基于眼動特征的高速公路彩色路面安全性

袁景玉，劉曉健，姚 勝，高 源，王智德，張志濤

(河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300130)

近年來，中國的高速公路建設(shè)得到迅速發(fā)展，截至 2018年底，全國高速公路總里程達(dá)到1.426×105km[1]。目前中國高速公路路面多為灰黑色瀝青混凝土路面，顏色單一，材料抗滑性較差。駕駛員長期行駛在單一顏色的路面時會引起視覺疲勞，容易導(dǎo)致交通事故。因此，高速公路的交通安全問題受到更多的關(guān)注，許多學(xué)者已經(jīng)就彩色路面鋪設(shè)技術(shù)在交通安全方面的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。

荷蘭對于彩色路面的研究和應(yīng)用較早，以鋪設(shè)在自行車道上用于道路區(qū)分為主。蘇聯(lián)、美國、日本等國家也相繼就彩色路面進(jìn)行了研究，其中日本在彩色路面鋪裝上有許多案例，曾用鐵紅色路面作為汽車專用道，用黃色路面作為大客車專用道等[2]。2009年中國西安市在高速公路收費(fèi)口處鋪設(shè)了彩色路面，起到了引導(dǎo)車輛的作用，隨即于2010年，在火車站和公交車道上也鋪設(shè)了彩色路面，具有提高車輛通行速度的作用[3]。有研究證實(shí)在瀝青混凝土中加入彩色氧化物鋪設(shè)在路面上，可以起到緩解城市熱島效應(yīng)的作用[4]。近年來，彩色路面防滑技術(shù)的成熟將為彩色路面的施工提供良好的技術(shù)支持[5]。在駕駛安全性方面，通常人們認(rèn)為彩色路面具有一定的改善作用。2011年Ando等[6]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在十字路口鋪設(shè)彩色路面能引起人們的注意，促進(jìn)交通安全意識的提高，兩年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)路段的交通事故發(fā)生率確實(shí)得到降低。李佳輝等[7]通過模擬實(shí)驗(yàn)指出在學(xué)校前方鋪設(shè)紅色路面標(biāo)線能夠降低駕駛員的行車速度，保證行車安全。慕慧[8]指出通過鋪設(shè)彩色路面作為限速標(biāo)識，可以增強(qiáng)駕駛員注意力，又可以起到美化環(huán)境的作用。研究發(fā)現(xiàn)，一般在特殊路段如彎道、長下坡、交叉路口等位置鋪設(shè)彩色路面可以起到減速和提高駕駛員警惕性的作用[9]。在長大坡路面鋪設(shè)彩色路面既可以提高駕駛員注意力，同時對視覺舒適度也有影響[10]。

目前彩色路面的應(yīng)用形式較多，主要起誘導(dǎo)交通和美化環(huán)境的作用，雖然在交通安全方面也有所涉及，但就高速公路上彩色路面對駕駛安全性能的研究相對較少。特別是針對駕駛過程中，彩色路面對駕駛員的視覺特征有何影響，尚缺乏實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)通過開展虛擬高速公路駕駛實(shí)驗(yàn)，針對高速行駛中的彩色路面，觀測駕駛員的眼動特征，進(jìn)而判斷彩色路面對行車的安全性影響，為提高交通安全性和彩色路面的推廣提供依據(jù)。

1 眼動特征

高速行駛時，駕駛員主要依靠視覺從外部獲得交通信息。有學(xué)者使用眼動測試儀對駕駛員眼動特征進(jìn)行采集，通過采集駕駛員眼動數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，駕駛員的瞳孔直徑會隨著彎道半徑的增大而減小，使用手機(jī)對駕駛員視覺行為會產(chǎn)生影響[11-13]。韓颯[14]主要使用駕駛員瞳孔面積作為眼動特征的評價指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)駕駛員在不同路段的眼動特征有所不同。杜志剛等[15]使用眼動儀對駕駛員視覺特征進(jìn)行記錄，提出了視覺震蕩持續(xù)時間這個概念，具體地，以瞳孔面積變化情況超過一半的時間即為視覺震蕩持續(xù)時間，可以使用這一指標(biāo)來判斷視覺舒適程度。許多學(xué)者通過模擬實(shí)驗(yàn)，用眼動儀記錄駕駛員眼動特征，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而監(jiān)控駕駛員行車時的注意力、反應(yīng)時間及疲勞程度[16-18]。

近年來，越來越多的學(xué)者對駕駛員視覺特征的研究愈加重視。由于高速公路上行駛過程中駕駛行為在時間和空間變化特征方面的特殊性，多種色彩對比實(shí)驗(yàn)難以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，通過眼動儀進(jìn)行虛擬場景中駕駛行為的眼動實(shí)驗(yàn)，根據(jù)眼動數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛行為與視覺特征的分析，成為駕駛員視覺舒適和疲勞評價的主要研究方法之一，該方法具有數(shù)據(jù)充分、對比效果顯著的特征。因此擬采用虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)，對駕駛員在高速公路彩色路面行駛時的眼動特征進(jìn)行測試分析。

