高速公路涉路拼宽施工路段驾驶员的视觉特性

李凌志 张荣昊 戚胜辉 陈伟 高建平

摘要：为研究高速公路涉路拼宽施工作业区驾驶员的视觉行为特性，采用眼动仪、抬头显示（head-up display，HUD）等设备采集实车试验中驾驶员通过一般路段和涉路拼宽施工作业区路段的视觉参数，统计分析试验路段平均瞳孔直径变化率、单次注视持续时间和注视区域，采用回归分析曲线拟合和突变理论确定平均瞳孔直径变化率和注视持续时间的风险临界值；采用K-均值聚类算法将注视区域分为道路左侧、右侧近处、右侧远处、道路前方。结果表明：在涉路拼宽作业区，驾驶员的平均瞳孔直径变化率呈U型分布；驾驶员看到限速标志时平均瞳孔直径变化率超过风险临界值，之后平均瞳孔直径变化率逐渐降至0.13；进入上游过渡区、缓冲区及工作区，平均瞳孔直径变化率增大且维持在约0.24的较高水平；涉路拼宽作业区影响范围为警告区前184.27 m至终止区后69.98 m；进入工作区后注视区域整体偏右，注视区域变化趋势为由远及近再及远，涉路拼宽施工作业区警告区的限速标志与上游过渡区交通安全设施布置对驾驶员的影响较明显。

关键词：视觉行为；平均瞳孔直径变化率；注视持续时间；注视区域；施工路段

中图分类号： U491;U471.3文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0074-08

引用格式：李凌志，张荣昊，戚胜辉，等.高速公路涉路拼宽施工路段驾驶员的视觉特性［J］.山东交通学院学报，2024，32（2）：74-81.

LI Lingzhi， ZHANG Ronghao， QI Shenghui， et al. Visual characteristics of drivers in widened construction sections of highway intersection areas［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：74-81.

0 引言

在行车过程中，驾驶员依靠视觉获得80%～90%的交通信息[1-2]，涉路工程或改扩建工程改变了高速公路的通行条件，驾驶员的工作负荷增大，影响行车安全[3]。研究高速公路涉路施工对驾驶员视觉行为的影响，可为作业区安全设施布置和交通管控提供基本理论支撑。

沈一川[4]研究高速行驶状态下驾驶员视觉特征与车辆运行特征的相关性，认为在不同视觉环境下驾驶员保持车速的能力差异明显；高建平等[5]基于动态聚类法和马尔科夫链理论分析高速公路养护作业区上游过渡区驾驶员的注视行为，认为驾驶员的注视点由以前方视野为中心向各注视区域间转移，且对封闭车道一侧的注视概率增大；Shang等 [6]采用模拟驾驶试验量化不同景观环境下不同经验驾驶员眼动指标的变化规律，发现景观环境的信息组合元素与眼动指标呈U型关系， 最佳阈值为每km 4个信息组合元素；Du等[7]采用记忆检索方法分析不同交通标志信息密度引起的24位驾驶员的视觉工作记忆负荷，确定信息密度阈值；郭应时等[8]研究多组驾驶员的注视特性，认为驾驶员主要通过中间区域获取信息，其次为右侧区域，对左侧区域的关注较少；高振海等[9]认为驾驶员的视线搜索广度随车速的增大而减少，且对左右后视镜的观测概率小于低速行驶阶段；张存保等[10]采用模型预测控制方法建立关联施工区可变限速协调控制模型，有效提高车辆在施工路段的通行效率；王希平等[11]分析高速公路改扩建施工作业区长度的影响因子，发现驾驶员观察到警告和限速标志后加大减速幅度，在上游过渡区车辆整体速度减小；于仁杰等[12]基于驾驶员视认性和短时记忆方法，认为层级限速标志适用于交通量大且排队长度向上游持续延伸的情况；周健等[13]通过实车眼动试验分析注视分布、注视时间和瞳孔直径等数据的分布规律，认为交通标志、车辆干扰和作业活动是驾驶员驾驶行为的主要影响因素。现有研究主要集中于养护作业区路段和改扩建作业区路段驾驶员的眼动特征与心理特性，对涉路工程施工路段引起的驾驶员眼动特征变化规律的研究较少。

本文以浙江温州新建金丽温高速公路东延线与既有公路涉路拼宽施工项目为研究对象，通过实车试验，研究涉路拼宽施工对甬台温高速公路驾驶员行为的影响特征，为涉路施工作业区行车路侧环境保证和交通安全设施的有效设置提供指导。

