常見駕駛行為下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涮卣?/h1>

2018-11-06 06:27:16，，，，，，，

濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)訂閱 2018年6期 收藏

關(guān)鍵詞：交通流注意力分配

， ， ， ， ， ， ，

(1. 齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250102； 2. 齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司青臨分公司， 山東 濰坊 262517；3. 山東交通學(xué)院 a.濟(jì)南北方交通工程咨詢監(jiān)理有限公司，b.交通與物流工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250023； 4. 吉林大學(xué) 交通學(xué)院， 吉林 長春 130025)

駕駛?cè)耸恰叭?車-路”閉環(huán)系統(tǒng)中的信息接收者和指令發(fā)出者，是保障車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，80%以上的交通信息是駕駛?cè)送ㄟ^視覺獲得的，且視覺信息的加工、處理是駕駛?cè)藢?duì)車輛做出操縱的重要依據(jù)[1]，因此，駕駛?cè)艘曈X特性研究得到了廣泛關(guān)注。

長期以來，學(xué)者們對(duì)駕駛?cè)艘曈X特性的研究主要集中在注視區(qū)域劃分[2-3]、駕駛中的眼動(dòng)機(jī)理[4-6]、駕駛?cè)似跔顟B(tài)表征[7]等多個(gè)方面，研究重點(diǎn)多集中于駕駛?cè)藢?duì)環(huán)境信息的關(guān)注程度或關(guān)注范圍，而很少將注視點(diǎn)所表征的關(guān)注程度和視線角度所表征的搜索范圍結(jié)合起來。在實(shí)際駕駛過程中，關(guān)注程度與搜索范圍是不可分割的，注意力集中并不表明駕駛?cè)嗽趫?zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)時(shí)擁有良好的視覺特征，如果搜索范圍不足，將導(dǎo)致駕駛?cè)藷o法獲得全局的交通信息。如果駕駛?cè)怂阉鞣秶銐虼?，但其?duì)關(guān)鍵區(qū)域的關(guān)注程度不夠，也將導(dǎo)致駕駛?cè)藖G失重要的交通信息。

本文中借助注視時(shí)間表征駕駛?cè)藢?duì)交通信息的關(guān)注程度， 使用視線角度表征駕駛?cè)藢?duì)環(huán)境信息的搜索范圍， 結(jié)合區(qū)域關(guān)注時(shí)間和全局搜索范圍分析不同駕駛行為下駕駛?cè)俗⒁饬Φ姆峙涮卣鳎?并且探究來自不同方向的交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 駕駛行為設(shè)計(jì)

為了考察不同駕駛行為下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涮卣?，試?yàn)中設(shè)計(jì)右轉(zhuǎn)向行為和左轉(zhuǎn)向行為，如表1所示。

表1 常見駕駛行為

道路曲率的不同會(huì)使駕駛?cè)藢?duì)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)程度、對(duì)道路線形的關(guān)注程度以及注意力的分配等產(chǎn)生較大差異，因此，以不設(shè)過大的圓曲線最小半徑為閾值，將轉(zhuǎn)彎細(xì)分為緩彎行駛和轉(zhuǎn)彎2種。

1.2 交通流設(shè)計(jì)

駕駛過程中，周圍交通流會(huì)對(duì)駕駛?cè)诵袨楫a(chǎn)生較大影響。為了分析來自不同方向的交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊懀O(shè)計(jì)了自由流、左側(cè)有車、右側(cè)有車、前方有車共4種交通流狀態(tài)下的駕駛試驗(yàn)。干擾交通流的車間時(shí)距設(shè)置為10 s，以保證干擾交通流近乎為自由流。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在駕駛模擬器環(huán)境下進(jìn)行，以便于控制交通流變量以及相同條件下的試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行。所選用的駕駛模擬器具有8個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)自由度，能夠根據(jù)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供橫擺、俯仰、側(cè)傾、縱向加減速以及垂向振動(dòng)信息。此外，駕駛模擬器還可以給駕駛?cè)颂峁┧?60°和垂直約40°的交通環(huán)境信息。

1.4 駕駛?cè)诉x擇

模擬器試驗(yàn)共招募了17位駕駛?cè)?，其相關(guān)信息如表2所示。

表2 駕駛?cè)诵畔?/p>

1.5 試驗(yàn)路線設(shè)計(jì)

為了滿足試驗(yàn)需要， 在模擬器中設(shè)計(jì)總路程約40 km， 包含直行，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，連續(xù)左、右轉(zhuǎn)等81個(gè)路段的往復(fù)式試驗(yàn)路線。試驗(yàn)道路為雙向四車道，車道寬度為3.5 m，路肩寬度為1.5 m。道路邊側(cè)設(shè)置限速標(biāo)志，駕駛?cè)笋{駛車輛以期望速度行駛，但是要滿足限速要求。

