赢富人类实验室

案例分享 | 基于眼动追踪的新能源汽车中控台对驾驶安全性的影响

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案例分享 | 基于眼动追踪的新能源汽车中控台对驾驶安全性的影响

导语

中控台作为驾驶舱内的核心交互界面，其设计是否合理，直接影响着驾驶员的操作便利性和行车安全性。本期案例带来由浙江警察学院刘槟玮等学者撰写的论文《基于眼动追踪的新能源汽车中控台对驾驶安全性的影响》，研究利用眼动追踪技术和实车模拟仿真平台探究新能源汽车中控台对驾驶员分心驾驶行为的影响。

作者：刘槟玮潘昊霖裘煜杰赵崇炫丁靖艳*

摘要：本研究利用眼动追踪技术和实车模拟仿真平台探究新能源汽车中控台对驾驶员分心驾驶行为的影响。实验以使用中控台接听电话为例，采用Dikablis眼动仪和SIMLAB模拟实验平台记录驾驶员视觉注意力分布、任务时间和车辆偏移量情况。实验结果表明，中控台按钮位置影响驾驶安全性。在使用中控台时，驾驶员对道路环境的关注度减少，驾驶车辆的横向偏移量增加，产生的分心驾驶会对行车安全产生负面影响。研究为新能源汽车中控台设计优化和交通管理提供了实验依据。

关键词：眼动追踪；分心驾驶；中控台设计

引言

交通事故成因复杂，驾驶员端接收到的刺激主要由视觉与听觉获得的。针对驾驶员行为的研究集中于异常检测，如分心行为检测、疲劳驾驶等。眼动仪可以有效地采集佩戴者真正注意的目标与正在交互的对象，同时根据驾驶员在驾驶时的注视点与注视时长来判断出其在驾驶过程中所产生的分心状况，通过数学分析、马尔科夫链等处理方法，得到驾驶员变道行为时的注视转移特性。所以，本研究针对驾驶员的驾驶行为，在使用眼动仪的基础上，提取驾驶员应对“突发事件导致注意力从驾驶任务上转移”的措施。

汽车中控台的设计与安全性

现代汽车中控台是集多种功能于一体的多功能性平台。仪表板作为中控台的一部分，通过显示屏直观展示车辆运行状态，这些信息通常被安置在方便驾驶员读取的位置；汽车中控台还集成了娱乐和导航等功能，为驾驶员提供了舒适驾驶体验。新能源车的发展给车载终端智能化提供了可能，但也存在一定风险隐患，中控台的功能日益增强，但对驾驶分心影响的研究尚显不足，缺少对具体操作功能的研究，比如行驶过程中使用中控拨接电话是否存在驾驶分心的安全隐患。

中控台概念图

基于眼动追踪的驾驶分心实验设计

为了深入探讨汽车中控台对驾驶分心的影响，本研究基于实车虚拟仿真系统与眼动追踪，采用实验法研究全触屏中控台拨接电话对驾驶分心的影响。

3.1

实验设备

本实验中使用的驾驶员视觉采集系统是Dikablis眼动追踪系统，该系统包括一台前景相机与一台眼动行为相机，分别记录驾驶员所处的环境、视线范围与采集驾驶员的视觉行为。实验人员将该眼动仪佩戴固定后，在D-LAB上对驾驶员的视觉进行矫正合成，实现驾驶员驾驶环境与视觉特点的结合。

Dikablis Glasses 3头戴式眼动仪

本实验中所使用的是交通实验室人因实验平台，由实车模拟驾驶系统与驾驶模拟仿真软件SILAB组成。平台采用大众polo，车体中嵌入以数据采集系统为主体的模拟驾驶设备。道路环境是由SILAB驾驶模拟仿真软件生成，将道路投影在驾驶车辆前方。本实验用车通过系统代码设置，实现模拟车辆高度定制化以满足实验要求。

实车模拟驾驶系统SIMLAB

驾驶模拟仿真软件SILAB

3.2

实验场景设计

实验采用单因素设计，自变量为按钮显示在可触控中控屏上的位置。试验全程被试经历三次相同的道路，每次试验中按钮位置随机呈现一次。在实验场景中，伴随着被试驾车行驶一段距离，会触发道路浮点事件，即车内响起电话铃声并在中控台上出现按钮图示，被试需要通过触控将电话挂断。本次实验道路根据现有实验需求与设备，运用SILAB软件设计了双向四车道的全封闭标准高速公路场景，路面平整，场景设计为晴天。道路车道宽度为 3.75 m，中间隔离带宽3 m。设计道路全长5 km，直道与弯道相互交织。道路中加入道路浮点，用于触发道路任务事件。

3.3

实验人员的选择与培训

驾驶模拟试验共招募10名被试（7名男性，3名女性），平均年龄为 21.4 岁，均持有 C1 驾驶执照（平均驾龄为2年）。试验时被试精神状态良好，均未表现出3D模拟晕动症。经过前期驾驶培训，被试已经能够充分地了解了中控台的基本操作与实验中会产生的道路突发情况。

3.4

实验步骤

被试在高速公路的模拟环境下正常行驶，在熟练驾驶后告知被试驾驶次任务的操作内容，并要求驾驶员以保证安全驾驶为前提，练习在正常驾驶情况中同时进行的驾驶次任务。以保证安全驾驶为前提，每位被试需要完成三次驾驶，每次驾驶中所生成的位置在三种位置中随机生成，如图1所示。若驾驶过程中遇到问题，则重新开始实验，以确保数据的有效性。

