车辆颜色等多因素对驾驶行为的交互作用研究

谷阳阳,柴智勇,史雪莹,王长帅,朱 彤

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.北京中机车辆司法鉴定中心，北京 100176；3.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064)

驾驶安全不仅与道路交通环境、天气等因素相关，还与车辆颜色有密切的关系[1]。从信息加工的角度来看，驾驶员在行驶过程中需要完成一系列复杂的信息感知、信息处理任务，其中，对于外界的信息感知是极为重要的环节。外界环境信息中80%以上是通过视觉通道获取。人类视觉系统自身特点决定了对于不同的颜色，存在不同的敏感度和识认性[2]。正因如此，常采用不同的颜色或颜色搭配作为交通标志和交通设施的规定颜色[3-4]。车辆颜色作为交通环境中重要的目标物，其颜色与交通安全之间的关系也需要深入研究[5]。

以往文献对于车辆颜色和交通安全的关系进行了研究。2002年，Lardelliclaret等首次研究了车辆颜色对被动参与碰撞的风险影响[6]，研究结果表明，浅色被动卷入碰撞风险较低。2003年，Furness等最先研究了车辆颜色对碰撞造成严重伤害风险的影响[7]，研究结果表明，与白色汽车相比银色汽车碰撞事故造成严重伤害的可能性降低了约50%。2007年，Newstead等研究了车辆颜色与交通事故发生频率之间的关系[8]。许卉莹等从道路事故数据与车辆颜色的数量关系入手建立统计模型，验证了车辆颜色对于事故发生风险具有影响[9]。李都厚等对不同颜色目标物前方识认距离进行研究，结果表明绿色颜色目标物识别距离明显大于红色[10-11]。徐洪亮等从视觉机理层面对颜色与交通环境之间的关系、颜色视觉应用实例等进行了论述[12]。张开冉等对利用仿真驾驶平台，研究不同降雨条件下，驾驶员面对红、白、黑颜色障碍物时的鸣笛、制动等行为[13]。张强等论述了各种颜色在交通中的应用[14]。

上述研究从总体上说明了颜色对于交通安全的影响机理[15]，也说明了应用中应考虑上述因素[16-17]，然而，尚缺少具体驾驶场景下，驾驶员对于不同颜色车辆反应差异性实验研究与分析。据此，本文选择并建立典型驾驶模拟场景，设计、实施模拟实验，采集驾驶员行为、生理心理数据，应用统计学模型对数据进行研究，分析不同光照条件、不同场景下，车辆颜色与驾驶员行为、生理心理数据之间的关系。

1 实验设计

1.1 实验人员与设备

考虑到本实验中存在一定的事故风险，故采用驾驶模拟实验方式。实验选择25人参加，其中职业驾驶员15名、非职业驾驶员10名。驾驶员年龄分布从22～45岁，驾龄分布从1～13年，男驾驶员14人，女驾驶员11人，矫正均到达视力1.2及以上水平。

采用三屏幕固定式驾驶模拟系统，由电脑主机、三屏幕显示器、方向盘、档杆、手刹、制动器、加速踏板等组成，如图1所示。系统可通过模拟器的操作部件与虚拟的环境进行交互，完成驾驶任务。被试完成部分模拟实验场景时，佩戴了德国Ergoneers公司研发的Dikablis眼动追踪系统，记录驾驶员动态视觉特征。眼动仪的佩戴情况如图2(a)所示。

除此之外，本实验还使用美国BIOPAC公司生产的MP150系列16道生理仪。该设备可以基于普通个人电脑工作，并将生理信号存入计算机。可利用设备自带软件进行信号平滑、叠加、微分、积分、变换分析等计算。采样率可自由设定，最大达到400 000点/s。MP150多导生理仪如图2(b)所示。

1.2 实验环境

实验设计两大类车(小轿车、大客车)、4种颜色的试验车辆，分别为黑色轿车、白色轿车、红色轿车、黄色轿车；黑色客车、白色客车、红色客车、黄色客车，部分车辆模型截图如图3所示。

图1 实验驾驶模拟设备

图2 生理心理实验设备

图3 部分车辆模型图

实验道路模拟公路驾驶环境，公路设计采用长直公路，在环境中设计了行道树等道路附属物。外界光照环境在实验场景中选择较强光照条件(昼间10:00—14:00)与弱光照条件(黄昏18:00—20:00)两种情况，其中黄昏场景光线较暗且车辆前照灯均未开启。本实验场景未设置夜晚路灯照射情况，主要是由于本实验目的是研究不同自然光强度照射下，车辆颜色对驾驶员行为的影响。正常光照环境与黄昏条件下的实验场景分别如图4所示。

