標(biāo)志信息及駕駛時(shí)間影響駕駛員視覺特性分析

戚春華， 盧姍， 李航天

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

交通公安部門統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在各類交通事故致因中，由人為因素導(dǎo)致的事故占全部事故的概率占92.6%。其中在行車過程中，駕駛員因視覺受到影響而導(dǎo)致交通事故發(fā)生所占的比例很高。有研究表明，在駕駛車輛行進(jìn)過程中，駕駛員接收到的道路信息，有80%以上依靠視覺獲得，因此，視覺信息的獲取對(duì)駕駛員安全行車具有重要意義。內(nèi)蒙古地區(qū)城市分布較為分散，導(dǎo)致連接城市的草原公路具有不同于普通道路的特點(diǎn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，草原公路路側(cè)景觀單調(diào)，駕駛員動(dòng)態(tài)視線內(nèi)草原環(huán)境單調(diào)，且交通工程設(shè)施設(shè)置不完善，以長直線線形為主。直線長度占全部已建道路長度的比例近90%[1]。獨(dú)特的道路環(huán)境，導(dǎo)致駕駛員在行車過程中，視覺刺激少，易誘發(fā)分心駕駛，嚴(yán)重威脅行車安全[2]。

在交通人機(jī)交互研究領(lǐng)域，近年來中外學(xué)者針對(duì)駕駛員不同駕駛行為進(jìn)行研究，取得了一系列的成果。范東凱等[3]利用斷面雷達(dá)儀，采用測(cè)速法記錄駕駛員車速變化數(shù)據(jù)，研究了限速設(shè)施對(duì)駕駛員自由行駛狀態(tài)下的減速效果；裴玉龍等[4]基于駕駛員視覺特性，劃分標(biāo)志興趣區(qū)域并得出左側(cè)標(biāo)志區(qū)域視認(rèn)效果最佳；劉博華等[5]根據(jù)仿真試驗(yàn)下駕駛員視認(rèn)交通標(biāo)志的眼動(dòng)參數(shù)變化情況，提出高速公路指路標(biāo)志信息量閾值為5條；朱守林等[6]提出眼動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)回歸模型，探究了模擬駕駛中不同熟練程度駕駛員在草原公路不同信息量下眼動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律；朱夢(mèng)悅等[7]設(shè)計(jì)視線追蹤實(shí)驗(yàn)，采集駕駛?cè)嗽诰皡^(qū)道路視認(rèn)交通標(biāo)志的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了景區(qū)道路標(biāo)志視認(rèn)效率評(píng)價(jià)體系；Huang等[8]通過模擬駕駛研究了復(fù)雜示意圖標(biāo)志對(duì)駕駛員行駛過程中眼球視認(rèn)行為的影響；Wang等[9]通過研究高速公路上交通標(biāo)志對(duì)駕駛員注視行為的影響，分析其變化規(guī)律，為高速公路交通標(biāo)志設(shè)置提供科學(xué)建議；Babic等[10]通過分析不同駕駛員在視認(rèn)熟悉及不熟悉標(biāo)志信息時(shí)注視持續(xù)時(shí)間的變化規(guī)律，提出了交通標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)化的需求。

以上分析表明，中外針對(duì)道路交通安全研究方面，尤其是針對(duì)道路交通設(shè)施影響駕駛行為的研究方面，已經(jīng)取得了一系列成果，以往的研究主要集中于普通城市道路或高速公路等復(fù)雜道路環(huán)境下，駕駛員駕駛行為變化分析。針對(duì)簡(jiǎn)單路側(cè)環(huán)境下，尤其是草原公路簡(jiǎn)單線形下，還存在著出行距離過長，標(biāo)志信息設(shè)置間距不合理等問題，但針對(duì)草原公路上，交通標(biāo)志設(shè)施信息量影響駕駛員視認(rèn)行為的研究相對(duì)較少。在此情況下，基于前期研究，開展草原公路實(shí)際駕駛實(shí)驗(yàn)，利用眼動(dòng)設(shè)備，采集駕駛員行車過程中的眼球變化數(shù)據(jù)，提取其中敏感成分，分析在交通標(biāo)志設(shè)施信息量及重復(fù)駕駛共同作用影響下，駕駛員在草原公路行進(jìn)時(shí)視覺特性的變化情況，以期為深入研究草原公路交通標(biāo)志設(shè)施合理信息量及合理間距設(shè)置，保障駕駛員行車安全做出相應(yīng)理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 交通標(biāo)志設(shè)施信息量化

