L2和L3级智能驾驶车辆驾驶员的角色转变研究

随着汽车的自动化水平日益提升，在驾驶员主动释放对车控权后

随着本项目的启动，在自动驾驶领域不断涌现的各种技术和概念

L2 级智能驾驶

L2 级（包含至少两个主要控制功能的高级辅助驾驶系统），这些系统协同运作以减少驾驶员对该系统的依赖，在特定条件下可实现共享权限配置。当车辆处于这种高级辅助驾驶状态时，在驾驶员执行特定有限驾驶任务时会转移主动权给系统管理。驾驶员仍需全程监督道路状况与安全操作，并在必要时刻恢复对车辆的完全控制权以确保行车安全。系统具备在无先发指令的情况下放弃当前控制的能力，并要求驾驶员随时准备接管车辆操控以应对紧急情况。例如，在L2 级自动驾驶中结合自适应巡航与车道居中等功能即可实现目标。与之相比,L1级自动驾驶仅限于单向行驶模式,而L2级则允许驾驶员在特定条件下完全脱离方向盘与油门踏板的操作

L3 级有限自动驾驶

具有 L3 级自动驾驶功能的车辆能够将驾驶员在特定交通或环境条件下转移出所有关键安全功能的绝对控制权，并且这些条件下主要依赖于车辆监测系统来实现驾驶员对车辆状态的转换回控制权的需求变化。预计驾驶员偶尔需要接管驾驶任务并获得充足的时间来进行转换操作以保证安全驾驶。自动驾驶汽车的设计目标是以确保其在自动驾驶模式下始终处于安全运行状态：例如，在遇到前方施工区域时该车能够自动判断系统无法继续执行自动化操作并及时向驾驶员发出重新接管驾驶任务的通知同时为驾驶员提供适当的时间以便其重新获得手动控制的能力与之相比 L2 级别则更加注重驾驶员无需持续关注道路状况这一核心区别在于 L3 级别中车辆设计更加注重对驾驶员状态的关注以实现更加高效的切换机制

这项研究聚焦于驾驶员或工作人员在自动驾驶与非自动驾驶车辆操作之间的转换方式，并探讨了人机交互界面对其交互的影响。在严格控制的试验场地中使用部分无人驾驶汽车的样机系统进行了一场涉及人类因素的人工干预实验。这些实验旨在回答美国国家公路交通安全管理局提出的六个关键问题。下面将详细描述这三个实验，并简要总结主要的研究发现。

每个研究都会包含一个熟悉的过程，在这个过程中为参与者提供了与系统交互的基本指导。作为这些指导的一部分，参与者会被告知如何知道系统已经准备好启动自动化。所有三个原型系统都清楚地显示了它们何时准备好启动自动化。

采用L3级高度自动化的车辆"赋予驾驶员在特定交通或环境条件下完全控制所有关键安全功能的能力"并在这些特定条件下主要依赖于车辆监测系统时会将控制权切换回驾驶员手中"预计驾驶员偶尔需要接管驾驶权但会拥有足够的切换时间以保证安全"而车辆的设计目标是确保其在自动驾驶模式下能够安全运行"L2级与L3级之间的主要区别在于L3级系统中车辆设计会更加注重提升驾驶员的操作灵活性以实现其无需持续监控道路状况这一特点

本研究特别关注驾驶员（即操作员）如何在自动驾驶与非自动驾驶状态下进行操作之间的转换这一过程以及人机界面（HMI）对这种交互的影响

每组实验均包含一个模拟的过程在此过程中参与者会被提供有关系统交互的基本指导其中参与者会被告知何时系统准备好启动高度自动化

本实验旨在探索人机界面（HMI）在发出接管请求（TOR）时的有效特性。该实验的主要目标是分析人机界面（HMI）在接管请求（TOR）过程中表现最佳的特性及其对操作者与驾驶任务之间自动化功能转换的影响。