以接觸時(shí)間為交通流觸發(fā)條件，當(dāng)車輛到達(dá)指定路段點(diǎn)的時(shí)間等于設(shè)定時(shí)間時(shí)，特定方向的交通流出現(xiàn)。試驗(yàn)開始前，駕駛?cè)耸紫冗M(jìn)行一次預(yù)試驗(yàn)，以消除緊張和不確定因素對(duì)駕駛?cè)俗⒁曅袨榈挠绊?。正式試?yàn)開始時(shí)，駕駛?cè)税丛囼?yàn)規(guī)定執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)。試驗(yàn)過程中采集駕駛?cè)搜蹌?dòng)數(shù)據(jù)和車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

駕駛?cè)搜蹌?dòng)數(shù)據(jù)包括眼球位置、視線角度、瞳孔直徑、數(shù)據(jù)有效性、記錄時(shí)間等。車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括行車速度、加速度、車身姿態(tài)(橫擺、側(cè)傾、俯仰)、行駛路線、記錄時(shí)間等。

2 注視區(qū)域劃分及注視時(shí)間求解

試驗(yàn)過程中利用定焦距攝像頭采集車輛運(yùn)行前方的場景信息。由于場景攝像頭的拍攝角度有限，因此試驗(yàn)時(shí)需要將其安裝在合適位置，以保證攝像頭能夠采集到駕駛?cè)怂P(guān)注的絕大部分區(qū)域。

理論分析可知，駕駛?cè)苏暻胺綍r(shí)，可被其準(zhǔn)確感知的視覺區(qū)域?yàn)樗?0°、垂直10°。為了驗(yàn)證該范圍的準(zhǔn)確性，令駕駛?cè)吮３秩粘ｑ{駛坐姿并正視前方，利用9點(diǎn)標(biāo)注法劃定駕駛?cè)怂軠?zhǔn)確感知的范圍，并借助駕駛?cè)伺c投影屏幕之間的距離求得正視范圍，如圖1所示。

圖1 駕駛?cè)饲耙暦秶鷺?biāo)定

根據(jù)圖1，駕駛?cè)嗽谒胶痛怪狈较虻恼暯嵌萢h、av分別為

(1)

式中：Dh、Dv分別為水平和垂直方向的邊界點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離；D為駕駛?cè)伺c投影屏幕之間的距離。

綜合理論分析和試驗(yàn)測量，對(duì)前方場景進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖2所示。

圖2 車輛前方場景劃分

車輛前方場景被劃分正中心、正上方、正下方、正右方、右上方、右下方、正左方、左上方、左下方共9個(gè)區(qū)域。這9個(gè)區(qū)域是從駕駛?cè)说慕嵌冗M(jìn)行劃分的，其表示駕駛?cè)苏暻胺?、正視遠(yuǎn)處、正視近處、注視右方、注視右方遠(yuǎn)處、注視右方近處、注視左方、注視左方遠(yuǎn)處、注視左方近處。

根據(jù)注視區(qū)域的劃分結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)17位駕駛?cè)嗽谙嗤范?、相同交通流條件下，各個(gè)區(qū)域的注視時(shí)間占該路段全部注視時(shí)間的比例；以17位駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布的平均值表示指定路段和交通流條件下和一般駕駛?cè)说淖⒁晻r(shí)間分布。

3 駕駛?cè)艘曈X信息搜索范圍求解

為了獲得駕駛?cè)说囊曈X信息搜索范圍，統(tǒng)計(jì)17位駕駛?cè)嗽谙嗤范巍⑾嗤煌鳁l件下，注視點(diǎn)在場景圖像上的分布情況，如圖3所示。據(jù)此可以獲得指定路段和交通流條件下的駕駛注視點(diǎn)在上、下、左、右4個(gè)方向上的邊界，如圖3所示。

圖3 駕駛?cè)诵畔⑺阉鞣秶?/p>

根據(jù)圖3即可計(jì)算獲得駕駛?cè)说囊曈X信息搜索范圍，其可表示為

(2)

式中:ahl、ahr、avu、avd、分別為駕駛?cè)俗⒁晠^(qū)域左側(cè)和右側(cè)的水平角度以及注視區(qū)域上部和下部的垂直角度；Dhl、Dhr、Dvu、Dvd分別為注視點(diǎn)包絡(luò)區(qū)域的左邊界、 右邊界、 上邊界及下邊界與屏幕中心點(diǎn)的距離。