依據(jù)香農(nóng)信息傳遞理論，信息量計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：H(X)為某單一交通設(shè)施信息量，bits；X為交通工程設(shè)施事件；m為事件可能出現(xiàn)的狀態(tài)數(shù)量；Xi為事件呈現(xiàn)的第i種狀態(tài)；P(Xi)為第i種狀態(tài)出現(xiàn)的概率。

在此基礎(chǔ)上，李航天[11]采用層次分析的方法，對(duì)草原公路交通工程設(shè)施中存在的中文字符、阿拉伯?dāng)?shù)字、蒙文等9類信息元素進(jìn)行處理，元素賦權(quán)結(jié)果如表1所示，賦權(quán)后單個(gè)標(biāo)志設(shè)施信息量計(jì)算公式為

H(S)=e1H(X1)n1+e2H(X2)n2+…+eiH(Xi)ni

(2)

式(2)中：H(S)為某交通工程設(shè)施信息量，bits；ei為9類元素中某一元素的權(quán)重；H(Xi)為元素對(duì)應(yīng)基本信息量；ni為此單一交通設(shè)施中i類元素的數(shù)量。

表1 賦權(quán)后交通工程設(shè)施元素參考信息量與權(quán)重Table 1 Reference information quantity and weight of traffic engineering facility elements after weighting

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用德國眼動(dòng)追蹤公司SMI (SensoMotoric Instruments)生產(chǎn)的I view X HED型眼動(dòng)儀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集精確數(shù)據(jù)的需要，將采樣頻率預(yù)設(shè)為200 Hz/s。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2020年，全國小汽車數(shù)量約占全國機(jī)動(dòng)車數(shù)量的75.5%，因此實(shí)驗(yàn)選擇普通小轎車作為實(shí)驗(yàn)車輛，車輛檢查無故障且操作流暢，滿足實(shí)驗(yàn)要求,實(shí)驗(yàn)儀器及車輛如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)被試

大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，截至2020年，全國駕駛員男女比例約為2∶1?？紤]外出實(shí)驗(yàn)安全問題，最終選擇6名駕駛員作為研究被試，其中男性4名，女性2名。駕駛員健康狀況均良好，沒有眼部疾病或其他突發(fā)性疾病，擁有國家法定C1駕駛執(zhí)照，對(duì)路段均不熟悉。為了保證記錄數(shù)據(jù)的可靠性，要求參加實(shí)驗(yàn)的人員在實(shí)驗(yàn)期間保證充足睡眠、心生理狀態(tài)良好，不得飲用酒精、刺激性藥物或食品。實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置無關(guān)的電子設(shè)備為靜音或飛行模式，保持車內(nèi)安靜，禁止交談。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

選擇內(nèi)蒙古境內(nèi)省道S101賽罕塔拉-滿都拉圖段進(jìn)行駕駛實(shí)驗(yàn)，此路段全長145 km，日平均統(tǒng)計(jì)車流量較少，可以在保障安全行駛前提下，滿足實(shí)驗(yàn)長時(shí)程和駕駛安全的要求。該路段道路等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，雙向兩車道，是比較典型的草原公路設(shè)計(jì)。其中直線總長122.06 km，占路段總長的84.18%，具備實(shí)驗(yàn)必需的長直線道路環(huán)境，路段內(nèi)交通標(biāo)志設(shè)施設(shè)置較為完善，可為實(shí)驗(yàn)提供必需的道路信息環(huán)境。

為了減小陽光對(duì)駕駛員的影響，選擇天氣狀況良好的9月中旬連續(xù)6 d上午進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每位駕駛員在實(shí)驗(yàn)路段上重復(fù)進(jìn)行兩次駕駛實(shí)驗(yàn)，命名為駕駛第一、二階段。選取駕駛員交通工程設(shè)施視認(rèn)敏感指標(biāo)，其中指路標(biāo)志響應(yīng)更加明顯，因此選擇實(shí)驗(yàn)路段沿線道路承載信息更為集中的5類指路標(biāo)志作為研究對(duì)象，交通指路標(biāo)志選取結(jié)果如圖2所示，相應(yīng)的標(biāo)志信息量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖2 5類交通指路標(biāo)志統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Statistical results of category 5 traffic signs

