城際道路平面線形與駕駛員眼動特性關(guān)系研究

潘鴻飛，吳立新，溫井雨

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

1 引言

城市化進(jìn)程的加快使得城市與城市之間的聯(lián)系越來越密切，城際出行成為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，城際道路的安全性變得尤為重要。C Román[1]對馬德里至巴塞羅那之間的城際交通方式展開研究，建立了交通方式離散選擇模型；K Baklanova[2]為探究影響城際道路事故率的主要因素，選取交通事故等級、道路幾何參數(shù)等影響因素對城際道路的10 處路段展開研究，發(fā)現(xiàn)道路線形在符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，各路段的事故率仍存在明顯差異。

針對駕駛員眼動指標(biāo)與道路線形之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者開展了深入研究。王芳等[3]將駕駛員在沙漠草原公路行車時的注視點坐標(biāo)等眼動參數(shù)轉(zhuǎn)化為單位時間視覺興趣區(qū)面積指標(biāo)，結(jié)合直線段長度建立模型，得出極限直線段長度為行車140s的結(jié)論；朱守林等[4]利用模擬駕駛試驗，分析駕駛員在草原公路5種等級線形誘導(dǎo)信息量的彎道路段行車時眼動參數(shù)變化特點，提出了駕駛員眼動強度回歸模型；Samuel G[5]通過眼動試驗，觀察道路坡度、平曲線曲率等參數(shù)對駕駛員眼動的影響，發(fā)現(xiàn)瞳孔變化與道路線形之間有顯著關(guān)系；彭金栓等[6]開展山區(qū)公路直線路段和彎道路段實車試驗，分析直線路段長度、彎道路段曲線半徑對駕駛員注視、掃視等眼動特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著直線段長度的不斷增加，駕駛員注視點分布趨向于離散；張娟等[7]基于駕駛員在長坡路段上坡時的瞳孔直徑和車速信息，結(jié)合道路坡度和角度變化率建立模型，發(fā)現(xiàn)駕駛員瞳孔大小變化百分比與角度變化率成三次函數(shù)關(guān)系；鄭雪蓮等[8]以直線路段和彎道路段駕駛員注視點分布為指標(biāo)，結(jié)合駕駛員行車預(yù)瞄時間，建立了關(guān)于直線路段和彎道路段線形的分段函數(shù)和非線性指數(shù)函數(shù)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對城際道路交通方式、事故率等方面進(jìn)行了分析，同時對駕駛員眼動特性與高速公路、山區(qū)公路線形之間的關(guān)系開展了大量研究，但采用實車試驗方法對城際道路線形與駕駛員眼動參數(shù)關(guān)系研究較少。本文通過駕駛員佩戴眼動儀進(jìn)行實車試驗，獲取駕駛員在城際道路不同平面線形路段行車時的眼動參數(shù)，分析駕駛員在各路段眼動參數(shù)的變化特點，為城際道路平面線形優(yōu)化設(shè)計提供理論支撐。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗路段

選擇長春市長清公路K3+000至K26+000作為試驗路段，長清公路連接長春市凈月區(qū)與雙陽區(qū)，雙向四車道，沿線坐落村鎮(zhèn)與學(xué)校，是典型城際道路，道路沿線分布和橫斷面條件如圖1和圖2所示。

圖1 長清公路沿線分布圖

圖2 長清公路道路橫斷面

根據(jù)長清公路設(shè)計圖紙資料和實地踏勘數(shù)據(jù)，按照半徑R≥1000m、縱坡度i＜3%為直線路段，半徑R＜1000m、縱坡度i＜3%為平曲線路段[9]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將長清公路樁號K3+000 至K26+000 路段進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果見表1和表2。

表1 直線路段

表2 平曲線路段

由表1可知，直線路段數(shù)量較多且部分路段長度相近，為降低試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性，運用K-均值聚類法將各直線路段長度分為6類，聚類結(jié)果見表3。

表3 K-均值聚類法分類結(jié)果

根據(jù)聚類結(jié)果，從每一類別中選擇一處路段，確定的直線試驗路段見表4。

表4 直線路段

2.2 試驗駕駛?cè)思霸囼瀮x器

本次試驗選取4 名無生理缺陷且視覺系統(tǒng)正常的駕駛員進(jìn)行多次試驗，試驗駕駛員為40歲以下青年人，駕齡均在3年以上。試驗儀器使用五座小汽車一臺、正弦逆變器一個、德國制造的DIkablis眼動儀及D-Lab軟件。

