寒区夜间快速路合流区驾驶员眼动特性分析

■吴立新 丁士涛 田秀娟

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春 130118）

数据显示，道路交通事故分布有明显的季节性特点，冬季是交通事故的多发期[1]，且40%左右的交通事故在夜间发生，事故死亡率高达60%，夜间行车的危险指数远远高于白天行车[2]；因为寒区冬季夜间温度较低，汽车尾气遇到大气冷凝形成白色雾气，且夜间的光源多，换道时的刹车灯与转向灯的灯光与白色尾气相互作用，对驾驶员的视觉造成干扰，夜间驾驶员获取和处理视觉信息需要耗费更长的时间。 快速路基本路段交通流相对稳定，而合流区受换道行为影响，会引起交通流混乱，故快速路上有很大一部分交通事故发生在合流区[3]。 因此，有必要对寒区夜间快速路合流区驾驶员换道过程进行研究。

国内外不少学者对合流区驾驶员换道过程眼动行为进行了研究，Lee 等[4]根据白天换道眼动数据，得出驾驶员向左换道过程的意图阶段，关注较多的区域是正前方、内后视镜和左后视镜。Jang 等[5]提取出换道过程瞳孔大小变化特征，结果显示瞳孔大小变化在换道不同阶段有明显的差异。 吴苏南[6]获取白天驾驶员换道眼动数据进行分析，得出换道意图产生后扫视速度区段分布总体大于换道意图产生前。 裴玉龙等[7]的研究结果表明，白天车道变换进程中驾驶员的大部分注意力都集中在左侧后视镜、正前方、右侧后视镜，其中正前方集中了较高的注视概率。

目前大多数学者是对白天的驾驶员换道眼动特性进行研究，而对寒区夜间驾驶员换道的眼动特性研究较少。 通过在夜晚的高峰时段和平峰时段进行快速路合流区的实车试验，利用眼动仪实时监测驾驶员分别在高峰期和平峰期换道过程中的眼动参数， 分析其在夜晚不同换道阶段的眼动特性，为驾驶员夜间行车的培训和快速路合流区标志标线的优化提供依据。

1 试验设计

驾驶员约有80%的信息靠视觉获取，不同的照明水平和交通量都会对驾驶员的眼动行为造成影响。 研究表明， 瞳孔的大小会随着照明水平发生变化，夜晚照度低，瞳孔会放大，随着照度增加，瞳孔会逐渐减小；夜间照度低，驾驶员视认距离近，视角相对较大， 需要延长注视时间才能看清所需要的周围信息[8-9]。而随着道路中交通量的增加，道路环境更加复杂，心理负荷增大，驾驶员需要获取并处理更多的信息，驾驶员就会主动调整注视时间、扫视速度、瞳孔面积等眼动行为参数以适应交通量的变化[10-11]。

为了对合流区驾驶员换道过程进行细致的研究，参考其他学者对换道过程的划分[12-13]，将换道过程划分为3 个阶段，即驾驶员操纵方向盘进行换道时刻前10 s 为换道意图阶段，操纵方向盘至车辆车身与目标车道车道线平行为执行阶段，车辆车身与车道线平行后10 s 为完成阶段，通过试验获取夜间高峰期与平峰期各换道阶段的眼动数据。

1.1 试验时间与地点

试验选取的地点为长春市西部快速路景阳大路北入口合流区，西部快速路主线为三车道，主线设计速度为80 km/h， 加速车道形式为平行式， 图1即为所研究合流区的示意图。 通过摄像机对该合流区冬季工作日夜晚的交通量变化规律进行统计， 选取该合流区主线和加速车道交通量分别在3700～3900 pcu/h、1900～2100 pcu/h 范围的17∶00-18∶30 为高峰时段，主线和加速车道交通量在3100～3300 pcu/h、1000～1200 pcu/h 范围的18∶30-20∶00为平峰时段，分别在高峰时段和平峰时段进行实车试验。

图1 合流区示意图

1.2 试验设备与人员

试验设备主要有Dikablis 眼动仪、D-Lab 软件、汽车1 台， 因为不同车型的轮廓和底盘高度不同，会导致驾驶员视点高度等方面的差异[14]，所以固定选择轿车。 试验选择3 名视觉机能指标正常，无生理和心理缺陷，睡眠充足、情绪正常，驾龄2 年以上的驾驶员。

