常見駕駛行為下駕駛人注意力分配特征

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(1. 齊魯交通發展集團有限公司， 山東 濟南 250102； 2. 齊魯交通發展集團有限公司青臨分公司， 山東 濰坊 262517；3. 山東交通學院 a.濟南北方交通工程咨詢監理有限公司，b.交通與物流工程學院, 山東 濟南 250023； 4. 吉林大學 交通學院， 吉林 長春 130025)

駕駛人是“人-車-路”閉環系統中的信息接收者和指令發出者，是保障車輛安全運行的關鍵。研究發現，80%以上的交通信息是駕駛人通過視覺獲得的，且視覺信息的加工、處理是駕駛人對車輛做出操縱的重要依據[1]，因此，駕駛人視覺特性研究得到了廣泛關注。

長期以來，學者們對駕駛人視覺特性的研究主要集中在注視區域劃分[2-3]、駕駛中的眼動機理[4-6]、駕駛人疲勞狀態表征[7]等多個方面，研究重點多集中于駕駛人對環境信息的關注程度或關注范圍，而很少將注視點所表征的關注程度和視線角度所表征的搜索范圍結合起來。在實際駕駛過程中，關注程度與搜索范圍是不可分割的，注意力集中并不表明駕駛人在執行駕駛任務時擁有良好的視覺特征，如果搜索范圍不足，將導致駕駛人無法獲得全局的交通信息。如果駕駛人搜索范圍足夠大，但其對關鍵區域的關注程度不夠，也將導致駕駛人丟失重要的交通信息。

本文中借助注視時間表征駕駛人對交通信息的關注程度， 使用視線角度表征駕駛人對環境信息的搜索范圍， 結合區域關注時間和全局搜索范圍分析不同駕駛行為下駕駛人注意力的分配特征， 并且探究來自不同方向的交通流對駕駛人注意力分配的影響。

1 試驗設計

1.1 駕駛行為設計

為了考察不同駕駛行為下的駕駛人注意力分配特征，試驗中設計右轉向行為和左轉向行為，如表1所示。

表1 常見駕駛行為

道路曲率的不同會使駕駛人對方向盤的轉動程度、對道路線形的關注程度以及注意力的分配等產生較大差異，因此，以不設過大的圓曲線最小半徑為閾值，將轉彎細分為緩彎行駛和轉彎2種。

1.2 交通流設計

駕駛過程中，周圍交通流會對駕駛人行為產生較大影響。為了分析來自不同方向的交通流對駕駛人注意力分配的影響，設計了自由流、左側有車、右側有車、前方有車共4種交通流狀態下的駕駛試驗。干擾交通流的車間時距設置為10 s，以保證干擾交通流近乎為自由流。

1.3 試驗設備

試驗在駕駛模擬器環境下進行，以便于控制交通流變量以及相同條件下的試驗重復進行。所選用的駕駛模擬器具有8個方向的運動自由度，能夠根據車輛動態響應提供橫擺、俯仰、側傾、縱向加減速以及垂向振動信息。此外，駕駛模擬器還可以給駕駛人提供水平360°和垂直約40°的交通環境信息。

1.4 駕駛人選擇

模擬器試驗共招募了17位駕駛人，其相關信息如表2所示。

表2 駕駛人信息

1.5 試驗路線設計

為了滿足試驗需要， 在模擬器中設計總路程約40 km， 包含直行，左轉，右轉，連續左、右轉等81個路段的往復式試驗路線。試驗道路為雙向四車道，車道寬度為3.5 m，路肩寬度為1.5 m。道路邊側設置限速標志，駕駛人駕駛車輛以期望速度行駛，但是要滿足限速要求。

以接觸時間為交通流觸發條件，當車輛到達指定路段點的時間等于設定時間時，特定方向的交通流出現。試驗開始前，駕駛人首先進行一次預試驗，以消除緊張和不確定因素對駕駛人注視行為的影響。正式試驗開始時，駕駛人按試驗規定執行駕駛任務。試驗過程中采集駕駛人眼動數據和車輛運行狀態數據。

駕駛人眼動數據包括眼球位置、視線角度、瞳孔直徑、數據有效性、記錄時間等。車輛運行狀態數據包括行車速度、加速度、車身姿態(橫擺、側傾、俯仰)、行駛路線、記錄時間等。

2 注視區域劃分及注視時間求解

試驗過程中利用定焦距攝像頭采集車輛運行前方的場景信息。由于場景攝像頭的拍攝角度有限，因此試驗時需要將其安裝在合適位置，以保證攝像頭能夠采集到駕駛人所關注的絕大部分區域。

