.

將眨眼持續時間為0～200 ms的眨眼數據以10 ms為間距展開，研究不同眨眼持續時間下眨眼次數分布情況.

在此情況下，駕駛人眨眼次數分布曲線出現了明顯的雙峰特征，如圖3所示.持續時間為10～20 ms、50～60 ms的眨眼比例明顯超過其他區段，這一特征是在以50 ms為間距時無法觀察到的.未使用IVIS時，眨眼持續時間在50～60 ms的峰值低于10～20 ms的峰值，可簡單表達為左峰比右峰高;使用時則相反，左峰低于右峰.此外，其他區段的比例差異并不明顯.

圖3 0～200 ms眨眼次數分布Fig.3 Distribution of blink count on a scale of 0 －200 ms

為進一步探究該現象反映出的問題，參照文獻[1]的分類方法，運用 k-means聚類分析分為3類，確定3種眨眼類型的范圍.結果表明，分為3類時具有顯著的統計學意義(顯著性系數p=0.000).3類眨眼分別稱為短眨眼(0 ～60 ms)、中眨眼(61～130 ms)以及長眨眼(131～200 ms)，如圖4所示.在此基礎上，再次對比有無車載導航條件下駕駛人眨眼情況.使用車載導航后與之前相比，短眨眼和中眨眼明顯增加，長眨眼變化不大.

采用獨立樣本t檢驗，定量判斷車載導航對上述3類眨眼的影響.考慮到Levene檢驗下總體方差不相等，故采用方差不等的t檢驗方法，結果如表2所示.有無車載導航時的短眨眼、中眨眼均具有顯著差異，長眨眼則無顯著變化.文獻[1]認為，短眨眼、中眨眼增加能夠表征駕駛人的工作負荷增大，這表明在使用車載信息系統確定未知路徑的情況下，駕駛人的工作負荷有所增加.這也說明當信息從腦內部提取時，比從外部獲取具有更高的效率.

圖4 駕駛人眨眼類型比較Fig.4 The comparison of blink type

表2 眨眼分類t檢驗表Tab.2 The t-test for blink classification

3 安裝位置的影響

觀察車載導航安裝在不同位置時，駕駛人眨眼持續時間與頻率，如圖5所示.

導航安裝在位置A時，駕駛人持續時間均值大，頻率均值亦最大，數據呈高態分布;安裝在位置C時，上述二值次之;安裝在位置B時，持續時間均值與頻率均值最小，數據呈低態分布，下四分位數與均值接近.

比較車載導航安裝于不同位置時，駕駛人眨眼持續時間的差異.車載導航安裝于不同位置時，眨眼次數分布波動規律相似但存在差異，如圖6所示.

圖6 安裝位置對眨眼次數分布和眨眼類型的影響Fig.6 Effects of navigation system positions on blink count distribution and type

置于位置A時，眨眼次數雙峰高于車載導航置于位置C時數據，而置于位置B時，雙峰比例低于前兩種.

分類比較可知，不同導航安裝位置條件下，眨眼類型的分布也不同.運用單因素方差分析發現，導航安裝位置對中、長眨眼無顯著影響(p=0.162;p=0.213)，而短眨眼具有顯著差異(位置 A，p=0.000;位置 B，p=0.013;位置 C，p=0.002).

圖7 有無導航語音提示下眨眼持續時間與頻率箱線圖Fig.7 Box plots of blink duration and frequency with and without sound route information

眨眼作為一種“不自主運動”，是人心理活動的重要指標.文獻[8]指出，眨眼持續時間是評價工作負荷的靈敏指標，而短眨眼的數量更能反映出駕駛人注意資源的消耗.從人因學角度，設計的改進能夠降低負荷、提高工效，實驗中短眨眼數據的差異說明，導航安裝在位置B時，駕駛人工作負荷更小.

4 語音提示的影響

車載導航語音提示對眨眼持續時間、頻率有顯著的影響.導航有語音提示時，眨眼持續時間、頻率均值明顯偏低，最大值、四分位值也呈現出同樣的特征，如圖7所示.

眨眼持續時間分配與分類狀況比較，如圖8所示.無語音提示下的眨眼次數雙峰均大于有語音提示時，短眨眼明顯增大，中眨眼也相對較大，而長眨眼幾乎不變.

因此，使用車載導航語音提示，可減小駕駛人的工作負荷.顯然，同時發布多通道信息與單通道信息相比具有優勢，駕駛人能夠選擇適當的信息，減少心理資源的占用.

圖8 導航有無語音提示條件下眨眼次數和眨眼類型的分布Fig.8 Distribution of blink count and type with and without sound route information

5 結論

論文通過實車道路實驗采集駕駛人眨眼時間與頻率數據，通過實驗因素控制實現3種對比，包括對比駕駛人使用與未使用車載導航狀態下、車載設備設置在3處不同位置情況下和僅采用圖像信息發布或圖像與聲音信息同時發布方式下的駕駛人眨眼特性，獲得以下結論:

(1)將眨眼持續時間為0～200 ms的眨眼數據，以10 ms為間距展開時，駕駛人眨眼次數分布曲線出現了明顯的雙峰特征.持續時間為10～20 ms、50～60 ms的眨眼比例明顯超過其他區段，這一特征是在以50 ms為間距展開數據時無法觀察到的.

(2)未使用車載導航時，眨眼持續時間在50～60 ms的峰值低于10～20 ms的峰值，使用車載導航時反之，眨眼持續時間在50～60 ms的峰值高于10～20 ms的峰值，其他區段的比例差異并不明顯.

(3)將眨眼數據聚類為短眨眼(0～60 ms)、中眨眼(61～130 ms)以及長眨眼(131～200 ms)，對比有無車載導航條件下駕駛人眨眼情況.使用車載導航后與之前相比，短眨眼和中眨眼明顯增加，長眨眼變化不大.短眨眼、中眨眼增加表示車載導航情況下駕駛人的工作負荷更大.

(4)不同導航安裝位置條件下，中、長眨眼差異不顯著，而短眨眼具有顯著差異，導航安裝在位置B時，駕駛人工作負荷最小.

(5)無語音提示下的眨眼次數雙峰均大于有語音提示時，短眨眼明顯增大，中眨眼也相對較大，長眨眼幾乎不變.故使用車載導航語音提示，可減小駕駛人的工作負荷.

以上實驗結果表明，車載信息服務對駕駛負荷存在影響.其次，車載信息安裝位置、車載信息形式對于駕駛人影響具有差異性.應合理選擇的位置、設置車載信息形式，減小駕駛負荷.此外，研究駕駛負荷時，應選擇敏感性更高的短眨眼作為指標.

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