鐵道駕駛方面眼動技術(shù)的應(yīng)用研究綜述

孫晨哲

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

鐵道機車駕駛員在駕駛過程中獲得的信息80%來自于視覺線索。機車駕駛員需要在機車內(nèi)部與外部駕駛環(huán)境之間不斷變換自己的視覺注意力，從而確保駕駛方位、速度準(zhǔn)確無誤，機車狀態(tài)運轉(zhuǎn)良好以及做好一切準(zhǔn)備迎接下一步任務(wù)的要求。這項任務(wù)如果完成不好，將導(dǎo)致忽視危險情境的信號等錯誤。因此，了解駕駛員在駕駛時的眼動是很重要的。隨著眼動技術(shù)的不斷發(fā)展，可以利用眼動技術(shù)獲取駕駛員的眼動數(shù)據(jù)，通過眼動定量測試技術(shù)可以改善駕駛?cè)藱C界面、合理布局旅客信息引導(dǎo)系統(tǒng)、提高機車駕駛員培訓(xùn)質(zhì)量與水平。

本研究綜合國內(nèi)外近年來眼動技術(shù)在鐵道駕駛方面的研究狀況，總結(jié)研究的主要領(lǐng)域、實驗設(shè)計等方面的特點，分析目前國內(nèi)研究的不足，展望未來的發(fā)展方向與前景。

1 眼動技術(shù)在鐵道駕駛方面應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域

1.1 操作系統(tǒng)優(yōu)化

機車駕駛室是機車駕駛員特定的工作場所，機車駕駛員對機車駕駛系統(tǒng)的操作是一個人機互動的過程，人機匹配性越好火車運行越安全高效。李洋(2012)從以人為本的角度通過問卷調(diào)查和眼動實驗了解到駕駛員的生理、認(rèn)知和行為特性，以此作為約束條件對駕駛室內(nèi)各設(shè)備以及顯示屏軟件人機界面(Human-Computer Interface,HCI)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，例如座椅、踏板、操作按鈕的位置調(diào)整，運行監(jiān)控、機車狀態(tài)、故障診斷三個模塊結(jié)構(gòu)調(diào)整等。之后，又通過進(jìn)一步的眼動分析實驗，提出了駕駛界面布局優(yōu)化設(shè)計的一般程序，對儀表與顯示器進(jìn)行了分組、整合及布局優(yōu)化，提出了具體設(shè)計案例。

由于機車駕駛員在駕駛時低頭觀察操作儀表信息容易造成安全隱患，郭浩(2017)指出可開發(fā)高速列車駕駛的平視顯示系統(tǒng)。通過對鐵道機車駕駛員眼動視頻的收集及分析，郭浩提出一種基于高速列車駕駛?cè)蝿?wù)的平視顯示系統(tǒng)動態(tài)組織方法，這種方法可以根據(jù)列車運行任務(wù)的不同，動態(tài)組織并呈現(xiàn)相應(yīng)任務(wù)的界面，其在駕駛績效、視覺搜索以及駕駛負(fù)荷方面具有一定優(yōu)勢。

1.2 預(yù)防駕駛疲勞系統(tǒng)的開發(fā)

鐵路運營相對于道路運營有駕駛路途遠(yuǎn)、駕駛外部環(huán)境單一、駕駛時間長、班次不規(guī)律的特點，機車駕駛員的駕駛疲勞、困倦更為頻繁，這也是引發(fā)鐵路行車安全事故的重要原因之一。眼動儀可以幫助研究者了解機車駕駛員的疲勞狀態(tài)。郭北苑、方衛(wèi)寧(2004)利用眼動儀獲取到機車駕駛員的瞳孔狀態(tài)，依照眼瞼閉合癥值有效地得出被試的疲勞狀態(tài)，該系統(tǒng)在脫機與在線狀態(tài)下皆能運行。嚴(yán)榮慧等(2016)利用眼動技術(shù)揭示了機車駕駛員明顯的個體差異，并提出了機車駕駛員疲勞識別的個性化數(shù)據(jù)庫。李響(2016)認(rèn)為除了眼動信息外，面部特征、語音特征、動作特征都對機車駕駛員的疲勞狀態(tài)有預(yù)測作用，提取駕駛疲勞相關(guān)音視頻表現(xiàn)特征參數(shù)進(jìn)行多信息綜合檢測，開發(fā)了實時的機車駕駛員駕駛疲勞在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。

