基于眼动仪的驾驶员视点分布特性研究

张 杰

(同济大学交通运输工程学院，上海 201800)

0 引言

行车过程中驾驶员视点随着行车环境的不断变换而变化，主要表现为驾驶员视觉注意的选择、持续以及转换。作为车辆运行的直接载体，道路的平面线形是影响驾驶员视觉的关键因素。驾驶员通过前方道路线形轮廓进行信息的视认和加工，不良道路条件的影响是70%交通事故的直接或间接原因，因此有必要研究驾驶员视点特性与道路线形之间的关系，以利于评价道路运行环境的安全性。

对驾驶员动视点特性，国内外研究学者进行了一定的研究，常用的指标包括注视时间、眼跳时间、眼跳距离、视力角等［1］;有学者以驾驶员瞳孔变化为指标以评价驾驶员的视觉负荷［2］;也有研究以驾驶员眼睛注视点位置、注视范围以及眼球运动速度作为描述驾驶员视觉特性指标量，评价高速公路线形对驾驶员视觉特性影响［3，4］。

笔者运用目前较为先进的Smart-Eye Pro智能眼动仪进行室内试验，获得驾驶员在不同公路平面线形条件下的眼动指标，主要以视点停留次数为参考指标，定量描述了驾驶员视点分布与线形之间的关系。

1 实验设计

实验选取某高速公路为实验路段，选取7名被试人员观看已建公路的行车视频并记录眼动指标。行车速度为设计车速(80 km/h)，取被试人员眼动指标的均值作为分析值。

有研究对驾驶员视觉区域进行了划分［5，6］，结合高速公路的实际情况，本实验中驾驶员注视区域的划分见图1，分为上方、下方、左侧、右侧、中间5个区域，其中中间区域左右夹角为20°、上下夹角为10°。

图1 本实验驾驶员注视区域划分

2 驾驶员视点数据

2.1 实验过程

用Smart-Eye Pro为每个被试人员建立包含眼睛、鼻孔、耳朵等特征点的头部档案(Head Profile)。给每个被试人员播放一段行车视频，该视频包含前文所划分的各种路段，同时开启Smart－Eye Pro的视线跟踪功能，获取各试验人员在不同注视区域内的视点停留次数。

2.2 数据获取

按照前文的路段划分，获得不同情况下的驾驶员视点数据，图2给出了非隧道段的试验数据，图3为隧道段驾驶员在不同区域的视点数据，图4给出了不同平曲线曲率下驾驶员在不同注视区域的视点数据［7］。

图2 非隧道段驾驶员不同区域视点数据

图3 隧道段驾驶员不同区域视点数据

图4 不同平曲线曲率下驾驶员在不同注视区域视点数据

3 视点分布特性

3.1 非隧道段视点分布特性

计算图2非隧道段驾驶员视点在各个区域的总停留时间，见图5。

图5 非隧道段驾驶员视点在各个区域停留时间

可以看出驾驶员在弯道上的大部分时间视点都停留在中间区域和弯道内侧区域，这两者之和在左转弯曲线段和右转弯曲线段分别达到了68%和77%，而在弯道外侧的时间均未超过10%，可以得出驾驶员在弯道上行驶时对弯道内侧的信息需求较高，而对弯道外侧可能存在获取不利甚至忽视的情况。同时发现平曲线半径越小，驾驶员在弯道外侧的平均注视时间越小，即驾驶员的紧张度越高，具体数据见图6、图7。

图6 左转弯曲线段平均注视时间

图7 右转弯曲线段平均注视时间

对数据进行拟合，得到曲线段弯道外侧注视时间与半径的关系，见式(1)和式(2)。

左转弯曲线段右侧区域:

右转弯曲线段左侧区域:

对于视认过程，其中最小注视时间的确定是驾驶员注视点特征测定的基础。一般而言，当视点停留时间超过最小停留时间时，认为驾驶员处于注视阶段，为视觉信息加工的高级过程，当视点停留时间不超过最小注视时间时，为扫视阶段，是信息初级加工阶段，此时驾驶员视觉负荷较大，对信息的确认度较低。对于最小注视时间的标定，国内外尚无统一规定，一般认为在 100 ～ 300 ms 之间［8，9］，本次研究采用 165 ms［10］，代入式(1)和式(2)计算，分别得到半径为70 m和292 m，即当平曲线半径小于300 m时，建议对弯道外侧路侧环境进行适当改善以保证驾驶员获得的视认信息有效，且可以适当降低驾驶员的视认负荷。

