老年驾驶人有效视野测试研究

郭凤香，石晨光，陈平，朱荔

(昆明理工大学 交通工程学院，昆明 650500)

1 引言

我国人口老龄化现象不断加剧[1]，道路上的老年驾驶人越来越多，相关的交通事故也呈逐年增多态势。驾驶人的生理功能是驾驶能力尤其是风险感知能力最大的影响因素[2]，其中，驾驶过程中有90%以上的信息是通过视觉功能获取，老年人随着年龄增加视觉功能逐渐衰退，因此，研究老年驾驶人的视觉与驾驶安全的相关性尤为重要。针对老年人视觉功能衰退，虽然在临床测试上有视敏度和视觉对比度相关的测试研究，但对老年人日常生活中的视觉行为不具有预测性。因此，Ball.K和Owsley.C[3]等学者提出了应用有效视野(Useful Field of View UFOV)测试方法来测试驾驶人视觉特性与驾驶行为的关系，不同于临床上对视野范围的临界值的测试[4]，UFOV是通过测试受试者在一系列实验中对目标的识别和定位情况来评估老年驾驶人的视觉注意特性，从而评价其安全驾驶的能力。

有效视野(UFOV)是以Sander[5]在1970年提出的功能视野(Functional Visual Field)作为基础而延伸的，用来表示在保持头部和眼睛不动的情况下，受试者在快速的一瞥之下可获得有用的信息的所有视野区域。随后1993年Ball.K[6]和她的同事首次对UFOV测试做出了定义，UFOV是在特定的计算机环境下完成针对双眼的测试，测试包括对复杂变化目标的感知能力、定位能力和识别能力；实验机理为在中心目标与外围目标相结合的复杂环境中，通过测试受试者对视觉刺激物的警觉性而测量其有效视野受限的区域范围[7]。UFOV测试包括认知能力和视觉特性的测试，受试者视觉信息获取的能力和判断正确的情况决定其测试结果[8]。由于UFOV测试可评价老年人的视觉功能，故已被用于评价老年驾驶人的驾驶能力，许多学者发现UFOV测试可以预测老年人驾驶事故出现的概率。Owsley等[9]发现老年驾驶人UFOV测试结果越差则其事故率越高；当其有40%或更高UFOV损失时，其驾驶事故率比平均事故率要高2.2倍。

通常，研究老年驾驶人的认知能力，主要在于注意力、处理速度、执行功能、视觉空间、视力及心理状态这几方面。自我评价报告、驾驶模拟器测试、道路实车测试等测试都是基于这些影响因素来预测评估老年人安全驾驶能力的，表1列举了各测试的优缺点，基于传统测试方法，大量学者开始研究UFOV测试在驾驶表现中的作用。

表1 老年人驾驶能力测试方法

Clay.O.J.等学者肯定了UFOV测试的作用[10]，并得出在道路测试及模拟器测试上的验证下确定UFOV测试可以对驾驶人发生碰撞事故的可能性进行预测的结论。Jerri D.Edwards[11]对于年龄、教育程度、精神状态及视力等参数进行回归分析，并与临床上同类测试相对比，提出UFOV有益于训练老年人的反应能力。Sharon A.Bentley[12]探寻了UFOV测试在健康受试者和青光眼患者间进行评测的有效性、可行性及置信水平，拓宽了UFOV在实际应用中的领域。Nicole A.Matas[13]将UFOV的表现作为预测变量，分别与对比敏感度，MMSE精神状态测试，处理速度测试，迷宫测试，变化检测(Driverscan)等测试的结果做回归分析，找寻相对重要性，确认UFOV对于注意特性和处理能力是有影响的。James G.Reed-Jones[14]的研究旨在检测测试姿态和不同运动活动对健康年轻人的UFOV测试结果的影响。在坐立，站立和踏入就位时，对三个修改后的UFOV任务进行测试，分散注意测试中所反馈的结果较突出，三种姿态的平均精度是逐渐降低的。由此可以看出UFOV测试作为视觉功能的评价指标正在被广泛研究。