1.3 駕駛員眼動策略的研究

較早的研究發(fā)現(xiàn)，機車駕駛員的視覺作業(yè)主要分配在對路況的監(jiān)視上，在車速100km/h時駕駛員對路況注視比例達(dá)到78%，機車駕駛員注視頻率最高的參數(shù)是速度。英國鐵路安全和標(biāo)準(zhǔn)委員會委托運輸研究實驗室做了關(guān)于機車駕駛員的大規(guī)模眼動實驗來了解他們的眼動策略，結(jié)果發(fā)現(xiàn)信號方位、前信號方位、信號類型、信號復(fù)雜度以及駕駛員期待對駕駛員視覺行為有重要影響。

為了在鐵道機車駕駛員復(fù)雜眼動軌跡中提取出有經(jīng)驗駕駛員的眼睛注視運動策略特征，Horjuchi Yukio等分別采用解析結(jié)構(gòu)模型ISM(Interpretive Structural Modeling)與圖聚類馬爾科夫集群算法(Markov Cluster Algorithm)對眼動注視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，作為一種感知策略，駕駛員在注視某一特定區(qū)域后不久就重復(fù)地向前移動他們的視線。有、無經(jīng)驗駕駛員的區(qū)別是：在駕駛過程中，前者可以持續(xù)地遵循這一基本感知策略，而后者不能。有經(jīng)驗的駕駛員可以平衡他們有限的注意力資源對外界環(huán)境和其他操作需求保持警覺，在不同的興趣領(lǐng)域高效地分配注意力。

1.4 不同條件下駕駛員視覺行為的差異

不同的軌道交通管理系統(tǒng)下，駕駛員的視覺行為也存在差異。英國研究者利用眼動技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在歐洲列車控制系統(tǒng)(ETCS)下駕駛員的眼動行為與英國常規(guī)的管理系統(tǒng)下存在差異。

不同的車速與任務(wù)條件，也會對鐵道機車駕駛員的眼動行為產(chǎn)生影響。Jang hyeyoen(2006)通過對鐵道機車駕駛員駕駛狀態(tài)下生理指標(biāo)及眼動指標(biāo)進(jìn)行采集后發(fā)現(xiàn)，相較于高速運行，平均速度和任務(wù)速度運行下，駕駛員的皮膚電、心率值較高，眼的運動與反應(yīng)的動作較大。由于平均速度和任務(wù)速度運行時，鐵道機車駕駛員需要比高速運行時更加小心駕駛，他們的身心壓力水平均提高。

2 鐵道駕駛研究領(lǐng)域中眼動實驗設(shè)計特點

2.1 實驗儀器

眼動實驗所采用的數(shù)據(jù)采集儀器是眼動儀，眼動儀的發(fā)展經(jīng)歷了便攜化、移動化、精確化的過程。目前在研究中常用到的眼動儀包括頭盔式眼動儀和底座式眼動儀，如SMI HED頭盔式眼動儀、NAC公司的EMK-7型眼動儀、Tobii eye tracker等。這兩種類型的眼動儀各有利弊：頭盔式眼動儀需要戴在被試的頭上，雖然收集數(shù)據(jù)較精確，但會對被試產(chǎn)生一定干擾；底座式眼動儀擺放在被試前方即可記錄實驗對象眼睛的動態(tài)視覺參數(shù)，不會對被試產(chǎn)生干擾，但存在所收集數(shù)據(jù)不精確的缺點。

2.2 實驗場景

目前鐵道駕駛方面的眼動實驗主要采用駕駛模擬器與真實道路環(huán)境實車實驗兩種。駕駛模擬器主要在實驗室中進(jìn)行，實驗環(huán)境較穩(wěn)定，受外界干擾小，數(shù)據(jù)采集較方便，但受駕駛員心理因素影響較大，駕駛員是否與在真實場景駕駛一樣認(rèn)真會影響實驗效果。真實道路環(huán)境的真實性比較好，收集到的數(shù)據(jù)更具有真實性，但實驗成本較大，數(shù)據(jù)采集易受到環(huán)境因素影響。

