不同道路環(huán)境下駕駛?cè)艘曈X特性分析1

吳立新，劉子銘

吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院

0 引 言

由于中國城市化進(jìn)程的加速和城市范圍的擴(kuò)張，原有的農(nóng)村區(qū)域逐漸被劃入至城區(qū)或發(fā)展為新城區(qū)，而完備的配套設(shè)施及蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)也吸納著大批的人流及車輛，這就對(duì)該區(qū)域的交通提出了全新的需求。該區(qū)域服務(wù)對(duì)象由原來單一的機(jī)動(dòng)車交通者轉(zhuǎn)向了各類交通參與者，主要面向行人、機(jī)動(dòng)車及非機(jī)動(dòng)車；而這部分區(qū)域介于農(nóng)村和城市中間，道路功能也處于公路及城市道路之間，交通環(huán)境在道路與交通特性方面與普通城市道路有很大差異，且各項(xiàng)交通設(shè)施設(shè)計(jì)沒有明確規(guī)范要求，多數(shù)仍延用公路標(biāo)準(zhǔn)，然而這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城鄉(xiāng)結(jié)合部道路并不一定完全適用。駕駛員在道路環(huán)境中起著重要作用，研究城鄉(xiāng)結(jié)合部道路與城市道路中駕駛員眼動(dòng)特征的差異性，對(duì)未來城鄉(xiāng)結(jié)合部道路向城市道路轉(zhuǎn)變有很大作用。

國內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了深入的研究，趙亮等[1]通過研究新老駕駛員在復(fù)雜的農(nóng)村公路環(huán)境中的眼動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)新駕駛員的瞳孔直徑變化劇烈，而老駕駛員短時(shí)間的注視特性較多。齊博[2]通過駕駛員的實(shí)車試驗(yàn)，對(duì)城市道路與普通公路駕駛員眼動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，分析了眼動(dòng)參數(shù)與道路環(huán)境是否具有差異性。喬建剛等[3]研究了穿城鎮(zhèn)道路駕駛員眼動(dòng)特性，將試驗(yàn)道路分為三個(gè)不同的路段，進(jìn)而分析了駕駛員的注視特征和掃視特征。侯建利等[4]則深入研究了草原公路不同線形對(duì)車速和駕駛員視覺特性的影響，得出駕駛員行駛在長直線路段時(shí)，瞳孔直徑隨直線長度增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。商艷等[5]通過對(duì)草原公路長直線段最佳信息量閾值研究，選取眨眼持續(xù)時(shí)間、瞳孔直徑、掃視幅度3個(gè)眼動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)眼動(dòng)指標(biāo)與信息量呈U形關(guān)系。楊運(yùn)興等[6]研究了山區(qū)高速公路邊坡路段對(duì)駕駛員視點(diǎn)分布的影響，發(fā)現(xiàn)路側(cè)路塹邊坡會(huì)使駕駛員產(chǎn)生緊迫感，駕駛員重點(diǎn)注視的區(qū)域位于前方中間以及近前方。曹雪娟等[7]對(duì)城市道路駕駛員的眼動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著城市道路行駛環(huán)境越復(fù)雜，駕駛員的注視時(shí)間和掃視時(shí)間越長，對(duì)行車的負(fù)面影響就越大。CALVI等[8]通過駕駛模擬器研究了隧道對(duì)駕駛行為的影響。T.DARJA等[9]運(yùn)用眼動(dòng)追蹤技術(shù)，研究了路邊告示牌和交通標(biāo)志對(duì)駕駛員觀察性的影響。

綜上所述，目前國內(nèi)外有關(guān)駕駛員眼動(dòng)研究特點(diǎn)的研究成果大都側(cè)重于駕駛?cè)俗陨硖匦?，沒有考慮特定道路交通環(huán)境和特定地區(qū)對(duì)駕駛員眼動(dòng)特性的直接影響。本文重點(diǎn)從城鄉(xiāng)結(jié)合部道路與城市道路的環(huán)境條件不同入手，利用眼動(dòng)儀在城鄉(xiāng)結(jié)合部道路與城市道路環(huán)境下對(duì)駕駛員眼動(dòng)特征進(jìn)行研究，分析駕駛員眼動(dòng)特性在兩種道路交通環(huán)境下的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)路段

