并發(fā)任務(wù)對駕駛員駕駛行為的影響

胡 夫，孫 健，黃一哲，周 岱

（1.廣東臺(tái)山沿海高速公路有限公司，廣東 臺(tái)山 529231；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 交通研究中心，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 土木工程系，上海 200240）

并發(fā)任務(wù)對駕駛員駕駛行為的影響

胡 夫1，孫 健2，黃一哲2，周 岱3

（1.廣東臺(tái)山沿海高速公路有限公司，廣東 臺(tái)山 529231；2.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 交通研究中心，上海 200240；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 土木工程系，上海 200240）

駕駛過程中使用手機(jī)、收聽音樂等并發(fā)任務(wù)會(huì)對駕駛員駕駛行為產(chǎn)生不同程度的影響，進(jìn)而給周圍道路環(huán)境、車輛以及行人造成安全威脅。為了系統(tǒng)探析不同并發(fā)任務(wù)模式對駕駛員駕駛行為的影響程度，以四種典型并發(fā)任務(wù)模式（手機(jī)使用、乘客互動(dòng)、視頻播放、音頻播放）為研究對象，引入主成分分析法，構(gòu)建面向駕駛員行為表現(xiàn)的綜合評價(jià)體系。同時(shí)，以國外學(xué)者針對不同并發(fā)任務(wù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)所用的原始數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，對四種并發(fā)任務(wù)對于駕駛員行為的不同影響進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，使用手機(jī)對于駕駛員的駕駛行為影響最大，與乘客互動(dòng)次之；視覺上注意力的分散相對于認(rèn)知上注意力的分散更容易對駕駛員的駕駛能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

并發(fā)任務(wù)；注意力分散；駕駛員行為；主成分分析法；綜合評價(jià)體系

0 引言

駕駛員行為對城市交通系統(tǒng)的安全性和可靠性有著重要影響。隨著科技的迅猛發(fā)展，各類設(shè)備（如手機(jī)、迷你電視、CD播放器及其他）在駕駛中同時(shí)被頻繁使用，增加了駕駛員注意力分散的可能性，嚴(yán)重威脅了公共安全。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）報(bào)告顯示，2005—2009年有27 537起交通意外事故因駕駛員注意力分散所致[1]，約占交通事故總數(shù)的1/4。因而，開展多項(xiàng)并發(fā)任務(wù)對駕駛員行為特別是行車安全影響的研究顯得非常必要。

國外針對并發(fā)任務(wù)對交通駕駛員反應(yīng)能力、控制表現(xiàn)影響的相關(guān)研究較為成熟。最早的相關(guān)研究可追溯到1969年Brown I.D.等[2]評估駕駛員處于壓力下的反應(yīng)速度，得出“一定程度的外界干擾會(huì)增加駕駛員處理并發(fā)狀況的需求，從而影響駕駛員行為”的結(jié)論。之后，Goodman等[3]采用綜合評估法研究了車內(nèi)手機(jī)使用對于具體駕駛行為表現(xiàn)的影響；Horberry T.等[4]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境更容易導(dǎo)致駕駛員注意力分散；Charlton S. G.[5]通過模擬器模擬多種緊急情形（如山石滑坡、行人過街、警示信號等），得出使用手機(jī)交談會(huì)對駕駛員行為產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面影響的結(jié)論；Feaganes J.等與Stutts J.等[6-7]通過對不同并發(fā)任務(wù)模式所帶來的注意力分散程度進(jìn)行比較排序，得知來自車輛外界的行人、物體、車輛會(huì)分散駕駛員29.4%的注意力，調(diào)整車內(nèi)娛樂設(shè)施會(huì)分散11.4%；Smiley A.等[8]研究發(fā)現(xiàn)即使對于熟練的駕駛員，車內(nèi)視聽娛樂系統(tǒng)也會(huì)對其駕駛行為如車道保持、剎車反應(yīng)時(shí)間等有一定程度的影響；Birdsall M.S.[9]研究發(fā)現(xiàn)道路環(huán)境所帶來的注意力影響同樣重要，其中廣告牌是分散注意力的主要來源之一。

