酒后駕駛員在交叉口的視覺特性研究*

劉 宇 焦朋朋

（北京建筑大學(xué)北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心 北京100044）

0 引 言

據(jù)世界衛(wèi)生組織事故調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一半以上的交通事故與酒后駕駛有關(guān)[1]。有研究表明，酒后駕駛的肇事率隨人體血液酒精濃度非線性增加[2]。視覺是駕駛員接受道路和車輛信息最主要的方式，通過視覺獲取的信息量約占信息總量的80%[3]。而從生理上看，飲酒會(huì)減緩腦神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞速度，導(dǎo)致眼部肌肉不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)視覺扭曲或重影。酒精也會(huì)減緩?fù)椎姆磻?yīng)速度，這使得瞳孔將無法根據(jù)光的強(qiáng)烈程度進(jìn)行正常的收縮。

到目前為止，國外針對(duì)酒后駕駛員的視覺特性展開了很多研究。Buser等[4]運(yùn)用紅外眼動(dòng)追蹤儀測(cè)量了被試者的掃視時(shí)間參數(shù)，并分析了不同血液酒精濃度下的整體眼動(dòng)行為。當(dāng)受試駕駛員血液酒精濃度在40～60 mg/100 mL 時(shí)，就會(huì)明顯影響眼睛快速掃視的反應(yīng)時(shí)間、速度和準(zhǔn)確性。由于醉酒狀態(tài)下注視活動(dòng)的改變，駕駛員視覺信息的獲取量明顯減少。1998年，Soyka等[5]采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)化的神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)人的精神運(yùn)動(dòng)能力和駕駛能力進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)酒精對(duì)周邊視覺、注意力、運(yùn)動(dòng)感知功能、反應(yīng)時(shí)間、緊張耐受度、接收和整合信息的能力都有影響。Wan Jingyan 等[6]認(rèn)為飲酒導(dǎo)致駕駛員動(dòng)態(tài)視力有明顯下降，而這一現(xiàn)象在駕駛員空腹飲酒狀態(tài)下更為明顯。

近年來，國內(nèi)對(duì)于酒后駕駛行為也進(jìn)行了大量研究。孫一帆等[7]根據(jù)駕駛傾向?qū)Ⅰ{駛員分為3類，利用駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同駕駛傾向的駕駛員的酒后駕駛行為，發(fā)現(xiàn)不同駕駛傾向的駕駛員在油門踏板深度等指標(biāo)中受飲酒影響的程度不同。陳孟柯等[8]以老山隧道為例，采集并分析了不同光線條件下的各隧道路段駕駛員視覺特性，發(fā)現(xiàn)了采用合理的隧道進(jìn)出口段結(jié)構(gòu)，可降低駕駛員獲取信息的困難程度及緊張感。胡月琦等[9]基于駕駛員視覺特性，通過實(shí)車駕駛試驗(yàn)，分析了高速公路特長隧道中駕駛經(jīng)驗(yàn)和駕駛環(huán)境對(duì)交通安全的影響，并提出了不同條件下的視覺搜索模式。

由此可見，國外學(xué)者對(duì)于酒后駕駛研究較早，并通過試驗(yàn)，論證了飲酒后駕駛員的信息接收能力和駕駛能力都受到嚴(yán)重影響。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于酒后駕駛的研究多圍繞駕駛行為中的反應(yīng)判斷階段及車輛操縱能力，駕駛員視覺特性的研究主要側(cè)重高速公路及隧道環(huán)境，而缺少針對(duì)飲酒后駕駛員視覺信息接收方面的定量研究。由于酒精對(duì)大腦的興奮和抑制作用，人的色彩感知能力下降，難以分辨紅綠燈、交通標(biāo)志、標(biāo)線的顏色，同時(shí)對(duì)靜止和動(dòng)態(tài)的物體分辨不清，出現(xiàn)視物體重影和模糊。而交叉口交通量大、沖突點(diǎn)多、交通標(biāo)志標(biāo)線復(fù)雜，需要駕駛員接收大量信息[10-12]，使得酒后更容易發(fā)生交通事故。

是否構(gòu)成酒后駕車取決于駕駛員血液中的酒精濃度。根據(jù)我國2011 年1 月27 日頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB19522—2010《車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗(yàn)》，機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)搜褐械木凭看笥诨蛘叩扔?0 mg/100 mL，小于80 mg/100 mL的駕駛行為為飲酒駕車；駕駛?cè)搜褐械木凭看笥诨蛘叩扔?0 mg/100 mL的駕駛行為為醉酒駕車。世界各國對(duì)于酒后駕車有著不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 世界各國酒后駕駛判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Drunk driving standards in countries around the world