城鄉(xiāng)結(jié)合部道路選擇長清公路建國路公交站—奢嶺公交站，該道路為雙向4車道，全長10 km，該路段車流量較城市道路小，道路環(huán)境相對(duì)簡單但是車速較城市道路快，道路中間用標(biāo)線進(jìn)行分隔，行人過馬路時(shí)比較隨意，沒有秩序；城市道路為長春市北海路，該道路經(jīng)過社區(qū)、市場、超市等，交通量較大，行人和車輛造成的干擾多。城鄉(xiāng)結(jié)合部道路與城市道路的橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 長清公路橫斷面（單位：m）

圖2 北海路橫斷面（單位：m）

1.2 試驗(yàn)駕駛?cè)?/h3>

本次試驗(yàn)選了4名駕駛員，無生理缺陷、視力正?；虺C正正常，無色盲或色弱且聽力正常，駕齡在3年以上，駕駛經(jīng)驗(yàn)和身體狀況良好。

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用德國制造的DIkablis眼動(dòng)儀、D-Lab軟件、筆記本電腦一臺(tái)、普通汽車一臺(tái)等。

1.4 試驗(yàn)準(zhǔn)備及過程

1.4.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間

在晴朗的白天進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，能見度良好。

1.4.2 試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)前檢查車輛和儀器，保證能夠正常試驗(yàn)，讓駕駛員進(jìn)行眼動(dòng)儀的佩戴，然后進(jìn)行眼動(dòng)儀的校準(zhǔn)，每次試驗(yàn)要求4人參與，1名駕駛員佩戴眼動(dòng)儀，1名負(fù)責(zé)保證終端設(shè)備的正常運(yùn)行，2名負(fù)責(zé)駕駛員駕駛行為和交通狀況的記錄工作。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)所采用的眼動(dòng)儀由于在實(shí)驗(yàn)中只在頭部架設(shè)兩個(gè)檢測眼睛的攝像頭，當(dāng)駕駛員頭部轉(zhuǎn)動(dòng)較大時(shí)眼動(dòng)儀就會(huì)檢測不到眼球而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效，此外，光照強(qiáng)度會(huì)影響眼動(dòng)儀獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差甚至丟失，所以只對(duì)正常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。D-Lab眼動(dòng)儀采集的部分原始數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 眼動(dòng)儀采集的部分原始數(shù)據(jù)

2.1 注視持續(xù)時(shí)間分析

車輛在不同道路環(huán)境下行駛時(shí)，因環(huán)境的變化，駕駛員注視持續(xù)時(shí)間也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，本文通過分析注視持續(xù)時(shí)間和平均注視時(shí)間兩個(gè)眼動(dòng)參數(shù)來探究不同道路環(huán)境下駕駛員注視行為的差異性。

注視持續(xù)時(shí)間是指駕駛員注視點(diǎn)不發(fā)生變化的持續(xù)時(shí)間，反映獲取某目標(biāo)信息所用的時(shí)間和獲得信息的難度[10]。為了進(jìn)一步分析不同道路環(huán)境下駕駛員眼睛適應(yīng)情況，將駕駛員在城市道路和城鄉(xiāng)結(jié)合部道路的注視持續(xù)時(shí)間分別進(jìn)行分析，由于駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間集中在1～1 000 ms，按50 ms為分段間距得到不同道路類型的注視持續(xù)時(shí)間如圖4所示。

圖4 不同道路環(huán)境駕駛員注視持續(xù)時(shí)間

從圖4可以看出，在不同的道路上，駕駛員的注視時(shí)間分區(qū)段變化趨勢基本相同，注視持續(xù)時(shí)間在0～1 000 ms區(qū)間分布不均勻，駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間在0～200 ms之間所占比例最高，在該區(qū)段內(nèi)兩者所占的比例分別達(dá)90.96%和78.38%，而其他區(qū)段所占比例不到10%，駕駛員注視持續(xù)時(shí)間在0～100 ms與100～200 ms驟減，而在200 ms以后兩種道路上駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間基本相同。

