胡洪瑞，劉龍繁，熊艷△，陳宇，蔣文濤，田曉寶

（1.四川大學(xué)工程力學(xué)系，生物力學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室，成都610065；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都610065）

1 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全國(guó)每年發(fā)生交通事故近40萬(wàn)起，死亡人數(shù)超過(guò)10萬(wàn)，受傷人數(shù)近50萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失近20億元。每年交通事故死亡人數(shù)占各類安全事故的75%。尤其是在我國(guó)汽車保有量?jī)H占全世界汽車總量8%的情況下，交通事故死亡人數(shù)卻超過(guò)全世界五分之一，我國(guó)已進(jìn)入道路交通事故高發(fā)期。因此，駕駛安全問(wèn)題成為了交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的重大問(wèn)題之一。

影響交通事故發(fā)生的因素主要有四個(gè)：一駕駛員；二車輛；三道路；四環(huán)境條件。圖1列出了道路交通系統(tǒng)中四種不同因素與交通事故的關(guān)系。

從圖1中可以看出，與駕駛員相關(guān)的因素占到交通事故總量的90%以上，由此可見(jiàn)，駕駛員在道路交通安全問(wèn)題中，起著重要作用，要預(yù)防交通事故發(fā)生，有必要對(duì)駕駛員的行為特性進(jìn)行研究。

圖1 影響交通肇事的因素［1］Fig 1 The factors which cause traffic accidents［1］

駕駛員在駕駛車輛時(shí)，主要依靠視覺(jué)來(lái)捕捉交通信息。在行車過(guò)程中，駕駛員需要及時(shí)感知各種交通信息。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，各種感覺(jué)器官給駕駛員提供的交通信息數(shù)的比例分布如下：視覺(jué)占80%；聽(tīng)覺(jué)占 15%；觸覺(jué)占 2%；味覺(jué)占 2%；嗅覺(jué)占2%［2］。由此可知，駕駛員的眼動(dòng)信息對(duì)研究駕駛員的行為特性具有重大意義。

眼動(dòng)儀作為對(duì)眼動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄的專業(yè)儀器，能從眼動(dòng)軌跡中提取諸如注視點(diǎn)，注視時(shí)間和次數(shù)，注視軌跡，熱點(diǎn)云圖，瞳孔大小等數(shù)據(jù)，從而研究個(gè)體在相關(guān)過(guò)程中的內(nèi)在認(rèn)知過(guò)程［3］。眼動(dòng)技術(shù)在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：工效學(xué)；頁(yè)面設(shè)計(jì)；廣告心理學(xué)；交通心理學(xué)等，具體包括對(duì)駕駛員視覺(jué)信息搜索的研究，駕駛疲勞檢測(cè)和駕駛培訓(xùn)等方面［4］。