1 试验设计

1.1 试验路段

金丽温高速公路东延线全长22.047 km，东延线高架桥右幅在南白象枢纽处跨越既有甬台温高速，左幅在大罗山隧道前跨越甬台温高速公路。本项目线路共有32处涉路点对甬台温高速公路产生影响，其中18处位于匝道或主线路基边坡，4处位于既有甬台温高速公路中央隔离带，6处位于既有甬台温高速公路行车道上，4处为桥梁拼宽。施工作业区范围涉及既有甬台温高速公路主线、部分匝道及变速车道，后续施工对甬台温高速公路现有道路行驶和枢纽交通转换影响较大，安全风险较大。现有甬台温高速公路试验路段为双向四车道，宽24.5 m，设计速度为100 km/h，现状交通量为81 496 pcu/d，六级服务水平。为保障涉路施工期间甬台温高速公路畅通，将现有的部分甬台温高速公路南白象枢纽-园区北路段双向四车道路段拼宽至双向八车道，甬台温公路涉路拼宽施工作业区如图1所示。

选取甬台温高速公路温州东枢纽-塘下互通段为试验路段，其中包括涉路拼宽作业区路段。涉路拼宽施工作业占用全部或部分硬路肩，施工时封闭硬路肩，在施工区域内设置水马隔离或临时性防护，警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区、终止区的长度分别为1 000、120、80、150、50、30 m。作业区标志设置区域及距离如表1所示。

1.2 数据采集

以宝沃5座城市越野车为试验车，采用非侵入式眼动仪Smart Eye5.7、抬头显示（head-up display，HUD）设备、电脑、电源、摄像机等设备采集数据，在非节假日晴天进行实车试验，试验时段为8：00—16：00，选择16位驾龄超过5 a的驾驶员，配备1名数据采集人员。

试验过程中，驾驶员在试验路段内侧车道行驶，采集驾驶员行驶在一般路段和作业区路段不同位置的瞳孔直径、注视时间；采用摄像机与HUD实时记录车速、行车状态和道路环境。

1.3 驾驶员眼动特征指标选取

视觉指标在一定程度上反映驾驶员所处行车环境及眼动行为，例如，注视持续时间及瞳孔直径变化率反映驾驶员认知工作的负荷和紧张程度[14-15]。根据不同指标的意义和表征效果，选取平均瞳孔直径变化率、注视持续时间、注视次数和注视区域分布作为驾驶员眼动特征指标。

为客观衡量驾驶员的行车状态，消除驾驶员的个体差异，以瞳孔直径变化率作为瞳孔直径表征指标[16-18]。以驾驶员行驶在平直路段的瞳孔直径d0为基准，瞳孔直径变化率

EAP=1t1－t2∫t2t1dt－d0d0dt ，（1）

式中：dt为驾驶员在试验路段行驶过程中的瞳孔直径，mm； t1 、t2为不同行驶时刻。

驾驶员注视特性一般包括注视持续时间、注视次数和注视区域分布。在视觉搜索过程中，人眼往往注视引人注目或信息密度较高的区域，通过注视区域分布表征驾驶员的注意力分布区域；通过注视点数反映视觉区域的注意力焦点数；通过驾驶员的注视持续时间表征行车环境的信息密度和认知难度。

2 试验数据分析

2.1 瞳孔直径变化

2.1.1 试验路段平均瞳孔直径变化率沿线分布特征

根据式（1）计算驾驶员瞳孔直径变化率，为保证数据的有效性，剔除瞳孔直径追踪质量小于0.5的数据[19-20]，由眼动仪提供追踪质量数据。为更清晰地显示不同路段沿线瞳孔直径变化率的变化趋势，每5 s取平均瞳孔直径变化率，如图2所示。在作业区路段及一般路段上，分别取16位驾驶员每1 s的平均瞳孔直径变化率进行单因素方差分析，如图3所示。

由图2可知：在作业区路段，驾驶员的平均瞳孔直径变化率比一般路段大，且分布不平稳。原因是驾驶员进入作业区路段后受警告标志、限速标志、隔离设施及其他作业车辆等影响，认知工作负荷增大。由图3可知：显著性水平为0.05时，作业区路段的平均瞳孔直径变化率与一般路段差异明显。

