山区高速公路弯道路段驾驶员视点分布特征研究

2015-03-07周智海杨运兴

合肥工业大学学报（自然科学版） 2015年5期

陈芳，周智海，杨运兴

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400074；2.重庆市勘测院，重庆 400020；3.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆400020；4.中国城市建设研究院有限公司湖北分院，湖北武汉 430000）

山区高速公路沿线地形地貌复杂、弯道较多。统计分析多年的交通事故数据发现，弯道一直是交通事故多发点，事故率远高于平直路段事故率。通过研究驾驶员在弯道路段行驶时的眼动规律，掌握驾驶员视觉感兴趣区域和心理特征，并在此基础上采用合理的设计手法改善行车视觉环境，可提高道路交通安全。因此，采集驾驶员的眼动数据，研究在不同转向和弯道半径下驾驶员的视点分布规律，具有重要意义。

国内的眼动研究，始于20世纪80年代，最早是钱学森提出的“人－机－环境系统工程学”（MMESE）［1］；随后，国内许多高校都建立了重点实验室，如长安大学的交通部“人－车－环境系统安全”重点实验室、西南交通大学的“人机工程及交通运输安全技术开发中心”等，并取得了一些成果。然而，这些研究多关注眼动在语言学、广告学、心理学及医学应用等方面。

近几年，驾驶员视觉特性及眼动行为的研究，受到越来越多的学者及研究人员的重视，并被逐渐引入交通领域，但这些研究普遍针对道路线形的适宜性评价［2－4］、驾驶员心理负荷评价［5］、驾驶员疲劳驾驶检测［6］、交通安全设施的合理设置等方面，而将动态视觉特征及眼动行为理论应用于视点分布的相关研究较少。

道路条件和路域环境的变化会引起驾驶员眼球运动的变化，通过眼动仪记录眼球运动数据，可分析得到驾驶员的心理状态和感兴趣区域。因此，本文在山区高速公路弯道路段进行实车试验，分析驾驶员行驶在山区高速公路弯道路段时的心理状态及视点分布规律，进而得到弯道转向、半径大小对驾驶员眼动行为的影响规律。

1 指标选取

结合Smart－eye Pro眼动仪所能采集的眼动参数，本文选择驾驶员瞳孔直径来评价驾驶员在行驶过程中的心理状态，X、Y视角和注视点分布表征驾驶员的感兴趣区域。

（1）瞳孔直径。瞳孔尺寸大小能够测量被试者工作负荷变化的敏感指标高低，当被试者努力去看一个目标时，瞳孔尺寸会增大。当心理负荷较大时，瞳孔直径增加的幅度也较大。由于光线对瞳孔直径影响较大，在后期数据处理时，仅筛选出光线强度基本相同的眼动数据，保证结果的科学性。

（2）X、Y视角。X、Y视角这2个参数分别描述被试者在注视某个目标时，眼球相对于头部在水平和垂直方向转动的角度，反映了被试者的空间注意力所在以及注意力分配情况。

（3）注视点分布。注视点就是对某物体的持续注视，反映的是一段时间内人所注意的空间位置。通过注视次数百分数、注视时间百分比、平均注视时间3个参数来衡量。

2 注视区域划分

注视区域划分的方法主要有3种：视野平面法、录像回放法和动态聚类法［7］。通过比较各种注视区域划分方法的优缺点，结合本试验的研究目的、数据处理的可行性及方便性，本文最终选择将行车过程中驾驶员的视野分为7个区域，如图1所示。

根据视点的X视角，水平方向主要分为左侧、右侧和前方3部分。根据Y视角，将左侧划分为左侧近处区域、左侧远处区域；将右侧划分为右侧近处区域、右侧远处区域；将前方划分为前方近处、前方中央和前方远处区域，划分结果见表1所列。各注视区域的平面示意图如图2所示。