本文取注視持續(xù)時(shí)間的均值進(jìn)行單因素方差分析，駕駛員的平均注視持續(xù)時(shí)間的均值如表1。

表1 不同道路環(huán)境下駕駛員平均注視時(shí)間 單位：ms

對(duì)不同道路環(huán)境的平均注視時(shí)間總體進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，利用S-W檢驗(yàn)法檢驗(yàn)得到概率P值，顯著性分別為0.876和0.877，不同道路環(huán)境的概率P值都大于顯著性水平0.05，不同道路環(huán)境的平均注視時(shí)間具有正態(tài)性。

（1）方差齊次性檢驗(yàn)。利用Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量和對(duì)應(yīng)的顯著性P值如表2所示。

表2 方差齊次性檢驗(yàn)

由表2可知Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量為1.209，自由度對(duì)應(yīng)的P值為0.333>0.05，所以上述數(shù)據(jù)方差相等，具有方差齊次性，符合方差分析的條件，因此可用單因素方差分析法進(jìn)行檢驗(yàn)，分析不同道路環(huán)境下對(duì)平均注視時(shí)間是否具有顯著性。

（2）單因素方差分析。不同道路環(huán)境進(jìn)行單因素方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同道路環(huán)境平均注視時(shí)間單因素方差分析

由表3可以看出檢驗(yàn)結(jié)果F=5.250，P=0.084>0.05，說明在0.05的顯著性水平下，不同道路環(huán)境對(duì)平均注視時(shí)間不存在顯著性差異。

2.2 瞳孔面積分析

瞳孔面積的大小可以反映駕駛員的緊張程度，同時(shí)也可以作為視覺信息狀態(tài)的指標(biāo)[2]。駕駛員在不同道路環(huán)境行駛過程中瞳孔面積分布如圖5所示。

圖5 不同道路環(huán)境駕駛員的瞳孔面積

由圖5可以看出，城鄉(xiāng)結(jié)合部道路環(huán)境下駕駛員的瞳孔面積主要集中在600～1 000 mm2，其中600～800 mm2占比最高，達(dá)到33%；城市道路環(huán)境占比最高的是1 000～1 200 mm2區(qū)間，達(dá)到22%。瞳孔面積在400～1 000 mm2之間時(shí)，城鄉(xiāng)結(jié)合部道路占比均明顯高于城市道路，瞳孔面積在1 000～2 000 mm2之間時(shí)，隨著瞳孔面積的增大，兩種道路環(huán)境瞳孔面積所占比例均呈下降趨勢。

本文取瞳孔面積的均值進(jìn)行單因素方差分析，駕駛員在城市道路和城鄉(xiāng)結(jié)合部道路環(huán)境下平均瞳孔面積如表4所示。

表4 不同道路環(huán)境下駕駛員平均瞳孔面積 單位：mm2

對(duì)不同道路環(huán)境的平均瞳孔面積總體進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，利用S-W檢驗(yàn)法檢驗(yàn)得到概率P值，顯著性分別為0.864和0.805，不同道路環(huán)境的概率P值都大于顯著性水平0.05，不同道路環(huán)境的平均瞳孔面積具有正態(tài)性。

（1）方差齊次性檢驗(yàn)。利用Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量和對(duì)應(yīng)的顯著性P值如表5所示。

表5 方差齊次性檢驗(yàn)

由表5可知Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量為0.520，對(duì)應(yīng)的P值為0.511>0.05，具有方差齊次性，符合方差分析的條件，因此可用單因素方差分析法進(jìn)行檢驗(yàn)，分析平均瞳孔面積在不同道路環(huán)境下是否具有顯著性。

（2）單因素方差分析。不同道路環(huán)境的單因素方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 不同道路環(huán)境平均瞳孔面積單因素方差分析

由表6可以看出檢驗(yàn)結(jié)果F=8.329，P=0.045<0.05，說明在0.05的顯著性水平下，不同道路環(huán)境對(duì)平均瞳孔面積具有顯著性差異。

