公路交通設(shè)施造成的視覺影響與駕駛員生理心理的關(guān)系

張麗梅，李耀平，鮑建軍，楊爽藝，鮑天昊*

(1.云南省精神病醫(yī)院，云南 昆明 650224；2.昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500*通信作者：鮑天昊，E-mail：baotianhao@126.com)

公路交通設(shè)施造成的視覺影響與駕駛員生理心理的關(guān)系

張麗梅1，李耀平2，鮑建軍1，楊爽藝1，鮑天昊1*

(1.云南省精神病醫(yī)院，云南 昆明 650224；2.昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500*通信作者：鮑天昊，E-mail：baotianhao@126.com)

目的通過相關(guān)性分析得到公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員生理心理的差異，以此為駕駛員實(shí)際行車過程中公路設(shè)施的具體設(shè)置提供理論基礎(chǔ)，最大化的減少由于公路交通設(shè)施設(shè)置不當(dāng)造成的受駕駛員主觀影響的交通安全事故。方法通過對(duì)不同年齡段駕駛員進(jìn)行跟車實(shí)測，收集120例駕駛員數(shù)據(jù)，從公路交通設(shè)施設(shè)置前后對(duì)駕駛員的視覺特性影響機(jī)理出發(fā)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和回歸分析，對(duì)不同性別、不同駕齡的駕駛員進(jìn)行分類，通過動(dòng)態(tài)聚類法對(duì)駕駛員的視覺興奮區(qū)進(jìn)行處理，從視覺范圍、掃視速度和區(qū)域面積等方面定量研究交通設(shè)施設(shè)置對(duì)駕駛員的視覺特性影響。結(jié)果①駕駛員視覺特性強(qiáng)度與其注視點(diǎn)距離和車速呈正相關(guān)(r=0.997)，注視點(diǎn)距離和車速的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.016和0.05，協(xié)方差分別為6328、-1030，95%置信區(qū)間范圍為(0.926，1)和(-1，0.05)；②駕駛員對(duì)正前方視野區(qū)內(nèi)最為關(guān)注，公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員興趣區(qū)域注視趨勢大體相似，但額外的交通設(shè)施會(huì)吸引駕駛員更多的注意力；③駕駛?cè)藛T視覺搜索范圍在設(shè)置公路交通設(shè)施后會(huì)增加，水平范圍會(huì)減小，這一點(diǎn)在女性駕駛員和駕駛新手身上尤為明顯；④駕駛?cè)藪咭暦群退俾试谠O(shè)置后會(huì)增加，駕駛新手和女性駕駛員掃視幅度更大，范圍更廣；⑤駕駛?cè)苏Ｑ鄢掷m(xù)時(shí)間主要分布在0.02～0.6s范圍內(nèi)，平均值為0.245s，0.1～0.3s范圍內(nèi)眨眼頻數(shù)較高，對(duì)駕駛員生理影響較大。結(jié)論駕駛員視野范圍與注視距離、注視點(diǎn)區(qū)域面積存在顯著相關(guān)性，隨著車速增加，駕駛員反饋信息次數(shù)也會(huì)增加，錯(cuò)誤率上升。

公路駕駛?cè)耍还方煌ㄔO(shè)施；視覺特性；生理心理

*Correspondingauthor:BaoTianhao,E-mail:baotianhao@126.com)

駕駛員在不同駕駛環(huán)境下的心理反應(yīng)是不盡相同的[1-2]，駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際行車過程中道路線型變化和由此產(chǎn)生的生理、心理變化影響很大[3-5]。既往對(duì)駕駛員心理生理差異分析的研究多集中于限定駕駛員視野從而分析影響因素，缺乏對(duì)駕駛員個(gè)人特性分類的規(guī)律性研究。本研究對(duì)公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員視覺特性變化進(jìn)行分析，對(duì)駕駛員視覺掃視范圍和頻率、眨眼次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為不同生理心理差異的駕駛?cè)藛T設(shè)置相對(duì)平衡的公路交通設(shè)施提供參考，有利于提高公路交通行車安全。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

