孫亞男，吳立新， 張 陽

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130000)

隨著機(jī)動車數(shù)量的不斷增長，機(jī)動車駕駛員數(shù)量也呈現(xiàn)出劇增趨勢，2019年上半年公安部交管局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：我國新領(lǐng)證駕駛員已達(dá)到1 408萬人。新駕駛員是指駕齡在5年(包含5年)以下的駕駛員[1]，這部分駕駛員只掌握了駕校所學(xué)的基礎(chǔ)駕駛技術(shù)，在行駛過程中面對復(fù)雜路況時的緊張心理以及不規(guī)范的操作行為都會影響行車安全，如何保障新駕駛員在城市隧道路段行車安全是交通管理者亟需解決的問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從駕駛員注視行為角度對隧道安全行車展開了大量研究。國威等[2]利用模糊聚類法評價駕駛員的夜間隧道路段視覺信息加工能力；郭寶義[3]通過研究經(jīng)過隧道出入口駕駛員的眼動特性，建立了瞳孔面積、注視時間與距隧道出入口距離的函數(shù)關(guān)系；江治東等[4]通過研究公路隧道入口段駕駛員視覺注意轉(zhuǎn)移行為，發(fā)現(xiàn)隧道入口段駕駛員視點主要集中在正前方；潘姝等[5]通過對隧道環(huán)境中不同經(jīng)驗駕駛員注視特性的分析，發(fā)現(xiàn)隧道入口段的駕駛員視點主要落在前部近方和遠(yuǎn)方；劉明秀等[6]通過研究城市隧道入口處的光照度及駕駛員視覺變化，發(fā)現(xiàn)駕駛員視點落在隧道入口段的概率高于其他區(qū)域；朱興林等[7]對不同經(jīng)驗駕駛員在穩(wěn)定跟車行為中的差異表現(xiàn)進(jìn)行研究。Yan等[8]發(fā)現(xiàn)特殊光區(qū)對駕駛員的注視時間和瞳孔面積影響不同。Nottingham大學(xué)的Geoffrey Underwood等[9]研究了新老駕駛員行駛在不同道路環(huán)境下的注視順序。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對隧道入口段駕駛員眼動特性的研究主要從隧道內(nèi)外光照度、駕駛員熟練程度等方面展開。本文主要研究夜間高峰時段快速路隧道入口段新駕駛員行駛在不同車道位置上的眼動特性，分析新駕駛員眼動參數(shù)的變化規(guī)律，從而為快速路隧道入口段的交通安全設(shè)施設(shè)置提供理論依據(jù)，提高快速路行車安全。

1 實驗設(shè)計

1.1 試驗路段

選擇長春市南部快速路衛(wèi)星路隧道作為試驗地點，該隧道全長1.8 km，采用雙洞分離式設(shè)計，單向三車道。選取其中的入口段(由東-西方向)作為試驗路段，本文將隧道入口前200 m至隧道入口內(nèi)300 m定義為隧道入口段[10]。衛(wèi)星路隧道入口段平面如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星路隧道入口段平面(m)

1.2 試驗駕駛?cè)?/h3>

本次試驗選取了4名駕駛員，駕齡均在5年以下，無生理缺陷且視覺系統(tǒng)正常。

1.3 試驗儀器

試驗采用德國生產(chǎn)的DIkablis 眼動儀、D-Lab軟件、正弦逆變器及普通轎車一臺。

1.4 試驗準(zhǔn)備及過程

1.4.1 試驗時間

正常天氣情況下的夜晚17:30—18:30時段，試驗路段車流量處于高峰期。

1.4.2 試驗準(zhǔn)備

對駕駛員佩戴眼動儀進(jìn)行校準(zhǔn)，保證獲取眼動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；校準(zhǔn)完成后駕駛員避免移動眼動儀或者頭部的大幅度擺動，以免眼動儀發(fā)生偏移，造成試驗數(shù)據(jù)缺失或失真；告知駕駛員試驗的注意事項和基本要求，但不告知試驗?zāi)康模获{駛員佩戴眼動儀試駕，熟悉車輛基本情況。

