寒區(qū)夜間快速路合流區(qū)駕駛員眼動特性分析

■吳立新 丁士濤 田秀娟

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，長春 130118）

數(shù)據(jù)顯示，道路交通事故分布有明顯的季節(jié)性特點，冬季是交通事故的多發(fā)期[1]，且40%左右的交通事故在夜間發(fā)生，事故死亡率高達60%，夜間行車的危險指數(shù)遠遠高于白天行車[2]；因為寒區(qū)冬季夜間溫度較低，汽車尾氣遇到大氣冷凝形成白色霧氣，且夜間的光源多，換道時的剎車燈與轉向燈的燈光與白色尾氣相互作用，對駕駛員的視覺造成干擾，夜間駕駛員獲取和處理視覺信息需要耗費更長的時間。 快速路基本路段交通流相對穩(wěn)定，而合流區(qū)受換道行為影響，會引起交通流混亂，故快速路上有很大一部分交通事故發(fā)生在合流區(qū)[3]。 因此，有必要對寒區(qū)夜間快速路合流區(qū)駕駛員換道過程進行研究。

國內外不少學者對合流區(qū)駕駛員換道過程眼動行為進行了研究，Lee 等[4]根據(jù)白天換道眼動數(shù)據(jù)，得出駕駛員向左換道過程的意圖階段，關注較多的區(qū)域是正前方、內后視鏡和左后視鏡。Jang 等[5]提取出換道過程瞳孔大小變化特征，結果顯示瞳孔大小變化在換道不同階段有明顯的差異。 吳蘇南[6]獲取白天駕駛員換道眼動數(shù)據(jù)進行分析，得出換道意圖產(chǎn)生后掃視速度區(qū)段分布總體大于換道意圖產(chǎn)生前。 裴玉龍等[7]的研究結果表明，白天車道變換進程中駕駛員的大部分注意力都集中在左側后視鏡、正前方、右側后視鏡，其中正前方集中了較高的注視概率。

目前大多數(shù)學者是對白天的駕駛員換道眼動特性進行研究，而對寒區(qū)夜間駕駛員換道的眼動特性研究較少。 通過在夜晚的高峰時段和平峰時段進行快速路合流區(qū)的實車試驗，利用眼動儀實時監(jiān)測駕駛員分別在高峰期和平峰期換道過程中的眼動參數(shù)， 分析其在夜晚不同換道階段的眼動特性，為駕駛員夜間行車的培訓和快速路合流區(qū)標志標線的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗設計

駕駛員約有80%的信息靠視覺獲取，不同的照明水平和交通量都會對駕駛員的眼動行為造成影響。 研究表明， 瞳孔的大小會隨著照明水平發(fā)生變化，夜晚照度低，瞳孔會放大，隨著照度增加，瞳孔會逐漸減?。灰归g照度低，駕駛員視認距離近，視角相對較大， 需要延長注視時間才能看清所需要的周圍信息[8-9]。而隨著道路中交通量的增加，道路環(huán)境更加復雜，心理負荷增大，駕駛員需要獲取并處理更多的信息，駕駛員就會主動調整注視時間、掃視速度、瞳孔面積等眼動行為參數(shù)以適應交通量的變化[10-11]。

為了對合流區(qū)駕駛員換道過程進行細致的研究，參考其他學者對換道過程的劃分[12-13]，將換道過程劃分為3 個階段，即駕駛員操縱方向盤進行換道時刻前10 s 為換道意圖階段，操縱方向盤至車輛車身與目標車道車道線平行為執(zhí)行階段，車輛車身與車道線平行后10 s 為完成階段，通過試驗獲取夜間高峰期與平峰期各換道階段的眼動數(shù)據(jù)。

1.1 試驗時間與地點

試驗選取的地點為長春市西部快速路景陽大路北入口合流區(qū)，西部快速路主線為三車道，主線設計速度為80 km/h， 加速車道形式為平行式， 圖1即為所研究合流區(qū)的示意圖。 通過攝像機對該合流區(qū)冬季工作日夜晚的交通量變化規(guī)律進行統(tǒng)計， 選取該合流區(qū)主線和加速車道交通量分別在3700～3900 pcu/h、1900～2100 pcu/h 范圍的17∶00-18∶30 為高峰時段，主線和加速車道交通量在3100～3300 pcu/h、1000～1200 pcu/h 范圍的18∶30-20∶00為平峰時段，分別在高峰時段和平峰時段進行實車試驗。