不同路況下駕駛員的駕駛行為有所不同，Chapman等［5］研究發(fā)現(xiàn)駕駛員在不同路段上眼動(dòng)存在差異，不同駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員的駕駛行為也會(huì)有所不同；Borowsky等人［6］研究表明年輕沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員比經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員缺乏對(duì)危險(xiǎn)的預(yù)見(jiàn)能力。Konstantopoulos等人［7］研究了在白天、夜晚、雨天三種不同的可見(jiàn)度下駕駛經(jīng)驗(yàn)和駕駛員注意力之間的關(guān)系，結(jié)果表明教練比初學(xué)者的信息采樣率多1倍，能在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信息處理，有更廣的視野掃描范圍，教練比初學(xué)者更多的注視汽車上的鏡子。Young等［8］研究了在城市、高速和鄉(xiāng)村道路環(huán)境下廣告牌對(duì)駕駛者注意力、心智負(fù)荷和性能的影響；美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的駕駛行為實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的駕駛員危險(xiǎn)意識(shí)與預(yù)感研究平臺(tái)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的駕駛員相比未經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的駕駛可以更好的關(guān)注潛在危險(xiǎn)點(diǎn)［9］。英國(guó)David等通過(guò)駕駛試驗(yàn)，對(duì)熟練駕駛員的搜索廣度比非熟練駕駛員搜索廣度大的原因進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀察特定路況下非熟練駕駛員和熟練駕駛員的搜索特性，結(jié)果表明，訓(xùn)練能使駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間變短，搜索范圍增大［10］。國(guó)內(nèi)的李永芳［11］研究了駕駛員動(dòng)態(tài)注視點(diǎn)的分布規(guī)律，觀察不同車速下駕駛員通過(guò)標(biāo)示牌的視覺(jué)分布規(guī)律；黃秋迎［12］用眼動(dòng)儀記錄眼球運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，比較分析在不同道路交通環(huán)境中，駕駛員的視覺(jué)搜索存在的差異；李香紅［13］分析駕駛員不同景觀路段心率、心率增長(zhǎng)率變化特點(diǎn)并進(jìn)行心率增長(zhǎng)率與行駛時(shí)間、心率增長(zhǎng)率與行駛速度的相關(guān)性分析；林雨［14］等人運(yùn)用EMR-8B型眼動(dòng)儀對(duì)交通標(biāo)志的視角閾值進(jìn)行了研究，給出了視角閾值具體量化的數(shù)值表達(dá)式；對(duì)指路標(biāo)志信息量與視認(rèn)性關(guān)系進(jìn)行研究，建立了認(rèn)知時(shí)間與標(biāo)志信息量的量化關(guān)系。上述研究集中在不同道路環(huán)境或車速等方面對(duì)駕駛員搜尋模式、注意力等視覺(jué)信息的研究，對(duì)不同光線及天氣因素下的道路環(huán)境因素缺乏相關(guān)研究。

本研究通過(guò)模擬駕駛員在不同天氣狀況，不同路段，不同車速下的虛擬駕駛操作，利用眼動(dòng)儀采集駕駛員的眼動(dòng)信息數(shù)據(jù)，對(duì)比駕駛員的注視時(shí)間，注視軌跡，注視區(qū)域以及熱點(diǎn)圖等眼動(dòng)信息，分析研究駕駛員的視覺(jué)特性，得到車速，天氣，路段等因素對(duì)駕駛?cè)笋{駛行為的影響，為深入研究駕駛員的視覺(jué)行為規(guī)律、提高駕駛員行車安全性提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)

2.1 方法

駕駛員的眼動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，為了分析總結(jié)其眼動(dòng)特點(diǎn)與規(guī)律，我們將采集以下數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析：

2.1.1 注視次數(shù)與注視時(shí)間 可以直觀地反應(yīng)駕駛員對(duì)某一區(qū)域的關(guān)注程度，以及路況的復(fù)雜程度對(duì)駕駛員獲得信息的影響，大量研究表明，隨著路況的復(fù)雜程度增加，駕駛員的注視次數(shù)和注視時(shí)間也會(huì)隨之增加。

2.1.2 回視次數(shù) 發(fā)生回視是由于對(duì)該區(qū)域的信息提取產(chǎn)生困難，出現(xiàn)錯(cuò)誤等，一般來(lái)說(shuō)駕駛環(huán)境越復(fù)雜，回視次數(shù)會(huì)越多。

2.1.3 熱點(diǎn)圖 能很直觀地觀察駕駛員的注意力集中區(qū)域以及注意區(qū)域的變化情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)思路

2.2.1 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是影響駕駛員動(dòng)態(tài)視覺(jué)特征的基本因素，研究表明，隨著相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角速度的增加，人眼的最小可辨視角增大，動(dòng)態(tài)視覺(jué)的感知能力下降，視力與角速度之間具有線性關(guān)系，角速度大則視力低落。目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)速度慢，易被駕駛員看見(jiàn)；反之，目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)速度快，則駕駛員不易看清楚，動(dòng)態(tài)視覺(jué)特征變差。