在41～110 min駕駛時(shí)長過程中，駕駛員通過自身調(diào)節(jié)，疲勞會(huì)得到一定程度的緩解[12]。為避免駕駛員產(chǎn)生無法調(diào)節(jié)的疲勞感，在駕駛第一階段后，允許駕駛員停車休息而后進(jìn)行第二階段駕駛?cè)蝿?wù),全程記錄數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Experimental equipment

表2 5種指路標(biāo)志信息量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of information content of 5 types of guide signs

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 眼動(dòng)指標(biāo)選取

利用I view X HED型眼動(dòng)儀，實(shí)時(shí)記錄駕駛員的眼動(dòng)行為，并使用BeGaze軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)精確區(qū)分。利用SPSS軟件對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析及數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析，篩選得到掃視持續(xù)時(shí)間、掃視平均速度和注視持續(xù)時(shí)間3個(gè)敏感指標(biāo)，其中，駕駛員搜索道路信息的效率可用掃視持續(xù)時(shí)間指標(biāo)表征，掃視平均速度可以表示駕駛員行車時(shí)獲取道路信息的能力，注視持續(xù)時(shí)間可以表示駕駛員提取道路信息時(shí)的困難程度。

2.2 掃視持續(xù)時(shí)間變化分析

圖3 不同駕駛階段駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間變化分析Fig.3 Analysis of changes of average speed of drivers’ glance at different driving stages

對(duì)駕駛?cè)讨校{駛員視認(rèn)標(biāo)志信息的掃視持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)及擬合結(jié)果如圖3所示。圖3中，兩組數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)類似，在Z4高信息量下最大，Z1低信息量下最小，在相同道路信息刺激下，駕駛員兩次駕駛過程中的掃視持續(xù)時(shí)間規(guī)律一致，直接表現(xiàn)為隨標(biāo)志信息量增加而呈增長的態(tài)勢(shì)。而Z5信息量下，同樣是高信息量，數(shù)據(jù)卻呈下降趨勢(shì)，這主要是由于Z5信息量下，關(guān)于“滿都拉圖”的地點(diǎn)信息在Z3下提示過，加之草原公路線形簡(jiǎn)單、交叉口較少，這就導(dǎo)致駕駛員在面對(duì)Z5重復(fù)信息時(shí)，搜索目標(biāo)地點(diǎn)信息所花費(fèi)的時(shí)間減少，數(shù)據(jù)直接表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。

基于駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間的差異情況，利用多項(xiàng)式擬合方法，探究不同階段數(shù)據(jù)的擬合程度，結(jié)果如圖3所示。第一階段掃視持續(xù)時(shí)間擬合方程為y=-3.027x+3.374x2-0.484x3+36.577，數(shù)據(jù)擬合度為0.87；第二階段數(shù)據(jù)擬合方程為y=-3.250x+2.577x2-0.373x3+47.937，數(shù)據(jù)擬合度為0.72，由擬合度可見，第一階段數(shù)據(jù)擬合效果更好。除Z5信息量外，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示僅第一階段掃視持續(xù)時(shí)間與標(biāo)志信息量呈相關(guān)關(guān)系(p=0.002 34)，說明第一階段中，駕駛員對(duì)標(biāo)志信息的關(guān)注程度更高，掃視行為大部分由標(biāo)志信息誘發(fā)產(chǎn)生，而后進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，駕駛員對(duì)道路信息已有所了解，再次面對(duì)相同信息刺激，關(guān)注程度降低，無意識(shí)掃視行為增加，致使第二階段數(shù)據(jù)增加且相關(guān)關(guān)系減弱?；趫D3中不同階段數(shù)據(jù)的差異情況，對(duì)兩組掃視持續(xù)時(shí)間進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，分析結(jié)果為sig.<0.05(sig.=0.029)，說明不同階段掃視持續(xù)時(shí)間之間確存在明顯差異，在草原公路路側(cè)環(huán)境，道路信息量，等實(shí)驗(yàn)條件控制下，駕駛員的認(rèn)識(shí)行為產(chǎn)生了差異。

