基于SMI的電動自行車騎行者視覺行為分析

趙霞，王衛(wèi)杰，壽任禎，任剛（.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇南京0009，.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京0096）

基于SMI的電動自行車騎行者視覺行為分析

趙霞1，王衛(wèi)杰1，壽任禎1，任剛2
（1.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇南京210009，2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096）

為研究電動自行車騎行者的視覺行為特征，明確其對電動自行車行駛安全的影響，采用德國SMI IVIEW X帽子式眼動儀對電動自行車騎行者在包含機(jī)非混行、行人非機(jī)動車混行、機(jī)非隔離3種類型的固定路段開展了眼動實(shí)驗(yàn)，獲取了騎行者在不同的道路環(huán)境中的眼動參數(shù)，包括眼動時(shí)間、視角分布、注視持續(xù)時(shí)間和注視點(diǎn)分布等。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)狀電動自行車路段行駛狀況提出了相應(yīng)的管理對策建議：在有條件的地方應(yīng)當(dāng)盡量將非機(jī)動車和機(jī)動車分離，設(shè)置合理的非機(jī)動車道和路邊停車帶，減少機(jī)動車對非機(jī)動車騎行的影響；同時(shí)應(yīng)將人行道和非機(jī)動車道分離，減少電動自行車和行人之間的沖突隱患。

電動自行車；視覺行為；眼動儀；眼動時(shí)間；注視點(diǎn)

電動自行車由于其節(jié)能、便利的特性，在我國廣泛使用。截至2012年，全國電動自行車保有量已接近1.5億輛，然而由電動車肇事導(dǎo)致的交通事故也逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年我國電動自行車肇事交通事故造成3 600余人死亡，事故死亡人數(shù)是2004年的6倍多[1]。電動自行車已超越了自行車成為非機(jī)動車交通事故的第一大群體，安全形勢非常嚴(yán)峻。研究表明：人的因素是道路交通事故的主要因素，因而有必要以電動自行車的使用者為研究對象分析其騎行行為。而騎行程過程中80%的交通信息是靠視覺提供，因此研究騎行者的視覺行為特征對把握騎行者對電動自行車安全特性的影響具有重要意義。

國內(nèi)外對交通參與者視覺行為的研究主要集中在機(jī)動車駕駛員。早期Burg開始研究視覺與事故的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)動態(tài)視敏度對事故有較好的預(yù)測作用[2]；Lawrence和Lore研究了年長和年輕的駕駛員視覺的選擇性注意與碰撞事故的關(guān)系[3]；長安大學(xué)的田明分析了駕駛員的視覺搜索模式[4]；長安大學(xué)的袁偉、付銳等人運(yùn)用搜索模式模糊聚類評價(jià)法綜合分析了駕駛過程的視覺行為[5]；東南大學(xué)的李婭、龔翔等人將眼動儀的視線跟蹤技術(shù)引入交通標(biāo)識視認(rèn)性研究[6]；同濟(jì)大學(xué)的潘曉東等人運(yùn)用EMR一8B型眼動儀研究了逆光條件下交通標(biāo)志的可視距離[7]。而將視覺行為分析引入到非機(jī)動車騎行行為的研究非常少，國內(nèi)體育研究領(lǐng)域中，張忠秋等人開展了自行車專家與新手范式的眼動實(shí)驗(yàn)對比研究，分析了自行車運(yùn)動員專項(xiàng)認(rèn)知水平眼動特征[8]。

本文借鑒國內(nèi)外在機(jī)動車駕駛員視覺行為分析方面的研究經(jīng)驗(yàn)，開展電動自行車騎行者的眼動實(shí)驗(yàn)，分析其騎行過程中的視覺行為特征，以期為電動自行車交通安全研究提供相關(guān)理論支持。

1 眼動實(shí)驗(yàn)及儀器簡介

眼動實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)時(shí)的眼球運(yùn)動記錄實(shí)驗(yàn)，是可以通過分析各種眼動參數(shù)來考察整個(gè)認(rèn)知行為的過程。視覺搜索作為一種復(fù)雜的認(rèn)知過程，是人獲取外界信息繼而進(jìn)行加工的一種重要方式，是眼動實(shí)驗(yàn)的主要研究內(nèi)容。就本文而言，電動車駕駛?cè)诵旭傔^程中需要獲取道路交通環(huán)境中關(guān)于危險(xiǎn)和潛在危險(xiǎn)的信息，注意和觀察交通場景中恰當(dāng)?shù)奈恢谩ｑ{駛?cè)说囊曈X搜索模式是一種選擇性的注意方式，而注意的搜尋和注意的選擇是典型的視覺搜索模式。注意的搜尋體現(xiàn)在視覺搜索行為中，可以用眼動時(shí)間和視角分布等參數(shù)表征；注意的選擇體現(xiàn)在搜索策略中，可以用注視持續(xù)時(shí)間和注視點(diǎn)分布等參數(shù)表征。

