楊 波,鄧 華

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司科技發(fā)展中心,重慶 400067)

年來近,中國公路里程和小汽車保有量都呈快速增長的趨勢[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),夜間交通量只占白天的1/4,但在整個道路交通事故死亡率中夜間是白天的1.5倍,山區(qū)道路事故中死亡率超過白天的4倍[3-4]。高速公路夜間駕駛員視線誘導(dǎo)與安全保障亟待加強(qiáng)。反光標(biāo)線技術(shù)的提升與普及為道路交通安全做出了重要貢獻(xiàn)。但是,反光標(biāo)線在夜間僅能依靠車燈照射而反射發(fā)光,且在不良天氣時辨識度不高,因而在夜間視覺誘導(dǎo)作用仍有待提高。蓄能熒光標(biāo)線是一種具有夜間主動發(fā)光特性的新型路面標(biāo)線,不依靠車燈照射即可自主發(fā)光,彌補(bǔ)了反光標(biāo)線的不足,為夜間公路交通安全提供了更好的保障[5-10]?，F(xiàn)通過計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),研究不同熒光標(biāo)線設(shè)置方案對駕駛員眼動特性的影響,進(jìn)而對熒光標(biāo)線的視覺誘導(dǎo)效果進(jìn)行驗(yàn)證,并提出一種視覺誘導(dǎo)效果可靠,經(jīng)濟(jì)性好的熒光標(biāo)線設(shè)置方法,以期為熒光標(biāo)線技術(shù)的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

1 蓄能熒光標(biāo)線眼動特征指標(biāo)選擇

眼動特性是駕駛員駕駛心理和生理的重要表征,選擇瞳孔面積變化率和注視點(diǎn)占比作為駕駛員眼動特征指標(biāo)選擇。當(dāng)機(jī)體處于緊張狀態(tài)時,交感神經(jīng)活動處于積極狀態(tài),使瞳孔擴(kuò)大、心跳加速、疲乏的肌肉工作能力增加等；反之,在身體放松時副交感神經(jīng)起主要作用[11]。因此,瞳孔的變化能直觀地反映駕駛員在駕駛過程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài),且該指標(biāo)用于研究人緊張反應(yīng)的有效性已得到學(xué)者們的認(rèn)可[12-15]。由于瞳孔大小存在個體差異,而瞳孔面積變化率更能客觀地反映駕駛?cè)笋{車狀態(tài)。一次注視稱為一個注視點(diǎn),注視次數(shù)反映了人眼注視這個區(qū)域的頻率,體現(xiàn)了觀察者的目標(biāo)物和興趣區(qū)域。駕駛員在行駛過程中會不自覺地將注視點(diǎn)停留在感興趣的物體上,注視次數(shù)越多,證明駕駛員對其關(guān)注度也越高[16]。對注視點(diǎn)占比定義為道路路域范圍,即道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和。

2 仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了揭示公路熒光標(biāo)線對駕駛員視覺誘導(dǎo)的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)速度為80 km/h的公路為例,對不同參數(shù)和布設(shè)方式的熒光標(biāo)線分別在公路直線段和曲線段進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),獲得標(biāo)線熒光寬度、間距、位置及不同半徑和轉(zhuǎn)向?qū)ρ蹌犹卣鞯挠绊?運(yùn)用動態(tài)聚類法,得到不同路段熒光標(biāo)線和布設(shè)方式的最佳值。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:采用進(jìn)口稀土發(fā)光材料制備熒光標(biāo)線,選擇德國SMI公司生產(chǎn)的SMI2.1眼鏡式眼動儀,其數(shù)據(jù)采集頻率為120 Hz；眼部攝像頭最高分辨率可達(dá)1 280×960p@24 fps；場景攝像頭追蹤范圍為:水平60°,垂直46°；視頻分析軟件可以進(jìn)行動態(tài)視頻興趣區(qū)的深度分析。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)人員