相對于國外豐富多樣的研究，國內(nèi)對于并發(fā)任務(wù)對交通駕駛員行為影響的研究尚處于起步階段。2010年，李平凡等[10]從心理認(rèn)知學(xué)等角度就手機(jī)使用對于人腦負(fù)荷的影響進(jìn)行了研究；劉暢等[11]構(gòu)建了以使用手機(jī)為前提的駕駛可靠度模型；白玉等[12]從駕駛時(shí)使用手機(jī)的原因入手，綜述了手機(jī)使用對駕駛員行為的影響；李宏汀等[13]分析了手機(jī)對于駕駛員分心的心理學(xué)機(jī)理。相對于國外，國內(nèi)相關(guān)研究方法系統(tǒng)性欠佳，主要研究的并發(fā)任務(wù)聚焦在手機(jī)使用方面。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，多數(shù)研究基于模擬實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，通過顯著性檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行比較分析，對于不同并發(fā)任務(wù)模式下駕駛員行為的差異有著較為深入的研究。其中，手機(jī)使用是研究熱點(diǎn)，無論是其對任務(wù)本身的影響程度，還是其在駕駛員個(gè)體中存在的差異等方面的研究都取得了較多成果。然而，有關(guān)并發(fā)任務(wù)的研究仍存在以下問題：①除手機(jī)使用外，就其他并發(fā)任務(wù)模式對于城市交通駕駛員行為的影響缺少全面的定量研究；②在衡量駕駛員綜合駕駛行為能力表現(xiàn)時(shí)，尚未有標(biāo)準(zhǔn)化的、綜合性的評價(jià)系統(tǒng)加以統(tǒng)一比較；③多數(shù)研究側(cè)重于分析某種特定并發(fā)任務(wù)模式以及在該模式下駕駛員行為的表現(xiàn)，綜合比較不同并發(fā)任務(wù)模式對駕駛員具體行為影響的研究較少。

針對以上問題，本文將從建立綜合評價(jià)體系入手，選取代表駕駛員駕駛行為能力的具體指標(biāo)，引入系統(tǒng)性方法對各分指標(biāo)加以篩選并形成標(biāo)準(zhǔn)化體系；同時(shí)在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用該評價(jià)指標(biāo)體系，量化、比較多種并發(fā)任務(wù)模式對駕駛員整體駕駛行為的影響。

1 并發(fā)任務(wù)模式及其典型模式

并發(fā)任務(wù)的發(fā)生將占用駕駛員腦部資源并分散駕駛的注意力，影響駕駛員處理信息和進(jìn)行行為決策的過程與結(jié)果。常見的注意力分散來源主要有視覺注意力分散、動(dòng)作注意力分散以及認(rèn)知注意力分散，其中視覺注意力分散指當(dāng)駕駛員受到外界信息的干擾，而將視線移開路面去關(guān)注或處理與駕駛無關(guān)的其他視覺信息；動(dòng)作注意力分散指駕駛員因受外界信息干擾，將手移開方向盤或汽車控制裝置而去操控其他與駕駛無關(guān)的設(shè)備；當(dāng)用于維持車輛安全操控的注意力因被其他信息干擾而減少時(shí)，駕駛員便會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知注意力分散。這三種類型的注意力分散來源既可單獨(dú)作用于駕駛員信息處理的過程，亦可兩兩或三者同時(shí)作用共同產(chǎn)生影響。

常見并發(fā)任務(wù)模式可按注意力分散來源的不同來分類，如表1所示[14]。其中，V（Visual）指視覺注意力分散；C（Cognitive）指認(rèn)知注意力分散；P（Physical）指動(dòng)作注意力分散。

表1 按注意力分散來源分類的七類常見并發(fā)任務(wù)模式[14]

從研究實(shí)用性角度出發(fā)，需從各類并發(fā)任務(wù)模式中進(jìn)一步篩選出典型情景進(jìn)行深入分析。本文采用交通事故貢獻(xiàn)率作為篩選并發(fā)任務(wù)的重要指標(biāo)，它可反映注意力分散的程度。Young K.L.[14]統(tǒng)計(jì)了由注意力分散現(xiàn)象所導(dǎo)致事故中較為常見的并發(fā)任務(wù)模式的交通事故貢獻(xiàn)率，如表2所示。

表2 常見并發(fā)任務(wù)模式與相應(yīng)事故貢獻(xiàn)率[14]

