不同道路環(huán)境下駕駛人眼動行為的研究*

胡洪瑞，劉龍繁，熊艷△，陳宇，蔣文濤，田曉寶

（1.四川大學工程力學系，生物力學工程實驗室，成都610065；2.四川大學制造科學與工程學院，成都610065）

1 引 言

據統(tǒng)計，近年來全國每年發(fā)生交通事故近40萬起，死亡人數超過10萬，受傷人數近50萬，直接經濟損失近20億元。每年交通事故死亡人數占各類安全事故的75%。尤其是在我國汽車保有量僅占全世界汽車總量8%的情況下，交通事故死亡人數卻超過全世界五分之一，我國已進入道路交通事故高發(fā)期。因此，駕駛安全問題成為了交通運輸行業(yè)發(fā)展的重大問題之一。

影響交通事故發(fā)生的因素主要有四個：一駕駛員；二車輛；三道路；四環(huán)境條件。圖1列出了道路交通系統(tǒng)中四種不同因素與交通事故的關系。

從圖1中可以看出，與駕駛員相關的因素占到交通事故總量的90%以上，由此可見，駕駛員在道路交通安全問題中，起著重要作用，要預防交通事故發(fā)生，有必要對駕駛員的行為特性進行研究。

圖1 影響交通肇事的因素［1］Fig 1 The factors which cause traffic accidents［1］

駕駛員在駕駛車輛時，主要依靠視覺來捕捉交通信息。在行車過程中，駕駛員需要及時感知各種交通信息。根據統(tǒng)計分析，各種感覺器官給駕駛員提供的交通信息數的比例分布如下：視覺占80%；聽覺占 15%；觸覺占 2%；味覺占 2%；嗅覺占2%［2］。由此可知，駕駛員的眼動信息對研究駕駛員的行為特性具有重大意義。

眼動儀作為對眼動軌跡進行記錄的專業(yè)儀器，能從眼動軌跡中提取諸如注視點，注視時間和次數，注視軌跡，熱點云圖，瞳孔大小等數據，從而研究個體在相關過程中的內在認知過程［3］。眼動技術在交通安全領域的應用主要有：工效學；頁面設計；廣告心理學；交通心理學等，具體包括對駕駛員視覺信息搜索的研究，駕駛疲勞檢測和駕駛培訓等方面［4］。

不同路況下駕駛員的駕駛行為有所不同，Chapman等［5］研究發(fā)現駕駛員在不同路段上眼動存在差異，不同駕駛經驗的駕駛員的駕駛行為也會有所不同；Borowsky等人［6］研究表明年輕沒有經驗的駕駛員比經驗豐富的駕駛員缺乏對危險的預見能力。Konstantopoulos等人［7］研究了在白天、夜晚、雨天三種不同的可見度下駕駛經驗和駕駛員注意力之間的關系，結果表明教練比初學者的信息采樣率多1倍，能在較短的時間內進行信息處理，有更廣的視野掃描范圍，教練比初學者更多的注視汽車上的鏡子。Young等［8］研究了在城市、高速和鄉(xiāng)村道路環(huán)境下廣告牌對駕駛者注意力、心智負荷和性能的影響；美國馬薩諸塞大學的駕駛行為實驗室的研究人員開發(fā)了基于計算機的駕駛員危險意識與預感研究平臺，經過訓練的駕駛員相比未經過訓練的駕駛可以更好的關注潛在危險點［9］。英國David等通過駕駛試驗，對熟練駕駛員的搜索廣度比非熟練駕駛員搜索廣度大的原因進行了研究。在實驗室內觀察特定路況下非熟練駕駛員和熟練駕駛員的搜索特性，結果表明，訓練能使駕駛員的注視持續(xù)時間變短，搜索范圍增大［10］。國內的李永芳［11］研究了駕駛員動態(tài)注視點的分布規(guī)律，觀察不同車速下駕駛員通過標示牌的視覺分布規(guī)律；黃秋迎［12］用眼動儀記錄眼球運動的參數，比較分析在不同道路交通環(huán)境中，駕駛員的視覺搜索存在的差異；李香紅［13］分析駕駛員不同景觀路段心率、心率增長率變化特點并進行心率增長率與行駛時間、心率增長率與行駛速度的相關性分析；林雨［14］等人運用EMR-8B型眼動儀對交通標志的視角閾值進行了研究，給出了視角閾值具體量化的數值表達式；對指路標志信息量與視認性關系進行研究，建立了認知時間與標志信息量的量化關系。上述研究集中在不同道路環(huán)境或車速等方面對駕駛員搜尋模式、注意力等視覺信息的研究，對不同光線及天氣因素下的道路環(huán)境因素缺乏相關研究。

本研究通過模擬駕駛員在不同天氣狀況，不同路段，不同車速下的虛擬駕駛操作，利用眼動儀采集駕駛員的眼動信息數據，對比駕駛員的注視時間，注視軌跡，注視區(qū)域以及熱點圖等眼動信息，分析研究駕駛員的視覺特性，得到車速，天氣，路段等因素對駕駛人駕駛行為的影響，為深入研究駕駛員的視覺行為規(guī)律、提高駕駛員行車安全性提供試驗基礎。

