不同道路环境下驾驶人视觉特性分析1

吴立新，刘子铭

吉林建筑大学交通科学与工程学院

0 引 言

由于中国城市化进程的加速和城市范围的扩张，原有的农村区域逐渐被划入至城区或发展为新城区，而完备的配套设施及蓬勃发展的产业也吸纳着大批的人流及车辆，这就对该区域的交通提出了全新的需求。该区域服务对象由原来单一的机动车交通者转向了各类交通参与者，主要面向行人、机动车及非机动车；而这部分区域介于农村和城市中间，道路功能也处于公路及城市道路之间，交通环境在道路与交通特性方面与普通城市道路有很大差异，且各项交通设施设计没有明确规范要求，多数仍延用公路标准，然而这些标准对城乡结合部道路并不一定完全适用。驾驶员在道路环境中起着重要作用，研究城乡结合部道路与城市道路中驾驶员眼动特征的差异性，对未来城乡结合部道路向城市道路转变有很大作用。

国内外学者在这方面进行了深入的研究，赵亮等[1]通过研究新老驾驶员在复杂的农村公路环境中的眼动特性，发现新驾驶员的瞳孔直径变化剧烈，而老驾驶员短时间的注视特性较多。齐博[2]通过驾驶员的实车试验，对城市道路与普通公路驾驶员眼动参数进行对比研究，分析了眼动参数与道路环境是否具有差异性。乔建刚等[3]研究了穿城镇道路驾驶员眼动特性，将试验道路分为三个不同的路段，进而分析了驾驶员的注视特征和扫视特征。侯建利等[4]则深入研究了草原公路不同线形对车速和驾驶员视觉特性的影响，得出驾驶员行驶在长直线路段时，瞳孔直径随直线长度增加呈现出先增大后减小的变化趋势。商艳等[5]通过对草原公路长直线段最佳信息量阈值研究，选取眨眼持续时间、瞳孔直径、扫视幅度3个眼动参数进行分析，发现眼动指标与信息量呈U形关系。杨运兴等[6]研究了山区高速公路边坡路段对驾驶员视点分布的影响，发现路侧路堑边坡会使驾驶员产生紧迫感，驾驶员重点注视的区域位于前方中间以及近前方。曹雪娟等[7]对城市道路驾驶员的眼动特性进行了深入研究，发现随着城市道路行驶环境越复杂，驾驶员的注视时间和扫视时间越长，对行车的负面影响就越大。CALVI等[8]通过驾驶模拟器研究了隧道对驾驶行为的影响。T.DARJA等[9]运用眼动追踪技术，研究了路边告示牌和交通标志对驾驶员观察性的影响。

综上所述，目前国内外有关驾驶员眼动研究特点的研究成果大都侧重于驾驶人自身特性，没有考虑特定道路交通环境和特定地区对驾驶员眼动特性的直接影响。本文重点从城乡结合部道路与城市道路的环境条件不同入手，利用眼动仪在城乡结合部道路与城市道路环境下对驾驶员眼动特征进行研究，分析驾驶员眼动特性在两种道路交通环境下的差异性。

1 实验设计

1.1 试验路段

城乡结合部道路选择长清公路建国路公交站—奢岭公交站，该道路为双向4车道，全长10 km，该路段车流量较城市道路小，道路环境相对简单但是车速较城市道路快，道路中间用标线进行分隔，行人过马路时比较随意，没有秩序；城市道路为长春市北海路，该道路经过社区、市场、超市等，交通量较大，行人和车辆造成的干扰多。城乡结合部道路与城市道路的横断面如图1和图2所示。

图1 长清公路横断面（单位：m）

图2 北海路横断面（单位：m）

1.2 试验驾驶人

本次试验选了4名驾驶员，无生理缺陷、视力正常或矫正正常，无色盲或色弱且听力正常，驾龄在3年以上，驾驶经验和身体状况良好。

1.3 试验仪器

试验仪器采用德国制造的DIkablis眼动仪、D-Lab软件、笔记本电脑一台、普通汽车一台等。

1.4 试验准备及过程

1.4.1 实验时间

在晴朗的白天进行实车试验，能见度良好。

1.4.2 试验流程

实验前检查车辆和仪器，保证能够正常试验，让驾驶员进行眼动仪的佩戴，然后进行眼动仪的校准，每次试验要求4人参与，1名驾驶员佩戴眼动仪，1名负责保证终端设备的正常运行，2名负责驾驶员驾驶行为和交通状况的记录工作。