2.3 掃視平均速度變化分析

圖4 不同駕駛階段駕駛員掃視平均速度變化分析Fig.4 Analysis of changes of average speed of drivers’ glance at different driving stages

對(duì)不同階段駕駛員視認(rèn)標(biāo)志信息的掃視平均速度進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)及擬合結(jié)果如圖4所示，兩組數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)類似，都呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，變化最高點(diǎn)都在Z1處，最低點(diǎn)在Z4處，Z5處呈短暫上升趨勢(shì)。兩駕駛過程中，駕駛員的掃視平均速度變化規(guī)律一致，在Z1低信息量下，掃視平均速度表現(xiàn)為較高水平；Z4較高信息量下，掃視平均速度最小，代表在此高信息量下，駕駛員道路信息的搜索效率表現(xiàn)最低。與掃視持續(xù)時(shí)間變化情況類似，Z5信息量下，雖然信息量水平較高，但是數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與其他信息量下變化趨勢(shì)相反，說明Z5信息量下，重疊信息同樣會(huì)導(dǎo)致掃視平均速度增加。

兩個(gè)階段掃視平均速度變化情況存在明顯差異。同樣，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合嘗試，發(fā)現(xiàn)采用多項(xiàng)式擬合方法來擬合掃視平均速度效果較為合適。駕駛第一階段，掃視平均速度的擬合方程為y=114.67x-62.66x2+7.73x3+263.85，數(shù)據(jù)擬合度為0.91；在駕駛第二階段，數(shù)據(jù)擬合方程為y=-7.35x-9.18x2+1.62x3+400.81，數(shù)據(jù)擬合度為0.65，擬合程度差異較大，且同樣是第一階段數(shù)據(jù)擬合效果更好。參考數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示僅第一階段掃視平均速度與標(biāo)志信息量之間呈相關(guān)關(guān)系(p=0.009 35)。進(jìn)一步說明第一階段駕駛過程中，由于駕注意力更加集中，駕駛員行車時(shí)獲取道路信息的能力更強(qiáng)，而在經(jīng)過第一階段駕駛之后，駕駛員逐漸熟悉草原公路簡(jiǎn)單的道路環(huán)境，對(duì)標(biāo)志設(shè)施關(guān)注程度降低，無意識(shí)掃視行為增加，使得第二階段駕駛過程中，掃視平均速度數(shù)值偏高，且與標(biāo)志信息量不呈相關(guān)關(guān)系。基于駕駛員掃視平均速度的差異情況，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)探究數(shù)據(jù)差異程度，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，兩個(gè)階段的掃視平均速度差異明顯(sig.=0.005)，這主要是因?yàn)轳{駛第一階段過程中，道路環(huán)境的陌生感，使得駕駛員注意力較第二階段駕駛過程集中，掃視的視覺行為反應(yīng)更加明顯。第二階段是對(duì)道路標(biāo)志信息的重復(fù)辨認(rèn)，且由于駕駛時(shí)間的增加，使得駕駛員生心理疲勞加重，注意力逐漸分散，對(duì)標(biāo)志的關(guān)注程度降低，來回掃視行為增加，眼球轉(zhuǎn)動(dòng)速率大大提高，從而導(dǎo)致駕駛員兩個(gè)駕駛階段中，數(shù)據(jù)存在明顯差異。

2.4 注視持續(xù)時(shí)間變化分析

對(duì)駕駛員駕駛?cè)^程中，因受到標(biāo)志信息刺激而產(chǎn)生的注視持續(xù)時(shí)間差異進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)及擬合結(jié)果如圖5所示。兩組注視持續(xù)時(shí)間都呈浮動(dòng)上升趨勢(shì)，變化最低點(diǎn)在Z1處，最高點(diǎn)在Z4處，在Z5處呈下降趨勢(shì)。一般情況下，駕駛員的注視持續(xù)時(shí)間數(shù)值越高，行駛過程中所要處理的道路信息也就越冗雜，而獲得的道路行進(jìn)信息也更多。而Z5信息量下，注視持續(xù)時(shí)間呈下降趨勢(shì)，這種特殊變化趨勢(shì)，是因?yàn)閆5信息下道路重復(fù)信息的設(shè)置，導(dǎo)致駕駛員在面對(duì)Z5時(shí)，道路信息獲取效率大大提升，致使Z5信息水平下，注視持續(xù)時(shí)間不增反降。

