高速公路涉路拼寬施工路段駕駛員的視覺特性

李凌志 張榮昊 戚勝輝 陳偉 高建平

摘要：為研究高速公路涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)駕駛員的視覺行為特性，采用眼動儀、抬頭顯示（head-up display，HUD）等設(shè)備采集實車試驗中駕駛員通過一般路段和涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)路段的視覺參數(shù)，統(tǒng)計分析試驗路段平均瞳孔直徑變化率、單次注視持續(xù)時間和注視區(qū)域，采用回歸分析曲線擬合和突變理論確定平均瞳孔直徑變化率和注視持續(xù)時間的風(fēng)險臨界值；采用K-均值聚類算法將注視區(qū)域分為道路左側(cè)、右側(cè)近處、右側(cè)遠(yuǎn)處、道路前方。結(jié)果表明：在涉路拼寬作業(yè)區(qū)，駕駛員的平均瞳孔直徑變化率呈U型分布；駕駛員看到限速標(biāo)志時平均瞳孔直徑變化率超過風(fēng)險臨界值，之后平均瞳孔直徑變化率逐漸降至0.13；進(jìn)入上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)及工作區(qū)，平均瞳孔直徑變化率增大且維持在約0.24的較高水平；涉路拼寬作業(yè)區(qū)影響范圍為警告區(qū)前184.27 m至終止區(qū)后69.98 m；進(jìn)入工作區(qū)后注視區(qū)域整體偏右，注視區(qū)域變化趨勢為由遠(yuǎn)及近再及遠(yuǎn)，涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)警告區(qū)的限速標(biāo)志與上游過渡區(qū)交通安全設(shè)施布置對駕駛員的影響較明顯。

關(guān)鍵詞：視覺行為；平均瞳孔直徑變化率；注視持續(xù)時間；注視區(qū)域；施工路段

中圖分類號： U491;U471.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0074-08

引用格式：李凌志，張榮昊，戚勝輝，等.高速公路涉路拼寬施工路段駕駛員的視覺特性［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（2）：74-81.

LI Lingzhi， ZHANG Ronghao， QI Shenghui， et al. Visual characteristics of drivers in widened construction sections of highway intersection areas［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：74-81.

0?引言

在行車過程中，駕駛員依靠視覺獲得80%～90%的交通信息[1-2]，涉路工程或改擴(kuò)建工程改變了高速公路的通行條件，駕駛員的工作負(fù)荷增大，影響行車安全[3]。研究高速公路涉路施工對駕駛員視覺行為的影響，可為作業(yè)區(qū)安全設(shè)施布置和交通管控提供基本理論支撐。