圖1 合流區(qū)示意圖

1.2 試驗設備與人員

試驗設備主要有Dikablis 眼動儀、D-Lab 軟件、汽車1 臺， 因為不同車型的輪廓和底盤高度不同，會導致駕駛員視點高度等方面的差異[14]，所以固定選擇轎車。 試驗選擇3 名視覺機能指標正常，無生理和心理缺陷，睡眠充足、情緒正常，駕齡2 年以上的駕駛員。

1.3 試驗步驟

（1）先對試驗的路線作好規(guī)劃，并提前對眼動儀進行測試，以保證試驗能夠順利有序進行；

（2）到達試驗地點附近后向駕駛員說明試驗的注意事項和基本要求；

（3）駕駛員佩戴眼動儀，試驗人員對儀器進行校準，校準完成后讓駕駛員正常開車適應3～5 min；

（4）從匝道進入快速路以自由車速進行合流區(qū)的實車試驗，從硬鼻端開始記錄眼動數(shù)據(jù)到漸變段末端停止記錄，完成1 次試驗；

（5）按照（3）、（4）的步驟讓3 名駕駛員分別在高峰期和平峰期進行多次試驗。 當試驗過程中，眼動儀出現(xiàn)故障或者試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題時按照（3）和（4）步驟重新進行試驗。

2 眼動特性分析

眼動的主要形式有注視、掃視、眨眼3 種類型，目前對駕駛員眼動特性的分析主要從注視和掃視參數(shù)開展[15-16]。 注視參數(shù)中，注視時間能夠反映駕駛員對目標區(qū)域的感興趣程度和獲取信息的難易程度；掃視參數(shù)中，掃視速度體現(xiàn)了駕駛員1 次掃視獲取信息的覆蓋范圍與深度[17]；瞳孔面積可以用來衡量駕駛員對信息加工時的心理負荷， 當駕駛員努力去注視某一個目標及駕駛員緊張、 心理負荷大時，瞳孔會擴大[18]。 因此選取注視時間、掃視速度、 瞳孔面積參數(shù)作為駕駛員眼動特性的評價指標。

2.1 注視區(qū)域劃分

眼動儀獲取的數(shù)據(jù)可以表征駕駛員在行車過程中心理狀況和搜素信息的能力，為了便于對數(shù)據(jù)進行分析，以3 位駕駛員眼動參數(shù)的均值作為試驗結果[19]，并將注視區(qū)域劃分為6 個部分，如圖2 所示，各區(qū)域包含的主要目標物如表1 所示[20]。

表1 注視區(qū)域內目標物統(tǒng)計

圖2 駕駛員注視區(qū)域劃分

2.2 注視時間

注視時間定義為眼睛保持視軸中心位置不變，從而獲得安全駕駛可用的道路信息的時間[21]，下面對高峰期和平峰期駕駛員注視時間分布特性進行分析。

2.2.1 高峰期注視時間特性分析

根據(jù)眼動試驗數(shù)據(jù)整理出3 名駕駛員高峰期在不同換道階段各注視區(qū)域的注視時間百分比的平均值，如圖3 所示。

圖3 高峰期駕駛員換道過程注視時間分布

由圖3 可知，高峰期換道意圖階段，駕駛員對左側、左側遠方和前側下方區(qū)域的注視時間百分比達到98.97%， 其中對前側下方的區(qū)域的注視時間比例最高，由于換道意圖階段駕駛員需要了解目標車道的交通狀況，將大部分注視精力分配到左側遠方和左側區(qū)域。 執(zhí)行階段，駕駛員對左側、前側下方和右側遠方的注視比例比意圖階段分別增加了2.17%、1.68%、14.89%，對左側遠方的注視比例減少了24.17%，注視區(qū)域個數(shù)由4 個增加到5 個，說明執(zhí)行換道時駕駛員注意力更分散，因為當駕駛員執(zhí)行換道時，產(chǎn)生相對復雜的操縱方向盤行為，駕駛員會更加謹慎，所以將部分左側遠方的注視時間分配到其他注視區(qū)域， 積極獲取周圍全面的信息，實時調整方向盤角度和車輛速度以保證換道安全。 在完成換道階段，注視的區(qū)域包括左側遠方、前側下方、前側上方和右側遠方，對左側區(qū)域不再注視，左側遠方的注視時間比例也遠小于意圖和執(zhí)行階段，僅為9.13%，但右側遠方的注視比例為3 個階段中最高，達到了16.13%，說明完成換道階段駕駛員的主要注視范圍為視野前方和右方位置。 這是由于在高峰期完成換道后駕駛員即可按照當前車道保持直行，只需重點保持對前側區(qū)域的注視，但因右側加速車道上有車輛試圖換道，導致一部分注意力轉移到右側區(qū)域。

