虚拟助理的有限使用，反映了它们糟糕的可用性。改变人们对于智能系统的心智模型，往往不是一件容易的事情。“我希望它更像是一个私人助理，而不是提问式的机器。让它来找我，而不是我来找它”。这些诉求也表明了当前车载交互系统存在的问题，快来看看 Apple CarPlay 是如何理解工作记忆和认知负担的，它们对设计产生了哪些影响？未来，Apple CarPlay 需要从哪些角度减少交互干扰，提升驾驶安全和驾驶体验。快来看看吧~

 

今天，吸引我们注意力的事物比以往任何时候都多，需要兼顾工作、家庭和社交生活。尽管尝试处理多项任务，但我们的注意力范围非常有限。最近的研究结果表明，我们的短期记忆可以保存 3~5 个项目。这意味着我们在任何既定时刻只能专注几个项目，当涉及大脑其他部分时可能更少，例如开车。在忙碌的生活中，电子邮件、电话和导航触手可及，开车时使用移动设备很常见。欧盟委员会最近的一项研究结论：驾驶员分心可能占到每年欧洲道路碰撞事故因素的 10～30%。在过去的 10 年中，美国各地制定了免提电话法，汽车制造商也在大多数车载 “信息娱乐系统” 中制定了免提通话标准。
 
2014 年，苹果推出了 Carplay，将 iPhone 与汽车信息娱乐系统无缝整合。该系统不仅包括免提通话，还可以通过 Siri 进行音乐选择和导航等功能的语音控制。人类的工作记忆是有限的，在开车时使用移动设备会增加认知需求。随着语音控制功能的进一步发展，苹果 Carplay 可以帮助驾驶员在驾驶时安全地进行互动。

1. 定义工作记忆

早在 1883 年，弗朗西斯·高尔顿就定义了两种不同类型的记忆 —— 长期记忆 和 短期记忆。2012 年，艾伦 · 巴德利（Alan Baddeley）发表了关于工作记忆的综合发现，更准确地描述了短期记忆。他假设短期记忆是 “简单的信息储存”，而工作记忆意味着 “储存和操作的结合”。Baddeley 提出了一个工作记忆系统，由四部分组成：中央执行官、视觉空间画板、语音循环和情景缓冲器。中央执行官负责注意力部分；视觉空间画板是一个短期的视觉信息存储器，容量非常小；语音循环是指语言信息的存储；情景缓冲器是对所有工作记忆部分的链接。他认为，前额皮质是工作记忆发挥作用的地方。

2. 定义认知负荷

在研究工作记忆和驾驶限制的关系时，我们分析了导致分心的原因：视觉、操作和认知的组合构成了干扰。当工作记忆的注意力充分集中时，驾驶才能安全完成。分心驾驶 是指驾驶员的注意力从安全有效驾驶的功能转移到竞争性刺激，可能会导致对安全驾驶任务缺乏关注。例如，当你开车时，你必须监视道路、阅读路标、以及操控驾驶方向盘。如果 “注意力普遍转移” 或走神的认知成分开始起作用，司机就会分心。认知负荷 指的是另一项任务所需要的能量，它通常与认知分心交替发生。在工作记忆和驾驶影响的研究中，认知负荷的因素占很大比例。

3. 多任务处理和瓶颈效应

Meyer 和 Kieras（1997）完成了 “认知过程” 与 “多任务绩效” 的研究。他们推断当面对多个任务时，大脑不能完全集中注意力。如果同时执行多个任务，不仅容易出错，还需要更长的完成时间（可能是完成任务所需时间的 2 倍）。他们认为，在进行任务转换时，大脑必须重新启动才能再集中，不仅做事效率较低，转换过程中还会浪费时间。
 
Ruthruff（2001）聚焦于人们同时执行两个不同反应任务时产生的 ”瓶颈效应“，即人们在任务处理中存在反应延迟。此外，他还指出，第二项任务在开始时通常比较慢，当刺激减少时，才会加快速度。这个发现被称为 “心理不应期（PRP）效应”。