2 顏色選擇

人眼通過捕捉不同波長的光來識別物體的形狀與顏色。顏色在交通安全中也會影響駕駛員行車安全。在行車過程中，當(dāng)駕駛員觀察周圍環(huán)境時，周圍物體的顏色是誘發(fā)視覺反應(yīng)的首要因素[19]。紅色可以使人感覺到興奮，黃色對應(yīng)波長位于可見光的最中心位置，眼睛的感知度高，且明度最高，比較醒目，因此，駕駛員對黃色比較敏感[20]。由于紅色和黃色屬于暖色系，對駕駛員的心理和視覺上刺激明顯，而藍(lán)色波長較短，可以起到鎮(zhèn)定減緩疲勞的作用，還可以讓人感覺時間過得快。在色彩學(xué)中，藍(lán)色、黑色等冷色系為收縮色，這些顏色會使人產(chǎn)生錯覺，讓實(shí)際物體看起來小[21]。此外，國標(biāo)《安全色》中規(guī)定紅色、藍(lán)色、黃色為適合建筑領(lǐng)域信號和標(biāo)準(zhǔn)表面色中的安全色。

因此實(shí)驗(yàn)選擇紅色、藍(lán)色、黃色作為彩色路面的顏色，選擇黑色為對照組實(shí)驗(yàn)路面的顏色。實(shí)驗(yàn)選取太行山高速實(shí)際工程中的新型路面樣品，該樣品表層為彩色環(huán)氧薄層，耐久性和抗水損性能優(yōu)良、阻燃性和抗滑性好。使用彩色亮度計對樣品路面進(jìn)行測量，并通過計算得到相應(yīng)的RGB，最終用于模擬實(shí)驗(yàn)，具體顏色參數(shù)如表1所示。

表1 彩色路面顏色參數(shù)

3 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用青研EyeLab眼動儀獲得可視化視覺特征，采集的數(shù)據(jù)包括受試者的眼動熱點(diǎn)圖、軌跡圖、原始眼動路線等可視化信息，以及注視點(diǎn)坐標(biāo)、注視時間、瞳孔面積等指標(biāo)，儀器參數(shù)如表2所示。

表2 EyeLab眼動儀參數(shù)Table 2 Parameters of EyeLab

3.2 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象共20人，其中男性10人，女性10人，均有3～5年的駕駛經(jīng)驗(yàn)。駕駛員裸眼視力在4.8以上，且不佩戴眼鏡。實(shí)驗(yàn)前2 h未進(jìn)行劇烈活動，實(shí)驗(yàn)前1 d未飲用刺激性飲品。

3.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)?zāi)M晴天天氣情況下駕駛員在高速公路上行駛的情況。駕駛員采用觀看視頻的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M與測試。使用SketchUp進(jìn)行建模，并在Lumion軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及渲染，最終得到實(shí)驗(yàn)測試視頻。實(shí)驗(yàn)測試視頻時長為19 s，其中7～12 s為彩色路面鋪設(shè)段。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

駕駛員隨機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，保證每次只有一名駕駛員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)前后，駕駛員之間互不干擾且對實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題不予交談，以保證駕駛員均為首次接觸此實(shí)驗(yàn)。測試前，駕駛員坐在測試椅上，保證眼睛與實(shí)驗(yàn)屏幕保持65 cm，實(shí)驗(yàn)過程中，頭部盡可能保持不動。實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow chart

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

眼動測試儀可以直接導(dǎo)出眼動軌跡圖，通過軌跡圖可以直觀地看出駕駛員在行駛過程中的眼動軌跡，如圖2所示為駕駛員在四種顏色路面上行駛時的眼動軌跡圖。每一幅圖中相同顏色的點(diǎn)表示同一個駕駛員在行駛過程中的注視點(diǎn)，注視點(diǎn)之間的連線表示該駕駛員眼動軌跡。注視點(diǎn)越多，掃描路徑越長，表示駕駛員在行駛過程中視點(diǎn)需要更長的掃描路徑來獲得周圍的行車信息。

圖2 駕駛員眼動軌跡圖Fig.2 Eye movement trace of driver

實(shí)驗(yàn)中收集到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)17組，經(jīng)過整理，得到駕駛員掃視幅度及瞳孔面積的變化情況。掃視幅度是指駕駛員注視點(diǎn)中任意相鄰的兩個注視點(diǎn)所對應(yīng)視線的夾角。如圖3所示，AB為相鄰兩注視點(diǎn)，點(diǎn)O為駕駛員眼睛的位置，α即為注視點(diǎn)A與注視點(diǎn)B的掃視幅度。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備局限性，無法導(dǎo)出掃視幅度的大小，因此根據(jù)式(1)可以得到α的余弦，進(jìn)而判斷其大小。

(1)

