夜间快速路隧道入口段新驾驶员眼动特性分析

2021-07-22孙亚男吴立新

交通科技与经济 2021年4期

孙亚男，吴立新，张阳

(吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春 130000)

随着机动车数量的不断增长，机动车驾驶员数量也呈现出剧增趋势，2019年上半年公安部交管局的统计数据显示：我国新领证驾驶员已达到1 408万人。新驾驶员是指驾龄在5年(包含5年)以下的驾驶员[1]，这部分驾驶员只掌握了驾校所学的基础驾驶技术，在行驶过程中面对复杂路况时的紧张心理以及不规范的操作行为都会影响行车安全，如何保障新驾驶员在城市隧道路段行车安全是交通管理者亟需解决的问题。近年来，国内外学者从驾驶员注视行为角度对隧道安全行车展开了大量研究。国威等[2]利用模糊聚类法评价驾驶员的夜间隧道路段视觉信息加工能力；郭宝义[3]通过研究经过隧道出入口驾驶员的眼动特性，建立了瞳孔面积、注视时间与距隧道出入口距离的函数关系；江治东等[4]通过研究公路隧道入口段驾驶员视觉注意转移行为，发现隧道入口段驾驶员视点主要集中在正前方；潘姝等[5]通过对隧道环境中不同经验驾驶员注视特性的分析，发现隧道入口段的驾驶员视点主要落在前部近方和远方；刘明秀等[6]通过研究城市隧道入口处的光照度及驾驶员视觉变化，发现驾驶员视点落在隧道入口段的概率高于其他区域；朱兴林等[7]对不同经验驾驶员在稳定跟车行为中的差异表现进行研究。Yan等[8]发现特殊光区对驾驶员的注视时间和瞳孔面积影响不同。Nottingham大学的Geoffrey Underwood等[9]研究了新老驾驶员行驶在不同道路环境下的注视顺序。

综上所述，国内外学者对隧道入口段驾驶员眼动特性的研究主要从隧道内外光照度、驾驶员熟练程度等方面展开。本文主要研究夜间高峰时段快速路隧道入口段新驾驶员行驶在不同车道位置上的眼动特性，分析新驾驶员眼动参数的变化规律，从而为快速路隧道入口段的交通安全设施设置提供理论依据，提高快速路行车安全。

1 实验设计

1.1 试验路段

选择长春市南部快速路卫星路隧道作为试验地点，该隧道全长1.8 km，采用双洞分离式设计，单向三车道。选取其中的入口段(由东-西方向)作为试验路段，本文将隧道入口前200 m至隧道入口内300 m定义为隧道入口段[10]。卫星路隧道入口段平面如图1所示。

图1 卫星路隧道入口段平面(m)

1.2 试验驾驶人

本次试验选取了4名驾驶员，驾龄均在5年以下，无生理缺陷且视觉系统正常。

1.3 试验仪器

试验采用德国生产的DIkablis 眼动仪、D-Lab软件、正弦逆变器及普通轿车一台。

1.4 试验准备及过程

1.4.1 试验时间

正常天气情况下的夜晚17:30—18:30时段，试验路段车流量处于高峰期。

1.4.2 试验准备

对驾驶员佩戴眼动仪进行校准，保证获取眼动数据的准确性；校准完成后驾驶员避免移动眼动仪或者头部的大幅度摆动，以免眼动仪发生偏移，造成试验数据缺失或失真；告知驾驶员试验的注意事项和基本要求，但不告知试验目的；驾驶员佩戴眼动仪试驾，熟悉车辆基本情况。

1.4.3 试验过程

1)首先，将隧道入口段内侧车道、中间车道和外侧车道进行编号，分别为1号车道、2号车道和3号车道，隧道入口处车道位置如图2所示。

图2 隧道入口处车道位置

2)驾驶员佩戴眼动仪，分别在隧道入口段1号、2号、3号车道位置进行实车试验，在试验过程中，车上另外一名试验人员时刻关注连接眼动仪的电脑。

3)试验车依次完成在1号、2号、3号车道通过隧道入口段的行驶，每次行驶记为一次完整的实车试验过程。驾驶员完成一次通过隧道入口段车道位置的行驶后，需要进行5～10 min的短暂休息，以保证试验数据的准确性。试验结束后，进行试验数据的检查和处理分析。

