單曉霖，焦朋朋

(北京建筑大學(xué) 北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

0 引言

在行車過程中，駕駛?cè)说淖⒁饬Φ募谐潭仁怯绊懡煌ò踩闹匾蛩刂?，其注意力不集中造成駕駛績效降低是道路事故的重要成因之一[1]。根據(jù)國內(nèi)以及國外對導(dǎo)致交通事故發(fā)生因素的分析顯示，引起駕駛?cè)朔中牡闹饕蛩仄渲兄患礊檐囃猸h(huán)境，例如行人、非機(jī)動(dòng)車以及其他車外事物。放置于路旁的廣告牌的目的旨在吸引行車經(jīng)過的車輛內(nèi)成員的注意，廣告牌的吸引效果越好對廣告商的利益也就越大。但是，駕駛員也有可能會(huì)受到廣告牌的影響，使其駕駛專注度有所降低，增加發(fā)生道路交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。出于對這類問題的考慮，國內(nèi)外相關(guān)部門制定了關(guān)于路側(cè)廣告牌的條例與準(zhǔn)則，對其放置位置、規(guī)格和內(nèi)容加以限制[1-2]。

關(guān)于駕駛?cè)藢β愤厪V告牌的反應(yīng)，在過去的數(shù)10年中已經(jīng)得到了廣泛的研究，T. Dukic等人[3]通過研究在實(shí)際駕駛過程中駕駛?cè)说囊曈X數(shù)據(jù)行為發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路側(cè)廣告牌出現(xiàn)時(shí)，駕駛?cè)说囊暰€會(huì)更加頻繁且長時(shí)間離開道路方向；J. Edquist等人[4]通過模擬駕駛試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，路側(cè)廣告牌會(huì)令駕駛?cè)藢Φ缆窐?biāo)志和交通環(huán)境反應(yīng)變慢，特別是經(jīng)驗(yàn)不充足的駕駛員，而且在轉(zhuǎn)換車道過程中更容易犯錯(cuò)；S. Bendak和K. Al-Saleh[5]同樣通過模擬駕駛儀進(jìn)行對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在有廣告標(biāo)志的道路上駕駛?cè)嗽诒３周囕v直線行駛的駕駛性能指標(biāo)上表現(xiàn)更差，同時(shí)在通過無信號(hào)燈交叉口時(shí)也更為魯莽。且根據(jù)其問卷調(diào)查顯示，超過一半的駕駛?cè)似毡楸辉囼?yàn)中的廣告牌分散了注意力，此外有22%的試驗(yàn)人員表示由于注意力被廣告牌分散而將自己置于危險(xiǎn)境地之中。因此，各項(xiàng)研究表明路邊廣告牌會(huì)在一定程度上降低駕駛?cè)说男熊嚤憩F(xiàn)，并有可能對交通安全產(chǎn)生負(fù)面影響。

然而，之前的研究也出現(xiàn)了結(jié)論不統(tǒng)一，甚至完全相反的情況出現(xiàn)。就駕駛員駛過廣告牌區(qū)域的平均速度而言，T. Horberry等人的研究[6]表明當(dāng)駕駛員在相同時(shí)間內(nèi)看到的廣告牌越多，即通過視覺收集到的干擾因素越多時(shí)，其平均速度將會(huì)下降。類似的結(jié)果也在J. Edquist等人[4]的研究中有所體現(xiàn)。而在S. Bendak和K. Al-Saleh[5]的研究結(jié)果中則發(fā)現(xiàn)通過廣告牌路段的平均速度有較小幅度的增長。H. Marciano和Y. Yeshurun[7]的試驗(yàn)結(jié)果則表明，雖然在視覺信息過多，視覺負(fù)荷大時(shí)駕駛?cè)说乃俣葧?huì)相應(yīng)降低，但是仍然存在駕駛?cè)送ㄟ^廣告牌區(qū)域時(shí)平均速度上升的情況出現(xiàn)。對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步總結(jié)后，尚未得出由路邊廣告牌對駕駛?cè)擞绊憣?dǎo)致的交通事故發(fā)生的直接證據(jù)。最近幾年的研究[8-9]甚至表明二者之間的相關(guān)性很小甚至幾乎不存在相關(guān)性。