考慮到個體差異,因此挑選不同性別、不同駕齡、不同年齡的23名駕駛員為實(shí)驗(yàn)對象。在正式實(shí)驗(yàn)前,告之各駕駛員實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的基本知識,要求被試人員保證睡眠充足,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)人員Fig.1 Experimenter

2.2.2 實(shí)驗(yàn)場景

仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用UC-win/Road軟件進(jìn)行建模和渲染,熒光標(biāo)線的輝度為16、15、13、11、9、7、5、3、1 cd/m2,制作直路段和曲線段的多個仿真視頻。實(shí)驗(yàn)路段中平面、縱斷面和橫斷面等設(shè)計(jì)要素,滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,縱坡小于2%,車道寬度3.75 m,視線高度為1.2 m,添加不同關(guān)鍵參數(shù)值的熒光標(biāo)線。在仿真視頻制作過程中避免超車、變道等影響,并選擇夜間環(huán)境,如圖2所示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先制作1個無標(biāo)線場景作為對比實(shí)驗(yàn),再搭建8個有標(biāo)線的直線段場景,將熒光標(biāo)線鋪設(shè)于高速公路的標(biāo)線上,包括行車道兩側(cè)實(shí)線和分車道虛線,熒光標(biāo)線寬度與現(xiàn)有標(biāo)線寬度一致,沿高速公路鋪設(shè)300 m長,在實(shí)驗(yàn)中采集瞳孔直徑和注視點(diǎn)的眼動數(shù)據(jù)；再按照標(biāo)線80%的寬度鋪裝熒光材料(圖3),以此類推,標(biāo)線60%寬度、標(biāo)線50%寬度、標(biāo)線40%寬度、標(biāo)線20%寬度；再在直線段標(biāo)線外側(cè)施劃間距為6 m和9 m的熒光標(biāo)線進(jìn)行誘導(dǎo)效果的比較(圖4)?；谇捌谘芯砍晒?搭建16個曲線段標(biāo)線的場景,分別是道路不同轉(zhuǎn)向(左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn))、不同半徑(400、800 m)、不同位置(路邊緣線外側(cè)和內(nèi)側(cè))、不同間距(6、9 m),將熒光標(biāo)線施劃于公路實(shí)驗(yàn)路段。最后再制作動態(tài)場景進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 直線段標(biāo)線80%寬度鋪裝熒光材料CAD圖和示意圖Fig.3 Straight line marking 80% width of pavement fluorescent material CAD and sketch diagram

圖4 右轉(zhuǎn)半徑為400 m、間距為6 m時內(nèi)側(cè)標(biāo)線鋪裝熒光材料CAD圖和示意圖Fig.4 CAD and schematic diagram of fluorescent material paving for inner marking line when the right turning radius is 400 m in spacing of 6 m

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集及篩選:SMI2.1眼鏡式眼動儀自帶的BeGaze數(shù)據(jù)處理軟件可以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出和初步的分析。采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,為了使得數(shù)據(jù)分析更加明確,對屏幕之外的注視點(diǎn)也進(jìn)行剔除。異常數(shù)據(jù)剔除之后進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)及顯著性檢驗(yàn)。數(shù)學(xué)分析與建模方法如下。

2.3.1 注視點(diǎn)動態(tài)聚類分析

動態(tài)聚類法是對視野平面的經(jīng)典劃分方法。運(yùn)用K均值聚類法進(jìn)行聚類。

第1步初始化。輸入基因表達(dá)矩陣作為對象集X,輸入指定聚類類數(shù)k,并在X中隨機(jī)選取k個對象作為初始聚類中心。設(shè)定迭代中止條件,進(jìn)行相似度的計(jì)算,即

(1)

式(1)中：cj為第j個聚類中心；d(xi,cj)為聚類中心cj與樣本xi之間的距離。距離的計(jì)算采用閔可夫斯基公式，即

(2)