2.3 實驗被試

實驗被試的選取是否符合實驗?zāi)康囊髮⒅苯佑绊憣嶒灥挠行?。目前研究主要考慮到鐵道機車駕駛員的年齡、駕齡、駕駛機車類型、工作強度等。在一些實驗中還會對被試進(jìn)行要求，比如在防疲勞實驗中要求近三四個小時對被試進(jìn)行睡眠剝奪等，控制一些因素來滿足實驗要求。

2.4 實驗指標(biāo)

鐵道機車駕駛員眼動實驗采集指標(biāo)見表1。

表1 鐵道機車駕駛員眼動實驗采集指標(biāo)

研究的目的不同，研究者所采集的實驗指標(biāo)有所不同,見表1。這些指標(biāo)收集后可通過軟件進(jìn)行定性與定量分析，并獲取熱點圖、軌跡圖、數(shù)據(jù)集以備深層次研究。同時也應(yīng)注意到，大多數(shù)研究除了通過儀器收集客觀數(shù)據(jù)，還通過訪談與問卷收集主觀數(shù)據(jù)，以幫助分析客觀數(shù)據(jù)背后的原因。

3 鐵道機車駕駛員眼動研究的建議

3.1 擴大樣本量與樣本范圍

在對國內(nèi)外文獻(xiàn)收集中發(fā)現(xiàn)，僅有一份報告為86人的較大樣本量，多數(shù)研究都為10～30人的小樣本量。這也與眼動數(shù)據(jù)難于收集、后期視頻處理工作較復(fù)雜有關(guān)，如此統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)缺乏普適性。因此，需要在接下來的研究中增大樣本量。

另外，目前研究的被試主要來自在崗駕駛員，缺少對駕駛專業(yè)學(xué)員的研究。駕駛專業(yè)學(xué)員是未來的鐵道機車駕駛員，對該人群的研究可以提高鐵道機車駕駛員培訓(xùn)的質(zhì)量和水平。

3.2 更新實驗儀器

之前實驗儀器采用的眼動儀類型存在缺陷，對實驗結(jié)果會產(chǎn)生影響。加之被試在實際操作中的移動會影響實驗儀器的穩(wěn)定性，眼動數(shù)據(jù)收集困難、數(shù)據(jù)存在誤差。Tobii公司所研發(fā)的Tobii Glass系列眼動儀，形狀如眼鏡鏡框，其瞳孔追蹤設(shè)備鑲嵌在鏡框上，可隨時佩戴在被試的眼睛上，其身形小巧，記錄儀采用無線連接，既不像頭盔式眼動儀對被試干擾較大，也不像底座式眼動儀收集數(shù)據(jù)不精確。目前，國內(nèi)研究為了更便捷準(zhǔn)確地收集眼動數(shù)據(jù)，多采用實驗室模擬器駕駛，在之后的研究中可采用便攜的Glass系列眼動儀進(jìn)行現(xiàn)實行車過程的數(shù)據(jù)采集，其成果更容易轉(zhuǎn)化與利用。

3.3 深入挖掘研究領(lǐng)域

當(dāng)下研究多集中于機車駕駛室內(nèi)的人機交互，在研究中同時也顯示出外部信號刺激對駕駛員眼動的影響，以后可擴展到對行車過程中各類信號刺激的研究。駕駛過程中不同階段與任務(wù)也會對駕駛員的眼動產(chǎn)生影響，此領(lǐng)域亦可進(jìn)行深入研究。另外，視覺過程往往反映著人的認(rèn)知層面的特點，若能結(jié)合心理認(rèn)知，研究也將會更加深入。

4 結(jié)語

本研究通過對鐵道駕駛方面眼動研究文獻(xiàn)的梳理發(fā)現(xiàn)，雖然目前此方面國內(nèi)外的研究較少，但研究比較深入，已經(jīng)取得一定成效。對以往鐵道駕駛方面眼動實驗進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)其實驗設(shè)計的一般特點，便于下一步實驗研究借鑒。鐵道駕駛方面的眼動研究可隨著儀器的更新而不斷推進(jìn)，在眼動實驗設(shè)備方面采用更輕便的glass眼動儀器，擴大駕駛員的樣本量,使實驗結(jié)果更具有說服力。深入研究駕駛員眼動行為后的認(rèn)知過程，將該技術(shù)擴展應(yīng)用在鐵道機車駕駛員培養(yǎng)、鐵路外部信號布局、鐵路系統(tǒng)服務(wù)等領(lǐng)域，使眼動技術(shù)更好地為鐵路駕駛的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。