越来越多的学者致力于老年驾驶人的UFOV测试研究，即运用UFOV测试研究驾驶人的视觉特性与驾驶行为的关系，通过变换不同影响因素、不同受试者姿态及不同测试环境探寻UFOV测试结果的变化情况。但另一方面，随着对测试关注度的增加，也应考虑对UFOV测试进行不同方面的改进，致力使测试更加全面，更加严谨，更加优化。在我国对UFOV测试的研究仍处于初期阶段，仅牟海容[15]提到了UFOV测试，并从心理学领域出发对UFOV测试进行阐述和改进。本文在分析了UFOV测试理论及应用发展的基础上自主设计了UFOV测试方法及软件，并针对UFOV的测试结果进行了不同年龄组别间的相关性分析、以年龄为变量的趋势分析以及实验结果验证。

2 方法

2.1 测试要求及内容

UFOV测试以PC机作为实验测试设备，显示屏的大小为20英寸，受试者的视线水平并对齐屏幕中心，同时需要保持23.5 cm的距离，示例如图1。

实验总共三部分组成[16]，通过目标以不同体现形式分别短暂的出现，测试受试者的处理速度(Processing Speed)、分散注意(Divided Attention)和选择注意(Selective Attention)。

图1 实验示意图

实验一即处理速度测试，受试者需要识别视线正前方的一个目标物，目标是随机的且在短暂时长内出现在屏幕中心固定区域，随后目标消失并出现选择界面，要求受试者在选择界面上相应选项下方通过点击选择所看见的图案，见图2(a)。

实验二即分散注意测试，该部分测试不仅有短暂出现在屏幕中心固定区域的中心目标，还有外围目标，这些外围目标不可预知但等概率地随机出现在外围24个位置中的一个，24个位置是视角为10°、20°、30°的圆周与八条射线(四直和四斜)的交点见图2(b)，外围目标与中心目标同时出现并消失。在实验二的测试中受试者在对中心目标进行识别的同时，还要对出现在外围的目标进行定位(即同时确定出外围目标出现的位置)。

实验三即选择注意测试，该部分测试与实验二相似，只是将外围目标可能出现的位置数增至48个，当外围目标出现时，除目标位置外的其他47位置嵌入三角形干扰物，同实验二，测试中受试者在对中心目标进行识别的同时，还要对出现在外围的目标进行定位。

以上三个实验的测试概况如表2，测试软件界面如图2。实验中中心目标与外围目标位置上所出现的目标刺激物被设计为32个共16组复杂度近似的成对图案，其多样性使测试不枯燥，更提高受试者测试专注度，32个目标图案如图3。目标图案尺寸为2 cm×1.5 cm，中心目标置放在3 cm×3 cm的方框区域内。这些目标都将以短暂的时长持续出现，持续的时长是随机变化的且在区间16.67 ms至500 ms内，每组实验题目数为50。

a1闪现界面 a2选择界面 b1闪现界面 b2选择界面 c1闪现界面 c2选择界面

(a)处理速度测试 (b)分散注意测试 (c)选择注意测试

图2 UFOV测试及选择界面图

图3实验目标物

2.2 受试者

为了对自主设计的UFOV测试方法及软件进行应用和验证，在昆明市招募了受试驾驶员，实验受试者来源为高校研究生，教师及出租车司机，受试者的入选标准主要为各年龄段能够自主驾驶汽车的驾驶员。本次实验共38名受试者，年龄分部在24～74岁，其中老年驾驶人19人(平均年龄为66岁，标准差为3.481)和中青年驾驶人(平均年龄为38岁，标准差为2.969)。

3 结果

3.1 处理速度和认知能力分析

UFOV测试的实验一为处理速度的测试，实验过程中记录了每位受试者答题的正误情况，同时收集了受试者在认知过程中的反应时间，通过数据处理可获取受试者对目标的认知能力和处理速度的情况。通过对处理速度测试的数据分析，以目标物认知的正确数为纵坐标，两组受试者为横坐标绘制了散点图，如图4(a)所示，中青年组的表现较稳定，所有受试者的正确数量都保持在48以上，而在老年组则整体正确数集中在44～48之间，可以发现老年驾驶人较中青年驾驶人正确数分布的区别，老年人表现较中青年要差一些，说明随着年龄的增加，老年人的认知能力出现了增龄性衰退。在图4(b)中以所有受试者测试结果中的正确数为变量作频数的直方图，所有受试者的测试结果服从泊松分布，各年龄段受试者在测试中的表现稳定，且相互独立互不影响。

