常见驾驶行为下驾驶人注意力分配特征

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(1. 齐鲁交通发展集团有限公司， 山东 济南 250102； 2. 齐鲁交通发展集团有限公司青临分公司， 山东 潍坊 262517；3. 山东交通学院 a.济南北方交通工程咨询监理有限公司，b.交通与物流工程学院, 山东 济南 250023； 4. 吉林大学 交通学院， 吉林 长春 130025)

驾驶人是“人-车-路”闭环系统中的信息接收者和指令发出者，是保障车辆安全运行的关键。研究发现，80%以上的交通信息是驾驶人通过视觉获得的，且视觉信息的加工、处理是驾驶人对车辆做出操纵的重要依据[1]，因此，驾驶人视觉特性研究得到了广泛关注。

长期以来，学者们对驾驶人视觉特性的研究主要集中在注视区域划分[2-3]、驾驶中的眼动机理[4-6]、驾驶人疲劳状态表征[7]等多个方面，研究重点多集中于驾驶人对环境信息的关注程度或关注范围，而很少将注视点所表征的关注程度和视线角度所表征的搜索范围结合起来。在实际驾驶过程中，关注程度与搜索范围是不可分割的，注意力集中并不表明驾驶人在执行驾驶任务时拥有良好的视觉特征，如果搜索范围不足，将导致驾驶人无法获得全局的交通信息。如果驾驶人搜索范围足够大，但其对关键区域的关注程度不够，也将导致驾驶人丢失重要的交通信息。

本文中借助注视时间表征驾驶人对交通信息的关注程度， 使用视线角度表征驾驶人对环境信息的搜索范围， 结合区域关注时间和全局搜索范围分析不同驾驶行为下驾驶人注意力的分配特征， 并且探究来自不同方向的交通流对驾驶人注意力分配的影响。

1 试验设计

1.1 驾驶行为设计

为了考察不同驾驶行为下的驾驶人注意力分配特征，试验中设计右转向行为和左转向行为，如表1所示。

表1 常见驾驶行为

道路曲率的不同会使驾驶人对方向盘的转动程度、对道路线形的关注程度以及注意力的分配等产生较大差异，因此，以不设过大的圆曲线最小半径为阈值，将转弯细分为缓弯行驶和转弯2种。

1.2 交通流设计

驾驶过程中，周围交通流会对驾驶人行为产生较大影响。为了分析来自不同方向的交通流对驾驶人注意力分配的影响，设计了自由流、左侧有车、右侧有车、前方有车共4种交通流状态下的驾驶试验。干扰交通流的车间时距设置为10 s，以保证干扰交通流近乎为自由流。

1.3 试验设备

试验在驾驶模拟器环境下进行，以便于控制交通流变量以及相同条件下的试验重复进行。所选用的驾驶模拟器具有8个方向的运动自由度，能够根据车辆动态响应提供横摆、俯仰、侧倾、纵向加减速以及垂向振动信息。此外，驾驶模拟器还可以给驾驶人提供水平360°和垂直约40°的交通环境信息。

1.4 驾驶人选择

模拟器试验共招募了17位驾驶人，其相关信息如表2所示。

表2 驾驶人信息

1.5 试验路线设计

为了满足试验需要， 在模拟器中设计总路程约40 km， 包含直行，左转，右转，连续左、右转等81个路段的往复式试验路线。试验道路为双向四车道，车道宽度为3.5 m，路肩宽度为1.5 m。道路边侧设置限速标志，驾驶人驾驶车辆以期望速度行驶，但是要满足限速要求。

以接触时间为交通流触发条件，当车辆到达指定路段点的时间等于设定时间时，特定方向的交通流出现。试验开始前，驾驶人首先进行一次预试验，以消除紧张和不确定因素对驾驶人注视行为的影响。正式试验开始时，驾驶人按试验规定执行驾驶任务。试验过程中采集驾驶人眼动数据和车辆运行状态数据。

驾驶人眼动数据包括眼球位置、视线角度、瞳孔直径、数据有效性、记录时间等。车辆运行状态数据包括行车速度、加速度、车身姿态(横摆、侧倾、俯仰)、行驶路线、记录时间等。

2 注视区域划分及注视时间求解

试验过程中利用定焦距摄像头采集车辆运行前方的场景信息。由于场景摄像头的拍摄角度有限，因此试验时需要将其安装在合适位置，以保证摄像头能够采集到驾驶人所关注的绝大部分区域。

理论分析可知，驾驶人正视前方时，可被其准确感知的视觉区域为水平10°、垂直10°。为了验证该范围的准确性，令驾驶人保持日常驾驶坐姿并正视前方，利用9点标注法划定驾驶人所能准确感知的范围，并借助驾驶人与投影屏幕之间的距离求得正视范围，如图1所示。