图1 注视区域划分示意图

表1 试验分析的注视区域划分

图2 试验注视区域的划分

3 试验前期策划

3.1 试验路段和天气

选取兰州至海口高速公路重庆至遵义段为试验路段。该路段位于贵州高原黔北山地与四川盆地南部的衔接地段，属于山岭区，沿线地形、地质极为复杂。道路线形急弯与陡坡组合，桥隧比例大，具有典型的山区高速公路特征。试验往返测试2次，2d完成，天气均为阴天。

3.2 试验人员与车速

选择1名技术娴熟、生理及心理素质较好、无明显驾驶偏好、无重大事故经历的驾驶员作为研究对象，该驾驶员年龄35岁，视力良好并且精神状态较好，有12a驾龄，对试验路段较熟悉。

试验过程中，驾驶人在不被告知试验目的的情况下，除道路要求的限速条件外，依据其经验、习惯及道路交通状况自由驾驶。统计发现，驾驶员大部分时间都在左侧车道行驶，而车速大多位于90～110km／h之间。

3.3 试验车辆与仪器

试验车辆为上海通用别克商务车，性能良好，能完成实验要求。驾驶员对该车车况比较熟悉。

本次试验使用的主要仪器包括：

（1）Smart Eye Pro 5.7型非侵入式眼动仪。记录行驶过程中驾驶员的视觉信息，如瞳孔直径大小、视角、注视次数、注视时间等。

（2）Garmin Oregon 550型GPS手持机。记录车辆实时运行速度、行驶轨迹、行驶速度、海拔高程等数据。

（3）摄像机。记录高速公路行驶的全过程，以便数据处理时回放分析。

（4）照度计。实时记录路段外部环境的照度信息。

（5）其他工具。蓄电池、逆变电源、皮尺、电脑、秒表、相机等设备。

3.4 试验数据客观性保证

试验中可能产生的偏差包括仪器产生的误差和外界环境影响产生的偏差［8］。仪器产生的误差主要为车辆行驶过程中，由于颠簸造成镜头松动影响眼部追踪效果。减小误差的措施如下：试验前及试验中，及时校准眼动仪的精度；试验过程中，密切监视仪器的状态及数据的波动范围，发现异常及时停车修正。

为避免外界环境干扰、保证试验数据的可靠性，对每个弯道路段连续不间断测试，同时，利用GPS手持机记录车辆的行驶速度和运行轨迹，用摄像机进行全程摄像以便数据处理时回放分析，并用照度计实时记录外部环境照度数据。此外，安排专人记录行驶过程中车道选择以及突发状况等，方便核对。

在进行室内分析时，通过对光照强度、异常车速、车道变换、突发状况等条件进行数据筛选，剔除额外因素的影响，从而保证试验结论的可信度。筛选出光照强度一致、基本匀速行驶、平均车速90～100km／h、左侧车道行驶、无突发状况发生条件下的眼动数据。

4 试验数据分析

为尽量避免不同外在条件对驾驶员视点分布的干扰，分析时只选用开敞空间条件下的3种不同转向、不同转弯半径（分别为R＝350m、R＝700m、R＝1 300m）的弯道段的眼动数据进行对比。

4.1 瞳孔直径变化和视角分布特征分析

将驾驶员在3种半径左、右转弯段行驶时的瞳孔直径进行基本描述性统计，结果见表2所列。

表2 弯道段驾驶员瞳孔直径统计 mm

为使数据结果更为直观，将驾驶员瞳孔直径2～4mm段的数据以0.1为区段长度进行分段统计，结果如图3所示。

由于所处光照强度基本相同，瞳孔大小的变化主要反映驾驶员心理状态的变化。由表2、图3可知，驾驶员在弯道段的瞳孔直径随着半径的增大逐渐减小，意味着心理压力也逐渐减小。而比较各弯道的均值和标准差可以看出，同等半径条件下，左转弯的驾驶员瞳孔直径均值和标准差要大于右转弯的均值和标准差，这说明在左转弯条件下，驾驶员的瞳孔直径分布相对不均匀，波动幅度较大，即在左转弯条件下，无论是心理压力还是驾驶员心理起伏都要比右转弯大。