另有部分研究通過眼動(dòng)儀和模擬駕駛系統(tǒng)重點(diǎn)評估了駕駛?cè)嗽谕ㄟ^廣告牌區(qū)域時(shí)的視覺行為。例如馮忠祥等人[10]進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果顯示，駕駛?cè)藢Υ笞煮w的凝視時(shí)間要少于小字體,且對背景顏色較為模糊、不易區(qū)分的廣告牌，較背景色彩鮮艷的凝視時(shí)間更長。呂能超等人[11]通過將路外標(biāo)志的信息進(jìn)行量化分析，發(fā)現(xiàn)隨著標(biāo)志信息量的逐步增加，駕駛?cè)说囊曊J(rèn)反應(yīng)時(shí)間也在增加，這也是駕駛負(fù)荷上升的一種體現(xiàn)。

國內(nèi)近些年在此領(lǐng)域的研究主要集中在通過眼動(dòng)指標(biāo)[12]和視覺特性[13]入手，針對廣告牌的不同類型對駕駛?cè)说挠绊懀鐝V告牌的面積與高度[14]或背景顏色[15]等等，研究結(jié)果表明不同規(guī)格的廣告牌對駕駛?cè)俗⒁饬Φ挠绊懸灿休^大差異。本研究基于模擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過獲取車輛的橫向偏移量和實(shí)時(shí)速度等指標(biāo)，同時(shí)分析駕駛?cè)送ㄟ^眼動(dòng)儀和生理儀獲取駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中的視線與動(dòng)作的變化，將廣告牌的影響量化分析，探討不同位置、不同密集程度和不同距車道距離的廣告牌對駕駛?cè)说木唧w影響，包括其正常駕駛與遇到突發(fā)狀況時(shí)的駕駛行為差別，探討廣告牌布置的最優(yōu)化方案，即在對駕駛?cè)擞绊懽钚〉那闆r下合理規(guī)劃廣告牌區(qū)域，以確保道路交通安全。

1 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

路側(cè)廣告牌對駕駛?cè)说挠绊懼饕w現(xiàn)在視覺重點(diǎn)和反應(yīng)時(shí)間上。故在此分析廣告牌的布置與駕駛?cè)诵熊囘^程中視覺和行為指標(biāo)之間的相關(guān)性，從而建立起二者之間的量化關(guān)系。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對不同方式布置的路側(cè)廣告牌對駕駛員的駕駛行為影響，分析廣告牌對駕駛員專注程度的影響規(guī)律；另外對測試人之間進(jìn)行組內(nèi)檢驗(yàn)，橫向?qū)Ρ仍跍y試人駕駛經(jīng)驗(yàn)不同的前提下對相同布置的廣告牌的反應(yīng)，即主觀反應(yīng)上是否也存在一定的差異。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)基于交通虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)，使用FORUM8模擬駕駛器(圖1)對車輛內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行模擬。其硬件設(shè)施為一個(gè)帶有方向盤、儀表板、換擋手柄和加速、制動(dòng)踏板的完整自動(dòng)擋小客車駕駛艙、連接3個(gè)42英寸LED顯示屏270度廣角視野，速度表可顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。方向盤配有力反饋傳感器，可模擬車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)以及在受到?jīng)_擊時(shí)給予駕駛員反饋。聲音效果通過屏幕后和駕駛座位下方的揚(yáng)聲器進(jìn)行反饋，滿足真實(shí)駕駛時(shí)的環(huán)境。模擬駕駛器可在測試者駕駛過程中以60 Hz的頻率采集相關(guān)駕駛參數(shù)。