2 数据分析

在进行试验数据分析之前需要对试验数据进行筛选，将丢失和有明显偏差的数据剔除，只对正常试验数据进行分析。D-Lab软件导出的瞳孔面积(Pupil Area)、注视持续时间(Fixations Duration)、扫视持续时间(Saccades Duration)等部分眼动参数的原始数据如图3所示。

图3 D-Lab软件部分原始数据

2.1 数据分析方法

2.1.1 方差分析

一般而言，应用方差分析方法选取数据应满足以下3个条件：

1)试验样本为独立且随机抽样；

2)变量服从正态分布；

3)样本数据具有相同方差。

2.1.2 方差分析原理

方差分析是在变异分解的基础上进行，在单因素方差分析中，整个样本变异可被看成由两部分构成，即总变异=随机变异+处理因素导致的变异。在方差分析中，需要计算3个误差平方和，分别为离均差平方和(SST)、组内平方和(SSW)及组间平方和(SSB)[11]。

1) 离均差平方和(SST)：表示总体变异程度，算式为

(1)

2) 组内平方和(SSW)：表示随机变异大小，算式为

(2)

3) 组间平方和(SSB)：表示各组均数之间的差异，算式为

(3)

4) 方差分析检验统计量：可以简单理解为用随机误差来衡量各组间的变异，算式为

(4)

综上所述，方差分析的各项指标参数如表1所示。

表1 方差分析

结合文中的数据分析，根据试验数据的实际情况考虑应用单因素方差分析法，其中正态性检验采用S-W(夏皮洛-威尔克检验)方法完成；满足单因素方差分析的条件，根据分析的试验数据和检验的显著性水平(Fa=0.05)，利用SPSS软件进行隧道入口段不同车道位置上的眼动参数差异性分析。

2.2 平均瞳孔面积

驾驶员在行车过程中80%以上的信息是通过视觉系统获取，瞳孔是外界信息进入系统的直接通道[12]，驾驶人瞳孔面积的变化能够反映出夜间隧道的内外光照条件，当隧道入口处的光照度高于隧道外时，瞳孔会突然收缩以适应隧道内外的照度变化。因此，尽管近年来发生交通事故数量的区域呈下降趋势，但道路环境的变化对新驾驶员的心理、生理及驾驶技术灵活性的直接影响较大，极易引发交通事故[13-14]。

2.2.1 平均瞳孔面积变化趋势

驾驶员在通过隧道入口路段时，由于隧道内外光照度的变化使驾驶员瞳孔面积发生改变。驾驶员在不同车道位置行车过程中的平均瞳孔面积变化如图4所示。

图4 夜间隧道入口段不同车道位置平均瞳孔面积变化

从图4可以看出，夜晚高峰时段隧道入口段不同车道位置上新驾驶员平均瞳孔面积变化趋势总体一致。由于隧道内外的光照度差异，当汽车逐渐靠近隧道入口时平均瞳孔面积开始减小，在隧道入口50～100 m距离范围内瞳孔面积达到最小值。但不同车道的平均瞳孔面积变化率有所不同，1号车道位置的平均瞳孔面积减少28.1%，2号车道位置的平均瞳孔面积减少33.8%，3号车道位置的平均瞳孔面积减少48.6%。

2.2.2 平均瞳孔面积差异性分析

为研究快速路隧道入口段不同车道位置对新驾驶员的平均瞳孔面积影响，对不同车道位置的瞳孔面积进行差异性分析。

1) 正态性检验。对快速路隧道入口段平均瞳孔面积做单因素方差分析，比较不同车道位置对平均瞳孔面积的影响是否具有显著性。首先对在1号车道、2号车道和3号车道行驶过程中驾驶员的平均瞳孔面积进行总体正态检验，对不同车道位置的平均瞳孔面积运用夏皮洛-威尔克检验法进行正态性检验，结果如表2所示。