2.2.2 顏色、照度 目標(biāo)物的顏色對(duì)動(dòng)態(tài)視覺(jué)有很大的影響。在靜止?fàn)顟B(tài)下，人眼對(duì)藍(lán)色最不敏感，但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、暗視條件下，藍(lán)色目標(biāo)物相對(duì)其它顏色的目標(biāo)物易被識(shí)別，而在明視條件下，藍(lán)色目標(biāo)物與其它顏色的目標(biāo)物并無(wú)顯著差異。這與靜止?fàn)顟B(tài)下目標(biāo)物顏色的影響是明顯不同的。目標(biāo)物的照度對(duì)駕駛員的動(dòng)態(tài)視覺(jué)同樣有影響，所以，一方面要求駕駛員要有良好的顏色視覺(jué)，另一方面要求在選擇交通安全設(shè)施的顏色時(shí)，必須考慮顏色對(duì)駕駛員動(dòng)態(tài)視覺(jué)的影響。同時(shí)要加強(qiáng)道路照明，盡量減輕照度對(duì)駕駛員動(dòng)態(tài)視覺(jué)的影響。本研究將設(shè)計(jì)三組不同照度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別為晴天光照較強(qiáng)，雨天光照較弱，夜晚光照極弱三種情況。

2.2.3 道路及其環(huán)境 由于駕駛員在駕駛時(shí)所搜集到的信息為路面信息，所以，如果路面狀況良好，駕駛員的動(dòng)態(tài)視覺(jué)就容易捕捉所需信息。反之，路面狀況不良，如出現(xiàn)積雪、凹坑或有障礙，就會(huì)分散駕駛員駕駛時(shí)的注意力，影響駕駛員的動(dòng)態(tài)視覺(jué)。本研究將對(duì)比城市道路與鄉(xiāng)村道路區(qū)別下駕駛?cè)说囊曈X(jué)行為差異，其中城市道路多為直線型，道路類型較簡(jiǎn)單，而鄉(xiāng)村道路多為彎道與坑洼地帶，道路情況樣復(fù)雜。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)被試共九人，考慮到減少本次試驗(yàn)的復(fù)雜程度，所有被試均為男性，年齡為20～24歲，均已獲得駕駛執(zhí)照。使用眼動(dòng)設(shè)備為SMI iView XTMRED500Hz。試驗(yàn)所用虛擬駕駛軟件為駕校模擬考核軟件，能夠比較真實(shí)模擬實(shí)際駕駛場(chǎng)景。被試在事先不知道試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)條件這樣一個(gè)雙盲試驗(yàn)中，由眼動(dòng)儀記錄下被試在虛擬駕駛過(guò)程中的視覺(jué)行為特征，因?yàn)槭请p盲試驗(yàn)，所以駕駛員的視覺(jué)行為特征和操作行為模式更加貼近實(shí)際情況。具體試驗(yàn)步驟如下：

被測(cè)在充分休息狀態(tài)良好條件下開(kāi)始試驗(yàn)，試驗(yàn)共為五組（考慮到連續(xù)試驗(yàn)駕駛員會(huì)出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，所以每組試驗(yàn)由三名被試輪流測(cè)試），分別為晴天天氣下城市道路的駕駛，雨天天氣下城市道路的駕駛，夜晚環(huán)境下城市道路的駕駛，晴天天氣下鄉(xiāng)村道路的駕駛，晴天天氣下高速路段的駕駛。每一組試驗(yàn)設(shè)置相同起始位置與結(jié)束位置，被試聽(tīng)到起步提示音后點(diǎn)火起步，聽(tīng)到結(jié)束提示音后靠邊停車（每組實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約為3 min左右）。整個(gè)試驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig 2 Experimental design

