基于眼动特征的高速公路彩色路面安全性

2021-01-08袁景玉刘晓健王智德张志涛

科学技术与工程 2020年34期

袁景玉，刘晓健，姚胜，高源，王智德，张志涛

(河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300130)

近年来，中国的高速公路建设得到迅速发展，截至 2018年底，全国高速公路总里程达到1.426×105km[1]。目前中国高速公路路面多为灰黑色沥青混凝土路面，颜色单一，材料抗滑性较差。驾驶员长期行驶在单一颜色的路面时会引起视觉疲劳，容易导致交通事故。因此，高速公路的交通安全问题受到更多的关注，许多学者已经就彩色路面铺设技术在交通安全方面的应用进行了相关研究。

荷兰对于彩色路面的研究和应用较早，以铺设在自行车道上用于道路区分为主。苏联、美国、日本等国家也相继就彩色路面进行了研究，其中日本在彩色路面铺装上有许多案例，曾用铁红色路面作为汽车专用道，用黄色路面作为大客车专用道等[2]。2009年中国西安市在高速公路收费口处铺设了彩色路面，起到了引导车辆的作用，随即于2010年，在火车站和公交车道上也铺设了彩色路面，具有提高车辆通行速度的作用[3]。有研究证实在沥青混凝土中加入彩色氧化物铺设在路面上，可以起到缓解城市热岛效应的作用[4]。近年来，彩色路面防滑技术的成熟将为彩色路面的施工提供良好的技术支持[5]。在驾驶安全性方面，通常人们认为彩色路面具有一定的改善作用。2011年Ando等[6]通过实验发现，在十字路口铺设彩色路面能引起人们的注意，促进交通安全意识的提高，两年内，实验路段的交通事故发生率确实得到降低。李佳辉等[7]通过模拟实验指出在学校前方铺设红色路面标线能够降低驾驶员的行车速度，保证行车安全。慕慧[8]指出通过铺设彩色路面作为限速标识，可以增强驾驶员注意力，又可以起到美化环境的作用。研究发现，一般在特殊路段如弯道、长下坡、交叉路口等位置铺设彩色路面可以起到减速和提高驾驶员警惕性的作用[9]。在长大坡路面铺设彩色路面既可以提高驾驶员注意力，同时对视觉舒适度也有影响[10]。

目前彩色路面的应用形式较多，主要起诱导交通和美化环境的作用，虽然在交通安全方面也有所涉及，但就高速公路上彩色路面对驾驶安全性能的研究相对较少。特别是针对驾驶过程中，彩色路面对驾驶员的视觉特征有何影响，尚缺乏实验研究。现通过开展虚拟高速公路驾驶实验，针对高速行驶中的彩色路面，观测驾驶员的眼动特征，进而判断彩色路面对行车的安全性影响，为提高交通安全性和彩色路面的推广提供依据。

1 眼动特征

高速行驶时，驾驶员主要依靠视觉从外部获得交通信息。有学者使用眼动测试仪对驾驶员眼动特征进行采集，通过采集驾驶员眼动数据并进行分析发现，驾驶员的瞳孔直径会随着弯道半径的增大而减小，使用手机对驾驶员视觉行为会产生影响[11-13]。韩飒[14]主要使用驾驶员瞳孔面积作为眼动特征的评价指标，研究发现驾驶员在不同路段的眼动特征有所不同。杜志刚等[15]使用眼动仪对驾驶员视觉特征进行记录，提出了视觉震荡持续时间这个概念，具体地，以瞳孔面积变化情况超过一半的时间即为视觉震荡持续时间，可以使用这一指标来判断视觉舒适程度。许多学者通过模拟实验，用眼动仪记录驾驶员眼动特征，建立数学模型进而监控驾驶员行车时的注意力、反应时间及疲劳程度[16-18]。