行駛道路采用UC-win/Road 10.0道路景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件繪制，其中廣告牌選擇XX高速公路路側(cè)廣告牌樣式，采用3DMax制作，規(guī)格根據(jù)實(shí)際情況而定。另外平臺(tái)還包括視覺及行為分析辨識(shí)系統(tǒng)，主要儀器有眼動(dòng)儀，用于接收測試者的視覺數(shù)據(jù)。

測試者佩戴SMI Iview X眼動(dòng)儀(圖1)，可獲取測試者的注視、掃視和眨眼次數(shù)，以及其視野的移動(dòng)線路和集中區(qū)域。基于測試者的相應(yīng)視覺信息對其注意力集中程度和重點(diǎn)關(guān)注對象進(jìn)行分析，以判斷其駕駛過程中的安全程度。

圖1 SMI眼動(dòng)儀和FORUM8模擬駕駛儀Fig.1 SMI eye tracker and FOREUM8 driving simulator

1.2 測試人員

試驗(yàn)共招募了20名測試者，以駕駛年齡3年為界分為初學(xué)者組和熟練者組，每組各10人。保證測試者在參與測試的過程中身體狀態(tài)良好，裸眼視力或配搭眼鏡后的矯正視力滿足正常進(jìn)行駕駛行為。每名測試者均持有合法的中國小型客車駕駛執(zhí)照。參與測試的人員年齡為20～30歲，平均年齡23.72歲(標(biāo)準(zhǔn)差2.60歲)如表1所示。

表1 測試者相關(guān)信息

1.3 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)路段為一段總長度為5 km的三車道高速公路，其中最右側(cè)車道限速為每小時(shí)80～100 km，模擬天氣為晴朗，以此為基本場景。在道路右側(cè)根據(jù)場景不同設(shè)有若干不同樣式廣告牌，每個(gè)場景均為平直道，場景之間以右轉(zhuǎn)圓曲線平滑連接。廣告牌規(guī)格為7 m×21 m，下邊緣距離路面垂直距離為10 m。測試路段前有500 m的路段供測試者適應(yīng)模擬駕駛器。之后的4.6 km依次為測試場景。場景1為800 m，不放置任何廣告牌，有一組障礙物；場景2為1.2 km，在K0+100 m和K1+100 m處設(shè)有廣告牌，其設(shè)置邊緣垂直投影距離路側(cè)護(hù)欄為5 m，設(shè)有1組障礙物。場景3為1.2 km，在K0+100 m、K0+600和K1+100 m處設(shè)有廣告牌，其設(shè)置邊緣垂直投影距離路側(cè)護(hù)欄為5 m，設(shè)有1組障礙物。場景3為2.2 km，在K0+100 m和K2+100處設(shè)有廣告牌，其設(shè)置邊緣垂直投影距離路側(cè)護(hù)欄為10 m，設(shè)有2組障礙物。同時(shí)在每組場景中，設(shè)置有兩次隨機(jī)出現(xiàn)的障礙物(?？坑跍y試者行駛道路，并在其后放有紅色警示標(biāo)志的小型客車)影響測試者的駕駛，其中障礙1位于廣告牌的可視范圍內(nèi)，障礙2位于可視范圍外，以此對駕駛員的注意力集中程度進(jìn)行檢測。方案流程圖如圖2所示。

