張 杰

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201800)

0 引言

行車過程中駕駛員視點(diǎn)隨著行車環(huán)境的不斷變換而變化，主要表現(xiàn)為駕駛員視覺注意的選擇、持續(xù)以及轉(zhuǎn)換。作為車輛運(yùn)行的直接載體，道路的平面線形是影響駕駛員視覺的關(guān)鍵因素。駕駛員通過前方道路線形輪廓進(jìn)行信息的視認(rèn)和加工，不良道路條件的影響是70%交通事故的直接或間接原因，因此有必要研究駕駛員視點(diǎn)特性與道路線形之間的關(guān)系，以利于評(píng)價(jià)道路運(yùn)行環(huán)境的安全性。

對(duì)駕駛員動(dòng)視點(diǎn)特性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了一定的研究，常用的指標(biāo)包括注視時(shí)間、眼跳時(shí)間、眼跳距離、視力角等［1］;有學(xué)者以駕駛員瞳孔變化為指標(biāo)以評(píng)價(jià)駕駛員的視覺負(fù)荷［2］;也有研究以駕駛員眼睛注視點(diǎn)位置、注視范圍以及眼球運(yùn)動(dòng)速度作為描述駕駛員視覺特性指標(biāo)量，評(píng)價(jià)高速公路線形對(duì)駕駛員視覺特性影響［3，4］。

筆者運(yùn)用目前較為先進(jìn)的Smart-Eye Pro智能眼動(dòng)儀進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲得駕駛員在不同公路平面線形條件下的眼動(dòng)指標(biāo)，主要以視點(diǎn)停留次數(shù)為參考指標(biāo)，定量描述了駕駛員視點(diǎn)分布與線形之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取某高速公路為實(shí)驗(yàn)路段，選取7名被試人員觀看已建公路的行車視頻并記錄眼動(dòng)指標(biāo)。行車速度為設(shè)計(jì)車速(80 km/h)，取被試人員眼動(dòng)指標(biāo)的均值作為分析值。

有研究對(duì)駕駛員視覺區(qū)域進(jìn)行了劃分［5，6］，結(jié)合高速公路的實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)中駕駛員注視區(qū)域的劃分見圖1，分為上方、下方、左側(cè)、右側(cè)、中間5個(gè)區(qū)域，其中中間區(qū)域左右夾角為20°、上下夾角為10°。

圖1 本實(shí)驗(yàn)駕駛員注視區(qū)域劃分

2 駕駛員視點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

用Smart-Eye Pro為每個(gè)被試人員建立包含眼睛、鼻孔、耳朵等特征點(diǎn)的頭部檔案(Head Profile)。給每個(gè)被試人員播放一段行車視頻，該視頻包含前文所劃分的各種路段，同時(shí)開啟Smart－Eye Pro的視線跟蹤功能，獲取各試驗(yàn)人員在不同注視區(qū)域內(nèi)的視點(diǎn)停留次數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

按照前文的路段劃分，獲得不同情況下的駕駛員視點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖2給出了非隧道段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖3為隧道段駕駛員在不同區(qū)域的視點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖4給出了不同平曲線曲率下駕駛員在不同注視區(qū)域的視點(diǎn)數(shù)據(jù)［7］。

圖2 非隧道段駕駛員不同區(qū)域視點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖3 隧道段駕駛員不同區(qū)域視點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖4 不同平曲線曲率下駕駛員在不同注視區(qū)域視點(diǎn)數(shù)據(jù)

