高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)駕駛員注視轉(zhuǎn)移特性研究

高建平，謝義昌，劉圓圓，安文娟

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

0 引 言

機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全駕駛高度依賴(lài)視覺(jué)信息的有效獲取[1]。車(chē)輛由普通路段駛?cè)腽B(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)過(guò)程中，通行車(chē)道減少，車(chē)流行駛狀態(tài)發(fā)生改變，道路信息量增加，導(dǎo)致駕駛員視覺(jué)行為工作負(fù)荷強(qiáng)度大幅提高。

學(xué)界對(duì)駕駛員視覺(jué)特性開(kāi)展了大量的研究工作。注視行為分析方法方面，劉志強(qiáng)等[2]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Dempster-Shafer證據(jù)推理融合決策技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同駕駛注視行為模式的判別；袁偉等[3]對(duì)注視點(diǎn)解析坐標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)，并運(yùn)用馬爾可夫鏈理論分析了駕駛員視覺(jué)轉(zhuǎn)移特征。注視行為分析應(yīng)用方面，徐慧智等[4]在信息滿(mǎn)意度基礎(chǔ)上構(gòu)建了駕駛員車(chē)道變換視點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移模型；郭應(yīng)時(shí)等[5]以注視轉(zhuǎn)移模式表征參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了駕駛熟練程度計(jì)算方法。亦有學(xué)者就行車(chē)環(huán)境對(duì)注視行為影響方面進(jìn)行了研究，G.UNDERWOOD等[6]研究了鄉(xiāng)村、市郊和城市道路行車(chē)環(huán)境對(duì)不同熟練程度駕駛員注視順序產(chǎn)生的影響；L.ITTI等[7]建立了不同視覺(jué)環(huán)境下的駕駛員注視點(diǎn)預(yù)測(cè)模型。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中于普通路段駕駛員注視點(diǎn)分布特征和轉(zhuǎn)移規(guī)律，未考慮上游過(guò)渡區(qū)養(yǎng)護(hù)作業(yè)行車(chē)環(huán)境對(duì)駕駛員注視行為的影響。基于此，筆者以3名駕駛員為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，利用眼動(dòng)儀分別記錄了普通路段和養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)車(chē)輛行駛過(guò)程中駕駛員眼動(dòng)參數(shù)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法和馬爾可夫鏈理論分析了駕駛員注視行為，對(duì)比高速公路普通路段駕駛員眼動(dòng)變化規(guī)律，重點(diǎn)研究了駕駛員在養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)注視行為變化特性，為高速公路養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)交通安全設(shè)施布設(shè)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

1.1 試驗(yàn)路段選取

筆者選取G5013渝蓉高速公路重慶段普通路段和養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)作為試驗(yàn)路段，普通路段為雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，養(yǎng)護(hù)作業(yè)區(qū)交通組織方式為封閉內(nèi)側(cè)道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試作業(yè)區(qū)布置對(duì)駕駛員注視轉(zhuǎn)移的影響。

1.2 試驗(yàn)儀器與被試人員

試驗(yàn)采用Smart Eye Pro5.7型非侵入式眼動(dòng)儀，攝像頭布設(shè)于車(chē)輛儀表臺(tái)上表面，能對(duì)駕駛員的頭部姿態(tài)和方向、眼動(dòng)變化、眼皮閉合以及行車(chē)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，具有對(duì)駕駛員干擾小、精度高、占用空間小和最大程度抵消外部照明影響等優(yōu)點(diǎn)。

試驗(yàn)以3名駕駛員為眼動(dòng)數(shù)據(jù)采集對(duì)象，要求被試駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富且無(wú)重大交通事故經(jīng)歷。為保證駕駛員按正常的駕駛習(xí)慣行駛，事先避免告知駕駛員試驗(yàn)?zāi)康暮偷缆窏l件。

1.3 數(shù)據(jù)采集指標(biāo)測(cè)定

注視點(diǎn)分布特征反映了駕駛員注意力分布水平以及行車(chē)需求。筆者利用眼動(dòng)儀分別采集3名被試駕駛員經(jīng)過(guò)普通路段和上游過(guò)渡區(qū)時(shí)的注視點(diǎn)坐標(biāo)，并記錄行車(chē)過(guò)程中的交通環(huán)境。

