城市隧道驾驶人注视特征分析＊

卓艳冲 邵 飞 郭唐仪

（1.中国人民解放军理工大学野战工程学院 南京 210008；2.南京理工大学自动化学院 南京 210094）

隧道是城市道路系统中的的重要结构物，在城市道路中占的比例越来越高。城市隧道完善了城市道路系统，缩短了行程距离，车速较快，可保证车辆畅通持续的行驶，并且受雨、雪、冰雹等恶劣自然天气的影响较小，给城市的交通运输及经济的发展做出了巨大的贡献。但是由于其复杂的地下交通环境和相对特殊的建筑结构，城市隧道已经成为城市道路系统中交通事故的的多发地点，并且与地上道路相比，隧道内的交通事故对道路交通系统的破坏更大。公路隧道交通事故的形态主要以追尾、火灾、侧翻、正面碰撞、碰撞隧道壁、翻坠事故为主，其中追尾事故最多，占总数的43%，连环追尾占追尾事故的29.5%［1］。因为隧道环境的特殊性，火灾事故的损失尤为突出，火灾发生后扑救困难，容易造成重大的人员和物质损失［2－4］。

在“人－车－路－环境”组成的交通系统中，由于人的因素而造成的交通事故占总交通事故的90%［5］。驾驶人在行车的过程中是1个信息的获取与处理的过程。根据统计分析，在行车过程中各种感觉器官给驾驶人提供交通信息的比例如下：视觉80%，听觉10%，触觉2%，味觉2%，嗅觉2%［6］。因此视觉是驾驶人获取信息的主要途径，并且在获取的视觉信息中95%的是动态视觉信息［7］。由于隧道内外光照的差异性，驾驶人在进入隧道时存在“黑洞效应”，离开隧道时存在“白洞效应”，这将对驾驶人视觉信息的获取与处理产生影响，因此驾驶人在进出隧道时视觉的不适应是造成城市隧道交通事故的主要原因。

关于驾驶人的眼动行为已经有很多学者进行了研究。冯忠祥等［8］进行了高速公路广告牌与驾驶人的视觉影响研究，得到了广告牌的最佳距离及内容形式。杜志刚等［9］对驾驶人的瞳孔面积与隧道进出口的照度进行了研究，得到瞳孔面积的临界变化速度在－6～4 mm2／s之间。P.Konstantopoulos等［10］对如何确定最小注视时间进行了研究，认为最小注视时间为200 ms。姚裔虎等［11］对城市隧道驾驶人的视力角进行了分析，得出了注视点分布的一般特征，并建立了城市隧道标志视认模型。叶晓林等［12］探讨了模拟驾驶过程中视觉和听觉认知负荷对驾驶行为的影响，得出认知负荷影响驾驶行为，特别是影响了对驾驶情境中危险事件的觉知。但以前对于驾驶人眼动行为的研究主要集中在公路隧道，特别是高速公路隧道，对城市隧道的研究较少。笔者通过实车实验，获取驾驶人在南京市7 条典型隧道中行车时的眼动数据，通过对采集数据的分析得到驾驶人在城市隧道中行车的注视行为特征。

1 隧道实验

1.1 实验设计

实验选取具有不同的年龄、职业、驾龄的被试驾驶人8名，要求驾驶人具有良好的视力，不戴眼镜。其中既有驾龄为2年的新手驾驶人，也有驾龄为10年以上的熟练驾驶人。除此之外还要求每名驾驶人具有良好的驾驶习惯，且无生理缺陷和重、特大事故经历。实验采用瑞典Tobii公司的Tobii Glasses眼动议记录驾驶人在行车过程中的眼动数据。考虑到家用轿车是城市道路交通中的主体车辆，且都是7座以下的，因此选择与此类车型机动特性及外廓尺寸相似的别克凯越作为本次实验的车辆。

