楊 波,鄧 華

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司科技發(fā)展中心,重慶 400067)

年來(lái)近,中國(guó)公路里程和小汽車(chē)保有量都呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),夜間交通量只占白天的1/4,但在整個(gè)道路交通事故死亡率中夜間是白天的1.5倍,山區(qū)道路事故中死亡率超過(guò)白天的4倍[3-4]。高速公路夜間駕駛員視線(xiàn)誘導(dǎo)與安全保障亟待加強(qiáng)。反光標(biāo)線(xiàn)技術(shù)的提升與普及為道路交通安全做出了重要貢獻(xiàn)。但是,反光標(biāo)線(xiàn)在夜間僅能依靠車(chē)燈照射而反射發(fā)光,且在不良天氣時(shí)辨識(shí)度不高,因而在夜間視覺(jué)誘導(dǎo)作用仍有待提高。蓄能熒光標(biāo)線(xiàn)是一種具有夜間主動(dòng)發(fā)光特性的新型路面標(biāo)線(xiàn),不依靠車(chē)燈照射即可自主發(fā)光,彌補(bǔ)了反光標(biāo)線(xiàn)的不足,為夜間公路交通安全提供了更好的保障[5-10]?，F(xiàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),研究不同熒光標(biāo)線(xiàn)設(shè)置方案對(duì)駕駛員眼動(dòng)特性的影響,進(jìn)而對(duì)熒光標(biāo)線(xiàn)的視覺(jué)誘導(dǎo)效果進(jìn)行驗(yàn)證,并提出一種視覺(jué)誘導(dǎo)效果可靠,經(jīng)濟(jì)性好的熒光標(biāo)線(xiàn)設(shè)置方法,以期為熒光標(biāo)線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。

1 蓄能熒光標(biāo)線(xiàn)眼動(dòng)特征指標(biāo)選擇

眼動(dòng)特性是駕駛員駕駛心理和生理的重要表征,選擇瞳孔面積變化率和注視點(diǎn)占比作為駕駛員眼動(dòng)特征指標(biāo)選擇。當(dāng)機(jī)體處于緊張狀態(tài)時(shí),交感神經(jīng)活動(dòng)處于積極狀態(tài),使瞳孔擴(kuò)大、心跳加速、疲乏的肌肉工作能力增加等；反之,在身體放松時(shí)副交感神經(jīng)起主要作用[11]。因此,瞳孔的變化能直觀地反映駕駛員在駕駛過(guò)程中遇到的不安或舒適的心理、生理狀態(tài),且該指標(biāo)用于研究人緊張反應(yīng)的有效性已得到學(xué)者們的認(rèn)可[12-15]。由于瞳孔大小存在個(gè)體差異,而瞳孔面積變化率更能客觀地反映駕駛?cè)笋{車(chē)狀態(tài)。一次注視稱(chēng)為一個(gè)注視點(diǎn),注視次數(shù)反映了人眼注視這個(gè)區(qū)域的頻率,體現(xiàn)了觀察者的目標(biāo)物和興趣區(qū)域。駕駛員在行駛過(guò)程中會(huì)不自覺(jué)地將注視點(diǎn)停留在感興趣的物體上,注視次數(shù)越多,證明駕駛員對(duì)其關(guān)注度也越高[16]。對(duì)注視點(diǎn)占比定義為道路路域范圍,即道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和。

2 仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了揭示公路熒光標(biāo)線(xiàn)對(duì)駕駛員視覺(jué)誘導(dǎo)的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)速度為80 km/h的公路為例,對(duì)不同參數(shù)和布設(shè)方式的熒光標(biāo)線(xiàn)分別在公路直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),獲得標(biāo)線(xiàn)熒光寬度、間距、位置及不同半徑和轉(zhuǎn)向?qū)ρ蹌?dòng)特征的影響,運(yùn)用動(dòng)態(tài)聚類(lèi)法,得到不同路段熒光標(biāo)線(xiàn)和布設(shè)方式的最佳值。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:采用進(jìn)口稀土發(fā)光材料制備熒光標(biāo)線(xiàn),選擇德國(guó)SMI公司生產(chǎn)的SMI2.1眼鏡式眼動(dòng)儀,其數(shù)據(jù)采集頻率為120 Hz；眼部攝像頭最高分辨率可達(dá)1 280×960p@24 fps；場(chǎng)景攝像頭追蹤范圍為:水平60°,垂直46°；視頻分析軟件可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)視頻興趣區(qū)的深度分析。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)人員