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，本文選取與乘客互動(dòng)交談、手機(jī)對話、收聽或調(diào)節(jié)收音機(jī)或音樂、觀看或調(diào)節(jié)視頻設(shè)備這四種具有較高事故貢獻(xiàn)率的并發(fā)任務(wù)作為典型并發(fā)任務(wù)情景加以探討。

2 評價(jià)模型的建立

為系統(tǒng)分析典型并發(fā)任務(wù)模式下駕駛員的綜合行為表現(xiàn)，運(yùn)用層次分析法確定相關(guān)評價(jià)指標(biāo)體系，并構(gòu)建以主成分分析法為基礎(chǔ)的評價(jià)模型。

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系的確定

為系統(tǒng)評價(jià)駕駛員駕駛?cè)蝿?wù)完成的良好程度，依照參考文獻(xiàn)[14]針對駕駛能力的調(diào)查分析結(jié)果，可從駕駛行為表現(xiàn)的四類指標(biāo)（即違規(guī)現(xiàn)象、車輛操縱、注意疏忽和應(yīng)急反應(yīng)）著手。其中，違規(guī)現(xiàn)象指駕駛員在駕駛過程中產(chǎn)生的違反交通法規(guī)的現(xiàn)象；車輛操縱指從車輛本身行駛狀況的角度，考評駕駛員對車輛的操縱和控制能力；注意疏忽指駕駛員受到并發(fā)任務(wù)影響產(chǎn)生注意力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象；應(yīng)急反應(yīng)主要測量駕駛員在緊急情況下的反應(yīng)時(shí)間，如剎車、綠燈起步時(shí)間等。根據(jù)以上分類，初步確定駕駛員行為能力表現(xiàn)的綜合評價(jià)指標(biāo)體系，如表3所示。

表3 駕駛員行為表現(xiàn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系

由于表3中分指標(biāo)過于繁瑣，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步篩選。針對第一類“違規(guī)現(xiàn)象”指標(biāo)，本文僅統(tǒng)計(jì)駕駛員在不同并發(fā)任務(wù)模式下的總違規(guī)次數(shù)，而不分類統(tǒng)計(jì)具體違規(guī)次數(shù)；對于第二類“車輛操縱”指標(biāo)，選取平均速率、速率方差和車道位置方差三個(gè)分指標(biāo)，剔除車道位置分指標(biāo)；對于第三類“注意疏忽”和第四類“應(yīng)急反應(yīng)”，因各項(xiàng)分指標(biāo)所代表的駕駛員行為能力不能互相替代，因此全部保留。篩選后得到的駕駛員行為表現(xiàn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系如表4所示，可為下一步數(shù)據(jù)采集提供指導(dǎo)。

表4 篩選后的駕駛員行為表現(xiàn)綜合評價(jià)指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)獲取及其標(biāo)準(zhǔn)化

本文采用Strayer D.L.,Beede K.E.以及Cooper J.M.[15-17]等人于2003—2012年針對不同并發(fā)任務(wù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源開展研究。考慮到各模擬實(shí)驗(yàn)的差異性，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)無量綱化、標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。選取原模擬實(shí)驗(yàn)中不同分指標(biāo)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)組（有并發(fā)任務(wù)作用）數(shù)值和控制組（無并發(fā)任務(wù)作用）數(shù)值，定義新分指標(biāo)數(shù)據(jù)為二者比值，即：

根據(jù)式（1）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到如表5所示的統(tǒng)一化數(shù)據(jù)。

表5 典型并發(fā)任務(wù)模式下不同分指標(biāo)統(tǒng)一化數(shù)據(jù)表

表5中，當(dāng)統(tǒng)一化數(shù)值大于1時(shí)，表示并發(fā)任務(wù)對分指標(biāo)代表的相應(yīng)駕駛員行為表現(xiàn)起到反作用；當(dāng)統(tǒng)一化數(shù)值小于1時(shí)，表示并發(fā)任務(wù)對分指標(biāo)起到正向作用。

2.3 主成分分析評價(jià)模型的建立

首先計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，在此基礎(chǔ)上計(jì)算各特征值以及各主成分的方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表6所示。前兩大主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為86.765%，大于85%的主成分提取標(biāo)準(zhǔn)，故提取第一主成分Z1和第二主成分Z2作為新的子指標(biāo)來評價(jià)駕駛員綜合行為表現(xiàn)。