甄選出不同年齡、性別、受教育程度和駕駛年齡的駕駛員并進(jìn)行駕駛員視覺特性實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)象分為如下類別：I類駕駛員(具有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)，且年齡53～60歲，駕齡20～30年，不限性別)；II類駕駛員(年齡46～53歲，駕齡15～20年，駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富且，不限性別)；III類駕駛員(39～46歲的女性駕駛員，駕齡5～10年)；IV類駕駛員(年齡32～39歲，駕齡3～5年)；V類駕駛員(年齡25～32歲，駕齡3～5年，駕駛經(jīng)驗(yàn)一般)；VI類駕駛員(剛接觸駕駛1～2年的年輕駕駛者)。

1.2 研究方法

實(shí)驗(yàn)車輛為普通小型車和一輛SUV。

視覺興奮區(qū)域是指對(duì)某一區(qū)域注視點(diǎn)的數(shù)量。兩次眼跳間眼球的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)稱為注視，一次注視為一個(gè)注視點(diǎn)。興趣區(qū)內(nèi)注視次數(shù)越多，表明這個(gè)區(qū)域?qū)τ谟^察者來說更為重要，更能引起注意。通過熱點(diǎn)圖(Hotspot)，形象地分析注視點(diǎn)的集中趨勢、停留時(shí)間等。

具體試驗(yàn)步驟為：①檢測TOBII&SMI眼動(dòng)儀設(shè)備運(yùn)行情況；②實(shí)驗(yàn)人員和被測駕駛員對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和程序流程進(jìn)行熟悉；③應(yīng)盡量連續(xù)地讀取信息以期獲得完整、有效的數(shù)據(jù)；④被測駕駛員應(yīng)盡快熟悉眼動(dòng)儀設(shè)備運(yùn)行情況，盡量減少設(shè)備的干擾；⑤工作人員對(duì)駕駛員的視覺注意點(diǎn)和視覺興奮區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并標(biāo)注沿途公路屬性等信息。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

通過對(duì)不同年齡段駕駛員車速與注視點(diǎn)距離、視覺強(qiáng)度的數(shù)據(jù)繪制折線圖得到其線性關(guān)系，使用SPSS 13.0進(jìn)行相關(guān)分析，建立不同年齡段駕駛員車速與視覺強(qiáng)度、注視點(diǎn)距離參數(shù)關(guān)聯(lián)性模型，通過折線圖和柱狀圖分別表現(xiàn)公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員視覺興奮區(qū)注意頻數(shù)比率和水平、垂直視覺注視區(qū)域搜索范圍的對(duì)比狀態(tài)，同時(shí)對(duì)駕駛員的眨眼頻率隨時(shí)間的變化進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程和相應(yīng)的R2值。

2 結(jié) 果

2.1 視覺特性分析

對(duì)注視點(diǎn)距離、車速與視覺特性強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示駕駛員視覺特性強(qiáng)度與其注視點(diǎn)距離和車速呈正相關(guān)(r=0.874、0.982)。見表1、表2。駕駛員年齡和注視點(diǎn)距離成反比，車速與注視點(diǎn)距離成反比。見圖1。

駕駛員信息刺激出現(xiàn)次數(shù)和范圍隨著車速的提高而降低，單位時(shí)間內(nèi)受到的外界刺激增加，導(dǎo)致駕駛員的感知能力減弱，導(dǎo)致駕駛員難以對(duì)外界信息進(jìn)行判斷，錯(cuò)誤率增加。駕駛員每分鐘的錯(cuò)誤次數(shù)與車速成正比。見表3、圖2。

表1 駕駛員視覺特性強(qiáng)度與車速、注視點(diǎn)距離相關(guān)分析

注：aP<0.01，即在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

表2 不同年齡段駕駛員視覺特性強(qiáng)度與車速、注視點(diǎn)距離相關(guān)分析

注：aP<0.05，bP<0.01，均為雙側(cè)檢驗(yàn)

圖1 不同年齡駕駛員車速與注意點(diǎn)視距分布圖

表3 每分鐘反應(yīng)錯(cuò)誤次數(shù)與車速相關(guān)關(guān)系

圖2 車速、外界信息刺激次數(shù)與駕駛員反應(yīng)錯(cuò)誤次數(shù)之間的關(guān)系

2.2 視覺指標(biāo)

