不同道路环境下驾驶人眼动行为的研究*

胡洪瑞，刘龙繁，熊艳△，陈宇，蒋文涛，田晓宝

（1.四川大学工程力学系，生物力学工程实验室，成都610065；2.四川大学制造科学与工程学院，成都610065）

1 引 言

据统计，近年来全国每年发生交通事故近40万起，死亡人数超过10万，受伤人数近50万，直接经济损失近20亿元。每年交通事故死亡人数占各类安全事故的75%。尤其是在我国汽车保有量仅占全世界汽车总量8%的情况下，交通事故死亡人数却超过全世界五分之一，我国已进入道路交通事故高发期。因此，驾驶安全问题成为了交通运输行业发展的重大问题之一。

影响交通事故发生的因素主要有四个：一驾驶员；二车辆；三道路；四环境条件。图1列出了道路交通系统中四种不同因素与交通事故的关系。

从图1中可以看出，与驾驶员相关的因素占到交通事故总量的90%以上，由此可见，驾驶员在道路交通安全问题中，起着重要作用，要预防交通事故发生，有必要对驾驶员的行为特性进行研究。

图1 影响交通肇事的因素［1］Fig 1 The factors which cause traffic accidents［1］

驾驶员在驾驶车辆时，主要依靠视觉来捕捉交通信息。在行车过程中，驾驶员需要及时感知各种交通信息。根据统计分析，各种感觉器官给驾驶员提供的交通信息数的比例分布如下：视觉占80%；听觉占 15%；触觉占 2%；味觉占 2%；嗅觉占2%［2］。由此可知，驾驶员的眼动信息对研究驾驶员的行为特性具有重大意义。

眼动仪作为对眼动轨迹进行记录的专业仪器，能从眼动轨迹中提取诸如注视点，注视时间和次数，注视轨迹，热点云图，瞳孔大小等数据，从而研究个体在相关过程中的内在认知过程［3］。眼动技术在交通安全领域的应用主要有：工效学；页面设计；广告心理学；交通心理学等，具体包括对驾驶员视觉信息搜索的研究，驾驶疲劳检测和驾驶培训等方面［4］。

不同路况下驾驶员的驾驶行为有所不同，Chapman等［5］研究发现驾驶员在不同路段上眼动存在差异，不同驾驶经验的驾驶员的驾驶行为也会有所不同；Borowsky等人［6］研究表明年轻没有经验的驾驶员比经验丰富的驾驶员缺乏对危险的预见能力。Konstantopoulos等人［7］研究了在白天、夜晚、雨天三种不同的可见度下驾驶经验和驾驶员注意力之间的关系，结果表明教练比初学者的信息采样率多1倍，能在较短的时间内进行信息处理，有更广的视野扫描范围，教练比初学者更多的注视汽车上的镜子。Young等［8］研究了在城市、高速和乡村道路环境下广告牌对驾驶者注意力、心智负荷和性能的影响；美国马萨诸塞大学的驾驶行为实验室的研究人员开发了基于计算机的驾驶员危险意识与预感研究平台，经过训练的驾驶员相比未经过训练的驾驶可以更好的关注潜在危险点［9］。英国David等通过驾驶试验，对熟练驾驶员的搜索广度比非熟练驾驶员搜索广度大的原因进行了研究。在实验室内观察特定路况下非熟练驾驶员和熟练驾驶员的搜索特性，结果表明，训练能使驾驶员的注视持续时间变短，搜索范围增大［10］。国内的李永芳［11］研究了驾驶员动态注视点的分布规律，观察不同车速下驾驶员通过标示牌的视觉分布规律；黄秋迎［12］用眼动仪记录眼球运动的参数，比较分析在不同道路交通环境中，驾驶员的视觉搜索存在的差异；李香红［13］分析驾驶员不同景观路段心率、心率增长率变化特点并进行心率增长率与行驶时间、心率增长率与行驶速度的相关性分析；林雨［14］等人运用EMR-8B型眼动仪对交通标志的视角阈值进行了研究，给出了视角阈值具体量化的数值表达式；对指路标志信息量与视认性关系进行研究，建立了认知时间与标志信息量的量化关系。上述研究集中在不同道路环境或车速等方面对驾驶员搜寻模式、注意力等视觉信息的研究，对不同光线及天气因素下的道路环境因素缺乏相关研究。

本研究通过模拟驾驶员在不同天气状况，不同路段，不同车速下的虚拟驾驶操作，利用眼动仪采集驾驶员的眼动信息数据，对比驾驶员的注视时间，注视轨迹，注视区域以及热点图等眼动信息，分析研究驾驶员的视觉特性，得到车速，天气，路段等因素对驾驶人驾驶行为的影响，为深入研究驾驶员的视觉行为规律、提高驾驶员行车安全性提供试验基础。