方法

25名参与者在受控试验跑道上连续驾驶L2级自动驾驶汽车90分钟，在此期间他们需要根据车内实验人员的指示完成若干项专注视觉任务。（这些专注视觉任务特指那些与车辆操作无关的任务。实验人员会向参与者分发卡片并指示他们完成诸如向特定地址发送电子邮件并询问特定问题、输入卡片上注明的特定数字 - 街道 - 城市 - 州地址等任务或者访问某个互联网网站并根据该网站信息回答问题等行为。在整个实验过程中参与者还会收到因自动驾驶车辆受到干扰而触发的报警系统警告信号。这些报警信号共计六种类型其形式可分为单一视觉警报（单模态）或结合触觉反馈的多模态警报。其严重性分为警示性、紧急以及分期式的等级。（分期式警告包含两个等级，在本次研究中分期警告先经历警示期而后进入紧急期；随着时间推进 warning intensity逐渐增强）。上述六类报警每类重复三次共计18次其中三种不同类型报警各重复三次每种报警以单一视觉形式和结合触觉反馈的形式呈现。这些warning是在没有任何意外事件的情况下触发的但在研究结束时车内的 experiment staff 发现车辆偏离了车道当偏离开始时参与者同时接收到视觉与触觉双重发出的紧急warning signal. 本研究记录并分析了参与者对这些warning response的特点例如反应时间和重新控制车辆所需时间等特征

研究结果

不同报警形式对重新控制车辆所需时间的影响具有显著差异。当视觉警报带有触觉元素时（平均时间为1.3秒 [标准误=0.1秒]），与仅依靠视觉警报相比（平均时间为4.8秒 [标准误=0.5秒]），通过触觉元素辅助的参与者能够更快地完成车辆重控任务。这可能源于触觉元素的特性，使得参与者即便在执行非驾驶任务时也能感知到这些警报。如果警示性警报和紧急警报都包含触觉元素，则无论哪种类型的安全信号都会导致参与者的重控速度相同程度地加快这一发现进一步印证了上述结论

当参与者接收由红色发光二极管（LED）构成的关键视觉信号时（平均时间为2.9秒 [标准误=0.4秒]），比接收到由橙色LED构成的基本警示信号时（平均时间为6.3秒 [标准误=1秒]）更快地恢复驾驶操作。由于橙色基本警示信号由于其较低的可见度可能不如红色关键信号显著，在实验中几乎有一半的情况参与者未能注意到基本警示信号。这些结果进一步支持了以下结论：基本警示信号要么应包含非视觉元素或技术手段（如语音提示），要么其显示位置需靠近与驾驶任务无关的任务区域。

当同时出现视觉和触觉警报以及 unexpected lane deviation（均值为 1.2秒 [标准误 = 0.1秒]）时，在这种情况下

总的来说，在体验自动化前、中间阶段和后置阶段的参与者都对它抱有充分信任的态度。约25名参与者中约9人表示，在参与研究前就已经听说过自动驾驶车辆。

实验 2 - 在操作 L2 级自动驾驶车辆时促使操作员留意路况

这项实验旨在探讨在L2级自动驾驶车辆操作中因分心可能引发的操作员注意力转移问题，并开发相应的干预措施。其主要目标是评估这些干预措施随时间推移的有效性。

方法

在固定测试车道上进行为期一小时的L2级自动驾驶系统操作训练实验中安排了56位参与者参与，并确保每位参与者均能完成一系列高度专注且与驾驶无关的任务（这些任务均不涉及车辆控制）。在实验过程中每位参与者将依次完成由实验人员提供的不同卡片任务（卡片内容包括：向特定地址发送电子邮件并提出相关问题；输入卡片上标注的具体信息如街道-城市-州地址；以及访问指定网站并根据获取的信息回答问题等）。通过精心设计的组间对照方法将参与者分配至三种不同类型的注意力提示方案中其中一种方案。当参与者连续2秒停止监测驾驶环境时会触发第一种提示；若连续7秒无法停止监测驾驶环境则会触发第二种提示；而如果在整个测试过程中均未触发任何一种特定条件则不会收到任何提示信息。这些提示方案由三个分阶段组成的复合式警报系统组成：第一阶段为持续5秒的单一视觉警报；第二阶段为持续5秒的视觉加触觉座椅警报；第三阶段为持续5秒的视觉-触觉-听觉三重警报组合。

在每次实验中, 参与者不仅会遇到智能驾驶系统的正常运行, 还会经历无警报信号但 lane deviation 发生的情况, 或者伴随视觉和触觉紧急 alert 的 lane deviation 情况. （与 experiment 1 类似, 当 operator 在 non-driving tasks 执行且 adjacent lanes 中无其他车辆时,...）请注意, 尽管在这个研究中 alert 和 warning 在其发生原因上存在本质区别, 但并未向参与者说明这些区别. 对于那些处于2秒及7秒 warning 条件下的参与者来说, 在 lane deviation 发生时收到的 warning 和他们因对 driving environment 的注意力状况而产生的提示无法加以区分. warning 是由参与者的 attention 状态触发的, 而 lane deviation alert 则是由车内 experiment人员在 vehicle 偏离 lane 的适当时间启动的.