表6 主成分特征值、方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率

根據(jù)各主成分的載荷，可得主成分與隨機(jī)變量的線性關(guān)系如下：

式中：Z1為第一主成分；Z2為第二主成分；x1, x2,…,x9為不同類型的分指標(biāo)。

根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，可得兩個(gè)主成分對應(yīng)的隨機(jī)變量的系數(shù)，即相應(yīng)的主成分載荷。Z1和Z2的方差貢獻(xiàn)率分別為48.796%和37.968%，兩者累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為86.765%。將兩個(gè)主成分的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到綜合主成分Z的表達(dá)式：

將式（2）、式（3）代入式（4），得到Z的最終表達(dá)式如下：

綜合計(jì)算結(jié)果，第一主成分Z1、第二主成分Z2和綜合主成分Z的載荷如表7所示。

表7 主成分載荷陣及結(jié)果

可根據(jù)不同并發(fā)任務(wù)下各隨機(jī)變量xi的值計(jì)算綜合主成分Z的得分，并以此評價(jià)駕駛員綜合駕駛行為能力。

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

由表7可得，影響第一主成分得分的主要因素為平均速率、剎車反應(yīng)時(shí)間和起步反應(yīng)時(shí)間，三者對應(yīng)的主成分載荷分別為-0.223，0.228和0.226，可推斷第一主成分主要反映駕駛員的應(yīng)急反應(yīng)能力。影響第二主成分得分的主要因素為總違規(guī)次數(shù)、車道位置方差、視線轉(zhuǎn)移時(shí)間比以及手脫離方向盤時(shí)間，四者對應(yīng)的主成分荷載分別為0.288，0.280，-0.286和-0.288。第二主成分與注意疏忽類和違規(guī)現(xiàn)象類指標(biāo)聯(lián)系最大，而注意力上的疏忽往往會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致違規(guī)現(xiàn)象的增加和車輛位置的波動(dòng)變化，可推斷第二主成分所代表的是駕駛員注意力集中與否的整體表現(xiàn)。

將四種典型并發(fā)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)變量xi的值帶入式（2）、式（3）和式（5）中，得到四種典型并發(fā)任務(wù)模式下駕駛員行為的第一主成分Z1、第二主成分Z2和綜合主成分Z的得分及排名情況，如表8所示。

模型評分結(jié)果越高，表示駕駛員操縱和調(diào)控導(dǎo)致的車輛行駛狀況變動(dòng)越大，駕駛員在該模式下的綜合行為表現(xiàn)越差。由表8可得，使用手機(jī)這一并發(fā)任務(wù)模式的綜合主成分得分最高，隨后依次為與乘客互動(dòng)、播放視頻以及播放音頻。該結(jié)果反映出在四種典型并發(fā)任務(wù)中，使用手機(jī)對駕駛員的駕駛行為產(chǎn)生的影響最大，其次是與乘客互動(dòng)，兩種情況下駕駛員綜合表現(xiàn)得分均為正，這說明駕駛過程中使用手機(jī)以及與乘客互動(dòng)給駕駛員駕駛行為帶來的負(fù)面影響較大。播放視頻和播放音頻兩種并發(fā)任務(wù)模式下，駕駛員綜合表現(xiàn)得分為負(fù)值，說明在駕駛過程中從事這兩種并發(fā)任務(wù)時(shí)，駕駛員綜合行為表現(xiàn)受到的影響較小，對車輛的綜合控制能力較優(yōu)。其中，視頻對駕駛員產(chǎn)生的影響程度大于音頻，播放視頻時(shí)駕駛員受到視覺上和動(dòng)作上兩種注意力分散來源的作用；播放音頻時(shí)受到認(rèn)知上和動(dòng)作上兩種來源的影響。綜合分析可知，認(rèn)知上的注意力分散不及視覺上的注意力分散對駕駛員影響程度大。