4. 工作记忆与驱动

工作记忆的极限对驾驶员来说意味着什么？麻省理工学院（MIT）的一项研究表明，随着司机认知需求的增加，他们对环境的意识会下降。这项研究收集了 108 名司机的视线和驾驶表现记录，他们来自于马萨诸塞州波士顿地区，年龄段为 20～29 岁、40～49 岁、60～69 岁。
 
一辆中型跑车（沃尔沃 XC90）安装了传感器，包括摄像头和眼球追踪系统，可以捕捉驾驶员行为、车辆周围环境和录音。实验是在一条限速 65 英里的公路上进行的，驾驶员面临低、中、高三种程度的认知负荷。低认知负荷，司机会得到一组数字，大声重复数字即可。中认知负荷，司机要记忆每个数字，并大声背诵。高认知负荷，要求司机心算所给数字的总和。驾驶速度、方向盘位置和加速度数据直接由汽车内置传感器或 CAN（控制器区域网络）记录。驾驶员的视觉注意力是通过眼睛在垂直平面上的 x/y 坐标和挡风玻璃的距离来确定的。通过观察 “注视坐标” 与 “标准注视坐标” 的偏差来确定注视的集中程度。研究发现，随着认知需求的增加，水平凝视的集中程度会显著提高，这意味着目光分散较。“相对于单任务驾驶，67% 的司机在最高需求期间缩小了注视的分布”。基于注意力测量得出的驾驶员视觉需求，高级驾驶员支持系统的开发应该将注意力集中程度作为衡量驾驶员认知负荷的一种手段。

5. Apple Carplay 与认知表现研究

英国最大的独立道路安全慈善机构 IAM Roadsmart 发布了一份研究报告，在该报告中，注意力集中程度是检查驾驶员安全的标准之一。这项研究为 Apple Carplay 理解 “司机认知表现的影响“ 提供了新思路。研究使用了一个驾驶模拟器来测量驾驶员的“反应时间、眼睛注视行为和车辆控制”。一个是 “声控驱动器”，驾驶员只使用声控功能执行任务;另一个是 “触控驱动器”，通过触摸屏执行任务。在驾驶过程中，测试者被要求使用语音功能或触摸功能完成五项系统任务，包括：
  • 在 Spotify 上播放音乐
  • 播放 BBC 广播
  • 导航
  • 接收短信
  • 打电话
当他们完成这些任务时，通过对屏幕上红色条形图的感知时长，得出驾驶员与信息娱乐系统交互时对外部刺激的反应时间。
 
研究中使用的驾驶模拟器视图
 
发送给参与者的短信是：嗨，罗西。期待以后再见到你。你能带些苹果、邮票、感谢卡、防晒霜、洋葱、咖啡和发胶吗?。第二个任务要求参与者打一个电话。在通话过程中，他们需要尽可能多地回忆清单上的项目（这个列表包含了 7 个条目，已经超出了工作记忆的极限）。
 
研究结果显示，在 19 名参与者中，76 个反应时间事件中，他们在触摸任务中有 14 次对红色条没有反应，在语音任务中有 8 次，在控制驱动中有两次。这一数据表明，使用触摸与苹果 Carplay 互动 “干扰了参与者对红色条的反应能力”。使用触摸时，Spotify（图1）和无线电任务的反应时间最慢，但使用语音时，导航任务的反应时间最慢（图2）。
 
基于控制、声音和触摸任务的反应时间
 
总的来说，在触摸任务期间的平均驾驶速度明显低于公布的速度限制（标准偏差约为每小时 7 英里）。在驾驶过程中处理触摸和语音任务，司机都难以保持车道位置。当被要求回忆购物清单时，9 名参与者在语音任务中回忆了 3 个项目，6 名参与者在触摸任务中回忆了 4 个项目。参与者说，在执行语音任务时，感觉注意力不那么分散。这与工作记忆的局限性是一致的。眼动追踪数据显示，在 Spotify 任务、导航任务和阅读短信/打电话任务中，参与者看信息娱乐系统的次数最多。在语音部分，看屏幕的时间明显更少。
 
