基于认知负荷理论的车载HMJ设计策略研究

在驾驶环境中,人的认知资源和容量有限,当车载人机交互界面(HMI)信息量太大、交互逻辑过分复杂时,会造成用户认知失衡,增加安全风险。本文基于认知负荷理论,从车载HMI、驾驶员、车载HMI与驾驶员的交互三个维度出发,分析认知负荷的影响因素,提出了车载HMI设计策略,为车载HMI的设计提供一定的参考。     

认知分心对驾驶安全的影响及调节因素

驾驶员认知分心是指驾驶员的心智偏离首要驾驶任务。手机通话、与乘客交谈、分析GPS导航信息以及做白日梦等活动都会导致认知分心。本文概述了认知分心对驾驶安全造成的潜在负面影响,分析了驾驶员特质、驾驶任务要求、次要任务要求以及自我调节因素对认知分心的调节作用,最后展望了对驾驶员认知分心的监测、预防和改善措施。     

检测反应任务(DRT)在驾驶员认知负荷研究中的应用和发展

随着信息技术的普及和进步,驾驶员对各种类型的车载信息系统和移动智能终端应用使用越来越普遍。在为驾驶员带来便捷的同时,这些信息系统和终端应用也会占用驾驶员较多的认知资源,进而造成驾驶分心,影响驾驶安全。然而,直接测量某一项任务对驾驶员认知负荷的占用具有较高难度。本文介绍的检测反应任务(Detection Response Task,DRT)是一种近年来国际上广泛采用的驾驶员认知负荷间接测量方法,对认知负荷的变化具有较高的敏感性,其主要形式包括远程式视觉检测反应任务(Remote DRT)、头戴式视觉检测反应任务(Head-mounted DRT)与触觉检测反应任务(Tactile DRT)三种。文中详细描述了这三种检测反应任务的呈现方法、在不同场景中的使用范例,以及重要参数的设计原则等,并对不同方法和不同场景中使用的优缺点进行了对比。最后,论文对检测反应任务未来在更多领域的拓展应用进行了展望。     

心理负荷对驾驶员刺激检测的影响

复杂的道路交通状况以及智能车机交互系统会增加驾驶员的心理负荷，降低其对刺激的检测绩效，从而增加驾驶安全风险、导致事故发生。本文从负荷理论出发，综述了心理负荷对于驾驶员刺激检测的影响，以及其它因素的调节作用。(1)不同类型的心理负荷会对驾驶条件下刺激检测造成一定影响。一方面，不管在单通道还是跨通道条件下，高知觉负荷都会降低驾驶任务中的刺激检测绩效，主要通过影响驾驶员注意选择发生的阶段。另一方面，认知负荷也会影响驾驶员的刺激检测，主要通过影响驾驶员内源性注意的执行控制能力从而决定驾驶员对于刺激检测的次序。(2)心理负荷对驾驶员刺激检测的影响还会受到驾驶员年龄差异、对刺激检测的反应方式以及特殊刺激等其它因素的调控。未来可从心理负荷机制的角度研究各因素对驾驶员刺激检测产生的影响，以及各因素之间可能存在的交互作用。     

自动驾驶接管中的分层振动警示设计研究

目的驾驶员在自动驾驶系统遇到无法处理的交通情况时需要尽快恢复情景意识,进行驾驶操控权的接管,由于自动驾驶中驾驶员将更多的从事驾驶次任务,需要进行有效的自动驾驶接管信息提示设计,降低认知负荷,提高接管绩效,改善驾驶体验。方法触觉显示是在视听通道失效的情况下,获取驾驶情景信息的有效方式。基于自主开发的触觉坐垫,研究分层振动警示接管策略对情景意识恢复和用户体验的影响。实验共有24名被试,每个被试将进行单层级、双层级和三层级接管实验。被试在接收到振动警示后,需要中止当前的非驾驶相关任务,接管汽车的控制,并躲过风险情境。结论实验结果表明,相对于单层级振动警示,多层振动警示能提高接管绩效,尤其在高负荷道路和低负荷道路中。三层级振动警示的综合评价最高,但同时也带来了额外的认知负荷。     