3 視點(diǎn)分布特性

3.1 非隧道段視點(diǎn)分布特性

計(jì)算圖2非隧道段駕駛員視點(diǎn)在各個(gè)區(qū)域的總停留時(shí)間，見圖5。

圖5 非隧道段駕駛員視點(diǎn)在各個(gè)區(qū)域停留時(shí)間

可以看出駕駛員在彎道上的大部分時(shí)間視點(diǎn)都停留在中間區(qū)域和彎道內(nèi)側(cè)區(qū)域，這兩者之和在左轉(zhuǎn)彎曲線段和右轉(zhuǎn)彎曲線段分別達(dá)到了68%和77%，而在彎道外側(cè)的時(shí)間均未超過10%，可以得出駕駛員在彎道上行駛時(shí)對(duì)彎道內(nèi)側(cè)的信息需求較高，而對(duì)彎道外側(cè)可能存在獲取不利甚至忽視的情況。同時(shí)發(fā)現(xiàn)平曲線半徑越小，駕駛員在彎道外側(cè)的平均注視時(shí)間越小，即駕駛員的緊張度越高，具體數(shù)據(jù)見圖6、圖7。

圖6 左轉(zhuǎn)彎曲線段平均注視時(shí)間

圖7 右轉(zhuǎn)彎曲線段平均注視時(shí)間

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到曲線段彎道外側(cè)注視時(shí)間與半徑的關(guān)系，見式(1)和式(2)。

左轉(zhuǎn)彎曲線段右側(cè)區(qū)域:

右轉(zhuǎn)彎曲線段左側(cè)區(qū)域:

對(duì)于視認(rèn)過程，其中最小注視時(shí)間的確定是駕駛員注視點(diǎn)特征測(cè)定的基礎(chǔ)。一般而言，當(dāng)視點(diǎn)停留時(shí)間超過最小停留時(shí)間時(shí)，認(rèn)為駕駛員處于注視階段，為視覺信息加工的高級(jí)過程，當(dāng)視點(diǎn)停留時(shí)間不超過最小注視時(shí)間時(shí)，為掃視階段，是信息初級(jí)加工階段，此時(shí)駕駛員視覺負(fù)荷較大，對(duì)信息的確認(rèn)度較低。對(duì)于最小注視時(shí)間的標(biāo)定，國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定，一般認(rèn)為在 100 ～ 300 ms 之間［8，9］，本次研究采用 165 ms［10］，代入式(1)和式(2)計(jì)算，分別得到半徑為70 m和292 m，即當(dāng)平曲線半徑小于300 m時(shí)，建議對(duì)彎道外側(cè)路側(cè)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)改善以保證駕駛員獲得的視認(rèn)信息有效，且可以適當(dāng)降低駕駛員的視認(rèn)負(fù)荷。

對(duì)圖4數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到彎道外側(cè)視點(diǎn)停留時(shí)間與半徑的關(guān)系，見式(3)和式(4)。

左轉(zhuǎn)彎曲線段:

右轉(zhuǎn)彎曲線段:

駕駛員對(duì)偏離車道特定物體的注視時(shí)間為1.6～2.0 s［11］，為了保證有足夠時(shí)間獲取彎道外側(cè)的信息，尤其是標(biāo)志的信息，取彎道外側(cè)有兩塊標(biāo)志的不利情況，此時(shí)視點(diǎn)停留時(shí)間需約為4 s，代入式(3)和式(4)，計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的彎道半徑，左轉(zhuǎn)彎平曲線半徑為 601.53 m，右轉(zhuǎn)彎平曲線半徑為595.36 m。即轉(zhuǎn)彎半徑小于600 m時(shí)，建議在彎道內(nèi)側(cè)設(shè)置同樣標(biāo)志以保證駕駛員能夠及時(shí)獲取相應(yīng)信息。

3.2 隧道段視點(diǎn)分布特性

分析圖3數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在隧道入口段和出口段的注視時(shí)間大部分集中在中間區(qū)域，分別占總時(shí)間的62%和56%，而在隧道中間段，駕駛員的注視時(shí)間集中在下方區(qū)域，占了總數(shù)的72%。

在隧道出入口段，因道路環(huán)境及光線的變化，駕駛員心理緊張度增加，表現(xiàn)在視覺特性上即為視點(diǎn)活動(dòng)區(qū)域范圍的減小，對(duì)道路左、右方區(qū)域的信息關(guān)注度不夠，這時(shí)即使在路側(cè)設(shè)置了標(biāo)志，駕駛員也可能忽視這些信息，因此建議在隧道出入口設(shè)置立體型交通信息系統(tǒng)。例如設(shè)置路面限速標(biāo)線、路上限速標(biāo)志或者門架式標(biāo)志，減少駕駛員失誤的概率。