1.3 试验步骤

（1）先对试验的路线作好规划，并提前对眼动仪进行测试，以保证试验能够顺利有序进行；

（2）到达试验地点附近后向驾驶员说明试验的注意事项和基本要求；

（3）驾驶员佩戴眼动仪，试验人员对仪器进行校准，校准完成后让驾驶员正常开车适应3～5 min；

（4）从匝道进入快速路以自由车速进行合流区的实车试验，从硬鼻端开始记录眼动数据到渐变段末端停止记录，完成1 次试验；

（5）按照（3）、（4）的步骤让3 名驾驶员分别在高峰期和平峰期进行多次试验。 当试验过程中，眼动仪出现故障或者试验数据出现问题时按照（3）和（4）步骤重新进行试验。

2 眼动特性分析

眼动的主要形式有注视、扫视、眨眼3 种类型，目前对驾驶员眼动特性的分析主要从注视和扫视参数开展[15-16]。 注视参数中，注视时间能够反映驾驶员对目标区域的感兴趣程度和获取信息的难易程度；扫视参数中，扫视速度体现了驾驶员1 次扫视获取信息的覆盖范围与深度[17]；瞳孔面积可以用来衡量驾驶员对信息加工时的心理负荷， 当驾驶员努力去注视某一个目标及驾驶员紧张、 心理负荷大时，瞳孔会扩大[18]。 因此选取注视时间、扫视速度、 瞳孔面积参数作为驾驶员眼动特性的评价指标。

2.1 注视区域划分

眼动仪获取的数据可以表征驾驶员在行车过程中心理状况和搜素信息的能力，为了便于对数据进行分析，以3 位驾驶员眼动参数的均值作为试验结果[19]，并将注视区域划分为6 个部分，如图2 所示，各区域包含的主要目标物如表1 所示[20]。

表1 注视区域内目标物统计

图2 驾驶员注视区域划分

2.2 注视时间

注视时间定义为眼睛保持视轴中心位置不变，从而获得安全驾驶可用的道路信息的时间[21]，下面对高峰期和平峰期驾驶员注视时间分布特性进行分析。

2.2.1 高峰期注视时间特性分析

根据眼动试验数据整理出3 名驾驶员高峰期在不同换道阶段各注视区域的注视时间百分比的平均值，如图3 所示。

图3 高峰期驾驶员换道过程注视时间分布

由图3 可知，高峰期换道意图阶段，驾驶员对左侧、左侧远方和前侧下方区域的注视时间百分比达到98.97%， 其中对前侧下方的区域的注视时间比例最高，由于换道意图阶段驾驶员需要了解目标车道的交通状况，将大部分注视精力分配到左侧远方和左侧区域。 执行阶段，驾驶员对左侧、前侧下方和右侧远方的注视比例比意图阶段分别增加了2.17%、1.68%、14.89%，对左侧远方的注视比例减少了24.17%，注视区域个数由4 个增加到5 个，说明执行换道时驾驶员注意力更分散，因为当驾驶员执行换道时，产生相对复杂的操纵方向盘行为，驾驶员会更加谨慎，所以将部分左侧远方的注视时间分配到其他注视区域， 积极获取周围全面的信息，实时调整方向盘角度和车辆速度以保证换道安全。 在完成换道阶段，注视的区域包括左侧远方、前侧下方、前侧上方和右侧远方，对左侧区域不再注视，左侧远方的注视时间比例也远小于意图和执行阶段，仅为9.13%，但右侧远方的注视比例为3 个阶段中最高，达到了16.13%，说明完成换道阶段驾驶员的主要注视范围为视野前方和右方位置。 这是由于在高峰期完成换道后驾驶员即可按照当前车道保持直行，只需重点保持对前侧区域的注视，但因右侧加速车道上有车辆试图换道，导致一部分注意力转移到右侧区域。