利用AutoCAD画出3种半径条件下左转弯道和右转弯道的驾驶员注视点总体分布图，如图4所示。

图3 左、右转向3种半径驾驶员瞳孔直径分区段统计

图4 左、右转弯3种半径下驾驶员视点总体分布图

从图4中可以看出，不同转向、不同转弯半径的各弯道的视点分布存在差异，虽然大多分布于视野中间位置，但分布形态各不相同；无论是左转弯还是右转弯，小半径弯道的视点偏向弯道内侧，大半径弯道的视点分布较分散；此外，弯道半径越小，视点分布区域就越小且集中，弯道半径越大，视点分布区域就越大且分散。

为定量分析不同弯道的X、Y视角差异，将驾驶员在3种半径条件下弯道段行驶时的X、Y视角进行基本的描述性统计，结果见表3所列。

将3种半径条件下弯道段驾驶员的X、Y视角进行分区段统计，结果如图5、图6所示。

由图5和图6可以看出，3种半径条件下弯道段的X、Y视角均呈现在中心区域集中、频次较高，而两侧区域逐渐减少的趋势。左转弯道的X视角主要分布于－10°～5°之间，且半径R＝350m的弯道主要分布在－10°～0°之间，即左转弯道的水平注意力集中在中间偏左；右转弯道的X视角主要分布于－5°～10°之间，表示右转弯道的水平注意力集中在中间偏右。通过表3还可以发现，随着弯道半径的减小，左转弯X视角越小，右转弯X视角越大，即驾驶员水平注意力逐渐偏向弯道内侧方向。不同转向、不同半径的弯道段Y视角都主要分布于－10°～0°之间，即弯道段的垂直注意力集中在正中偏下；此外，左转弯的Y视角在－10°～0°范围内表现出转弯半径越小，Y视角越小，即表明视线越偏向近处的特点，而右转弯Y视角无明显规律。

表3 弯道段驾驶员X、Y视角统计（°）

图5 3种半径左、右转弯道段驾驶员X视角分布

图6 3种半径左、右转弯道段驾驶员Y视角分布

以上分析表明，行驶在山区高速公路上，驾驶员在通过转弯路段时，会较多地注视转弯方向相同一侧的路面、护栏及道路隔离带。显然，这时注视点水平方向是受到弯道转向影响的，而且弯道半径越小，驾驶员视线受到阻挡越厉害；为了及时了解弯道“后侧”路况，驾驶员视线便跟随道路延伸方向发生变化，道路转弯半径越小，注视点越偏向转弯方向一侧。垂直方向驾驶员则较多地关注道路前方较近处的情况，与弯道转弯半径关联不大，分布较为分散。

4.2 视点分布区域分析

对驾驶员在3种半径条件下弯道段感兴趣区域的注视次数百分比、注视时间百分比以及平均注视时间进行统计，结果如图7所示。

图7 3种半径弯道段驾驶员各感兴趣区域的注视次数百分比、注视时间百分比和平均注视时间

从图7可以看出，在3种半径的弯道段，驾驶员在各个感兴趣区域上的注视次数百分比和注视时间百分比的分布规律各不相同，但无论是左转弯还是右转弯，在前方中间区域上的注视次数百分比和注视时间百分比都明显高于其他区域；在转弯半径R＝350m的左转弯道段，驾驶员左侧区域注视时间和注视次数比R＝700m和R＝1 300m的弯道明显要多；右转弯道则是半径越小，右侧注视次数和注视时间越多；而从平均注视时间上看，左转弯差异不明显，右转弯则呈现R＝350m的弯道右侧远处的注视时间明显比其他半径的长，表示右转小半径弯道驾驶员关注于右侧远处区域的次数少但时间长。

综上所述，可知不同转向、不同半径的弯道段内驾驶员注意力都集中于前方中间区域，且随着半径减小弯道内侧区域注意力逐渐增加，右转弯比左转弯趋势更明显。