經(jīng)過整理得到駕駛員的掃視幅度情況，如圖4所示，表示所有駕駛員在四種顏色路面上掃視幅度情況的匯總。

為了更加直觀地看出駕駛員掃視幅度，在測試過程中，將得到的駕駛員掃視幅度進(jìn)行加權(quán)以獲得其平均掃視幅度S。如圖5所示，駕駛員在紅色路面上行駛時平均掃視范圍在40.69°～3.17°，在黃色路面上行駛時平均掃視范圍為51.65°～3.12°，在藍(lán)色路面上時為33.19°～2.11°，而當(dāng)在原始路面上行駛時平均掃視范圍為46.42°～1.41°。平均掃視情況中S黃>S原>S紅>S藍(lán)，駕駛員行駛過程中，掃視幅度越小，相對越放松，掃視幅度越大，駕駛員越緊張。駕駛員在經(jīng)過彩色路面時適當(dāng)增加緊張感，可以使其提前進(jìn)行減速等行為，有利于行車安全。在行駛安全范圍內(nèi)，駕駛員刺激越大，越容易產(chǎn)生緊張感，更有助于提高駕駛員的行車警惕性，進(jìn)而促使其實(shí)施減速等措施。

圖3 掃視幅度解析圖Fig.3 Scanning range analysis

圖4 駕駛員在四種路面上行駛時掃視次數(shù)與掃視幅度的分布情況Fig.4 Distribution of scanning times and scanning amplitude when driving on four roads

圖5 駕駛員在四種路面上行駛時的平均掃視幅度Fig.5 Average scanning range of driver when driving on four roads

此次實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)光環(huán)境恒定，可以使用瞳孔面積變化來作為評價駕駛員疲勞程度的指標(biāo)，瞳孔面積隨著疲勞程度的增大而減小。

如圖6所示為駕駛員在行駛過程中瞳孔面積的變化情況，其中7～12 s為駕駛員經(jīng)過彩色路面的時間段，從圖6中可以看出，此階段駕駛員瞳孔面積變化較大，在經(jīng)過原始路面時瞳孔面積變化較為顯著，經(jīng)過紅色、黃色、藍(lán)色三種顏色路面時瞳孔面積變化比較相似。為了更加準(zhǔn)確地看出駕駛員在各種不同顏色路面上的瞳孔變化情況，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到駕駛員的瞳孔面積變化率，計算式為

(2)

式(2)中:U表示瞳孔面積變化率；At表示t時刻瞳孔大小。駕駛員在行駛過程中，瞳孔面積變化率在20%以內(nèi)均表示駕駛過程是安全的，并且駕駛員視覺處于舒適的狀態(tài)。如圖7所示，駕駛員在四種顏色路面上行駛時，均處于安全狀態(tài)。在7～12 s時間段內(nèi)，駕駛員在原始路面上行駛時，瞳孔面積變化率波動情況最大，藍(lán)色路面次之，黃色路面最小，駕駛員瞳孔變化的越頻繁，越容易產(chǎn)生疲勞感。而當(dāng)長期行駛在高速公路上時，疲勞感則會加劇，更不利于行車安全。

通過與原始路面進(jìn)行對照分析，根據(jù)駕駛員平均掃視幅度的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，只有黃色路面的平均掃視幅度大于原始路面。根據(jù)駕駛員瞳孔面積變化率情況可以發(fā)現(xiàn)，駕駛員在原始路面上時，瞳孔面積變化最大。針對掃視幅度與瞳孔面積變化率這兩個指標(biāo)來說，在彩色路面上的變化趨勢不同，可以推測路面色彩并不能同步呈現(xiàn)駕駛員緊張程度與其疲勞程度的緩解。

圖6 駕駛員平均瞳孔面積隨時間變化情況Fig.6 Change of average pupil area of drivers with time

圖7 駕駛員瞳孔面積變化率Fig.7 Pupil area change rate of driver

5 結(jié)論

針對高速公路彩色路面行車安全問題，采用虛擬駕駛實(shí)驗(yàn)和眼動數(shù)據(jù)分析方法，分別就紅色、黃色、藍(lán)色三種路面與原始路面進(jìn)行模擬對照實(shí)驗(yàn)，獲取彩色路面與駕駛員視覺特征之間的關(guān)聯(lián)，以探究彩色路面對行車安全性的影響機(jī)制，主要結(jié)論如下：

(1)駕駛員在高速公路上行駛時，由于行駛環(huán)境單一，精神疲憊狀況時有發(fā)生，而鋪設(shè)彩色路面能改善此類情況。

(2)駕駛員行駛在彩色路面上時，由于色彩的作用導(dǎo)致掃視幅度產(chǎn)生差異，其中黃色路面的掃視幅度大于其他顏色，說明駕駛員行駛在黃色路面上時緊張感強(qiáng)于其他顏色路面，而適當(dāng)?shù)木o張感可以提高行車的警惕性。

(3)駕駛員在原始路面上行駛時，瞳孔面積變化率波動情況最大，依次大于藍(lán)色、紅色與黃色路面，駕駛員瞳孔變化得越頻繁，越容易產(chǎn)生疲勞感，對行車安全產(chǎn)生影響，因此鋪設(shè)彩色路面可以改善駕駛員行車時的疲勞感。

(4)高速公路行駛安全性受許多因素的影響，包括疲勞程度、警惕性、注意力集中度等，上述因素又受時間、空間條件的影響，相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。