多模态警告信号在驾驶安全中的应用.pdf

综述项目基金:辽宁省社科基金重点项目:新时代社会治理 视 域 下 重 大 交 通 安 全 事 故 有 效 预 防 研 究()作者简介:王颉()男内蒙古赤峰市人硕士研究生研究方向:交通心理学(电话)(电子信箱).多模态警告信号在驾驶安全中的应用王颉高敏常若松梁超(.辽宁师范大学 心理学院辽宁 大连.辽宁警察学院 辽宁 大连)【摘要】多模态警告信号是指以多种感觉信息结合的形式向驾驶员发出关于危险事件的警告 近些年相关研究关注的重点由单一的警告形式逐渐向多模态警告形式转变 本文聚焦于驾驶领域对不同形式的警告信号及其对驾驶行为的影响进行了系统的梳理和比较分析阐述了各种警告信号在应用中存在的优势和局限 在此基础上提出未来需要拓展多模态警告信号在驾驶领域中的研究范围并探索其在自动驾驶中的应用【关键词】交通工程事故预防驾驶安全多感觉整合单模态警告信号多模态警告信号中图分类号:文献标识码:文章编号:():./.引言道路交通事故是威胁人们生命和财产安全的重要因素 世界卫生组织在道路安全媒体简报:基本事实中表示预计到 年道路交通伤害将成为所有年龄组的第七大死因 在大多数事故中由于驾驶员主要将注意集中在与他们驾驶任务相关的区域未注意到其他交通参与者从而没有对潜在危险事件做出及时的应对 根据驾驶员的这种注意特点研究者们提出使用驾驶警告系统()保障交通安全 这些警告系统如何发挥作用呢?以交叉路口避免碰撞警告系统()为例若该系统发现在交叉路口处有车辆违反交通规则它就会向正在接近路口的其他车辆发出可靠且及时的警告(蜂鸣声或语音消息等)以提醒驾驶员做出恰当的应对避免事故发生驾驶警告系统的目的是通过警告信号改变驾驶员当前的注意分配策略将他们的注意引向危险事件发生的区域从而在危险事件的潜伏阶段或发生时使驾驶员更快地感知到意外危险更快地做出反应 以往研究中警告信号经常通过视觉、听觉或触觉通道单独呈现 然而个体对于外界事物的感知不只是来自单一的感觉通道而是多个感觉通道的协同工作 这些通道在加工信息时的整合会影响我们对信息的最终感知 即发生多感觉整合现象 多感觉整合()是指将来自多个感觉通道的信息整合为统一、连贯而又稳定的知觉信息的过程 研究发现相比单一感觉通道由多个感觉通道联合呈现的信息会使个体在行为上表现出更短的反应时间和更高的准确率近些年驾驶领域中的研究也发现多模态警告信号()能够改善驾驶员的行为表现 于是研究者们开始对其投入更多的关注 本文从警告信号不同的感觉模态出发梳理各种警告形式的特点比较不同警告形式之间的差异探讨不同感觉模态的信号是如何提升驾驶安全的以及它们在应用中存在的问题 最后文章还展望了多模态警告信号在现代车辆中的应用前景 警告信号在驾驶安全中的应用.单模态警告信号在驾驶安全中的应用.视觉警告信号视觉信号是警告信号最常见的形式 例如交通标志和信号灯 目前在一般陆地运输系统中使用道路警示标志作为规范、警告和告知道路使用者的工具已成为维护公路安全的一种广泛接受的方式 其目的是提醒道路使用者特别是驾驶员集中注意于当下的驾驶任务尽量减少人为失误造成的交通事故 以交通信号灯为例有研究表明交叉路口的信号灯可以通过减少汽车的启动损失时间提高车辆在交叉路口的通行效率进而减少交通危险事件发生然而视觉信号对驾驶员的帮助有限 究其原因可能有以下几种 首先位于道路两侧的人类工效学 年 月第 卷第 期 .