潘鴻飛，吳立新，溫井雨

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

1 引言

城市化進(jìn)程的加快使得城市與城市之間的聯(lián)系越來越密切，城際出行成為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，城際道路的安全性變得尤為重要。C Román[1]對馬德里至巴塞羅那之間的城際交通方式展開研究，建立了交通方式離散選擇模型；K Baklanova[2]為探究影響城際道路事故率的主要因素，選取交通事故等級、道路幾何參數(shù)等影響因素對城際道路的10 處路段展開研究，發(fā)現(xiàn)道路線形在符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，各路段的事故率仍存在明顯差異。

針對駕駛員眼動指標(biāo)與道路線形之間的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者開展了深入研究。王芳等[3]將駕駛員在沙漠草原公路行車時(shí)的注視點(diǎn)坐標(biāo)等眼動參數(shù)轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間視覺興趣區(qū)面積指標(biāo)，結(jié)合直線段長度建立模型，得出極限直線段長度為行車140s的結(jié)論；朱守林等[4]利用模擬駕駛試驗(yàn)，分析駕駛員在草原公路5種等級線形誘導(dǎo)信息量的彎道路段行車時(shí)眼動參數(shù)變化特點(diǎn)，提出了駕駛員眼動強(qiáng)度回歸模型；Samuel G[5]通過眼動試驗(yàn)，觀察道路坡度、平曲線曲率等參數(shù)對駕駛員眼動的影響，發(fā)現(xiàn)瞳孔變化與道路線形之間有顯著關(guān)系；彭金栓等[6]開展山區(qū)公路直線路段和彎道路段實(shí)車試驗(yàn)，分析直線路段長度、彎道路段曲線半徑對駕駛員注視、掃視等眼動特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著直線段長度的不斷增加，駕駛員注視點(diǎn)分布趨向于離散；張娟等[7]基于駕駛員在長坡路段上坡時(shí)的瞳孔直徑和車速信息，結(jié)合道路坡度和角度變化率建立模型，發(fā)現(xiàn)駕駛員瞳孔大小變化百分比與角度變化率成三次函數(shù)關(guān)系；鄭雪蓮等[8]以直線路段和彎道路段駕駛員注視點(diǎn)分布為指標(biāo)，結(jié)合駕駛員行車預(yù)瞄時(shí)間，建立了關(guān)于直線路段和彎道路段線形的分段函數(shù)和非線性指數(shù)函數(shù)。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對城際道路交通方式、事故率等方面進(jìn)行了分析，同時(shí)對駕駛員眼動特性與高速公路、山區(qū)公路線形之間的關(guān)系開展了大量研究，但采用實(shí)車試驗(yàn)方法對城際道路線形與駕駛員眼動參數(shù)關(guān)系研究較少。本文通過駕駛員佩戴眼動儀進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，獲取駕駛員在城際道路不同平面線形路段行車時(shí)的眼動參數(shù)，分析駕駛員在各路段眼動參數(shù)的變化特點(diǎn)，為城際道路平面線形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)路段

選擇長春市長清公路K3+000至K26+000作為試驗(yàn)路段，長清公路連接長春市凈月區(qū)與雙陽區(qū)，雙向四車道，沿線坐落村鎮(zhèn)與學(xué)校，是典型城際道路，道路沿線分布和橫斷面條件如圖1和圖2所示。

圖1 長清公路沿線分布圖

圖2 長清公路道路橫斷面

根據(jù)長清公路設(shè)計(jì)圖紙資料和實(shí)地踏勘數(shù)據(jù)，按照半徑R≥1000m、縱坡度i＜3%為直線路段，半徑R＜1000m、縱坡度i＜3%為平曲線路段[9]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將長清公路樁號K3+000 至K26+000 路段進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果見表1和表2。

表1 直線路段

表2 平曲線路段

由表1可知，直線路段數(shù)量較多且部分路段長度相近，為降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性，運(yùn)用K-均值聚類法將各直線路段長度分為6類，聚類結(jié)果見表3。

表3 K-均值聚類法分類結(jié)果

根據(jù)聚類結(jié)果，從每一類別中選擇一處路段，確定的直線試驗(yàn)路段見表4。

表4 直線路段

2.2 試驗(yàn)駕駛?cè)思霸囼?yàn)儀器

本次試驗(yàn)選取4 名無生理缺陷且視覺系統(tǒng)正常的駕駛員進(jìn)行多次試驗(yàn)，試驗(yàn)駕駛員為40歲以下青年人，駕齡均在3年以上。試驗(yàn)儀器使用五座小汽車一臺、正弦逆變器一個(gè)、德國制造的DIkablis眼動儀及D-Lab軟件。