研究结果

总体而言，在提升道路注意方面提示是有效的；然而这些提示的作用方式各具特色。7秒提示在呈现后增强了参与者对道路的注意力（图ES-1）；这种增强效果随着时间推移得以持久化；然而由于只有当参与者连续7秒注意力不集中时才会发出提示；因此只有在参与者对驾驶环境极度不注意时才会有提示；这从实验中观察到的低监测率中得到反映；相比之下研究发现2秒提示在呈现后并未增强参与者对驾驶环境的注意力（图ES-1）；尽管如此在整个实验过程中2秒提示确实使参与者的注意力达到了最高水平；出现这种现象可能是因为2秒提示比7秒提示出现得更为频繁而且是在参与者对驾驶环境还未极度不注意之前就出现了；总体而言结果表明在操作配备L2级智能驾驶系统的车辆时2秒提示比7秒提示更能促使操作员留意驾驶环境；需要注意的是参与者并未被告知收到提示的原因相反（在研究开始时）只告诉他们收到提示时该怎么做；因此操作员收到提示后对驾驶环境的关注可能与他们试图弄清楚最初为什么会收到警报有关；此外还必须注意到有参与者忽略了第一阶段的视觉警报（仅视觉警报）只有在5秒后触觉警报出现时才做出反应；因此未来的研究应该探索针对2秒提示的人机交互界面方法以确定既能有效引起操作员即时反应又不会让他们感到厌烦的显示方式。

图 ES - 1. 在接收到 2 秒提示、7 秒提示或无提示的情况下（无论是哪种情况），当驾驶员车道偏离意图车道时（无论是在接收到警示信息还是没有接收到警示信息的情况下），视觉辅助加触觉警示能够让驾驶员重新掌控车辆状态；如果驾驶员接收到警示信息，则其从发现车道偏离到重新掌控车辆状态之间的时间间隔为 2.4 秒（注意：警示信号与车道偏离事件同时发生）。如果驾驶员没有接收到警示信号，则许多驾驶员在失去车辆掌控能力后仍需发出指令（约有 49 名未接收到警示信号的驾驶员中约有 23 人仍需发出指令）；而在接收到警示信号的情况下，则仅有约 1 人需要发出指令以恢复车辆掌控能力。那些既未接收到任何警示信号又未得到操作员发出控制指令就恢复车辆掌控能力的人群则需花费约 4.4 秒时间才能完成这一过程；这突显出警示信号对于向操作员传达驾驶性能问题的关键作用。与实验一类似地，在体验部分之前、期间及之后参与者的自动化功能体验均显示出高度的信任感；然而，在未接收到任何警示信号的情况下经历车道偏离问题测试的一群驾驶员则对自动化功能的信任感有所下降；这表明操作者可能已经在一定程度上根据其对自动化功能的信任程度进行了自我调节。第三个实验的目的在于探究哪些人类-机器交互特性能够在向操作员传达 L3 级自动驾驶车辆性能问题方面发挥效用，并确定操作者与驾驶任务相关自动化功能之间的关联。

实验 3 - 提醒操作员重新控制 L3 级自动驾驶车辆方法

以下是改写后的文本

研究结果

当没有外部危险时，在观看分阶段警报视频（平均耗时为17.0秒 [标准差为1.2秒]）的情况下，参与者在紧急警报下更快地重新控制了车辆（平均耗时仅为2.3秒 [标准差为0.2秒]）。这种现象可能是因为紧急警报直接指示了立即接管的操作流程。然而较长的反应时间并非由于参与者忽视了分阶段警报的信息内容或未观看展示所有四个阶段的视频所导致；相反地，则可能是由于参与者遵循人机交互界面提供的操作指令所引发的。值得注意的是，在观察到第三阶段信号之前的所有参与者均成功地重新控制了车辆（图ES-2）。

图 ES - 2. 出现分阶段警报时重新控制 3 级自动驾驶车辆的时间

当受到有外部威胁的紧急警报时

与前两个实验相同，在开始时人们对信任度的评估就非常高。随后随着研究的进行，在后续阶段人们对信任度的认识明显提升。需要注意的是这一现象可能并非巧合——其中有 11 名参与者在此之前已经听说过自动驾驶车辆的存在。其中更有意思的是，在前述已了解相关领域的参与者中竟有高达 9/10 的人提到了谷歌的自动驾驶汽车

