車輛顏色等多因素對駕駛行為的交互作用研究

谷陽陽,柴智勇,史雪瑩,王長帥,朱 彤

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.北京中機(jī)車輛司法鑒定中心，北京 100176；3.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

駕駛安全不僅與道路交通環(huán)境、天氣等因素相關(guān)，還與車輛顏色有密切的關(guān)系[1]。從信息加工的角度來看，駕駛員在行駛過程中需要完成一系列復(fù)雜的信息感知、信息處理任務(wù)，其中，對于外界的信息感知是極為重要的環(huán)節(jié)。外界環(huán)境信息中80%以上是通過視覺通道獲取。人類視覺系統(tǒng)自身特點(diǎn)決定了對于不同的顏色，存在不同的敏感度和識(shí)認(rèn)性[2]。正因如此，常采用不同的顏色或顏色搭配作為交通標(biāo)志和交通設(shè)施的規(guī)定顏色[3-4]。車輛顏色作為交通環(huán)境中重要的目標(biāo)物，其顏色與交通安全之間的關(guān)系也需要深入研究[5]。

以往文獻(xiàn)對于車輛顏色和交通安全的關(guān)系進(jìn)行了研究。2002年，Lardelliclaret等首次研究了車輛顏色對被動(dòng)參與碰撞的風(fēng)險(xiǎn)影響[6]，研究結(jié)果表明，淺色被動(dòng)卷入碰撞風(fēng)險(xiǎn)較低。2003年，F(xiàn)urness等最先研究了車輛顏色對碰撞造成嚴(yán)重傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響[7]，研究結(jié)果表明，與白色汽車相比銀色汽車碰撞事故造成嚴(yán)重傷害的可能性降低了約50%。2007年，Newstead等研究了車輛顏色與交通事故發(fā)生頻率之間的關(guān)系[8]。許卉瑩等從道路事故數(shù)據(jù)與車輛顏色的數(shù)量關(guān)系入手建立統(tǒng)計(jì)模型，驗(yàn)證了車輛顏色對于事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)具有影響[9]。李都厚等對不同顏色目標(biāo)物前方識(shí)認(rèn)距離進(jìn)行研究，結(jié)果表明綠色顏色目標(biāo)物識(shí)別距離明顯大于紅色[10-11]。徐洪亮等從視覺機(jī)理層面對顏色與交通環(huán)境之間的關(guān)系、顏色視覺應(yīng)用實(shí)例等進(jìn)行了論述[12]。張開冉等對利用仿真駕駛平臺(tái)，研究不同降雨條件下，駕駛員面對紅、白、黑顏色障礙物時(shí)的鳴笛、制動(dòng)等行為[13]。張強(qiáng)等論述了各種顏色在交通中的應(yīng)用[14]。

上述研究從總體上說明了顏色對于交通安全的影響機(jī)理[15]，也說明了應(yīng)用中應(yīng)考慮上述因素[16-17]，然而，尚缺少具體駕駛場景下，駕駛員對于不同顏色車輛反應(yīng)差異性實(shí)驗(yàn)研究與分析。據(jù)此，本文選擇并建立典型駕駛模擬場景，設(shè)計(jì)、實(shí)施模擬實(shí)驗(yàn)，采集駕駛員行為、生理心理數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析不同光照條件、不同場景下，車輛顏色與駕駛員行為、生理心理數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)人員與設(shè)備

考慮到本實(shí)驗(yàn)中存在一定的事故風(fēng)險(xiǎn)，故采用駕駛模擬實(shí)驗(yàn)方式。實(shí)驗(yàn)選擇25人參加，其中職業(yè)駕駛員15名、非職業(yè)駕駛員10名。駕駛員年齡分布從22～45歲，駕齡分布從1～13年，男駕駛員14人，女駕駛員11人，矯正均到達(dá)視力1.2及以上水平。

采用三屏幕固定式駕駛模擬系統(tǒng)，由電腦主機(jī)、三屏幕顯示器、方向盤、檔桿、手剎、制動(dòng)器、加速踏板等組成，如圖1所示。系統(tǒng)可通過模擬器的操作部件與虛擬的環(huán)境進(jìn)行交互，完成駕駛?cè)蝿?wù)。被試完成部分模擬實(shí)驗(yàn)場景時(shí)，佩戴了德國Ergoneers公司研發(fā)的Dikablis眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，記錄駕駛員動(dòng)態(tài)視覺特征。眼動(dòng)儀的佩戴情況如圖2(a)所示。