2 实验方法和设计

2.1 方法

驾驶员的眼动过程是一个复杂的过程，为了分析总结其眼动特点与规律，我们将采集以下数据进行处理分析：

2.1.1 注视次数与注视时间 可以直观地反应驾驶员对某一区域的关注程度，以及路况的复杂程度对驾驶员获得信息的影响，大量研究表明，随着路况的复杂程度增加，驾驶员的注视次数和注视时间也会随之增加。

2.1.2 回视次数 发生回视是由于对该区域的信息提取产生困难，出现错误等，一般来说驾驶环境越复杂，回视次数会越多。

2.1.3 热点图 能很直观地观察驾驶员的注意力集中区域以及注意区域的变化情况。

2.2 实验思路

2.2.1 相对运动速度 相对运动速度是影响驾驶员动态视觉特征的基本因素，研究表明，随着相对运动的角速度的增加，人眼的最小可辨视角增大，动态视觉的感知能力下降，视力与角速度之间具有线性关系，角速度大则视力低落。目标物运动速度慢，易被驾驶员看见；反之，目标物运动速度快，则驾驶员不易看清楚，动态视觉特征变差。

2.2.2 颜色、照度 目标物的颜色对动态视觉有很大的影响。在静止状态下，人眼对蓝色最不敏感，但在运动状态、暗视条件下，蓝色目标物相对其它颜色的目标物易被识别，而在明视条件下，蓝色目标物与其它颜色的目标物并无显著差异。这与静止状态下目标物颜色的影响是明显不同的。目标物的照度对驾驶员的动态视觉同样有影响，所以，一方面要求驾驶员要有良好的颜色视觉，另一方面要求在选择交通安全设施的颜色时，必须考虑颜色对驾驶员动态视觉的影响。同时要加强道路照明，尽量减轻照度对驾驶员动态视觉的影响。本研究将设计三组不同照度进行对比试验，分别为晴天光照较强，雨天光照较弱，夜晚光照极弱三种情况。

2.2.3 道路及其环境 由于驾驶员在驾驶时所搜集到的信息为路面信息，所以，如果路面状况良好，驾驶员的动态视觉就容易捕捉所需信息。反之，路面状况不良，如出现积雪、凹坑或有障碍，就会分散驾驶员驾驶时的注意力，影响驾驶员的动态视觉。本研究将对比城市道路与乡村道路区别下驾驶人的视觉行为差异，其中城市道路多为直线型，道路类型较简单，而乡村道路多为弯道与坑洼地带，道路情况样复杂。

2.3 实验设计

本次试验被试共九人，考虑到减少本次试验的复杂程度，所有被试均为男性，年龄为20～24岁，均已获得驾驶执照。使用眼动设备为SMI iView XTMRED500Hz。试验所用虚拟驾驶软件为驾校模拟考核软件，能够比较真实模拟实际驾驶场景。被试在事先不知道试验目的和试验条件这样一个双盲试验中，由眼动仪记录下被试在虚拟驾驶过程中的视觉行为特征，因为是双盲试验，所以驾驶员的视觉行为特征和操作行为模式更加贴近实际情况。具体试验步骤如下：

被测在充分休息状态良好条件下开始试验，试验共为五组（考虑到连续试验驾驶员会出现疲劳状态，所以每组试验由三名被试轮流测试），分别为晴天天气下城市道路的驾驶，雨天天气下城市道路的驾驶，夜晚环境下城市道路的驾驶，晴天天气下乡村道路的驾驶，晴天天气下高速路段的驾驶。每一组试验设置相同起始位置与结束位置，被试听到起步提示音后点火起步，听到结束提示音后靠边停车（每组实验持续时间约为3 min左右）。整个试验流程见图2。

图2 实验设计Fig 2 Experimental design

3 结果和讨论

3.1 实验结果

从图3a中我们可以看到，三名被试的回视次数分布规律大致相同，且回视次数都在夜晚城市道路达到最大，而晴天城市道路达到最小，显然光线的明暗对驾驶员回视次数的影响最大，而回视次数越多表明驾驶员越容易造成失误，因此，夜间驾车相较白天驾车，驾驶员更容易发生事故。图3b中显示夜晚与雨天下驾驶员的注视次数达到最大，而城市晴天注视次数最少，表明在雨天与夜晚驾驶员更难获得道路信息。