沈一川[4]研究高速行駛狀態(tài)下駕駛員視覺特征與車輛運行特征的相關(guān)性，認(rèn)為在不同視覺環(huán)境下駕駛員保持車速的能力差異明顯；高建平等[5]基于動態(tài)聚類法和馬爾科夫鏈理論分析高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)駕駛員的注視行為，認(rèn)為駕駛員的注視點由以前方視野為中心向各注視區(qū)域間轉(zhuǎn)移，且對封閉車道一側(cè)的注視概率增大；Shang等 [6]采用模擬駕駛試驗量化不同景觀環(huán)境下不同經(jīng)驗駕駛員眼動指標(biāo)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)景觀環(huán)境的信息組合元素與眼動指標(biāo)呈U型關(guān)系， 最佳閾值為每km 4個信息組合元素；Du等[7]采用記憶檢索方法分析不同交通標(biāo)志信息密度引起的24位駕駛員的視覺工作記憶負(fù)荷，確定信息密度閾值；郭應(yīng)時等[8]研究多組駕駛員的注視特性，認(rèn)為駕駛員主要通過中間區(qū)域獲取信息，其次為右側(cè)區(qū)域，對左側(cè)區(qū)域的關(guān)注較少；高振海等[9]認(rèn)為駕駛員的視線搜索廣度隨車速的增大而減少，且對左右后視鏡的觀測概率小于低速行駛階段；張存保等[10]采用模型預(yù)測控制方法建立關(guān)聯(lián)施工區(qū)可變限速協(xié)調(diào)控制模型，有效提高車輛在施工路段的通行效率；王希平等[11]分析高速公路改擴(kuò)建施工作業(yè)區(qū)長度的影響因子，發(fā)現(xiàn)駕駛員觀察到警告和限速標(biāo)志后加大減速幅度，在上游過渡區(qū)車輛整體速度減?。挥谌式艿萚12]基于駕駛員視認(rèn)性和短時記憶方法，認(rèn)為層級限速標(biāo)志適用于交通量大且排隊長度向上游持續(xù)延伸的情況；周健等[13]通過實車眼動試驗分析注視分布、注視時間和瞳孔直徑等數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，認(rèn)為交通標(biāo)志、車輛干擾和作業(yè)活動是駕駛員駕駛行為的主要影響因素?，F(xiàn)有研究主要集中于養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)路段和改擴(kuò)建作業(yè)區(qū)路段駕駛員的眼動特征與心理特性，對涉路工程施工路段引起的駕駛員眼動特征變化規(guī)律的研究較少。

本文以浙江溫州新建金麗溫高速公路東延線與既有公路涉路拼寬施工項目為研究對象，通過實車試驗，研究涉路拼寬施工對甬臺溫高速公路駕駛員行為的影響特征，為涉路施工作業(yè)區(qū)行車路側(cè)環(huán)境保證和交通安全設(shè)施的有效設(shè)置提供指導(dǎo)。

1?試驗設(shè)計

1.1?試驗路段

金麗溫高速公路東延線全長22.047 km，東延線高架橋右幅在南白象樞紐處跨越既有甬臺溫高速，左幅在大羅山隧道前跨越甬臺溫高速公路。本項目線路共有32處涉路點對甬臺溫高速公路產(chǎn)生影響，其中18處位于匝道或主線路基邊坡，4處位于既有甬臺溫高速公路中央隔離帶，6處位于既有甬臺溫高速公路行車道上，4處為橋梁拼寬。施工作業(yè)區(qū)范圍涉及既有甬臺溫高速公路主線、部分匝道及變速車道，后續(xù)施工對甬臺溫高速公路現(xiàn)有道路行駛和樞紐交通轉(zhuǎn)換影響較大，安全風(fēng)險較大?，F(xiàn)有甬臺溫高速公路試驗路段為雙向四車道，寬24.5 m，設(shè)計速度為100 km/h，現(xiàn)狀交通量為81 496 pcu/d，六級服務(wù)水平。為保障涉路施工期間甬臺溫高速公路暢通，將現(xiàn)有的部分甬臺溫高速公路南白象樞紐-園區(qū)北路段雙向四車道路段拼寬至雙向八車道，甬臺溫公路涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)如圖1所示。

選取甬臺溫高速公路溫州東樞紐-塘下互通段為試驗路段，其中包括涉路拼寬作業(yè)區(qū)路段。涉路拼寬施工作業(yè)占用全部或部分硬路肩，施工時封閉硬路肩，在施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置水馬隔離或臨時性防護(hù)，警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)、終止區(qū)的長度分別為1 000、120、80、150、50、30 m。作業(yè)區(qū)標(biāo)志設(shè)置區(qū)域及距離如表1所示。

1.2?數(shù)據(jù)采集

以寶沃5座城市越野車為試驗車，采用非侵入式眼動儀Smart Eye5.7、抬頭顯示（head-up display，HUD）設(shè)備、電腦、電源、攝像機(jī)等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，在非節(jié)假日晴天進(jìn)行實車試驗，試驗時段為8：00—16：00，選擇16位駕齡超過5 a的駕駛員，配備1名數(shù)據(jù)采集人員。

