不同行驶环境下驾驶人视觉特性研究

商艳 陈华

摘要：为研究驾驶人在不同行驶环境中的视觉特性，开展了室内草原公路模拟驾驶实验。采用专家调查法和层次分析法确定了5种交通标志的权重，按权重大小构建了A-E 5类行驶环境。本文研究了不同行驶环境下驾驶人眨眼时间等4个眼动敏感指标的变化规律。

关键词：草原公路;驾驶人;视觉特性;权重;行驶环境

0  引言

駕驶人行车过程中，80%以上的道路交通信息是依靠视觉获得的，道路视觉环境对驾驶员的视觉决策有很大影响[1]。交通标志是道路视觉环境重要的组成部分，是影响驾驶员安全行车的关键因素。不同的交通标志在传递信息的过程中重要性不同，驾驶人获得的有效信息也各有差异。因此，研究不同权重交通标志构建的行驶环境，对提升道路行车安全具有重要的现实意义。

国内外针对交通标志行驶环境对驾驶人视觉特性的影响取得了一定的成果。张贵满对草原公路平曲线标志牌信息对驾驶员视觉特性的影响进行了研究，认为线形诱导标志和警告标志对驾驶员的刺激相对适宜，能起到有效的提示作用[2]。张程程指出草原公路曲线路段指示标志对驾驶员脑电信号有显著的影响[3]。Jose Luis Vilchez通过驾驶模拟实验研究了驾驶人对交通标志的理解及交通标志如何影响驾驶员的决定和运动行为[4，5]。Yung-Ching Sigal Kaplan等指出交通标志信息量的多少对驾驶员的视觉搜索绩效有重要的影响，交通安全与驾驶员对交通标志的识认程度和驾驶员的个性特征有直接关系[6]。

综上，交通标志的研究主要集中于交通标志的信息量阈值、视认性、设置等方面的研究，针对不同权重交通标志构建的行驶环境及其下的不同特征驾驶人（不同性别）视觉特性研究较少。本文基于室内模拟驾驶实验，开展不同权重交通标志构建环境下驾驶人视觉特性研究，以期为改善草原公路行车安全和优化草原公路行车环境提供科学依据和理论支撑。

1  实验设计

1.1 实验设备及被试

实验采用法国雷诺六自由度实车模拟驾驶仪，采用iView X（HED）眼动仪及配套的BeGaze 2.4数据提取和分析软件。根据采样定理，结合实验的具体要求及实验特点，眼动仪采样频率设定为50Hz。

根据统计学原理和被试生理特征，结合本文研究需要采取网络招募筛选，选取12名被试，男6人，女6人。所有被试身体健康，无心血管、心脏、视觉等方面的疾病。为避免外界因素对驾驶员及数据采集系统的影响，要求被试实验前一天充分休息、24h内禁止服用任何药物、刺激性饮品等。实验前告知被试实验过程和实验目的，实验过程中保持车内安静并将手机、车载音频等与实验无关的电子设备关闭。

1.2 路段及权重的确定

根据本文的研究特点和实际需要，选择内蒙古自治区内公路类型、等级、线形等各方面均具有较强代表性的3条草原公路进行交通设施的调查统计，调查得知3条公路警告标志、禁令标志、指路标志较多;旅游标志、指示标志等较少。由此可见，交通设施作为草原公路交通系统的重要组成部分，设置不完善，甚至个别路段未设置任何交通设施。而且草原公路长直线、大半径曲线较多，驾驶人长时间在这样简单的景观环境下行车，易产生注意力分散、心生理疲劳现象，严重威胁到行车安全，极易造成交通事故。

本文主要研究草原公路不同行驶环境对驾驶人视觉特性的影响，根据本文研究需要，选择禁令标志、警告标志、指路标志、旅游标志和指示标志进行权重的确定。采用专家打分法以调查问卷的形式进行5个交通标志权重赋值。对专家打分情况进行统计和分析，大多数专家认为禁令标志>警告标志>指路标志>旅游标志>指示标志>减速设施。根据专家的调查表，采用层次分析法对各元素进行权重计算。

对计算结果进行了一致性检验，满足一致性要求，最终得各指标的权重如表1所示。

1.3 实验指标及实验方案

人类的各种感觉器官中视觉提供的外界信息约占80%以上，眼睛可以反映人类生理和心理的变化。根据各眼动指标的生理学意义及其特点，选择眨眼持续时间、注视次数、注视持续时间、扫视幅度4个敏感指标进行变化规律研究。

本文选取上述5种不同权重的交通标志为研究对象，按照权重大小构建模拟行驶环境A、B、C、D、E 5种。每一行驶环境间隔0.25km连续设置一种交通标志。为保证实验环境的有效性和逼真性，避免道路线形因素及其他因素对实验的影响，在模拟驾驶场景中未设置交通流、村镇和人文建筑等。实验设置6个场景，包括1个基础路段，5个实验路段，总长度为27.5km，设计车速为80km/h。每个场景行驶路段长4km，开始和结束均设置0.5km直线过渡段。

