多任務情境下的壓路機顯示界面警示感知研究

王雨晨，張昆

（中國礦業大學，徐州 221000）

壓路機在駕駛及施工過程中，時刻面臨多種復雜情境因素的影響[1]，操縱者對界面警示信息的快速感知就顯得尤為重要，車輛情境呈現的狀態和信息影響決定駕駛員的操作與反應，任務的性能也取決于對界面信息的獲取程度[2-3]。目前對車輛報警及警示信息的研究多是通過情境感知構建智能警示系統獲取[4-5]，針對工程車輛界面警示的研究不足。從任務情境的角度出發進行探究，通過實驗分析用戶在不同情境界面下的注視行為，為工程車輛界面警示信息的研究思路做一定補充[6]。依據壓路機工作流程劃分典型的任務情境，利用眼動設備捕捉實驗參數，以任務情境為單位進行差異性及原因分析，并由此探究多任務情境下駕駛員對壓路機界面警示信息的感知效果，為壓路機等工程車輛設計優化界面信息提高警示刺激提供一定參考。

1 多任務情境的壓路機界面警示感知研究方法

1.1 研究思路與方法

車載顯示界面及工程裝備控制面板的設計要符合人的視覺特征，使用戶可以快速感知界面信息并進行操作[7]，對顯示界面警示信息的研究就要求對被試進行視覺分析，有助于為衡量警示信息的感知效果指導界面設計與優化提供科學的依據。眼動視覺分析是解決復雜任務情境下壓路機駕駛室顯示界面警示信息感知研究的主要手段[8]。

因此研究以壓路機駕駛室顯示界面為眼動測量載體，探究不同任務情境下，人對界面警示信息感知效率的影響。通過對壓路機工作流程的分析與歸納[9-10]，明確開機質檢、轉場、作業3 個典型任務情境，以此為變量開展眼動實驗的對比性研究，假設不同任務情境對界面警示信息的感知程度不同。預期3 種情境下的實驗參數存在顯著性差異，該研究為后續如何優化工程車輛界面警示信息以達到刺激效果的一致性等方面提供一定參考。

1.2 基于眼動追蹤的任務界面警示感知衡量指標

眼動作為視覺行為分析的組成部分，在基于任務進行目標搜索過程中起著重要作用[11]。眼球跟蹤也為復雜環境中利用視覺搜索模式優化設計提供了潛力[12]，在眼動儀作為壓路機顯示界面的警示捕捉設備有助于測量警示感知的效果。實驗則是通過 Tobii X3-120 捕捉設備固定于分屏顯示器上，同時進行典型任務情境的模擬與眼動數據的測量。以眼動情況研究中，心理學領域常用指標：瞳孔直徑、首次進入時間、目標總反應時間作為壓路機界面警示信息感知研究的眼動衡量指標[13-14]。

1）瞳孔直徑：即被試瞳孔變化的大小。瞳孔直徑反映了人對信息加工的過程及對感知信號的刺激程度，疲勞度的增加與專注度的變化都會導致瞳孔直徑縮小，而重復單一的視覺呈現與時間壓力的增加則會導致瞳孔的擴大[15]。

2）首次進入時間：即視線第一次進入目標區域的時長。將不同任務情境界面下的警示信息劃為興趣區即目標區域，以獲得警示刺激信息出現到被試視線首次進入興趣區的時長。在信息感知與目標捕捉的過程中，首次進入時間越短則受該任務情境的影響越小，視覺敏銳度越高，對警示信息的感知程度越強。

3）目標總反應時間：即目標區域出現到消失的總時長。以被試對目標區域總反應時間的重復性測量，分析被試在不同任務情境下對界面警示信息識別效率的影響。

2 多任務情境下壓路機顯示界面警示感知研究設計

2.1 任務情境定性描述

任務情境是由多種復雜因素構成，是指用戶在車輛上進行相關任務操作時，具備的目標與計劃及做出的相應操作，該狀態下的任務包括駕駛與非駕駛任務[2]。工程車輛壓路機在分別執行質檢、轉場和作業任務時會受到外部環境、人的狀態及機器設備的影響，駕駛室顯示界面可以獲取機器實時狀態的反饋，而如何定義該任務情境下環境與人狀態，并以此為整體描述變量，就需要分別對任務情境進行定性表達。

1）質檢：質檢即質量檢測，在壓路機行駛和作業之前即車輛處于停駐狀態，需要駕駛員對設備進行檢查，觀察各操縱機構狀態，在車輛啟動前發動機預熱過程中，觀察顯示界面儀表盤等讀數是否正常，有無故障警示，發現警示信息及時采取措施。

2）轉場：轉場即轉換施工場地到達作業區的過程，此時壓路機處于行駛狀態，外部駕駛環境復雜多變，需駕駛員安全駕駛注意周圍環境的安全，同時關注顯示界面儀表盤等讀數是否正常，有無故障警示，發現警示信息及時采取措施。