图4 实验环境

1.3 实验设计与场景

实验采用组内实验模式，被试驾驶员完成全部实验，各实验场景顺序随机排列。构建场景时主要考虑两个原则：尽量涵盖常见的驾驶场景，尽量全面地反映驾驶员不同层面的特性。因此，设计了6个实验场景，包括：跟车、换道行为测试；驾驶中感知前方、后方车辆测试；在前方车辆紧急制动、换道情况下的应急避险行为测试。上述实验凸显出了驾驶员不同方面的特性，如表1所示。

1)跟车、换道测试。被试自行选择距离跟随不同类型、颜色的前方车辆，跟随一段时间后超过前车。实验中采集了驾驶员跟车距离、出现换道行为时自身车辆与前车的距离数据。以研究不同颜色车辆对于驾驶员一般的跟车、换道行为是否存在影响。

2)识认性测试。本测试分为被试对前方车辆的识认和侧后方车辆的识认两个部分。在前方识认测试时，每个场景被试需要驾驶轿车在长直公路上按照一定速度行驶。每次实验会有不同颜色、车型的车辆随机出现在被试驾驶车辆正前方道路，驾驶员需要在发现前方车辆时做出反应。实验中采集了驾驶员做出反应时前方车辆与本车的距离。

表1 实验场景设计

侧后方识认测试时，每个场景被试需要驾驶轿车在长直公路上按照一定速度行驶。每次实验会有不同颜色、车型的车辆随机出现在被试驾驶车辆侧后方道路，驾驶员需要在发现侧后方车辆时做出反应。实验中采集了驾驶员做出反应时侧后方车辆与本车的距离。

3)应激反应测试。本测试分为前车制动反应测试和换道反应测试。在前车制动应激反应测试时，被试驾驶车辆在长直公路上按照固定速度、固定距离分别跟随不同颜色、车型的前方车辆驾驶。前方车辆根据程序随机触发减速行为，减速时刹车灯不启亮，被试需要在发现前方车辆减速时立即采取制动措施。实验中采集了从前方车辆制动触发到驾驶员采取减速行为间隔时间，简称为驾驶员反应时间。此外，还采集了驾驶员心率数据与驾驶员瞳孔面积数据，以表征事件中驾驶员紧张程度。

在侧向换道应激反应测试时，被试驾车行驶在长直公路上，在被试驾驶车辆左侧车道有若干不同颜色及车型的车辆低速行驶。当自身车辆行驶过程中，上述车辆中的1辆车会突然被触发并换道至自身车辆前方。被试看到前方车辆换道时，需立即采取制动措施。实验中采集了从侧向车辆触发换道行为到驾驶员采取减速行为的间隔时间，此外，还采集了驾驶员心率数据与驾驶员瞳孔面积数据，以表征事件中驾驶员紧张程度。

为了避免车辆在实验场景中出现顺序对被试的实验结果产生不利的影响，不同颜色和类型的车辆在场景中出现的顺序是随机的。被试每完成一个场景的实验大约需要7 min，完成所有的场景大约需要60 min，为了避免长时间的实验造成被试生理和心理的疲劳，提高实验数据的可靠性，被试每完成2个场景的实验，需要休息3～5 min，随后再进行下一个场景的实验，至完成所有场景的实验。

2 跟车与换道测试数据分析

表2为驾驶员在跟随各类车辆时的平均跟车距离，经计算得知，白天的平均跟车距离方差D=56.124，黄昏的平均跟车距离方差D=160.703。可以发现黄昏时，驾驶员对于不同的车辆保持的平均跟车距离间的差异相对较大，此时驾驶员倾向于和小轿车保持相对较长的距离。表3为平均换道距离，换道距离指驾驶员选择换道时与前车之间的距离。可以发现各类颜色车辆换道距离之间差异并不明显。可以看出，换道距离与跟车距离与驾驶员习惯具有很密切的关系，各类颜色之间的差异不明显。

表2 平均跟车距离 m

表3 平均换道距离 m

3 识认距离测试数据分析

表4、表5分别为驾驶员对前方车辆、侧向车辆的识认距离的平均值，可以发现被试对于各类车辆的识认距离有一定区别，特别是黄昏时黑色客车的识认距离与其他车辆相比差异较大。而且侧向识认距离普遍低于前方识认距离。