1.4.3 試驗過程

1)首先，將隧道入口段內(nèi)側(cè)車道、中間車道和外側(cè)車道進(jìn)行編號，分別為1號車道、2號車道和3號車道，隧道入口處車道位置如圖2所示。

圖2 隧道入口處車道位置

2)駕駛員佩戴眼動儀，分別在隧道入口段1號、2號、3號車道位置進(jìn)行實車試驗，在試驗過程中，車上另外一名試驗人員時刻關(guān)注連接眼動儀的電腦。

3)試驗車依次完成在1號、2號、3號車道通過隧道入口段的行駛，每次行駛記為一次完整的實車試驗過程。駕駛員完成一次通過隧道入口段車道位置的行駛后，需要進(jìn)行5～10 min的短暫休息，以保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗結(jié)束后，進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的檢查和處理分析。

2 數(shù)據(jù)分析

在進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析之前需要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將丟失和有明顯偏差的數(shù)據(jù)剔除，只對正常試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。D-Lab軟件導(dǎo)出的瞳孔面積(Pupil Area)、注視持續(xù)時間(Fixations Duration)、掃視持續(xù)時間(Saccades Duration)等部分眼動參數(shù)的原始數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 D-Lab軟件部分原始數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

2.1.1 方差分析

一般而言，應(yīng)用方差分析方法選取數(shù)據(jù)應(yīng)滿足以下3個條件：

1)試驗樣本為獨(dú)立且隨機(jī)抽樣；

2)變量服從正態(tài)分布；

3)樣本數(shù)據(jù)具有相同方差。

2.1.2 方差分析原理

方差分析是在變異分解的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在單因素方差分析中，整個樣本變異可被看成由兩部分構(gòu)成，即總變異=隨機(jī)變異+處理因素導(dǎo)致的變異。在方差分析中，需要計算3個誤差平方和，分別為離均差平方和(SST)、組內(nèi)平方和(SSW)及組間平方和(SSB)[11]。

1) 離均差平方和(SST)：表示總體變異程度，算式為

(1)

2) 組內(nèi)平方和(SSW)：表示隨機(jī)變異大小，算式為

(2)

3) 組間平方和(SSB)：表示各組均數(shù)之間的差異，算式為

(3)

4) 方差分析檢驗統(tǒng)計量：可以簡單理解為用隨機(jī)誤差來衡量各組間的變異，算式為

(4)

綜上所述，方差分析的各項指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 方差分析

結(jié)合文中的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的實際情況考慮應(yīng)用單因素方差分析法，其中正態(tài)性檢驗采用S-W(夏皮洛-威爾克檢驗)方法完成；滿足單因素方差分析的條件，根據(jù)分析的試驗數(shù)據(jù)和檢驗的顯著性水平(Fa=0.05)，利用SPSS軟件進(jìn)行隧道入口段不同車道位置上的眼動參數(shù)差異性分析。

2.2 平均瞳孔面積

駕駛員在行車過程中80%以上的信息是通過視覺系統(tǒng)獲取，瞳孔是外界信息進(jìn)入系統(tǒng)的直接通道[12]，駕駛?cè)送酌娣e的變化能夠反映出夜間隧道的內(nèi)外光照條件，當(dāng)隧道入口處的光照度高于隧道外時，瞳孔會突然收縮以適應(yīng)隧道內(nèi)外的照度變化。因此，盡管近年來發(fā)生交通事故數(shù)量的區(qū)域呈下降趨勢，但道路環(huán)境的變化對新駕駛員的心理、生理及駕駛技術(shù)靈活性的直接影響較大，極易引發(fā)交通事故[13-14]。