2 注視區(qū)域劃分

2.1 注視區(qū)域劃分方法

駕駛員注視轉(zhuǎn)移模式研究過(guò)程中，須利用注視點(diǎn)解析坐標(biāo)將駕駛員視野劃分為若干注視區(qū)域。目前，相關(guān)學(xué)者常用注視區(qū)域劃分方法其優(yōu)缺點(diǎn)[8-14]，如表1。

表1 注視區(qū)域劃分常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 基于K均值動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法的注視區(qū)域劃分

通過(guò)分析注視區(qū)域劃分常用方法，筆者采用K均值動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法[12]對(duì)注視點(diǎn)在視野平面上的位置解析坐標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類(lèi)，并劃分注視區(qū)域。

對(duì)比分析聚類(lèi)為5、6、7、8類(lèi)這4種區(qū)域劃分結(jié)果，筆者認(rèn)為聚類(lèi)為6類(lèi)時(shí)符合駕駛員行車(chē)過(guò)程中的視覺(jué)搜索特性。圖1為將駕駛員注視點(diǎn)分為6類(lèi)結(jié)果，結(jié)合駕駛員行車(chē)過(guò)程中視野范圍內(nèi)主要注視目標(biāo)物分布特征，對(duì)6類(lèi)注視區(qū)域輪廓進(jìn)行描畫(huà)，如圖2。

駕駛員視野范圍內(nèi)，各注視區(qū)域目標(biāo)物不同，導(dǎo)致駕駛員注視點(diǎn)分布發(fā)生變化。通過(guò)逐幀分析試驗(yàn)錄像，各區(qū)域注視點(diǎn)主要目標(biāo)分析如表2。

圖1 駕駛員注視點(diǎn)位置聚類(lèi)結(jié)果

圖2 K均值動(dòng)態(tài)聚類(lèi)結(jié)果

代碼名 稱(chēng)主要目標(biāo)1左側(cè)近處左后視鏡、左側(cè)行車(chē)道、車(chē)輛、中央分隔帶2右側(cè)近處右后視鏡、右側(cè)行車(chē)道、車(chē)輛3駕駛室內(nèi)車(chē)內(nèi)儀表盤(pán)、方向盤(pán)4右側(cè)遠(yuǎn)處右側(cè)景觀、交通標(biāo)志、車(chē)道、車(chē)輛5前方視野前方道路、車(chē)輛、中央后視鏡6左側(cè)遠(yuǎn)處左側(cè)景觀、左側(cè)車(chē)道(上游過(guò)渡區(qū)含交通錐、交通標(biāo)志)

3 駕駛員注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移模式分析

馬爾可夫鏈?zhǔn)且环N離散事件的隨機(jī)過(guò)程，具有無(wú)后效性特點(diǎn)[13]。駕駛員在注視行為過(guò)程中，下一時(shí)刻注視點(diǎn)落于哪一注視區(qū)域只受當(dāng)前注視點(diǎn)位置影響，而與之前注視狀態(tài)獨(dú)立。因此，可利用馬爾可夫鏈模型分析駕駛員在普通路段和養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)過(guò)程中注視轉(zhuǎn)移模式變化規(guī)律。

3.1 注視行為轉(zhuǎn)移概率

馬爾可夫鏈在n時(shí)刻的k步轉(zhuǎn)移概率如式(1)：

P{X(n+k)=j|X(n)=i},k≥1

(1)

式(1)表示n時(shí)刻系統(tǒng)由狀態(tài)i經(jīng)k個(gè)單位時(shí)間轉(zhuǎn)移至狀態(tài)j的概率，記為Pij(k)。

注視狀態(tài)k步轉(zhuǎn)移概率矩陣如式(2)：

(2)

(3)

3.1.1 注視行為一步轉(zhuǎn)移概率

注視行為一步轉(zhuǎn)移概率表示駕駛員連續(xù)兩次注視之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。分別統(tǒng)計(jì)相鄰兩次注視點(diǎn)在不同注視區(qū)域之間的轉(zhuǎn)移頻數(shù)，計(jì)算一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，表3、4分別為普通路段和上游過(guò)渡區(qū)駕駛員注視行為一步轉(zhuǎn)移概率。