4 駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涮卣餮芯?/h2>

利用自由流條件下的駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍，探討不同駕駛行為下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涮卣鳌?/p>

4.1 左轉(zhuǎn)向行為

緩左行駛、左轉(zhuǎn)彎以及左換道時(shí)的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D4所示，分別顯示了駕駛?cè)藢?duì)各個(gè)區(qū)域的注視時(shí)間占路段全部注視時(shí)間的比例和駕駛?cè)藢?duì)遠(yuǎn)處、近處、左側(cè)、右側(cè)信息的搜索范圍，圖中單位長度代表1°。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖4 左轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

根據(jù)圖4，總結(jié)不同左轉(zhuǎn)向行為下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，與緩左行駛時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙湎啾?，左轉(zhuǎn)彎及左換道時(shí)，駕駛?cè)藢?duì)左側(cè)區(qū)域的注視時(shí)間增加，信息搜索范圍上左側(cè)、右側(cè)、遠(yuǎn)處和近處搜索范圍都有增加。

表3 左轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

4.2 右轉(zhuǎn)向行為

緩右行駛、右轉(zhuǎn)彎和右換道行為下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D5所示。

根據(jù)圖5， 總結(jié)不同右轉(zhuǎn)向行為下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。 由表可知， 與緩右行駛時(shí)的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙湎啾龋?右轉(zhuǎn)彎及右換道時(shí)， 駕駛?cè)藢?duì)右側(cè)區(qū)域的注視時(shí)間較長； 信息搜索范圍上左側(cè)和遠(yuǎn)處的搜索范圍減小， 而右側(cè)和近處搜索范圍增加。

5 交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊?/h2>

5.1 左轉(zhuǎn)向行為

5.1.1 緩左行駛

緩左行駛時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D6所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖5 右轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

表4 右轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖6 緩左行駛時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

根據(jù)圖6，總結(jié)緩左行駛時(shí)，不同方向交通流影響下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。

表5 交通流影響下緩左行駛時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

緩左行駛時(shí)，交通流出現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊懖淮蟆４藭r(shí)，駕駛?cè)诵畔⑺阉鞣秶^小，且其對(duì)正中心以外的各個(gè)區(qū)域的注視時(shí)間分配較為均衡。自由流環(huán)境下，駕駛?cè)怂阉鞣秶苄?，且偏左?cè)和近處區(qū)域；除正中心外，駕駛?cè)藢?duì)其他區(qū)域的關(guān)注較為均衡。左側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)苏暻胺?，且擴(kuò)大了對(duì)遠(yuǎn)處信息的搜索。右側(cè)交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊懪c左側(cè)交通流相同。前方車輛的出現(xiàn)使得駕駛?cè)烁雨P(guān)注偏左側(cè)、遠(yuǎn)處信息。

5.1.2 左轉(zhuǎn)彎

左轉(zhuǎn)彎時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D7所示，總結(jié)左轉(zhuǎn)向時(shí)不同方向交通流影響下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖7 左轉(zhuǎn)彎時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

表6 交通流影響下左轉(zhuǎn)彎時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

左轉(zhuǎn)彎時(shí)，在自由流環(huán)境下，駕駛?cè)俗⒁饬性谡行暮驼蠓剑曈X搜索范圍大，且偏向左側(cè)、近處。左側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藢?duì)正中心的注視時(shí)間延長、對(duì)正左方的注視時(shí)間縮短；信息搜索范圍縮小，尤其對(duì)遠(yuǎn)處信息的搜索范圍大幅縮小。右側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藢?duì)正中心的注視時(shí)間顯著增加；信息搜索范圍在水平方向上擴(kuò)展而在垂直方向上壓縮，此時(shí)縱向上的搜索范圍很窄。前方交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)送瑯釉黾恿藢?duì)正中心的注視時(shí)間，而在搜索范圍上則減少了對(duì)左側(cè)和遠(yuǎn)處信息的搜索。

5.1.3 左換道

左換道時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D8所示，總結(jié)左換道時(shí)不同方向交通流影響下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖8 左換道時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

表7 交通流影響下左換道時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

左換道時(shí)，在自由流環(huán)境下，駕駛?cè)俗⒁饬性谡行暮驼蠓?，信息搜索范圍較大。左側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藢?duì)正中心的注視時(shí)間延長，對(duì)左側(cè)信息的搜索范圍縮小，對(duì)近處信息的搜索范圍擴(kuò)大。右側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)私跽暻胺剑瑢?duì)近處信息的搜索范圍所有擴(kuò)大。前方車輛對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊懪c右側(cè)車輛的影響基本相同。

5.2 右轉(zhuǎn)向行為

5.2.1 緩右行駛

緩右行駛時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D9所示，總結(jié)緩右行駛時(shí)來自不同方向的交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊懭绫?所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖9 緩右行駛時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