除此之外，本實(shí)驗(yàn)還使用美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150系列16道生理儀。該設(shè)備可以基于普通個(gè)人電腦工作，并將生理信號存入計(jì)算機(jī)。可利用設(shè)備自帶軟件進(jìn)行信號平滑、疊加、微分、積分、變換分析等計(jì)算。采樣率可自由設(shè)定，最大達(dá)到400 000點(diǎn)/s。MP150多導(dǎo)生理儀如圖2(b)所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩大類車(小轎車、大客車)、4種顏色的試驗(yàn)車輛，分別為黑色轎車、白色轎車、紅色轎車、黃色轎車；黑色客車、白色客車、紅色客車、黃色客車，部分車輛模型截圖如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)駕駛模擬設(shè)備

圖2 生理心理實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖3 部分車輛模型圖

實(shí)驗(yàn)道路模擬公路駕駛環(huán)境，公路設(shè)計(jì)采用長直公路，在環(huán)境中設(shè)計(jì)了行道樹等道路附屬物。外界光照環(huán)境在實(shí)驗(yàn)場景中選擇較強(qiáng)光照條件(晝間10:00—14:00)與弱光照條件(黃昏18:00—20:00)兩種情況，其中黃昏場景光線較暗且車輛前照燈均未開啟。本實(shí)驗(yàn)場景未設(shè)置夜晚路燈照射情況，主要是由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯坎煌匀还鈴?qiáng)度照射下，車輛顏色對駕駛員行為的影響。正常光照環(huán)境與黃昏條件下的實(shí)驗(yàn)場景分別如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與場景

實(shí)驗(yàn)采用組內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，被試駕駛員完成全部實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)場景順序隨機(jī)排列。構(gòu)建場景時(shí)主要考慮兩個(gè)原則：盡量涵蓋常見的駕駛場景，盡量全面地反映駕駛員不同層面的特性。因此，設(shè)計(jì)了6個(gè)實(shí)驗(yàn)場景，包括：跟車、換道行為測試；駕駛中感知前方、后方車輛測試；在前方車輛緊急制動(dòng)、換道情況下的應(yīng)急避險(xiǎn)行為測試。上述實(shí)驗(yàn)凸顯出了駕駛員不同方面的特性，如表1所示。

1)跟車、換道測試。被試自行選擇距離跟隨不同類型、顏色的前方車輛，跟隨一段時(shí)間后超過前車。實(shí)驗(yàn)中采集了駕駛員跟車距離、出現(xiàn)換道行為時(shí)自身車輛與前車的距離數(shù)據(jù)。以研究不同顏色車輛對于駕駛員一般的跟車、換道行為是否存在影響。

2)識(shí)認(rèn)性測試。本測試分為被試對前方車輛的識(shí)認(rèn)和側(cè)后方車輛的識(shí)認(rèn)兩個(gè)部分。在前方識(shí)認(rèn)測試時(shí)，每個(gè)場景被試需要駕駛轎車在長直公路上按照一定速度行駛。每次實(shí)驗(yàn)會(huì)有不同顏色、車型的車輛隨機(jī)出現(xiàn)在被試駕駛車輛正前方道路，駕駛員需要在發(fā)現(xiàn)前方車輛時(shí)做出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中采集了駕駛員做出反應(yīng)時(shí)前方車輛與本車的距離。

表1 實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)

側(cè)后方識(shí)認(rèn)測試時(shí)，每個(gè)場景被試需要駕駛轎車在長直公路上按照一定速度行駛。每次實(shí)驗(yàn)會(huì)有不同顏色、車型的車輛隨機(jī)出現(xiàn)在被試駕駛車輛側(cè)后方道路，駕駛員需要在發(fā)現(xiàn)側(cè)后方車輛時(shí)做出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中采集了駕駛員做出反應(yīng)時(shí)側(cè)后方車輛與本車的距離。

3)應(yīng)激反應(yīng)測試。本測試分為前車制動(dòng)反應(yīng)測試和換道反應(yīng)測試。在前車制動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)測試時(shí)，被試駕駛車輛在長直公路上按照固定速度、固定距離分別跟隨不同顏色、車型的前方車輛駕駛。前方車輛根據(jù)程序隨機(jī)觸發(fā)減速行為，減速時(shí)剎車燈不啟亮，被試需要在發(fā)現(xiàn)前方車輛減速時(shí)立即采取制動(dòng)措施。實(shí)驗(yàn)中采集了從前方車輛制動(dòng)觸發(fā)到駕駛員采取減速行為間隔時(shí)間，簡稱為駕駛員反應(yīng)時(shí)間。此外，還采集了駕駛員心率數(shù)據(jù)與駕駛員瞳孔面積數(shù)據(jù)，以表征事件中駕駛員緊張程度。