第2步進(jìn)行迭代。

第3步更新聚類中心。

第4步更換聚類中心,重復(fù)第2步和第3步。

根據(jù)駕駛員注視點(diǎn)分布規(guī)律和實(shí)驗(yàn)車輛環(huán)境特性,通過Origin軟件的k均值聚類,對處理后的眼動數(shù)據(jù)選取6類k均值聚類對視線點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了聚類分析。以駕駛員1為例,通過直線段標(biāo)線外側(cè)鋪間距為6 m熒光材料的注視點(diǎn)聚類圖和對應(yīng)的場景如圖5所示。

圖5 直線段標(biāo)線外側(cè)鋪間距為6 m熒光材料的對應(yīng)的場景注視點(diǎn)分布和聚類Fig.5 Distribution and clustering of visual points corresponding to fluorescent materials with a distance of 6 m outside the marking line

瞳孔面積變化率分析:以實(shí)驗(yàn)員1為例,普通路段瞳孔面積6.47 mm2。不同路段瞳孔面積變化率堆積折線圖如圖6所示。

圖6 直線段不同標(biāo)線寬度瞳孔面積變化率Fig.6 Variation rate of pupil area in different marking widths in straight road segment

2.3.2 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

1)靜態(tài)仿真路段

通過對20名駕駛員注視點(diǎn)動態(tài)聚類和瞳孔面積變化率分析,得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)仿真的注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 1 The percentage of visual point in static simulation

(1)直線段:由表2可見,20%的視覺誘導(dǎo)效果有限：40%、50%、60%,注視點(diǎn)占比差異不大,80%、100%以及外側(cè)的方案注視點(diǎn)占比比較接近。中外研究表明,駕駛員行車過程中瞳孔面積變化率超過20%駕駛員就會緊張,超過40%駕駛員心理負(fù)荷過大極易發(fā)生危險。因此,以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值。綜合考慮兩個指標(biāo),標(biāo)線寬度為100%的方案,注視點(diǎn)占比較高,對駕駛員的視覺誘導(dǎo)效果好,但是又未超過瞳孔面積變化率的閾值,因此為最佳方案?？紤]到經(jīng)濟(jì)性,將最佳方案設(shè)置不同的輝度值,分別為16、15、13、11、9、7、5、3、1沿高速公路鋪設(shè)300 m長。在實(shí)驗(yàn)中通過被試者的表述是否看見標(biāo)線,以期得到最低輝度值。針對標(biāo)線寬度為100%的方案設(shè)置不同的輝度值,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后得知,當(dāng)輝度為3 cd/m2時,為極限可視性,故為最經(jīng)濟(jì)方案。

表2 靜態(tài)仿真的瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 2 Variation in the pupil area in static simulation

(2)左轉(zhuǎn)路段:方法同上。間距為6、9 m,注視點(diǎn)占比相差不大,說明間距對駕駛員視線誘導(dǎo)效果不明顯；隨著半徑的增大,注視點(diǎn)占比出現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)半徑為400 m時,只有標(biāo)線在外側(cè)且間距為9 m方案能滿足閾值。故選擇外側(cè)間距為9 m為最佳方案。

(3)右轉(zhuǎn)路段:方法同上,結(jié)論與左轉(zhuǎn)路段一致。

2)動態(tài)仿真路段

由于左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)具有類似的規(guī)律,所以曲線段場景以右轉(zhuǎn)為例,通過動態(tài)直線段和曲線段場景進(jìn)行驗(yàn)證。動態(tài)場景標(biāo)線的參數(shù)與靜態(tài)一致。實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 動態(tài)仿真的注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 3 Dynamic simulation of the visual points

表4 動態(tài)仿真的瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 4 Dynamic simulation of the pupil area change