根據(jù)第一主成分得分結(jié)果，駕駛員使用手機(jī)模式得分最高，說明駕駛員在使用手機(jī)時(shí)應(yīng)急反應(yīng)能力在上述典型并發(fā)任務(wù)中下降最多，反應(yīng)時(shí)間最長，速率變動(dòng)也最大；而其他三種模式對于駕駛員這一能力的影響較小。根據(jù)第二主成分得分結(jié)果，駕駛員與乘客互動(dòng)模式下得分最高，說明駕駛員在與乘客互動(dòng)交流時(shí)，更容易產(chǎn)生注意力分散，引發(fā)更多的違規(guī)駕駛行為，行車穩(wěn)定性較差。

4 結(jié)論

本文以四種典型并發(fā)任務(wù)模式（手機(jī)使用、乘客互動(dòng)、播放視頻、播放音頻）為研究對象，引入主成分分析法，構(gòu)建了面向駕駛員行為表現(xiàn)的綜合評價(jià)體系，并以國外學(xué)者針對不同并發(fā)任務(wù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)所用的原始數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，就四種并發(fā)任務(wù)對于駕駛員駕駛行為的影響進(jìn)行了評價(jià)，得出如下結(jié)論。

（1）手機(jī)使用對于城市交通駕駛員綜合行為表現(xiàn)的影響最大，且主要影響駕駛員的應(yīng)急反應(yīng)能力。交通法規(guī)中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對駕駛員使用手機(jī)的限制，例如嚴(yán)禁、禁止或者減少駕駛員在駕駛過程中對手機(jī)的使用，以保障駕駛員及車內(nèi)乘客和車外環(huán)境的安全。

（2）與車內(nèi)乘客的互動(dòng)交流對駕駛員綜合行為能力的影響僅次于手機(jī)使用。進(jìn)行該項(xiàng)并發(fā)任務(wù)，駕駛員同時(shí)產(chǎn)生視覺上、認(rèn)知上和動(dòng)作上三方面的注意力分散，使其及時(shí)處理各方信息和行為決策的效率降低。所以，在后續(xù)駕駛相關(guān)法律法規(guī)的完善工作中，應(yīng)控制駕駛員主動(dòng)與乘客互動(dòng)的行為，并在相關(guān)宣傳上引導(dǎo)車內(nèi)乘客減少與駕駛員互動(dòng)，從雙向減少該并發(fā)任務(wù)發(fā)生的可能。

（3）視覺上的注意力分散與認(rèn)知上的注意力分散相比，更易對駕駛員駕駛能力產(chǎn)生負(fù)面影響，故應(yīng)通過立法立規(guī)和強(qiáng)化執(zhí)法，減少駕駛員視覺上注意力的分散，如減少駕駛過程中的視頻播放等。

需要說明的是，本文僅篩選了四種典型并發(fā)任務(wù)模式進(jìn)行討論，且缺少相關(guān)實(shí)證實(shí)驗(yàn)，無法消除不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源的偏差。下一步將擴(kuò)大研究范圍，進(jìn)一步考慮駕駛員個(gè)體差異、路面狀況以及外部環(huán)境對駕駛員行為表現(xiàn)的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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Influence of Concurrent Task on Road Driver′s Behavior

HU Fu1,SUN Jian2,HUANG Yi-zhe2,ZHOU Dai3
(1.Guangdong Taishan Coastal Expressway Co.,Ltd.,Taishan 529231,China;2.Transportation Research Center, School of Naval Architecture,Ocean&Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240, China;3.Department of Civil Engineering,School of Naval Architecture,Ocean&Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Driving accompanied by concurrent tasks,such as using cell phone,listening music,etc., tends to bring threatens to the safety of road,vehicle and pedestrian.In order to evaluate the impact of various concurrent tasks on driver′s behavior,four typical ones which were using cell phone,passenger interaction,playing video and playing audio were selected as cases,and the principal component analysis was used to build a driver′s behavior oriented comprehensive evaluation system.Experimental data from previous studies were obtained to evaluate the impact of the four concurrent tasks.The results indicate that using cell phone has the greatest impact on driver′s behavior,followed by passenger interaction.Compared to cognitive distraction,visual distraction is more likely to weaken the driver′s ability.

concurrent task;distraction;driving behavior;principal component analysis;comprehensive evaluation system

U491.1

A

2095-9931（2015）06-0045-06

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.06.008

2015-12-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71101109）；教育部人文社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（15YJCZH148）

胡夫（1968—），男，吉林長春人，工程師，主要從事交通運(yùn)輸公路管理工作。E-mail：danielsun@sjtu.edu.cm。