3）作業：作業即壓路機在施工區域壓實工作的過程，此時壓路機處于規律的行駛狀態，外部駕駛環境單一重復，駕駛員易疲勞，作業過程中需留意外部的突發狀況及顯示界面儀表盤等讀數是否正常，發現警示信息及時采取措施。

2.2 任務情境界面構建

通過對國內外多品牌工程車輛機械設備等顯示界面的歸納與分析，發現界面多以單一方式呈現，即同一界面顯示多狀態工作下的設備信息，然而不同任務水平及復雜程度會影響界面內容的編碼與組成[16]，因此實驗前需要針對壓路機不同任務情境構建相應的顯示界面。

依據壓路機質檢的工作狀態及該任務下所需獲取的車輛信息，并參考現有工程設備質檢界面，明確以車身側視圖清晰顯示各部件狀態的方式進行構建；轉場任務情境界面在監控多項危險指標的同時，應實時提供駕駛信息，因此界面構建參照汽車儀表盤簡化信息提高易讀性；而壓路機在實施灑水、壓路等作業時，需要對必要的振幅、頻率等信息進行檢測，并同時提供駕駛狀態，進而最終明確界面構建方案。采用Adobe Photoshop 分別對壓路機質檢、轉場和作業3種任務情境界面進行實驗素材的構建，見圖1—3。界面構建像素尺寸為800×600，圖標使用均符合國家標準。

圖1 質檢任務情境界面Fig.1 Quality control task context interface

圖2 轉場任務情境界面Fig.2 Transferring task context interface

圖3 作業任務情境界面Fig.3 Operation task context interface

3 實驗設計與實施

3.1 實驗方案

實驗目的是測試壓路機不同任務情境對用戶感知界面警示信息產生的影響。實驗以壓路機顯示界面為被測對象，分別測量質檢、轉場、作業3 種任務情境下被試對界面警示信息注視時的瞳孔直徑、首次進入時間和目標總反應時間3 項指標。以比較3 組任務情境界面測量的差異性，來分析不同任務情境界面對警示感知的影響。

實驗1：探究被試在質檢任務情境下，對界面警示信息感知及識別效率的影響，要求被試提前熟悉質檢任務的環境模擬狀態，并完成質檢界面下感知警示信息的實驗任務。

實驗2：探究被試在轉場任務情境下，對界面警示信息感知及識別效率的影響，要求被試熟悉并模擬轉場駕駛的狀態，并完成轉場界面下感知警示信息的實驗任務。

實驗3：探究被試在作業任務情境下，對界面警示信息感知及識別效率的影響，要求被試熟悉作業情境，重復模擬達到作業狀態，并完成作業界面下感知警示信息的實驗任務。

3.2 實驗準備

實驗設備硬件包括Tobii X3-120 眼動儀以捕捉不同任務情境下界面有效實驗參數、24 英寸顯示器分辨率為1920px×1080px 作為情境與顯示界面模擬。軟件為ErgoLAB 人機環同步平臺系統，設計與記錄實驗內容和結果，并采用EyeTracking 模塊進行視覺參數分析。

實驗材料包括3 組任務情境界面、11 組警示界面刺激材料、3 組任務情景模擬視頻。通過對壓路機常見故障及界面警示方式的分析[1,17]，明確警示信息呈現方式為圖標閃爍與警示框的彈出，并構建警示信號顯示效果，見圖4，同時控制3 組任務情境下界面警示信息呈現的一致性。

圖4 壓路機界面警示呈現方式Fig.4 Road roller interface warning presentation mode

實驗共邀請20 名在校研究生作為被試，年齡區間分布為20～30 歲，男女比例為1∶1，左右眼視力正常，無視覺障礙無斜視色盲等眼部疾病。

3.3 實驗任務與流程

實驗通過分屏模擬任務情境環境視頻與顯示界面，獲取眼動設備捕捉的相應參數。每組實驗方案的任務均要求被試了解當前任務情境內容與狀態，在實驗過程中觀察顯示界面并感知警示信息，迅速敲擊鍵盤空格鍵做出反應，警示信息消失實驗繼續。每組實驗間隔3 min 以消除視覺疲勞與記憶效應對實驗的影響。具體實驗流程包括。

1）介紹實驗要求與流程，描述當前任務情境，訓練被試盡量達到該任務狀態。

2）完成視覺校準，被試依據實驗任務進行實驗，分別觀察3 組任務情境界面，11 組警示刺激材料間隔5 s 呈現以消除記憶效應，保證每組實驗的環境和其他要素的不變性，消除干擾，由眼動儀全程進行捕捉。