当警报响起时

本研究关注的问题是驾驶员在与配备L2级及更高自动化能力（L3级）的车辆互动时应采取何种操作方式。

研究团队根据以下因素来评估自动驾驶车辆的操作情况：参与者在遇到意外事件时重新控制车辆所需的时间；他们是否未注意到接管请求（TOR）警报或对其感到困惑；以及在需要时他们是否持续留意道路等情形。当采用最佳警报方式时，在经过测试的情况下，在遇到意外事件（即驾驶配备 L2 级自动驾驶系统的车辆出现车道偏离或驾驶配备 L3 级自动驾驶系统的车辆路上出现障碍物）后，在紧急情况下参与者能较快地重新控制部分自动驾驶车辆。当收到视觉信号并触发紧急警报时，在视觉加听觉条件下参与者平均耗时 1.2 秒（标准误差 = 0.1 秒）完成对配备 L2 级智能驾驶系统的车辆的控制；而在触发自动刹车的情况下参与者平均耗时 2.1 秒（标准误差 = 0.1 秒）完成对配备 L3 级自动驾驶系统的车辆的控制。需要注意的是，在紧急警报发出前所涉及的意外事件严重程度相对较低；而当警报发出但车道偏离尚未发生的情况下，则要求L3级系统内的障碍物应在碰撞即将发生前10秒内发出 TOR 警告。

尽管如此，在某些情况下部分操作者可能会忽略某些警示信息；这一发现突显出人机界面（HMI）在促进人机安全交互中的关键作用；数据显示，在面对单一视觉警示时，操作员往往表现出较慢的反应速度；甚至可能出现完全遗漏的情况；然而将视觉警报与其他感官模式相结合并不是一个简单的解决办法；因为这种做法可能导致操作者产生厌烦情绪的可能性增加

参与者的表现随着时间表现出一定的变化趋势，在实验2中发现随着研究持续了三个小时的过程，在第一个小时内呈现较低的平均反应速率（±0.2秒），随后第二个小时和第三个小时分别达到了较高的平均反应速率（第二个小时±0.3秒、第三个小时±0.2秒）。这种现象可能源于那些持续了两个小时内未对任何问题作出调整的时间段内未发送的关键提示信息

研究问题二：当工作人员执行辅助性工作时，在执行其他低优先级的工作时可能会带来哪些影响？

研究表明，在执行非开车任务时的一些驾驶员未注意到第一阶段的5秒视觉警示（即视觉警报），而配备L2级智能辅助系统的驾驶员则会在这一时段内忽视此类提示。与此同时，在第一阶段开始后的20秒后才接收到第二阶段提醒信号的另一些驾驶员配备了L3级自动驾驶辅助系统并重新掌控了车辆操作。数据显示，在某些情况下这些驾驶员倾向于将工作优先级完全转移至其他不涉及开车的任务上。当这些驾驶员将工作重点转移至其他不涉及开车的任务时他们的感觉似乎认为先完成这些非开车任务是他们的义务所在因而会对与开车相关的提示和警报做出响应的状态有所延迟

研究问题 3 - 系统和操作员之间最有效的交接策略是什么？

本研究发现，在操作过程中实现任务转移的最佳策略是那些结合触觉元素的方法。在实验一至二中使用的小型L2级自动驾驶汽车上，在接收到同时显示视觉与触觉反馈的警报信号后，在检测到这种警报后迅速调整了车速至最低水平。值得注意的是，在操作员需处理非驾驶任务时可能出现注意力分散的问题，在设计交接策略时融入触觉元素可能有助于提升整体操作效率。在实验二中发现有些受试者完全忽略了视觉警示只有当触觉反馈被提供时才会做出反应

在L3级自动驾驶车辆的相关实验中发现，在操作员接收到视觉与听觉信息相结合的警报提示时（HMI），其接管车辆所需的时间会产生显著延迟。这种延迟现象主要由人机交互界面（HMI）告知操作员他们拥有一定的准备时间（而非立即要求接管）以及向其展示剩余反应时间（在此情形下设置倒计时器）所引发的结果。因此，在人机交互界面明确告知操作员他们有充足的时间进行准备的情况下，则可能会有较多的操作员选择在这一准备期内从事非驾驶任务活动