2.2.1 視覺注意點(diǎn)分布與視覺興奮區(qū)

駕駛員在實(shí)際駕駛過程中的視覺注意點(diǎn)的確定是有選擇性的，即駕駛員視覺不會(huì)均勻的分配以獲得目標(biāo)區(qū)內(nèi)所有信息，而是通過不斷地視覺轉(zhuǎn)移，反復(fù)地對(duì)目標(biāo)間進(jìn)行搜索并提取有效信息。如圖3所示，圓圈表示視覺注意時(shí)間長短，圓圈之間的橫線代表視覺注意點(diǎn)之間位置轉(zhuǎn)移。

為了對(duì)公路交通設(shè)施對(duì)視覺特性影響的駕駛員心理生理差異性進(jìn)行分析，需要通過視覺注意點(diǎn)分布劃分視覺興奮區(qū)域，故采取動(dòng)態(tài)聚類法對(duì)6類駕駛?cè)藛T視覺注意點(diǎn)所在的二維視覺平面空間進(jìn)行聚類分析，得到的具體視覺興奮區(qū)域(Area of Interesting，AOI)如圖4所示。

圖3 駕駛員注意點(diǎn)分布及視覺轉(zhuǎn)移路線

圖4 視覺興奮區(qū)域分布

2.2.2 視覺注意點(diǎn)分布

圖5為交通設(shè)施變化對(duì)駕駛員生理心理影響下的視覺注意點(diǎn)區(qū)域變化，表4和圖6為公路交通設(shè)施對(duì)視覺特性影響下駕駛員注視頻數(shù)所占百分比分析?？梢缘贸鲴{駛員在實(shí)際駕駛過程中對(duì)視覺注意點(diǎn)的分配主要集中于駕駛視覺點(diǎn)前方區(qū)域，即視覺興奮區(qū)AOI 5、AOI 8，公路交通設(shè)施設(shè)置前后的視覺特性影響明顯，故視覺特性具有較為明顯的規(guī)律性，體現(xiàn)在視覺頻數(shù)穩(wěn)步上升，從AOI 2至AOI 4、從AOI 5至AOI 7、從AOI 9至AOI 10、AOI 12。見圖5、表4。

圖5 公路交通設(shè)施設(shè)置前后的駕駛員視覺特性對(duì)比

表4 公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員視覺興奮區(qū)注意頻數(shù)比例對(duì)比分析

圖6 公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員視覺興奮去注意頻數(shù)比率分析

2.3 注視區(qū)域搜索范圍

對(duì)實(shí)驗(yàn)駕駛員在公路交通設(shè)施對(duì)其視覺特性影響的情況下進(jìn)行注視區(qū)域的水平和垂直注視區(qū)域搜索范圍進(jìn)行對(duì)比分析。公路交通設(shè)施對(duì)駕駛員視覺特性的影響較大，水平注視區(qū)域搜索范圍減小，而垂直注視區(qū)域搜索范圍增大，說明交通設(shè)施設(shè)置對(duì)視覺特性的影響主要集中于將駕駛員的注意力集中于水平范圍內(nèi)，增加了他們的注視集中性和目的性，交通設(shè)施設(shè)置前由于注視區(qū)域分散，搜索范圍廣闊，駕駛員難以迅速找到最佳的期望信息，造成了駕駛員水平搜索的難度遞增；垂直注視區(qū)域搜索廣度的改變則是由于交通設(shè)施設(shè)置在垂直方向上沒有吸引駕駛員的注意力變化，放棄了垂直搜索的能力，而在交通設(shè)施設(shè)置后吸引駕駛員對(duì)垂直方向搜索可靠信息。經(jīng)驗(yàn)成熟的駕駛員在公路交通設(shè)施前后搜索范圍相比年輕駕駛員來說數(shù)值較小。見圖7、圖8。

圖7 水平視覺注視區(qū)域搜索分析

圖8 垂直視覺注視區(qū)域搜索分析

2.4 視覺指標(biāo)