因此，研究酒后駕駛員在交叉口的視覺特性，對(duì)于了解飲酒對(duì)于駕駛員接收信息能力的影響具有理論與實(shí)際的雙重意義。本文采用模擬駕駛儀試驗(yàn)的方法，使用眼動(dòng)儀檢測(cè)飲酒后駕駛員進(jìn)入城市交叉口的注視時(shí)間、掃視時(shí)間等視覺特性指標(biāo)并進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究飲酒對(duì)駕駛員信息接收能力的影響和酒后駕車判斷標(biāo)準(zhǔn)的合理性及可靠性提供理論依據(jù)。

1 模擬駕駛試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用日本FORUM株式會(huì)社開發(fā)的模擬駕駛器，其主要由座艙外殼、車輛操控部件、功能部件、聲音系統(tǒng)、主動(dòng)力反饋系統(tǒng)、顯示器，以及配件等部分組成。駕駛座艙空間不小于實(shí)際車內(nèi)空間的1/4，能夠滿足駕駛員對(duì)車輛的操控需求。聲音系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)對(duì)車輛引擎、鳴笛，以及周圍車輛和環(huán)境聲音進(jìn)行模擬，保證試驗(yàn)場景的真實(shí)性。駕駛儀視野包括3個(gè)42 in LCD顯示器，3面屏270°的廣闊視角，車輛主要操控部件及儀表盤均與實(shí)際車輛一致。被試者眼動(dòng)數(shù)據(jù)通過iView XTM HED 型眼動(dòng)儀采集，并使用BeGaze 3.0軟件對(duì)視覺特性指標(biāo)進(jìn)行匯總和分析。被試者飲酒后，采用呼吸式酒精檢測(cè)儀對(duì)被試者體內(nèi)酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)場景

本次試驗(yàn)場景由三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件UC-win/Road 進(jìn)行搭建。UC-win/Road 軟件中具有豐富的3D建筑和基礎(chǔ)設(shè)施模型，可以真實(shí)地模擬城市道路交通環(huán)境。同時(shí)軟件具有生成虛擬交通量和行人的功能，并支持模擬駕駛和場景演示，可以真實(shí)的表現(xiàn)道路上的各種交通狀況。為對(duì)比分析不同交叉口場景下酒后駕駛?cè)说囊曈X注意變化情況，根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]和《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》[14]，設(shè)計(jì)了1條雙向6車道（每條車道寬度為3.5 m）、全長約4 km 的城市道路，其中包括5個(gè)城市道路交叉口場景，并在場景內(nèi)設(shè)定了交通量（1 200 pcu/h）和行人。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究數(shù)據(jù)表明，酒后駕駛肇事者的年齡主要介于20～40 歲之間，且超過95%的酒后駕駛員為男性[15]。為分析酒后駕駛員在交叉口處的視覺特性，本次試驗(yàn)共招募了20 名駕駛員作為被試者，考慮到駕駛員的飲酒特性，被試者均為男性，年齡為20～45 歲之間。被試者按照規(guī)定速度，分別以直行、右轉(zhuǎn)、直行、左轉(zhuǎn)、直行通過5 個(gè)交叉口，完成1次試驗(yàn)。每位駕駛員完成2 次試驗(yàn)，第1 次為正常狀態(tài)，第2 次為飲酒狀態(tài)。所有被試者均具有一定的飲酒能力且矯正視力達(dá)到1.0。

試驗(yàn)之前，告知所有駕駛員駕駛路線和行駛過程中的規(guī)定速度（60 km/h），以避免駕駛速度過快或過慢影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性。并讓駕駛員在模擬駕駛儀上進(jìn)行適應(yīng)性駕駛，使其充分熟悉模擬駕駛環(huán)境，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，之后開始正式試驗(yàn)。首先所有駕駛員在正常狀態(tài)下進(jìn)行1 次試驗(yàn)，完成第1 次試驗(yàn)后適量飲酒（500 mL 燕京純生啤酒），30 min后對(duì)駕駛員進(jìn)行體內(nèi)酒精濃度檢測(cè)并完成第2次試驗(yàn)。

2 視覺特性分析

評(píng)價(jià)駕駛員獲取信息能力的視覺特性指標(biāo)主要包括注視行為指標(biāo)、掃視行為指標(biāo)和眨眼特性指標(biāo)。經(jīng)過多次觀察被試駕駛員通過交叉口的注視點(diǎn)分布，發(fā)現(xiàn)多數(shù)駕駛員在進(jìn)入交叉口前6 s開始搜集前方交叉口信息，在進(jìn)入交叉口后的短暫時(shí)間仍繼續(xù)搜集相交道路車流和行人信息，故認(rèn)定駕駛員在進(jìn)入交叉口前的6 s及進(jìn)入交叉口后的4 s為搜集交通信息的主要時(shí)間段。將飲酒前后駕駛員通過5個(gè)交叉口對(duì)應(yīng)時(shí)間段的視覺特性指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，并對(duì)飲酒前后駕駛員指標(biāo)進(jìn)行顯著性差異分析。