在隧道中間段，駕駛員對(duì)前方道路的信息需求較為強(qiáng)烈，且在隧道相對(duì)封閉的空間里缺少參照物，加之照明環(huán)境較差，駕駛員的速度感會(huì)降低，導(dǎo)致對(duì)自己的車速估計(jì)不足，也較難準(zhǔn)確判斷與前車的距離。所以駕駛員只能通過觀看儀表板來獲取車速信息，并且通過前車尾燈的引導(dǎo)來駕駛并判斷前車的距離。因此視點(diǎn)在下方區(qū)域和中間區(qū)域的停留次數(shù)較高且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他區(qū)域。此時(shí)駕駛員對(duì)道路線形的感知度降低，從圖3可以看出駕駛員對(duì)左、右側(cè)的注視時(shí)間均較少，建議相關(guān)道路重要信息應(yīng)該設(shè)置在前方和下方區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過眼動(dòng)儀實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的駕駛員視點(diǎn)指標(biāo)，得到了以下結(jié)論:

1)車輛在彎道上行駛時(shí)，駕駛員注視點(diǎn)主要集中在彎道內(nèi)側(cè)和中間區(qū)域。

2)當(dāng)平曲線半徑小于600 m時(shí)，駕駛員對(duì)獲取彎道外側(cè)的信息可能存在一定困難，這時(shí)建議在彎道內(nèi)側(cè)設(shè)置同樣標(biāo)志以保證駕駛員能夠及時(shí)獲取相應(yīng)信息。

3)當(dāng)平曲線半徑小于300 m時(shí)，駕駛員對(duì)彎道外側(cè)的注視壓力較大，建議對(duì)路側(cè)環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化以降低駕駛員的視認(rèn)負(fù)荷，保證駕駛員視認(rèn)信息有效。

4)在隧道出入口，駕駛員緊張度增加，視點(diǎn)活動(dòng)區(qū)域范圍明顯壓縮，建議在隧道出入口設(shè)置立體型交通信息系統(tǒng)。例如綜合設(shè)置路面限速標(biāo)線、路上限速標(biāo)志或者門架式標(biāo)志等以保證駕駛員及時(shí)獲得道路信息。

［1］Kliegl R.Grabner E，Rolfs M.Length frequency predictability effects of words on eye movement in reading［J］.European Journal of Cognitive Psychology2001，16(1):262 －284.

［2］杜志剛，潘曉東，郭雪斌.公路隧道進(jìn)出口行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(3):325－329.

［3］顧 強(qiáng).高速公路線形對(duì)駕駛員視覺特性影響研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［4］黃迎秋.山區(qū)與城市道路交通環(huán)境下駕駛員視覺搜索過程分析［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

［5］高翠翠.城市道路駕駛員注視區(qū)域熵率值研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

［6］Brackstone Mark，Ben Waterson.Are we looking where we are going.An exploratory examination of eye movement in high speed driving［C］.Transportation Research Board.Washington，DC，2004.

［7］潘曉東，杜志剛，楊 軫.動(dòng)視點(diǎn)指標(biāo)與隧道進(jìn)口平曲線半徑［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(12):1661 －1664.

［8］許洪國(guó)，劉兆惠，王 超.道路安全等級(jí)定權(quán)聚類評(píng)價(jià)模型及因素辨析［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7(2):94 －98.

［9］郭應(yīng)時(shí)，袁 偉，付 銳.道路交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)特性分析［J］.公路交通科技，2006，23(5):102 －105.

［10］杜志剛，李 杰，潘曉東，等.高速公路隧道路段駕駛員最小注視時(shí)間確定及應(yīng)用［J］.公路交通科技，2010，9(27):138－142.

［11］劉博華，孫立山，榮 健.基于眼動(dòng)參數(shù)的駕駛員標(biāo)志視認(rèn)行為研究［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011，8(11):22 －27.