2 试验数据分析

本次试验所采用的眼动仪由于在实验中只在头部架设两个检测眼睛的摄像头，当驾驶员头部转动较大时眼动仪就会检测不到眼球而导致数据失效，此外，光照强度会影响眼动仪获取数据，导致数据出现偏差甚至丢失，所以只对正常数据进行分析。D-Lab眼动仪采集的部分原始数据如图3所示。

图3 眼动仪采集的部分原始数据

2.1 注视持续时间分析

车辆在不同道路环境下行驶时，因环境的变化，驾驶员注视持续时间也会发生相应的变化，本文通过分析注视持续时间和平均注视时间两个眼动参数来探究不同道路环境下驾驶员注视行为的差异性。

注视持续时间是指驾驶员注视点不发生变化的持续时间，反映获取某目标信息所用的时间和获得信息的难度[10]。为了进一步分析不同道路环境下驾驶员眼睛适应情况，将驾驶员在城市道路和城乡结合部道路的注视持续时间分别进行分析，由于驾驶员的注视持续时间集中在1～1 000 ms，按50 ms为分段间距得到不同道路类型的注视持续时间如图4所示。

图4 不同道路环境驾驶员注视持续时间

从图4可以看出，在不同的道路上，驾驶员的注视时间分区段变化趋势基本相同，注视持续时间在0～1 000 ms区间分布不均匀，驾驶员的注视持续时间在0～200 ms之间所占比例最高，在该区段内两者所占的比例分别达90.96%和78.38%，而其他区段所占比例不到10%，驾驶员注视持续时间在0～100 ms与100～200 ms骤减，而在200 ms以后两种道路上驾驶员的注视持续时间基本相同。

本文取注视持续时间的均值进行单因素方差分析，驾驶员的平均注视持续时间的均值如表1。

表1 不同道路环境下驾驶员平均注视时间 单位：ms

对不同道路环境的平均注视时间总体进行正态检验，利用S-W检验法检验得到概率P值，显著性分别为0.876和0.877，不同道路环境的概率P值都大于显著性水平0.05，不同道路环境的平均注视时间具有正态性。

（1）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2所示。

表2 方差齐次性检验

由表2可知Levene法检验统计变量为1.209，自由度对应的P值为0.333>0.05，所以上述数据方差相等，具有方差齐次性，符合方差分析的条件，因此可用单因素方差分析法进行检验，分析不同道路环境下对平均注视时间是否具有显著性。

（2）单因素方差分析。不同道路环境进行单因素方差分析结果如表3所示。

表3 不同道路环境平均注视时间单因素方差分析

由表3可以看出检验结果F=5.250，P=0.084>0.05，说明在0.05的显著性水平下，不同道路环境对平均注视时间不存在显著性差异。

2.2 瞳孔面积分析

瞳孔面积的大小可以反映驾驶员的紧张程度，同时也可以作为视觉信息状态的指标[2]。驾驶员在不同道路环境行驶过程中瞳孔面积分布如图5所示。

图5 不同道路环境驾驶员的瞳孔面积

由图5可以看出，城乡结合部道路环境下驾驶员的瞳孔面积主要集中在600～1 000 mm2，其中600～800 mm2占比最高，达到33%；城市道路环境占比最高的是1 000～1 200 mm2区间，达到22%。瞳孔面积在400～1 000 mm2之间时，城乡结合部道路占比均明显高于城市道路，瞳孔面积在1 000～2 000 mm2之间时，随着瞳孔面积的增大，两种道路环境瞳孔面积所占比例均呈下降趋势。