图1 驾驶人前视范围标定

根据图1，驾驶人在水平和垂直方向的正视角度ah、av分别为

(1)

式中：Dh、Dv分别为水平和垂直方向的边界点到中心点的距离；D为驾驶人与投影屏幕之间的距离。

综合理论分析和试验测量，对前方场景进行区域划分，如图2所示。

图2 车辆前方场景划分

车辆前方场景被划分正中心、正上方、正下方、正右方、右上方、右下方、正左方、左上方、左下方共9个区域。这9个区域是从驾驶人的角度进行划分的，其表示驾驶人正视前方、正视远处、正视近处、注视右方、注视右方远处、注视右方近处、注视左方、注视左方远处、注视左方近处。

根据注视区域的划分结果，分别统计17位驾驶人在相同路段、相同交通流条件下，各个区域的注视时间占该路段全部注视时间的比例；以17位驾驶人注视时间分布的平均值表示指定路段和交通流条件下和一般驾驶人的注视时间分布。

3 驾驶人视觉信息搜索范围求解

为了获得驾驶人的视觉信息搜索范围，统计17位驾驶人在相同路段、相同交通流条件下，注视点在场景图像上的分布情况，如图3所示。据此可以获得指定路段和交通流条件下的驾驶注视点在上、下、左、右4个方向上的边界，如图3所示。

图3 驾驶人信息搜索范围

根据图3即可计算获得驾驶人的视觉信息搜索范围，其可表示为

(2)

式中:ahl、ahr、avu、avd、分别为驾驶人注视区域左侧和右侧的水平角度以及注视区域上部和下部的垂直角度；Dhl、Dhr、Dvu、Dvd分别为注视点包络区域的左边界、 右边界、 上边界及下边界与屏幕中心点的距离。

4 驾驶人注意力分配特征研究

利用自由流条件下的驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围，探讨不同驾驶行为下的驾驶人注意力分配特征。

4.1 左转向行为

缓左行驶、左转弯以及左换道时的驾驶人注意力分配如图4所示，分别显示了驾驶人对各个区域的注视时间占路段全部注视时间的比例和驾驶人对远处、近处、左侧、右侧信息的搜索范围，图中单位长度代表1°。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图4 左转向时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

根据图4，总结不同左转向行为下驾驶人注意力分配如表3所示。从表中数据可以看出，与缓左行驶时驾驶人注意力分配相比，左转弯及左换道时，驾驶人对左侧区域的注视时间增加，信息搜索范围上左侧、右侧、远处和近处搜索范围都有增加。

表3 左转向时驾驶人注意力分配

4.2 右转向行为

缓右行驶、右转弯和右换道行为下的驾驶人注意力分配如图5所示。

根据图5， 总结不同右转向行为下驾驶人注意力分配如表4所示。 由表可知， 与缓右行驶时的驾驶人注意力分配相比， 右转弯及右换道时， 驾驶人对右侧区域的注视时间较长； 信息搜索范围上左侧和远处的搜索范围减小， 而右侧和近处搜索范围增加。

5 交通流对驾驶人注意力分配的影响

5.1 左转向行为

5.1.1 缓左行驶

缓左行驶时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图6所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图5 右转向时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

表4 右转向时驾驶人注意力分配

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图6 缓左行驶时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

根据图6，总结缓左行驶时，不同方向交通流影响下的驾驶人注意力分配如表5所示。

表5 交通流影响下缓左行驶时驾驶人注意力分配

缓左行驶时，交通流出现对驾驶人注意力分配的影响不大。此时，驾驶人信息搜索范围较小，且其对正中心以外的各个区域的注视时间分配较为均衡。自由流环境下，驾驶人搜索范围很小，且偏左侧和近处区域；除正中心外，驾驶人对其他区域的关注较为均衡。左侧交通流出现后，驾驶人正视前方，且扩大了对远处信息的搜索。右侧交通流对驾驶人注意力分配的影响与左侧交通流相同。前方车辆的出现使得驾驶人更加关注偏左侧、远处信息。

5.1.2 左转弯

左转弯时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图7所示，总结左转向时不同方向交通流影响下的驾驶人注意力分配如表6所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图7 左转弯时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

