接管请求越紧迫越好？还需要提供情境信息

李嘉郡，杨振，曾伊琳，马舒

(浙江理工大学 心理系,杭州 310018)

1 引言

自动驾驶技术在提高交通安全性、减少拥挤和净化空气等方面被人们寄予厚望。根据美国汽车工程师协会(SAE)的定义，在L3等级的自动驾驶条件下，驾驶员可以从事与驾驶无关的活动，但受到技术的限制，当出现自动驾驶系统失灵或无法处理的交通状况时，系统会向司机发出接管请求(takeover request,TOR)。司机需要及时调整状态，将注意力从非驾驶相关任务转移到驾驶场景中，获得充分的情境意识，做出行动决策，完成接管任务。

然而，对于司机而言从环外状态(out-of-loop)调整为环内状态(in-the-loop)需要时间，在这个过程中需要使司机处于一定的唤醒状态，并且将司机的注意力转移到驾驶任务中，使其获得充分的情境意识。及时、安全地接管车辆是个巨大的挑战[1]。一方面，自动驾驶过程中司机可能出现被动疲劳，降低司机的生理唤醒水平。即便是15 min的自动驾驶时长，司机也会报告自己很疲惫[1]，当自动驾驶时长在20 min时，生理数据表明被试的认知状态有所降低[1]。Woerle等人发现[18]，与一直处于清醒状态的驾驶员相比，从睡眠中被TOR叫醒的司机要更长的时间才能接管车辆。另一方面，将汽车的控制权交给自动驾驶系统，会使司机处于驾驶任务的“环外”，司机会更多的从事非驾驶相关活动，导致情景意识丧失，接管反应时间的增加、出现更多突然的、猛烈的刹车或转向行为，以及更不稳定的行车轨迹[1，9]，威胁驾驶安全[1]。因此，若想要司机顺利接管车辆，我们需要恰当地唤醒处于“环外”的司机，引导其注意的转换，并提高其情境意识，以辅助驾驶权的顺利过渡，保障接管安全。

通过提高接管请求的紧迫性，可能有利于及时有效地唤醒司机、引导其将注意力快速转移到驾驶场景中。设计中，寻找恰当的通道和方式是关键。首先，相较于驾驶信息主要来源的视觉通道，以听觉通道传达接管请求，有全方位性和迫听性的优势，更能快速引起司机的注意。其次，相较于非语言信息，语言警告的学习成本低，能提供更具体的、有代表性的信息、且有较高的遵从性[10]。不同的语音可以传达不同程度的紧迫性。比如，语速快的语音比语速慢的语音更有紧迫性和命令性[2]；一些短句如“危险，接管”(Danger,take over)引起的主观紧迫感比“请接管”(Please take over)更高[2]。与单调的语音风格相比，高紧迫性的语音风格会产生更高的主观紧迫感[5]。

然而，在模拟驾驶中的研究表明，高紧迫性的告警虽然可以使司机的反应更快，但司机反应的准确度会下降，而且出现较高的横向位移偏差[12]。这可能是因为紧迫感强的警告虽然能诱发司机的快速反应，但是往往以情境意识不充足为代价，从而影响了接管阶段的驾驶表现，出现更多突然的、猛烈的刹车或转向行为，以及更不稳定的行车轨迹[1]。

因此在提高接管请求的紧迫性的同时，提供带有情境信息的语音警告，可能是解决以上问题的有效途径。前人通过眼动技术，发现详细路况语音告警能加快司机对于潜在危险的探测，增加了他们对于潜在危险区域的眼动注视时间。在Serrano等人的研究中[16]，他们向被试展示了4种不同的交通情境，其中2种存在危险情况(如闯红灯的行人)，2种不存在危险情况，被试需要在图片呈现后快速判断是否存在危险情况。根据不同的实验条件，在图片呈现前会播放不同的语音信息，基线组只告知被试“看路”，但是实验组会告知被试“看左边/右边”。结果发现，实验组被试判断危险情况存在的准确率和速度都高于基线组。通过模拟自动驾驶，Wright等人[19]也发现了类似的结果，提供危险环境的信息提高了被试对潜在危险的检测，增加了他们对于潜在危险区域的眼动注视时间。不过，以上研究都只通过分析眼动数据，聚焦接管反应做出之前的情境意识的获取阶段，没有探讨详细的语音信息对于司机接管动作执行结果和绩效的影响。此外，由于听觉信息是短时暂存信息的序列呈现，通过提高语速，可能能弥补因为详细程度提高而带来的信息接收时间延长的不足，可能带来更好的效果。