試驗過程中，駕駛員在試驗路段內(nèi)側(cè)車道行駛，采集駕駛員行駛在一般路段和作業(yè)區(qū)路段不同位置的瞳孔直徑、注視時間；采用攝像機(jī)與HUD實時記錄車速、行車狀態(tài)和道路環(huán)境。

1.3?駕駛員眼動特征指標(biāo)選取

視覺指標(biāo)在一定程度上反映駕駛員所處行車環(huán)境及眼動行為，例如，注視持續(xù)時間及瞳孔直徑變化率反映駕駛員認(rèn)知工作的負(fù)荷和緊張程度[14-15]。根據(jù)不同指標(biāo)的意義和表征效果，選取平均瞳孔直徑變化率、注視持續(xù)時間、注視次數(shù)和注視區(qū)域分布作為駕駛員眼動特征指標(biāo)。

為客觀衡量駕駛員的行車狀態(tài)，消除駕駛員的個體差異，以瞳孔直徑變化率作為瞳孔直徑表征指標(biāo)[16-18]。以駕駛員行駛在平直路段的瞳孔直徑d0為基準(zhǔn)，瞳孔直徑變化率

EAP=1t1－t2∫t2t1dt－d0d0dt ，（1）

式中：dt為駕駛員在試驗路段行駛過程中的瞳孔直徑，mm； t1 、t2為不同行駛時刻。

駕駛員注視特性一般包括注視持續(xù)時間、注視次數(shù)和注視區(qū)域分布。在視覺搜索過程中，人眼往往注視引人注目或信息密度較高的區(qū)域，通過注視區(qū)域分布表征駕駛員的注意力分布區(qū)域；通過注視點數(shù)反映視覺區(qū)域的注意力焦點數(shù)；通過駕駛員的注視持續(xù)時間表征行車環(huán)境的信息密度和認(rèn)知難度。

2?試驗數(shù)據(jù)分析

2.1?瞳孔直徑變化

2.1.1?試驗路段平均瞳孔直徑變化率沿線分布特征

根據(jù)式（1）計算駕駛員瞳孔直徑變化率，為保證數(shù)據(jù)的有效性，剔除瞳孔直徑追蹤質(zhì)量小于0.5的數(shù)據(jù)[19-20]，由眼動儀提供追蹤質(zhì)量數(shù)據(jù)。為更清晰地顯示不同路段沿線瞳孔直徑變化率的變化趨勢，每5 s取平均瞳孔直徑變化率，如圖2所示。在作業(yè)區(qū)路段及一般路段上，分別取16位駕駛員每1 s的平均瞳孔直徑變化率進(jìn)行單因素方差分析，如圖3所示。

由圖2可知：在作業(yè)區(qū)路段，駕駛員的平均瞳孔直徑變化率比一般路段大，且分布不平穩(wěn)。原因是駕駛員進(jìn)入作業(yè)區(qū)路段后受警告標(biāo)志、限速標(biāo)志、隔離設(shè)施及其他作業(yè)車輛等影響，認(rèn)知工作負(fù)荷增大。由圖3可知：顯著性水平為0.05時，作業(yè)區(qū)路段的平均瞳孔直徑變化率與一般路段差異明顯。

2.1.2?平均瞳孔直徑變化率風(fēng)險臨界值

采用累計頻率法選定該試驗路段駕駛員平均瞳孔直徑變化率的風(fēng)險臨界值（通常大于0.20）[16-17]。對平均瞳孔直徑變化率頻數(shù)的累計占比y進(jìn)行擬合，擬合公式為：

y=y0+Aexp[-（x－xc）22w2]，

式中：x為平均瞳孔直徑變化率的區(qū)間中心；y0、A、xc、w為擬合參數(shù)，y0=1.003 9，A=－1.041 6，xc=－0.050 5，w=0.120 7。