2.3 掃視速度分析

本文從掃視速度和掃視平均速度兩個(gè)眼動(dòng)參數(shù)分析不同道路環(huán)境下的差異性。駕駛員在不同道路環(huán)境行駛過程中掃視速度分布如圖6所示。

圖6 不同道路環(huán)境下駕駛員掃視速度

由圖6可以看出，兩種道路環(huán)境下駕駛員掃視速度呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。其中城市道路0～30（°）/s所占比例最大，而城鄉(xiāng)結(jié)合部道路90～120（°）/s所占比例最大，分別為22.22%和19.14%，這可以說明如果在城市道路環(huán)境下駕駛員用30（°）/s的速度來搜索目標(biāo)，那么在城鄉(xiāng)結(jié)合部道路環(huán)境下駕駛員需要用120（°）/s的速度來搜索目標(biāo)。

本文取掃視速度的均值進(jìn)行單因素方差分析，駕駛員在不同道路環(huán)境下的掃視平均速度如表7所示。

表7 不同道路環(huán)境下駕駛員掃視平均速度 單位：（°）/s

對(duì)不同道路環(huán)境的掃視平均速度總體進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，利用W-S檢驗(yàn)法檢驗(yàn)得到概率P值，顯著性分別為0.228和0.278，不同道路環(huán)境的概率P值都大于顯著性水平0.05，不同道路環(huán)境的掃視平均速度具有正態(tài)性。

（1）方差齊次性檢驗(yàn)。利用Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量和對(duì)應(yīng)的顯著性P值如表8所示。

表8 方差齊次性檢驗(yàn)

由表8可知Levene法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量為0.659，對(duì)應(yīng)的P值為0.462>0.05，具有方差齊次性，符合方差分析的基本要求，因此可用單因素方差分析法進(jìn)行檢驗(yàn)，分析掃視平均速度在不同道路環(huán)境下是否具有顯著性影響。

（2）單因素方差分析。對(duì)不同道路環(huán)境進(jìn)行單因素方差分析，方差分析結(jié)果如表9所示。

表9 不同道路環(huán)境掃視平均速度單因素方差分析

由表9可以看出檢驗(yàn)結(jié)果F=8.484，P=0.044<0.05，說明在0.05的顯著性水平下，不同道路環(huán)境對(duì)掃視平均速度具有顯著性差異。

3 結(jié) 論

通過Dikablis眼動(dòng)儀獲取不同道路環(huán)境下駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間、掃視持續(xù)時(shí)間、掃視速度等眼動(dòng)參數(shù)，分析不同道路環(huán)境下駕駛員的眼動(dòng)特性，得出如下結(jié)論：

（1）駕駛員在不同道路環(huán)境下行駛時(shí)，注視持續(xù)時(shí)間變化趨勢基本相同，駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間在0～200 ms之間占比最高，分別為90.96%和78.38%，而在200 ms以后兩種道路上駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間基本相同。

（2）城市道路和城鄉(xiāng)結(jié)合部道路環(huán)境下駕駛員平均瞳孔面積有顯著差異。造成差異的原因：城市道路交通環(huán)境復(fù)雜，車流量大，駕駛員必須集中注意力搜索行車信息以保證安全；而城鄉(xiāng)結(jié)合部道路駕駛環(huán)境單一，信息量相對(duì)城市道路小，駕駛員的視覺負(fù)荷小，所以城市道路環(huán)境下駕駛員的平均瞳孔面積比城鄉(xiāng)結(jié)合部道路大。

（3）城市道路和城鄉(xiāng)結(jié)合部道路環(huán)境下駕駛員掃視速度差別較大。其中城市道路0～30（°）/s所占比例最大，而城鄉(xiāng)結(jié)合部道路90～120（°）/s所占比例最大，分別為22.22%和19.14%，這是由于相比城鄉(xiāng)結(jié)合部道路，城市道路環(huán)境交通復(fù)雜，行人和車輛較多，造成干擾信息較多，駕駛員需要用更快的掃視速度來獲取信息。