3 結(jié)果和討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖3a中我們可以看到，三名被試的回視次數(shù)分布規(guī)律大致相同，且回視次數(shù)都在夜晚城市道路達(dá)到最大，而晴天城市道路達(dá)到最小，顯然光線的明暗對(duì)駕駛員回視次數(shù)的影響最大，而回視次數(shù)越多表明駕駛員越容易造成失誤，因此，夜間駕車相較白天駕車，駕駛員更容易發(fā)生事故。圖3b中顯示夜晚與雨天下駕駛員的注視次數(shù)達(dá)到最大，而城市晴天注視次數(shù)最少，表明在雨天與夜晚駕駛員更難獲得道路信息。

圖3 a.視野信息區(qū)駕駛?cè)说幕匾暣螖?shù)；b.視野信息區(qū)駕駛?cè)说淖⒁暣螖?shù)Fig 3 a.Participants’regressive times；b.fixation times in visual information area

從圖4可以看出對(duì)于儀表盤(pán)信息區(qū)中，注視次數(shù)與回視次數(shù)都在雨天達(dá)到最高，而與視野信息區(qū)不同的是，夜晚?xiàng)l件下駕駛員對(duì)儀表盤(pán)的關(guān)注相對(duì)較少，因?yàn)橐雇硪曇皸l件相對(duì)惡劣，駕駛員注意力多集中與前方視野而對(duì)儀表盤(pán)注意力相對(duì)較少，并且駕駛員在夜晚行車車速大致為30碼左右，普遍低于其他情況。而在雨天下，駕駛員視線受到天氣干擾，想要與晴天到達(dá)相同駕駛速度則需要更為繁瑣的操作，所以雨天下駕駛員對(duì)儀表盤(pán)的關(guān)注會(huì)更多。

圖4 a.儀表盤(pán)信息區(qū)駕駛?cè)说幕匾暣螖?shù)；b.儀表盤(pán)信息區(qū)駕駛?cè)说淖⒁暣螖?shù)Fig 4 a.Participants'regressive times；b.fixation times in dashboard information area

3.2 熱點(diǎn)圖分析

圖5顯示了不同環(huán)境條件下被試在城市道路駕駛過(guò)程中的熱點(diǎn)圖。見(jiàn)圖5（a），在城市道路晴天天氣下，駕駛員熱點(diǎn)分布較廣，且多集中于道路遠(yuǎn)方，并且熱點(diǎn)在視野移動(dòng)較少，說(shuō)明駕駛員在晴朗天氣的城市道路下，注意力多集中于道路遠(yuǎn)方，并能夠擁有較廣的視野范圍，且能更容易快捷地處理視覺(jué)信息。同時(shí)熱點(diǎn)在視野信息區(qū)與儀表盤(pán)信息區(qū)之間的轉(zhuǎn)換相對(duì)較少且每次轉(zhuǎn)換速度迅速，說(shuō)明駕駛員在此條件下能夠良好的駕駛操作。如圖5（b）所示，在城市道路雨天天氣下，駕駛員熱點(diǎn)分布集中，熱點(diǎn)在視野信息區(qū)移動(dòng)頻繁，且在視野信息區(qū)與儀表盤(pán)信息區(qū)之間轉(zhuǎn)換頻繁，每次在儀表盤(pán)信息區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明駕駛員在城市道路雨天天氣下，視野范圍較窄，獲取視覺(jué)信息相對(duì)困難，且駕駛操作相對(duì)遲緩。如圖5（c）所示，在城市道路夜晚?xiàng)l件下，駕駛員熱點(diǎn)分布更加集中，且熱點(diǎn)區(qū)域明顯處于道路近處，熱點(diǎn)在視野信息區(qū)與儀表盤(pán)信息區(qū)之間的轉(zhuǎn)換很少，每次停留時(shí)間較長(zhǎng)。此結(jié)果表明，駕駛員在城市道路夜晚?xiàng)l件下，視野最為狹窄，且注意力基本集中于道路近處，雖然駕駛操作次數(shù)減少，但每次所用時(shí)間較多，并且車速相較其他幾組試驗(yàn)更慢，說(shuō)明此時(shí)駕駛員由于夜晚視野太差，注意力基本集中在視野信息區(qū)，而儀表盤(pán)信息區(qū)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。

