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        基于霧天高速車路協(xié)同模擬駕駛的運(yùn)行安全分析

        2022-02-10 01:24:38李虹燕劉心茹蘇振海范新琪
        交通工程 2022年6期
        關(guān)鍵詞:霧天眼動能見度

        李虹燕,王 迪,劉心茹,蘇振海,范新琪,孫 琪

        (山東交通學(xué)院 交通與物流工程學(xué)院, 濟(jì)南 250357)

        0 引言

        霧天條件下因能見度降低、視距不足,駕駛?cè)说囊曈X、情緒易受到較大影響. 不良的道路環(huán)境會影響駕駛?cè)说男畔⒉蹲侥芰皩ν话l(fā)事故的判斷能力,更容易發(fā)生交通事故. 與晴天事故相比,霧天交通事故后果更為嚴(yán)重,傷亡率明顯增加[1]. 據(jù)統(tǒng)計,在我國公安交通管理部門受理的道路交通事故案例中,惡劣天氣導(dǎo)致的交通事故量占全年交通事故量的24.97%、傷亡率為22.74%;而霧天導(dǎo)致的交通事故量占惡劣天氣條件下交通事故量的10.25%,傷亡率為10.87%,盡管與霧天相關(guān)的交通事故較少,但霧天條件下造成的經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重,且霧天發(fā)生交通事故的傷亡率最高,約為正常天氣條件的10倍[2].

        事實上,駕駛過程中80%的信息由視覺獲取并加工,駕駛?cè)艘曈X測試研究證實,人因(Human Factors)占事故致因的比例高達(dá)92.6% ,而在人因中起主導(dǎo)作用的因素也多與視覺有關(guān),包括駕駛?cè)擞^察不當(dāng)、注意力不集中、動態(tài)視敏度較差等. 可見,視覺特性研究在交通安全中占據(jù)極為重要的地位. 以往的研究探究了視覺信息、聽覺信息及信息復(fù)雜度對視覺表現(xiàn)的影響. 學(xué)者們通過對注視點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn),視覺信息的出現(xiàn)會導(dǎo)致掃視時長與掃視頻率的顯著變化[3],使得注視時長變短、注視點(diǎn)分布不穩(wěn)定[4],并且減少駕駛?cè)藢Φ缆分行牡年P(guān)注.

        由于真實環(huán)境受限,在惡劣天氣條件下駕駛試驗危險性較高,本研究結(jié)合霧天條件下的交通特征,通過車路協(xié)同模擬試驗,采集駕駛?cè)说囊曈X數(shù)據(jù)和車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)[5],驗證能見度在差、較差、較好、好4種情況下駕駛?cè)说男熊囁俣?、加速度、注視時間、掃視速度、瞳孔直徑的變化,分析駕駛?cè)嗽陟F天條件下車輛的運(yùn)行狀態(tài)及影響程度,得到相應(yīng)結(jié)論. 為避免或減少霧天條件下的交通事故以及研究駕駛?cè)嗽陟F天不同能見度下的視覺特性和車輛運(yùn)行特征提供理論基礎(chǔ).

        1 駕駛?cè)艘曈X搜索及眼動行為

        駕駛?cè)说囊曈X搜索過程是眼球通過掃視運(yùn)動從1個注視點(diǎn)到下1個注視點(diǎn)[6]. 利用這種運(yùn)動方式在視野內(nèi)循環(huán)交替搜尋目標(biāo),直到發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)烁信d趣的信息. 注視、掃視和眼動追隨是駕駛?cè)诵熊囘^程中的眼動基本形式[7].

        注視行為是駕駛?cè)四芮逦目吹接^察對象的視覺過程. 單次注視持續(xù)時間作為處理有效信息的度量標(biāo)準(zhǔn),可反映駕駛?cè)藢τ行畔⑻崛〉碾y易程度. 累積注視持續(xù)時間可反映駕駛?cè)藢δ骋蛔⒁晫ο蟮母信d趣程度,也代表駕駛?cè)颂幚泶碳ば畔⑺牡臅r間[8].

        掃視行為產(chǎn)生于2次注視之間[9],通常指人眼對于交通環(huán)境中目標(biāo)搜索的過程. 掃視行為發(fā)生的速度特別快,與駕駛?cè)穗p眼的跳動幾乎一致.