NHTSA（国家公路交通安全管理局）的指导方针指出，所有远离道路的视觉固定的总和应该小于 12 秒。上面列出的三个任务 —— Spotify 任务、导航任务和阅读短信 / 打电话任务 —— 在驱动器的触摸时长都高于这个指导原则。研究还发现，人们在分心时往往会降低速度。这指向了前面提到的 “心理不应期（PRP）效应”，即当人类大脑尝试多任务处理时，其中一项任务可能会做得更慢。很明显，工作记忆吸收信息的能力有限。由于驾驶占据了大量的注意力资源，几乎没有空间来处理额外的信息，当认知负荷过高时，就会导致驾驶表现不佳。
 
这个图表强调了触摸任务中，CarPlay 的使用对司机的干扰

6. 苹果 Carplay 的设计启示

以上提及的工作记忆和认知负荷限制，对苹果 CarPlay 设计有明确的指导含义。苹果公司已经采取了一些措施来解决驾驶员安全问题。首先，通过 Siri 语音控制 CarPlay 的所有任务，这确保了司机可以把注意力集中在道路上，不需要低头看或触摸他们的  iPhone。IAM Roadsmart 研究发现，与触控相比，语音控制不太可能造成重大干扰。其次，苹果发布的开发者指南明确表示，司机的安全是最重要的。例如，他们只允许具有Siri功能的应用程序出现在 CarPlay 中，需要用户拿起手机完成的任务被严令禁止。第三，随着 iOS 14 的发布，苹果扩大了应用程序的范围，包括电动汽车充电，停车和点餐等服务，帮助用户在驾驶时完成复杂的任务。
 
显然，苹果的指导方针推动了开发者为驱动程序设计，但这就够了吗？研究表明，CarPlay 的优势在于 Siri，但在驾驶时使用语音助手仍会增加驾驶员的认知负荷。要想改善这一点，Siri必须变得更智能、更无缝。
 
改进 CarPlay 的第一步是促使驾驶员使用 Siri 而不是触摸界面。而 IAM Roadsmart 研究发现，大多数人自述他们更喜欢使用触摸界面而不是Siri功能。
 
参与者更倾向于使用触摸界面而非语音功能
Raluca Budiu 在 2019 年为尼尔森诺曼集团做的研究中表明：虚拟助理的有限使用，反映了它们糟糕的可用性，远远不能满足真正的用户需求。这意味着司机对 Siri 的心智模型需要改进，这不是一件容易的事情。Budiu 表示，一旦用户有了 IA（智能助手）的心理模型，他们就不会频繁尝试启动新的任务。用户可以学习一种新的思维模式，但他们必须受到驱动或启发才能这样做。这就是机器学习可以发挥作用的地方，在驾驶时根据时间和地点提供个性化建议。这项技术已经存在于最新的 iOS 系统中，但仍然是相当新的。如果 Siri 能够知道司机在特定路线上的特定时间，他们通常会发出相同的短信或电话，那么它就可以进行口头或简单的屏幕通知来提示这种行为。学习用户的日常模式可以减轻用户执行 CarPlay 的一些常见任务，例如发短信、导航、听音乐等，开启前置任务，比如促使司机设置地图目的地。在 Budiu 的研究中，一名用户谈到了他们对 Siri 的渴望，“我希望它更像是一个私人助理，而不是提问式的机器。让它来找我，而不是我来找它”。

7. 未来的意义

美国国家公路交通安全管理局的一项研究发现：司机发短信时，眼睛离开道路的平均时间为 5 秒。这相当于，若以每小时 55 英里的速度行驶时，驾驶员蒙眼行驶了整个足球场。显然，在驾驶时需要一种更无缝的方式来使用语音激活。一旦自动驾驶汽车成为现实，对全声控体验的需求就会减少。这种转变会是什么样的呢?那些老式的、由人控制的汽车会怎么样呢?也许手动驾驶汽车都可以使用 CarPlay，但仍需要进一步研究。在此之前，Siri 和其他智能驾驶系统需要改进，与用户建立信任，并在驾驶安全方面实现更无缝的集成。随着这些技术的进步，苹果 Carplay 有可能成为一种安全、有效的方式，让司机在与 iPhone 交互时减少驾驶分心。
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