不同等級公路環(huán)境下駕駛?cè)藙討B(tài)視覺特性規(guī)律研究

胡立偉，李耀平，林玉珍

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，昆明650500)

不同等級公路環(huán)境下駕駛?cè)藙討B(tài)視覺特性規(guī)律研究

胡立偉＊，李耀平，林玉珍

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，昆明650500)

為研究不同等級公路上行車時駕駛?cè)说膭討B(tài)視覺行為模式，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與回歸分析方法，對采集的不同等級公路上駕車的不同年齡、不同駕齡、不同性別及不同教育程度的6類駕駛?cè)艘曈X特性指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，定量研究了不同等級公路上的駕駛?cè)说淖⒁暋咭暭罢Ｑ鄣淖兓?guī)律.試驗(yàn)結(jié)果顯示，車速、視野、注視點(diǎn)距離之間顯著相關(guān)，并得到隨著車速增加受到信息刺激次數(shù)及反應(yīng)錯誤次數(shù)也隨之增加；駕駛?cè)说淖⒁朁c(diǎn)、水平搜索廣度、垂直搜索廣度、掃視幅度、掃視速度等視覺特性指標(biāo)的變化隨不同等級公路具有明顯的規(guī)律性分布.本文的研究有助于公路交通設(shè)施的設(shè)計(jì)、設(shè)置及其管理，有利于公路行車安全與效率的提高.

公路運(yùn)輸；公路環(huán)境；駕駛?cè)?；動態(tài)視覺特性

1 引言

駕車過程中，駕駛?cè)诵枰兄鞣N道路交通信息來完成駕駛行為.根據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同的感覺器官在駕駛?cè)诵畔⑻幚磉^程中所占比重分別為：視覺占80%，聽覺占14%，觸覺占2%，味覺占2%，嗅覺占2%[1].可見對于駕駛?cè)硕?，主要依靠視覺獲取道路交通信息.

國內(nèi)外大量研究表明，不同的駕駛環(huán)境駕駛?cè)说囊曈X特性存在明顯的差異性.J Baujon等[2]研究了職業(yè)駕駛?cè)撕头锹殬I(yè)駕駛?cè)嗽诓煌€形道路上視覺感知行為明顯不同.Mark Brackstone等[3]研究了駕駛?cè)嗽诟咚俟飞像{駛時其眼球的運(yùn)動規(guī)律隨著速度的不同呈現(xiàn)一定的規(guī)律性.Tania Dukic等[4]研究了駕駛?cè)瞬僮魈匦耘c視覺行為特性之間存在密切的關(guān)系.Sodhi M，Reimer B等[5]利用安裝在頭部的眼睛追蹤裝置HED研究了駕駛?cè)笋{車過程中接電話、讀車載儀表等駕駛行為對駕駛?cè)俗⒁饬υ斐傻挠绊?David Crundall,Geoffrey Underwood[6]研究了經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)伺c經(jīng)驗(yàn)少、非熟練的駕駛?cè)嗽诓煌愋凸飞弦曈X搜索的差異明顯. Geoffrey Underwood,PeterChapman等[7]研究了不同道路上熟練駕駛?cè)伺c非熟練駕駛?cè)嗽隈{車過程中的注視、掃視規(guī)律，得出熟練駕駛?cè)艘?guī)律性較非熟練駕駛?cè)藦?qiáng).Torbjorn Falkmer等[8]研究了經(jīng)驗(yàn)豐富、熟練的駕駛?cè)伺c經(jīng)驗(yàn)少、非熟練的駕駛?cè)嗽隈{駛車輛過程中視覺搜索規(guī)律的不同.Joanne L，Harbluk[9]研究了駕駛?cè)艘曈X工作負(fù)荷、駕駛操作需求等的變化對駕駛?cè)搜蹌右?guī)律的影響.Hiroyuki Shinoda,Mary M Hayhoe等[10]研究了駕駛?cè)嗽谔摂M交通環(huán)境中發(fā)現(xiàn)停車標(biāo)志的能力.L Hanson,K Holmqvist等[11]研究了駕駛?cè)艘曈X特性對其安全感的影響.