2.2.2 平峰期注視時間特性分析

通過分析圖4 可以發(fā)現(xiàn)，平峰期換道意圖階段主要注視區(qū)域為左側、左側遠方和前側下方，對這3 個區(qū)域注視的時間占注視總時間的99.01%，與霍克對換道意圖階段的分析結果基本一致[22]，執(zhí)行換道階段比意圖階段增加了對右側遠方區(qū)域的注視，但不再對前側上方注視，因為平峰期車輛少，駕駛員受前方和右側車輛的影響較小，意圖階段可將更多的注視時間分配到目標車道，當駕駛員操縱方向盤開始換道，需要了解車輛周圍近處的信息，從而忽略與執(zhí)行換道無密切關系的前側上方區(qū)域的信息。 完成換道階段，對左側區(qū)域不再注視，其中左側遠方和前側下方的注視時間比例占據(jù)較高的比例，分別為30.10%、55.73%，說明平峰期完成換道階段駕駛員的主要注視區(qū)域為視野前方和左方，因為平峰期在合流區(qū)大多數(shù)車輛在軟鼻端位置即可進行換道，完成換道后，右側無換道車輛的影響，駕駛員期望達到更高的行駛速度，所以在對前側區(qū)域重點注視的同時，對左側車道的交通狀況進行較多觀察。

圖4 平峰期駕駛員換道過程注視時間分布

對比分析高峰期與平峰期注視時間百分比，可知換道意圖階段高峰期與平峰期主要注視區(qū)域相同，但高峰期駕駛員對前側下方的注視比例高于左側遠方，平峰期左側遠方的注視時間百分比大于前側下方，說明平峰期駕駛員會將更多的注意力分配到目標車道。 在換道執(zhí)行階段，高峰期相對于平峰期駕駛員有更廣泛的注視范圍，平峰期將目標車道作為注視重點，這是因為駕駛員認為平峰期換道車輛少，只需要把主要注意力放在左側遠方區(qū)域和前側下方。 在完成換道階段，高峰期重點注視區(qū)域為前方及視野偏右側遠方區(qū)域，而平峰期主要的注視重點為視野前方和左側遠方區(qū)域。

2.3 掃視速度

掃視速度是指掃視角度與掃視時間之比，能夠說明視線轉動的快慢。 分別對高峰期和平峰期駕駛員的掃視速度分布情況分析后，進而對駕駛員高峰期與平峰期的掃視速度的差異性進行探究。

2.3.1 高峰期掃視速度特性分析

高峰期駕駛員換道過程掃視速度分布情況如圖5 所示。

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，夜間高峰期駕駛員換道過程中掃視速度在100～200 °/s 范圍內的比例最高，達到了42%，而在300～400 °/s 范圍內所占比例最小，僅為8%。0～100 °/s 和200～300 °/s 所占比例分別為16%和34%，100～200 °/s 和200～300 °/s 所占比例達到76%，說明高峰期駕駛員換道過程中的掃視速度主要在這2 個范圍內波動。

圖5 高峰期駕駛員掃視速度分布

從表2 可以分析出，夜間高峰期掃視速度均值是完成換道階段（195.42°/s）＞換道意圖階段（172.86°/s）＞執(zhí)行換道階段（165.92 °/s），掃視速度分布范圍是換道意圖階段＞執(zhí)行換道階段＞完成換道階段；表明換道意圖階段這10 s 內駕駛員的掃視速度會產(chǎn)生大的波動；執(zhí)行換道階段的掃視速度相對小，即1 次掃視獲取信息的覆蓋范圍小；完成換道階段10 s 內駕駛員會保持相對高的掃視速度。 這是由于夜間照度相對較小，換道意圖階段只能對周圍近處的信息進行采集，需要對多個跟車間隙判斷才能確定最終能夠成功換道的空間， 在確保安全換道的狀態(tài)后，駕駛員會加快對周圍信息的獲取，為執(zhí)行換道做準備，故意圖階段掃視速度波動較大。 執(zhí)行階段因高峰期車輛會以較低的速度進行換道以保證安全，所以執(zhí)行階段駕駛員會適當減小掃視速度。 而完成換道階段駕駛員跟隨前車行駛， 需密切關注與前車的距離， 同時還要及時判斷右側車輛是否要進行換道，需要在更短的時間內掌握周圍信息。