2 實驗方法和設計

2.1 方法

駕駛員的眼動過程是一個復雜的過程，為了分析總結其眼動特點與規(guī)律，我們將采集以下數據進行處理分析：

2.1.1 注視次數與注視時間 可以直觀地反應駕駛員對某一區(qū)域的關注程度，以及路況的復雜程度對駕駛員獲得信息的影響，大量研究表明，隨著路況的復雜程度增加，駕駛員的注視次數和注視時間也會隨之增加。

2.1.2 回視次數 發(fā)生回視是由于對該區(qū)域的信息提取產生困難，出現錯誤等，一般來說駕駛環(huán)境越復雜，回視次數會越多。

2.1.3 熱點圖 能很直觀地觀察駕駛員的注意力集中區(qū)域以及注意區(qū)域的變化情況。

2.2 實驗思路

2.2.1 相對運動速度 相對運動速度是影響駕駛員動態(tài)視覺特征的基本因素，研究表明，隨著相對運動的角速度的增加，人眼的最小可辨視角增大，動態(tài)視覺的感知能力下降，視力與角速度之間具有線性關系，角速度大則視力低落。目標物運動速度慢，易被駕駛員看見；反之，目標物運動速度快，則駕駛員不易看清楚，動態(tài)視覺特征變差。

2.2.2 顏色、照度 目標物的顏色對動態(tài)視覺有很大的影響。在靜止狀態(tài)下，人眼對藍色最不敏感，但在運動狀態(tài)、暗視條件下，藍色目標物相對其它顏色的目標物易被識別，而在明視條件下，藍色目標物與其它顏色的目標物并無顯著差異。這與靜止狀態(tài)下目標物顏色的影響是明顯不同的。目標物的照度對駕駛員的動態(tài)視覺同樣有影響，所以，一方面要求駕駛員要有良好的顏色視覺，另一方面要求在選擇交通安全設施的顏色時，必須考慮顏色對駕駛員動態(tài)視覺的影響。同時要加強道路照明，盡量減輕照度對駕駛員動態(tài)視覺的影響。本研究將設計三組不同照度進行對比試驗，分別為晴天光照較強，雨天光照較弱，夜晚光照極弱三種情況。

2.2.3 道路及其環(huán)境 由于駕駛員在駕駛時所搜集到的信息為路面信息，所以，如果路面狀況良好，駕駛員的動態(tài)視覺就容易捕捉所需信息。反之，路面狀況不良，如出現積雪、凹坑或有障礙，就會分散駕駛員駕駛時的注意力，影響駕駛員的動態(tài)視覺。本研究將對比城市道路與鄉(xiāng)村道路區(qū)別下駕駛人的視覺行為差異，其中城市道路多為直線型，道路類型較簡單，而鄉(xiāng)村道路多為彎道與坑洼地帶，道路情況樣復雜。

2.3 實驗設計

本次試驗被試共九人，考慮到減少本次試驗的復雜程度，所有被試均為男性，年齡為20～24歲，均已獲得駕駛執(zhí)照。使用眼動設備為SMI iView XTMRED500Hz。試驗所用虛擬駕駛軟件為駕校模擬考核軟件，能夠比較真實模擬實際駕駛場景。被試在事先不知道試驗目的和試驗條件這樣一個雙盲試驗中，由眼動儀記錄下被試在虛擬駕駛過程中的視覺行為特征，因為是雙盲試驗，所以駕駛員的視覺行為特征和操作行為模式更加貼近實際情況。具體試驗步驟如下：

被測在充分休息狀態(tài)良好條件下開始試驗，試驗共為五組（考慮到連續(xù)試驗駕駛員會出現疲勞狀態(tài)，所以每組試驗由三名被試輪流測試），分別為晴天天氣下城市道路的駕駛，雨天天氣下城市道路的駕駛，夜晚環(huán)境下城市道路的駕駛，晴天天氣下鄉(xiāng)村道路的駕駛，晴天天氣下高速路段的駕駛。每一組試驗設置相同起始位置與結束位置，被試聽到起步提示音后點火起步，聽到結束提示音后靠邊停車（每組實驗持續(xù)時間約為3 min左右）。整個試驗流程見圖2。

圖2 實驗設計Fig 2 Experimental design

3 結果和討論

3.1 實驗結果

從圖3a中我們可以看到，三名被試的回視次數分布規(guī)律大致相同，且回視次數都在夜晚城市道路達到最大，而晴天城市道路達到最小，顯然光線的明暗對駕駛員回視次數的影響最大，而回視次數越多表明駕駛員越容易造成失誤，因此，夜間駕車相較白天駕車，駕駛員更容易發(fā)生事故。圖3b中顯示夜晚與雨天下駕駛員的注視次數達到最大，而城市晴天注視次數最少，表明在雨天與夜晚駕駛員更難獲得道路信息。

圖3 a.視野信息區(qū)駕駛人的回視次數；b.視野信息區(qū)駕駛人的注視次數Fig 3 a.Participants’regressive times；b.fixation times in visual information area