2.2.1 平均瞳孔面積變化趨勢

駕駛員在通過隧道入口路段時，由于隧道內(nèi)外光照度的變化使駕駛員瞳孔面積發(fā)生改變。駕駛員在不同車道位置行車過程中的平均瞳孔面積變化如圖4所示。

圖4 夜間隧道入口段不同車道位置平均瞳孔面積變化

從圖4可以看出，夜晚高峰時段隧道入口段不同車道位置上新駕駛員平均瞳孔面積變化趨勢總體一致。由于隧道內(nèi)外的光照度差異，當(dāng)汽車逐漸靠近隧道入口時平均瞳孔面積開始減小，在隧道入口50～100 m距離范圍內(nèi)瞳孔面積達(dá)到最小值。但不同車道的平均瞳孔面積變化率有所不同，1號車道位置的平均瞳孔面積減少28.1%，2號車道位置的平均瞳孔面積減少33.8%，3號車道位置的平均瞳孔面積減少48.6%。

2.2.2 平均瞳孔面積差異性分析

為研究快速路隧道入口段不同車道位置對新駕駛員的平均瞳孔面積影響，對不同車道位置的瞳孔面積進(jìn)行差異性分析。

1) 正態(tài)性檢驗。 對快速路隧道入口段平均瞳孔面積做單因素方差分析，比較不同車道位置對平均瞳孔面積的影響是否具有顯著性。首先對在1號車道、2號車道和3號車道行駛過程中駕駛員的平均瞳孔面積進(jìn)行總體正態(tài)檢驗，對不同車道位置的平均瞳孔面積運(yùn)用夏皮洛-威爾克檢驗法進(jìn)行正態(tài)性檢驗，結(jié)果如表2所示。

表2 不同車道位置平均瞳孔面積對應(yīng)的概率P值

由表2可以看出，不同車道位置上的概率P值都大于顯著性水平0.05，在不同車道位置上的平均瞳孔面積總體上呈現(xiàn)正態(tài)分布。

2) 方差齊次性檢驗。 利用Levene法檢驗統(tǒng)計變量和對應(yīng)的顯著性P值，如表3所示。

表3 方差齊次性檢驗

由表3可以看出Levene法檢驗統(tǒng)計變量為0.569，在當(dāng)前自由度下對應(yīng)的P值為0.572>0.05，所以上述數(shù)據(jù)方差相等，具有方差齊次性，滿足方差分析的基本條件，可采用單因素方差分析法來檢驗不同車道位置的平均瞳孔面積是否具有顯著性。

3) 單因素方差分析。 進(jìn)行不同車道位置的單因素方差分析，方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 不同車道位置的瞳孔面積單因素方差分析

由表4可以看出檢驗結(jié)果F=6.058，P=0.006<0.05,說明在0.05的顯著性水平下，不同車道位置對平均瞳孔面積的影響顯著。

2.3 注視持續(xù)行為特性

車輛在不同車道位置上行駛，新駕駛員通過隧道入口時的注視持續(xù)時間也會呈現(xiàn)出不同狀態(tài)，文中從注視持續(xù)時間、平均注視時間兩個眼動參數(shù)分析不同車道位置上的駕駛員注視持續(xù)行為的差異性。

2.3.1 注視持續(xù)時間

駕駛員在行車過程中，注視的持續(xù)時間大于100 ms時稱為注視，它反映了在行車過程中駕駛員獲取信息的難易程度[15]。夜間高峰時段隧道入口段新駕駛員在不同車道位置行駛過程中注視持續(xù)時間分布如圖5所示。

圖5 夜間隧道入口段不同車道位置注視持續(xù)時間分布

從圖5可以看出，夜間高峰時段新駕駛員通過隧道入口段主要以注視為主，并且在不同車道位置上注視持續(xù)時間都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。注視持續(xù)時間主要集中在200～300 ms和300～400 ms范圍內(nèi)：注視持續(xù)時間在200～300 ms范圍內(nèi)，行駛在3號車道注視持續(xù)時間占比最高，占30%，其次是2號車道注視持續(xù)時間，占比為23.8%，最后是1號車道注視持續(xù)時間，占比為22.5%；注視持續(xù)時間在300～400 ms范圍內(nèi)不同車道位置上注視持續(xù)時間占比相差不大，1號車道、2號車道和3號車道注視持續(xù)時間相差較小，占比分別為23.4%、23.8%和21.5%。