表2 高峰期各換道階段掃視速度統(tǒng)計

2.3.2 平峰期掃視速度特性分析

平峰期駕駛員掃視速度分布情況如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)夜間平峰期駕駛員換道過程中掃視速度在100～200°/s 范圍內的比例也是最高的，達到了41%，300～400 °/s 范圍內所占比例僅為14%，0～100 °/s 和200～300 °/s 所占比例分別為28%和17%，0～100 °/s和100～200 °/s 范圍所占比例接近70%， 說明平峰期駕駛員換道過程中的掃視速度主要分布在這2個范圍內。

圖6 平峰期駕駛員掃視速度分布

從表3 可以看出，平峰期駕駛員換道過程總體的掃視速度均值小于高峰期，這與漆巍巍[11]的研究結果一致，由于高峰期周圍環(huán)境復雜，駕駛員要獲取的信息比平峰期多，則要加快信息的搜索。 平峰期換道意圖、執(zhí)行換道階段掃視速度平均值相差不大，分別為174.95 °/s、177.21 °/s，但意圖階段的標準差比執(zhí)行階段多了16.38， 完成換道階段的掃視速度均值和標準差分別為139.36 °/s、61.90， 均為3 個階段中的最小值， 說明意圖階段的掃視速度離散程度最大。 這主要是因為在平峰期車輛少，車速相比高峰期有所提高，在意圖階段開始位置駕駛員發(fā)現(xiàn)距離可進行換道的軟鼻端位置有一段距離，不需要以較高的掃視速度獲取信息；當接近軟鼻端后開始提升掃視速度為執(zhí)行換道做準備，當執(zhí)行換道時駕駛員迫切想要掌握周圍信息來彌補內心的安全感，在完成換道后按當前車道行駛，其他車輛的干擾較少，所以完成換道階段駕駛員會以相對穩(wěn)定和偏低的掃視速度駕駛。

表3 掃視速度統(tǒng)計

2.3.3 高峰期與平峰期掃視速度差異性分析

使用單樣本k-s 檢驗對3 名駕駛員高峰期與平峰期各階段的掃視速度數(shù)據(jù)進行分析， 結果如表4 所示，高峰期和平峰期的換道意圖階段、執(zhí)行階段、完成階段精確顯著性均大于0.05，表明各組掃視速度服從正態(tài)分布。

表4 不同換道階段駕駛員掃視速度k-s 檢驗

通過方差同質性檢驗對換道階段的高峰期和平峰期掃視速度變量總體的方差是否相等進行分析，得到表5 結果。 由表5 可知換道意圖、執(zhí)行換道、完成換道階段顯著性均大于0.05，因此可認為這3 個換道階段的高峰期與平峰期的掃視速度總體方差相等。 利用單因素方差分析分別對換道意圖、執(zhí)行換道、完成換道階段的高峰期和平峰期駕駛員掃視速度平均值進行差異性分析， 結果如表6所示。 由表6 可知換道意圖、執(zhí)行換道和完成換道階段對應的顯著性分別為0.955、0.763、0.056，均大于顯著水平0.05，說明在3 個換道階段中駕駛員高峰期與平峰期的掃視速度都不存在顯著差異。

表5 高峰期與平峰期掃視速度方差同質性檢驗

表6 高峰期與平峰期掃視速度單因素方差分析

2.4 瞳孔面積

瞳孔面積是指眼球內虹膜中心的小圓孔的面積，其變化反映了復雜多變的心理活動[23]。先分別對高峰期與平峰期從硬鼻端至漸變段末端駕駛員瞳孔面積總體變化趨勢進行分析，再分別對比分析各換道階段的高峰期和平峰期的瞳孔面積。

2.4.1 高峰期瞳孔面積特性分析

駕駛員夜間高峰期從硬鼻端至漸變段末端整個過程瞳孔面積的變化情況如圖7 所示。

由圖7 可知，夜間高峰期從硬鼻端至軟鼻端駕駛員的瞳孔面積趨勢是逐漸增加的，在軟鼻端附近達到最高值4093 像素， 說明在高峰期進入加速車道后駕駛員心理緊張程度逐漸升高，到達軟鼻端附近時視覺負荷最大，心理高度緊張，這是由于高峰期由硬鼻端至軟鼻端加速車道車輛逐漸積累，在軟鼻端附近受合流的影響， 交通狀況復雜程度較高，在軟鼻端位置不能正常換道，所以駕駛員的心理壓力從硬鼻端至軟鼻端逐漸增加。 從軟鼻端至漸變段末端，瞳孔面積是先減小后升高并趨于穩(wěn)定，因為高峰期合流區(qū)擁擠，到達軟鼻端后車速會大幅度降低， 并且駕駛員逐漸適應合流區(qū)復雜的交通狀態(tài)，心理緊張程度減小。在120 m 和165 m 附近瞳孔面積最小，這2 個位置與3 名駕駛員執(zhí)行換道的位置相吻合，表明駕駛員在發(fā)現(xiàn)有換道空間進行換道至開始執(zhí)行換道時刻心理緊張程度會降低。