视觉信号会使驾驶员的注意从道路上脱离从而导致危险 其次驾驶员可能因车内次要的视觉任务(如操作手机或处理导航信息)分心忽视警告信号 最后视觉信号有被误解的情况对于一些不常见的信号驾驶员可能无法准确地理解其含义 此外有研究者调查了驾驶员对各种警告信号的主观满意程度发现驾驶员对视觉信号的满意程度最差面对这些问题一些研究对视觉信号进行了改善 例如有研究使用平视显示器()将视觉警告信号直观地呈现在挡风玻璃上以减弱分心因素对安全驾驶造成的影响 后续又有研究在其基础上提出了增强现实的平视显示器()这种方式可以将视觉信号集成到现实环境中进一步降低驾驶员分心带来的风险 但需要注意的是这两种方式可能导致驾驶员的视野被限制在视觉信号附近从而阻碍他们获取其他的关键信息.听觉警告信号听觉警告信号由车载音频设备提供通常是具有一定分贝的声音信息 如引言中提到的避免碰撞警告系统()就应用了听觉警告信号 该系统可以缩短驾驶员的反应时间有效减少碰撞次数 目前研究中的听觉警告可以分为四类:自然音(“哔哔”或“滴答”声等)听觉图标()是指与关键事件对应的声音(如车辆碰撞的声音、轮胎打滑的声音等)语音以及(压缩的语音信息)研究发现与自然音相比听觉图标和语音都对驾驶表现有良好的改善效果且语音信号被认为更令人愉悦 关于 的相关研究较少但在导航效率、准确性和学习率方面这种声音类型也被证明具有显著的优势听觉与大脑的唤醒和激活系统密切相关 因此在缩短个体反应时间方面听觉信号通常被认为比视觉信号更加有效 同时提供具有语义的明确指令可能对紧急情况下驾驶员的反应有更直接的影响 更重要的是相对于视觉信息呈现范围的限制人们对听觉信息的感知是“无需注视的”无论人们看向哪里都能够收到来自听觉的警告信号 虽然听觉信号具有一些优势但其在实际驾驶中的应用同样会受到限制 首先听觉信号可能被环境背景噪声或音乐所掩盖 其次听觉信号也会受到驾驶员正在进行的次要任务干扰 例如与乘客交谈或使用移动电话等 最后当需要传递精确的空间信息时驾驶员发现很难定位听觉信号的空间方向.触觉警告信号减速带是触觉警告信号在应用中最典型的形式通过强烈的震动提醒驾驶员降低车辆的行驶速度 皮肤是人体最大的感觉器官 因此触觉提供了一个随时可用的通道用于向驾驶员呈现警告信号与视觉和听觉信息相比触觉信息作为警告信号具有独特的优势 首先触觉具有高度直觉性可能与快速反应有关 因此与视觉和听觉信号相比触觉信号能更有效地改善驾驶员的驾驶行为 其次由于触觉信号直接传递到驾驶员身上它们的侵入性较小不会影响到车辆中的其他乘员 最后有研究表明来自触觉通道的信息不会增加视觉或听觉的工作负担并且触觉信号较少受到其他信息的干扰可以为驾驶员提供更可靠的警示 比如简单、随意的手机交谈可能会使听觉警告失效但并不会显著影响触觉警告的效果尽管触觉通道为呈现警告信号提供了很好的平台但在较早的研究和实际应用中一般认为触觉信号不适合作为车辆的警告形式 其原因:首先触觉信号的呈现范围受限必须使其直接接触到驾驶员 以往的研究采用了如安全带、方向盘、驾驶员座椅或油门/刹车踏板等作为信号呈现的设备 但考虑到现实情况有部分驾驶员单手驾车或穿着厚重衣物严重减弱了触觉信号的有效性 其次任何环境引发的震动或驾驶员的身体移动都可能影响对触觉信号的感知最后驾驶情景中危险事件出现的频率有限 值得考虑的是若触觉警告信号长时间未出现再次出现时驾驶员可能无法准确识别其传达的含义并快速做出反应有研究发现人们通常表现出对动态刺激而不是静态刺激做出反应的倾向特别是刺激呈现在他们周围的个人空间且接近个体的时候于是有研究者通过操纵触觉信号的属性(如强度、频率)或调整信号呈现的位置和方式等设计了动态触觉警告 他们发现动态触觉刺激相对于激活单个触觉刺激的情况对驾驶员的警告作用更好 然而这一结果在自动驾驶的研究中却没有得到重复 所以以后的研究还需要对动态触觉警告信号的作用原理进行探讨同时也可以深入挖掘动态信号其他方面的特征如驾驶员对其紧急性、危险性的感知等综上所述视觉警告信号可以为驾驶员提供明确的空间和语义信息是使用最广泛的一种警人类工效学 年 月第 卷第 期 .