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對駕駛?cè)艘曈X特性方面的研究多集中于單一道路環(huán)境下某一視覺特性指標(biāo)影響，缺少不同等級公路環(huán)境下不同屬性特征駕駛?cè)?不同年齡、不同駕齡、不同性別、不同教育程度等)的各視覺特性指標(biāo)變化規(guī)律的研究.本文擬開展不同等級公路(高速公路、一級公路、二級公路及三級公路)環(huán)境下駕駛過程中不同駕駛?cè)说囊曈X特性研究，以期為公路交通安全管理及安全行車規(guī)則的研究提供理論支撐與決策依據(jù).

2 公路行車駕駛?cè)艘曈X特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)對象遴選.

遴選不同性別、年齡、教育程度及駕齡的6類駕駛?cè)?，分別為：A類駕駛?cè)?駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富年長，年齡為53～59歲，駕齡為21～32年)；B類駕駛?cè)?駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富中年，年齡為41～49歲，駕齡為15～20年)；C類駕駛?cè)?女性中年，年齡為26～43歲，駕齡為3～11年)；D類駕駛?cè)?年輕經(jīng)驗(yàn)欠豐富，年齡為28～35歲，駕齡為3～5年)；E類駕駛?cè)?年輕經(jīng)驗(yàn)一般，年齡為28～39歲，駕齡為6～10年)；F類駕駛?cè)?新手駕駛?cè)?，駕齡為1～2年).

表1 試驗(yàn)路線Table1 Experimental route

(2)試驗(yàn)路線設(shè)計(jì).

試驗(yàn)路線選擇了包括高速公路、一級公路、二級公路及三級公路，能夠涵蓋研究內(nèi)容且具有代表性的公路.通過實(shí)地踏勘選擇的試驗(yàn)路線概況如表1所示.

(3)試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì).

本次試驗(yàn)車輛確定為小型轎車和SUV各一輛，具體試驗(yàn)步驟如下：

①測試檢驗(yàn)iView X HED眼動儀及其附屬設(shè)備情況；

②試驗(yàn)人員和測試對象等參加測試人員根據(jù)試驗(yàn)方案，明確分工，熟悉各任務(wù)內(nèi)容；

③為確保數(shù)據(jù)連續(xù)性、有效性，試驗(yàn)全程為不間斷數(shù)據(jù)采集、存儲和記錄；

④測試對象(駕駛?cè)?在實(shí)驗(yàn)過程中盡快適應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備，降低儀器設(shè)備對其干擾；

⑤記錄人員記錄整理駕駛?cè)艘曈X特性數(shù)據(jù)和公路沿線的路況資料，以便對比研究.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對車速、視野、注視點(diǎn)距離進(jìn)行相關(guān)性分析，如表2所示.從表中相關(guān)性水平可以得出，車速、視野、注視點(diǎn)距離顯著相關(guān).

隨著車速增加駕駛?cè)四軌虮鎰e的公路交通信息的時間越短，也就是單位時間內(nèi)駕駛?cè)艘曈X所獲得的信息刺激越多，因此對信息的感知判斷能力受到限制.這使得駕駛?cè)藢ν饨缧畔⒑茈y做出準(zhǔn)確判斷，不可避免的出現(xiàn)錯誤.通過試驗(yàn)測得駕駛?cè)穗S著車速增加，每分鐘內(nèi)獲得的公路交通信息刺激的反應(yīng)錯誤次數(shù)也隨著增加，如表3所示.圖1反映了車速、信息刺激出現(xiàn)次數(shù)、反應(yīng)錯誤次數(shù)間的關(guān)系.