2.3 試驗時間及過程

2.3.1 試驗時間

選擇天氣及路面條件良好情況下的上午09:00～11:30時段進(jìn)行實車試驗。

2.3.2 試驗過程

①告知駕駛員試驗?zāi)康暮突疽?，駕駛員佩戴眼動儀對試驗路段進(jìn)行試駕，熟悉試驗車輛及道路情況。

②駕駛員佩戴眼動儀從長清公路K3+000 連續(xù)行駛至K26+000處，停車休息5min～10min。

③駕駛員佩戴眼動儀從長清公路K26+000 連續(xù)行駛返回至K3+000處，記為一次完整的試驗。

2.4 試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

由DIkablis 眼動儀采集的駕駛員原始眼動數(shù)據(jù)見表5。對信控交叉口前后20m 范圍內(nèi)和明顯偏差的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

表5 眼動儀原始數(shù)據(jù)

3 城際道路平面線形與瞳孔面積的關(guān)系

駕駛員行車時，80%以上的道路交通信息由視覺獲取，而瞳孔面積可以反映駕駛員的心理緊張程度，二者成正相關(guān)關(guān)系，即心理緊張程度越大，瞳孔面積越大[10]。本文通過實車試驗獲取4 名駕駛員在不同路段行車時的平均瞳孔面積數(shù)值，分析其與城際道路平面線形之間的關(guān)系。

3.1 直線路段

運用S-W 正態(tài)檢驗對駕駛員在6處直線路段行車的平均瞳孔面積正態(tài)分布進(jìn)行驗證，檢驗結(jié)果見表6。

表6 不同直線長度與平均瞳孔面積正態(tài)檢驗

由表6可知，駕駛員在不同直線路段的平均瞳孔面積概率P值為0.183，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運用Pearson相關(guān)系數(shù)將直線長度與平均瞳孔面積做相關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果見表7。

表7 直線長度與平均瞳孔面積相關(guān)性檢驗

由表7 可知，直線長度與平均瞳孔面積之間的Sig（單尾）值為0.049，小于顯著性水平0.05，說明兩者之間存在顯著相關(guān)性，Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.731，說明兩者相關(guān)程度為強相關(guān)。

以城際道路直線路段長度為橫坐標(biāo)，駕駛員平均瞳孔面積為縱坐標(biāo)繪制散點圖，如圖3所示。

圖3 直線長度與平均瞳孔面積關(guān)系圖

由圖3可知，城際道路直線長度與駕駛員平均瞳孔面積之間呈二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)直線路段長度較短時（小于600m區(qū)間范圍），駕駛員行車操作和視野內(nèi)道路線形變化相對頻繁，平均瞳孔面積相對較大；隨著直線路段長度的增加（600m～1300m區(qū)間范圍），單一的道路線形條件和較低的駕車難度會提高駕駛員的行車舒適感，平均瞳孔面積相對較低；隨著直線路段長度的再增加（大于1300m區(qū)間范圍），直線路段開闊的路面視野和較長的路段會使得行車速度加快，駕駛員視線變窄，與直線路段單調(diào)的道路環(huán)境相互作用，使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞，導(dǎo)致平均瞳孔面積相對較大。

圖4 直線330m路段

圖5 直線600m路段

圖6 直線900m路段

圖7 直線1010m路段

圖8 直線1900m路段

圖9 直線2600m路段

由圖4～圖9 可知，駕駛員在直線路段駕車行駛初期，瞳孔面積總體上呈下降趨勢，圖中呈現(xiàn)為直線路段行車前25s 左右，說明由其他路段駛?cè)胫本€段時，直線段簡單的線形和開闊的視野使駕駛員感到舒適，瞳孔面積逐漸下降；隨著直線長度的增加，駕駛員在直線路段行車時間變長，當(dāng)在直線段行車超過25s 之后，瞳孔面積逐漸上升，當(dāng)超過約60s 后，瞳孔面積變化出現(xiàn)波動，呈離散狀，說明駕駛員出現(xiàn)視覺疲勞。結(jié)合直線長度與平均瞳孔面積的關(guān)系，進(jìn)一步說明城際道路直線路段長度過短或過長均不利于行車安全。

3.2 平曲線路段

運用S-W正態(tài)檢驗對駕駛員在6處平曲線路段行車的平均瞳孔面積正態(tài)分布進(jìn)行驗證，檢驗結(jié)果見表8。

表8 不同曲線半徑路段與平均瞳孔面積正態(tài)檢驗

由表8可知，駕駛員在不同平曲線路段的平均瞳孔面積概率P值為0.591，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運用Pearson相關(guān)系數(shù)將曲線半徑與平均瞳孔面積做相關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果見表9。