2.2.2 平峰期注视时间特性分析

通过分析图4 可以发现，平峰期换道意图阶段主要注视区域为左侧、左侧远方和前侧下方，对这3 个区域注视的时间占注视总时间的99.01%，与霍克对换道意图阶段的分析结果基本一致[22]，执行换道阶段比意图阶段增加了对右侧远方区域的注视，但不再对前侧上方注视，因为平峰期车辆少，驾驶员受前方和右侧车辆的影响较小，意图阶段可将更多的注视时间分配到目标车道，当驾驶员操纵方向盘开始换道，需要了解车辆周围近处的信息，从而忽略与执行换道无密切关系的前侧上方区域的信息。 完成换道阶段，对左侧区域不再注视，其中左侧远方和前侧下方的注视时间比例占据较高的比例，分别为30.10%、55.73%，说明平峰期完成换道阶段驾驶员的主要注视区域为视野前方和左方，因为平峰期在合流区大多数车辆在软鼻端位置即可进行换道，完成换道后，右侧无换道车辆的影响，驾驶员期望达到更高的行驶速度，所以在对前侧区域重点注视的同时，对左侧车道的交通状况进行较多观察。

图4 平峰期驾驶员换道过程注视时间分布

对比分析高峰期与平峰期注视时间百分比，可知换道意图阶段高峰期与平峰期主要注视区域相同，但高峰期驾驶员对前侧下方的注视比例高于左侧远方，平峰期左侧远方的注视时间百分比大于前侧下方，说明平峰期驾驶员会将更多的注意力分配到目标车道。 在换道执行阶段，高峰期相对于平峰期驾驶员有更广泛的注视范围，平峰期将目标车道作为注视重点，这是因为驾驶员认为平峰期换道车辆少，只需要把主要注意力放在左侧远方区域和前侧下方。 在完成换道阶段，高峰期重点注视区域为前方及视野偏右侧远方区域，而平峰期主要的注视重点为视野前方和左侧远方区域。

2.3 扫视速度

扫视速度是指扫视角度与扫视时间之比，能够说明视线转动的快慢。 分别对高峰期和平峰期驾驶员的扫视速度分布情况分析后，进而对驾驶员高峰期与平峰期的扫视速度的差异性进行探究。

2.3.1 高峰期扫视速度特性分析

高峰期驾驶员换道过程扫视速度分布情况如图5 所示。

由图5 可以发现，夜间高峰期驾驶员换道过程中扫视速度在100～200 °/s 范围内的比例最高，达到了42%，而在300～400 °/s 范围内所占比例最小，仅为8%。0～100 °/s 和200～300 °/s 所占比例分别为16%和34%，100～200 °/s 和200～300 °/s 所占比例达到76%，说明高峰期驾驶员换道过程中的扫视速度主要在这2 个范围内波动。

图5 高峰期驾驶员扫视速度分布

从表2 可以分析出，夜间高峰期扫视速度均值是完成换道阶段（195.42°/s）＞换道意图阶段（172.86°/s）＞执行换道阶段（165.92 °/s），扫视速度分布范围是换道意图阶段＞执行换道阶段＞完成换道阶段；表明换道意图阶段这10 s 内驾驶员的扫视速度会产生大的波动；执行换道阶段的扫视速度相对小，即1 次扫视获取信息的覆盖范围小；完成换道阶段10 s 内驾驶员会保持相对高的扫视速度。 这是由于夜间照度相对较小，换道意图阶段只能对周围近处的信息进行采集，需要对多个跟车间隙判断才能确定最终能够成功换道的空间， 在确保安全换道的状态后，驾驶员会加快对周围信息的获取，为执行换道做准备，故意图阶段扫视速度波动较大。 执行阶段因高峰期车辆会以较低的速度进行换道以保证安全，所以执行阶段驾驶员会适当减小扫视速度。 而完成换道阶段驾驶员跟随前车行驶， 需密切关注与前车的距离， 同时还要及时判断右侧车辆是否要进行换道，需要在更短的时间内掌握周围信息。

表2 高峰期各换道阶段扫视速度统计

2.3.2 平峰期扫视速度特性分析

平峰期驾驶员扫视速度分布情况如图6 所示，可以发现夜间平峰期驾驶员换道过程中扫视速度在100～200°/s 范围内的比例也是最高的，达到了41%，300～400 °/s 范围内所占比例仅为14%，0～100 °/s 和200～300 °/s 所占比例分别为28%和17%，0～100 °/s和100～200 °/s 范围所占比例接近70%， 说明平峰期驾驶员换道过程中的扫视速度主要分布在这2个范围内。