3）記錄被試信息，并在實驗結束后表示感謝。

4 結果分析與討論

4.1 實驗數據分析

以界面警示信息區域劃分為興趣區（AOI，Area of Interest），將20 名有效被試分別對3 種任務情境下的11 組警示信息進行瞳孔直徑、首次進入時間和目標總反應時間數據的收集，實驗通過重復測量降低誤差，并以任務情境為單位計算有效數據平均值及方差，繪制柱狀統計圖探究同一衡量指標下，不同任務情境界面注視行為的差異性。對指標 1 的數據計算（見圖5），質檢任務情境下平均瞳孔直徑為3.604 mm，瞳孔直徑方差為0.463；轉場任務情境下平均瞳孔直徑為3.008 mm，方差為0.439；作業任務情境下平均瞳孔直徑為3.264 mm，方差為0.491。對指標2 的數據計算，見圖6，質檢任務情境下首次進入時間平均值為0.481 s，首次進入時間方差為0.121；轉場任務情境下首次進入時間平均值為1.815 s，方差為0.853；作業任務情境下首次進入時間平均值為0.998 s，方差為0.342。對指標3 的數據計算，見圖7，質檢任務情境下目標總反應時間平均值為0.950 s，總反應時間方差為0.213；轉場任務情境下目標總反應時間平均值為1.977 s，方差為0.586；作業任務情境下目標總反應時間平均值為1.246 s，方差為0.313。

圖5 平均瞳孔直徑Fig.5 The average of pupil diameter

圖6 首次進入時間平均值Fig.6 The average of first entry time

圖7 總反應時間平均值Fig.7 The average of total reaction time

利用SPSS 進行重復測量方差分析，通過對20名被試在同一指標下進行的11 組警示信息的重復測量，得出效應檢驗顯著性均小于0.01，即瞳孔直徑、首次進入時間和目標總反應時間3 項指標在檢驗任務情境對界面警示信息感知效果的數據呈現中，均具有顯著性差異。

4.2 實驗結果討論

以折線統計圖整理繪制 3 組任務情境實驗下衡量指標的均值及方差，見圖8—9。

圖8 數據平均值折線統計圖Fig.8 Broken line graph of average data

分別以任務情境為單位對3 項衡量指標進行分析，通過圖表可以清晰看出，在質檢任務情境中，被測對象瞳孔直徑均值達到最高為3.604 mm，即受該任務影響，關注界面信息的重復性搜索，疲勞程度增加則會導致瞳孔的擴大。首次進入時間和目標總反應時間均值最低，同時指標方差也處于最低，數據呈現平緩，趨勢穩定，由此表明在質檢狀態下，被測對象受情境影響較小，視覺敏銳度更高，能快速捕捉界面的警示信息，對警示信息的感知程度也相對更強。

在轉場任務情境下，被試瞳孔直徑均值最低為3.008 mm，首次進入時間和目標總反應時間均值最高，也意味著在轉場狀態中，被測對象易受情境多因素的干擾，難及時感知界面警示信息的呈現，注意力易分散，反應時間變長，進而注意度與視覺關注度變化明顯，瞳孔縮小以達到視覺轉換快速進行目標搜索的目的。從圖9 的時間數據方差也可以看出數值離散程度明顯，首次進入時間方差達到最高為0.853，總反應時方差達到0.586，數據變化相對質檢和作業任務情境更為顯著，穩定程度更低，數值離散的顯著性也表明該任務狀態影響因素的不可控性，從而導致被試對界面信息的感知程度降低，延遲甚至忽略界面警示。

圖9 數據方差折線統計圖Fig.9 Broken line graph of data variance

在作業任務情境下，枯燥重復性的作業操作和時間壓力會導致瞳孔擴大，但由于受視覺切換注意力轉移的影響，瞳孔直徑存在明顯的變化，因此數據均值趨于中間狀態。首次進入時間及目標總反應時間均高于質檢而低于轉場任務情境，即界面警示的搜索及反應能力優于轉場狀態，表明作業狀態任務明確、環境穩定，但受復雜因素的影響程度相對轉場較低。

此外，以目標總反應時間及首次進入時間2 項指標時間差進行深入分析，見圖 10，可以得出警示刺激目標由被試視線首次進入到接受信息給出反饋警示消失的時間長度，即警示目標的視線停留時長。數據呈現顯示，質檢任務狀態下視線對界面刺激目標停留時間最長，而在轉場任務下時長最短，即表明被試在轉場任務情境中受復雜因素的影響更明顯，難以長時間觀察界面信息，就要求被試在該狀態下，能對界面警示進行快速感知并及時作出反饋。因此，分析得出不同任務情境實驗數據間差異的顯著性，也驗證了任務情境這一變量對壓路機駕駛室界面警示信息的感知具有顯著影響。

圖10 數據時間差分析Fig.10 Time difference analysis of data

5 結語

本研究基于眼動捕捉設備，探究不同任務情境下對感知壓路機顯示界面警示信息的影響。通過構建任務情境界面，分析瞳孔直徑、首次進入時間和目標總反應時間3 個因變量參數，得出結論，即任務情境會對界面警示信息的視覺感知產生影響，且不同任務情境的警示感知效果不同。其中質檢任務情境下警示刺激程度及感知效果最強烈，感知效率最高，而轉場任務情境下對界面警示信息的感知程度最低。由于受到各方面的限制，情境的模擬無法達到最真實的狀態，實驗過程中不可避免的（例如燈光、被試頭部抖動等）因素都會對實驗產生影響。綜上，研究從任務情境的角度出發，為探究工程車輛駕駛室顯示界面警示信息的感知效果及警示設計與優化提供一定參考。