2.1.2 平均瞳孔直径变化率风险临界值

采用累计频率法选定该试验路段驾驶员平均瞳孔直径变化率的风险临界值（通常大于0.20）[16-17]。对平均瞳孔直径变化率频数的累计占比y进行拟合，拟合公式为：

y=y0+Aexp[-（x－xc）22w2]，

式中：x为平均瞳孔直径变化率的区间中心；y0、A、xc、w为拟合参数，y0=1.003 9，A=－1.041 6，xc=－0.050 5，w=0.120 7。

曲线拟合优度R2=0.98，以此选定驾驶员在试验路段的平均瞳孔直径变化率EAP的风险临界值，试验路段平均瞳孔直径变化率累计频率占比如图4所示。由图4可知，驾驶员在试验路段的平均瞳孔直径变化率集中于0～0.22。根据突变理论，平均瞳孔直径变化率超过0.22的累计频率占比上升趋势明显减缓，平均瞳孔直径变化率为0.22对应累计频率占比为0.926 8。平均瞳孔直径变化率累计频率占比拟合函数的一阶导数如图5所示。经计算可知：平均瞳孔直径变化率累计频率拟合函数的一阶导数在EAP=0.22变化趋缓，与平均瞳孔直径变化率累计频率占比曲线对应参数一致。因此，根据图4、5将0.22作为平均瞳孔直径变化率的风险临界值。

2.1.3 作业区路段平均瞳孔直径变化率

根据平均瞳孔直径变化率的风险临界值，计算得到试验路段风险点的平均时间间隔为12.14 s，以此为风险临界值划分风险路段，可知在作业区路段前、后驾驶员瞳孔直径变化波动最大，根据车速确定对应位置信息，如表2所示。

由表2可知：16位驾驶员开始进入相对紧张状态的平均距离是在到达警告区起点前184.27 m，施工预告标志、限速标志等给驾驶员造成视觉和心理上的冲击；离开终止区终点69.98 m后，驾驶员心理指标恢复至正常水平。

在作业区路段及前后影响区间内，驾驶员的平均瞳孔直径变化率分布如图6所示。由图6可知：在上游过渡区、缓冲区及工作区的多个位置，驾驶员的平均瞳孔直径变化率超过临界值0.22，维持在约0.24的较高水平，原因是驾驶员需判断安全设施布置、相邻车道车辆行为、横向位置判断、车速控制等，工作负荷较大。为方便统计，每5 s取16位驾驶员的平均瞳孔直径变化率进行多项式拟合，在作业区路段驾驶员平均瞳孔直径变化率数据及拟合曲线如图7所示。由图7可知，作业区内驾驶员平均瞳孔直径变化率拟合曲线呈U型。驾驶员在警告区起始区域平均瞳孔直径变化率较高，预览作业区并掌握工作区的位置等相应信息后，平均瞳孔直径变化率逐渐降至约0.13；看到限速60 km/h标志，进入上游过渡区、缓冲区及工作区时，驾驶员需处理的交通信息增多，工作负荷增大，平均瞳孔直径变化率再次增大。

2.2 注视行为特征分析

2.2.1 单次注视持续时间分析

通过四分位法筛选试验路段单次注视时间较长的点作为风险临界值，如图8所示。由图8可知，单次注视时间的风险临界值为466.667 ms。

以风险点平均间隔8 s作为单次注视时间异常路段的阈值，单次注视持续时间异常路段如表3所示。由表3可知：驾驶员在到达警告区起点前173.35 m，至驾驶员在终止区路段后约48.69 m的行驶过程中，需更多的注视持续时间识别和应对增加的交通信息。

作业区路段驾驶员单次注视持续时间分布如图9所示。由图9可知：作业区路段存在多处单次注视时间大于466.7 ms的风险点，表明驾驶员在该路段行驶时需用更多的注视时间处理增加的交通信息。

警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区的最大单次注视持续时间分别为750.00、466.67、366.67、366.67、383.33 ms，平均单次注视持续时间分别为223.15、299.33、189.08、174.17、161.19 ms。在作业区路段行驶过程中，上游过渡区的平均单次注视持续时间比其他区段长，其次是警告区；警告区中的限速标志对单次注视持续时间影响最明显；上游过渡区的最大单次注视持续时间达到临界值，表明在警告区和上游过渡区，驾驶员处理交通信息度难度较大。