曲線擬合優(yōu)度R2=0.98，以此選定駕駛員在試驗路段的平均瞳孔直徑變化率EAP的風(fēng)險臨界值，試驗路段平均瞳孔直徑變化率累計頻率占比如圖4所示。由圖4可知，駕駛員在試驗路段的平均瞳孔直徑變化率集中于0～0.22。根據(jù)突變理論，平均瞳孔直徑變化率超過0.22的累計頻率占比上升趨勢明顯減緩，平均瞳孔直徑變化率為0.22對應(yīng)累計頻率占比為0.926 8。平均瞳孔直徑變化率累計頻率占比擬合函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)如圖5所示。經(jīng)計算可知：平均瞳孔直徑變化率累計頻率擬合函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)在EAP=0.22變化趨緩，與平均瞳孔直徑變化率累計頻率占比曲線對應(yīng)參數(shù)一致。因此，根據(jù)圖4、5將0.22作為平均瞳孔直徑變化率的風(fēng)險臨界值。

2.1.3?作業(yè)區(qū)路段平均瞳孔直徑變化率

根據(jù)平均瞳孔直徑變化率的風(fēng)險臨界值，計算得到試驗路段風(fēng)險點的平均時間間隔為12.14 s，以此為風(fēng)險臨界值劃分風(fēng)險路段，可知在作業(yè)區(qū)路段前、后駕駛員瞳孔直徑變化波動最大，根據(jù)車速確定對應(yīng)位置信息，如表2所示。

由表2可知：16位駕駛員開始進(jìn)入相對緊張狀態(tài)的平均距離是在到達(dá)警告區(qū)起點前184.27 m，施工預(yù)告標(biāo)志、限速標(biāo)志等給駕駛員造成視覺和心理上的沖擊；離開終止區(qū)終點69.98 m后，駕駛員心理指標(biāo)恢復(fù)至正常水平。

在作業(yè)區(qū)路段及前后影響區(qū)間內(nèi)，駕駛員的平均瞳孔直徑變化率分布如圖6所示。由圖6可知：在上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)及工作區(qū)的多個位置，駕駛員的平均瞳孔直徑變化率超過臨界值0.22，維持在約0.24的較高水平，原因是駕駛員需判斷安全設(shè)施布置、相鄰車道車輛行為、橫向位置判斷、車速控制等，工作負(fù)荷較大。為方便統(tǒng)計，每5 s取16位駕駛員的平均瞳孔直徑變化率進(jìn)行多項式擬合，在作業(yè)區(qū)路段駕駛員平均瞳孔直徑變化率數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖7所示。由圖7可知，作業(yè)區(qū)內(nèi)駕駛員平均瞳孔直徑變化率擬合曲線呈U型。駕駛員在警告區(qū)起始區(qū)域平均瞳孔直徑變化率較高，預(yù)覽作業(yè)區(qū)并掌握工作區(qū)的位置等相應(yīng)信息后，平均瞳孔直徑變化率逐漸降至約0.13；看到限速60 km/h標(biāo)志，進(jìn)入上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)及工作區(qū)時，駕駛員需處理的交通信息增多，工作負(fù)荷增大，平均瞳孔直徑變化率再次增大。

2.2?注視行為特征分析

2.2.1?單次注視持續(xù)時間分析

通過四分位法篩選試驗路段單次注視時間較長的點作為風(fēng)險臨界值，如圖8所示。由圖8可知，單次注視時間的風(fēng)險臨界值為466.667 ms。

以風(fēng)險點平均間隔8 s作為單次注視時間異常路段的閾值，單次注視持續(xù)時間異常路段如表3所示。由表3可知：駕駛員在到達(dá)警告區(qū)起點前173.35 m，至駕駛員在終止區(qū)路段后約48.69 m的行駛過程中，需更多的注視持續(xù)時間識別和應(yīng)對增加的交通信息。