考慮到個(gè)體差異,因此挑選不同性別、不同駕齡、不同年齡的23名駕駛員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。在正式實(shí)驗(yàn)前,告之各駕駛員實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的基本知識(shí),要求被試人員保證睡眠充足,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)人員Fig.1 Experimenter

2.2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用UC-win/Road軟件進(jìn)行建模和渲染,熒光標(biāo)線(xiàn)的輝度為16、15、13、11、9、7、5、3、1 cd/m2,制作直路段和曲線(xiàn)段的多個(gè)仿真視頻。實(shí)驗(yàn)路段中平面、縱斷面和橫斷面等設(shè)計(jì)要素,滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,縱坡小于2%,車(chē)道寬度3.75 m,視線(xiàn)高度為1.2 m,添加不同關(guān)鍵參數(shù)值的熒光標(biāo)線(xiàn)。在仿真視頻制作過(guò)程中避免超車(chē)、變道等影響,并選擇夜間環(huán)境,如圖2所示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先制作1個(gè)無(wú)標(biāo)線(xiàn)場(chǎng)景作為對(duì)比實(shí)驗(yàn),再搭建8個(gè)有標(biāo)線(xiàn)的直線(xiàn)段場(chǎng)景,將熒光標(biāo)線(xiàn)鋪設(shè)于高速公路的標(biāo)線(xiàn)上,包括行車(chē)道兩側(cè)實(shí)線(xiàn)和分車(chē)道虛線(xiàn),熒光標(biāo)線(xiàn)寬度與現(xiàn)有標(biāo)線(xiàn)寬度一致,沿高速公路鋪設(shè)300 m長(zhǎng),在實(shí)驗(yàn)中采集瞳孔直徑和注視點(diǎn)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)；再按照標(biāo)線(xiàn)80%的寬度鋪裝熒光材料(圖3),以此類(lèi)推,標(biāo)線(xiàn)60%寬度、標(biāo)線(xiàn)50%寬度、標(biāo)線(xiàn)40%寬度、標(biāo)線(xiàn)20%寬度；再在直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)外側(cè)施劃間距為6 m和9 m的熒光標(biāo)線(xiàn)進(jìn)行誘導(dǎo)效果的比較(圖4)。基于前期研究成果,搭建16個(gè)曲線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)的場(chǎng)景,分別是道路不同轉(zhuǎn)向(左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn))、不同半徑(400、800 m)、不同位置(路邊緣線(xiàn)外側(cè)和內(nèi)側(cè))、不同間距(6、9 m),將熒光標(biāo)線(xiàn)施劃于公路實(shí)驗(yàn)路段。最后再制作動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)80%寬度鋪裝熒光材料CAD圖和示意圖Fig.3 Straight line marking 80% width of pavement fluorescent material CAD and sketch diagram

圖4 右轉(zhuǎn)半徑為400 m、間距為6 m時(shí)內(nèi)側(cè)標(biāo)線(xiàn)鋪裝熒光材料CAD圖和示意圖Fig.4 CAD and schematic diagram of fluorescent material paving for inner marking line when the right turning radius is 400 m in spacing of 6 m

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集及篩選:SMI2.1眼鏡式眼動(dòng)儀自帶的BeGaze數(shù)據(jù)處理軟件可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出和初步的分析。采用拉依達(dá)準(zhǔn)則法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,為了使得數(shù)據(jù)分析更加明確,對(duì)屏幕之外的注視點(diǎn)也進(jìn)行剔除。異常數(shù)據(jù)剔除之后進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)及顯著性檢驗(yàn)。數(shù)學(xué)分析與建模方法如下。

2.3.1 注視點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析

動(dòng)態(tài)聚類(lèi)法是對(duì)視野平面的經(jīng)典劃分方法。運(yùn)用K均值聚類(lèi)法進(jìn)行聚類(lèi)。

第1步初始化。輸入基因表達(dá)矩陣作為對(duì)象集X,輸入指定聚類(lèi)類(lèi)數(shù)k,并在X中隨機(jī)選取k個(gè)對(duì)象作為初始聚類(lèi)中心。設(shè)定迭代中止條件,進(jìn)行相似度的計(jì)算,即

