自动驾驶系统中驾驶员接管时长的实验研究

作者及机构
本研究由Christian Gold、Daniel Damböck（Technische Universität München - Institute of Ergonomics）、Lutz Lorenz（BMW Group Research and Technology）和Klaus Bengler（Technische Universität München）合作完成，发表于2013年《Human Factors and Ergonomics Society》第57届年会论文集。

学术背景
随着汽车自动化水平提升，高级驾驶辅助系统（ADAS，Advanced Driver Assistance Systems）已能接管纵向（如自适应巡航控制）和横向（如车道保持辅助）驾驶任务。然而，自动化系统仍存在无法处理的场景（如系统边界），此时需驾驶员安全接管。本研究的核心问题是：在系统边界出现前，何时需将驾驶员注意力重新引导至驾驶任务，以确保接管过程的安全性与舒适性。研究背景基于航空领域的“自动化效应”（Automation Effects）理论，即驾驶员在长期脱离驾驶任务后可能出现情境意识（Situation Awareness）下降和反应能力退化。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 被试分组：49名BMW员工参与，分为两组：
- 自动化驾驶组（32人）：在高度自动化驾驶中通过平板电脑执行次级任务（视觉需求的SURT任务，Surrogate Reference Task），模拟驾驶员“脱离循环”（Out-of-the-Loop）状态。
- 手动驾驶组（17人）：作为基线对照组，无自动化辅助。
- 实验设备：高保真驾驶模拟器（BMW研发），配备180度视野投影、眼动追踪系统（Dikablis）及多角度摄像头记录行为。

1. 接管场景

   • 触发条件：系统边界模拟为三车道高速公路上右车道的交通事故。自动化系统发出接管请求（TOR，Take-Over Request），通过声音（正弦波音调）和仪表盘图标提示。
     
   • 时间变量：两组被试分别接受5秒和7秒的TOR提前时间（Time to Collision, TTC），以评估不同时间窗口下的接管表现。
     

2. 数据采集与分析

   • 行为指标：包括反应类型（转向/制动）、反应时间、轨迹偏离、加速度利用率（通过“加速度圆”理论计算轮胎力传递极限）。
     
   • 眼动数据：记录从次级任务转移至道路注视的时间，以及后视镜/盲区检查频率。
     

主要结果
1. 反应类型差异
- 5秒TOR组：62%被试选择紧急制动，且制动反应时间（2.06秒）显著短于7秒组（3.10秒），但伴随更高的加速度峰值（6.81 m/s²），表明操作更仓促。
- 7秒TOR组：转向比例增加（55%），剩余行动时间更长，但仍有38%被试未检查盲区，存在碰撞风险。

1. 自动化效应

   • 与手动驾驶组相比，自动化组被试的加速度利用率高出2-3倍（5秒组：0.69 g vs. 基线组0.29 g），且制动更突然，显示自动化接管后驾驶质量下降。
     
   • 眼动数据显示，自动化组被试对道路环境的注视延迟（5秒组：1.2秒）长于手动组（0.5秒），印证情境意识恢复较慢。
     

2. 轨迹分析

   • 5秒组中，2名被试因时间不足紧急转向硬路肩；7秒组有更多被试选择提前变道，但轨迹斜率陡峭，表明决策压力仍存。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次量化了高度自动化驾驶中不同TOR时间对驾驶员表现的影响，验证了“脱离循环”效应在汽车领域的适用性。
2. 应用价值：为自动驾驶系统设计提供关键参数（如最小TOR时间需＞7秒），并建议优化警告方式（如结合触觉反馈）以缩短情境意识恢复时间。
3. 行业启示：需进一步研究次级任务类型（如认知负荷任务）对接管质量的影响，以及多模态提示（如增强现实HUD）的改善潜力。

研究亮点
- 创新方法：结合眼动追踪与高精度模拟器，首次在汽车领域复现航空中的“自动化效应”。
- 严谨设计：通过基线组对照，排除学习效应，确保数据可靠性。
- 工业合作：BMW技术团队的参与提升了实验场景的真实性（如模拟系统边界和交通流）。

其他发现
- 次级任务位置影响有限：平板电脑与中控台呈现的SURT任务对结果无显著差异，表明视觉需求是主要干扰因素。
- 个体差异：部分被试（4人）因提前注意到事故被排除，提示未来研究需控制个体警觉性变量。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“情境意识（Situation Awareness）”）