表9 曲線半徑與駕駛員平均瞳孔面積相關(guān)性檢驗

由表9 可知，曲線半徑與平均瞳孔面積之間的Sig（單尾）值為0.014，小于顯著性水平0.05，說明兩者相關(guān)性顯著，Pearson 相關(guān)系數(shù)為-0.902，說明兩者相關(guān)程度為顯著相關(guān)。

以城際道路平曲線段曲線半徑為橫坐標(biāo)，駕駛員平均瞳孔面積為縱坐標(biāo)繪制散點圖，如圖10所示。

圖10 曲線半徑與平均瞳孔面積關(guān)系

由圖10 可知，平曲線路段曲線半徑與駕駛員平均瞳孔面積為負(fù)相關(guān)關(guān)系。曲線半徑300m～500m區(qū)間內(nèi)平均瞳孔面積擬合曲線相對較陡，曲線半徑500m～700m之間擬合曲線相對平緩；曲線半徑為300m時的駕駛員平均瞳孔面積較400m、500m、700m 分別增大了約4.4%、9.1%、11.0%，說明較小的曲線半徑使駕駛員主觀感覺危險，行車時精神專注度提高，心理負(fù)荷增加，瞳孔面積變大；隨著曲線半徑的不斷增大，道路線形相對更協(xié)調(diào)，行車視野更開闊，駕駛員行車時所受的離心力變小，對行車精神專注度的要求下降，舒適感上升，使得瞳孔面積下降。

他說：“你換購到機票沒有？我是第一次賣里程呢，做一下售后調(diào)查，不知道會不會有什么問題。”粒?；卮穑骸皼]有問題，我已經(jīng)在云南騰沖?！?/p>

為進(jìn)一步分析駕駛員在城際道路平曲線路段行車時曲線半徑與瞳孔面積變化之間的關(guān)系，對駕駛員每2s的瞳孔面積取平均值，繪制6處平曲線路段駕駛員瞳孔面積散點圖，如圖11～圖16所示。

圖11 半徑300m路段

圖12 半徑400m路段

圖13 半徑460m路段

圖14 半徑500m路段

圖15 半徑500m路段

圖16 半徑700m路段

由圖11～圖16 可知，在通過平曲線路段時，駕駛員的瞳孔面積具有一定離散性，但總體變化呈先增加后降低特點，拐點大致位于平曲線行車時間的中間稍偏后位置，即駕駛員駛過圓曲線中點之后，且瞳孔面積在駛離平曲線路段時存在增大的現(xiàn)象。當(dāng)駕駛員行車駛?cè)氲谝痪徍颓€路段時，漸變的道路線形、受限的行車視野及逐漸增大的離心力相互作用，使其精神專注度提高，表現(xiàn)較為謹(jǐn)慎，瞳孔面積變大；在駛過圓曲線中點后，行車視野逐漸恢復(fù)，離心力降低，同時駕駛員對平曲線亦有所適應(yīng)，精神專注度下降，瞳孔面積變??；在駛出平曲線時，線形條件的變化使駕駛員的警惕性又有所提高，瞳孔面積小幅提高。結(jié)合曲線半徑與平均瞳孔面積關(guān)系，說明城際道路宜采用半徑較大的平曲線。

4 城際道路平面線形與注視持續(xù)時間的關(guān)系

注視持續(xù)時間是指駕駛員視線關(guān)注某一對象所持續(xù)的時間，單位為ms，可以反映駕駛員在行車過程中獲取及處理外部信息的難易程度[11]。本文通過實車試驗獲取4 名駕駛員在不同路段行車時的平均注視持續(xù)時間數(shù)值，分析其與城際道路平面線形之間的關(guān)系。

4.1 直線路段

運用S-W 正態(tài)檢驗對駕駛員在6處直線路段行車的平均注視持續(xù)時間正態(tài)分布進(jìn)行驗證，檢驗結(jié)果見表10。

表10 不同直線長度與平均注視持續(xù)時間正態(tài)檢驗

由表10 可知，駕駛員在不同直線長度路段的平均注視持續(xù)時間概率P值為0.821，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運用Pearson相關(guān)系數(shù)將直線長度與平均注視持續(xù)時間做相關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果見表11。