理論分析可知，駕駛人正視前方時，可被其準確感知的視覺區域為水平10°、垂直10°。為了驗證該范圍的準確性，令駕駛人保持日常駕駛坐姿并正視前方，利用9點標注法劃定駕駛人所能準確感知的范圍，并借助駕駛人與投影屏幕之間的距離求得正視范圍，如圖1所示。

圖1 駕駛人前視范圍標定

根據圖1，駕駛人在水平和垂直方向的正視角度ah、av分別為

(1)

式中：Dh、Dv分別為水平和垂直方向的邊界點到中心點的距離；D為駕駛人與投影屏幕之間的距離。

綜合理論分析和試驗測量，對前方場景進行區域劃分，如圖2所示。

圖2 車輛前方場景劃分

車輛前方場景被劃分正中心、正上方、正下方、正右方、右上方、右下方、正左方、左上方、左下方共9個區域。這9個區域是從駕駛人的角度進行劃分的，其表示駕駛人正視前方、正視遠處、正視近處、注視右方、注視右方遠處、注視右方近處、注視左方、注視左方遠處、注視左方近處。

根據注視區域的劃分結果，分別統計17位駕駛人在相同路段、相同交通流條件下，各個區域的注視時間占該路段全部注視時間的比例；以17位駕駛人注視時間分布的平均值表示指定路段和交通流條件下和一般駕駛人的注視時間分布。

3 駕駛人視覺信息搜索范圍求解

為了獲得駕駛人的視覺信息搜索范圍，統計17位駕駛人在相同路段、相同交通流條件下，注視點在場景圖像上的分布情況，如圖3所示。據此可以獲得指定路段和交通流條件下的駕駛注視點在上、下、左、右4個方向上的邊界，如圖3所示。

圖3 駕駛人信息搜索范圍

根據圖3即可計算獲得駕駛人的視覺信息搜索范圍，其可表示為

(2)

式中:ahl、ahr、avu、avd、分別為駕駛人注視區域左側和右側的水平角度以及注視區域上部和下部的垂直角度；Dhl、Dhr、Dvu、Dvd分別為注視點包絡區域的左邊界、 右邊界、 上邊界及下邊界與屏幕中心點的距離。

4 駕駛人注意力分配特征研究

利用自由流條件下的駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍，探討不同駕駛行為下的駕駛人注意力分配特征。

4.1 左轉向行為

緩左行駛、左轉彎以及左換道時的駕駛人注意力分配如圖4所示，分別顯示了駕駛人對各個區域的注視時間占路段全部注視時間的比例和駕駛人對遠處、近處、左側、右側信息的搜索范圍，圖中單位長度代表1°。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖4 左轉向時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

根據圖4，總結不同左轉向行為下駕駛人注意力分配如表3所示。從表中數據可以看出，與緩左行駛時駕駛人注意力分配相比，左轉彎及左換道時，駕駛人對左側區域的注視時間增加，信息搜索范圍上左側、右側、遠處和近處搜索范圍都有增加。

表3 左轉向時駕駛人注意力分配

4.2 右轉向行為

緩右行駛、右轉彎和右換道行為下的駕駛人注意力分配如圖5所示。

根據圖5， 總結不同右轉向行為下駕駛人注意力分配如表4所示。 由表可知， 與緩右行駛時的駕駛人注意力分配相比， 右轉彎及右換道時， 駕駛人對右側區域的注視時間較長； 信息搜索范圍上左側和遠處的搜索范圍減小， 而右側和近處搜索范圍增加。

5 交通流對駕駛人注意力分配的影響

5.1 左轉向行為

5.1.1 緩左行駛

緩左行駛時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖6所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖5 右轉向時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

表4 右轉向時駕駛人注意力分配

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖6 緩左行駛時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

根據圖6，總結緩左行駛時，不同方向交通流影響下的駕駛人注意力分配如表5所示。

表5 交通流影響下緩左行駛時駕駛人注意力分配

緩左行駛時，交通流出現對駕駛人注意力分配的影響不大。此時，駕駛人信息搜索范圍較小，且其對正中心以外的各個區域的注視時間分配較為均衡。自由流環境下，駕駛人搜索范圍很小，且偏左側和近處區域；除正中心外，駕駛人對其他區域的關注較為均衡。左側交通流出現后，駕駛人正視前方，且擴大了對遠處信息的搜索。右側交通流對駕駛人注意力分配的影響與左側交通流相同。前方車輛的出現使得駕駛人更加關注偏左側、遠處信息。

5.1.2 左轉彎

左轉彎時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖7所示，總結左轉向時不同方向交通流影響下的駕駛人注意力分配如表6所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖7 左轉彎時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