表2 視野與注視點(diǎn)距離、車速相關(guān)性分析Table2 Correlation between speed,vision andfixation details distance

駕車過程中有超過80%的信息來自于駕駛?cè)藢?、交通及環(huán)境等外界視覺信息，所以外界環(huán)境良好對駕駛?cè)艘曈X感知到有效動態(tài)信息是有利的，反之就會干擾到駕駛?cè)艘曈X注意力，影響駕駛?cè)藙討B(tài)視覺的感知能力.

表3 車輛行駛速度與反應(yīng)錯誤次數(shù)關(guān)系Table3 Relationship between speed and reaction errors number

圖1 車輛行駛速度與反應(yīng)錯誤次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between speed andreaction errors number

3 駕駛?cè)俗⒁曌兓?guī)律

3.1 注視點(diǎn)分布與注視興趣區(qū)劃分

在駕車過程中駕駛?cè)艘曈X搜索模式是具有一定選擇性的，也就是說駕駛?cè)艘曈X注意力在搜索公路環(huán)境中的事物時并不是均勻分配于視域范圍內(nèi)各目標(biāo)，而是在眾多目標(biāo)間往復(fù)搜索變化轉(zhuǎn)移，以此來捕捉有效信息，如圖2所示(圖中圓的大小表示注視目標(biāo)時間的長短、連線表示注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移的路線).為了研究不同等級公路環(huán)境對駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布規(guī)律，需要根據(jù)駕駛?cè)藢Νh(huán)境的注意力分布劃分注視興趣區(qū).采用動態(tài)聚類法對6類駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)在空間二維視平面內(nèi)分布進(jìn)行聚類分析，得到如圖3所示的12個興趣區(qū)域(AOI：Area of Interesting).

在不同等級公路環(huán)境下駕車時，駕駛?cè)藢Ω髯⒁暸d趣區(qū)域(AOI，下同)的注視頻次分布如圖4所示.在各等級公路環(huán)境下，駕駛?cè)酥饕淖⒁曌⒁饬υ贏OI 2、AOI 5、AOI 8興趣區(qū)，注視頻次明顯高于其它區(qū)域，即駕駛?cè)俗铌P(guān)注的是公路上中央?yún)^(qū)域的環(huán)境.還可得到在高等級公路環(huán)境中其它興趣區(qū)域注視頻次的比例較小，而且隨著公路等級的降低其它注視頻次有所增加.

圖2 駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布與轉(zhuǎn)移過程Fig.2 Distribution and transfer process of driver’s fixation details

圖3 各興趣區(qū)域及其含義Fig.3 Areas of interest(AOI)and their meanings

圖4 不同等級公路上各興趣區(qū)域的注視頻次分布Fig.4 Distribution of fixation frequency

3.2 注視搜索廣度規(guī)律

分析在不同等級公路環(huán)境中的駕駛?cè)怂胶痛怪彼阉鲝V度得到圖5、圖6.從圖中可以得到隨著公路等級的升高駕駛?cè)说乃剿阉鲝V度趨向于增大，而垂直搜索廣度則相反，隨著公路等級的升高駕駛?cè)说拇怪彼阉鲝V度趨向于減小；從圖中還可得到高等級公路環(huán)境下水平搜索廣度值與垂直搜索廣度值差距較大，而低等級公路環(huán)境下水平搜索廣度值與垂直搜索廣度值較為接近.這說明高等級公路環(huán)境下車輛行駛的速度較高，而且主要的信息量集中在視域的水平方向的較大，因此駕駛?cè)藢⒁曈X注意力集中于水平方向，相比之下低等級公路環(huán)境下路面窄、車速低，而且交通環(huán)境簡單，所提供的信息較少，注視點(diǎn)搜索反而較為集中，所以呈現(xiàn)出來的水平與垂直搜索廣度值接近.并得到駕齡長經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)怂阉鲝V度值普遍小于駕齡短經(jīng)驗(yàn)不豐富的駕駛?cè)?，這說明駕齡長經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)藢τ诠份^熟悉或者本身對公路交通傳遞信息有較為準(zhǔn)確的判斷，能夠根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)完成感知、判斷和操作過程，無需隨時隨地搜索公路交通傳遞信息，而駕齡短、經(jīng)驗(yàn)不豐富的駕駛?cè)藙t不然.