告形式但驾驶本身是一项视觉资源占用较多的任务视觉信号有使驾驶员分心增加驾驶情景复杂性的风险 与视觉信号相比听觉警告信号“无需注视”却容易被环境噪音和次要听觉任务(如接打电话)掩蔽 相比前两种警告形式触觉警告信号不会增加视觉或听觉的工作负担也较少受到环境的干扰 虽然这种警告形式也存在一些局限但在当下愈加复杂的驾驶环境和自动驾驶快速发展的背景下触觉警告信号具有很大的应用前景值得更多的关注 这一点在多模态警告信号的研究中也有所体现.多模态警告信号在驾驶安全中的应用多感觉整合可以增强个体知觉减少知觉模糊性以及改善行为、提高行为稳定性等 这些也是影响驾驶安全的重要因素 因此相比于单一通道的警告信号通过多模态的方式呈现警告信号可能会在更大程度上改善驾驶员的驾驶行为 目前驾驶领域中多模态警告信号主要包括视听、视触和听触三种方式.视听警告信号红灯违规警告()系统是视听警告信号应用的一种实例 当信号灯从绿色变成黄色时在车内提供听觉警报以帮助驾驶员决定是停车还是继续行驶 研究表明听觉警报和视觉信号灯的同时呈现使驾驶员的注意更加集中可减少.的闯红灯违规行为有研究发现在视听警告中同步的听觉警告可以提高对视觉变化的检测效率 等人(年)将视听警告信号运用到了任务要求较高的飞行驾驶情境中实验采用模拟作战控制系统()目的是考察同步呈现的听觉警报能否有效地促进关键视觉改变(敌机)的检测 结果发现与不呈现听觉警告相比呈现同步听觉警告时被试表现出更短的反应时和更高的正确率在后续的研究中研究者发现视听整合存在年龄效应 虽然年龄的增长会对多感觉整合产生不利的影响并且与年轻驾驶员相比老年驾驶员对警告信号的反应变慢 但与单模态信号相比多模态警告信号仍可以为老年驾驶员提供更多的益处带来更大程度上的行为改善除了年龄效应未来还可以探究视听警告信号对驾驶员的影响是否在其他方面(如性别、经验等)也存在差异这些结果将为视听警告信号在驾驶安全中的应用提供依据.视触和听触警告信号由于触觉通道在呈现警告信号方面独特的优势在多模态警告信号的研究中受到了更多的关注 等人(年)通过驾驶模拟器的汽车跟随任务探究视触警告信号的有效性 实验要求驾驶员驾驶汽车跟随带制动信号灯的前方车辆并对其突然减速(伴随或不伴随有触觉信号)做出快速反应 他们发现相对于未提供触觉警告的试次伴随触觉警告时驾驶员的反应明显更快 这说明触觉警告可以有效地帮助驾驶员集中注意从而加快对视觉目标的反应 还有研究通过导航显示器将视觉和触觉信号结合呈现考察警告信号在高、低工作负荷情况下对驾驶员反应时间的影响 结果发现与视觉警告信号相比视触警告信号在高、低工作负荷条件下都会缩短驾驶员的反应时间 但后续的研究却发现这种警告形式似乎仅对分心的司机起到了积极作用 这是未来研究中需要进一步探究的面对不同的任务类型、驾驶情景以及驾驶员的状态多模态警告信号对驾驶行为的改善是否具有稳定性除了视触警告信号也有研究探索了听触警告信号对驾驶行为的影响 有研究者设计了一种尾部碰撞预警系统 目的是在可能发生碰撞时为驾驶员提供警告以及时避免危险事件发生 实验中听觉信号和触觉信号分别通过位于仪表盘上方的一个扬声器和驾驶员腰部的传感器呈现 要求驾驶员向往常一样驾驶并在安全距离内跟随前车 在前方汽车快速减速时该系统会向驾驶员发出听觉、触觉或听触形式的警告信号提示驾驶员做出刹车反应 