        圖1 視野圖

        眼動追隨就是當(dāng)觀察對象發(fā)生移動時為了可繼續(xù)注視觀察對象,眼球會隨之移動,此時眼球的運(yùn)動稱追隨運(yùn)動. 其眼動追隨的目的是讓觀察對象成像時準(zhǔn)確地落在駕駛?cè)穗p眼視網(wǎng)膜的中央凹處. 然而,在觀察對象運(yùn)動過快或過慢時就很難發(fā)生眼動的追隨運(yùn)動. 在這種情況下,眼動追隨就需要掃視行為的參與.

        基于駕駛?cè)艘曈X搜索及眼動行為特征,在車路協(xié)同模擬試驗過程中采集注視、掃視、眼動追隨幾個參數(shù)對駕駛?cè)诵袨?、視覺感知能力、駕駛?cè)思败囕v運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析.

        2 車路協(xié)同模擬測試

        2.1 相關(guān)試驗設(shè)備的介紹

        試驗選用Simulator駕駛模擬器作為車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集儀器,試驗倉選擇了大眾帕薩特1.8 T轎車,如圖2所示. 此實驗倉具有真實的制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng),模擬真實的駕乘環(huán)境,并通過傳感器反饋給計算機(jī).

        圖2 駕駛模擬器

        駕駛員在操作時通過眼動儀進(jìn)行視線跟蹤,該眼動儀可有效提取運(yùn)行軌跡、眼動時間、眼動速度、注視點(diǎn)位置和瞳孔的大小等相關(guān)參數(shù),并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析.

        2.2 試驗條件準(zhǔn)備

        2.2.1 試驗人員篩選

        圖3 測試現(xiàn)場

        從公安部交管局公布的2020年駕駛?cè)藬?shù)據(jù)中得到駕駛?cè)说哪挲g分布. 18~25歲占11.65%;26~50歲71.79%;51~60歲占13.36%. 從駕駛?cè)说鸟{齡分布看,1~5 a駕齡占27.90%;6~10 a駕齡占29.83%. 從駕駛?cè)说男詣e分布看,男性占66.32%,女性占33.68%. 基于駕駛?cè)四挲g、駕齡分布特征選取20名視力或者矯正視力正常,年齡分布在20~50歲,駕齡2~10 a駕駛?cè)俗鳛楸辉囌?,被試者均具有高速駕駛經(jīng)驗并熟悉駕駛模擬器和眼動儀器的操作方法. 在進(jìn)行試驗前要求試驗對象睡眠充足、飲食正常,不得飲酒和服藥,避免因試驗對象疲勞駕駛、身體不適或者使用藥物異常而導(dǎo)致的試驗值誤差,駕駛員信息見圖4.

        圖4 模擬器試驗駕駛?cè)嘶拘畔?/p>

        2.2.2 試驗路段設(shè)置

        建設(shè)長度為19.8 km的濟(jì)南國際機(jī)場高速公路為模擬試驗路段,選取其中道路條件和交通環(huán)境穩(wěn)定的2 km直線路段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并采用SCANeR studio車路協(xié)同模擬系統(tǒng)進(jìn)行平臺搭建.

        車輛類型根據(jù)實際駕駛模擬器的車輛類型設(shè)定為小型轎車,道路的基本條件為雙向6車道,車道寬度為3.75 m,車道采用單一的白色邊緣線和白色中心線作為標(biāo)記,路側(cè)設(shè)置護(hù)欄、行道樹、道路標(biāo)志等日常道路設(shè)施,模擬試驗路段如圖5所示.

        圖5 模擬試驗路段

        2.2.3 試驗方案

        在車路協(xié)同模擬器中設(shè)置自由流,道路的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別導(dǎo)入固定車流,并在同向最內(nèi)側(cè)車道加入車速為90~120 km/h的限定車流,道路起點(diǎn)車流如圖6所示. 試驗設(shè)置50、200、350、500 m能見度的車路協(xié)同模擬測試場景,駕駛?cè)伺宕餮蹌觾x在霧天試驗場景下完成加速、勻速、減速3種行車狀態(tài). 在駕駛模擬過程中,車、路、人3方實現(xiàn)動態(tài)實時信息交互,車輛數(shù)據(jù)及道路數(shù)據(jù)反饋給SCANeR studio車路協(xié)同模擬系統(tǒng),進(jìn)行車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的輸出,配合眼動設(shè)備同時采集駕駛員的運(yùn)動參數(shù).