車輛緩右行駛時(shí)，在自由流環(huán)境下，駕駛?cè)俗⒁饬性谡行?；視覺信息搜索范圍較大，對(duì)遠(yuǎn)處信息的搜索角度比近處更大。左側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)俗⒁饬ο蛘行牡淖蟀氩糠制?；視覺信息搜索范圍縮小，沿縱向的信息搜索顯著向近處轉(zhuǎn)移。右側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)俗⒁饬性谡行?；視覺信息的搜索范圍略有增加。同樣的，近處信息的搜索范圍增加，遠(yuǎn)處信息的搜索范圍縮小。前方車輛出現(xiàn)后，駕駛?cè)俗⒁饬性谡行?、略偏左的區(qū)域；信息的搜索范圍大幅度縮小，且更偏向于搜索近處區(qū)域。

表8 交通流影響下緩右行駛時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

5.2.2 右轉(zhuǎn)彎

右轉(zhuǎn)彎時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D10所示，總結(jié)右轉(zhuǎn)彎時(shí)不同方向交通流影響下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖10 右轉(zhuǎn)彎時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

右轉(zhuǎn)彎時(shí)，周圍交通流對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊戄^小。無論是注視時(shí)間分布還是視覺信息搜索范圍，交通流出現(xiàn)與自由流環(huán)境下相比，差異都較小。交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)穗m然擴(kuò)大了對(duì)右側(cè)信息的搜索范圍，但是正右方的注視時(shí)間卻有所減少，正中心區(qū)域的關(guān)注時(shí)間有所增加。

表9 交通流影響下右轉(zhuǎn)彎時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

5.2.3 右換道

右換道時(shí)，不同交通流條件下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙鐖D11所示，總結(jié)右換道時(shí)不同方向交通流影響下的駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙淙绫?0所示。

(a)注視時(shí)間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖11 右換道時(shí)駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間分布和視覺信息搜索范圍

表10 交通流影響下右換道時(shí)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙?/p>

右換道時(shí)，在自由流環(huán)境下，駕駛?cè)俗⒁饬性谡胺胶驼曳?；信息搜索范圍較小且偏向右側(cè)和近處區(qū)域。左側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藢?duì)正中心的注視時(shí)間延長，而對(duì)正右方的關(guān)注時(shí)間大幅縮短；視覺信息的搜索范圍大幅擴(kuò)大，對(duì)左側(cè)、遠(yuǎn)處和近處的搜索范圍都有所增加。右側(cè)交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藢?duì)正右方的注視時(shí)間略有減少，但信息搜索范圍有所擴(kuò)大，此時(shí)，駕駛?cè)嗽诳v向的信息搜索向遠(yuǎn)處移動(dòng)。前方車輛的出現(xiàn)使得駕駛?cè)藢?duì)正中心的注視時(shí)間大幅延長，且對(duì)近處信息的搜索范圍擴(kuò)大。

6 結(jié)論

本文中利用駕駛模擬器試驗(yàn)，以注視時(shí)間分布和視覺信息搜索范圍為表征指標(biāo)，探究了不同駕駛行為下駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涮卣饕约皝碜圆煌较虻慕煌鲗?duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊?，得到了如下結(jié)論：

1)駕駛?cè)藢?duì)前方正中心總是給予足夠多的關(guān)注。

2)自由流條件下，車輛沿曲率較大的彎道行駛或者換道時(shí)，駕駛?cè)藢?duì)正中心的關(guān)注下降，而對(duì)轉(zhuǎn)向一側(cè)的關(guān)注增加；同時(shí)，駕駛?cè)搜乜v向的搜索范圍由遠(yuǎn)處向近處轉(zhuǎn)移。

3)車輛沿曲率緩和的道路行駛時(shí)，周圍交通流的出現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)俗⒁饬Ψ峙涞挠绊戄^小。

4)車輛轉(zhuǎn)彎或換道時(shí)，周圍交通流的出現(xiàn)會(huì)對(duì)駕駛?cè)说淖⒁饬Ψ峙洚a(chǎn)生較大影響。交通流出現(xiàn)后，駕駛?cè)藬U(kuò)大了對(duì)交通流出現(xiàn)一側(cè)的信息搜索范圍，縱向上的視覺關(guān)注區(qū)域由遠(yuǎn)處向近處轉(zhuǎn)移。與此同時(shí)，駕駛?cè)嗽黾恿藢?duì)正中心的關(guān)注時(shí)間，而減少了對(duì)轉(zhuǎn)向一側(cè)的關(guān)注時(shí)間。

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