2.1 注視行為分析

注視是駕駛員通過視覺獲取信息的基本行為。在注視行為指標(biāo)中，注視次數(shù)和注視持續(xù)時(shí)間能夠反映駕駛員的注意力集中程度，且2 個(gè)指標(biāo)關(guān)聯(lián)性較小，故選取作為本次實(shí)驗(yàn)注視部分的評(píng)價(jià)指標(biāo)。注視持續(xù)時(shí)間過長，意味著駕駛員獲取信息的視覺區(qū)域過于集中，無法全面的掌握車輛和道路的實(shí)際情況。注視次數(shù)越多，說明駕駛員對(duì)交通信息的搜索能力越強(qiáng)，獲取的信息量也越大。駕駛員飲酒前后注視指標(biāo)變化見圖1。

圖1 注視指標(biāo)對(duì)比分析Fig.1 Analysis of gaze behavior indicators

由圖1 可見，2 組駕駛員進(jìn)入交叉口前后，飲酒后的注視持續(xù)時(shí)間均明顯高于飲酒前，在5 個(gè)交叉口的數(shù)據(jù)均達(dá)到了顯著性差異（P＜0.05）。飲酒后駕駛員每次注視時(shí)間更長，說明駕駛員完成單次注視行為的所需時(shí)間增加，注視效率和時(shí)效性下降，當(dāng)車輛周圍交通環(huán)境發(fā)生變化，駕駛員需要更長時(shí)間才能察覺并做出反應(yīng)，從而使交通事故發(fā)生的可能性增大。除3號(hào)交叉口以外的4個(gè)交叉口中，注視次數(shù)也有了明顯的下降，其中4 號(hào)交叉口下降最多達(dá)到3.53次。這可以歸因于酒后的疲勞感使得駕駛員獲取信息的主動(dòng)性降低，使得駕駛員下意識(shí)減少掃視行為的同時(shí)，拉長單次注視行為的時(shí)間并減少注視次數(shù)。這種現(xiàn)象在轉(zhuǎn)向交叉口這類需要不斷更換注視點(diǎn)的場景下更為嚴(yán)重。這可能增加駕駛員由于信息缺失而做出錯(cuò)誤判斷和操作的可能性。綜上所述，駕駛員飲酒后單次注視所獲得的信息量和注視頻率均受到一定程度削弱，即通過注視行為所收集到的有效信息量大大降低。

2.2 注視區(qū)域分析

駕駛員在駕駛車輛時(shí)，無法時(shí)刻注視視野范圍中的每個(gè)區(qū)域，需要從視野中的幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域收集有效的交通信息。為了深入研究飲酒前后駕駛員注視區(qū)域的變化，對(duì)比分析飲酒前后駕駛員各區(qū)域的注視時(shí)間比例?？紤]到模擬駕駛條件下，駕駛員注意力主要集中在道路和其他車輛上，而對(duì)于儀表盤及反光鏡關(guān)注較少，故采用機(jī)械劃分法[16]將本次試驗(yàn)注視區(qū)域劃分為5個(gè)：左側(cè)注視區(qū)域、右側(cè)注視區(qū)域、中間注視區(qū)域以及上下2個(gè)無效注視區(qū)域。具體區(qū)域劃分情況見圖2。各區(qū)域注視時(shí)間比例結(jié)果見圖3。

圖2 駕駛員注視區(qū)域劃分Fig.2 Driver gaze area division

圖3 各區(qū)域注視時(shí)間比例Fig.3 Proportion of gaze duration in different attention area

2組駕駛員95%以上的注視在有效區(qū)域內(nèi)，其中中間區(qū)域注視時(shí)間比例超過50%，右側(cè)區(qū)域注視時(shí)間比例略大于左側(cè)區(qū)域。飲酒后中間區(qū)域的注視比例增加8.21%，兩側(cè)區(qū)域分別降低3.52%和3.93%，上下2個(gè)無效區(qū)域基本保持不變，說明2組駕駛員均能在有效區(qū)域進(jìn)行信息收集，但飲酒后駕駛員視線更加趨于固定和集中，在關(guān)注視野中間區(qū)域某幾個(gè)注視點(diǎn)的同時(shí)忽視了對(duì)于車輛周圍其他方位信息的搜集，視覺注意的分散能力減弱，使得視覺信息的來源更加單一。