        圖6 道路起點(diǎn)導(dǎo)入車流情況

        3 試驗結(jié)果分析

        3.1 眼動數(shù)據(jù)分析

        對駕駛?cè)嗽诓煌芤姸认滦旭傔^程中的注視持續(xù)時間、掃視持續(xù)時間和眨眼時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到累積注視時間、累積掃視時間和累積眨眼時間的百分比,見圖7.

        圖7 累積注視、掃視、眨眼行為時間占比

        從整體來看,在一定時間內(nèi),4種能見度下駕駛?cè)诵熊囘^程中累積注視時間占比最高,再者為累積掃視時間,其次累積眨眼時間占比最少,這表明,駕駛?cè)嗽陟F天行車過程中以注視為主,發(fā)生眨眼行為的時間很少[10].

        從注視的累積時間占比可看出,50 m能見度下的累積注視時間較200、350、500 m能見度下的注視累積時間占比最高,這說明在50 m能見度的情況下,駕駛?cè)藦闹心芴崛〉降男畔⑿实?,需要較多的注視時間來獲取道路信息,200、350 m能見度下注視占比時間較低,這說明能見度較高,車速相對緩慢的情況下,駕駛?cè)藦闹心芴崛〉降男畔⑿矢撸?00 m 能見度情況下,駕駛員車速較快,需要較多的注視時間來獲取道路信息,注視時間相對較高.

        從掃視和眨眼的累積時間占比可看到,50 m能見度下的累積眨眼時間占比低于200 m能見度條件,這說明駕駛?cè)嗽?0 m能見度下行車時精力更為集中. 50 m能見度下的累積掃視時間占比略高于200 m能見度條件,這說明當(dāng)駕駛?cè)嗽谧⒁暻胺胶茈y得到有效信息時,可能會借助觀察其他輔助信息,比如路面的標(biāo)線、兩側(cè)綠化和護(hù)欄來判斷行車的安全性.

        3.1.1 注視特性

        注視次數(shù)可作為衡量視覺搜索效率的1個指標(biāo),注視頻次越高表明駕駛?cè)怂褜じ信d趣區(qū)域的效率越低. 對單次注視持續(xù)時間數(shù)據(jù)求取各區(qū)間段的頻次占比,以0.1 s為1個區(qū)間段,可得到駕駛?cè)嗽?種能見度下在行車過程中的注視持續(xù)時間區(qū)段分布. 駕駛?cè)俗⒁晻r間分段統(tǒng)計結(jié)果見表1.

        表1 駕駛?cè)俗⒁暢掷m(xù)時間分段統(tǒng)計結(jié)果

        不同能見度下單次注視持續(xù)時間的頻次占比在各個區(qū)間段中的變化大致相同,主要是集中在0.08~0.5 s區(qū)段內(nèi),且長時間的注視頻次呈逐級遞減趨勢. 經(jīng)計算可得出在4種能見度中,0.08~0.5 s 區(qū)間段的頻次占比和都在80%以上.

        在區(qū)間段0.1~0.2 s內(nèi),四種能見度下的注視頻次占比較為突出,結(jié)合表1計算可得這一區(qū)間段的占比在所有區(qū)間中最高,緊隨其后的是0.2~0.3 s區(qū)間段,這說明在霧天條件下,駕駛?cè)送远虝鹤⒁晛硭阉鞲信d趣的信息.

        在0.1~0.2 s區(qū)間段,駕駛?cè)嗽?0 m能見度下行車發(fā)生的單次注視持續(xù)時間的頻次占比明顯最高,這說明駕駛?cè)嗽谝曇皸l件差時,注視頻次偏高,駕駛?cè)说囊曈X搜索效率也會降低,駕駛?cè)烁蛴诙啻芜M(jìn)行短暫的注視來獲取有效信息.