從圖4可以看出對于儀表盤信息區(qū)中，注視次數與回視次數都在雨天達到最高，而與視野信息區(qū)不同的是，夜晚條件下駕駛員對儀表盤的關注相對較少，因為夜晚視野條件相對惡劣，駕駛員注意力多集中與前方視野而對儀表盤注意力相對較少，并且駕駛員在夜晚行車車速大致為30碼左右，普遍低于其他情況。而在雨天下，駕駛員視線受到天氣干擾，想要與晴天到達相同駕駛速度則需要更為繁瑣的操作，所以雨天下駕駛員對儀表盤的關注會更多。

圖4 a.儀表盤信息區(qū)駕駛人的回視次數；b.儀表盤信息區(qū)駕駛人的注視次數Fig 4 a.Participants'regressive times；b.fixation times in dashboard information area

3.2 熱點圖分析

圖5顯示了不同環(huán)境條件下被試在城市道路駕駛過程中的熱點圖。見圖5（a），在城市道路晴天天氣下，駕駛員熱點分布較廣，且多集中于道路遠方，并且熱點在視野移動較少，說明駕駛員在晴朗天氣的城市道路下，注意力多集中于道路遠方，并能夠擁有較廣的視野范圍，且能更容易快捷地處理視覺信息。同時熱點在視野信息區(qū)與儀表盤信息區(qū)之間的轉換相對較少且每次轉換速度迅速，說明駕駛員在此條件下能夠良好的駕駛操作。如圖5（b）所示，在城市道路雨天天氣下，駕駛員熱點分布集中，熱點在視野信息區(qū)移動頻繁，且在視野信息區(qū)與儀表盤信息區(qū)之間轉換頻繁，每次在儀表盤信息區(qū)停留時間較長，說明駕駛員在城市道路雨天天氣下，視野范圍較窄，獲取視覺信息相對困難，且駕駛操作相對遲緩。如圖5（c）所示，在城市道路夜晚條件下，駕駛員熱點分布更加集中，且熱點區(qū)域明顯處于道路近處，熱點在視野信息區(qū)與儀表盤信息區(qū)之間的轉換很少，每次停留時間較長。此結果表明，駕駛員在城市道路夜晚條件下，視野最為狹窄，且注意力基本集中于道路近處，雖然駕駛操作次數減少，但每次所用時間較多，并且車速相較其他幾組試驗更慢，說明此時駕駛員由于夜晚視野太差，注意力基本集中在視野信息區(qū)，而儀表盤信息區(qū)數據相對較少。

圖5 城市道路熱點圖a.晴天；b.雨天；c.夜晚Fig 5 hot maps when driving on the city road a.sunny；b.rainy；c.night

圖6顯示了晴天條件下被試在不同道路駕駛過程中的熱點圖。如圖6（a）所示，在鄉(xiāng)村道路晴天條件下，駕駛員熱點分布較廣，且熱點區(qū)域處于道路較近處，說明駕駛員視野較好且注意力多集中于道路近處。熱點在視野信息區(qū)與儀表盤信息區(qū)之間轉換較多，每次停留時間較長，熱點在視野信息區(qū)左右轉換頻繁，說明在鄉(xiāng)村彎道頻繁道路狀況較復雜的道路條件下，駕駛員操作更為繁瑣，駕駛員在過彎道時注意力會隨著彎道轉移。如圖6（b）所示，在高速路段晴天天氣下，駕駛員熱點分布集中，熱點區(qū)域在遠處與近處之間轉換頻繁，說明駕駛員視野較小且注意力會在遠近之間轉換。熱點在視野信息區(qū)與儀表盤信息區(qū)之間轉換較多，但每次停留時間較短，說明高速路段下駕駛員操作次數變多，但每次操作的時間卻相對較少。

圖6 晴天環(huán)境下的熱點圖a.鄉(xiāng)村道路；b.高速道路Fig 6 hot maps when driving in sunny day a.village road；b.high speed road

4 結束語

在同道路同速度下，光線的明暗會對駕駛員的視野產生較大影響，光線越好，駕駛員的視野范圍越廣（晴天下視野達到最佳，夜晚視野最差），并且光線良好，駕駛員會擁有更良好的操作環(huán)境。光線的明暗同時會影響駕駛員獲取道路信息的能力，光線越差，駕駛員注視點數和回視點數越多，獲取信息越困難。良好的光線條件能讓駕駛員的注意力目光前移（晴天下能注意到遠方路況，夜晚注意力基本只停留在車前方）。

在同光照同速度下，道路的復雜程度會對駕駛員的操作產生較大影響，越復雜的路段駕駛員的操作越繁瑣。彎道較多的復雜路段，駕駛員需要不斷移動視線來獲取道路信息，此情況下駕駛員的回視次數與注視次數增多。路段越復雜，駕駛員的注意區(qū)域越靠近車輛前方。

在同光照同道路下，速度的快慢會對駕駛員的視野產生影響，車輛行駛速度越快，駕駛員的視野范圍越窄，高速狀態(tài)下，駕駛員的目光在道路遠近移動頻繁，左右移動相對較少，且駕駛員的反應時間明顯減少，操作難度更高。