(1)

式(1)中：cj為第j個(gè)聚類(lèi)中心；d(xi,cj)為聚類(lèi)中心cj與樣本xi之間的距離。距離的計(jì)算采用閔可夫斯基公式，即

(2)

第2步進(jìn)行迭代。

第3步更新聚類(lèi)中心。

第4步更換聚類(lèi)中心,重復(fù)第2步和第3步。

根據(jù)駕駛員注視點(diǎn)分布規(guī)律和實(shí)驗(yàn)車(chē)輛環(huán)境特性,通過(guò)Origin軟件的k均值聚類(lèi),對(duì)處理后的眼動(dòng)數(shù)據(jù)選取6類(lèi)k均值聚類(lèi)對(duì)視線(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了聚類(lèi)分析。以駕駛員1為例,通過(guò)直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)外側(cè)鋪間距為6 m熒光材料的注視點(diǎn)聚類(lèi)圖和對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)外側(cè)鋪間距為6 m熒光材料的對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景注視點(diǎn)分布和聚類(lèi)Fig.5 Distribution and clustering of visual points corresponding to fluorescent materials with a distance of 6 m outside the marking line

瞳孔面積變化率分析:以實(shí)驗(yàn)員1為例,普通路段瞳孔面積6.47 mm2。不同路段瞳孔面積變化率堆積折線(xiàn)圖如圖6所示。

圖6 直線(xiàn)段不同標(biāo)線(xiàn)寬度瞳孔面積變化率Fig.6 Variation rate of pupil area in different marking widths in straight road segment

2.3.2 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

1)靜態(tài)仿真路段

通過(guò)對(duì)20名駕駛員注視點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚類(lèi)和瞳孔面積變化率分析,得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)仿真的注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 1 The percentage of visual point in static simulation

(1)直線(xiàn)段:由表2可見(jiàn),20%的視覺(jué)誘導(dǎo)效果有限：40%、50%、60%,注視點(diǎn)占比差異不大,80%、100%以及外側(cè)的方案注視點(diǎn)占比比較接近。中外研究表明,駕駛員行車(chē)過(guò)程中瞳孔面積變化率超過(guò)20%駕駛員就會(huì)緊張,超過(guò)40%駕駛員心理負(fù)荷過(guò)大極易發(fā)生危險(xiǎn)。因此,以瞳孔面積變化率20%作為表征駕駛?cè)笋{駛緊張程度和安全舒適性的閾值。綜合考慮兩個(gè)指標(biāo),標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的方案,注視點(diǎn)占比較高,對(duì)駕駛員的視覺(jué)誘導(dǎo)效果好,但是又未超過(guò)瞳孔面積變化率的閾值,因此為最佳方案?？紤]到經(jīng)濟(jì)性,將最佳方案設(shè)置不同的輝度值,分別為16、15、13、11、9、7、5、3、1沿高速公路鋪設(shè)300 m長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)被試者的表述是否看見(jiàn)標(biāo)線(xiàn),以期得到最低輝度值。針對(duì)標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的方案設(shè)置不同的輝度值,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后得知,當(dāng)輝度為3 cd/m2時(shí),為極限可視性,故為最經(jīng)濟(jì)方案。

表2 靜態(tài)仿真的瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 2 Variation in the pupil area in static simulation

(2)左轉(zhuǎn)路段:方法同上。間距為6、9 m,注視點(diǎn)占比相差不大,說(shuō)明間距對(duì)駕駛員視線(xiàn)誘導(dǎo)效果不明顯；隨著半徑的增大,注視點(diǎn)占比出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)半徑為400 m時(shí),只有標(biāo)線(xiàn)在外側(cè)且間距為9 m方案能滿(mǎn)足閾值。故選擇外側(cè)間距為9 m為最佳方案。

(3)右轉(zhuǎn)路段:方法同上,結(jié)論與左轉(zhuǎn)路段一致。

2)動(dòng)態(tài)仿真路段

由于左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)具有類(lèi)似的規(guī)律,所以曲線(xiàn)段場(chǎng)景以右轉(zhuǎn)為例,通過(guò)動(dòng)態(tài)直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景標(biāo)線(xiàn)的參數(shù)與靜態(tài)一致。實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 動(dòng)態(tài)仿真的注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 3 Dynamic simulation of the visual points