1.4 試驗(yàn)流程

在測試者充分熟悉并試駕模擬器后，使其佩戴眼動(dòng)儀并開始試驗(yàn)。測試者將以此通過4組直線高速公路場景，中間以相同平滑圓曲線相連接，每組場景的廣告牌設(shè)計(jì)如表2所示。在試驗(yàn)過程中，要求測試者在車速保持在合法車速范圍之內(nèi)，于最右側(cè)道路行駛，在此基礎(chǔ)上盡量令其保持日常的個(gè)人駕駛習(xí)慣。測試者在每個(gè)場景內(nèi)都應(yīng)在第一次觀測到廣告牌時(shí)鳴笛，并進(jìn)行口頭匯報(bào)，內(nèi)容包括廣告牌的數(shù)量與內(nèi)容，以此初步判斷其受到廣告牌影響的第一時(shí)間，可在之后與眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與參考。另外，及時(shí)記錄駕駛員在面對障礙物時(shí)的表現(xiàn)，包括是否成功進(jìn)行避讓等。在測試者完成全部場景駕駛后，模擬駕駛儀記錄其駕駛數(shù)據(jù)變化，例如車輛瞬間速度、方向盤的旋轉(zhuǎn)率、車輛坐標(biāo)等；眼動(dòng)儀記錄其視點(diǎn)的注視集中區(qū)域和掃視軌跡等。

圖2 模擬駕駛試驗(yàn)流程圖Fig.2 Flowchart of driving simulation test

表2 試驗(yàn)場景設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)分析

SMI眼動(dòng)儀在試驗(yàn)中主要收集測試者在駕駛過程中的視線移動(dòng)路徑、重點(diǎn)注視區(qū)域以及停留時(shí)間等。本試驗(yàn)中重點(diǎn)采集了測試者從廣告牌出現(xiàn)在視線內(nèi)到廣告牌離開視野范圍過程中的相關(guān)視覺數(shù)據(jù)，并與無廣告牌場景進(jìn)行對比，可以得到測試者受到廣告牌吸引的時(shí)間長度。同時(shí)橫向?qū)Ρ葴y試者在不同場景下面對障礙時(shí)的反應(yīng)時(shí)間，能夠?qū)︸{駛員的注意力集中程度進(jìn)行量化考核。

2.1 觀測數(shù)據(jù)

通過根據(jù)眼動(dòng)儀獲取的測試者首次注視到廣告牌的時(shí)間，與模擬駕駛儀中測試者鳴笛的時(shí)間進(jìn)行推算，可得到測試者發(fā)現(xiàn)并觀察到廣告牌的時(shí)間；另外可根據(jù)測試者在駕駛過程中的口頭匯報(bào)，判斷其對廣告牌觀測的正確程度，數(shù)據(jù)如表3所示。從中可知測試者可以清晰觀察到廣告牌，但更容易發(fā)現(xiàn)密集程度較高，路側(cè)距離較近的廣告牌(場景3)，而就對觀測正確率的影響程度而言，廣告牌間隔較距路側(cè)距離而言程度更小。

表3 不同場景下測試者對廣告牌的觀測數(shù)據(jù)

2.2 眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)

根據(jù)眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)，每個(gè)場景中測試者對廣告牌區(qū)域的眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 不同場景下測試者的眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)廣告牌布設(shè)密度變大時(shí)，測試者對廣告牌的觀察頻次和視線停留時(shí)間均有所上升。廣告牌距路側(cè)距離增大時(shí)，其對測試者的吸引程度大幅度下降。

圖3為試驗(yàn)中測試者在場景2駕駛過程中，先后途徑廣告牌與障礙區(qū)段時(shí)的視覺線路。其視線集中于路側(cè)廣告牌(圖中右側(cè)畫圈處)后緩慢偏移值道路正前方(圖中左側(cè)畫圈處)并發(fā)現(xiàn)前方障礙，開始實(shí)施避讓動(dòng)作。

圖3 測試者的視覺路線圖Fig.3 Visual route of a tester

2.3 障礙規(guī)避數(shù)據(jù)

根據(jù)眼動(dòng)儀記錄視頻中測試者視線首次落入障礙區(qū)域的時(shí)間，取與測試者駛?cè)胝系K物可見范圍內(nèi)(距離障礙物150 m)的時(shí)間差，可推算出測試者發(fā)現(xiàn)障礙物的時(shí)間。同時(shí)記錄測試者開始進(jìn)行規(guī)避操作時(shí)距離障礙物的距離，以及以測試者是否與障礙物發(fā)生碰撞記錄其規(guī)避行為是否成功。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 測試者對不同場景下規(guī)避障礙的表現(xiàn)數(shù)據(jù)