选取南京市鼓楼隧道、富贵山隧道和通济门、西安门、九华山、玄武湖、模范马路隧道群进行实验，各隧道的特点见表1。

表1 实验隧道数据Tab.1 Experimental tunnel data

1.2 实验方案及过程

车内除了驾驶人外共有3名实验人员。其中2名分别负责监测眼动仪和心电仪的数据采集，另外1名人员进行同步时间，隧道分段和异常事件的记录。

实验之前先将Tobii眼动仪的IR－Marker按照3排5 列的矩阵均匀的固定在前挡风玻璃上，IR－Marker的分布图见图1。由于驾驶人在驾车时坐在车辆的左面，因此IR－Marker整体偏左。为了使眼动仪在实验中能更好的捕捉到驾驶人的眼球，利用楔形泡沫来抵消前挡风玻璃的倾斜角度，使每1个IR－Marker都正对驾驶人。

图1 IR－Markers分布图Fig.1 The diagram of IR－Markers distribution

实验之前先对驾驶人进行眼动仪的校正，以保证实验过程中可以获得质量较高的眼动数据。然后利用心电仪对驾驶人进行5min静止状态下心电数据的采集。驾驶人按照实验路线在实验隧道中往返3次，眼动仪与心电仪进行眼动数据与心电数据的采集。实验过程中关闭车内的音响设备，减少人员之间的交流，以免对实验设备及驾驶人的行车造成影响。实验结束后将眼动仪记录的数据导入Tobii Studio软件进行分析。实验过程的部分图片见图2。

图2 实验过程图Fig.2 The diagram of experimental process

2 数据分析

2.1 区域的划分

根据实验的观察可知，在车辆在通过隧道的过程中，有95.6%的时间驾驶人的头部是面向正前方的，因此我们可以将所有注视点投射在1张驾驶人正前方的图片上进行数据分析。将图片在水平方向和竖直方向进行3等分，得到9个区域，见图3。其中中部区域对应道路的中远处，以及远处道路2边的设施；左中区域对应左侧前方相邻的车道或隧道壁；右中区域对应右侧前方相邻的车道或隧道壁；左下区域对应左后视镜及车辆左边的道路；右下区域代表右后视镜及车辆右边的道路；中下区域对应道路的近前方和车内的仪表；左上、中上、右上区域对应隧道内的标志和灯光区。

图3 注视区域的划分Fig.3 The division of watching region

2.2 注视点数目

注视点反应的是一段时间内人所注意的焦点。在视觉的收索过程中注视点的数目反映的是观察者所需要处理信息的数目，而与所处理信息的深度没有关系。区域中注视点个数是衡量搜索效率的1个指标，也是区域重要性的衡量指标，区域越重要，注视频次越多［13］。

本次实验分别在自由流和非自由流状态下进行，由于实验的隧道不同，实验时的车速不同，导致不同驾驶人在同一区域中的注视点数目不具有可比性。在数据处理时我们将驾驶人在1个区域中的注视点数目占注视点总数的百分比作为该区域的重要程度。图4为在自由流和非自由流状态下驾驶人通过隧道时注视点热点图。

图4 注视热点图Fig.4 The hot point diagram of watching

热点包含透明的背景以及被试注视点或时间较多的区域，热点图的创建可以按注视点数目、绝对注视时间或相对注视时间3种方式进行创建。图4是按注视点数目进行创建的，颜色越深的地方代表注视点数目越多，颜色越浅的地方注视点数目越少。由图4可是在自由流状态下，注视点主要集中在中部区域和中下区域，在非自由流状态下，注视点集中区域上移，并向左、右2边扩散。对9个区域的注视点数目进行统计得注视点分布图，见图5。

图5 注视点分布图Fig.5 The distribution diagram of watching points

由图5可见，在自由流状态下，中部区域与中下区域的注视点数目分别占注视点总数的65%、22%，其余7个区域仅占注视点总数的13%。在非自由流状态下注视点的分布较为均匀，中部区域注视点仍然分布最多，但比例已经下降到了35.2%，右中、中上、左上区域注视点数目大幅度增加，右上、左中区域也有所增加，中下区域注视点数目大幅度下降。在自由流状态下，驾驶人关注的信息多为静态目标，主要为前方的路面，受外界的干扰较少，因此注视点集中且偏下。在非自由流状态下，环境相对较为复杂，由于前方和左右车辆的干扰，驾驶人增加了对前面车辆和左右两侧环境的观察，减少了对前方道路的关注，因此注视点出现了上移和左右扩散的现象。