圖5 城市道路熱點(diǎn)圖a.晴天；b.雨天；c.夜晚Fig 5 hot maps when driving on the city road a.sunny；b.rainy；c.night

圖6顯示了晴天條件下被試在不同道路駕駛過(guò)程中的熱點(diǎn)圖。如圖6（a）所示，在鄉(xiāng)村道路晴天條件下，駕駛員熱點(diǎn)分布較廣，且熱點(diǎn)區(qū)域處于道路較近處，說(shuō)明駕駛員視野較好且注意力多集中于道路近處。熱點(diǎn)在視野信息區(qū)與儀表盤(pán)信息區(qū)之間轉(zhuǎn)換較多，每次停留時(shí)間較長(zhǎng)，熱點(diǎn)在視野信息區(qū)左右轉(zhuǎn)換頻繁，說(shuō)明在鄉(xiāng)村彎道頻繁道路狀況較復(fù)雜的道路條件下，駕駛員操作更為繁瑣，駕駛員在過(guò)彎道時(shí)注意力會(huì)隨著彎道轉(zhuǎn)移。如圖6（b）所示，在高速路段晴天天氣下，駕駛員熱點(diǎn)分布集中，熱點(diǎn)區(qū)域在遠(yuǎn)處與近處之間轉(zhuǎn)換頻繁，說(shuō)明駕駛員視野較小且注意力會(huì)在遠(yuǎn)近之間轉(zhuǎn)換。熱點(diǎn)在視野信息區(qū)與儀表盤(pán)信息區(qū)之間轉(zhuǎn)換較多，但每次停留時(shí)間較短，說(shuō)明高速路段下駕駛員操作次數(shù)變多，但每次操作的時(shí)間卻相對(duì)較少。

圖6 晴天環(huán)境下的熱點(diǎn)圖a.鄉(xiāng)村道路；b.高速道路Fig 6 hot maps when driving in sunny day a.village road；b.high speed road

4 結(jié)束語(yǔ)

在同道路同速度下，光線的明暗會(huì)對(duì)駕駛員的視野產(chǎn)生較大影響，光線越好，駕駛員的視野范圍越廣（晴天下視野達(dá)到最佳，夜晚視野最差），并且光線良好，駕駛員會(huì)擁有更良好的操作環(huán)境。光線的明暗同時(shí)會(huì)影響駕駛員獲取道路信息的能力，光線越差，駕駛員注視點(diǎn)數(shù)和回視點(diǎn)數(shù)越多，獲取信息越困難。良好的光線條件能讓駕駛員的注意力目光前移（晴天下能注意到遠(yuǎn)方路況，夜晚注意力基本只停留在車前方）。

在同光照同速度下，道路的復(fù)雜程度會(huì)對(duì)駕駛員的操作產(chǎn)生較大影響，越復(fù)雜的路段駕駛員的操作越繁瑣。彎道較多的復(fù)雜路段，駕駛員需要不斷移動(dòng)視線來(lái)獲取道路信息，此情況下駕駛員的回視次數(shù)與注視次數(shù)增多。路段越復(fù)雜，駕駛員的注意區(qū)域越靠近車輛前方。

在同光照同道路下，速度的快慢會(huì)對(duì)駕駛員的視野產(chǎn)生影響，車輛行駛速度越快，駕駛員的視野范圍越窄，高速狀態(tài)下，駕駛員的目光在道路遠(yuǎn)近移動(dòng)頻繁，左右移動(dòng)相對(duì)較少，且駕駛員的反應(yīng)時(shí)間明顯減少，操作難度更高。