圖4為試驗(yàn)中某測試者在場景3駕駛過程中，10 s內(nèi)的注視路徑熱力圖，用于表現(xiàn)測試者的視線集中強(qiáng)度，顏色越深則說明強(qiáng)度越強(qiáng)。值得注意的是此時(shí)該測試者距離前方障礙物距離不足100 m時(shí)，其注視點(diǎn)仍然集中于路側(cè)廣告牌區(qū)域，而非障礙物區(qū)域。

圖4 測試者的視覺熱力圖Fig.4 Visual thermodynamic diagram of a tester

3 模型建立和注意力指標(biāo)分析

為判定測試者在不同場景下的注意力指標(biāo)，在除去場景之間彎道連接處的基礎(chǔ)上，以每個(gè)場景為分析單元，提取如下的眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

(1)持續(xù)注視時(shí)間

將用于表征測試者的視線集中強(qiáng)度的注視時(shí)間進(jìn)行分區(qū)域累加，包括廣告牌區(qū)域、行駛車道區(qū)域和其他區(qū)域等，定義為不同區(qū)域的持續(xù)注視時(shí)間。該指標(biāo)可以用來推斷測試者的注意力集中區(qū)域，即其是否將注意力集中在主任務(wù)(正常駕駛)上。

(2)瞳孔疲勞系數(shù)

(1)

(3)累計(jì)眨眼時(shí)間

根據(jù)試驗(yàn)中每個(gè)場景內(nèi)測試者的眨眼次數(shù)和眼動(dòng)儀的采樣頻率可推斷出測試者的眨眼總時(shí)間，用于衡量測試者的注意力集中程度。這一指標(biāo)在文獻(xiàn)[17]中被指出，在駕駛員疲勞程度較低時(shí)，眨眼時(shí)間較短，反之則會(huì)顯著升高。其計(jì)算公式為：

(2)

式中，Tblink為累計(jì)眨眼時(shí)間；m為場景內(nèi)眨眼次數(shù)；f=60 Hz為試驗(yàn)用眼動(dòng)儀的采樣頻率。

3.1 分層有序離散選擇模型

為進(jìn)一步對測試者在駕駛時(shí)的專注程度和疲勞程度進(jìn)行判斷與量化，在考慮不同測試者存在的個(gè)體差異的前提下，建立分層有序離散選擇模型。該模型的閾值基于每個(gè)測試者的各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行分別計(jì)算。設(shè)Fij為第i個(gè)測試者在第j個(gè)場景中的注意力集中程度(i=1,2,3,…，20；j=1,2,3,4)。 將φkj(k=1,2)定義為第j個(gè)測試者的專注程度的分級(jí)閾值，具體分類如下：

(3)

Fij=θij+εij，

(4)

(5)

式中，xpij為在第i個(gè)場景下第j名測試者的第p個(gè)協(xié)變量，包括測試者的持續(xù)注視時(shí)間、發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)間和障礙規(guī)避成功率；βpj為第j名測試者的回歸系數(shù)。θij即為觀測效用項(xiàng)；εij定義為誤差項(xiàng)，且服從二重指數(shù)分布。對于Fij的累積分布函數(shù)，有

Pij(k)=P(Fij≤k)=

F(φkj-θij)=

(6)

特別的，利用φkj表示特殊場景下的測試者專注程度。其中φ1j為場景1時(shí)測試者平均專注程度，φ2j為其他各場景中測試者未能規(guī)避障礙時(shí)的平均專注程度，其表達(dá)式為：

(7)

式中，xpj為在特定場景下第j名測試者的第p個(gè)協(xié)變量；βq為第q個(gè)指標(biāo)對φkj的影響程度；εj為均值為零且服從參數(shù)為0.05與0.05的伽馬分布的誤差項(xiàng)。