本文使用德國SMI IVIEW X帽子式眼動儀（如圖1所示）。SMI IVIEW X眼動儀使用一套眼罩式微型攝像機(jī)，安裝在專用的帽子上，捕捉眼球運(yùn)動并記錄視野的變化。電腦計(jì)算視線的聚焦點(diǎn)與視線的影像進(jìn)行疊加。配套的MPEG視頻采集器可記錄實(shí)時(shí)采集的場景信息，并存儲供后續(xù)研究分析[9]。

圖1 IVIEW X(TM)帽子式眼動儀

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電動自行車騎行者在騎行過程中，信息處理是基礎(chǔ)，只有在掌握可靠信息的基礎(chǔ)上，才能夠避免感覺器官（眼睛）獲取信息不足和漏掉必要信息，或是獲取錯(cuò)誤的信息，從而避免騎行者做出錯(cuò)誤的決策和反應(yīng)，減少道路交通事故的發(fā)生。

電動自行車與普通自行車類似，屬于較容易掌握的交通工具，且電動自行車騎行者的年齡等屬性分布較為集中。本文為了把握電動自行車駕駛?cè)说囊曈X行為特征，選擇機(jī)非混行、行人非機(jī)動車混行、機(jī)非隔離3種不同的城市路段開展眼動實(shí)驗(yàn)，分析不同道路環(huán)境下電動自行車駕駛?cè)说囊曈X搜索模式特性。

實(shí)驗(yàn)線路選擇從東南大學(xué)交通學(xué)院出發(fā)，經(jīng)過進(jìn)香河路到學(xué)府路再到丹鳳街，進(jìn)入珠江路經(jīng)太平北路轉(zhuǎn)向?qū)W府路到進(jìn)香河路，再回到交通學(xué)院。具體線路如圖2所示，路線全長約2km，其中機(jī)非隔離路段約800m，機(jī)非混行路段約1.5km，人非混行路段約1.5km。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2011年9月15日下午3：30～5：30，包含高峰時(shí)段與非高峰時(shí)段，天氣晴朗，同時(shí)避免了陽光充足時(shí)段，攝像時(shí)不會因光線太強(qiáng)而造成拍攝的錄像曝光。

本實(shí)驗(yàn)選取的電動自行車騎行實(shí)驗(yàn)者共20人，人群包括新手和熟練騎行者，兩類人群男女比例相當(dāng)，包含20～50歲實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析部分不考慮人群差異性，只考慮道路環(huán)境對眼動參數(shù)的影響。

圖2 眼動儀實(shí)驗(yàn)線路

本實(shí)驗(yàn)需注意以下問題：

（1）安全問題：實(shí)驗(yàn)路段比較復(fù)雜，佩戴眼動儀后影響部分騎行行為，受試者中包含新手，容易產(chǎn)生安全問題；

（2）眼動儀的標(biāo)定問題：在校正過程中，如果被檢測者眨眼，那么就不能做到精確的標(biāo)定；然而，如果在校正開始之前警告他不能眨眼，他有時(shí)將變得太緊張而不能以正常狀態(tài)通過標(biāo)定的步驟；

（3）騎行過程中的問題：騎行過程中佩戴的眼動儀帽子位置容易變動，出現(xiàn)校正點(diǎn)位置偏差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

3 數(shù)據(jù)分析

本文對眼動實(shí)驗(yàn)記錄采用Observer XT系統(tǒng)進(jìn)行了分析，主要探討了機(jī)非隔離、機(jī)非混行與人非混行路段等不同道路環(huán)境下電動自行車駕駛?cè)说难蹌訒r(shí)間、視角分布、注視持續(xù)時(shí)間、注視點(diǎn)分布等視覺行為。

3.1 眼動時(shí)間分析

將實(shí)驗(yàn)路段分為機(jī)非隔離、機(jī)非混行與人非混行路段3種類型，對電動自行車駕駛?cè)说难蹌訒r(shí)間分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。在騎行過程中觀察不同目標(biāo)的眼動時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)其主要分布區(qū)間為0～100ms，占總體的76.32%，為掃視時(shí)間；超過100ms的為注視時(shí)間，占23.58%。不同路段中眼動時(shí)間分布一致，掃視時(shí)間占絕大部分比例；在機(jī)非隔離的道路環(huán)境下，注視時(shí)間所占的比例相對較大，為28.1%。因此電動自行車駕駛?cè)说囊曈X搜索以掃視為主。