直線段標(biāo)線寬度為100%的注視點(diǎn)占比是道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和,即40.30%,略高于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,標(biāo)線寬度為100%的是19.35%,但未超過安全閾值。當(dāng)處于彎道的時候,注視點(diǎn)占比和瞳孔面積變化率稍高于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,是因?yàn)樵趧討B(tài)場景中,更容易產(chǎn)生緊張感。因此,最佳方案與靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)一致。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

經(jīng)過前述章節(jié)的研究,得到直線段和曲線段高速公路熒光標(biāo)線視覺誘導(dǎo)的規(guī)律。將通過室外實(shí)車實(shí)驗(yàn)的方式,對上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和評價。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于路面狀況和交通條件均良好、全長400 m、直線和曲線的路段,如圖7所示。標(biāo)線輝度為16 cd/m2,標(biāo)線100%寬度?？v坡選擇小于3%的緩坡段,實(shí)驗(yàn)車輛為帝豪,采用SMI2.1眼鏡式眼動儀,如圖8所示。選取不同年齡、不同駕齡的6名駕駛?cè)藶閷?shí)驗(yàn)對象。

圖7 現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)標(biāo)線施劃Fig.7 The field work of the line marking for verification

圖8 現(xiàn)場驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集Fig.8 Field verification experiment and data collection

3.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析方法與仿真實(shí)驗(yàn)一致,在此不再贅述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 室外實(shí)驗(yàn)注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 5 Proportion of visual points in outdoor experiments

表6 室外實(shí)驗(yàn)瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 6 Pupil area changes in outdoor experiment

根據(jù)前述定義,注視點(diǎn)占比是道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和,因此當(dāng)直線段標(biāo)線寬度為100%時,注視點(diǎn)占比是34.43%,低于靜態(tài)和動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,因?yàn)樵诜抡鎴鼍按罱ㄖ?為了避免其他環(huán)境因素的干擾,采用單車自由流的模式,但是在實(shí)際場景中,駕駛員可關(guān)注的環(huán)境更復(fù)雜,注意力有所分散,所以注視點(diǎn)在道路路域范圍中變少。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,標(biāo)線寬度為100%的是20.16%,與瞳孔面積變化率的安全閾值基本持平綜上所述,直線段標(biāo)線寬度為100%的視覺誘導(dǎo)效果更好,與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

左轉(zhuǎn)段和右轉(zhuǎn)段的注視點(diǎn)占比分別是28.86%、29.60%,低于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)和動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn),原因與直線段類似。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,左轉(zhuǎn)段和右轉(zhuǎn)段分別是19.20%、18.98%；略高于靜態(tài)仿真結(jié)果,同樣也高于動態(tài)仿真結(jié)果,但均低于瞳孔面積變化率的安全閾值,是因?yàn)榉抡嬉曨l的制作時,簡化了道路場景,但是真實(shí)的路域環(huán)境更加復(fù)雜,駕駛員需要不斷轉(zhuǎn)移視線和目標(biāo)物來保持安全駕駛和判斷,從而導(dǎo)致了眼動指標(biāo)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的差異。

4 結(jié)論

在駕駛員視覺誘導(dǎo)靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)中,直線段標(biāo)線寬度為100%的方案是最佳方案,當(dāng)輝度值為3 cd/m2時,為最經(jīng)濟(jì)方案。曲線段標(biāo)線施劃在外側(cè)且間距為9 m效果最佳。在動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)中,結(jié)論與前述實(shí)驗(yàn)一致。由于在動態(tài)場景中,駕駛員的動視力識別度低于靜視力,因此動態(tài)場景的眼動指標(biāo)數(shù)據(jù)會高于靜態(tài)場景。仿真場景的最佳方案,同樣適用于實(shí)車實(shí)驗(yàn)。由于真實(shí)的路域環(huán)境更加復(fù)雜,駕駛車速對駕駛員心理的影響,所以注視點(diǎn)占比低于仿真視頻的結(jié)果,但瞳孔面積變化率高于仿真視頻的結(jié)果。