2.3 試驗(yàn)時(shí)間及過程

2.3.1 試驗(yàn)時(shí)間

選擇天氣及路面條件良好情況下的上午09:00～11:30時(shí)段進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。

2.3.2 試驗(yàn)過程

①告知駕駛員試驗(yàn)?zāi)康暮突疽?，駕駛員佩戴眼動儀對試驗(yàn)路段進(jìn)行試駕，熟悉試驗(yàn)車輛及道路情況。

②駕駛員佩戴眼動儀從長清公路K3+000 連續(xù)行駛至K26+000處，停車休息5min～10min。

③駕駛員佩戴眼動儀從長清公路K26+000 連續(xù)行駛返回至K3+000處，記為一次完整的試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

由DIkablis 眼動儀采集的駕駛員原始眼動數(shù)據(jù)見表5。對信控交叉口前后20m 范圍內(nèi)和明顯偏差的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

表5 眼動儀原始數(shù)據(jù)

3 城際道路平面線形與瞳孔面積的關(guān)系

駕駛員行車時(shí)，80%以上的道路交通信息由視覺獲取，而瞳孔面積可以反映駕駛員的心理緊張程度，二者成正相關(guān)關(guān)系，即心理緊張程度越大，瞳孔面積越大[10]。本文通過實(shí)車試驗(yàn)獲取4 名駕駛員在不同路段行車時(shí)的平均瞳孔面積數(shù)值，分析其與城際道路平面線形之間的關(guān)系。

3.1 直線路段

運(yùn)用S-W 正態(tài)檢驗(yàn)對駕駛員在6處直線路段行車的平均瞳孔面積正態(tài)分布進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同直線長度與平均瞳孔面積正態(tài)檢驗(yàn)

由表6可知，駕駛員在不同直線路段的平均瞳孔面積概率P值為0.183，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)將直線長度與平均瞳孔面積做相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 直線長度與平均瞳孔面積相關(guān)性檢驗(yàn)

由表7 可知，直線長度與平均瞳孔面積之間的Sig（單尾）值為0.049，小于顯著性水平0.05，說明兩者之間存在顯著相關(guān)性，Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.731，說明兩者相關(guān)程度為強(qiáng)相關(guān)。

以城際道路直線路段長度為橫坐標(biāo)，駕駛員平均瞳孔面積為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。

圖3 直線長度與平均瞳孔面積關(guān)系圖

由圖3可知，城際道路直線長度與駕駛員平均瞳孔面積之間呈二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)直線路段長度較短時(shí)（小于600m區(qū)間范圍），駕駛員行車操作和視野內(nèi)道路線形變化相對頻繁，平均瞳孔面積相對較大；隨著直線路段長度的增加（600m～1300m區(qū)間范圍），單一的道路線形條件和較低的駕車難度會提高駕駛員的行車舒適感，平均瞳孔面積相對較低；隨著直線路段長度的再增加（大于1300m區(qū)間范圍），直線路段開闊的路面視野和較長的路段會使得行車速度加快，駕駛員視線變窄，與直線路段單調(diào)的道路環(huán)境相互作用，使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞，導(dǎo)致平均瞳孔面積相對較大。

圖4 直線330m路段

圖5 直線600m路段

圖6 直線900m路段

圖7 直線1010m路段

圖8 直線1900m路段

圖9 直線2600m路段

由圖4～圖9 可知，駕駛員在直線路段駕車行駛初期，瞳孔面積總體上呈下降趨勢，圖中呈現(xiàn)為直線路段行車前25s 左右，說明由其他路段駛?cè)胫本€段時(shí)，直線段簡單的線形和開闊的視野使駕駛員感到舒適，瞳孔面積逐漸下降；隨著直線長度的增加，駕駛員在直線路段行車時(shí)間變長，當(dāng)在直線段行車超過25s 之后，瞳孔面積逐漸上升，當(dāng)超過約60s 后，瞳孔面積變化出現(xiàn)波動，呈離散狀，說明駕駛員出現(xiàn)視覺疲勞。結(jié)合直線長度與平均瞳孔面積的關(guān)系，進(jìn)一步說明城際道路直線路段長度過短或過長均不利于行車安全。

3.2 平曲線路段

運(yùn)用S-W正態(tài)檢驗(yàn)對駕駛員在6處平曲線路段行車的平均瞳孔面積正態(tài)分布進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同曲線半徑路段與平均瞳孔面積正態(tài)檢驗(yàn)

由表8可知，駕駛員在不同平曲線路段的平均瞳孔面積概率P值為0.591，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)將曲線半徑與平均瞳孔面積做相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 曲線半徑與駕駛員平均瞳孔面積相關(guān)性檢驗(yàn)