2 对象与方法

2.1 被试

在浙江理工大学招募了32名持有有效的中国驾照被试，年龄在19-25岁(x=21.84，SD=1.913)，其中女性被试16名，被试视力均正常或矫正至正常。被试平均驾驶年龄为1.59年(s=1.663)，平均总驾驶里程为1718.44公里(s=7097.605)，前一年平均驾驶里程为542.25公里(s=1831.034)。

2.2 研究工具

2.2.1 模拟驾驶器

本研究采用固定式驾驶模拟器。驾驶场景使用STIMIS3构建，并通过分辨率为1 920×1 080像素的60英寸显示屏向被试展示，显示器下方有音响播放驾驶相关声音和TOR警告。驾驶员坐在一个可调节的座位上，可以使用罗技的方向盘以及制动踏板控制模拟汽车，踏板包括刹车踏板和油门踏板。

2.2.2 驾驶场景

驾驶员行驶在双车道公路上。我们要求被试开启自动驾驶模式后就开始低头进行非驾驶相关任务(俄罗斯方块)并尽量不要抬头。在车辆自动驾驶行驶了2.6公里或4.6公里(取决于自动驾驶时长的条件)后，出现接管情景并响起TOR警告。每个被试经历四种接管情境:分别为行人从左侧道路(1)或右侧道路(2)闯红灯过斑马线；停在左侧路肩(3)或右侧路肩(4)的车辆突然汇入司机所处的车道前方。驾驶员可以通过打方向盘或者踩刹车踏板来控制车辆。每次驾驶被试只经历一次接管场景，接管完成后再重新开始下一次驾驶。实验对自动驾驶时长、接管情境以及危险物出现方向在被试间进行了拉丁方平衡。

2.3 实验设计

2.3.1 自变量设计

实验采用2×2被试内设计，两个自变量分别是TOR的详细程度(简单、详细)和紧迫性(不紧迫、紧迫)，因此每个被试经历四次接管，每次接管前被试接收到的TOR警告不同。每个条件下，TOR都是提前7s的前置时间发出。简单的TOR只是提醒驾驶员注意道路(“注意前方道路”)，详细的TOR则会告知驾驶员潜在碰撞物是什么以及其所在方向(如“注意右前方车辆”)。使用Balabolka软件将这两种文本信息合成语音警告，并通过变化语速和语调分别合成了紧迫(语速3，语调10)和不紧迫(语速1，语调1)两个版本。在浙江理工大学随机找了9名学生对警告的紧迫性进评估，重复方差分析结果表示，两个版本警告的紧迫性存在显著差异(F(1,9)=87.223，P<0.001)。

2.3.2 因变量

本研究使用计算机以30Hz的频率自动记录所有驾驶相关动态数据，计算后得到的客观数据包括：接管反应时间、接管时最大横向加速度和最大纵向加速度。(1)接管时间被定义为发出TOR警告到驾驶员做出反应之间的最小间隔时间值(转向角度>2°或刹车踏板率>10%)[8]。(2)最大横向/纵向加速度是驾驶员接管过程中最大的横向/纵向加速度值，加速度值越大代表接管质量越差[6]。此外，还使用TOR的可接受度问卷[17]收集了被试对于TOR的主观评价。接受度问卷可以基于驾驶员对于告警的有用性和满意度评估驾驶员的态度。问卷中包括了9个问题，均是从-2到2以李克特5点评分方式计分。其中5个奇数项问题的平均分作为有用性评分，4个偶数项的平均分为满意度分数。负值代表没用/反感；正值代表有用/满意；分数越高代表被试觉得越有用/满意。

2.4 实验程序

(1)被试填写驾驶员信息表:学信息及驾驶信息。

(2)向被试介绍相关的设备，并让他们调整座位。

(3)练习阶段。被试先自己驾驶一次，以熟悉模拟车辆。完成后向被试介绍自动驾驶系统，并让其练习如何激活自动驾驶模式和接管车辆。被试被告知开启自动驾驶模式后就开始低头进行非驾驶相关任务(在智能手机上玩俄罗斯方块)并尽量不要抬头。

(4)正式实验。每个被试经历四次驾驶，每次大约持续3-4 min,经历一次接管，每次完成后被试需填写对本次驾驶证TOR告警的可接受度问卷。整个实验持续了大约30 min，完成后每个被试获得20元的报酬。