圖3 眼動時(shí)間分布

由于機(jī)非隔離環(huán)境下，電動自行車騎行軌跡較為單一，不會與行人或者機(jī)動車輛產(chǎn)生混合交通流，需要關(guān)注并分析的信息少，因此掃視時(shí)間也相對較少；而機(jī)非混行與人非混行這兩種道路環(huán)境中交通組成復(fù)雜，騎行者要時(shí)刻注意行駛的機(jī)動車和可能出現(xiàn)的行人，因而掃視時(shí)間相對較多。

3.2 視角分布分析

本文參照Victor等人[10]的區(qū)域劃分方法，對眼動軌跡位置平面分布圖的正方形區(qū)域進(jìn)行劃分。劃分方法如圖4所示，在水平方向上，將（-20，-10）區(qū)域定義為左邊側(cè)區(qū)域，（10，20）區(qū)域定義為右邊側(cè)區(qū)域；將中間部分從點(diǎn)（-10，-10）到點(diǎn)（10，10）所包含的200×200的正方形作為道路中心區(qū)域，中心區(qū)域又將垂直方向區(qū)域分隔成上方和下方。圖4所示場景中的十字是電動車駕駛?cè)说囊朁c(diǎn)，左邊側(cè)區(qū)域包含了機(jī)動車道和對向車道，右邊側(cè)區(qū)域包含了人行道，下方對應(yīng)的是觀察的近處，中心區(qū)域和上方對應(yīng)的是觀察的遠(yuǎn)處。

圖4 視角區(qū)域劃分

（1）水平視角分析

圖5表示機(jī)非隔離、機(jī)非混行、人非混行3種道路環(huán)境下電動自行車駕駛?cè)嗽谒椒较蛏弦暯堑姆植肌Ｔ跈C(jī)非隔離路況下，由于行駛環(huán)境較單一、安全，駕駛?cè)酥饕P(guān)注前方路況，駕駛?cè)说乃揭暯侵饕植荚诰又袇^(qū)域，占91.9%；機(jī)非混行路段中，駕駛?cè)藢χ行膮^(qū)域關(guān)注度達(dá)69.1%，而左右兩側(cè)關(guān)注度分別為21.6%和9.3%，數(shù)據(jù)顯示該行駛環(huán)境下，騎行者主要的注意力分布在前方和左側(cè)；人非混行路段中，騎行者需要同時(shí)兼顧前方、左側(cè)和右側(cè)。

圖5 水平視角分布

（2）垂直視角分析

根據(jù)圖4區(qū)域的劃分，垂直方向上分隔成下方、中心區(qū)域和上方。下方對應(yīng)的是近處，上方對應(yīng)的是遠(yuǎn)處。圖6顯示不同道路環(huán)境下電動自行車騎行者垂直視角的分布情況。從圖中可以看出，在3種不同的環(huán)境下電動自行車騎行者垂直視角分布基本一致：中部區(qū)域占據(jù)絕大多數(shù)比例，其次是上方，下方所占比例最小。說明騎行者的視線主要集中在中心區(qū)域，絕大多數(shù)時(shí)間在關(guān)注前方的路況。

圖6 垂直視角分布

3.3 注視點(diǎn)停留頻度分布

不同的道路環(huán)境下，騎行者關(guān)注的對象也不相同。本文將關(guān)注對象分為交通設(shè)施、對向非機(jī)動車、同向非機(jī)動車、行人、機(jī)動車、景物及其他6大類注視類別。圖7即為不同路段中不同類別對象的注視點(diǎn)停留頻度分布。

圖7 注視點(diǎn)停留頻度分布

機(jī)非隔離環(huán)境下，騎行者注視點(diǎn)的分布中，同向非機(jī)動車和交通設(shè)施占的比例最多，兩者合計(jì)接近60%，在這種道路環(huán)境下，騎行者主要關(guān)注同向行駛的非機(jī)動車和道路的護(hù)欄、路緣石、信號燈等設(shè)施以保證安全。機(jī)非混行環(huán)境下，同向行駛非機(jī)動車關(guān)注頻度最高，占總體的37.9%；其次是機(jī)動車，占總體的28.8%。行人和非機(jī)動車混行環(huán)境下，同向非機(jī)動車所占比例最高，其次是行人、景物和交通設(shè)施，分別占到25.0%、11.2%和7.5%，該環(huán)境下，非機(jī)動車和行人是影響電動自行車通行安全的主要因素。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得了不同道路環(huán)境中騎行者的眼動參數(shù)，進(jìn)而對電動自行車騎行者的眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）騎行者在不同的道路環(huán)境中眼動時(shí)間分布都是不均勻的，但是具有相同的規(guī)律，0～100ms在所有眼動時(shí)間中比例最高，說明騎行者在騎行過程中進(jìn)行視覺搜索時(shí)，不是以注視運(yùn)動為主，而是以掃視為主，即騎行者在觀察某一目標(biāo)時(shí)，在目標(biāo)停留片刻就轉(zhuǎn)移視線；