由表9 可知，曲線半徑與平均瞳孔面積之間的Sig（單尾）值為0.014，小于顯著性水平0.05，說明兩者相關(guān)性顯著，Pearson 相關(guān)系數(shù)為-0.902，說明兩者相關(guān)程度為顯著相關(guān)。

以城際道路平曲線段曲線半徑為橫坐標(biāo)，駕駛員平均瞳孔面積為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，如圖10所示。

圖10 曲線半徑與平均瞳孔面積關(guān)系

由圖10 可知，平曲線路段曲線半徑與駕駛員平均瞳孔面積為負(fù)相關(guān)關(guān)系。曲線半徑300m～500m區(qū)間內(nèi)平均瞳孔面積擬合曲線相對較陡，曲線半徑500m～700m之間擬合曲線相對平緩；曲線半徑為300m時(shí)的駕駛員平均瞳孔面積較400m、500m、700m 分別增大了約4.4%、9.1%、11.0%，說明較小的曲線半徑使駕駛員主觀感覺危險(xiǎn)，行車時(shí)精神專注度提高，心理負(fù)荷增加，瞳孔面積變大；隨著曲線半徑的不斷增大，道路線形相對更協(xié)調(diào)，行車視野更開闊，駕駛員行車時(shí)所受的離心力變小，對行車精神專注度的要求下降，舒適感上升，使得瞳孔面積下降。

他說：“你換購到機(jī)票沒有？我是第一次賣里程呢，做一下售后調(diào)查，不知道會不會有什么問題。”粒?；卮穑骸皼]有問題，我已經(jīng)在云南騰沖?！?/p>

為進(jìn)一步分析駕駛員在城際道路平曲線路段行車時(shí)曲線半徑與瞳孔面積變化之間的關(guān)系，對駕駛員每2s的瞳孔面積取平均值，繪制6處平曲線路段駕駛員瞳孔面積散點(diǎn)圖，如圖11～圖16所示。

圖11 半徑300m路段

圖12 半徑400m路段

圖13 半徑460m路段

圖14 半徑500m路段

圖15 半徑500m路段

圖16 半徑700m路段

由圖11～圖16 可知，在通過平曲線路段時(shí)，駕駛員的瞳孔面積具有一定離散性，但總體變化呈先增加后降低特點(diǎn)，拐點(diǎn)大致位于平曲線行車時(shí)間的中間稍偏后位置，即駕駛員駛過圓曲線中點(diǎn)之后，且瞳孔面積在駛離平曲線路段時(shí)存在增大的現(xiàn)象。當(dāng)駕駛員行車駛?cè)氲谝痪徍颓€路段時(shí)，漸變的道路線形、受限的行車視野及逐漸增大的離心力相互作用，使其精神專注度提高，表現(xiàn)較為謹(jǐn)慎，瞳孔面積變大；在駛過圓曲線中點(diǎn)后，行車視野逐漸恢復(fù)，離心力降低，同時(shí)駕駛員對平曲線亦有所適應(yīng)，精神專注度下降，瞳孔面積變?。辉隈偝銎角€時(shí)，線形條件的變化使駕駛員的警惕性又有所提高，瞳孔面積小幅提高。結(jié)合曲線半徑與平均瞳孔面積關(guān)系，說明城際道路宜采用半徑較大的平曲線。

4 城際道路平面線形與注視持續(xù)時(shí)間的關(guān)系

注視持續(xù)時(shí)間是指駕駛員視線關(guān)注某一對象所持續(xù)的時(shí)間，單位為ms，可以反映駕駛員在行車過程中獲取及處理外部信息的難易程度[11]。本文通過實(shí)車試驗(yàn)獲取4 名駕駛員在不同路段行車時(shí)的平均注視持續(xù)時(shí)間數(shù)值，分析其與城際道路平面線形之間的關(guān)系。

4.1 直線路段

運(yùn)用S-W 正態(tài)檢驗(yàn)對駕駛員在6處直線路段行車的平均注視持續(xù)時(shí)間正態(tài)分布進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 不同直線長度與平均注視持續(xù)時(shí)間正態(tài)檢驗(yàn)

由表10 可知，駕駛員在不同直線長度路段的平均注視持續(xù)時(shí)間概率P值為0.821，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)將直線長度與平均注視持續(xù)時(shí)間做相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 直線長度與平均注視持續(xù)時(shí)間相關(guān)性檢驗(yàn)