2.2.2 注视区域分析

采用K-均值聚类分析法[21]划分驾驶员的注视区域，用欧式距离计算第i个样本点xi距第j个聚类中心的距离

d（x，y）= ∑ni=1（xi－yi）2，

式中n为聚类中心样本数。

将作业区路段注视区域分别划分为3、4、5、6个聚类簇，通过分析可知，4个聚类簇更接近在涉路拼宽施工作业区路段驾驶员的实际行车注视区域分布。将驾驶员的行车注视区域划分为道路左侧、右侧近处、右侧远处、道路前方，作业区路段注视区域分布如图10所示。由图10可知：驾驶员注视区域有较明显的簇集现象，道路前方和右侧远处区域尤其明显；大部分驾驶员注视区域靠近视点纵坐标为0的位置且整体偏右，原因是在作业路段行驶更需关注施工设施、隔离设施、路侧标志等对右侧车道车辆行为的影响。

16位驾驶员在一般路段上对道路左侧、道路前方、右侧远处、右侧近处的平均注视区域占比分别为6.1%、57.3%、32.1%、4.5%，在作业区路段分别为11.9%、40.7%、41.7%、6.6%。在一般路段到作业区路段行驶过程中，驾驶员的主要注意力由道路前方区域过渡到右侧远处区域。

用K-均值聚类法分析作业区不同区段驾驶员注视区域分布占比，如表4所示。

由表4可知：进入作业区路段，驾驶员的注视区域分布由远及近再远；在警告区，驾驶员约47%的注意力集中在右侧远处，上游过渡区约42%的注意力集中在右侧近处，缓冲区和工作区对右侧近处注视占比均较大，分别为49%、45%，下游过渡区及终止区对右侧近处注视占比降至24%，注视中心转移至道路前方和右侧远处。

3 结论

研究高速公路涉路施工对驾驶员视觉行为的影响，为施工路段交通安全设施设置提供参考，选取平均瞳孔直径变化率、单次注视持续时间和注视区域分布作为驾驶员眼动特征指标。

平均瞳孔直径变化率的风险临界值为0.22，涉路拼宽作业区警告区前184.27 m到终止区后69.98 m内驾驶员瞳孔直径变化较大；涉路拼宽作业区路段驾驶员平均瞳孔直径变化率曲线呈U型，在警告区内起始位置附近超过风险临界值后，平均瞳孔直径变化率逐渐降至约为0.13，上游过渡区前平均瞳孔直径变化率增大，缓冲区及工作区平均瞳孔直径变化率约为0.24。

最大单次注视持续时间出现在警告区，在警告区和上游过渡区驾驶员的平均注视持续时间较长，存在超过注视风险临界阈值的单次注视点；驾驶员在涉路拼宽施工作业区行驶更需关注路侧标志、隔离设施及右侧车道车辆换道行为等，视点分布整体偏右。警告区和上游过渡区的限速标志与渠化设施对驾驶员处理交通信息的影响较大。在警告区，驾驶员的主要注意力集中在右侧远处，上游过渡区注视中心为右侧近处，缓冲区和工作区对右侧近处注视占比增大，在下游过渡区及终止区，注视中心转至道路前方和右侧远处，注视区域变化为由远及近再远。

参考文献：

[1] 李之红.基于实车眼动实验的驾驶员注视行为建模分析[J].科学技术与工程，2018，18（11）：312-317.

[2] 田晶晶，李世武，孙文财，等.高速公路隧道环境对驾驶员注视特性的影响[J].江苏大学学报（自然科学版），2016，37（3）：264-267.

[3] 戚春华，王笑男，朱守林，等.基于驾驶员视觉兴趣区域的交通工程设施信息量阈值研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2021，40（7）：53-60.

[4] 沈一川.高速公路视觉环境与车辆运行特征相关性分析[J].交通与运输，2021，37（4）：90-94.

[5] 高建平，谢义昌，刘圆圆，等.高速公路养护作业上游过渡区驾驶员注视转移特性研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2019，38（5）：86-90.

[6] SHANG Y， ZHU S L， QI C H. Study on the law of drivers′ eye movement index in different landscape environment[J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2021，638（1）：012035.

[7] DU J W， REN G， LIU W， et al. How is the visual working memory load of driver influenced by information density of traffic signs[J].Transportation Research Part F： Psychology and Behaviour，2022（4）：65-83.

[8] 郭应时，马勇，付锐，等.汽车驾驶员驾驶经验对注视行为特性的影响[J].交通运输工程学报，2012，12（5）：91-99.