2.3.2 平均注視時間

平均注視時間是通過隧道入口段不同車道位置上總的注視時間與總注視點數(shù)的比值，試驗中駕駛員的平均注視時間如表5所示。

表5 不同車道位置上駕駛員平均注視時間 ms

1) 正態(tài)性檢驗。 對不同車道位置上的平均注視時間總體進(jìn)行正態(tài)檢驗，利用夏皮洛-威爾克檢驗法檢驗得到概率P值，如表6所示。

表6 不同車道位置的平均注視時間對應(yīng)概率P值

由表6可以看出，不同車道位置上的概率P值都大于顯著性水平0.05，不同車道位置上的平均注視時間都滿足正態(tài)分布。

2) 方差齊次性檢驗。 利用Levene法檢驗統(tǒng)計變量和對應(yīng)的顯著性P值，如表7所示。

表7 方差齊次性檢驗

由表7可知，Levene法檢驗統(tǒng)計變量為0.594，在當(dāng)前自由度下對應(yīng)的P值為0.581>0.05，所以上述數(shù)據(jù)方差相等，具有方差齊次性，滿足方差分析的基本條件，可采用單因素方差分析法進(jìn)行檢驗，分析不同車道位置對平均注視時間是否具有顯著性影響。

3) 單因素方差分析。 本文進(jìn)行不同車道位置的單因素方差分析，方差分析結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出檢驗結(jié)果F=2.193，P=0.193>0.05,說明在0.05的顯著水平下，不同車道位置對平均注視時間的影響不顯著。

表8 不同車道位置平均注視時間單因素方差分析

2.4 興趣區(qū)域注視特性

道路交通環(huán)境影響著駕駛員注視點的分布[16-18]。通過回放實驗錄像的方法，將新駕駛員視野劃分為4個區(qū)域，分別為前方區(qū)域、左側(cè)區(qū)域、右側(cè)區(qū)域及車內(nèi)區(qū)域，注視區(qū)域如圖6所示。

圖6 駕駛員注視區(qū)域

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法，對各個興趣區(qū)域內(nèi)不同車道位置上的注視時間百分比和注視次數(shù)百分比進(jìn)行統(tǒng)計。

2.4.1 注視時間百分比

注視時間百分比是指在某個興趣區(qū)注視的總時間占整個試驗時間的百分比，注視過程通常認(rèn)為是駕駛?cè)藢⒆⒁饬杏谀繕?biāo)上獲取信息的過程，注視時間的長短能夠反映出駕駛員在不同目標(biāo)物體上分配注意力的大小[19]。在夜間高峰時段，隧道入口新駕駛員在不同車道行駛過程中對不同興趣區(qū)域的注視時間如圖7所示。

圖7 不同車道位置不同注視區(qū)域注視時間百分比

從圖7可以看出，新駕駛員在隧道入口段不同車道位置上行駛時，劃分的4個興趣區(qū)域內(nèi)注視時間百分比各不相同，其中前方區(qū)域的注視時間百分比高于其他3個興趣區(qū)域。前方區(qū)域中：1號車道對前方區(qū)域的注視時間百分比達(dá)到47.8%、2號車道對前方區(qū)域的注視時間百分比達(dá)到35.3%、3號車道對前方區(qū)域的注視時間百分比達(dá)到37.7%；左側(cè)區(qū)域中：3號車道對左側(cè)區(qū)域的注視時間百分比最高，達(dá)到9.1%，主要由于高峰時段車輛的換道使駕駛員對于左側(cè)區(qū)域關(guān)注程度高于1號車道和2號車道；右側(cè)區(qū)域中：1號車道對右側(cè)區(qū)域的注視時間百分比占比最高，達(dá)到21.2%。

