异构无人车辆组合对任务绩效与工作负荷的影响:基于视觉行为视角

《International Journal of Industrial Ergonomics》:Impacts of heterogeneous unmanned vehicle combinations on task performance and workload: A visual behavioral perspective

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月17日 来源:International Journal of Industrial Ergonomics 3.6

编辑推荐:

   •研究了异构无人机-无人地面车辆系统中的心理负荷与行为模式。•平衡的无人机-无人地面车辆配比显著降低了心理负荷与错误率。•表现优秀的操作员展现出主动搜索与被动信息监控的独特模式。•高负荷加重了对实时视频的注意力集中,可能限制对全局任务的感知。引言自21世纪初以来,无人地面车辆

  
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    研究了异构无人机-无人地面车辆系统中的心理负荷与行为模式。
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    平衡的无人机-无人地面车辆配比显著降低了心理负荷与错误率。
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    表现优秀的操作员展现出主动搜索与被动信息监控的独特模式。
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    高负荷加重了对实时视频的注意力集中,可能限制对全局任务的感知。

引言

自21世纪初以来,无人地面车辆开始应用于搜救任务,在复杂的灾害环境中证明了其高度的适应性(Casper和Murphy, 2003;Murphy, 2004)。先进技术增强了无人地面车辆的能力,使救援人员能够扩大搜索覆盖范围并提高作业效率(Hafeez等, 2017)。无人地面车辆能够执行多种地面任务,但其作业效率往往受到全局视野有限的制约。无人机通过高速、强机动性和广阔的视野弥补了无人地面车辆的不足(Lyu等, 2023)。将无人地面车辆与无人机结合形成异构无人车辆系统,可整合各自优势以执行复杂任务(Ophir-Arbelle等, 2013;Peterson等, 2018)。
无人机能够快速勘察大面积区域并中继侦察数据,而无人地面车辆负责地面搜索与执行任务。这种协作方式对于应对单一平台作业的固有局限性至关重要(Ding等, 2021;Yu等, 2021;Zhou等, 2026)。具体而言,无人地面车辆通过减少地形遮挡并执行超出空中平台能力范围的地面任务(如目标验证或救援)来补充无人机的功能(Munasinghe等, 2024)。先前的研究表明,此类异构系统不仅缩短了响应时间,而且在复杂动态的灾害环境中表现出卓越的鲁棒性和适应性(Bhandari等, 2016;Huang等, 2024;Phan和Liu, 2008)。通过整合无人机的高速探测能力与无人地面车辆的地面优势,异构系统在执行复杂任务时实现了更高的作业效率和任务可靠性(Liu等, 2022;Tokekar等, 2016)。因此,探索人机无人车辆系统中无人机-无人地面车辆团队的最佳组合与交互方式,对搜救作业具有重要的实践意义。
与此同时,人机因素问题在多无人车辆操作中也日益突出。当管理多个无人车辆时,单个操作员往往面临心理负荷升高和注意力分散等挑战,从而增加了任务失败的风险(Adams, 2009;Hooey等, 2018)。为此,许多研究致力于调整自动化水平和降低人机比(Lewis等, 2010;Olsen和Goodrich, 2003;Vilela等, 2013;Wang等, 2009)。Parasuraman等人(2000)提出了基于10级自动化标尺的自主性概念。提高自主性将操作员从低层控制任务中解放出来,使其能够更专注于高层任务相关的决策(Cummings等, 2014)。然而,由于识别能力、控制技术和搜索环境复杂性的制约,无人车辆在可预见的未来仍将保持半自主状态(Cummings和Guerlain, 2007;Ghamry等, 2016)。在典型的搜救场景中,系统主要承担移动和识别等基本控制功能,而操作员则主要负责无人车辆资源分配和关键决策的验证。
早期研究主要关注同构无人车辆系统,即各单元属性相同的系统。目前,无人车辆操作研究集中于任务规划、路径优化和多机器人协同算法(Chandarana等, 2021;Huang等, 2024;Phan和Liu, 2008)。现有研究从场景、任务、车辆属性和操作员特征等角度考察了单个操作员控制多个无人车辆的心理负荷(Adams, 2009;Hobbs和Lyall, 2016;Hooey等, 2018;Wright等, 2018)。然而,这些发现可能无法推广到异构系统。具体而言,异构无人车辆组合(如无人机与无人地面车辆的配比)对任务表现和心理负荷的影响尚不明确,其背后的注意力分配策略也尚未完全阐明。

章节摘要

异构无人车辆系统

异构无人车辆系统是指包含具有不同特征的车辆(如无人机-无人地面车辆系统)的系统(Duan和Liu, 2010;Ollero和Maza, 2007;Sultan等, 2021)。在此类系统中,不同类型的无人车辆通常承担不同功能并执行专门化任务(Liang等, 2021)。此前对同构系统的研究已确定人机比是影响心理负荷的关键因素(Olsen Jr和Wood, 2004)。控制多个无人车辆将进一步

参与者

通过微信招募了36名大学生(18名男性,18名女性;年龄:M = 22.9岁,SD = 2.5岁)参与实验。所有参与者自报视力正常或矫正至正常,色觉正常,听力正常。没有参与者具备操作单个或多个无人车辆的先前经验。实验完成后,每位参与者获得了报酬。本研究经机构审查委员会审查并批准,

结果

不同无人车辆组合条件下正确目标数量、NASA-TLX评分及操作行为的描述性统计见表1,眼动指标的描述性统计见表2。

无人车辆组合如何影响操作员的表现和心理负荷?

在协同搜索场景中,本研究结果表明,2架无人机+2辆无人地面车辆的组合在保持较低心理负荷水平的同时展现了更高的准确率。更具体地说,这种更高的准确率伴随着更少的标记错误,而非更多的目标标记。一种可能的解释是,2架无人机+2辆无人地面车辆的组合可以被组织为两对稳定的无人机-无人地面车辆配对(每对由1架无人机和1辆无人地面车辆组成)。当无人机识别到目标时,操作员可以直接将

局限性

尽管本研究加深了对异构无人车辆系统交互过程的理解,但仍存在一些局限性。首先,本研究基于模拟场景,使用无人机和无人地面车辆模拟搜救任务。由于真实场景可能涉及障碍物、天气和光照等约束条件,模拟环境与真实环境之间存在差异。固定四辆车队配置和任务设置也可能限制了研究结果的推广性。

结论

本研究通过模拟搜救实验考察了不同异构无人车辆组合对操作员表现和心理负荷的影响。结果表明,2架无人机+2辆无人地面车辆的组合具有最高效率和最低心理负荷水平。1架无人机+3辆无人地面车辆的组合增加了任务分配相关的心理负荷。相反,虽然3架无人机+1辆无人地面车辆的组合能够快速发现目标,但会增加任务进度方面的额外压力。

CRediT作者贡献声明

黄永豪:撰写——初稿,可视化,方法论,形式化分析。卢一杰:调查研究,数据整理。张伟:撰写——审阅与编辑,项目管理,资金获取,概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到人机工程学国家重点实验室基金(项目编号:HFNKL2025J07)和国家自然科学基金(项目编号:72192824)的资助。我们衷心感谢李凯威教授提供的宝贵指导。
黄永豪|卢一杰|张伟
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