表2 不同车道位置平均瞳孔面积对应的概率P值

由表2可以看出，不同车道位置上的概率P值都大于显著性水平0.05，在不同车道位置上的平均瞳孔面积总体上呈现正态分布。

2) 方差齐次性检验。利用Levene法检验统计变量和对应的显著性P值，如表3所示。

表3 方差齐次性检验

由表3可以看出Levene法检验统计变量为0.569，在当前自由度下对应的P值为0.572>0.05，所以上述数据方差相等，具有方差齐次性，满足方差分析的基本条件，可采用单因素方差分析法来检验不同车道位置的平均瞳孔面积是否具有显著性。

3) 单因素方差分析。进行不同车道位置的单因素方差分析，方差分析结果如表4所示。

表4 不同车道位置的瞳孔面积单因素方差分析

由表4可以看出检验结果F=6.058，P=0.006<0.05,说明在0.05的显著性水平下，不同车道位置对平均瞳孔面积的影响显著。

2.3 注视持续行为特性

车辆在不同车道位置上行驶，新驾驶员通过隧道入口时的注视持续时间也会呈现出不同状态，文中从注视持续时间、平均注视时间两个眼动参数分析不同车道位置上的驾驶员注视持续行为的差异性。

2.3.1 注视持续时间

驾驶员在行车过程中，注视的持续时间大于100 ms时称为注视，它反映了在行车过程中驾驶员获取信息的难易程度[15]。夜间高峰时段隧道入口段新驾驶员在不同车道位置行驶过程中注视持续时间分布如图5所示。

图5 夜间隧道入口段不同车道位置注视持续时间分布

从图5可以看出，夜间高峰时段新驾驶员通过隧道入口段主要以注视为主，并且在不同车道位置上注视持续时间都呈现出先增大后减小的变化趋势。注视持续时间主要集中在200～300 ms和300～400 ms范围内：注视持续时间在200～300 ms范围内，行驶在3号车道注视持续时间占比最高，占30%，其次是2号车道注视持续时间，占比为23.8%，最后是1号车道注视持续时间，占比为22.5%；注视持续时间在300～400 ms范围内不同车道位置上注视持续时间占比相差不大，1号车道、2号车道和3号车道注视持续时间相差较小，占比分别为23.4%、23.8%和21.5%。

2.3.2 平均注视时间

平均注视时间是通过隧道入口段不同车道位置上总的注视时间与总注视点数的比值，试验中驾驶员的平均注视时间如表5所示。

表5 不同车道位置上驾驶员平均注视时间 ms

1) 正态性检验。对不同车道位置上的平均注视时间总体进行正态检验，利用夏皮洛-威尔克检验法检验得到概率P值，如表6所示。

表6 不同车道位置的平均注视时间对应概率P值

由表6可以看出，不同车道位置上的概率P值都大于显著性水平0.05，不同车道位置上的平均注视时间都满足正态分布。

2) 方差齐次性检验。利用Levene法检验统计变量和对应的显著性P值，如表7所示。

表7 方差齐次性检验

由表7可知，Levene法检验统计变量为0.594，在当前自由度下对应的P值为0.581>0.05，所以上述数据方差相等，具有方差齐次性，满足方差分析的基本条件，可采用单因素方差分析法进行检验，分析不同车道位置对平均注视时间是否具有显著性影响。

3) 单因素方差分析。本文进行不同车道位置的单因素方差分析，方差分析结果如表8所示。

由表8可以看出检验结果F=2.193，P=0.193>0.05,说明在0.05的显著水平下，不同车道位置对平均注视时间的影响不显著。

表8 不同车道位置平均注视时间单因素方差分析

2.4 兴趣区域注视特性

道路交通环境影响着驾驶员注视点的分布[16-18]。通过回放实验录像的方法，将新驾驶员视野划分为4个区域，分别为前方区域、左侧区域、右侧区域及车内区域，注视区域如图6所示。