表6 交通流影响下左转弯时驾驶人注意力分配

左转弯时，在自由流环境下，驾驶人注意力集中在正中心和正左方，视觉搜索范围大，且偏向左侧、近处。左侧交通流出现后，驾驶人对正中心的注视时间延长、对正左方的注视时间缩短；信息搜索范围缩小，尤其对远处信息的搜索范围大幅缩小。右侧交通流出现后，驾驶人对正中心的注视时间显著增加；信息搜索范围在水平方向上扩展而在垂直方向上压缩，此时纵向上的搜索范围很窄。前方交通流出现后，驾驶人同样增加了对正中心的注视时间，而在搜索范围上则减少了对左侧和远处信息的搜索。

5.1.3 左换道

左换道时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图8所示，总结左换道时不同方向交通流影响下驾驶人注意力分配如表7所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图8 左换道时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

表7 交通流影响下左换道时驾驶人注意力分配

左换道时，在自由流环境下，驾驶人注意力集中在正中心和正左方，信息搜索范围较大。左侧交通流出现后，驾驶人对正中心的注视时间延长，对左侧信息的搜索范围缩小，对近处信息的搜索范围扩大。右侧交通流出现后，驾驶人近乎正视前方，对近处信息的搜索范围所有扩大。前方车辆对驾驶人注意力分配的影响与右侧车辆的影响基本相同。

5.2 右转向行为

5.2.1 缓右行驶

缓右行驶时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图9所示，总结缓右行驶时来自不同方向的交通流对驾驶人注意力分配的影响如表8所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图9 缓右行驶时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

车辆缓右行驶时，在自由流环境下，驾驶人注意力集中在正中心；视觉信息搜索范围较大，对远处信息的搜索角度比近处更大。左侧交通流出现后，驾驶人注意力向正中心的左半部分偏移；视觉信息搜索范围缩小，沿纵向的信息搜索显著向近处转移。右侧交通流出现后，驾驶人注意力集中在正中心；视觉信息的搜索范围略有增加。同样的，近处信息的搜索范围增加，远处信息的搜索范围缩小。前方车辆出现后，驾驶人注意力集中在正中心、略偏左的区域；信息的搜索范围大幅度缩小，且更偏向于搜索近处区域。

表8 交通流影响下缓右行驶时驾驶人注意力分配

5.2.2 右转弯

右转弯时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图10所示，总结右转弯时不同方向交通流影响下驾驶人注意力分配如表9所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图10 右转弯时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

右转弯时，周围交通流对驾驶人注意力分配的影响较小。无论是注视时间分布还是视觉信息搜索范围，交通流出现与自由流环境下相比，差异都较小。交通流出现后，驾驶人虽然扩大了对右侧信息的搜索范围，但是正右方的注视时间却有所减少，正中心区域的关注时间有所增加。

表9 交通流影响下右转弯时驾驶人注意力分配

5.2.3 右换道

右换道时，不同交通流条件下的驾驶人注意力分配如图11所示，总结右换道时不同方向交通流影响下的驾驶人注意力分配如表10所示。

(a)注视时间分布

(b)视觉信息搜索范围图11 右换道时驾驶人注视时间分布和视觉信息搜索范围

表10 交通流影响下右换道时驾驶人注意力分配

右换道时，在自由流环境下，驾驶人注意力集中在正前方和正右方；信息搜索范围较小且偏向右侧和近处区域。左侧交通流出现后，驾驶人对正中心的注视时间延长，而对正右方的关注时间大幅缩短；视觉信息的搜索范围大幅扩大，对左侧、远处和近处的搜索范围都有所增加。右侧交通流出现后，驾驶人对正右方的注视时间略有减少，但信息搜索范围有所扩大，此时，驾驶人在纵向的信息搜索向远处移动。前方车辆的出现使得驾驶人对正中心的注视时间大幅延长，且对近处信息的搜索范围扩大。

6 结论

本文中利用驾驶模拟器试验，以注视时间分布和视觉信息搜索范围为表征指标，探究了不同驾驶行为下驾驶人注意力分配特征以及来自不同方向的交通流对驾驶人注意力分配的影响，得到了如下结论：

1)驾驶人对前方正中心总是给予足够多的关注。

2)自由流条件下，车辆沿曲率较大的弯道行驶或者换道时，驾驶人对正中心的关注下降，而对转向一侧的关注增加；同时，驾驶人沿纵向的搜索范围由远处向近处转移。

3)车辆沿曲率缓和的道路行驶时，周围交通流的出现对驾驶人注意力分配的影响较小。

4)车辆转弯或换道时，周围交通流的出现会对驾驶人的注意力分配产生较大影响。交通流出现后，驾驶人扩大了对交通流出现一侧的信息搜索范围，纵向上的视觉关注区域由远处向近处转移。与此同时，驾驶人增加了对正中心的关注时间，而减少了对转向一侧的关注时间。