2.5 数据采集和分析

柯尔莫诺夫-斯米尔诺夫检验分析显示因变量不服从正态分布，且数据存在缺失值(被试有时没踩刹车)，因此对于所得数据我们采用了广义线性混合模型(GLMM)。GLMMs是基于线性模型的扩展，其因变量可以服从非正态分布。本研究将TOR的紧迫程度和详细程度作为固定因素，危接管情景作为随机因素，同时控制了试次顺序，构建GLMM模型。

3 结果

在本研究的128次接管事件中，发生了5次碰撞，且都是避让行人的接管情景，其中4次是在不紧急条件下发生的。其他描述统计以及GLMM分析结果如表1、2所示。

表1 TOR详细程度对接管表现和主观评价的影响

续表1

表2 TOR紧迫程度对接管表现和主观评价的影响

3.1 不同类型TOR对接管表现的影响

3.1.1 不同类型TOR对接管反应时的影响

GLMM结果显示，TOR的紧迫性对驾驶员的接管反应时间影响显著(F(1,123)=6.155，P<0.05，β=0.354)，即如图1所示，相比于不紧迫的TOR，TOR紧迫性高时被试的接管反应时更短。详细程度主效应不显著(F(1,123)=0.410，P=0.523)，TOR详细程度和紧迫性交互效应不显著(F(1,123)=0.091，P=0.763)。

图1 模拟驾驶设备及场景

图1 TOR对接管反应时的影响

3.1.2 不同类型TOR对最大横向加速度的影响

结果表明，TOR的详细程度对最大横向加速度有显著影响(F(1,123)=4.151，P<0.05,β=0.504)，如图2所示，详细TOR条件下被试接管的最大横向加速度低于简单TOR条件下的最大横向加速度(1.432<1.942)。紧迫程度的主效应(F(1,123)=0.628，P=0.429)以及交互作用(F(1,123)=0.232，P=0.631)的影响不显著。

图2 TOR对最大横向加速度的影响

3.1.3 不同类型TOR对最大纵向加速度的影响

没有发现统计学上显著影响最大纵向加速度的效应。TOR紧迫性的主效应不显著(F(1,89)=1.481，P=0.227)，详细程度的主效应不显著(F(1,89)=2.339，P=0.130)，交互作用的影响也不显著(F(1,89)=0.397，P=0.530)。

3.2 不同类型TOR对被是主观评价的影响

3.2.1 不同类型TOR对有用性评价的影响

被试对详细程度不同的TOR报告的有用性程度差异显著(F(1,124)=11.553，P<0.005,β=1.225) ，被试对详细TOR的有用性评分比简单的TOR更高(6.56>5.25)。但未观察到紧迫程度的主效应(F(1,124)=1.443，P=0.232)的影响，以及交互效应(F(1,124)=2.364，P=0.127)。

3.2.2不同类型TOR对有满意度评价的影响 没有发现统计学上的显著影响被试对TOR满意度的因素。被试对不同紧迫程度TOR的主观满意度差异不显著(F(1,124)=0.324，P=0.570)。TOR的详细程度也不影响被试的满意度评分(F(1,124)=2.318，P=0.130)。TOR详细程度和紧迫程度的交互作用也不显著(F(1,124)=0.003，P=0.955)。

4 讨论

本文探讨了在L3级别的自动驾驶中，语音告警的紧迫性和信息详细程度对司机接管反应的影响，结果发现高紧迫性的告警可以使司机更快的响应接管请求；相对于信息内容简略的告警，详细信息的告警条件下驾驶员接管车辆时的横向偏移更小，接管过程更缓和；紧急且详细的告警能引导司机快速地做出接管反应，且不会损害司机对于车辆的横向控制。

4.1 紧迫的TOR对驾驶员接管反应的影响

本研究发现，提高语音TOR的紧迫性能减少驾驶员的反应时，使驾驶员对接管的反应更快。这与前人的研究一致，Sadeghian Borojeni等人发现[13]，当车辆在直路上行驶时，驾驶员对于紧迫的视听TOR的接管反应速度更快(1.31s<1.39 s)。这说明通过提高语音的语速和语调传递的语音TOR紧迫性，可以使处于“环外”状态的驾驶员更快的对接管请求做出反应。Politis I.等人研究发现高紧迫性的TOR会引起更高的横向位移偏差[11]，在本研究的结果中，虽然没有发现紧迫性对于横向加速度的显著影响，但高紧迫性TOR引起的最大横向加速度值大于低紧迫性TOR引起的最大横向加速度值。由此可见，高紧迫度性的TOR所传达的紧迫感引起了司机更高水平的生理激活[3]，使司机能够更快的从被动疲劳状态中警醒，并且更快的将注意转移到驾驶任务中。但是需要警惕高紧迫性的TOR引起司机快速的接管反应，可能是以牺牲接管质量为代价。此外，被试对于TOR的主观评价表明，不管TOR是否紧迫，被试都会觉得它们有用，且被试对所有的TOR都感到满意。