图6 平峰期驾驶员扫视速度分布

从表3 可以看出，平峰期驾驶员换道过程总体的扫视速度均值小于高峰期，这与漆巍巍[11]的研究结果一致，由于高峰期周围环境复杂，驾驶员要获取的信息比平峰期多，则要加快信息的搜索。 平峰期换道意图、执行换道阶段扫视速度平均值相差不大，分别为174.95 °/s、177.21 °/s，但意图阶段的标准差比执行阶段多了16.38， 完成换道阶段的扫视速度均值和标准差分别为139.36 °/s、61.90， 均为3 个阶段中的最小值， 说明意图阶段的扫视速度离散程度最大。 这主要是因为在平峰期车辆少，车速相比高峰期有所提高，在意图阶段开始位置驾驶员发现距离可进行换道的软鼻端位置有一段距离，不需要以较高的扫视速度获取信息；当接近软鼻端后开始提升扫视速度为执行换道做准备，当执行换道时驾驶员迫切想要掌握周围信息来弥补内心的安全感，在完成换道后按当前车道行驶，其他车辆的干扰较少，所以完成换道阶段驾驶员会以相对稳定和偏低的扫视速度驾驶。

表3 扫视速度统计

2.3.3 高峰期与平峰期扫视速度差异性分析

使用单样本k-s 检验对3 名驾驶员高峰期与平峰期各阶段的扫视速度数据进行分析， 结果如表4 所示，高峰期和平峰期的换道意图阶段、执行阶段、完成阶段精确显著性均大于0.05，表明各组扫视速度服从正态分布。

表4 不同换道阶段驾驶员扫视速度k-s 检验

通过方差同质性检验对换道阶段的高峰期和平峰期扫视速度变量总体的方差是否相等进行分析，得到表5 结果。 由表5 可知换道意图、执行换道、完成换道阶段显著性均大于0.05，因此可认为这3 个换道阶段的高峰期与平峰期的扫视速度总体方差相等。 利用单因素方差分析分别对换道意图、执行换道、完成换道阶段的高峰期和平峰期驾驶员扫视速度平均值进行差异性分析， 结果如表6所示。 由表6 可知换道意图、执行换道和完成换道阶段对应的显著性分别为0.955、0.763、0.056，均大于显著水平0.05，说明在3 个换道阶段中驾驶员高峰期与平峰期的扫视速度都不存在显著差异。

表5 高峰期与平峰期扫视速度方差同质性检验

表6 高峰期与平峰期扫视速度单因素方差分析

2.4 瞳孔面积

瞳孔面积是指眼球内虹膜中心的小圆孔的面积，其变化反映了复杂多变的心理活动[23]。先分别对高峰期与平峰期从硬鼻端至渐变段末端驾驶员瞳孔面积总体变化趋势进行分析，再分别对比分析各换道阶段的高峰期和平峰期的瞳孔面积。

2.4.1 高峰期瞳孔面积特性分析

驾驶员夜间高峰期从硬鼻端至渐变段末端整个过程瞳孔面积的变化情况如图7 所示。

由图7 可知，夜间高峰期从硬鼻端至软鼻端驾驶员的瞳孔面积趋势是逐渐增加的，在软鼻端附近达到最高值4093 像素， 说明在高峰期进入加速车道后驾驶员心理紧张程度逐渐升高，到达软鼻端附近时视觉负荷最大，心理高度紧张，这是由于高峰期由硬鼻端至软鼻端加速车道车辆逐渐积累，在软鼻端附近受合流的影响， 交通状况复杂程度较高，在软鼻端位置不能正常换道，所以驾驶员的心理压力从硬鼻端至软鼻端逐渐增加。 从软鼻端至渐变段末端，瞳孔面积是先减小后升高并趋于稳定，因为高峰期合流区拥挤，到达软鼻端后车速会大幅度降低， 并且驾驶员逐渐适应合流区复杂的交通状态，心理紧张程度减小。在120 m 和165 m 附近瞳孔面积最小，这2 个位置与3 名驾驶员执行换道的位置相吻合，表明驾驶员在发现有换道空间进行换道至开始执行换道时刻心理紧张程度会降低。