圖5 被試駕駛?cè)怂阶⒁曀阉鲝V度Fig.5 Horizontal fixation search breadth

圖6 被試駕駛?cè)舜怪弊⒁曀阉鲝V度Fig.6 Vertical fixation search breadth

4 駕駛?cè)藪咭曌兓?guī)律

4.1 掃視幅度

對被試駕駛?cè)嗽诓煌燃壒返难蹌訏咭暦染捣治龅玫綀D7.

從圖7中可以得到駕駛?cè)说膾咭暦染悼傮w趨勢隨著公路等級降低而增大，一級公路掃視幅度均值普遍高于其它等級公路，其主要原因是一級公路有些路段沒有設(shè)中央分隔帶，而且沒有對車輛進(jìn)出口進(jìn)行全面控制，即一級公路存在非封閉而且與一級及其以下等級公路存在平面交叉(有的為控制平面交叉口，有的則不然)，導(dǎo)致交通運(yùn)行狀況比高速公路復(fù)雜，致使掃視幅度均值較高速公路大.另外經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)吮冉?jīng)驗(yàn)不豐富的駕駛?cè)藪咭暦染狄?，男性駕駛?cè)溯^女性駕駛?cè)说膾咭暦染灯毡橐∫恍?

圖7 不同等級公路上被試駕駛?cè)藪咭暦茸兓?guī)律Fig.7 Variety law of fixation search breadth

4.2 掃視速度

被試駕駛?cè)嗽诓煌燃壒飞蠏咭曀俣染底兓?guī)律如圖8所示.

圖8 不同等級公路上被試駕駛?cè)藪咭曀俣茸兓?guī)律Fig.8 Variety law of scan speed

可以得到駕駛?cè)说膾咭曀俣染悼傮w趨勢隨著公路等級降低而降低，這說明等級低的公路較等級高的公路交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、受外界干擾等因素，需要花費(fèi)更大的注意力來搜索所需要信息，所以反應(yīng)時間要長而導(dǎo)致掃視速度慢.另外經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)吮冉?jīng)驗(yàn)不豐富的駕駛?cè)藪咭曀俣染狄?，女性駕駛?cè)溯^男性駕駛?cè)说膾咭曀俣染灯毡橐?

5 駕駛?cè)苏Ｑ圩兓?guī)律

5.1 眨眼持續(xù)時間

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出眨眼持續(xù)時間主要分布在[0.02 s,0.6 s]內(nèi)，均值為0.228 s，不同眨眼持續(xù)時間長短出現(xiàn)的頻次分布如圖9所示，從圖中得出持續(xù)時間為[0.10 s,0.30 s]的眨眼頻次較高，且出現(xiàn)兩個峰值，分別為眨眼持續(xù)時間0.14 s和0.20 s，其它眨眼持續(xù)時間出現(xiàn)的頻次較少，駕駛?cè)嗽隈{駛過程中眨眼持續(xù)時間主要集中于 [0.10 s, 0.30 s]內(nèi).

圖9 駕駛?cè)苏Ｑ垲l數(shù)分布Fig.9 Distribution of blink frequency

5.2 眨眼頻率

對駕駛?cè)朔治龌貧w得到眨眼頻率隨時間的變化趨勢方程及相關(guān)系數(shù)如表4所示，從圖與表中得出被試駕駛?cè)苏Ｑ垲l率分布較分散，而且其回歸方程相關(guān)系數(shù)普遍小于0.5(R2<0.5)，相關(guān)性差.研究表明，眨眼動作實(shí)際上是一種保護(hù)性動作，它能使淚水均勻地分布在角膜和結(jié)膜上，以保持角膜和結(jié)膜的濕潤，眨眼動作還可使視網(wǎng)膜和眼肌得到暫時休息.這種不自主眨眼動作的起因，目前還不太清楚，有人認(rèn)為是人類高度進(jìn)化的表現(xiàn)，反射性閉眼運(yùn)動是由于明確的外界原因通過神經(jīng)反射引起的.綜上，由于眨眼致因還存在很多未解之謎，因此本文對眨眼相關(guān)指標(biāo)將不做深入探討.

