拥堵状态下寒区城市道路驾驶员注视特性研究

赵梓雯，冯天军，曲璟焕

（吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

引言

随着社会经济发展和生活水平的提高，我国机动车保有量逐年增加，据公安部数据显示，2020 年中国机动车保有量为3.72 亿辆，其中汽车保有量为2.81 亿辆，同比增长7.5%。机动车为人们提供出行便利的同时，也产生了一系列的问题，如造成拥堵并导致交通事故的发生。

我国北方寒冷地区冬季漫长、降雪次数多、积雪结冰频现，冬季天气条件对道路交通的影响突出，容易造成交通拥堵，导致驾驶员情绪发生变化，引发交通事故。情绪变化主要体现在视觉变化上，注视行为是驾驶员获取道路和交通信息最主要的方式［1］，目前驾驶员的注视行为已受到国内外学者的关注。

YEKHSHATYAN 和LEE［2］利用模拟驾驶器，进行眼动注视行为的相关性分析，研究了注意力分散程度和类型。TATLER 等［3］研究了驾驶员在自由视角下的视觉转移模式，对驾驶员注视分配进行研究，得出控制视觉分配的机理及新兴理论框架。胡洪瑞等［4］通过虚拟驾驶软件模拟不同环境，认为在相同道路条件下，光线越差，驾驶人注视点数和回视点数越多。胡月琦等［5］研究了驾驶经验及环境对驾驶安全的影响，结果表明驾驶员在普通路段及特长隧道段视觉特性有明显差异。叶建光［6］得出在山区高速公路环境下，驾驶员注视持续时间较短，认知负荷较小的结论，总体上表现为遮蔽空间上长时间注视比开敞空间增多。

目前所研究的道路行车环境主要集中在隧道、山区道路及高速公路，但对于复杂环境下的城市道路研究较少。城市道路作为交通系统中的重要一部分，其行车环境对驾驶员的影响逐渐得到研究者的重视［7］。

1 寒区路面状态特性

寒区城市主要特点为冰雪期漫长，在频繁的降雪天气条件下，城市道路会产生积雪并造成路面结冰，从而致使路面附着系数降低。随着降雪时间的推移及气温光照的变化，路面冰雪状态也会随之发生变化，寒区冬季路面冰雪状态可分为：（1）自然积雪。发生降雪后覆盖在道路上的积雪，密度较小，大概为0.25～0.5 g/cm3，一般出现在降雪时及降雪后的短时间内。（2）光滑压实雪。道路上的自然积雪经过车辆以及行人的碾压，表面开始变得光滑，密度相较自然积雪状态增大，在0.5～0.6 g/cm3之间。（3）融冻冰雪。受持续低温影响，道路积雪经过阳光照射和车辆轮胎摩擦融化后，与路面结合凝结成冰膜，冰膜密度达到1.0 g/cm3，路面变得十分光滑，行驶的车辆容易发生侧滑及追尾事故。（4）溶融冰雪。当气温上升至0 ℃及以上时，路面冰雪开始融化，状态变为溶融冰雪。受光照及城市道路流量影响，溶融冰雪一般出现在道路两侧，且为不连续干湿状态。不同路面冰雪状态对应着不同的道路附着系数［8］，见表1。

表1 路面附着系数范围

可以看出，路面附着系数在冰雪条件下和正常条件下相差很大。

2 试验方案设计

2.1 试验路段及时间确定

选取长春市城市道路作为试验路段，包括快速路、主干路等各城市道路类型，全程11.5 km。试验路线途经商业区、学校、住宅区等，交通流变化明显，受行人车辆的横向干扰，具有典型的城市道路特征。具体路线见图1，从人民大街辅路出发，路口右转经过自由大路行至亚泰大街，后转向解放大路，沿解放大路进入新民大街，在新民大街与桂林路交汇处转向进入桂林路，后经牡丹街进入自由大路，继续行驶至人民大街到达终点。

图1 试验路线

2020 年长春市路网高峰行程延时指数1.836。为研究拥堵状态下注视特性，选定试验时间冰雪期交通流高峰时间段为1700—1830，分别在试验路线无冰雪、光滑压实雪、融冻冰雪、融冰冰雪路面状态下开展试验，其路面摩擦系数分别为0.8～0.9、

0.2 ～0.25、0.10～0.20、0.30～0.40。

2.2 试验仪器及人员选择

试验使用Dikablis 眼动仪、D-lab 软件、正选逆变器、摄像机、小型汽车及摩擦系数仪，部分仪器见图2、图3。该眼动仪由德国Ergoneers 研制，具有高精度、低侵入性的特点。Dikablis 配有两个摄像头：eye-camera 和field-camera，前者负责追踪眼睛，后者负责录制场景，可同时采集双眼眼动数据及实景数据，配合D-lab 软件可全方位、多角度分析眼动数据。

图2 试验仪器

图3 试验配套软件

选择5 名具有5 a 以上驾驶经验的熟练驾驶员，其中包括3 名男性及2 名女性，其视觉机能正常，无生理缺陷和重特大事故经历。为保证试验正常进行及人员安全，要求驾驶员在试验前精神状态良好，保证充足睡眠且无醉酒驾驶行为。