高铁ATO对驾驶任务效能的影响研究

目的 高铁自动驾驶(Automatic Train Operation, ATO)是高速列车的重要发展方向,探讨高铁ATO对驾驶任务效能的影响。方法 选择驾驶绩效、事件检测绩效、工作负荷和情景意识为高速列车驾驶任务效能指标,采用半结构化访谈和认知工作分析方法。基于高速列车模拟驾驶平台,探究传统的手动驾驶模式与ATO自动驾驶模式下的效能指标差异。结果 试验数据和结果显示,自动驾驶模式下的驾驶绩效指标优于手动驾驶模式,手动驾驶模式下的事件检测绩效和情景意识指标优于自动驾驶模式,两种模式下的工作负荷指标没有显著性差异。结论 高铁ATO导致驾驶员的警惕性降低、获得的反馈减少、监督负荷增加。本研究指出现有自动驾驶技术的不足之处,对高铁自动驾驶技术的改进和发展具有借鉴意义。     

驾驶员风险认知研究进展

驾驶中的风险认知是对交通情境中潜在客观风险的主观体验。研究发现,提高驾驶员的风险认知水平对促进安全驾驶行为、降低交通事故率有着重要意义。本文介绍了相关理论、研究方法以及国内外研究动态,并对国外为提高驾驶员风险认知水平所展开的培训进行了简要探讨。     

风险水平与风险源类型对驾驶决策的影响

目的 考察风险水平(高、低)与风险源类型(机动车、行人)对驾驶决策的影响以及驾驶员的眼动搜索模式。方法 向41名驾驶员展示具有不同风险水平的交通图片,要求驾驶员做出是否减速的决策,采用Eye Link 1000 Plus眼动仪记录驾驶决策、反应时和眼动情况。结果 低风险情境下,驾驶员对行人风险的减速决策显著多于机动车风险,驾驶员对行人风险的总注视时间和凝视时间都显著短于机动车,注视次数显著少于机动车;高风险情境下,驾驶员对行人风险和机动车风险的减速决策无显著差异,驾驶员对行人风险的总注视时间和凝视时间显著长于机动车。结论 驾驶员对潜在行人风险的视觉加工更高效,驾驶决策更谨慎。本研究为制定符合驾驶员驾驶习惯的交通规则提供了借鉴与参考。     

自动驾驶中基于透明度的人机界面设计研究

目的 选取自动驾驶中后方来车的典型场景,探究基于透明度人机界面（HMI）设计对驾驶员认知的影响。方法 采取文献查阅、场景分析、实验评估等研究方法,使用态势感知的透明度（SAT）理论模型,设计了该场景下的HMI界面,并在驾驶模拟器上进行了设计验证。结果 研究结果表明HMI透明度水平与驾驶员对系统的信任度呈正相关,但感知工作量无显著变化。另外,不同水平的透明度信息会影响驾驶员的态势感知能力,而驾驶员对当前情境的理解与信任度存在显著相关性。结论 HMI的透明度设计会从三个方面影响驾驶员的认知,分别是态势感知、工作负荷和信任度。因此在对人机界面进行透明度设计时,需要重点考虑对这些因素的影响。     

基于视觉行为的智能车载交互界面色彩编码研究

对智能车载交互界面信息进行色彩编码,提高视觉信息的辨识度,从而降低驾驶员在驾驶过程中的认知负荷,提高驾驶员在行驶过程中的认知绩效及驾驶安全性。对驾驶员在驾驶过程中视觉认知过程进行分析,构建视觉注意模型。然后通过问卷形式来获取视觉信息功能元素的操作复杂度、驾驶相关度和使用频率之间的关系,结合调研结果得到使用权重较高的功能元素。对使用权重高的功能元素进行图标设计,通过用户反馈得出最优的图标色彩编码。依据图标方案用户调研数据,在某汽车企业的三种企业形象色中,蓝色是相对于其他两种颜色易于捕获的色彩。蓝色易于驾驶员在行驶过程中进行注意捕获,从而提高驾驶员的认知绩效,将蓝色应用于智能车载信息交互界面呈现的设计中。     

虚拟现实中多通道信息呈现方式的认知负荷定量研究

目的 针对虚拟现实体验系统中的不同信息呈现方式,对使用者交互效率影响难以确定及量化的问题,进行定量研究。方法 通过搭建虚拟现实场景,以信息呈现通道的类别与数量作为变量,展开跟踪–检测响应双任务实验;通过记录任务行为数据中的跟踪误差和响应时间,以及生理数据中的瞳孔直径大小,分析并讨论在不同通道刺激影响因素下的实验中,任务绩效及眼动生理反应变化规律;同时结合主观负荷评价数据,建立了基于BP神经网络的多通道认知负荷模型,以认知负荷作为交互效率的综合评价指标,量化任务执行效率。结果 信息呈现的通道类别及其数量对任务效率均有显著的影响。结论 信息呈现通道数量与任务绩效及生理反应呈一定程度的正相关;多个任务使用相同通道呈现信息会损害所有任务的绩效,增加认知负荷。模型输出的负荷值与主观认知负荷评估值吻合较好,相对误差为8.2%,验证了其有效性。     