本次分心驾驶的模拟实验中，因变量是模拟驾驶平台输出的数据以及驾驶分心的各种指标，观察的对象主要为不同被试在已设定场景中对于中控台接入电话的驾驶反应以及相应的眼动数据。采用驾驶模拟器并搭建眼动检测系统进行模拟驾驶综合实验，选取被试者10人。

图1　三点位置在中控台显示的相对位置

平台输出的数据以及驾驶分心的各种指标，观察的对象主要为不同被试在已设定场景中对于中控台接入电话的驾驶反应以及相应的眼动数据。采用驾驶模拟器并搭建眼动检测系统进行模拟驾驶综合实验，选取被试者10人。

中控台对驾驶分心的数据分析

4.1

眼动追踪的统计与分析

从D-lab获取眼动数据，被试在没有事先告知相关电话图标位置的情况下，记录与图标交互的时间。通过眼动仪采集的视频，根据眼球追踪的标识位置确认被试的兴趣点以及在相关位置停留时间，确认不同位置的电话图标的交互速度快慢。三类位置数据统计表见表1。

表1　三类位置数据统计表

根据实验数据可知，对位置 B 的感应最为灵敏，总任务时间最短，手部离开方向盘的时间也最短；其次是位置 C；位置 A 的反应最弱。观察驾驶室内部结构，位置A距离驾驶员右手距离最近，实际操作时间与行动时间却最长，与实际情况不符。实验过程中发现，不同被试在应对不同位置的实验中反应有明显差别，且与被试的性别存在明显关联。针对上述现象展开讨论分析，并重新统计实验数据，如表2所示。

表2　根据性别分组进行的数据分析表

通过数据可知，在“A”位置时，男性能够更加迅速准确地做出反应。在“B”位置，图标位置出现下移，男性实验者需要更长的时间发现并交互，平均时间相较于“B”位置增加了大约0.16 s；即便是在“C”位置，男性观察到图标并交互的时间相较于“B”位置也增加了大约0.16 s。相对于女性实验者的时间变化而言，男性实验者的数据相对平直稳定。对于女性实验者的数据，“B”位置所用时间和“A”位置相比有着巨大的差距，减少了大约 0.76 s 的时间；“C”位置和“B”位置两者也有比较大的平均时间差异，达到了大约0.29 s的差距。经过分析，点按中控台上的按钮图标时，更短的臂展半径可以获得更加便捷的操作，可以做到“眼到手到”的同步操作。根据被试注视道路的时间与扫视车内中控台的时间，进行比值处理后求平均。比值越高，说明被试精力分散于该任务，对环境感知能力下降。反之，比值较低则会导致被试在转移注视点时过快，会造成行车风险。在实验中，被试的注视时间与扫视时间比值略低于典型值（通常在0.75~1之间），表明在电话铃声响起时，驾驶员扫视中控台对道路状况的评估不充分。实验中，被试的扫视比为0.8左右，属于正常值。扫视车内的情况在电话铃声响起后明显增加，且A、B、C的比值在实验开始后的范围内减小，说明在实验中，A位置为最佳的电话图标放置位。三类位置所对应的路面注视时间比如图2所示。

图2　三类位置所对应的路面注视时间比

被试的注意力分散到通信中，和前方道路的环境观察相比存在极端的对立。这种变化会影响被试对道路情况的感知判断，从而增加车辆意外事故风险。

4.2

SILAB仿真系统的数据采集与分析

通过车辆宽度与道路宽度的横向对比，偏移量以整车的车宽度记为100%，将被试在触发浮点后到触控按钮中车辆横向偏移与车辆宽度的比值，得出下表中的横向偏移量，并求出车辆在车道中的横向偏移量与车身宽度的比值，得出车辆横向偏移率。通过SIMLAB计数系统，将中控台上按钮出现的总时长进行统计，得出下表中的总时长。数据说明，在三类位置的不同情况下，A 位置对男性的影响最小，车辆横向偏移量最小，而女性则反之，最佳位置为C位置。不同测试点位置下不同性别被试的操作时间时长与方向盘偏转角如表3所示。

表3 不同测试点位置下不同性别被试的操作时间时长与方向盘偏转角

结论

本文以眼动追踪为切入点，将驾驶员驾驶专注度与中控台控制之间的关系进行分析，测试了在驾驶环境中驾驶员的专注状态，即当驾驶员注意力瞬间从主任务转移至当前次任务且次要驾驶任务的目标瞬时出现时，驾驶员所表现出的视觉能力以及对驾驶主任务的影响状态。从执行驾驶次任务过程中被试的注视特点变化，可以反映出被试在次任务驾驶过程中受到的分心影响以及分心的具体表现；通过被试在执行次任务过程中注视视觉主体的变化时长，与正常驾驶过程中的实验数据对比，作为评估次任务驾驶视觉行为安全性的指标，同时将被试的实际操作时间与车辆偏移率进行分析。因此，在汽车设计方面，制造商应通过市场调研以及人机交互情况研究，合理布置中控台位置。驾驶员在复杂道路情况下应限制中控台的使用，将注意力集中到路面上，使用中控屏交互时严格限制使用时间。