2.3 掃視指標(biāo)分析

掃視來自于2次注視行為之間。在經(jīng)過交叉口時(shí)，駕駛員需要在關(guān)注車輛行駛方向的同時(shí)，兼顧其他進(jìn)口方向的車輛和人流情況，這就需要駕駛員對(duì)視野范圍進(jìn)行掃視。掃視行為指標(biāo)中，掃視幅度和掃視平均速度體現(xiàn)了駕駛員1次掃視獲取信息的覆蓋范圍和深度。掃視指標(biāo)結(jié)果見圖4。

圖4 掃視指標(biāo)對(duì)比分析Fig.4 Analysis of scanning behavior indicators

由圖可知，2組駕駛員的掃視幅度在5個(gè)交叉口都有顯著性差異，在非直行交叉口的下降程度略大于直行交叉口。而掃視速度僅在1號(hào)和3號(hào)交叉口略有下降，其余交叉口下降并不明顯，這是由于駕駛員在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，主要通過快速掃視而非平穩(wěn)追蹤的方式獲取交通信息，而快速掃視的速度主要由人體機(jī)能決定，駕駛員無法自主控制[17]。即使飲酒后，駕駛員仍處于清醒狀態(tài)，快速掃視作為人體本能視覺反應(yīng)未受到較大影響，使得該指標(biāo)的變化并不明顯。掃視幅度的降低，說明了駕駛員的2 次注視點(diǎn)間距縮短，視覺關(guān)注的區(qū)域變小，不利于行車安全。此外，根據(jù)注意深度理論[18]，掃視幅度是量度注意深度的指標(biāo)之一，若是1次注視獲得的信息量較少，則之后掃視幅度就會(huì)隨之減小。飲酒后駕駛員掃視幅度減小，也間接說明了飲酒后駕駛員1次注視可獲得的信息降低。

2.4 眨眼特性分析

人在飲酒后會(huì)產(chǎn)生疲勞感，眨眼特性被普遍認(rèn)為與人的疲勞程度密切相關(guān)。有研究表明，隨著疲勞程度的增加，人的眨眼頻次和眨眼持續(xù)時(shí)間都有顯著上升的趨勢(shì)[19]，故采用眨眼次數(shù)和眨眼持續(xù)時(shí)間作為眨眼行為的評(píng)價(jià)指標(biāo)。飲酒前后各交叉口眨眼指標(biāo)見圖5。

圖5 眨眼指標(biāo)對(duì)比分析Fig.5 Analysis of blink behavior indicators

由圖5可知，飲酒后駕駛員在進(jìn)入5個(gè)交叉口前后的眨眼持續(xù)時(shí)間和眨眼頻次都明顯增加，飲酒前后2 組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均達(dá)到顯著性差異，平均變化率為10.74%和16.40%，說明駕駛員飲酒后視覺疲勞程度顯著加深。人在眨眼前后的短暫時(shí)間內(nèi)處于信息缺失狀態(tài)，無法及時(shí)獲取信息，飲酒后駕駛員處于該狀態(tài)的時(shí)間將延長。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，駕駛員需要更長的時(shí)間做出判斷并采取措施。且駕駛員在1 號(hào)交叉口的眨眼指標(biāo)變化明顯小于之后4 個(gè)交叉口，這是由于飲酒后駕駛員在試驗(yàn)開始階段仍能保持一定的注意力，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，即使短短幾分鐘后，駕駛員的專注程度和試驗(yàn)初期已出現(xiàn)差距，說明飲酒加快了駕駛員的疲勞積累速度，使得酒后長時(shí)間的駕駛更加危險(xiǎn)。

3 視覺特性指標(biāo)衰退率分析

大量的研究已經(jīng)證實(shí)，血液酒精濃度嚴(yán)重影響駕駛的視覺感知能力。為了深入探究試驗(yàn)中駕駛員視覺特性指標(biāo)衰退程度與體內(nèi)酒精濃度的關(guān)系，本文定義飲酒后駕駛員的各項(xiàng)指標(biāo)衰退率Di為

式中：i 為視覺指標(biāo)，取1～3 分別表示注視持續(xù)時(shí)間、掃視幅度、眨眼次數(shù)這3種視覺指標(biāo)；j 取1～5，代表5 個(gè)交叉口場景；Xi為飲酒后駕駛員視覺指標(biāo)值；Yi為飲酒前駕駛員各視覺指標(biāo)值；Di為視覺指標(biāo)i 的衰退率。駕駛員各指標(biāo)衰退率與體內(nèi)酒精濃度關(guān)系見圖6。