由表11 可知，直線長度與平均注視持續(xù)時(shí)間之間的Sig（單尾）值為0.403，大于顯著性水平0.05，說明兩者之間的相關(guān)性不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即不相關(guān)。

以100ms為單位，將駕駛員在6處直線路段行車時(shí)的注視持續(xù)時(shí)間占比做統(tǒng)計(jì)，直線長度與平均注視持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如圖17所示。

圖17 不同直線長度路段注視持續(xù)時(shí)間分布

由圖17 可知，駕駛員在不同直線路段行車時(shí)注視持續(xù)時(shí)間分布趨勢大致相同，單次注視持續(xù)時(shí)間在001ms～100ms 區(qū)間內(nèi)占比最大，達(dá)48%上，說明駕駛員更傾向于視線短暫停留來搜索道路交通環(huán)境信息；單次注視持續(xù)時(shí)間主要分布在001ms～400ms 區(qū)間內(nèi)，占比超過80%，說明注視持續(xù)時(shí)間在001～400ms時(shí)更有利于駕駛員獲取交通環(huán)境信息；501ms～1000ms區(qū)間所占比例很小，即過長的注視情況較少發(fā)生。

4.2 平曲線路段

運(yùn)用S-W 正態(tài)檢驗(yàn)對駕駛員在6處平曲線路段行車的平均注視持續(xù)時(shí)間正態(tài)分布進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 不同曲線半徑路段與平均注視持續(xù)時(shí)間正態(tài)檢驗(yàn)

由表12 可知，駕駛員在不同平曲線路段的平均注視持續(xù)時(shí)間概率P值為0.824，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現(xiàn)正態(tài)分布。

運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)將曲線半徑與平均注視持續(xù)時(shí)間做相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表13。

由表13 可知，曲線半徑與平均注視持續(xù)時(shí)間之間的Sig（單尾）值為0.108，大于顯著性水平0.05，說明兩者之間的相關(guān)性不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即不相關(guān)。

表13 曲線半徑與平均注視持續(xù)時(shí)間相關(guān)性檢驗(yàn)

以100ms 為單位，將4 名駕駛員在城際道路6 處平曲線路段行車時(shí)的平均注視持續(xù)時(shí)間占比做統(tǒng)計(jì)，如圖18所示。

圖18 不同曲線半徑路段注視持續(xù)時(shí)間分布

由圖18 可知，駕駛員在不同曲線路段行車時(shí)單次注視持續(xù)時(shí)間主要集中在在001ms～400ms 區(qū)間內(nèi)，占比超過80%；單次注視持續(xù)時(shí)間在001ms～100ms 區(qū)間占比最高，超過了43%，其次為101ms～200ms 區(qū)間，占比約20%左右，說明駕駛員以短注視為主來獲取道路交通信息。

與直線路段相比，駕駛員在平曲線路段行車時(shí)注視持續(xù)時(shí)間在001ms～100ms區(qū)間占比下降，約6.5%，在101ms～200ms 和201ms～300ms 區(qū)間占比增加，約4.0%和3.7%，說明駕駛員在城際道路平曲線路段主觀感覺更危險(xiǎn)，單次注視持續(xù)時(shí)間相對變長，行車更為謹(jǐn)慎，搜索道路交通環(huán)境信息的專注度增加。

5 結(jié)語

依據(jù)駕駛員佩戴DIkablis 眼動儀在城際道路直線路段和平曲線路段獲取的瞳孔面積、注視持續(xù)時(shí)間眼動參數(shù)，分析城際道路線形與駕駛員眼動參數(shù)的關(guān)系，結(jié)論如下：

①在城際道路直線路段行車時(shí)，駕駛員瞳孔面積變化呈先降再升后波動特點(diǎn)，拐點(diǎn)位于行車時(shí)間25s左右，行車超過60s 時(shí)瞳孔面積變化出現(xiàn)波動，說明過短或過長的直線長度不利于行車安全。

②在城際道路平曲線路段行車時(shí)，駕駛員瞳孔面積變化呈先升再降后升特點(diǎn)，拐點(diǎn)分別位于平曲線路段曲中偏后位置和駛出曲線位置；平均瞳孔面積隨著曲線半徑的減小逐漸升高，曲線半徑為300m時(shí)較500m和700m 時(shí)分別上升了約9.1%和11.0%，說明過小的曲線半徑不利于行車安全。

③城際道路直線路段和平曲線路段駕駛員注視持續(xù)時(shí)間占比分布大致相同，平曲線路段在101ms～200ms和201ms～300ms 區(qū)間占比較直線路段分別增加了約4.0%和3.7%，說明駕駛員在城際道路平曲線路段行車時(shí)搜索道路交通環(huán)境信息的專注度更高。