图3 a.视野信息区驾驶人的回视次数；b.视野信息区驾驶人的注视次数Fig 3 a.Participants’regressive times；b.fixation times in visual information area

从图4可以看出对于仪表盘信息区中，注视次数与回视次数都在雨天达到最高，而与视野信息区不同的是，夜晚条件下驾驶员对仪表盘的关注相对较少，因为夜晚视野条件相对恶劣，驾驶员注意力多集中与前方视野而对仪表盘注意力相对较少，并且驾驶员在夜晚行车车速大致为30码左右，普遍低于其他情况。而在雨天下，驾驶员视线受到天气干扰，想要与晴天到达相同驾驶速度则需要更为繁琐的操作，所以雨天下驾驶员对仪表盘的关注会更多。

图4 a.仪表盘信息区驾驶人的回视次数；b.仪表盘信息区驾驶人的注视次数Fig 4 a.Participants'regressive times；b.fixation times in dashboard information area

3.2 热点图分析

图5显示了不同环境条件下被试在城市道路驾驶过程中的热点图。见图5（a），在城市道路晴天天气下，驾驶员热点分布较广，且多集中于道路远方，并且热点在视野移动较少，说明驾驶员在晴朗天气的城市道路下，注意力多集中于道路远方，并能够拥有较广的视野范围，且能更容易快捷地处理视觉信息。同时热点在视野信息区与仪表盘信息区之间的转换相对较少且每次转换速度迅速，说明驾驶员在此条件下能够良好的驾驶操作。如图5（b）所示，在城市道路雨天天气下，驾驶员热点分布集中，热点在视野信息区移动频繁，且在视野信息区与仪表盘信息区之间转换频繁，每次在仪表盘信息区停留时间较长，说明驾驶员在城市道路雨天天气下，视野范围较窄，获取视觉信息相对困难，且驾驶操作相对迟缓。如图5（c）所示，在城市道路夜晚条件下，驾驶员热点分布更加集中，且热点区域明显处于道路近处，热点在视野信息区与仪表盘信息区之间的转换很少，每次停留时间较长。此结果表明，驾驶员在城市道路夜晚条件下，视野最为狭窄，且注意力基本集中于道路近处，虽然驾驶操作次数减少，但每次所用时间较多，并且车速相较其他几组试验更慢，说明此时驾驶员由于夜晚视野太差，注意力基本集中在视野信息区，而仪表盘信息区数据相对较少。

图5 城市道路热点图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

图6显示了晴天条件下被试在不同道路驾驶过程中的热点图。如图6（a）所示，在乡村道路晴天条件下，驾驶员热点分布较广，且热点区域处于道路较近处，说明驾驶员视野较好且注意力多集中于道路近处。热点在视野信息区与仪表盘信息区之间转换较多，每次停留时间较长，热点在视野信息区左右转换频繁，说明在乡村弯道频繁道路状况较复杂的道路条件下，驾驶员操作更为繁琐，驾驶员在过弯道时注意力会随着弯道转移。如图6（b）所示，在高速路段晴天天气下，驾驶员热点分布集中，热点区域在远处与近处之间转换频繁，说明驾驶员视野较小且注意力会在远近之间转换。热点在视野信息区与仪表盘信息区之间转换较多，但每次停留时间较短，说明高速路段下驾驶员操作次数变多，但每次操作的时间却相对较少。

图6 晴天环境下的热点图a.乡村道路；b.高速道路Fig 6 hot maps when driving in sunny day a.village road；b.high speed road

4 结束语

在同道路同速度下，光线的明暗会对驾驶员的视野产生较大影响，光线越好，驾驶员的视野范围越广（晴天下视野达到最佳，夜晚视野最差），并且光线良好，驾驶员会拥有更良好的操作环境。光线的明暗同时会影响驾驶员获取道路信息的能力，光线越差，驾驶员注视点数和回视点数越多，获取信息越困难。良好的光线条件能让驾驶员的注意力目光前移（晴天下能注意到远方路况，夜晚注意力基本只停留在车前方）。

在同光照同速度下，道路的复杂程度会对驾驶员的操作产生较大影响，越复杂的路段驾驶员的操作越繁琐。弯道较多的复杂路段，驾驶员需要不断移动视线来获取道路信息，此情况下驾驶员的回视次数与注视次数增多。路段越复杂，驾驶员的注意区域越靠近车辆前方。

在同光照同道路下，速度的快慢会对驾驶员的视野产生影响，车辆行驶速度越快，驾驶员的视野范围越窄，高速状态下，驾驶员的目光在道路远近移动频繁，左右移动相对较少，且驾驶员的反应时间明显减少，操作难度更高。