对图4数据进行拟合，得到弯道外侧视点停留时间与半径的关系，见式(3)和式(4)。

左转弯曲线段:

右转弯曲线段:

驾驶员对偏离车道特定物体的注视时间为1.6～2.0 s［11］，为了保证有足够时间获取弯道外侧的信息，尤其是标志的信息，取弯道外侧有两块标志的不利情况，此时视点停留时间需约为4 s，代入式(3)和式(4)，计算得到相对应的弯道半径，左转弯平曲线半径为 601.53 m，右转弯平曲线半径为595.36 m。即转弯半径小于600 m时，建议在弯道内侧设置同样标志以保证驾驶员能够及时获取相应信息。

3.2 隧道段视点分布特性

分析图3数据，发现在隧道入口段和出口段的注视时间大部分集中在中间区域，分别占总时间的62%和56%，而在隧道中间段，驾驶员的注视时间集中在下方区域，占了总数的72%。

在隧道出入口段，因道路环境及光线的变化，驾驶员心理紧张度增加，表现在视觉特性上即为视点活动区域范围的减小，对道路左、右方区域的信息关注度不够，这时即使在路侧设置了标志，驾驶员也可能忽视这些信息，因此建议在隧道出入口设置立体型交通信息系统。例如设置路面限速标线、路上限速标志或者门架式标志，减少驾驶员失误的概率。

在隧道中间段，驾驶员对前方道路的信息需求较为强烈，且在隧道相对封闭的空间里缺少参照物，加之照明环境较差，驾驶员的速度感会降低，导致对自己的车速估计不足，也较难准确判断与前车的距离。所以驾驶员只能通过观看仪表板来获取车速信息，并且通过前车尾灯的引导来驾驶并判断前车的距离。因此视点在下方区域和中间区域的停留次数较高且远远超过其他区域。此时驾驶员对道路线形的感知度降低，从图3可以看出驾驶员对左、右侧的注视时间均较少，建议相关道路重要信息应该设置在前方和下方区域。

4 结语

本文通过眼动仪实验，获取了大量的驾驶员视点指标，得到了以下结论:

1)车辆在弯道上行驶时，驾驶员注视点主要集中在弯道内侧和中间区域。

2)当平曲线半径小于600 m时，驾驶员对获取弯道外侧的信息可能存在一定困难，这时建议在弯道内侧设置同样标志以保证驾驶员能够及时获取相应信息。

3)当平曲线半径小于300 m时，驾驶员对弯道外侧的注视压力较大，建议对路侧环境进行适当优化以降低驾驶员的视认负荷，保证驾驶员视认信息有效。

4)在隧道出入口，驾驶员紧张度增加，视点活动区域范围明显压缩，建议在隧道出入口设置立体型交通信息系统。例如综合设置路面限速标线、路上限速标志或者门架式标志等以保证驾驶员及时获得道路信息。

［1］Kliegl R.Grabner E，Rolfs M.Length frequency predictability effects of words on eye movement in reading［J］.European Journal of Cognitive Psychology2001，16(1):262 －284.

［2］杜志刚，潘晓东，郭雪斌.公路隧道进出口行车安全评价指标应用研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2008，36(3):325－329.

［3］顾 强.高速公路线形对驾驶员视觉特性影响研究［D］.西安:长安大学，2008.

［4］黄迎秋.山区与城市道路交通环境下驾驶员视觉搜索过程分析［D］.西安:长安大学，2008.

［5］高翠翠.城市道路驾驶员注视区域熵率值研究［D］.西安:长安大学，2010.

［6］Brackstone Mark，Ben Waterson.Are we looking where we are going.An exploratory examination of eye movement in high speed driving［C］.Transportation Research Board.Washington，DC，2004.

［7］潘晓东，杜志刚，杨 轸.动视点指标与隧道进口平曲线半径［J］.同济大学学报(自然科学版)，2008，36(12):1661 －1664.

［8］许洪国，刘兆惠，王 超.道路安全等级定权聚类评价模型及因素辨析［J］.交通运输工程学报，2007，7(2):94 －98.

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［10］杜志刚，李 杰，潘晓东，等.高速公路隧道路段驾驶员最小注视时间确定及应用［J］.公路交通科技，2010，9(27):138－142.

［11］刘博华，孙立山，荣 健.基于眼动参数的驾驶员标志视认行为研究［J］.交通运输系统工程与信息，2011，8(11):22 －27.