表4 動(dòng)態(tài)仿真的瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 4 Dynamic simulation of the pupil area change

直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的注視點(diǎn)占比是道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和,即40.30%,略高于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的是19.35%,但未超過(guò)安全閾值。當(dāng)處于彎道的時(shí)候,注視點(diǎn)占比和瞳孔面積變化率稍高于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)場(chǎng)景中,更容易產(chǎn)生緊張感。因此,最佳方案與靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)一致。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

經(jīng)過(guò)前述章節(jié)的研究,得到直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段高速公路熒光標(biāo)線(xiàn)視覺(jué)誘導(dǎo)的規(guī)律。將通過(guò)室外實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于路面狀況和交通條件均良好、全長(zhǎng)400 m、直線(xiàn)和曲線(xiàn)的路段,如圖7所示。標(biāo)線(xiàn)輝度為16 cd/m2,標(biāo)線(xiàn)100%寬度?？v坡選擇小于3%的緩坡段,實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為帝豪,采用SMI2.1眼鏡式眼動(dòng)儀,如圖8所示。選取不同年齡、不同駕齡的6名駕駛?cè)藶閷?shí)驗(yàn)對(duì)象。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)標(biāo)線(xiàn)施劃Fig.7 The field work of the line marking for verification

圖8 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集Fig.8 Field verification experiment and data collection

3.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析方法與仿真實(shí)驗(yàn)一致,在此不再贅述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 室外實(shí)驗(yàn)注視點(diǎn)占比數(shù)據(jù)Table 5 Proportion of visual points in outdoor experiments

表6 室外實(shí)驗(yàn)瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)Table 6 Pupil area changes in outdoor experiment

根據(jù)前述定義,注視點(diǎn)占比是道路左側(cè)、道路中間與道路右側(cè)的注視點(diǎn)占比之和,因此當(dāng)直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)寬度為100%時(shí),注視點(diǎn)占比是34.43%,低于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,因?yàn)樵诜抡鎴?chǎng)景搭建中,為了避免其他環(huán)境因素的干擾,采用單車(chē)自由流的模式,但是在實(shí)際場(chǎng)景中,駕駛員可關(guān)注的環(huán)境更復(fù)雜,注意力有所分散,所以注視點(diǎn)在道路路域范圍中變少。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的是20.16%,與瞳孔面積變化率的安全閾值基本持平綜上所述,直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的視覺(jué)誘導(dǎo)效果更好,與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

左轉(zhuǎn)段和右轉(zhuǎn)段的注視點(diǎn)占比分別是28.86%、29.60%,低于靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn),原因與直線(xiàn)段類(lèi)似。從駕駛員瞳孔面積變化率可知,左轉(zhuǎn)段和右轉(zhuǎn)段分別是19.20%、18.98%；略高于靜態(tài)仿真結(jié)果,同樣也高于動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果,但均低于瞳孔面積變化率的安全閾值,是因?yàn)榉抡嬉曨l的制作時(shí),簡(jiǎn)化了道路場(chǎng)景,但是真實(shí)的路域環(huán)境更加復(fù)雜,駕駛員需要不斷轉(zhuǎn)移視線(xiàn)和目標(biāo)物來(lái)保持安全駕駛和判斷,從而導(dǎo)致了眼動(dòng)指標(biāo)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的差異。

4 結(jié)論

在駕駛員視覺(jué)誘導(dǎo)靜態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)中,直線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)寬度為100%的方案是最佳方案,當(dāng)輝度值為3 cd/m2時(shí),為最經(jīng)濟(jì)方案。曲線(xiàn)段標(biāo)線(xiàn)施劃在外側(cè)且間距為9 m效果最佳。在動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)中,結(jié)論與前述實(shí)驗(yàn)一致。由于在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中,駕駛員的動(dòng)視力識(shí)別度低于靜視力,因此動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)高于靜態(tài)場(chǎng)景。仿真場(chǎng)景的最佳方案,同樣適用于實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)。由于真實(shí)的路域環(huán)境更加復(fù)雜,駕駛車(chē)速對(duì)駕駛員心理的影響,所以注視點(diǎn)占比低于仿真視頻的結(jié)果,但瞳孔面積變化率高于仿真視頻的結(jié)果。