作業(yè)區(qū)路段駕駛員單次注視持續(xù)時間分布如圖9所示。由圖9可知：作業(yè)區(qū)路段存在多處單次注視時間大于466.7 ms的風(fēng)險點，表明駕駛員在該路段行駛時需用更多的注視時間處理增加的交通信息。

警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)的最大單次注視持續(xù)時間分別為750.00、466.67、366.67、366.67、383.33 ms，平均單次注視持續(xù)時間分別為223.15、299.33、189.08、174.17、161.19 ms。在作業(yè)區(qū)路段行駛過程中，上游過渡區(qū)的平均單次注視持續(xù)時間比其他區(qū)段長，其次是警告區(qū)；警告區(qū)中的限速標(biāo)志對單次注視持續(xù)時間影響最明顯；上游過渡區(qū)的最大單次注視持續(xù)時間達(dá)到臨界值，表明在警告區(qū)和上游過渡區(qū)，駕駛員處理交通信息度難度較大。

2.2.2?注視區(qū)域分析

采用K-均值聚類分析法[21]劃分駕駛員的注視區(qū)域，用歐式距離計算第i個樣本點xi距第j個聚類中心的距離

d（x，y）=?∑ni=1（xi－yi）2，

式中n為聚類中心樣本數(shù)。

將作業(yè)區(qū)路段注視區(qū)域分別劃分為3、4、5、6個聚類簇，通過分析可知，4個聚類簇更接近在涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)路段駕駛員的實際行車注視區(qū)域分布。將駕駛員的行車注視區(qū)域劃分為道路左側(cè)、右側(cè)近處、右側(cè)遠(yuǎn)處、道路前方，作業(yè)區(qū)路段注視區(qū)域分布如圖10所示。由圖10可知：駕駛員注視區(qū)域有較明顯的簇集現(xiàn)象，道路前方和右側(cè)遠(yuǎn)處區(qū)域尤其明顯；大部分駕駛員注視區(qū)域靠近視點縱坐標(biāo)為0的位置且整體偏右，原因是在作業(yè)路段行駛更需關(guān)注施工設(shè)施、隔離設(shè)施、路側(cè)標(biāo)志等對右側(cè)車道車輛行為的影響。

16位駕駛員在一般路段上對道路左側(cè)、道路前方、右側(cè)遠(yuǎn)處、右側(cè)近處的平均注視區(qū)域占比分別為6.1%、57.3%、32.1%、4.5%，在作業(yè)區(qū)路段分別為11.9%、40.7%、41.7%、6.6%。在一般路段到作業(yè)區(qū)路段行駛過程中，駕駛員的主要注意力由道路前方區(qū)域過渡到右側(cè)遠(yuǎn)處區(qū)域。

用K-均值聚類法分析作業(yè)區(qū)不同區(qū)段駕駛員注視區(qū)域分布占比，如表4所示。

由表4可知：進(jìn)入作業(yè)區(qū)路段，駕駛員的注視區(qū)域分布由遠(yuǎn)及近再遠(yuǎn)；在警告區(qū)，駕駛員約47%的注意力集中在右側(cè)遠(yuǎn)處，上游過渡區(qū)約42%的注意力集中在右側(cè)近處，緩沖區(qū)和工作區(qū)對右側(cè)近處注視占比均較大，分別為49%、45%，下游過渡區(qū)及終止區(qū)對右側(cè)近處注視占比降至24%，注視中心轉(zhuǎn)移至道路前方和右側(cè)遠(yuǎn)處。

3?結(jié)論

研究高速公路涉路施工對駕駛員視覺行為的影響，為施工路段交通安全設(shè)施設(shè)置提供參考，選取平均瞳孔直徑變化率、單次注視持續(xù)時間和注視區(qū)域分布作為駕駛員眼動特征指標(biāo)。