（2）不同的道路環(huán)境，騎行者的注視掃視時(shí)間所占比例不同，環(huán)境越嘈雜，不安全因素越多，掃視時(shí)間所占比例就越大，每個(gè)注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間也越短；

（3）在空間的水平方向上，騎行者視角主要分布在中部區(qū)域，這與電動自行車騎行環(huán)境有關(guān)，當(dāng)環(huán)境較單一、車輛較少時(shí)，中部區(qū)域所占比例最大；當(dāng)環(huán)境嘈雜，不安全因素較多時(shí)，左右側(cè)的視角分布增多；在空間的垂直方向上，騎行者的視角主要分布在中部區(qū)域和上側(cè)區(qū)域；

（4）不同道路環(huán)境中，騎行者注視點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間集中在100～500ms之間，道路通行條件越好，平均注視時(shí)間就越長；道路環(huán)境越嘈雜，平均注視時(shí)間就越短；

（5）在道路環(huán)境較單一時(shí)，電動自行車騎行者更容易關(guān)注遠(yuǎn)方的對象；當(dāng)?shù)缆翻h(huán)境嘈雜時(shí)，騎行者優(yōu)先關(guān)注近處的對象；

（6）電動自行車騎行者的注視點(diǎn)主要集中在對騎行安全有影響的對象上面，包括交通設(shè)施和交通參與者；當(dāng)?shù)缆方煌ㄔO(shè)施及交通組織不合理時(shí)，騎行者關(guān)注了過多的不安全因素，超過視覺搜索的極限便不能對突然出現(xiàn)的對象做出反應(yīng)，容易造成事故；

（7）騎行過程中，騎行者更容易關(guān)注前方行駛的非機(jī)動車，跟隨前方運(yùn)動軌跡騎行，但是電動自行車車速快，超越自行車的行為較多，且電動自行車騎行過程噪聲小，超車行為容易造成事故。

4 結(jié)語

本文利用眼動儀實(shí)驗(yàn)獲得了不同道路環(huán)境中電動車騎行者的眼動參數(shù)，進(jìn)而分析了電動自行車騎行者的視覺行為特征。研究認(rèn)為不同的道路環(huán)境下，騎行者的注視、掃視時(shí)間比例不同，環(huán)境越復(fù)雜，不安全因素越多，掃視時(shí)間所占比例就越大，每個(gè)注視點(diǎn)持續(xù)時(shí)間也越短。電動自行車騎行者的注視點(diǎn)主要集中在對騎行安全有影響的對象上面，包括交通設(shè)施和交通參與者。在實(shí)驗(yàn)路段中的機(jī)非混行、人非混行路段，由于行道過窄，且路側(cè)時(shí)有停車不能單純安置隔離欄，道路交通設(shè)施及交通組織不合理，騎行者關(guān)注了過多的不安全因素，超過視覺搜索的極限便不能對突然出現(xiàn)的對象做出反應(yīng)，容易造成事故。因此，在有條件的地方應(yīng)當(dāng)盡量將非機(jī)動車和機(jī)動車分離，設(shè)置合理的自行車道，做到機(jī)非分離；合理設(shè)置路邊停車帶，減少對非機(jī)動車騎行的影響；另外，應(yīng)將人行道和自行車道分離，減少電動自行車對行人帶來的安全隱患。

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Visual Behavior of Electrical Bicyclists Based on SMI Eye Camera

ZHAO Xia1,WANG Wei-jie1,SHOU Ren-zhen1,REN Gang2
(1.College of Transportation Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China; 2.School of Transportation,South East University,Nanjing 210096,China)

In order to study the visual behavior characteristics of electric bicyclists and clear their impact on electrical bicyclists′travel safety,the visual behavior experiments were conducted separately under the condition of vehicle and e-bicycle mixed traffic,pedestrian and e-bicycle mixed traffic as well as vehicle and e-bicycle isolated traffic,by using SMI IVIEW X HED eye camera to obtain different kinds of eye-movement data.The eye movement parameters included eye-movement time,eye-movement angle,fixation duration and distribution of fixation points.According to the data results and the running status of electric bicycle,the corresponding management countermeasures and suggestions were put forward:bicycle should be separated from motor vehicle in some places,reasonable non-motorized vehicle driveway and roadside parking zone should be set,and the influence of vehicle on e-bicycle riding should be reduced;at the same time,the pedestrian should be separated from bicycle to reduce conflicts between the e-bicycle and pedestrian.

electrical bicycle;visual behavior;eye camera;eye-movement time;fixation point

U491.25

A

2095-9931（2015）03-0014-05

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.003

2015-05-29

國家自然科學(xué)基金（51208253）；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（14KJB580007）

趙霞（1990—），女，江蘇常州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻煌ㄒ?guī)劃與交通安全。

E-mail:zxsoundsleep@gmail.com。