同时统计了中青年驾驶人、老年驾驶人两组受试者的总体判断错误及处理速度的情况，如表3所示，中青年组总错误数远小于老年组，错误选项对应的目标出现时间阈限区间也较小，中青年组的失误阈值在305.68 mm处，在300 mm～500 mm区间有良好的正确表现，但老年组在整个区间内均有失误，说明中青年驾驶人的反应时间较老年驾驶人短。而且错误时间的中位数也体现了较大差距，反应出中青年驾驶人测试表现的正确情况更好，认知能力更强，处理速度快于老年驾驶人。

(a)正确数散点图

(b)正确数频数柱状图图4 处理速度测试分析表3 错误情况统计表

错误数时间最小值时间最大值中位数P中青年组1619.04305.6876.435<0.01老年组6918.7499.15148.79

3.2 分散注意能力分析

分散注意特性为驾驶员注意特性之一，驾驶员注意特性的研究基础来自于认知心理学的注意理论，包括选择性注意、分散性注意、持续性注意、注意转移等多方面的特性方面的研究。UFOV测试的实验二为分散注意能力及其处理速度的测试，分散注意测试是在中心目标和外围目标均同时出现且相对区域较宽敞的环境下完成的，该项测试主要为确定老年驾驶人视觉的分散注意能力及其处理速度的增龄性衰退[17]。在该实验测试中，统计分析的是受试者对目标判断的正确率达到75%时对应的目标出现时间，统计时分别对中心目标与外围目标设置阈值，得到的UFOV测试结果的区间为16.67～500 ms。分析不同年龄段对应的UFOV测试结果如图5，由图5可以看出，中青年驾驶人在UFOV实验二测试结果上的表现要优于老年驾驶人，对测试结果进行区间等级划分，分为优(16.67～100 ms)、良(100～200 ms)、中(200～300 ms)、差(300～400 ms)和极差(400～500 ms)五个等级。中青年驾驶人的表现均值为88 ms，评价为优且总体表现较稳定，对比老年驾驶人平均表现180 ms为良，且其表现分布在良、中、差三个等级，体现出随着年龄的增长，老年人驾驶人视觉机能的衰退，从而影响分散注意的能力，降低了驾驶过程中的安全性。

图5 UFOV测试二分散注意测试结果

在分散注意测试中，通过对中心目标和外围目标进行分组并统计正确率的均值，分别对比测试总体的正确率均值，得到不同年龄段内各组正确率的柱状图(图6)，更加直观地得到正确率关系的同时，分析不同视野部分对测试结果的影响。两组中心目标的测试结果均为良好，虽然老年组有所下降，但是整体下降程度没有特别显著。外围目标的测试结果为中青年组的正确率是48%，老年组的正确率是26%，体现出两组驾驶人较明显的差异。总体正确率也受年龄变化的影响，老年组的正确率为中青年组的一半，透过三组统计可以看出分散注意的测试结果主要受对外围目标识别情况的影响。

图6 分散注意测试正确率柱状图表4 分散注意正确个数检验表

分散注意中心目标分散注意外围目标测试总体中青年组39.523.819.8老年组38.013.010.1Sig值0.4440.0030.002

对测试结果通过独立样本T检验进行验证得到表4，分别假设中青年组和老年组在中心目标表现情况上差异显著为H01，在外围目标的表现上差异显著为H02，在测试总体表现上有显著性差异为H03，对应相反的情况分别为H11、H12、H13。检验后通过Sig值可以看出对于中心目标表现这一部分并没有显著性差异，可以接受假设H11，但是对于外围目标和测试,总体的表现情况来看，Sig值分别为0.003和0.002，均<0.05且<0.01，这两部分结果的差异性极其显著，体现出结果满足假设H02和H03，表明老年驾驶人对于中青年驾驶在分散注意方面确实有明显衰减，年龄的增长致使视觉机能受到影响，且整体分散注意表现情况主要受外围目标表现情况影响。