為評價(jià)該模型的計(jì)算精度，可使用離差信息準(zhǔn)則[18](deviance information criterion, DIC)進(jìn)行評價(jià)，其公式為：

(8)

3.2 測試者注意力量化統(tǒng)計(jì)

通過模型計(jì)算后，各場景下測試者的疲勞程度可得到進(jìn)一步的量化區(qū)分。根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，初學(xué)者組的專注狀態(tài)較熟練者組明顯更低，且在場景3中的專注度下降尤為明顯。另一方面，熟練者組的注意力雖然受到的影響較低，但在不同場景的表現(xiàn)下仍出現(xiàn)了一定的差異。從整體上來看，測試者在場景4的專注程度最好，有65%的測試者的專注水平為集中；而在場景3中，集中的測試者下降至45%。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 測試者的注意力量化統(tǒng)計(jì)

圖5為不同場景下所統(tǒng)計(jì)的測試者瞳孔疲勞系數(shù)變化范圍的箱線圖。根據(jù)瞳孔疲勞系數(shù)可以對測試者的瞳孔直徑波動(dòng)程度進(jìn)行反應(yīng)。根據(jù)不同場景下測試者的總體專注程度可知，在專注度最差的場景3中，測試者的瞳孔疲勞系數(shù)也較其他兩個(gè)場景高。而在其他兩個(gè)場景之中，場景4的瞳孔疲勞系數(shù)略有下降的趨勢，但該趨勢并不明顯。由此可見，在場景3中，測試者的瞳孔直徑波動(dòng)幅度更大，其專注程度也更低。

圖5 不同場景下測試者的瞳孔疲勞系數(shù)Fig.5 Pupil fatigue coefficients of testers in different scenarios

圖6為不同場景下測試者的累計(jì)眨眼時(shí)間的箱線圖。從圖中可看出場景3下測試者的累計(jì)眨眼時(shí)間有明顯增加，有測試者甚至出現(xiàn)了長時(shí)間閉眼的情況。另外兩場景下的測試者無太大區(qū)別。

圖6 不同專注狀態(tài)下測試者的累計(jì)眨眼時(shí)間Fig.6 Cumulative blink time of testers in different focus states

4 結(jié)論

本研究利用FORUM8模擬駕駛儀和SIM眼動(dòng)儀對不同駕駛經(jīng)驗(yàn)的測試者在模擬高速公路路段上進(jìn)行了仿真駕駛，并提取了相關(guān)的眼動(dòng)特征和駕駛行為參數(shù)。建立分層有序離散選擇模型對測試者的專注程度進(jìn)行量化，從而比較不同布設(shè)方式的廣告牌對駕駛員注意力的影響程度。最終結(jié)果表明，廣告牌的布設(shè)密集程度較其距路側(cè)距離而言對測試者的影響更為明顯，同時(shí)廣告牌對駕駛經(jīng)驗(yàn)較少的測試者的影響略為顯著。建議在考慮經(jīng)濟(jì)條件、商業(yè)需求等多方前提下，避免密集布設(shè)廣告牌，并嚴(yán)格控制廣告牌的路側(cè)距離。另外，本研究的試驗(yàn)環(huán)境雖然在模擬駕駛儀的輔助下可以有效對駕駛行為進(jìn)行模擬演算，但仍存在一定的局限性，較真實(shí)駕駛條件仍存在一定的差異。如在真實(shí)的道路環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)更多的不確定、不可測因素，對駕駛員的反應(yīng)與判斷造成影響；以及在試驗(yàn)過程中佩戴眼動(dòng)儀也會(huì)令駕駛員在體感上產(chǎn)生與真實(shí)駕駛的差異。后續(xù)研究除了針對上述局限性，通過例如實(shí)車駕駛的方式對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化之外，針對廣告牌對駕駛?cè)藛T的其他因素，如廣告內(nèi)容，排版或顏色等也將進(jìn)行更深入的討論與研究。