本文取瞳孔面积的均值进行单因素方差分析，驾驶员在城市道路和城乡结合部道路环境下平均瞳孔面积如表4所示。

表4 不同道路环境下驾驶员平均瞳孔面积 单位：mm2

对不同道路环境的平均瞳孔面积总体进行正态检验，利用S-W检验法检验得到概率P值，显著性分别为0.864和0.805，不同道路环境的概率P值都大于显著性水平0.05，不同道路环境的平均瞳孔面积具有正态性。

（1）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5所示。

表5 方差齐次性检验

由表5可知Levene法检验统计变量为0.520，对应的P值为0.511>0.05，具有方差齐次性，符合方差分析的条件，因此可用单因素方差分析法进行检验，分析平均瞳孔面积在不同道路环境下是否具有显著性。

（2）单因素方差分析。不同道路环境的单因素方差分析结果如表6所示。

表6 不同道路环境平均瞳孔面积单因素方差分析

由表6可以看出检验结果F=8.329，P=0.045<0.05，说明在0.05的显著性水平下，不同道路环境对平均瞳孔面积具有显著性差异。

2.3 扫视速度分析

本文从扫视速度和扫视平均速度两个眼动参数分析不同道路环境下的差异性。驾驶员在不同道路环境行驶过程中扫视速度分布如图6所示。

图6 不同道路环境下驾驶员扫视速度

由图6可以看出，两种道路环境下驾驶员扫视速度呈现先减小后增大再减小的趋势。其中城市道路0～30（°）/s所占比例最大，而城乡结合部道路90～120（°）/s所占比例最大，分别为22.22%和19.14%，这可以说明如果在城市道路环境下驾驶员用30（°）/s的速度来搜索目标，那么在城乡结合部道路环境下驾驶员需要用120（°）/s的速度来搜索目标。

本文取扫视速度的均值进行单因素方差分析，驾驶员在不同道路环境下的扫视平均速度如表7所示。

表7 不同道路环境下驾驶员扫视平均速度 单位：（°）/s

对不同道路环境的扫视平均速度总体进行正态检验，利用W-S检验法检验得到概率P值，显著性分别为0.228和0.278，不同道路环境的概率P值都大于显著性水平0.05，不同道路环境的扫视平均速度具有正态性。

（1）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8所示。

表8 方差齐次性检验

由表8可知Levene法检验统计变量为0.659，对应的P值为0.462>0.05，具有方差齐次性，符合方差分析的基本要求，因此可用单因素方差分析法进行检验，分析扫视平均速度在不同道路环境下是否具有显著性影响。

（2）单因素方差分析。对不同道路环境进行单因素方差分析，方差分析结果如表9所示。

表9 不同道路环境扫视平均速度单因素方差分析

由表9可以看出检验结果F=8.484，P=0.044<0.05，说明在0.05的显著性水平下，不同道路环境对扫视平均速度具有显著性差异。

3 结 论

通过Dikablis眼动仪获取不同道路环境下驾驶员的注视持续时间、扫视持续时间、扫视速度等眼动参数，分析不同道路环境下驾驶员的眼动特性，得出如下结论：

（1）驾驶员在不同道路环境下行驶时，注视持续时间变化趋势基本相同，驾驶员的注视持续时间在0～200 ms之间占比最高，分别为90.96%和78.38%，而在200 ms以后两种道路上驾驶员的注视持续时间基本相同。

（2）城市道路和城乡结合部道路环境下驾驶员平均瞳孔面积有显著差异。造成差异的原因：城市道路交通环境复杂，车流量大，驾驶员必须集中注意力搜索行车信息以保证安全；而城乡结合部道路驾驶环境单一，信息量相对城市道路小，驾驶员的视觉负荷小，所以城市道路环境下驾驶员的平均瞳孔面积比城乡结合部道路大。

（3）城市道路和城乡结合部道路环境下驾驶员扫视速度差别较大。其中城市道路0～30（°）/s所占比例最大，而城乡结合部道路90～120（°）/s所占比例最大，分别为22.22%和19.14%，这是由于相比城乡结合部道路，城市道路环境交通复杂，行人和车辆较多，造成干扰信息较多，驾驶员需要用更快的扫视速度来获取信息。