2.4.1 視覺掃視范圍

對(duì)被測駕駛員在公路交通設(shè)施設(shè)置前后的視覺掃視范圍和掃視速率進(jìn)行分析，C類和F類駕駛員在交通設(shè)施設(shè)置前掃視幅度最大，A類、B類駕駛員掃視幅度最小。見圖9。

圖9 駕駛員視覺掃視范圍對(duì)比

2.4.2 視覺掃視頻率

將駕駛員在公路交通設(shè)施設(shè)置前后對(duì)視覺特性的影響進(jìn)行比較，結(jié)果顯示掃視速度的變化設(shè)置前高于設(shè)置后，說明交通設(shè)施設(shè)置之后駕駛員需要更多的時(shí)間來進(jìn)行信息搜索，導(dǎo)致他的判斷時(shí)間較長，掃視頻率降低，而沿途未進(jìn)行交通設(shè)施設(shè)置的駕駛員不需要額外時(shí)間進(jìn)行信息搜索，搜索速度較快；經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員相比駕駛生疏的駕駛員搜索速度更快，女性駕駛員搜索速度較慢。見圖10。

圖10 駕駛員視覺掃視速率對(duì)比

圖11 眨眼時(shí)間分布時(shí)間

2.5 眨眼頻數(shù)指標(biāo)

2.5.1 眨眼持續(xù)時(shí)間

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出眨眼持續(xù)時(shí)間主要分布在0.01～0.3s范圍內(nèi)，均值為0.245s，在0.08～0.32s范圍內(nèi)眨眼時(shí)間較高，在0.15s和0.18s達(dá)到峰值。見圖11。

2.5.2 眨眼頻率

對(duì)駕駛員的眨眼頻率隨時(shí)間的變化進(jìn)行回歸分析，得到相應(yīng)的回歸方程和R2值，可以看出駕駛員眨眼頻率分散，回歸方程的相關(guān)性系數(shù)R2偏小，相關(guān)性較差。見表5。

表5 眨眼頻率回歸分析

注：回歸方程中y為眨眼頻率軸，x為時(shí)間軸

3 討 論

研究顯示，不同的駕駛員在不同的駕駛環(huán)境中表現(xiàn)出的生理心理反應(yīng)是不盡相同的。專業(yè)駕駛?cè)藛T和非專業(yè)駕駛?cè)藛T在處于不同道路線型時(shí)生理心理感知特點(diǎn)存在明顯差異[6-7]。駕駛員在行駛過程中的行為特性(視覺和心理)對(duì)其實(shí)時(shí)駕駛行為有著直接的影響[8-9]。利用HED裝置可以對(duì)駕駛員進(jìn)行跟蹤并讀取行車狀態(tài)信息，探究其違規(guī)駕駛行為對(duì)注意力的波動(dòng)影響[10]。交通設(shè)施設(shè)置后，視覺區(qū)域兩側(cè)的交通設(shè)施設(shè)置對(duì)駕駛?cè)藛T有更明顯的導(dǎo)向作用，而駕駛員前方視覺區(qū)的注視點(diǎn)頻數(shù)未出現(xiàn)明顯變化，說明公路交通設(shè)施的設(shè)置對(duì)駕駛員在駕駛過程中信息提取具有一定的促進(jìn)作用，能有效提高駕駛員的駕駛目的性。研究顯示，駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)駕駛員在現(xiàn)實(shí)行駛過程中沿途信息搜集和辨別方面有明顯差異[11]。駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員相較于駕駛經(jīng)驗(yàn)薄弱者在行車時(shí)對(duì)視野范圍內(nèi)場景的掃視和提取能力更強(qiáng)，且在行駛中視野搜索更具規(guī)律性[12-14]。通過對(duì)駕駛員移動(dòng)視野變化造成的行車速度等行車影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為車速與行車實(shí)際視野成反比[1,15]。