2.3 访问时间

访问时间并不是注视持续时间，它是人们在某一区域注视时间的总长度。该长度的计算方法为：区域内每个注视点持续时间与每两点之间眼跳时间之和。总访问时间是1个区域信息量的多少及信息处理难易程度的综合体现。从8名驾驶人中选出6 名在自由流状态下通过隧道的驾驶人，隧道的入口为进入隧道前100m 到进入隧道后100m，隧道的出口为出隧道前100m 到出隧道后100m，以50m 为间隔求出驾驶人在每个区域总访问时间所占的百分比，最后再求平均值，所得结果如图6所示，负值表示在隧道内部，正值表示在隧道外部。

图6 隧道进出口总访问时间分布图Fig.6 The time distribution diagram of tunnel import and export total access

从图6可以看出，对于隧道出口与入口，中部区域的总访问时间曲线一直在其余曲线的上方。在隧道入口阶段，中部区域在进入隧道前总访问时间基本保持不变，进入隧道后总访问时间先增加后减少；中下区域总访问时间开始保持不变，进入隧道后增加；左中、右中区域进入隧道前总访问时间增加，进入隧道后先减小后保持不变；左下区域的总访问时间持续减少；其余区域的总访问时间一直都占有很少的比例。在隧道的出口阶段，中部区域总访问时间急剧减小；中下区域总访问时间变化趋势与中部区域相反，急剧增加，最后超过中部区域；左中区域与左下区域的变化趋势刚好相反，总访问时间上下波动；右中、右下区域总访问时间开始保持稳定，驶出隧道后开始增加；其余区域的总访问时间一直占有很少的比例。在隧道的入口阶段，进入隧道前左中区域和右中区域的总访问时间变长，主要原因是驾驶人在进入隧道前增加了对隧道入口信息的采集与处理，以便车辆可以安全的进入隧道；在隧道内是禁止变道的，导致有些驾驶人在进入隧道之前进行超车，虽然实验是在自由流状态下进行的，但被试驾驶人出于自身安全考虑，进入隧道前仍然会习惯的观察车辆的左侧环境和左后视镜，导致了左下区域总访问时间在进入隧道前较长；进入隧道后驾驶人对车内仪表和近前方道路的注视增加，因此在隧道的入口阶段驾驶人除了对中部区域的观察外，进入隧道前还将精力放在左中、左下和右中区域，进入隧道后增加了对中下区域的关注。在隧道的出口阶段，在驶出隧道后，中下区域的总访问时间比例超过了中部区域的总访问时间，说明在自由流状态下驾驶人出隧道后更倾向于观察近前方的道路来保证行车的安全。

3 结束语

通过城市隧道的实车实验，获得了驾驶人的眼动数据，主要结论有：

1）在自由流状态下，驾驶人的注视点主要集中在车辆中远处的道路。

2）在非自由流状态下，驾驶人的注视点分布会出现上移和左右扩散的现象。

3）自由流状态下，在隧道的入口阶段驾驶人除了对中部区域的观察外，进入隧道前还将精力放在左中、左下和右中区域，进入隧道后增加了对中下区域的关注。

4）自由流状态下，在隧道的出口阶段驾驶人在中部区域与中下区域的总访问时间变化剧烈，且趋势相反；出隧道后驾驶人更倾向于观察近前方的道路来保证行车的安全。

在今后的实验中还需做到眼动仪与心电仪的时间同步，将眼动数据与心电数据相结合进行分析，同时考虑到隧道内的光照条件及隧道几何对驾驶人的影响，最后对城市隧道提出一些改善措施，保证驾驶人的安全行车。

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