        3.1.2 掃視特性

        掃視速度可反映出駕駛?cè)嗽趯ふ遗d趣目標(biāo)的速度,也可表示對上一次注視所得信息的處理速度. 根據(jù)區(qū)間段對掃視速度的數(shù)據(jù)求取頻次占比,以50°/s作為1個區(qū)間段,得到駕駛?cè)嗽?種不同能見度下行車的掃視速度區(qū)段分布,駕駛?cè)藪咭曀俣确旨壗y(tǒng)計結(jié)果見表2.

        駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中,單次掃視速度主要集中在30~200°/s范圍內(nèi),占比均在80%左右. 掃視速度在50~100°/s范圍內(nèi)的占比高于其他區(qū)間段;50 m能見度下掃視速度占比明顯低于其他3種能見度,在快速掃視范圍內(nèi),50 m能見度的占比略高于其他3種能見度;30~50°/s區(qū)間段次之. 得出結(jié)論:在霧天條件下,駕駛?cè)似蛴谕ㄟ^較慢的掃視獲取興趣信息,在低能見度情況下,駕駛?cè)司Ω叨燃?,進(jìn)行多次迅速掃視觀察周邊情況,獲取有效信息.

        3.1.3 瞳孔特性

        瞳孔大小可描述駕駛?cè)说男睦砭o張程度. 由于整個駕駛過程較為平緩,無法選擇1個共同的時間點(diǎn)來比較不同能見度下駕駛?cè)说耐酌娣e變化率,因此選擇在整個駕駛過程中瞳孔面積變化率的最大值作為依據(jù).

        (1)

        式中,Φ為瞳孔面積變化率(%);SI為原始瞳孔面積(mm2);S0為變化后的瞳孔面積(mm2).

        可計算出駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中瞳孔面積的變化率,將瞳孔面積變化率的最大值進(jìn)行整理,得到瞳孔面積變化率最大值見圖8.

        研究表明,瞳孔面積變化率大于40%,表示駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)緊張;在20%~40%之內(nèi),表示駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)較緊張;小于20%,表明駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)較為舒適[11]. 在50 m能見度時,駕駛?cè)说耐酌娣e變化率最大值更大,表明駕駛?cè)嗽?0 m能見度條件下駕駛車輛更為緊張. 由此得出,在視野條件越差的情況下,駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)越緊張.

        表2 駕駛?cè)藪咭曀俣确侄谓y(tǒng)計結(jié)果

        圖8 瞳孔面積變化率最大值

        3.2 車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

        3.2.1 速度

        通過處理駕駛?cè)嗽诓煌芤姸认萝囕v行駛速度的試驗數(shù)據(jù),得到速度平均值,見表3.

        表3 模擬試驗速度平均值

        得出在能見度越高的情況下,駕駛?cè)说乃俣绕骄党噬仙厔?

        為判斷霧天能見度與車輛速度平均值之間相互關(guān)系的密切程度,對20位駕駛?cè)嗽?種不同霧天能見度下的車輛速度平均值與霧天能見度做皮爾遜相關(guān)性分析,見表4.

        表4 相關(guān)分析結(jié)果表

        霧天能見度和車輛速度平均值之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.991,表示在該霧天能見度下車輛行駛的速度平均值呈顯著正相關(guān). 霧天能見度和車輛速度平均值兩變量之間不相關(guān)的Sig雙側(cè)檢驗值為0.009,小于0.01(雙星號標(biāo)記表示在0.01級別以下,相關(guān)性顯著),所以認(rèn)為此標(biāo)記的相關(guān)系數(shù)是顯著的. 因此推出:霧天的能見度與在該條件下駕駛?cè)诵旭傑囕v的速度平均值兩變量之間存在顯著正相關(guān)性,即霧天的能見度越高,駕駛?cè)诵旭傑囕v的平均速度越高.

        運(yùn)用SPSS分析軟件試求解回歸方程,通過所有曲線估算模型分析結(jié)果的對比,三次方程曲線的R2最大,為1.000,說明該模型可解釋因變量的100%差異,由此得出擬合得到的回歸系數(shù)有效,且三次方程曲線完全擬合了在該霧天能見度下駕駛?cè)诵旭傑囕v的速度平均值之間的關(guān)系. 參數(shù)和常數(shù)項的估計值見表 5,三次方程擬合曲線見圖9.