表4 眨眼頻率回歸分析Table4 Regression analysis of blink frequency

6 研究結(jié)論

本文對四類公路(高速公路、一級公路、二級公路及三級公路)環(huán)境中選不同性別、年齡、教育程度及駕齡等的6類駕駛?cè)诉M(jìn)行駕駛?cè)艘曈X特性實(shí)車試驗(yàn)，得到不同等級公路環(huán)境條件下的各類駕駛?cè)说囊曈X特性指標(biāo)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究后得出如下結(jié)論：

(1)車速、視野、注視點(diǎn)距離顯著相關(guān)，并且隨著車速增加受到信息刺激及反應(yīng)錯誤也隨之增加.

(2)駕駛?cè)藢分醒雲(yún)^(qū)域內(nèi)的情況最為關(guān)注，在高等級公路對其它興趣區(qū)域注視的比例較小，而隨著公路等級的降低其它注視頻次有所增加.

(3)駕駛?cè)搜劬咭曀剿阉鲝V度隨著公路等級升高呈變大趨勢，而垂直搜索廣度則相反；高等級公路水平方向與垂直方向的搜索廣度值差距較大，而低等級公路水平方向與垂直方向的搜索廣度值較為接近.

(4)駕駛?cè)说膾咭暦?、搜索速度均值總體上隨著公路等級降低而增大，一級公路掃視幅度均值普遍高于其它等級公路.經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)吮冉?jīng)驗(yàn)欠豐富的駕駛?cè)藪咭暦染狄?、搜索速度均值要大，男性駕駛?cè)溯^女性駕駛?cè)说膾咭暦?、掃視速度均值普遍要小一?

(5)駕駛?cè)苏Ｑ鄢掷m(xù)時間主要分布在[0.02 s, 0.6 s]內(nèi)，均值為0.228 s，持續(xù)時間為[0.10 s,0.30 s]內(nèi)的眨眼頻次較高，且公路等級的不同對眨眼頻率無明顯影響.

[1]裴玉龍.道路交通安全[M].北京:人民交通出版社, 2004,9(1):6-11.[PEI Y L.Road traffic safety[M].Bei?jing:China Communications Press 2004,9(1):6-11.]

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Driver’s Dynamic Visual Characteristics and Laws under Different Highway Environments

HU Li-wei,LI Yao-ping,LIN Yu-zhen
(Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

To study drivers’dynamic visual behavior patterns when driving on different grades of highway. Drivers are classified into six categories based on ages,driving experiences,gender,and educational backgrounds.The index dates on the visual character are collected when drivers are driving on the different grades of highway.A comparative analysis of index dates on the visual character is conducted using mathematical statistics and regression analysis.The distribution of the driver’s gaze,glance and the blink changes is studied quantitatively.The results showed that speed,vision and gaze distance are significantly correlated, and the number of stimuli by information and the number of reaction errors increase with increasing speed. Furthermore,the driver’s vision indicators,such as gaze point,horizontal search breadth,vertical search breadth,saccade amplitude,and saccade speed follow regularity distribution when the types of the driver are different and the grades of highway are also varied.The study is helpful for the design,setting and management of highway transport facilities,and will be conductive to highway traffic safety and efficiency.

highway transportation;highway environment;driver;dynamic visual characteristics

1009-6744(2014)03-0058-06

U491.52

A

2013-09-25

2014-01-02錄用日期：2014-01-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208238）；昆明理工大學(xué)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（KKZ3201202028）；云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013CA025）.

胡立偉（1977-），男，山東濰坊人，講師，工學(xué)博士.*通訊作者：liweihukm@sina.com