2  结果分析

2.1 不同行驶环境下眨眼持续时间变化规律

为清晰表示驾驶人在不同行驶环境下平均眨眼持续时间的变化，将22名驾驶人在不同行驶环境下的眨眼持续时间以折线图的形式绘制，如图1。

由图1、图2可知，驾驶人在不同行驶环境下平均眨眼持续时间呈逐渐降低趋势变化。基础路段平均眨眼持续时间最低，E路段的平均眨眼持续时间居中。A路段平均眨眼持续时间最大，C路段平均眨眼持续时间次之，说明驾驶人在A、C路段行驶环境短时需要处理的交通信息较少，禁令标志是强制性标志，驾驶人精神负荷较大，担心超速，驾驶人对交通标志的信息短时间即可获得，平均眨眼持续时间较长;而B路段和D路段交通标志传递给驾驶人的视觉信息量较大，需要处理的信息较多，平均眨眼持续时间较少。在基础路段，驾驶人的视觉信息较单一，驾驶人努力的搜寻视觉信息目标，平均眨眼持续时间小，男性驾驶人的平均眨眼时间低于女性驾驶人的平均眨眼持续时间的65%，说明女性驾驶人对行驶环境的需求比男性驾驶人更简单，短时间内将环境信息处理好，而随着行驶环境的变化，男、女性驾驶员的信息处理能力交替变化，直到E路段女性驾驶人比男性驾驶人大26%，说明性别的不同，驾驶人对行驶环境的感知不同，处理信息的能力也不同。权重最大的元素构建的A行驶环境相对其他元素构建的行驶环境平均眨眼持续时间大。

2.2 不同行駛环境下注视特性分析

由图3，图4得知，在A路段，驾驶人的平均注视次数最少而平均注视持续时间相对C、B路段较大，说明在动态的行驶环境中，权重最大的禁令标志使驾驶人提取信息较困难，驾驶人比较重视此标志并主动积极遵守交通规则。在B路段，注视次数偏大，平均注视时间偏小，表明十字交叉警告标志对驾驶人来说较重要，较多关注周围路况，防止有行人、车辆或动物出没。在D路段，驾驶人的平均注视次数最大而平均注视持续时间最小，说明在D路段，驾驶人对行驶环境中景观元素的关注程度较高，而处理信息的难度较小。D路段行车中男性驾驶人对元素的关注程度和提取信息的难度均比女性驾驶人高。

2.3 不同行驶环境下扫视幅度变化规律

由图5、图6可知，驾驶人行车过程中，不同的行驶环境对驾驶人的扫视幅度产生不同程度的影响。平均扫视幅度在D路段行驶环境下最大，而且女性驾驶人在此路段的平均扫视幅度也最大，可能是因为D路段的旅游标志对女性驾驶人的吸引力较大，女性较喜欢旅游的原因。基础路段的平均扫视幅度最小，说明驾驶人行驶在简单单调的行驶环境中时，驾驶人的视线主要集中在前方的路面区域，扫视幅度较小;A、C、D路段女性驾驶人的平均扫视幅度大于男性驾驶人，而基础路段、B路段、E路段正好相反，说明不同的行驶环境对男、女性驾驶员平均扫视幅度产生不同的影响，不同的道路信息对驾驶人的扫视幅度产生不同的影响。但女性驾驶人总的平均扫视幅度大于男性驾驶人总的平均扫视幅度，说明女性驾驶人行车过程中视线波动范围较大，视线范围内需要处理加工的信息较多，尤其对旅游信息关注最多。

3  结论

本文研究结论如下：

①驾驶人在权重最大的交通标志构建的A行驶环境中行车时，平均眨眼持续时间最大，平均注视次数最小;在B环境中行车时，平均眨眼持续时间最小;C环境中行车时平均眨眼持续时间偏大，平均注视次数偏小，其他眼动指标值居中;在D环境中行车时，平均注视次数和平均扫视幅度均最大，而平均注视时间最小;在权重最小的交通标志构建的E行驶环境中行车时，平均注视持续时间最大，平均扫视幅度最小。②相同行驶环境下，男性驾驶人的眨眼持续时间、注视次数、注视持续时间均大于女性驾驶人，而扫视幅度小于女性驾驶人。

参考文献：

[1]胡立伟，李耀平，林玉珍.不同等级公路环境下驾驶人动态视觉特性规律研究[J].交通运输系统工程与信息，2014，14（3）：58-63.

[2]张贵满.草原公路平曲线段交通标志牌对驾驶员视觉的影响分析[D].内蒙古农业大学学位论文，2016，06.

[3]张程程.草原公路曲线段指示标志对驾驶员脑电信号的影响研究[J].科学技术与工程，2017，17（19）：262-267.

[4]Jose Luis Vilchez. Representativity and univocity of traffic signs and their effect on trajectory movement in a driving-simulation task： Regulatory signs[J].Journal of Safety Research， 2018，66：101-111.

[5]Jose Luis Vilchez.Representativity and univocity of traffic signs and their effect on trajectory movement in a driving simulation task： Warning signs[J].Traffic Injury Prevention， 2017，18（5）：544-549.

[6]Yung-Ching Liu.A simulated study on the effects of information volume on traffic signs， viewing strategies and sign familiarity upon driver’s visual search performance[J].International Journal of Industrial Ergonomics 2005，35：1147-1158.