圖5 不同駕駛階段駕駛員注視持續(xù)時(shí)間變化分析Fig.5 Analysis chart of driver’s gaze duration in different driving stages

同樣對(duì)兩個(gè)階段的注視持續(xù)時(shí)間進(jìn)行擬合嘗試，最終擬合結(jié)果為多項(xiàng)式擬合效果較好，擬合曲線如圖5所示。第一階段注視持續(xù)時(shí)間擬合方程為y=-19.45x+16.79x2-2.23x3+267.24，數(shù)據(jù)擬合度為0.92；第二階段數(shù)據(jù)擬合方程為y=-16.75x+13.21x2-1.86x3+248.33，數(shù)據(jù)擬合度為0.81，第一階段數(shù)據(jù)擬合效果明顯較好。除Z5之外，對(duì)兩組數(shù)據(jù)與標(biāo)志信息量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示僅第一階段指標(biāo)數(shù)據(jù)與指路標(biāo)志的信息量之間存在相關(guān)關(guān)系(p=0.046 77)。說明在第一階段下，駕駛員對(duì)標(biāo)志信息關(guān)注程度更高，注視行為更加集中。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)差異明顯(p=0.020)，這是因?yàn)榈谝浑A段駕駛員注意力更加集中，對(duì)標(biāo)志信息反應(yīng)更加敏感準(zhǔn)確，在進(jìn)行信息重復(fù)視認(rèn)的第二階段時(shí)，駕駛員對(duì)道路信息關(guān)注程度降低，致使兩組數(shù)據(jù)差異明顯。

3 結(jié)論

通過分析在兩個(gè)駕駛階段過程中，5種不同信息量下，駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間，掃視平均速度及注視持續(xù)時(shí)間變化規(guī)律得出以下結(jié)論。

(1)在兩個(gè)駕駛階段過程中，隨著目標(biāo)指路標(biāo)志信息水平的增長，駕駛員掃視持續(xù)時(shí)間和注視持續(xù)時(shí)間整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，掃視平均速度呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，而在Z5高信息量水平下，變化趨勢(shì)相反。變化主要原因是Z5下道路重復(fù)信息的設(shè)置，這致使駕駛員在面對(duì)Z5高信息量時(shí)，搜索目標(biāo)信息時(shí)間減少，效率提高，呈現(xiàn)出與Z4信息量下不同的變化趨勢(shì)[13]。

(2)通過對(duì)兩個(gè)駕駛階段數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和相關(guān)性檢驗(yàn)，得出第一階段數(shù)據(jù)擬合程度更好，相關(guān)程度更高。駕駛第一階段中，駕駛員不熟悉實(shí)驗(yàn)路段，對(duì)草原公路保有興奮感，由道路標(biāo)志設(shè)施吸引產(chǎn)生的視認(rèn)行為更加準(zhǔn)確。第二階段駕駛過程中，駕駛員對(duì)草原公路景觀環(huán)境及相關(guān)標(biāo)志信息有一定程度的了解，再次在相同路段上發(fā)生重復(fù)駕駛行為，駕駛員對(duì)標(biāo)志設(shè)施的關(guān)注程度降低，無意識(shí)掃視、注視眼動(dòng)行為增加，致使第二階段駕駛過程中駕駛員的眼動(dòng)數(shù)據(jù)與標(biāo)志信息時(shí)間相關(guān)關(guān)系減弱。

(3)利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，探究指數(shù)數(shù)據(jù)差異性可知，組內(nèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)之間差異明顯。在兩個(gè)階段駕駛過程中，對(duì)草原公路路側(cè)環(huán)境、路側(cè)標(biāo)志信息量、駕駛疲勞感等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行控制，駕駛員的掃視行為和注視行為數(shù)據(jù)之間存在明顯差異，說明兩個(gè)階段駕駛過程中駕駛員的認(rèn)知行為產(chǎn)生了差異，進(jìn)一步說明駕駛時(shí)間及標(biāo)志重復(fù)信息確會(huì)對(duì)駕駛員的視認(rèn)行為產(chǎn)生影響。