在側(cè)向換道應(yīng)激反應(yīng)測試時(shí)，被試駕車行駛在長直公路上，在被試駕駛車輛左側(cè)車道有若干不同顏色及車型的車輛低速行駛。當(dāng)自身車輛行駛過程中，上述車輛中的1輛車會(huì)突然被觸發(fā)并換道至自身車輛前方。被試看到前方車輛換道時(shí)，需立即采取制動(dòng)措施。實(shí)驗(yàn)中采集了從側(cè)向車輛觸發(fā)換道行為到駕駛員采取減速行為的間隔時(shí)間，此外，還采集了駕駛員心率數(shù)據(jù)與駕駛員瞳孔面積數(shù)據(jù)，以表征事件中駕駛員緊張程度。

為了避免車輛在實(shí)驗(yàn)場景中出現(xiàn)順序?qū)Ρ辉嚨膶?shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利的影響，不同顏色和類型的車輛在場景中出現(xiàn)的順序是隨機(jī)的。被試每完成一個(gè)場景的實(shí)驗(yàn)大約需要7 min，完成所有的場景大約需要60 min，為了避免長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)造成被試生理和心理的疲勞，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，被試每完成2個(gè)場景的實(shí)驗(yàn)，需要休息3～5 min，隨后再進(jìn)行下一個(gè)場景的實(shí)驗(yàn)，至完成所有場景的實(shí)驗(yàn)。

2 跟車與換道測試數(shù)據(jù)分析

表2為駕駛員在跟隨各類車輛時(shí)的平均跟車距離，經(jīng)計(jì)算得知，白天的平均跟車距離方差D=56.124，黃昏的平均跟車距離方差D=160.703。可以發(fā)現(xiàn)黃昏時(shí)，駕駛員對于不同的車輛保持的平均跟車距離間的差異相對較大，此時(shí)駕駛員傾向于和小轎車保持相對較長的距離。表3為平均換道距離，換道距離指駕駛員選擇換道時(shí)與前車之間的距離?？梢园l(fā)現(xiàn)各類顏色車輛換道距離之間差異并不明顯?？梢钥闯觯瑩Q道距離與跟車距離與駕駛員習(xí)慣具有很密切的關(guān)系，各類顏色之間的差異不明顯。

表2 平均跟車距離 m

表3 平均換道距離 m

3 識(shí)認(rèn)距離測試數(shù)據(jù)分析

表4、表5分別為駕駛員對前方車輛、側(cè)向車輛的識(shí)認(rèn)距離的平均值，可以發(fā)現(xiàn)被試對于各類車輛的識(shí)認(rèn)距離有一定區(qū)別，特別是黃昏時(shí)黑色客車的識(shí)認(rèn)距離與其他車輛相比差異較大。而且側(cè)向識(shí)認(rèn)距離普遍低于前方識(shí)認(rèn)距離。

表4 前方平均識(shí)認(rèn)距離 m

表5 側(cè)后方平均識(shí)認(rèn)距離 m

為了進(jìn)一步說明車輛顏色，大小，駕駛時(shí)段等對于被試人識(shí)認(rèn)距離影響的顯著性，本文應(yīng)用線性方法分別對向前和側(cè)后方車輛識(shí)認(rèn)距離進(jìn)行建模分析，獲得統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表6所示。模型截距為622.550。各類顏色中識(shí)認(rèn)距離由大致小分別為白色、紅色、黃色、黑色。大車小車之間有顯著性差異。白天被試人的識(shí)認(rèn)距離比黃昏時(shí)要多出46.725 m。

表6 前方車輛模型參數(shù)

為了直觀地說明不同顏色的車輛在不同時(shí)間段的識(shí)認(rèn)距離的差異性，分別繪制白天、黃昏情況下按顏色分類的所有車輛的數(shù)據(jù)箱線圖，發(fā)現(xiàn)白天時(shí)被試者在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候就能發(fā)現(xiàn)紅色的實(shí)驗(yàn)車輛，即紅色車識(shí)認(rèn)性與其他顏色車輛相比較好。而在黃昏時(shí)白色、黃色車的識(shí)認(rèn)性較好，黑色車輛的識(shí)認(rèn)性最差。此外，個(gè)體之間差異比較大，有部分駕駛員距離很近時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。

圖5 前方識(shí)認(rèn)距離箱線圖

圖6 側(cè)向識(shí)認(rèn)距離箱線圖

通過計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，前方識(shí)認(rèn)距離的方差與側(cè)后方識(shí)認(rèn)距離方差相比較小，前方識(shí)認(rèn)表現(xiàn)出的特點(diǎn)與側(cè)后方識(shí)認(rèn)完全不同。白色、紅色、黃色在晝間與黃昏時(shí)段的識(shí)認(rèn)性差異不大，但是黑色在白天和黃昏時(shí)段差異比較顯著，且在黃昏時(shí)段的離散度明顯大于其他車輛，這說明有相當(dāng)一部分駕駛員黃昏對于黑色車輛的識(shí)認(rèn)距離有更大程度的降低。