3.3 选择注意能力分析

在驾驶注意中，选择性注意是起主导作用的，因此是驾驶人最重要的注意特性之一。UFOV测试的实验三为老年驾驶人的选择性注意能力的测试。选择注意测试方法同分散注意测试相似，相较与分散注意测试其外围目标的位置增多，由24个增加到48个，同时在每个非外围目标出现的位置上均设有三角形状的干扰物。由于干扰目标的增多，受试者在中心视野和外围视野之间选择的空间变多，该项测试主要为确定老年驾驶人视觉的选择性注意能力。

图7 选择注意测试正确率柱状图

与分散注意测试结果相似，如图7所示，在选择性注意测试中两组驾驶人判断中心目标的正确情况都很稳定，由于选择注意相对分散注意的难度有所增大，两组受试者的正确率情况都有下降，但通过两组受试者定位外围目标的正确率可以看出老年驾驶人在对大视角目标的定位能力相对中青年驾驶人较差，在结果上体现驾驶人的选择性注意能力随年龄增长而减退。

选择注意和分散注意两组实验结果都一致体现了年龄作为影响因素影响着UFOV的测试结果，导致驾驶人的有效视野随年龄增长在不同年龄段间具有很大程度的下降。选择注意测试也探究了驾驶人对于中心目标及外围目标的关注程度[18]，水平视线中心为主要关注点，对外围目标的关注取决于驾驶人的视觉机能和有效视野大小。统计所有样本中心目标的正确数和外围目标的正确数，如表5所示。

表5 选择注意分析表

从表5的所有驾驶人的中心正确数及外围正确数的均值可以看出受试者关注中心目标的频率要远大于对外围目标的关注。对于检验提出假设，假定中心目标正确数和外围目标正确数的均值差异性显著为H0，反之为H1。检验后得到Sig值为0.000，<0.05且<0.01，表明对两者关注度的差异性极其显著，并且在每个独立样本中中心目标的正确数都多于外围目标。这样的情况说明受试者在选择注意中更关注中心目标，也就是说驾驶人在驾驶过程中通常会更加注意正前方，同时兼顾周围视角的情况，而老年驾驶人的兼顾能力要相对差些。这样的结果也再一次验证了分散注意测试中图6和图7的分析，由中心向外扩展，随着视角的增大有效视野测试结果越来越差，即老年驾驶人随着年龄的增加其有效视野范围减小。

2.4 外围目标视角差异性分析

(a)分散注意测试 (b)选择注意测试

图8不同视角正确率统计

通过分别对分散注视测试和选择注意测试的描述统计及对比分析，可见不论是中青年组还是老年组均对中心视野的目标有较好的掌控，但对外围目标的选择正确率表现极差，造成这样结果的根本原因是由于实验中外围目标区域由10°、20°、30°三个视角组成，随着视角的增加获取信息的难度也随之增加。进一步探究不同受试者在各视角中表现情况的差异性，对外围目标中多包含的三个不同视角进行单因素方差分析，由于个体的差异性使得对外围目标表现的深入分析受阻，因此在中青年组中30岁以下的青年受试者单独提取，同时将其余中年受试者作为对照组，再结合老年组进行分析。

分别对分散注意测试和选择注意测试中受试者对外围目标不同视角的正确率进行统计分析，用折线图表达见图8，并针对各组受试者的数据进行单因素方差分析见表6，表7。

表6 ANOVA分析

表7 组间Scheffe分析

分散注意测试中，图8表示受试者的正确率表现随视角增大而降低，同时青年受试者展现出和中老年受试者的极大差异性，青年组每个视角正确率都在0.8左右浮动，中老年受试者各视角正确率均低于0.5。在选择注意测试中，所有受试者的正确率都有下降，符合增龄性降低的规律青年受试者依然保持较好的表现，但由于选择注意测试的内容较分散注意增难，表现出整体正确率情况及随视角增大的变化规律都不明显。