表6 交通流影響下左轉彎時駕駛人注意力分配

左轉彎時，在自由流環境下，駕駛人注意力集中在正中心和正左方，視覺搜索范圍大，且偏向左側、近處。左側交通流出現后，駕駛人對正中心的注視時間延長、對正左方的注視時間縮短；信息搜索范圍縮小，尤其對遠處信息的搜索范圍大幅縮小。右側交通流出現后，駕駛人對正中心的注視時間顯著增加；信息搜索范圍在水平方向上擴展而在垂直方向上壓縮，此時縱向上的搜索范圍很窄。前方交通流出現后，駕駛人同樣增加了對正中心的注視時間，而在搜索范圍上則減少了對左側和遠處信息的搜索。

5.1.3 左換道

左換道時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖8所示，總結左換道時不同方向交通流影響下駕駛人注意力分配如表7所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖8 左換道時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

表7 交通流影響下左換道時駕駛人注意力分配

左換道時，在自由流環境下，駕駛人注意力集中在正中心和正左方，信息搜索范圍較大。左側交通流出現后，駕駛人對正中心的注視時間延長，對左側信息的搜索范圍縮小，對近處信息的搜索范圍擴大。右側交通流出現后，駕駛人近乎正視前方，對近處信息的搜索范圍所有擴大。前方車輛對駕駛人注意力分配的影響與右側車輛的影響基本相同。

5.2 右轉向行為

5.2.1 緩右行駛

緩右行駛時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖9所示，總結緩右行駛時來自不同方向的交通流對駕駛人注意力分配的影響如表8所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖9 緩右行駛時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

車輛緩右行駛時，在自由流環境下，駕駛人注意力集中在正中心；視覺信息搜索范圍較大，對遠處信息的搜索角度比近處更大。左側交通流出現后，駕駛人注意力向正中心的左半部分偏移；視覺信息搜索范圍縮小，沿縱向的信息搜索顯著向近處轉移。右側交通流出現后，駕駛人注意力集中在正中心；視覺信息的搜索范圍略有增加。同樣的，近處信息的搜索范圍增加，遠處信息的搜索范圍縮小。前方車輛出現后，駕駛人注意力集中在正中心、略偏左的區域；信息的搜索范圍大幅度縮小，且更偏向于搜索近處區域。

表8 交通流影響下緩右行駛時駕駛人注意力分配

5.2.2 右轉彎

右轉彎時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖10所示，總結右轉彎時不同方向交通流影響下駕駛人注意力分配如表9所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖10 右轉彎時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

右轉彎時，周圍交通流對駕駛人注意力分配的影響較小。無論是注視時間分布還是視覺信息搜索范圍，交通流出現與自由流環境下相比，差異都較小。交通流出現后，駕駛人雖然擴大了對右側信息的搜索范圍，但是正右方的注視時間卻有所減少，正中心區域的關注時間有所增加。

表9 交通流影響下右轉彎時駕駛人注意力分配

5.2.3 右換道

右換道時，不同交通流條件下的駕駛人注意力分配如圖11所示，總結右換道時不同方向交通流影響下的駕駛人注意力分配如表10所示。

(a)注視時間分布

(b)視覺信息搜索范圍圖11 右換道時駕駛人注視時間分布和視覺信息搜索范圍

表10 交通流影響下右換道時駕駛人注意力分配

右換道時，在自由流環境下，駕駛人注意力集中在正前方和正右方；信息搜索范圍較小且偏向右側和近處區域。左側交通流出現后，駕駛人對正中心的注視時間延長，而對正右方的關注時間大幅縮短；視覺信息的搜索范圍大幅擴大，對左側、遠處和近處的搜索范圍都有所增加。右側交通流出現后，駕駛人對正右方的注視時間略有減少，但信息搜索范圍有所擴大，此時，駕駛人在縱向的信息搜索向遠處移動。前方車輛的出現使得駕駛人對正中心的注視時間大幅延長，且對近處信息的搜索范圍擴大。

6 結論

本文中利用駕駛模擬器試驗，以注視時間分布和視覺信息搜索范圍為表征指標，探究了不同駕駛行為下駕駛人注意力分配特征以及來自不同方向的交通流對駕駛人注意力分配的影響，得到了如下結論：

1)駕駛人對前方正中心總是給予足夠多的關注。

2)自由流條件下，車輛沿曲率較大的彎道行駛或者換道時，駕駛人對正中心的關注下降，而對轉向一側的關注增加；同時，駕駛人沿縱向的搜索范圍由遠處向近處轉移。

3)車輛沿曲率緩和的道路行駛時，周圍交通流的出現對駕駛人注意力分配的影響較小。

4)車輛轉彎或換道時，周圍交通流的出現會對駕駛人的注意力分配產生較大影響。交通流出現后，駕駛人擴大了對交通流出現一側的信息搜索范圍，縱向上的視覺關注區域由遠處向近處轉移。與此同時，駕駛人增加了對正中心的關注時間，而減少了對轉向一側的關注時間。