        表5 參數(shù)和常數(shù)項的估計值

        圖9 三次方程擬合曲線

        根據(jù)三次方程曲線的參數(shù)和常數(shù)項的估計值,X為霧天能見度(m),Y為該能見度下的平均速度(km/h2),因此得到模型的三次方程為:

        Y=14.481+0.405X+0.001X2+1.04×10-6X3

        (2)

        3.2.2 加速度

        計算駕駛?cè)嗽?種能見度下正向加速度和反向加速度的平均值,得出4種能見度下駕駛?cè)诵旭傑囕v的加速度平均值,繪制不同能見度下的平均加速度折線圖,模擬試驗加速度平均值見表6,平均加速度趨勢圖見圖10.

        表6 模擬試驗加速度平均值

        圖10 加速度平均值趨勢圖

        如圖中1區(qū)域所示,在50 m能見度時,減速度的數(shù)值在所有能見度中最大,說明在50 m能見度條件下駕駛?cè)藢p速的需求較大,減速的操作行為較多,從上圖可看出50 m能見度下的正向加速度同樣較高,由此推出50 m能見度的行車狀態(tài)較其他3種能見度的行車狀態(tài)最不穩(wěn)定.

        見圖10中2區(qū)域所示,在200 m能見度即天氣條件較差時,正向加速度和反向加速度與50 m能見度條件下相比都有所減少,這說明在200 m的能見度下,駕駛?cè)藢π熊囘^程中的加減速的需求相對較少,不會盲目加速、減速. 由此推斷在200 m能見度時駕駛?cè)说鸟{駛狀態(tài)相對平穩(wěn),駕駛?cè)说鸟{駛行為也較為謹(jǐn)慎.

        見圖10中3區(qū)域所示,在350、500 m能見度下,正向加速度平均值增大,減速度的平均值減小,這說明當(dāng)能見度逐漸增高時,駕駛?cè)说恼蚣铀僭龆?,而反向加速度的絕對值也會相應(yīng)減少,可推出駕駛?cè)嗽谀芤姸雀?,即視野條件越好的情況下,駕駛?cè)诵熊嚑顟B(tài)越為放松.

        據(jù)上述分析可看出在霧天條件下駕駛?cè)说男熊嚑顟B(tài)隨能見度的變化而變化,在能見度高的天氣情況下,駕駛?cè)诵熊嚑顟B(tài)越為放松,能見度較低的情況下,駕駛?cè)说男熊嚑顟B(tài)越緊張.

        4 結(jié)論與展望

        1)駕駛?cè)嗽陟F天行車過程中,視野條件越差行車狀態(tài)越不穩(wěn)定,駕駛?cè)藢p速的需求比較高,駕駛行為比較謹(jǐn)慎,不做過多的加速和減速行為;

        2)駕駛?cè)嗽陟F天行車時,單次注視持續(xù)時間主要集中在0.08~0.5 s. 駕駛?cè)嗽陟F天行車時往往以短暫的注視來搜索感興趣信息;在視野條件越好的情況下,駕駛?cè)颂幚碛行У男畔⒏喔鼜?fù)雜,單次注視持續(xù)時間會隨之增長;

        3)霧天條件下,駕駛?cè)似蛴谳^慢的掃視來獲取興趣信息;在低能見度情況下,駕駛?cè)诉M(jìn)行多次迅速的掃視獲取有效信息;

        4)瞳孔面積變化率隨能見度增高而降低,在視野條件越差的情況下,駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)更為緊張.

        在真實環(huán)境中由于模擬受限,所以采用實驗室車路協(xié)同模擬試驗. 以此得出不同霧天能見度對駕駛?cè)说挠绊懠瓣P(guān)系,為減少霧天條件下的事故傷亡率提供依據(jù). 有效保證了交通安全及人身安全. 但由于試驗場景單一,與實際情況有所差距,因此準(zhǔn)確性有一定影響. 故希望在論文的選擇、結(jié)構(gòu)和成文上,提出寶貴的建議.

        將霧天條件主觀設(shè)定為50、200、350、500 m,與實際情況略有差異;因試驗條件限制,汽車艙內(nèi)操作裝置與真實車輛駕乘感有差距,對數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性有一定影響.

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