平均瞳孔直徑變化率的風(fēng)險臨界值為0.22，涉路拼寬作業(yè)區(qū)警告區(qū)前184.27 m到終止區(qū)后69.98 m內(nèi)駕駛員瞳孔直徑變化較大；涉路拼寬作業(yè)區(qū)路段駕駛員平均瞳孔直徑變化率曲線呈U型，在警告區(qū)內(nèi)起始位置附近超過風(fēng)險臨界值后，平均瞳孔直徑變化率逐漸降至約為0.13，上游過渡區(qū)前平均瞳孔直徑變化率增大，緩沖區(qū)及工作區(qū)平均瞳孔直徑變化率約為0.24。

最大單次注視持續(xù)時間出現(xiàn)在警告區(qū)，在警告區(qū)和上游過渡區(qū)駕駛員的平均注視持續(xù)時間較長，存在超過注視風(fēng)險臨界閾值的單次注視點；駕駛員在涉路拼寬施工作業(yè)區(qū)行駛更需關(guān)注路側(cè)標(biāo)志、隔離設(shè)施及右側(cè)車道車輛換道行為等，視點分布整體偏右。警告區(qū)和上游過渡區(qū)的限速標(biāo)志與渠化設(shè)施對駕駛員處理交通信息的影響較大。在警告區(qū)，駕駛員的主要注意力集中在右側(cè)遠(yuǎn)處，上游過渡區(qū)注視中心為右側(cè)近處，緩沖區(qū)和工作區(qū)對右側(cè)近處注視占比增大，在下游過渡區(qū)及終止區(qū)，注視中心轉(zhuǎn)至道路前方和右側(cè)遠(yuǎn)處，注視區(qū)域變化為由遠(yuǎn)及近再遠(yuǎn)。

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Visual characteristics of drivers in widened construction sections of

highway intersection areas

LI Lingzhi1， ZHANG Ronghao2*， QI Shenghui3， CHEN Wei1， GAO Jianping2

1. Wenzhou Jinliwen Expressway East Extension Co.， Ltd.， Wenzhou 325000， China;

2. School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China;

3. Wenzhou Traffic Engineering Management Center， Wenzhou 325699， China

Abstract：To study the visual behavior characteristics of drivers in the lane-widening construction zone on highways， eye trackers， head-up displays （HUD）， and other devices are used to collect visual parameters of drivers passing through regular road segments and lane-widening construction zones in real vehicle tests. Statistical analysis is conducted on the average pupil diameter change rate， duration of single gaze， and gaze area in the test segments. Regression analysis curve fitting and sudden change theory are used to determine the risk threshold values of the average pupil diameter change rate and gaze duration. Using the K-means clustering algorithm， the gaze areas are classified into left side of the road， near right side， far right side， and road ahead. The results show that in the lane-widening construction zone， the average pupil diameter change rate of drivers follows a U-shaped distribution. When drivers see speed limit signs， the average pupil diameter change rate exceeds the risk threshold value， and then gradually decreases to 0.13. Upon entering the upstream transition zone， buffer zone， and work zone， the average pupil diameter change rate increases and remains at a relatively high level of about 0.24. The impact range of the lane-widening construction zone is from 184.27 m before the warning area to 69.98 m after the termination zone. After entering the work zone， the overall gaze area skews to the right， and the gaze area trend shifts from far to near and back to far. The placement of speed limit signs in the warning area and traffic safety facilities in the upstream transition zone of the lane-widening construction zone have a significant impact on drivers.

Keywords：visual behavior characteristics; average pupil diameter change rate; duration of single gaze; gaze area； construction section

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-01-09

基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2021065）；四川省交通運輸科技項目（2022-A-1）；重慶市研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)項目（JDLHPYJD2018005）

第一作者簡介：李凌志（1981—），男，浙江溫州人，高級工程師，主要研究方向為土木工程建設(shè)與管理、路面裂縫檢測，E-mail：328450789@qq.com。

*通信作者簡介：張榮昊（1996—），男，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為交通運輸，E-mail：913035548@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.011