研究问题 4 - 操作员如何参与、脱离和重新参与驾驶任务？

当TOR警报发出时，在参与驾驶任务的操作者们通过其做出的反应以及对行动顺序的重新掌控来体现这一情况。评估了重新启动自动化过程并放权所需的时间（见表 ES-1）。根据研究发现，在接收到管辖区报警后（例如向前看），参与者的平均响应时间为1.2秒内。大多数参与者更倾向于握住方向盘以实现对L2级智能驾驶车辆的再掌控（通常需要约1.3至2.4秒）。当接收到信息报警时……；而当紧急报警触发……。”
比较而言，在紧急报警触发时操作L3级自动驾驶车辆的参与者通常会立即踩下刹车（仅需约2.3秒）。这可能是因为这种报警传递出了紧迫感

关于在短暂的手动控制后重新启动自动化，在自动化系统运行可用的情况下，请问参与者平均所需的时间不到4.6秒即可释放对系统的控制权？这一数值存在一定的变化范围，并非固定不变；这可能与几个因素有关：例如，在接收到第一阶段的分级报警之后（如分级报警的情况），参与者是否预计到当他们处于第一阶段时自动化系统可能会升级到更为严峻的状态？

研究问题 5 - 在 L2 级和 L3 级自动化的各种操作概念下，操作员的表现如何？

在试验跑道设施内完成了三项实验。为了模拟高速公路上混合交通的情况，在试验环境中设置了多辆协同运行的车辆。在这些条件下（使用有效的人机界面时），参与者与自动化系统进行了互动，并表现出色。值得注意的是，在操作员未察觉人机界面信息的情况下（如他们在非驾驶任务中活动），他们的表现可能会显著下降。此外，在二级自动化场景下（即需要持续监控道路的情况），操作员必须保持警觉。当他们在执行视觉干扰性任务时（即重新控制自动驾驶车辆的行为），这代表了一种既严峻又贴近现实的操作情境。有趣的是，在靠近其他车辆行驶时（即与其他车辆接近的情况下），参与者会迅速将对自动驾驶车辆的控制权转移过来

研究课题 6 - 在提升 L2 和 L3 级系统安全运行的相关人机界面概念时，请确定哪些是最佳的？

经过测试的人机界面（HMI）概念中最有效的类型是那些不仅有视觉警报还附加非视觉警报的概念。当执行非驾驶任务时一些参与者出现了主要任务反转的情况在这种情况下他们选择了优先完成非驾驶任务而非先操作部分自动驾驶车辆这种现象（对车辆自动化的过度依赖）可能削弱自动驾驶车辆技术所带来的一些潜在安全优势相较于仅依赖视觉警报的设计在参与者专注进行视觉密集型的任务时引入听觉与触觉元素能够更有效地吸引他们的注意力并且在触发安全反应方面表现更为出色需要注意的是这类警报包括多种类型可能会导致研究结果出现差异

出现这种情况的一个可能原因是参与者在从事高度集中的非驾驶任务时，在触觉和听觉警报具备多维度特征的情况下能够感知到警报信息。此外，在这种情况下触觉和听觉警报所传达出的状态更为紧急

需要注意的是，在设计自动驾驶系统时应当尽量减少可能引起驾驶员感到打扰的情况发生概率。考虑到人们担心持续发出听觉或触觉警报的人机交互界面可能会让驾驶员感到烦躁不安，并可能导致他们选择放弃具有更高自动化技术优势的产品以追求更加舒适的操作体验。由此可见，在设计警示信息时应当充分考虑其在视觉、声音和令人不悦程度上的平衡问题，并采取适当措施以确保人机交互界面的安全性与有效性。未来的研究工作将有助于我们更深入地探索如何通过改进部分自动驾驶汽车的人机交互界面来提升其智能化水平与用户体验质量

总结

本研究探讨了操作者在模拟试验场景下与L2级和L3级部分自动驾驶车辆进行互动的情况。研究结果表明,人机界面设计元素对操作者与这些车辆之间的互动模式有着显著的影响。整体而言,参与者普遍表现出对自动化系统的高度信任度,这种信任对于推动自动驾驶技术的应用至关重要,但同时实验证明,参与者往往会在处理非驾驶任务时优先考虑车辆操作,并且在接收到接管请求时表现出令人担忧的一贯反应。为进一步研究这些问题,建议未来探索更多相关因素的影响机制,以便优化自动化系统的人机交互设计。本研究中观察到的操作者参与行为为支持L2级和L3级部分自动驾驶系统开发的人为因素设计原则提供了重要依据和实践参考