綜上所述，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于駕駛員心理生理差異分析的研究大多集中于限定駕駛員視野的情況下某一固定視覺特性影響因素指標(biāo)，缺乏對(duì)駕駛員個(gè)人特性分類的規(guī)律性研究。本研究對(duì)公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員視覺特性變化進(jìn)行分析，比較駕駛員生理心理狀態(tài)的變化，對(duì)駕駛員視覺掃視范圍和頻率、眨眼次數(shù)進(jìn)行指標(biāo)考量，結(jié)果顯示：①駕駛員車速和視野范圍(垂直和水平)和視覺注視點(diǎn)的距離三者之間有著密切關(guān)聯(lián)，車速增加，駕駛員反應(yīng)降低，錯(cuò)誤率上升；②駕駛員對(duì)于正前方視野區(qū)內(nèi)最為關(guān)注，公路交通設(shè)施設(shè)置前后駕駛員興趣區(qū)域注視趨勢大體相似，但額外的交通設(shè)施會(huì)吸引駕駛員更多的注意力；③駕駛?cè)藛T視覺搜索范圍在設(shè)置公路交通設(shè)施后會(huì)增加，水平范圍會(huì)減小，這一點(diǎn)在女性駕駛員和駕駛新手身上尤為明顯；④駕駛員掃視幅度和速率在設(shè)置前后會(huì)增加，駕駛新手和女性駕駛員掃視幅度更大，范圍更廣；⑤駕駛員眨眼持續(xù)時(shí)間主要分布在0.02～0.6s范圍內(nèi)，平均值為0.245s，0.1～0.3s內(nèi)范圍內(nèi)眨眼頻數(shù)較高，對(duì)駕駛員生理影響較大。本研究基于公路交通設(shè)施對(duì)視覺特性影響的駕駛員生理心理變化的差異進(jìn)行研究，以期為不同生理心理特性的駕駛?cè)藛T設(shè)置相對(duì)平衡的公路交通設(shè)施提供參考。

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Analysisofdriver'sphysiologicalandpsychologicaldifferencesbasedontheinfluenceofhighwaytrafficfacilitiesonvisualcharacteristics

ZhangLimei1,LiYaoping2,BaoJianjun1,YangShuangyi1,BaoTianhao1*

(1.YunnanPsychiatricHospital,Kunming650224,China;2.SchoolofTransportationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China

ObjectiveBy means of correlation analysis in the difference of the driver's psychological and physiological settings before and after the highway traffic facilities, according to the actual driving driver specific set of highway facilities in the process of providing the theoretical basis, to maximize the reduction of traffic accidents due to driver's subjective effects caused by the improper setting of the highway traffic facilities.Methods120 cases of 6 types of data were collected through the measurement of the drivers at different ages. We used mathematical statistics and regression analysis to research drivers. Drivers were classified by gender and age, then datas were collected such as visual features index, message of physiological and psychology, visual range, speed and area etc. Quantitative study of the factors of driver's visual characteristics when traffic facilities install.Results①The intensity of driver's visual characteristics was significantly positively correlated with the distance of fixation point and vehicle speed. The correlation coefficient was 0.997, the standard deviation of fixation distance and vehicle speed was 0.016 and 0.05 respectively, the covariance was 6328, -1030, the confidence interval was 0.926, 1 and (-1, 0.05). ②The drivers paid most attention to the front of the car, installation of road traffic facilities has few effects, additional transportation facilities attracted more attention of drivers. ③The visual search scope of drivers increased after the setting of road traffic facilities, the horizontal range reduced, which was especially noticeable in female drivers. ④The driver's scanning amplitude and rate increased when transportation facilities setting up, and the novice and female drivers had a more wider range and wider range of scanning. ⑤The driver's blink duration was mainly distributed in the range of 0.02～0.6s with an average value of 0.245s and a duration of 0.1～0.3s. The frequency of blinking in this area had a significant physiological impact on the driver.ConclusionDriver's visual field is correlation with gaze distance and the area of the attention. When driveling speed increases, the number of the driver's feedback information increases, and the error rate increases.

Road drivers; Road traffic facilities; Visual characteristics; Physiology and psychology

國家自然科學(xué)基金(1461015)；云南省高層次衛(wèi)生計(jì)生技術(shù)人才培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)資助(H-201613)

B844.3

A

10.11886/j.issn.1007-3256.2017.06.018

2017-12-01)

吳俊林)