测试的正确率代表注意视野能力的高低，做单因素方差分析得到表6，表中由x1,x2,x3代表分散注意测试中10°、20°、30°的正确率，y1,y2,y3代表选择注意测试中10°、20°、30°的正确率，结果中F值均满足统计条件，对应的概率P值近似为0，不同年龄组对不同视角的正确率产生显著影响。通过表6中的直观数据均值和标准差可知， 青年受试者具有良好的视野能力同时组内表现基本稳定，随着年龄增加中年受试者和老年受试者的能力随之降低，且夹杂其他因素的影响，不同受试者出现成绩无规律性的表现。由于组间个数差异，另在单因素方差分析中做了Scheffe分析，表7中分散注意测试青年组与中年组和老年组的p值为0.001和0.000，均有显著性差异，但在中年组和老年组之间p值分别为0.129，0.621，0.657，不具备显著差异性条件，说明受试者的视野能力在增龄性减退的过程中，在中年阶段就产生了极大的下降，到老年阶段虽仍有下降但降幅变低，受试者视野能力与年龄有着更密切关系。同样，在选择注意测试中，青年组的正确率依然和中老年组正确率保持良好的显著性差异。随着测试难度的增加，测试正确率增龄性减退更加明显，同时结合表6可知由于难度上涨，测试结果依然出现在中年阶段就出现大幅降低的情况，导致中年组和老年组的结果间不具备差异显著性。

4 讨论

UFOV测试通过不断出现的视觉目标来检测受试者有效视野能力，包含着处理速度，注意角度及注意区域选择等方面。因此由于测试结果可以量化，UFOV测试也可以作为对比实验工具来分析受试者增龄性相关的能力变化。

处理速度测试作为基础测试，体现受试者对于单一目标的注视能力，通过测试结果来看，中青年受试者较老年受试者有稳定表现，但整体水平差距不大，不构成增龄性减退规律，所有受试者均可良好地完成这一测试。随着测试难度的增加，在分散注意和选择注意测试中加入了外围目标的干扰，使得不同年龄的受试者在测试结果上有了差异，对外围目标信息的获取去判定受试者有效视野能力的标准，在这两项测试中，中青年受试者和老年受试者在外围目标测试正确率上均显示出了极大的差异性，在表5中也体现出受试者在关注水平视线中心的同时无法兼顾关注外围目标的结果。因此对受试者外围目标选择情况进行深入分析，将外围目标包含的不同视角细化为10°、20°、30°，对受试者年龄进行细化并对不同角度的正确率进行单因素方差分析，图8和表6均提现出了青年受试者的测试结果均远优于中年受试者和老年受试者，scheffe分析显示视野能力在青年受试者和中年受试者之间就存在大幅度的增龄性减退，并随年龄增加继续有减退趋势。测试的难度增长使得有效视野能力增龄性减退明显，对应在现实驾驶过程中，高风险的场景使得老年驾驶人事故风险率增加，同样许多学者[ 19-20 ]也在应用UFOV测试来预测驾驶人的事故率。深度探索UFOV测试的评价及预测作用以及将UFOV测试作为训练受试者有效视野能力的方法将是未来研究的发展和趋势。

5 结论

有效视野的起源和发展促使UFOV测试在其功能及应用领域等方面的突破，UFOV测试可用于辅助临床检查，同时UFOV测试可适用于评价驾驶表现，并且可以通过处理速度、分散注意和选择注意三方面来评价老年驾驶人视野能力及安全驾驶的能力。

通过UFOV测试统计分析，得到以年龄与UFOV三个测试结果的关系，即：处理速度测试中发现随着年龄增长，反应时间呈线性增加，老年驾驶人的处理速度对比中青年驾驶人较慢，在认知能力下降的同时相应的老年驾驶人的反应能力也有减退现象，并通过显著性分析验证了UFOV测试结果受年龄影响且不同年龄组的差异性显著；在分散注意和测试中发现，随着视角的增大，驾驶人对信息的获取更加不稳定，同时随年龄增加其分散注意能力的评价等级也由优变差；选择注意测试中发现，驾驶人更加关注的视线中心处目标，同时测试的总体表现情况仍然遵循有增龄性衰退的现象。本文通过描述统计及单因素方差分析验证了UFOV测试驾驶人视野能力增龄性减退的有效性，同时也进一步证明UFOV测试可以评价老年驾驶人视觉注意能力，从而评价其驾驶能力。