近年来，越来越多的学者对驾驶员视觉特征的研究愈加重视。由于高速公路上行驶过程中驾驶行为在时间和空间变化特征方面的特殊性，多种色彩对比实验难以在现实环境中进行，通过眼动仪进行虚拟场景中驾驶行为的眼动实验，根据眼动数据进行驾驶行为与视觉特征的分析，成为驾驶员视觉舒适和疲劳评价的主要研究方法之一，该方法具有数据充分、对比效果显著的特征。因此拟采用虚拟驾驶实验，对驾驶员在高速公路彩色路面行驶时的眼动特征进行测试分析。

2 颜色选择

人眼通过捕捉不同波长的光来识别物体的形状与颜色。颜色在交通安全中也会影响驾驶员行车安全。在行车过程中，当驾驶员观察周围环境时，周围物体的颜色是诱发视觉反应的首要因素[19]。红色可以使人感觉到兴奋，黄色对应波长位于可见光的最中心位置，眼睛的感知度高，且明度最高，比较醒目，因此，驾驶员对黄色比较敏感[20]。由于红色和黄色属于暖色系，对驾驶员的心理和视觉上刺激明显，而蓝色波长较短，可以起到镇定减缓疲劳的作用，还可以让人感觉时间过得快。在色彩学中，蓝色、黑色等冷色系为收缩色，这些颜色会使人产生错觉，让实际物体看起来小[21]。此外，国标《安全色》中规定红色、蓝色、黄色为适合建筑领域信号和标准表面色中的安全色。

因此实验选择红色、蓝色、黄色作为彩色路面的颜色，选择黑色为对照组实验路面的颜色。实验选取太行山高速实际工程中的新型路面样品，该样品表层为彩色环氧薄层，耐久性和抗水损性能优良、阻燃性和抗滑性好。使用彩色亮度计对样品路面进行测量，并通过计算得到相应的RGB，最终用于模拟实验，具体颜色参数如表1所示。

表1 彩色路面颜色参数

3 虚拟实验设计

3.1 实验设备

实验采用青研EyeLab眼动仪获得可视化视觉特征，采集的数据包括受试者的眼动热点图、轨迹图、原始眼动路线等可视化信息，以及注视点坐标、注视时间、瞳孔面积等指标，仪器参数如表2所示。

表2 EyeLab眼动仪参数Table 2 Parameters of EyeLab

3.2 实验对象

实验对象共20人，其中男性10人，女性10人，均有3～5年的驾驶经验。驾驶员裸眼视力在4.8以上，且不佩戴眼镜。实验前2 h未进行剧烈活动，实验前1 d未饮用刺激性饮品。

3.3 实验条件

实验模拟晴天天气情况下驾驶员在高速公路上行驶的情况。驾驶员采用观看视频的方式进行实验模拟与测试。使用SketchUp进行建模，并在Lumion软件中进行参数设置以及渲染，最终得到实验测试视频。实验测试视频时长为19 s，其中7～12 s为彩色路面铺设段。

3.4 实验过程

驾驶员随机进入实验室，保证每次只有一名驾驶员进入实验室，实验前后，驾驶员之间互不干扰且对实验相关问题不予交谈，以保证驾驶员均为首次接触此实验。测试前，驾驶员坐在测试椅上，保证眼睛与实验屏幕保持65 cm，实验过程中，头部尽可能保持不动。实验操作流程如图1所示。

图1 实验流程图Fig.1 Experimental flow chart

4 实验数据处理与分析

眼动测试仪可以直接导出眼动轨迹图，通过轨迹图可以直观地看出驾驶员在行驶过程中的眼动轨迹，如图2所示为驾驶员在四种颜色路面上行驶时的眼动轨迹图。每一幅图中相同颜色的点表示同一个驾驶员在行驶过程中的注视点，注视点之间的连线表示该驾驶员眼动轨迹。注视点越多，扫描路径越长，表示驾驶员在行驶过程中视点需要更长的扫描路径来获得周围的行车信息。