基于认知负荷的用户感知体验情感评价方法

目的 探究感知体验中认知负荷对用户行为的影响,实现高效完成用户使用行为的目标任务。在体验过程中缩短心理维度的交互距离,打造深层次的感官及情感体验。方法 从感知体验视角针对用户的认知负荷行为进行深度剖析,在认知负荷视角下构建基于用户情绪的感知体验服务模型,借助PAD情感空间距离及欧式距离算法获取用户情感状态,利用服务设计方法对标认知负荷触点,进而调节用户认知识别路径。通过识别用户情绪、提取消极情绪触点并改善对应认知结构、优化信息呈现方式等减轻用户情感认知负担、提高用户认知效度。融合心理学、认知科学与设计学等多学科知识,探寻用户心理,聚焦用户使用需求及情感体验。结论 形成对产品“感知识别-认知-感知体验-情绪评价”全流程的一致性通感定义,重塑用户体验中的认知行为路径,减少交互过程中冗杂的感知及情感负荷,并通过汗糖检测APP的设计案例验证了方法的有效性和可行性。     

基于眼动实验的车载触控屏注视行为分析

目的 从驾驶员驾驶过程的实际出发,在人车交互过程中探索更舒适的车载信息触控屏位置和界面内功能栏图标位置,以及界面分布方式。方法 应用ASL眼动仪,选择有驾驶经验的青年群体作为实验被试,对车载信息系统触控屏进行眼动实验,采集驾驶员眼动信息,剖析驾驶员在驾驶过程中对车载信息触控屏做出反应的视觉注视行为。结果 驾驶员对不同的汽车触控屏设计方式做出反应的视觉注视行为存在差异。结论 对于车载信息触控屏悬浮式和内置式设计,被试对悬浮式车载信息触控屏反应的速度更快。对于车载信息触控屏通栏显示和双栏显示,通栏显示认知效率更高。对于车载信息触控屏功能栏图标左侧布局和左下侧布局,功能栏图标左下侧布局方式能使被试更快地完成实验任务。     

轻音乐对驾驶疲劳的双向影响

目的本实验探索驾驶负荷累积与轻音乐对驾驶疲劳的影响。方法采用2(驾驶负荷累积)×2(音乐条件)×3(模拟驾驶阶段)混合设计,对32名驾驶员被试进行模拟驾驶实验,采集驾驶员驾驶速度和他们的垂直搜索广度与瞳孔直径。结果第45-60 min时,对于无驾驶负荷累积的被试,轻音乐组车速显著快于无音乐组,轻音乐组垂直搜索广度显著大于无音乐组;对于有驾驶负荷累积的被试,轻音乐组的瞳孔直径小于无音乐组(边缘显著),轻音乐组的车速慢于无音乐组。结论轻音乐对无累积疲劳的驾驶员具有唤醒作用,加快他们的车速,扩大垂直搜索广度,对驾驶绩效具有积极的影响;轻音乐对有累积疲劳的驾驶员会产生催眠作用,缩小瞳孔直径,车速减慢,对驾驶绩效具有消极的影响。     

基于无意识认知的车载电子仪表盘设计研究

目的 汽车人机交互系统具有复杂、动态的特点,日益普及的车载电子信息系统人机交互界面存在实时信息密集、多维的现象。通过对人的无意识认知模式特征进行研究,并以此对汽车驾驶位车载电子仪表盘界面布局进行优化设计,引导用户在驾驶汽车过程中将认知资源集中于驾驶主任务。方法 以人的无意识认知加工过程与用户行为模式之间的联系为基础,总结车载电子仪表盘界面布局设计原则,提出核心视觉信息布局设计的优化方案,并通过用户调研数据及可靠性检验对设计方案可用性进行验证。结论 基于无意识认知交互界面布局设计原则,设计出的车载电子仪表盘界面布局符合用户的认知习惯,满足用户的使用需求。     