结果发现与单独呈现听觉警告相比听触警告信号使驾驶员的反应时间缩短了 对于现实驾驶情境而言较高的视、听觉工作需求始终是一种潜在的危险因素 为了缓解视、听觉信息过载对于警告信号的影响驾驶警告系统可以更多地考虑触觉警告以减少驾驶员信息加工时的负担 等人(年)的研究为这一观点提供了支持研究包括视觉搜索任务和次要听觉任务并且同时为被试提供听觉或触觉线索 目的是考察听觉和触觉线索对被试完成视觉搜索(单任务)和视觉、听觉任务(双任务)的影响 结果发现在双任务条件下触觉线索比听觉线索产生了更快的反应时间和更高的准确性 这说明在视觉或听觉需求较高的任务中提供触觉信号可以有效提高任务表现这对于某些视、听需求较高的任务(如驾驶和飞行任务等)是非常重要的 因此在未来多模态警告信号的构建中可以更多地考虑与触觉通道人类工效学 年 月第 卷第 期 .结合会带来怎样的效果 总结与展望本文对驾驶领域警告信号的研究进行了梳理从最初的视觉、听觉和触觉三种形式的单模态警告信号发展到现在的多模态警告信号 研究者们一直在寻找一种合适的警告形式以帮助驾驶员在面对紧急情况时做出及时地应对 通过以往的研究发现与单模态警告信号相比多模态警告信号可以更有效地吸引驾驶员注意、减少反应时间给驾驶员带来更大程度上的行为改善从而保障驾驶安全 然而目前相关研究的探索还不够充分仍需要拓宽研究范围以加强多模态警告信号在现实生活中的应用性.警告信号的通道数量对警告效应的影响与单模态警告信号相比多模态警告信号的优势建立在多感觉整合效应上 也有研究将这种对双通道信息加工更快的现象称作“冗余信号效应”那么是否叠加在一起的感觉通道越多产生的警告效应越好?有研究考察了视觉、听觉和触觉三种感觉通道信息同时呈现对驾驶安全的影响但研究结果并不一致有研究发现三种感觉结合的警告信号可以提高驾驶员的反应时间 等人(年)的脑电研究发现三种感觉结合的预警信号在脑电图压力()、相对 功率谱()和相对 功率谱()等脑电指标上得分较高是最有效的接管预警类型 然而也有研究结果显示虽然三种感觉结合的警告信号提高了驾驶员的反应时间却增加了驾驶员的工作量 等人(年)的研究发现三种感觉结合的警告信号并没有明显增强或减弱驾驶员的感知和效率也没有增加知觉负荷 现有的研究似乎并没有解决是否感觉通道数量越多警告效应越好这个问题对此还有待进一步的探索此外使用多模态警告信号还需注意一个问题即同时呈现多种通道的信息不仅会产生多感觉促进效应有些情况下也会出现多感觉错觉效应()如腹语术效应声音通常被认为是嘴巴在动的人偶发出的而不是说话者发出的 这一现象说明多感觉信号对行为表现有产生损害的可能 这是多模态警告信号应用到实际驾驶中必须要考虑的问题毕竟驾驶情境具有复杂性和关键性若出现多感觉错觉现象可能使警告信号成为安全驾驶的阻碍.多感觉时间和空间原则在驾驶导航中的应用导航(手机导航或车辆自带导航)已经成为现代驾驶员的必备设备它不仅可以为驾驶员提供路线信息还可以在交叉路口和信号灯等特殊路段给驾驶员警告 那么导航如何呈现能最有效地为驾驶员提供道路信息提高驾驶效率和安全呢?基础研究发现多感觉整合遵循空间原则和时间原则即不同通道的刺激呈现的空间(或时间)距离越接近整合效应越大 那么是否导航中视觉路线信息和听觉语音提示呈现的空间距离越近、时间越同步导航的效率越高?需要注意基础研究中多感觉整合的研究通常使用的是无意义刺激(如棋盘格、白噪音等)而驾驶领域中的警告信号大多都是有意义的 基础研究的结果可以直接应用到驾驶领域中吗?如何增加多模态警告信号的实用性是需要进一步思考的问题.