表11 直線長度與平均注視持續(xù)時間相關(guān)性檢驗

由表11 可知，直線長度與平均注視持續(xù)時間之間的Sig（單尾）值為0.403，大于顯著性水平0.05，說明兩者之間的相關(guān)性不存在統(tǒng)計學(xué)意義，即不相關(guān)。

以100ms為單位，將駕駛員在6處直線路段行車時的注視持續(xù)時間占比做統(tǒng)計，直線長度與平均注視持續(xù)時間的關(guān)系如圖17所示。

圖17 不同直線長度路段注視持續(xù)時間分布

由圖17 可知，駕駛員在不同直線路段行車時注視持續(xù)時間分布趨勢大致相同，單次注視持續(xù)時間在001ms～100ms 區(qū)間內(nèi)占比最大，達(dá)48%上，說明駕駛員更傾向于視線短暫停留來搜索道路交通環(huán)境信息；單次注視持續(xù)時間主要分布在001ms～400ms 區(qū)間內(nèi)，占比超過80%，說明注視持續(xù)時間在001～400ms時更有利于駕駛員獲取交通環(huán)境信息；501ms～1000ms區(qū)間所占比例很小，即過長的注視情況較少發(fā)生。

4.2 平曲線路段

運用S-W 正態(tài)檢驗對駕駛員在6處平曲線路段行車的平均注視持續(xù)時間正態(tài)分布進(jìn)行驗證，檢驗結(jié)果見表12。

表12 不同曲線半徑路段與平均注視持續(xù)時間正態(tài)檢驗

由表12 可知，駕駛員在不同平曲線路段的平均注視持續(xù)時間概率P值為0.824，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運用Pearson相關(guān)系數(shù)將曲線半徑與平均注視持續(xù)時間做相關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果見表13。

由表13 可知，曲線半徑與平均注視持續(xù)時間之間的Sig（單尾）值為0.108，大于顯著性水平0.05，說明兩者之間的相關(guān)性不存在統(tǒng)計學(xué)意義，即不相關(guān)。

表13 曲線半徑與平均注視持續(xù)時間相關(guān)性檢驗

以100ms 為單位，將4 名駕駛員在城際道路6 處平曲線路段行車時的平均注視持續(xù)時間占比做統(tǒng)計，如圖18所示。

圖18 不同曲線半徑路段注視持續(xù)時間分布

由圖18 可知，駕駛員在不同曲線路段行車時單次注視持續(xù)時間主要集中在在001ms～400ms 區(qū)間內(nèi)，占比超過80%；單次注視持續(xù)時間在001ms～100ms 區(qū)間占比最高，超過了43%，其次為101ms～200ms 區(qū)間，占比約20%左右，說明駕駛員以短注視為主來獲取道路交通信息。

與直線路段相比，駕駛員在平曲線路段行車時注視持續(xù)時間在001ms～100ms區(qū)間占比下降，約6.5%，在101ms～200ms 和201ms～300ms 區(qū)間占比增加，約4.0%和3.7%，說明駕駛員在城際道路平曲線路段主觀感覺更危險，單次注視持續(xù)時間相對變長，行車更為謹(jǐn)慎，搜索道路交通環(huán)境信息的專注度增加。

5 結(jié)語

依據(jù)駕駛員佩戴DIkablis 眼動儀在城際道路直線路段和平曲線路段獲取的瞳孔面積、注視持續(xù)時間眼動參數(shù)，分析城際道路線形與駕駛員眼動參數(shù)的關(guān)系，結(jié)論如下：

①在城際道路直線路段行車時，駕駛員瞳孔面積變化呈先降再升后波動特點，拐點位于行車時間25s左右，行車超過60s 時瞳孔面積變化出現(xiàn)波動，說明過短或過長的直線長度不利于行車安全。

②在城際道路平曲線路段行車時，駕駛員瞳孔面積變化呈先升再降后升特點，拐點分別位于平曲線路段曲中偏后位置和駛出曲線位置；平均瞳孔面積隨著曲線半徑的減小逐漸升高，曲線半徑為300m時較500m和700m 時分別上升了約9.1%和11.0%，說明過小的曲線半徑不利于行車安全。

③城際道路直線路段和平曲線路段駕駛員注視持續(xù)時間占比分布大致相同，平曲線路段在101ms～200ms和201ms～300ms 區(qū)間占比較直線路段分別增加了約4.0%和3.7%，說明駕駛員在城際道路平曲線路段行車時搜索道路交通環(huán)境信息的專注度更高。