语音提示和错误类型对有条件自动驾驶接管的影响

目的 在有条件自动驾驶中,驾驶员会根据系统发出的接管提示而选择进入手动驾驶模式。由于技术限制,自动驾驶系统有时会发出错误的接管提示,这可能会影响驾驶员的人机信任及后续的接管决策。此外,不同类型的接管提示音类型也会影响驾驶者对接管的响应。因此,探究不同声音类型下接管提示错误类型对人机信任和接管绩效的潜在影响,对自动驾驶系统的接管提示设计具有重要意义。方法 以行人预警为例,通过模拟驾驶实验,从绩效、主观评价两方面探究提示音类型(语音和耳标)和接管提示错误类型(漏报和虚报)对驾驶员人机信任和驾驶行为的影响。结论 相较于语音提示,驾驶员在耳标提示下的接管反应时间更短,可用性和满意度更高。在经历漏报提示后,驾驶员的人机信任水平降低并对随后正确接管提示的反应变快。     

空中管制作业仿真的认知负荷评估实验

目的 围绕空中管制作业的认知负荷进行研究,解决实验环境下如何模拟空中管制作业的难题。方法 本研究从空中管制作业的认知特征提取和建立空中管制作业的简化作业任务,以目标搜索和信息识别两个元任务设计一种基于空中管制作业模拟的认知负荷实验范式及其实验流程。结果 在所设计的实验范式中,任务绩效水平与主流主观评价量表NASA-TLX中的心智需求显著相关。结论 本文所描述的实验范式能够有效代表空中管制作业的认知过程,可用于认知负荷相关的研究,对未来相关领域的探索具备实用价值。     

驾驶员主观疲劳状态与方向盘转角对事故倾向性的综合预测模型

为研究驾驶员驾驶任务前的主观疲劳状态对事故倾向性的影响,采用瑞典行业疲劳问卷(SOFIC)对驾驶员驾驶任务前和驾驶任务后的主观疲劳状态进行测量,使用驾驶模拟器采集驾驶员的驾驶绩效指标(速度变异性、方向盘控制、刹车深度、油门大小、车道位置变异性、速度)和碰撞次数,并检验驾驶员驾驶任务前疲劳状态、驾驶绩效和碰撞次数的相关关系和回归关系。结果表明:驾驶员驾驶任务前疲劳状态、方向盘转角和碰撞次数有显著相关性,并且驾驶任务前的主观疲劳状态能够有效预测驾驶绩效和事故次数,自我评估的缺乏动力感受对碰撞次数的影响过程中,方向盘转角起完全中介作用。结论:任务前越疲劳的驾驶员,方向盘转角波动幅度越大,事故倾向性越强,可以结合使用SOFI-C量表和方向盘转角波幅对事故倾向性进行综合预测。     

基于近红外光学脑成像实验的轻型装配作业的中断效应研究

中断任务的复杂度和相似性对作业者操作绩效和脑认知负荷有不同程度影响。通过设计不同复杂度和不同相似性中断情景下的乐高模型模拟轻型装配实验，记录作业者操作绩效指标，并利用近红外光学脑成像设备监测其左右脑前额叶含氧血红蛋白浓度变化，分析中断类型对轻型装配作业者操作绩效和脑认知负荷的影响规律及其内在机理。结果表明，中断任务的复杂度不会导致作业者操作绩效和脑认知负荷出现显著差异，相似中断会导致作业者操作绩效下降，不相似中断会导致作业者脑认知负荷增加。研究发现了作业者应对中断时的注意力资源分配规律，并发展了动作技能型任务注意力焦点转换过程中的工作记忆理论，从而指导轻型装配企业合理制定标准作业时间和中断管理策略，降低作业者脑认知负荷，以实现可持续高效生产。     

认知性警戒作业绩效与刺激率、记忆负荷的关系

研究采用2种刺激率和3种记忆负荷条件,以击中率作为绩效测量指标,要求12名被试在不同条件下对CRT显示的数字奇偶性做出判断,考察了认知性警戒作业绩效与刺激率、记忆负荷的关系.实验结果表明：①刺激率是影响认知性警戒作业绩效的一个重要因素,低刺激率条件下的作业绩效显著地优于高刺激率条件下的作业绩效;②认知性警戒任务绩效也与记忆负荷有关,随着记忆负荷的增加,警戒水平呈下降趋势;③在高刺激率和单/双记忆负荷条件下,认知性警戒下降趋势更明显.