表4 前方平均识认距离 m

表5 侧后方平均识认距离 m

为了进一步说明车辆颜色，大小，驾驶时段等对于被试人识认距离影响的显著性，本文应用线性方法分别对向前和侧后方车辆识认距离进行建模分析，获得统计参数如表6所示。模型截距为622.550。各类颜色中识认距离由大致小分别为白色、红色、黄色、黑色。大车小车之间有显著性差异。白天被试人的识认距离比黄昏时要多出46.725 m。

表6 前方车辆模型参数

为了直观地说明不同颜色的车辆在不同时间段的识认距离的差异性，分别绘制白天、黄昏情况下按颜色分类的所有车辆的数据箱线图，发现白天时被试者在距离较远的时候就能发现红色的实验车辆，即红色车识认性与其他颜色车辆相比较好。而在黄昏时白色、黄色车的识认性较好，黑色车辆的识认性最差。此外，个体之间差异比较大，有部分驾驶员距离很近时才能发现。

图5 前方识认距离箱线图

图6 侧向识认距离箱线图

通过计算还发现，前方识认距离的方差与侧后方识认距离方差相比较小，前方识认表现出的特点与侧后方识认完全不同。白色、红色、黄色在昼间与黄昏时段的识认性差异不大，但是黑色在白天和黄昏时段差异比较显著，且在黄昏时段的离散度明显大于其他车辆，这说明有相当一部分驾驶员黄昏对于黑色车辆的识认距离有更大程度的降低。

4 应激反应测试数据分析

白天、黄昏时被试者应对前方车辆时的反应时间如表7所示。同时对驾驶员在辨认前车制动阶段的瞳孔面积与本事件中瞳孔面积均值作比较，得到瞳孔面积变化率，具体数据如表8所示。

根据表7可以发现侧向换道比跟车反应时间短很多，主要原因是由于侧向换道事故风险更大，而前方车辆制动则需要有一定判断时间。根据驾驶员瞳孔面积变化率和心理变化率数据来看，各类颜色车辆之间的差异并不明显。

进一步将反应时间数据制成如图7所示的关系图可以发现，前方小车制动时，白天反应时间基本一致，黄昏反应时间明显变长，特别是黄色和黑色，反应时间增加较为明显，红色增加不多。值得注意的是，在侧向小车换道应激实验中，在黄昏时白色和黑色车的反应时间有所减少，而红色车辆的反应时间有所增加。大车制动时，黄昏和白天差异不大，白色车辆反应时间反而较长。大车换道时，各类颜色反应时间基本一致。

图7 反应时间

表7 驾驶员平均反应时间 s

表8 驾驶员平均瞳孔面积变化率 %

应用方差分析对各因素之间的差异进行量化研究，结果表明被试的各个应激特性均无显著差异。

表9 驾驶员平均心率变化率 %

综合上述结果表明，公路环境下运行时，各颜色对驾驶员的应激反应、跟车与换道行为影响并不明显，只有识认性存在显著差异。即车辆颜色对于驾驶员和交通安全的确存在影响，在车辆的识认距离上差异更为明显，尤其是对于小车、黄昏情况下更为显著，驾驶过程中应特别予以注意并采用相应的手段予以弥补。

5 结束语

1)从反应时间、瞳孔面积、心率变化率三类数据来看，驾驶员对于不同颜色车辆的应激反应差异不明显，对于不同颜色车辆的跟车、换道行为也无显著差异。这说明不同颜色的车辆对于驾驶员一般的跟车、换道行为不存在显著的影响。

2)通过实验数据分析发现，白天识认距离明显高于黄昏，大客车则明显高于小轿车，向前方观察识认距离明显大于侧后方车辆的识认距离，黑色车辆在黄昏时识认性明显低于其他车辆，尤其是观察前方车辆时，与其他颜色的差异更为明显。这说明与其他颜色的车辆相比，黑色车辆的交通安全性较差，大客车的交通安全性要显著高于小轿车。

3)研究结果表明，在公路环境下运行时，车辆颜色对于驾驶员和交通安全存在影响，其差异性主要体现在对于车辆的识认距离，尤其是对于小轿车、黄昏环境下更为明显，这说明黄昏环境下，被试者对小车的识认距离较短，即黄昏环境下，小轿车的交通安全性要差于大客车。因此在驾驶过程中应特别予以注意并采用相应的手段予以弥补。被试者对不同颜色及类型车辆中识认距离由大至小分别为白色、红色、黄色、黑色。

4)在驾驶中应考虑上述特征，黄昏与白天差异较大，黄昏时段，开启照明对于提高其他车辆对于自身车辆的识认性有重要意义；此外，驾驶员还应注意对于侧向特别是左侧车辆的观察。上述结论对于车辆防撞预警技术的差异化服务有一定的意义。