图6 驾驶员注视区域

运用数理统计方法，对各个兴趣区域内不同车道位置上的注视时间百分比和注视次数百分比进行统计。

2.4.1 注视时间百分比

注视时间百分比是指在某个兴趣区注视的总时间占整个试验时间的百分比，注视过程通常认为是驾驶人将注意力集中于目标上获取信息的过程，注视时间的长短能够反映出驾驶员在不同目标物体上分配注意力的大小[19]。在夜间高峰时段，隧道入口新驾驶员在不同车道行驶过程中对不同兴趣区域的注视时间如图7所示。

图7 不同车道位置不同注视区域注视时间百分比

从图7可以看出，新驾驶员在隧道入口段不同车道位置上行驶时，划分的4个兴趣区域内注视时间百分比各不相同，其中前方区域的注视时间百分比高于其他3个兴趣区域。前方区域中：1号车道对前方区域的注视时间百分比达到47.8%、2号车道对前方区域的注视时间百分比达到35.3%、3号车道对前方区域的注视时间百分比达到37.7%；左侧区域中：3号车道对左侧区域的注视时间百分比最高，达到9.1%，主要由于高峰时段车辆的换道使驾驶员对于左侧区域关注程度高于1号车道和2号车道；右侧区域中：1号车道对右侧区域的注视时间百分比占比最高，达到21.2%。

2.4.2 注视次数百分比

注视次数百分比是指每个兴趣区域(AOI)的注视次数占所有兴趣区域(AOI)总次数的百分比，能够反应驾驶员对某一信息源的重要程度。试验获取的驾驶员行驶在不同车道位置，对于不同注视区域的注视次数百分比如图8所示。

图8 不同车道位置不同注视区域注视次数百分比

从图8可以看出，新驾驶员在隧道入口段的不同车道位置上行驶时，对于划分的4个兴趣区域的注视次数百分比不同，但对于前方区域的注视次数百分比均都高于其他3个兴趣区域。前方区域中：1号车道对于前方区域的注视次数百分比达到50.4%，2号车道对于前方区域的注视次数百分比为41.9%，3号车道对于前方区域的注视次数百分比则为47.6%；左侧区域中：3号车道对于左侧区域的注视次数百分比最高，达到34.7%；右侧区域中：1号车道对于右侧区域的注视次数比例最高，占比为38.0%。

2.5 平均扫视速度

扫视是指驾驶员在行车过程中寻找目标物体时，将视点从一个目标转移到另外一个目标上的运动过程，能够反映驾驶员注意力的集中程度[20-21]。平均扫视速度是指单位时间内眼动角度与扫视持续时间的比值。驾驶员在不同车道位置行驶时，通过隧道入口段的平均扫视速度如图9所示。

图9 夜间隧道入口段不同车道位置驾驶员平均扫视速度

从图9可以看出，夜间高峰时段隧道入口段新驾驶员行驶在1号车道上，平均扫视速度变化呈递减趋势，而在2号车道和3号车道上平均扫视速度变化呈现先增大后减小趋势。其中，当平均扫视速度在0°/s～60°/s范围时，行驶在1号车道扫视速度所占比例最大，占52.5%，说明在1号车道上道路环境信息相对较小，平均扫视速度较低；当平均扫视速度在120°/s～180°/s范围内，2号车道和3号车道位置的平均扫视速度所占比例高于1号车道，分别为44.8%和45.4%，说明由于夜间高峰时段合流区车辆的不断汇入及隧道入口段明暗交替变化，新驾驶员的紧张程度和危险敏感程度增大，需要更加快速获取视野范围内的信息，以便用更长的注视时间来注视目标内的重要信息。