圖7 高峰期瞳孔面積-距離變化

2.4.2 平峰期瞳孔面積特性分析

由圖8 可知， 在0～75 m 范圍內瞳孔面積大多分布在3000～3500 像素內， 從75 m 位置至軟鼻端逐漸減小，在軟鼻端位置瞳孔面積達到最小，從軟鼻端至漸變段末端駕駛員的瞳孔面積增加到3000～3300 像素并在該范圍內趨于穩(wěn)定，說明平峰期夜間駕駛員在合流區(qū)換道過程中瞳孔面積總體變化不大，僅在軟鼻端位置附近有較大的變化。 這是因為駕駛員通過加速車道加速后， 在軟鼻端前10 m 位置能夠判斷在軟鼻端位置是否可進行安全換道，駕駛員心理緊張程度會在確定能夠安全換道的時刻開始降低，當車輛到達軟鼻端時，駕駛員開始操控車輛進行換道，心理緊張程度升高，又因平峰期主線和加速車道的車輛都較少，故完成換道后駕駛員會保持與換道之前相當?shù)膶Ｗ⒍取?/p>

圖8 平峰期瞳孔面積-距離變化

2.4.3 高峰期與平峰期瞳孔面積差異性分析

利用k-s 檢驗分別對各換道階段的高峰期和平峰期的瞳孔面積進行分析， 結果如表7 所示，從表中可知駕駛員夜間高峰期換道過程中瞳孔面積的平均值為意圖階段＞完成階段＞執(zhí)行階段，夜間平峰期是執(zhí)行階段＞意圖階段＞完成階段，另外高峰期瞳孔面積的總體方差比平峰期高，說明高峰期換道過程的瞳孔面積波動較大，行車的風險更大。 高峰期和平峰期的換道意圖階段、執(zhí)行階段、完成階段漸進顯著性均小于0.05，表明各組瞳孔面積不服從正態(tài)分布，則采用兩相關樣本的非參數(shù)檢驗對高峰期和平峰期的瞳孔面積進行差異性分析， 結果如表8 所示。

表7 單樣本k-s 檢驗

由表8 可知，換道意圖階段基于正秩，Z 統(tǒng)計量為-14.627，漸進顯著性為0.000，小于0.05，拒絕零假設，認為平峰期駕駛員的瞳孔面積比高峰期顯著減??；而執(zhí)行換道階段和完成階段是基于負秩得出Z 統(tǒng)計量分別為-14.532、-4.560， 漸進顯著性均為0.000，小于0.05，拒絕零假設，認為執(zhí)行換道和完成換道階段平峰期駕駛員的瞳孔面積比高峰期顯著提高。

表8 駕駛員高峰期與平峰期瞳孔面積的Wilcoxon 非參數(shù)檢驗

3 結論

通過分析駕駛員在寒區(qū)夜晚快速路合流區(qū)換道過程的眼動參數(shù)，得到以下結論：

（1）換道意圖階段高峰期與平峰期對左側、左側遠方和前側下方區(qū)域注視時間占注視總時間的比例都不低于98%，且平峰期會將更多的注意力分配到目標車道； 執(zhí)行階段高峰期注視點的分布區(qū)域達到5 個，注視廣泛；完成階段高峰期主要注視范圍為視野前方和右方位置， 平峰期為視野前方和左方。

（2）高峰期100～200 °/s 和200～300 °/s 范圍所占比例達到76%， 掃視速度均值是完成換道階段（195.42 °/s）＞換道意圖階段（172.86 °/s）＞執(zhí)行換道階段（165.92 °/s）；平峰期0～100 °/s 和100～200 °/s范圍所占比例接近70%，完成換道階段駕駛員掃視速度均值在3 個換道階段中最小，平峰期駕駛員換道過程總體的掃視速度均值小于高峰期。

（3）高峰期換道過程的瞳孔面積比平峰期波動大，駕駛員高峰期換道過程中瞳孔面積的平均值為意圖階段＞完成階段＞執(zhí)行階段， 平峰期是執(zhí)行階段＞意圖階段＞完成階段，換道意圖階段平峰期駕駛員的瞳孔面積比高峰期顯著減?。粓?zhí)行換道階段和完成階段平峰期駕駛員的瞳孔面積比高峰期顯著提高。