[9] 高振海，李扬，张慧，等.不同车速下驾驶员变换车道前视行为特征规律[J].吉林大学学报（工学版），2016，46（5）：1385-1390.

[10] 张存保，江周，李薇，等.高速公路关联施工区可变限速协调控制方法[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017，41（6）：905-909.

[11] 王希平，周涛，夏卫刚，等.高速公路改扩建施工作业区长度研究[J].公路交通科技（应用技术版），2016，12（10）：211-214.

[12] 于仁杰，马荣国，韩海，等.高速公路施工区限速标志位置确定方法[J].交通运输工程学报，2013（5）：91-98.

[13] 周健，凌泽权，高建平，等.不同路段作业区驾驶员反应特性对比研究[J].公路交通技术，2017，33（6）：117-121.

[14] 商艳，朱守林，戚春华.草原公路长直线段最佳信息量阈值研究[J].中国安全科学学报，2021，31（6）：189-195.

[15] 孟云伟，张熙衍，青光焱， 等.山区双车道公路路域空间中驾驶视觉心生理负荷特性研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2021，45（3）：403-407.

[16] 杨波，邓华.基于驾驶员眼动特征的蓄能荧光标线诱导特性及设置方法[J].科学技术与工程，2020，20（35）：14694-14700.

[17] 孟云伟，张熙衍，青光焱，等.山区双车道公路路域空间中驾驶视觉心生理负荷特性研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2021，45（3）：403-407.

[18] 张娟，朱文强，李晓伟，等.连续长坡路段组合线形与驾驶员瞳孔大小关系的试验分析[J].安全与环境学报，2018，18（1）：188-193.

[19] 蒋生珍，王舸，张续光，等.山区高速公路门架式标志牌视认特性研究[J].科学技术与工程，2016，16（19）：294-299.

[20] 刘卓凡， 付锐， 马勇，等.高速跟车状态下驾驶员最低视觉注意力需求[J].中国公路学报， 2018，31（4）：28-35.

[21] 袁伟，付锐，郭应时，等.基于马尔可夫链的驾驶员视觉转移特征[J].长安大学学报（自然科学版）， 2012，32（6）： 88-93.

Visual characteristics of drivers in widened construction sections of

highway intersection areas

LI Lingzhi1， ZHANG Ronghao2*， QI Shenghui3， CHEN Wei1， GAO Jianping2

1. Wenzhou Jinliwen Expressway East Extension Co.， Ltd.， Wenzhou 325000， China;

2. School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China;

3. Wenzhou Traffic Engineering Management Center， Wenzhou 325699， China

Abstract：To study the visual behavior characteristics of drivers in the lane-widening construction zone on highways， eye trackers， head-up displays （HUD）， and other devices are used to collect visual parameters of drivers passing through regular road segments and lane-widening construction zones in real vehicle tests. Statistical analysis is conducted on the average pupil diameter change rate， duration of single gaze， and gaze area in the test segments. Regression analysis curve fitting and sudden change theory are used to determine the risk threshold values of the average pupil diameter change rate and gaze duration. Using the K-means clustering algorithm， the gaze areas are classified into left side of the road， near right side， far right side， and road ahead. The results show that in the lane-widening construction zone， the average pupil diameter change rate of drivers follows a U-shaped distribution. When drivers see speed limit signs， the average pupil diameter change rate exceeds the risk threshold value， and then gradually decreases to 0.13. Upon entering the upstream transition zone， buffer zone， and work zone， the average pupil diameter change rate increases and remains at a relatively high level of about 0.24. The impact range of the lane-widening construction zone is from 184.27 m before the warning area to 69.98 m after the termination zone. After entering the work zone， the overall gaze area skews to the right， and the gaze area trend shifts from far to near and back to far. The placement of speed limit signs in the warning area and traffic safety facilities in the upstream transition zone of the lane-widening construction zone have a significant impact on drivers.

Keywords：visual behavior characteristics; average pupil diameter change rate; duration of single gaze; gaze area； construction section

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2023-01-09

基金项目：浙江省交通运输厅科技计划项目（2021065）；四川省交通运输科技项目（2022-A-1）；重庆市研究生联合培养基地建设项目（JDLHPYJD2018005）

第一作者简介：李凌志（1981—），男，浙江温州人，高级工程师，主要研究方向为土木工程建设与管理、路面裂缝检测，E-mail：328450789@qq.com。

*通信作者简介：张荣昊（1996—），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为交通运输，E-mail：913035548@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.011