多模态警告信号在自动驾驶中的应用随着近些年自动化技术逐渐成熟自动驾驶成为当下驾驶领域研究的热点其突出优势是可以最大限度解放驾驶员以及保证安全行驶 目前自动化汽车处于第 级别(从级别 没有自动化到级别 的完全自动化)这一级别人类没有义务监控交通环境因为这些环境由指定区域的自动化系统管理 然而当自动化系统检测到有可能发生危险时驾驶员被要求及时、安全地做出响应在自动驾驶中驾驶员何时接管对行驶中汽车的控制是迫切需要解决的问题这就是自动化驾驶中的接管请求()这一问题会给驾驶员带来极大的困扰因为自动驾驶汽车的驾驶员可能处于“脱离”状态(驾驶员可能正在发短信、阅读或观看视频)当他们接收到 警告时需要切换手动操作进入驾驶状态这种转变可能是突然和无法预料的 此外有研究发现自动化增加了认知负荷特别是在复杂交通情况下这种现象更加明显 所以提供一种明确、可理解的 信号是提高自动驾驶技术安全性首先要解决的问题一项基础领域的研究报告了多感觉信号可以有效地将注意从高知觉负荷的任务中分离出来 因此多模态警告信号可能为 问题提供了很好的解决方案 近些年自动驾驶领域中也开始涌现出了许多相关研究 和(年)对自动驾驶的研究显示单一视觉信号的警告效果最差视觉、听觉和触觉警告信号同时呈现警告效果最好驾驶员表现出较短的反应人类工效学 年 月第 卷第 期 .时间和较小的车道位置偏离等 也有其他研究指出仅视觉信号不适合作为 警告 在这类研究中有一个重要的问题需要考虑即自动驾驶和手动驾驶具有差异、不同的研究者对驾驶场景和驾驶任务的设计存在不同、实验室模拟情景和现实道路情景也存在明显不同 这些因素可能导致对相同问题的研究却有着不同的结论 因此未来的研究需要考虑上述因素对多模态警告信号效果的影响在解决向驾驶员传递哪种接管请求之后下一个需要解决的是警告信号应该在什么时间和空间呈现才能保证驾驶员及时接管?有研究发现较短的碰撞时间()可以引起驾驶员更快的反应 但也有研究发现 为 时为驾驶员提供的警告信号比 为 时提供的警告信号具有更大的安全益处和接受度 关于警告显示的空间位置当驾驶员需要躲避前方行人/车辆时警告信号应该呈现在车辆出现关键事件的一侧(碰撞方向)还是出现在他们应该采取行动的一侧(回避方向)以帮助司机更快地采取避让行动?虽然相关研究对此报告了不同的结果但警告信号如何呈现可能与 紧密相关 等人(年)发现 的 时驾驶员对回避方向比碰撞方向的响应更快、更准确而在 为 秒时碰撞方向和回避方向警告信号之间的反应时间没有差异除了上述具体问题多模态警告信号在驾驶安全中的应用还有很多问题值得深入探讨 例如是否要对不同的驾驶员群体提供不同形式的多模态警告信号?在自动驾驶中不同类型的非驾驶相关任务是否会影响多模态警告信号的有效性?我们又该如何评价多模态警告信号的有效性?目前较多的研究仅关注了客观指标如果将驾驶员的主观体验也纳入进来是否能构建出一套系统的评价体系?对这些问题的探究会使多模态警告信号更具应用价值使其在未来的车辆中更好地保障驾驶安全参考文献 .:().():.():.:():.:():.():.():.():.:():.():.():.:():.().:():.():.:():.(人类工效学 年 月第 卷第 期 .)():.():.:():.:.:():.():.():.:.():.():.():.:.():.():.():.:():.:.():.():.():.():.():.():.():.:():.():.:.:.:.:():.:():.:.():.收稿日期 修回日期 人类工效学 年 月第 卷第 期 .