圖6 視覺指標(biāo)衰退率分析Fig.6 Proportion of visual indicators recession analysis

本文試驗(yàn)通過呼吸式酒精檢測(cè)儀對(duì)20 名駕駛員飲酒后的體內(nèi)酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 20 名駕駛員體內(nèi)酒精濃度Tab.2 Body Alcohol Concentration of 20 Drivers

對(duì)20名被試者體內(nèi)酒精濃度x 與3個(gè)視覺指標(biāo)衰退率Di進(jìn)行一元線性回歸分析，并建立一元線性回歸模型。

各模型的相關(guān)性系數(shù)R 均大于0.9，說明模型擬合程度較高，能夠反應(yīng)各指標(biāo)衰退率與體內(nèi)酒精濃度的關(guān)系。

由圖6可以看出大部分被試者的體內(nèi)酒精濃度在（20～60）mg/100 mL 之間，各指標(biāo)衰退率在5%至20%之間，在該范圍內(nèi)被試者各視覺指標(biāo)衰退率隨體內(nèi)酒精含量的增加而線性遞增。當(dāng)被試者體內(nèi)酒精濃度達(dá)到20 mg/100 mL 時(shí)，注視持續(xù)時(shí)間衰退率約為5%，掃視幅度和眨眼次數(shù)衰退率約為10%；當(dāng)被試者體內(nèi)酒精濃度達(dá)到60 mg/100 mL時(shí)，注視持續(xù)時(shí)間衰退率約為16%，掃視幅度衰退率約為17%，眨眼次數(shù)衰退率約為20%。同時(shí)，大多數(shù)酒精濃度接近40 mg/mL的被試者，其掃視幅度和眨眼次數(shù)衰退率大于擬合值，而接近20和60 mg/mL 的被試者，2個(gè)指標(biāo)的衰退率則小于擬合值，這說明隨著酒精濃度的增加，2個(gè)指標(biāo)的衰退率增長有減緩趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

1）飲酒前后駕駛員通過交叉口5 種視覺特性指標(biāo)均發(fā)生不同程度的變化，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著性差異，說明飲酒后駕駛員視線范圍變小，觀測(cè)周期變短，目光靈活度下降，疲勞程度增加，對(duì)環(huán)境變化的敏感度降低，且在非直行交叉口處更加明顯。

2）飲酒后駕駛員區(qū)域注視時(shí)間比例發(fā)生變化，中間區(qū)域注視時(shí)間比例上升8.21%，兩側(cè)區(qū)域注視時(shí)間下降，右側(cè)比例略高于左側(cè)，說明駕駛員飲酒后視線范圍更加集中，對(duì)兩側(cè)方向的信息收集量減少，對(duì)各區(qū)域的兼顧程度下降。

3）當(dāng)被試者體內(nèi)酒精濃度在（20～60）mg/100 mL范圍內(nèi)，3種視覺特性指標(biāo)衰退率在5%～20%之間，且隨體內(nèi)酒精濃度上升呈遞增趨勢(shì)，其中眨眼指標(biāo)受酒精濃度影響最大，且隨試驗(yàn)時(shí)間變化顯著。

4）當(dāng)駕駛員血液酒精濃度達(dá)到我國飲酒駕車標(biāo)準(zhǔn)20 mg/mL 時(shí)，掃視和眨眼指標(biāo)衰退率均超過10%，注視指標(biāo)衰退率約為5%，視覺指標(biāo)的下降已對(duì)駕駛員視覺接受能力產(chǎn)生明顯影響，即認(rèn)為我國現(xiàn)行酒后駕車標(biāo)準(zhǔn)較為合理。

不同駕駛員飲酒前后的視覺指標(biāo)變化差別較大，通過對(duì)比同一駕駛員2次試驗(yàn)指標(biāo)及衰退率，一定程度上減少了個(gè)體差異對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響。但由于條件限制，試驗(yàn)樣本數(shù)較少，未進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，使結(jié)果仍有一定的不確定性。且呼吸式酒精檢測(cè)儀無法持續(xù)檢測(cè)體內(nèi)酒精濃度，故未對(duì)飲酒的時(shí)效性進(jìn)行研究。下一步可擴(kuò)充試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，增強(qiáng)結(jié)論的普適性，進(jìn)行酒后不同時(shí)間的重復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)其他環(huán)境（如隧道、山區(qū)公路等）、其他駕駛行為（如跟馳、并線、超車）以及其他氣候條件（夜間、陰雨天）下駕駛員飲酒后視覺特性進(jìn)行深入探索，使研究更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。