图2 驾驶员眼动轨迹图Fig.2 Eye movement trace of driver

实验中收集到有效的实验数据17组，经过整理，得到驾驶员扫视幅度及瞳孔面积的变化情况。扫视幅度是指驾驶员注视点中任意相邻的两个注视点所对应视线的夹角。如图3所示，AB为相邻两注视点，点O为驾驶员眼睛的位置，α即为注视点A与注视点B的扫视幅度。由于实验设备局限性，无法导出扫视幅度的大小，因此根据式(1)可以得到α的余弦，进而判断其大小。

(1)

经过整理得到驾驶员的扫视幅度情况，如图4所示，表示所有驾驶员在四种颜色路面上扫视幅度情况的汇总。

为了更加直观地看出驾驶员扫视幅度，在测试过程中，将得到的驾驶员扫视幅度进行加权以获得其平均扫视幅度S。如图5所示，驾驶员在红色路面上行驶时平均扫视范围在40.69°～3.17°，在黄色路面上行驶时平均扫视范围为51.65°～3.12°，在蓝色路面上时为33.19°～2.11°，而当在原始路面上行驶时平均扫视范围为46.42°～1.41°。平均扫视情况中S黄>S原>S红>S蓝，驾驶员行驶过程中，扫视幅度越小，相对越放松，扫视幅度越大，驾驶员越紧张。驾驶员在经过彩色路面时适当增加紧张感，可以使其提前进行减速等行为，有利于行车安全。在行驶安全范围内，驾驶员刺激越大，越容易产生紧张感，更有助于提高驾驶员的行车警惕性，进而促使其实施减速等措施。

图3 扫视幅度解析图Fig.3 Scanning range analysis

图4 驾驶员在四种路面上行驶时扫视次数与扫视幅度的分布情况Fig.4 Distribution of scanning times and scanning amplitude when driving on four roads

图5 驾驶员在四种路面上行驶时的平均扫视幅度Fig.5 Average scanning range of driver when driving on four roads

此次实验在实验室中进行模拟，实验光环境恒定，可以使用瞳孔面积变化来作为评价驾驶员疲劳程度的指标，瞳孔面积随着疲劳程度的增大而减小。

如图6所示为驾驶员在行驶过程中瞳孔面积的变化情况，其中7～12 s为驾驶员经过彩色路面的时间段，从图6中可以看出，此阶段驾驶员瞳孔面积变化较大，在经过原始路面时瞳孔面积变化较为显著，经过红色、黄色、蓝色三种颜色路面时瞳孔面积变化比较相似。为了更加准确地看出驾驶员在各种不同颜色路面上的瞳孔变化情况，将采集到的数据进行整理与分析，得到驾驶员的瞳孔面积变化率，计算式为

(2)

式(2)中:U表示瞳孔面积变化率；At表示t时刻瞳孔大小。驾驶员在行驶过程中，瞳孔面积变化率在20%以内均表示驾驶过程是安全的，并且驾驶员视觉处于舒适的状态。如图7所示，驾驶员在四种颜色路面上行驶时，均处于安全状态。在7～12 s时间段内，驾驶员在原始路面上行驶时，瞳孔面积变化率波动情况最大，蓝色路面次之，黄色路面最小，驾驶员瞳孔变化的越频繁，越容易产生疲劳感。而当长期行驶在高速公路上时，疲劳感则会加剧，更不利于行车安全。

通过与原始路面进行对照分析，根据驾驶员平均扫视幅度的变化情况可以发现，只有黄色路面的平均扫视幅度大于原始路面。根据驾驶员瞳孔面积变化率情况可以发现，驾驶员在原始路面上时，瞳孔面积变化最大。针对扫视幅度与瞳孔面积变化率这两个指标来说，在彩色路面上的变化趋势不同，可以推测路面色彩并不能同步呈现驾驶员紧张程度与其疲劳程度的缓解。