图7 高峰期瞳孔面积-距离变化

2.4.2 平峰期瞳孔面积特性分析

由图8 可知， 在0～75 m 范围内瞳孔面积大多分布在3000～3500 像素内， 从75 m 位置至软鼻端逐渐减小，在软鼻端位置瞳孔面积达到最小，从软鼻端至渐变段末端驾驶员的瞳孔面积增加到3000～3300 像素并在该范围内趋于稳定，说明平峰期夜间驾驶员在合流区换道过程中瞳孔面积总体变化不大，仅在软鼻端位置附近有较大的变化。 这是因为驾驶员通过加速车道加速后， 在软鼻端前10 m 位置能够判断在软鼻端位置是否可进行安全换道，驾驶员心理紧张程度会在确定能够安全换道的时刻开始降低，当车辆到达软鼻端时，驾驶员开始操控车辆进行换道，心理紧张程度升高，又因平峰期主线和加速车道的车辆都较少，故完成换道后驾驶员会保持与换道之前相当的专注度。

图8 平峰期瞳孔面积-距离变化

2.4.3 高峰期与平峰期瞳孔面积差异性分析

利用k-s 检验分别对各换道阶段的高峰期和平峰期的瞳孔面积进行分析， 结果如表7 所示，从表中可知驾驶员夜间高峰期换道过程中瞳孔面积的平均值为意图阶段＞完成阶段＞执行阶段，夜间平峰期是执行阶段＞意图阶段＞完成阶段，另外高峰期瞳孔面积的总体方差比平峰期高，说明高峰期换道过程的瞳孔面积波动较大，行车的风险更大。 高峰期和平峰期的换道意图阶段、执行阶段、完成阶段渐进显著性均小于0.05，表明各组瞳孔面积不服从正态分布，则采用两相关样本的非参数检验对高峰期和平峰期的瞳孔面积进行差异性分析， 结果如表8 所示。

表7 单样本k-s 检验

由表8 可知，换道意图阶段基于正秩，Z 统计量为-14.627，渐进显著性为0.000，小于0.05，拒绝零假设，认为平峰期驾驶员的瞳孔面积比高峰期显著减小；而执行换道阶段和完成阶段是基于负秩得出Z 统计量分别为-14.532、-4.560， 渐进显著性均为0.000，小于0.05，拒绝零假设，认为执行换道和完成换道阶段平峰期驾驶员的瞳孔面积比高峰期显著提高。

表8 驾驶员高峰期与平峰期瞳孔面积的Wilcoxon 非参数检验

3 结论

通过分析驾驶员在寒区夜晚快速路合流区换道过程的眼动参数，得到以下结论：

（1）换道意图阶段高峰期与平峰期对左侧、左侧远方和前侧下方区域注视时间占注视总时间的比例都不低于98%，且平峰期会将更多的注意力分配到目标车道； 执行阶段高峰期注视点的分布区域达到5 个，注视广泛；完成阶段高峰期主要注视范围为视野前方和右方位置， 平峰期为视野前方和左方。

（2）高峰期100～200 °/s 和200～300 °/s 范围所占比例达到76%， 扫视速度均值是完成换道阶段（195.42 °/s）＞换道意图阶段（172.86 °/s）＞执行换道阶段（165.92 °/s）；平峰期0～100 °/s 和100～200 °/s范围所占比例接近70%，完成换道阶段驾驶员扫视速度均值在3 个换道阶段中最小，平峰期驾驶员换道过程总体的扫视速度均值小于高峰期。

（3）高峰期换道过程的瞳孔面积比平峰期波动大，驾驶员高峰期换道过程中瞳孔面积的平均值为意图阶段＞完成阶段＞执行阶段， 平峰期是执行阶段＞意图阶段＞完成阶段，换道意图阶段平峰期驾驶员的瞳孔面积比高峰期显著减小；执行换道阶段和完成阶段平峰期驾驶员的瞳孔面积比高峰期显著提高。