4.2 详细的TOR对驾驶员接管反应的影响

在本研究中可以看到，提供带有情境信息的详细语音警告，使车辆的横向偏移更小，有更好的接管质量。且对TOR的主观评价表明，司机认为详细的TOR能提供更多信息，更有用。从侧面印证详细的TOR促进了司机情景意识的获取。这与我们的假设相符。

根据情境意识三阶段理论[7]，第一个阶段是指对环境中特定的时空元素和事件的感知;第二个阶段是对这些元素和事件的理解;第三个阶段是对元素和事件未来状态的预测。详细的TOR理应可以通过加快第一或第二阶段，帮助司机更快地获得情境意识，然而在本研究中并没有发现详细的TOR能加快被试的接管反应速度。这可能由于司机听到告警后，获取情景意识和做出反应的过程并不是线性进行的。他们可能会尽快的做出反应，即使此时只有部分情境意识，而非完全的情境意识[4]；同时还在收集、处理自上而下的(告警内容)/自下而上(环境)的信息。而同样的语速下，详细的TOR请求相较于简略的TOR请求，会带来信息接收、处理时间的延长，因而虽然可以缩短情境意识获得时间提高接管的质量，但听觉信息接收时间更长，使得最终的接管反应时间上优势并不显著。此外，我们计算的是最后做出行动的反应时间，而不是注意转移到驾驶情境上(eyes-on road)或者手放在方向盘上(hands-on wheel)的反应时间，可能对于一个非线性的认知过程，一个最终的反应时不是很敏感。

4.3 详细且紧迫的TOR对驾驶员接管反应的影响

研究结果中TOR的紧迫和详细程度交互作用在各变量上都不显著。但是分别从紧迫程度和详细程度的主效应分析中可以看出，紧迫的TOR可以加快接管，但是存在牺牲接管质量的风险，可能没有获得足够情境意识下就进行接管反应，当TOR更紧迫时更需要结合告警内容的优化设计以确保安全。而详细的TOR可以通过提供情境意识的信息帮助司机更平缓的高质量接管车辆，但因为语音详细程度提高而带来的信息接收时间延长。因此，紧迫且详细的TOR，可以较好地取长补短，可以弥补司机倾向于快速接管车辆的而情境意识不足的安全隐患，引导司机既快又好地进行车辆接管。

未来在设计前置时间很短的TOR时，我们可以让TOR能够提供详细的情景信息，帮助司机更快的获取情景意识，同时加快语速以弥补语音序列性对于反应时的负面影响，使得司机可以快速做出接管反应，且不会损害司机对于车辆的横向控制。

4.4 研究不足

本研究探讨了TOR紧迫程度和详细程度对司机接管绩效的影响，但在背后机制的解释上还需要更多实证数据的支持，存在以下不足：首先，本研究未能收集被试的生理数据(如皮肤电、心率)，以更加直观的比较不同TOR紧迫性下被试的生理激活水平，以更好的理解紧迫的语音TOR对于被试的唤醒以及更高的唤醒水平是如何促进被试更快的做出接管反应。第二，本研究通过接管的横向加速度来对司机接管质量做出评定，在今后的研究中可以收集眼动数据来辅助验证TOR的紧急和详细程度所带来的情境意识获取方面的差异，验证我们的推论。第三，虽然驾驶模拟器可以提供一个有效的驾驶能力测试平台，但它可能会导致驾驶员的行为与真实驾驶不同。TOR紧迫程度和详细程度对司机的接管行为影响效果需要在未来的实际行车道路上进行检验。第四，本研究的被试为驾驶经验较少的新手司机，他们比有经验的司机报告更多的驾驶应激[20]，更不充足的情境意识[14-15]，未来的研究将在更多样化的驾驶样本中对接管进行调查，以检验目前的研究结果。

5 结论

紧迫的TOR可以使司机更快接管车辆，但是存在牺牲接管质量的风险，可能是没有获得足够情境意识下就进行接管反应。提供了详细情境信息的TOR可以提高司机对车辆的控制，而司机获取情景意识、做出反应的过程不是线性的，不管语音信息的长度司机的接管反应都一样快。因此，在前置时间短的接管情景中，使用详细且紧急的TOR可以使司机快速做出接管反应，且不会损害司机对于车辆的横向控制。