2.4.2 注視次數(shù)百分比

注視次數(shù)百分比是指每個興趣區(qū)域(AOI)的注視次數(shù)占所有興趣區(qū)域(AOI)總次數(shù)的百分比，能夠反應(yīng)駕駛員對某一信息源的重要程度。試驗獲取的駕駛員行駛在不同車道位置，對于不同注視區(qū)域的注視次數(shù)百分比如圖8所示。

圖8 不同車道位置不同注視區(qū)域注視次數(shù)百分比

從圖8可以看出，新駕駛員在隧道入口段的不同車道位置上行駛時，對于劃分的4個興趣區(qū)域的注視次數(shù)百分比不同，但對于前方區(qū)域的注視次數(shù)百分比均都高于其他3個興趣區(qū)域。前方區(qū)域中：1號車道對于前方區(qū)域的注視次數(shù)百分比達(dá)到50.4%，2號車道對于前方區(qū)域的注視次數(shù)百分比為41.9%，3號車道對于前方區(qū)域的注視次數(shù)百分比則為47.6%；左側(cè)區(qū)域中：3號車道對于左側(cè)區(qū)域的注視次數(shù)百分比最高，達(dá)到34.7%；右側(cè)區(qū)域中：1號車道對于右側(cè)區(qū)域的注視次數(shù)比例最高，占比為38.0%。

2.5 平均掃視速度

掃視是指駕駛員在行車過程中尋找目標(biāo)物體時，將視點從一個目標(biāo)轉(zhuǎn)移到另外一個目標(biāo)上的運(yùn)動過程，能夠反映駕駛員注意力的集中程度[20-21]。平均掃視速度是指單位時間內(nèi)眼動角度與掃視持續(xù)時間的比值。駕駛員在不同車道位置行駛時，通過隧道入口段的平均掃視速度如圖9所示。

圖9 夜間隧道入口段不同車道位置駕駛員平均掃視速度

從圖9可以看出，夜間高峰時段隧道入口段新駕駛員行駛在1號車道上，平均掃視速度變化呈遞減趨勢，而在2號車道和3號車道上平均掃視速度變化呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。其中，當(dāng)平均掃視速度在0°/s～60°/s范圍時，行駛在1號車道掃視速度所占比例最大，占52.5%，說明在1號車道上道路環(huán)境信息相對較小，平均掃視速度較低；當(dāng)平均掃視速度在120°/s～180°/s范圍內(nèi)，2號車道和3號車道位置的平均掃視速度所占比例高于1號車道，分別為44.8%和45.4%，說明由于夜間高峰時段合流區(qū)車輛的不斷匯入及隧道入口段明暗交替變化，新駕駛員的緊張程度和危險敏感程度增大，需要更加快速獲取視野范圍內(nèi)的信息，以便用更長的注視時間來注視目標(biāo)內(nèi)的重要信息。

3 結(jié) 論

通過DIkablis 眼動儀獲取晚高峰時段快速路隧道入口段不同車道位置上新駕駛員的注視持續(xù)時間、瞳孔面積、掃視速度等眼動參數(shù)，分析在不同車道位置上行駛時新駕駛員的眼動變化規(guī)律，得出結(jié)論如下：

1) 在不同車道位置上新駕駛員的瞳孔面積變化趨勢基本一致，在隧道入口50～100 m范圍內(nèi)瞳孔面積降到最低值，并且車道位置對瞳孔面積的變化影響顯著。

2) 駕駛員通過隧道入口段時是以注視為主，視點主要集中在前方區(qū)域，內(nèi)側(cè)車道、中間車道和外側(cè)車道在前方區(qū)域內(nèi)的注視時間百分比分別為47.8%、35.3%和37.7%，注視次數(shù)百分比分別為50.4%、41.9%和47.6%。

3)夜間高峰時段隧道入口處新駕駛員行駛在內(nèi)側(cè)車道上，平均掃視速度變化呈遞減趨勢，而在中間車道和外側(cè)車道上由于受高峰時段合流區(qū)車輛影響以及隧道入口處明暗交替變化，平均掃視速度變化呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。