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自动化驾驶中视频娱乐对安全性影响的研究报告

1. 研究团队与发表信息

本研究由 Jun Ma（同济大学汽车学院）、Lizhuo Zang（通讯作者，同济大学汽车学院）、Jiateng Li、Zaiyan Gong、Yue Fei 及 Jin Lu（同济大学设计创意学院）合作完成，发表于 《Applied Ergonomics》 2026年第130卷（页码104644）。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：人机交互与交通工程交叉领域，聚焦 条件自动化驾驶（SAE Level 3） 下驾驶员行为与安全性研究。

研究背景：
- 问题提出：在Level 3自动化驾驶中，驾驶员从主动控制转为被动监督，长时间的任务脱离可能诱发 被动任务相关疲劳（Passive Task-Related Fatigue, PTR Fatigue），导致接管性能下降。
- 争议焦点：非驾驶相关任务（Non-Driving Related Tasks, NDRTs）的 双重作用——既可能通过增加认知负荷（Cognitive Load）损害接管表现，也可能通过缓解疲劳提升安全性。
- 研究空白：NDRTs（如视频娱乐）对长时间自动化驾驶中疲劳与认知负荷的 动态影响机制 缺乏系统性研究。

研究目标：
验证视频娱乐在 不同自动化驾驶时长（Automated Driving Time, ADT） 下对驾驶员认知负荷、疲劳及接管性能的影响，为车载娱乐系统设计提供科学依据。

3. 研究设计与方法

实验设计

• 2×4组内设计：
  
  • 自变量：
    
  • 视频条件（有/无视频娱乐）；
    
  • ADT（15/30/45/60分钟）。
    
  • 因变量：
    
  • 认知负荷：瞳孔直径（客观）、NASA-TLX量表（主观）；
    
  • 疲劳：眨眼频率（客观）、卡罗林斯卡嗜睡量表（Karolinska Sleepiness Scale, KSS，主观）；
    
  • 接管性能：接管时间（Takeover Time, TOT）、最大加速度（Max Acceleration）、最小碰撞时间（Minimum Time to Collision, Min TTC）。
    

研究对象

• 32名驾驶员（男女各半，22–37岁，平均25.5岁），需持有驾照3年以上且年驾驶里程≥500公里。
  

实验设备与场景

• 驾驶模拟器：集成量产车（吉利极越07），240度弧形屏幕，模拟高速公路场景（车速120 km/h）。
  
• 眼动仪：Tobii Pro Glasses 3记录瞳孔直径和眨眼频率。
  
• 接管场景：前车突然变道后，系统在6秒时间预算内发出听觉接管请求（TOR），驾驶员需避让静止障碍物。
  

实验流程

1. 准备阶段：参与者签署知情同意书，进行15分钟模拟器熟悉化训练（含≥3次接管练习）。
   
2. 正式实验：
   
   • 完成8种条件组合的试验（拉丁方设计平衡顺序）；
     
   • 视频组：观看未看过的中文喜剧电影，结束后需回答内容问题以确认注意力；
     
   • 对照组：仅监控路况直至TOR出现；
     
   • 每次试验后立即填写KSS和NASA-TLX量表，休息至KSS=1（完全清醒）再进行下一试验。
     
3. 数据采集：
   
   • 眼动数据（接管前1分钟均值）；
     
   • 接管性能指标（TOT、Max Acceleration、Min TTC）。
     

数据分析方法

• 线性混合效应模型（Linear Mixed Effects Models, LMMs）：
  
  • 固定效应：视频条件、ADT（连续变量）、交互项；
    
  • 随机效应：参与者个体差异；
    
  • 参考基线：ADT=15分钟的无视频条件。
    

4. 主要研究结果

4.1 视频娱乐对认知负荷的影响

• 瞳孔直径：视频组显著高于对照组（+0.464 mm，p<0.001），且随ADT延长进一步增大（交互效应，p=0.002），表明视频持续增加认知资源占用。
  
• NASA-TLX评分：视频组主观负荷显著更高（+11.803分，p<0.001），但ADT无显著影响。
  

4.2 视频娱乐对疲劳的缓解作用

• 眨眼频率：对照组随ADT显著上升（+0.284次/分钟，p<0.001），视频组增长更慢（交互效应，p<0.001）。
  
• KSS评分：视频组疲劳增速更低（交互效应，p<0.001），60分钟时显著优于对照组。
  

4.3 接管性能的动态变化

• TOT：短ADT（15分钟）时视频组反应更慢（+0.393 s，p<0.001），但随ADT延长，对照组恶化更明显（交互效应，p<0.001），60分钟时视频组反超。
  
• Min TTC：视频组在长ADT下表现更优（60分钟时比对照组高0.3 s，p<0.001），表明安全性提升。
  

5. 结论与价值

科学意义：
- 揭示了NDRTs的 时间依赖性效应：短时增加认知负荷，长时缓解疲劳，颠覆了“NDRTs单纯有害”的传统观点。
- 提出 PTR疲劳的调控机制：适度认知刺激可维持警觉性，避免因低负荷导致的注意力涣散。

应用价值：
- 指导车载娱乐系统（IVIS）的 自适应设计：
- 短途（<30分钟）：限制视频以减少认知干扰； - **长途**（>45分钟）：开放视频以抑制疲劳，提升接管安全性。

6. 研究亮点

1. 创新性方法：首次结合瞳孔直径、眨眼频率与接管动态指标，量化NDRTs的双刃剑效应。
   
2. 场景真实性：采用量产车集成模拟器，接管场景基于6秒紧急时间预算，贴近实际风险。
   
3. 理论贡献：完善了自动化驾驶中 “认知负荷-疲劳-性能” 的链式模型，为SAE Level 3人机协作提供新视角。
   

7. 其他价值

• 局限性：模拟器环境与真实驾驶存在差异，未考虑视频内容多样性影响。
  
• 后续方向：引入EEG、HRV等多模态生理指标，进一步探究疲劳的神经机制。
  

（报告总字数：约1800字）