4 應(yīng)激反應(yīng)測試數(shù)據(jù)分析

白天、黃昏時(shí)被試者應(yīng)對前方車輛時(shí)的反應(yīng)時(shí)間如表7所示。同時(shí)對駕駛員在辨認(rèn)前車制動(dòng)階段的瞳孔面積與本事件中瞳孔面積均值作比較，得到瞳孔面積變化率，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

根據(jù)表7可以發(fā)現(xiàn)側(cè)向換道比跟車反應(yīng)時(shí)間短很多，主要原因是由于側(cè)向換道事故風(fēng)險(xiǎn)更大，而前方車輛制動(dòng)則需要有一定判斷時(shí)間。根據(jù)駕駛員瞳孔面積變化率和心理變化率數(shù)據(jù)來看，各類顏色車輛之間的差異并不明顯。

進(jìn)一步將反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)制成如圖7所示的關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)，前方小車制動(dòng)時(shí)，白天反應(yīng)時(shí)間基本一致，黃昏反應(yīng)時(shí)間明顯變長，特別是黃色和黑色，反應(yīng)時(shí)間增加較為明顯，紅色增加不多。值得注意的是，在側(cè)向小車換道應(yīng)激實(shí)驗(yàn)中，在黃昏時(shí)白色和黑色車的反應(yīng)時(shí)間有所減少，而紅色車輛的反應(yīng)時(shí)間有所增加。大車制動(dòng)時(shí)，黃昏和白天差異不大，白色車輛反應(yīng)時(shí)間反而較長。大車換道時(shí)，各類顏色反應(yīng)時(shí)間基本一致。

圖7 反應(yīng)時(shí)間

表7 駕駛員平均反應(yīng)時(shí)間 s

表8 駕駛員平均瞳孔面積變化率 %

應(yīng)用方差分析對各因素之間的差異進(jìn)行量化研究，結(jié)果表明被試的各個(gè)應(yīng)激特性均無顯著差異。

表9 駕駛員平均心率變化率 %

綜合上述結(jié)果表明，公路環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，各顏色對駕駛員的應(yīng)激反應(yīng)、跟車與換道行為影響并不明顯，只有識(shí)認(rèn)性存在顯著差異。即車輛顏色對于駕駛員和交通安全的確存在影響，在車輛的識(shí)認(rèn)距離上差異更為明顯，尤其是對于小車、黃昏情況下更為顯著，駕駛過程中應(yīng)特別予以注意并采用相應(yīng)的手段予以彌補(bǔ)。

5 結(jié)束語

1)從反應(yīng)時(shí)間、瞳孔面積、心率變化率三類數(shù)據(jù)來看，駕駛員對于不同顏色車輛的應(yīng)激反應(yīng)差異不明顯，對于不同顏色車輛的跟車、換道行為也無顯著差異。這說明不同顏色的車輛對于駕駛員一般的跟車、換道行為不存在顯著的影響。

2)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，白天識(shí)認(rèn)距離明顯高于黃昏，大客車則明顯高于小轎車，向前方觀察識(shí)認(rèn)距離明顯大于側(cè)后方車輛的識(shí)認(rèn)距離，黑色車輛在黃昏時(shí)識(shí)認(rèn)性明顯低于其他車輛，尤其是觀察前方車輛時(shí)，與其他顏色的差異更為明顯。這說明與其他顏色的車輛相比，黑色車輛的交通安全性較差，大客車的交通安全性要顯著高于小轎車。

3)研究結(jié)果表明，在公路環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，車輛顏色對于駕駛員和交通安全存在影響，其差異性主要體現(xiàn)在對于車輛的識(shí)認(rèn)距離，尤其是對于小轎車、黃昏環(huán)境下更為明顯，這說明黃昏環(huán)境下，被試者對小車的識(shí)認(rèn)距離較短，即黃昏環(huán)境下，小轎車的交通安全性要差于大客車。因此在駕駛過程中應(yīng)特別予以注意并采用相應(yīng)的手段予以彌補(bǔ)。被試者對不同顏色及類型車輛中識(shí)認(rèn)距離由大至小分別為白色、紅色、黃色、黑色。

4)在駕駛中應(yīng)考慮上述特征，黃昏與白天差異較大，黃昏時(shí)段，開啟照明對于提高其他車輛對于自身車輛的識(shí)認(rèn)性有重要意義；此外，駕駛員還應(yīng)注意對于側(cè)向特別是左側(cè)車輛的觀察。上述結(jié)論對于車輛防撞預(yù)警技術(shù)的差異化服務(wù)有一定的意義。