2.3 试验流程进行

（1）试验人员对选定的城市道路全线进行实地考察，对招募的驾驶员进行仪器使用培训，确保试验正常进行。（2）每次试验开始前，试验人员对试验路段的路面摩擦系数进行测定并记录。（3）驾驶员佩戴眼动仪，观测员启动电脑并校准眼动仪，校准后驾驶员启动试验车进行试验。（4）在行驶过程中，观测员通过D-Lab 软件进行驾驶员视点捕捉的观测，确保仪器数据有效。（5）驾驶员每次行驶完试验路段后，观测员将其注视特性数据和视频资料导出并存储。重复进行试验，共获取试验数据20 组；（6）试验完成后试验人员整合记录的数据，并将眼动数据根据路面状态进行分类及预处理。

3 注视特性分析

3.1 注视时间

注视时间是指眼球两次跳跃运动之间相对静止状态的一段时间，对试验眼动行为数据进行统计，得到注视时间的占比见图4。

图4 驾驶员注视时间占比/%

从图4 可以看出：（1）无论在哪种路面状态下，驾驶员在城市拥堵道路行车时，主要通过注视行为来获取道路信息，其注视时间占比都在70% 以上。（2）随着路面附着系数的降低，驾驶员平均注视时间占比呈上升趋势，影响其获取道路信息的能力。

3.2 注视点分布

注视点的分布可以根据注视区域进行划分，但这种方式只能获取驾驶员对某区域的注视集中程度，无法反映对具体事物的注视兴趣［9］。按注视对象属性对驾驶员注视点分布进行划分。通过观察试验中眼动仪录制的视频，总结归纳驾驶员在行车时主要注视点的分类。

表2 注视点分类

根据分类统计驾驶员在拥堵道路无冰雪、光滑压实雪、融冻冰雪、溶融冰雪状态下的各类注视点累计注视次数占比见图5。

图5 各类注视点累计注视次数占比

由图5 可以看出驾驶员在城市道路行驶时，注视点主要集中分布在道路交通流类及道路路况类，尤其是在融冻冰雪状态时，驾驶员对这两类的注视次数更高，占比超过40%。在冰雪条件下驾驶员对道路景观类注视次数较少，由此可以看出驾驶员在拥堵冰雪条件下行车时精神保持高度紧张，无暇顾及道路景观。三种冰雪状态下驾驶员对车内仪表盘及后视镜等的注视次数较为平均，占比在7% 左右。

3.3 注视持续时间

注视持续时间是指在注视过程中，视轴中心位置保持不变的持续时间，单位以ms 计。注视持续时间的长短代表驾驶员所需处理信息的难易程度，单次注视持续时间越长则表示所需处理的信息难度越大，但有时注视持续时间过长的目标并不一定比注视持续时间短的目标更有意义。对驾驶员在寒区拥堵城市道路的数据进行统计分析，结果见表3。

表3 注视持续时间统计结果

通过表3 可以看出，驾驶员在融冻冰雪状态的拥堵道路上行车时注视持续时间均值最高，达到327.664 ms。融冻冰雪状态下的附着系数极低，附着力无法与外力保持平衡，致使车辆稳定性受到破坏，易发生侧滑。驾驶员此时所需处理的道路信息最为复杂、难度也最大。此外，因溶融冰雪常见于道路两侧，且呈现干湿相间特点，所以该状态在城市拥堵道路对驾驶员影响较小，其注视持续时间均值与无冰雪状态路面相差很小，分布在300 ms 左右。

为进一步判断各道路状态间的注视持续时间是否具有差异性，首先对样本进行正态性检验，检验结果的S-W 统计量和相对应的概率P 值见表4。

表4 注视持续时间S-W 检验统计量

由检验结果可以得到，寒区不同路面状态下驾驶员平均注视持续时间P 值均大于0.05，符合正态分布。对四组样本数据进行方差齐次检验，得到基于平均值的Levene 统计量为1.391，对应显著性P=0.920＞0.05，可以认为寒区不同路面状态的各组样本数具有方差齐次性。

进一步进行单因素方差分析，检验得到显著性P=0.001＜0.05，即在拥堵状态下的寒区城市道路行车时驾驶员的平均注视持续时间具有显著差异性。利用LSD 法对不同冰雪路面状态下的平均注视持续时间两两对比，得到的多重比较结果见表5。

表5 注视持续时间LDS 检验结果

从表5 可以看出，除无冰雪与溶融冰雪路面之间对比无显著差异性外，其他两两路面状态样本之间都存在显著性差异。

4 结语

从驾驶员注视行为入手，分析寒区拥堵城市道路对驾驶员注视特性的影响。通过描述性统计分析得到不同路面状态下驾驶员注视行为的分布规律，随路面附着系数的降低，注视时间占比呈上升趋势，最高可达76.65%。在拥堵道路光滑压实雪及融冻状态，驾驶员对路况及交通流关注更高。对注视特性进行正态检验及差异性分析，确定驾驶员注视持续时间受寒区拥堵环境影响，路面附着系数＜0.25 时造成驾驶员获取道路信息困难从而影响行车安全。据此结果可将驾驶员注视特性作为评价寒区拥堵城市道路行车安全的评价指标。根据寒区气候特点，确保及时进行有效的冬季除雪工作，减轻寒区冰雪天气及拥堵给城市道路带来的不良影响。