表3 普通路段注視行為一步轉(zhuǎn)移概率

表4 上游過(guò)渡區(qū)注視行為一步轉(zhuǎn)移概率

由注視行為一步轉(zhuǎn)移概率可知，駕駛員在普通路段和上游過(guò)渡區(qū)注視轉(zhuǎn)移規(guī)律主要表現(xiàn)為：

1)普通路段對(duì)角線一步轉(zhuǎn)移概率均值為0.446 8(標(biāo)準(zhǔn)差為0.138 1)；而上游過(guò)渡區(qū)對(duì)角線一步轉(zhuǎn)移概率均值為0.582 8(標(biāo)準(zhǔn)差為0.082 5)。這說(shuō)明與普通路段相比，上游過(guò)渡區(qū)內(nèi)各注視區(qū)域主要目標(biāo)物重復(fù)注視概率增加，注視區(qū)域之間的注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移概率減小，駕駛員需重復(fù)視認(rèn)注視區(qū)域內(nèi)主要目標(biāo)物。因此，為減少駕駛員視覺(jué)負(fù)荷，不同標(biāo)志設(shè)置間距不宜過(guò)小，含有重要信息的交通建議應(yīng)重復(fù)設(shè)置，以避免駕駛員來(lái)不及視認(rèn)標(biāo)志而錯(cuò)過(guò)重要信息。

2)在普通路段和上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)過(guò)程中，駕駛員注視點(diǎn)由其它注視區(qū)域轉(zhuǎn)至前方視野的概率平均值分別為0.256 0、0.238 6，明顯大于其他區(qū)域一步轉(zhuǎn)移概率平均值。這表明駕駛員在注視轉(zhuǎn)移過(guò)程中，注視點(diǎn)以前方視野為中心在各注視區(qū)域之間轉(zhuǎn)移，前方視野有注視點(diǎn)回歸趨勢(shì)。

3)注視點(diǎn)在左、右側(cè)近處，左側(cè)遠(yuǎn)處與駕駛室內(nèi)，右側(cè)遠(yuǎn)處與駕駛室內(nèi)等非相鄰注視區(qū)域之間的轉(zhuǎn)移概率均較小。這表明注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移過(guò)程中具有區(qū)域連續(xù)性。

4)在上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)過(guò)程中，當(dāng)前注視點(diǎn)在左側(cè)遠(yuǎn)處時(shí)，下一注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移到右側(cè)遠(yuǎn)處和前方視野的概率明顯高于其他區(qū)域。這說(shuō)明駕駛員在觀察左側(cè)車(chē)道養(yǎng)護(hù)作業(yè)交通安全設(shè)施時(shí)，還需關(guān)注前方車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)及道路右側(cè)車(chē)輛和交通標(biāo)志。因此，行車(chē)道左、右兩側(cè)交通標(biāo)志配合設(shè)置，能保證標(biāo)志信息連貫性，可有效提高上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)安全。

3.1.2 注視行為兩步轉(zhuǎn)移回視概率

定義注視行為兩步轉(zhuǎn)移回視概率為注視點(diǎn)由i區(qū)域出發(fā)，經(jīng)其他區(qū)域后又回到i區(qū)域的概率，反映了連續(xù)3次注視行為之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。依據(jù)馬爾可夫鏈理論，得到普通路段和上游過(guò)渡區(qū)不同注視區(qū)域間注視行為兩步轉(zhuǎn)移回視概率，如表5。

表5 注視行為兩步轉(zhuǎn)移回視概率

由表5可知：無(wú)論是普通路段還是上游過(guò)渡區(qū)，前方視野回視概率最高，而上游過(guò)渡區(qū)前方視野回視概率低于普通路段，但左右兩側(cè)遠(yuǎn)處回視概率較大，其中左側(cè)遠(yuǎn)處回視概率增加一倍。這是因?yàn)榕c普通路段相比，上游過(guò)渡區(qū)左側(cè)車(chē)道封閉，駕駛員需要不斷關(guān)注左側(cè)車(chē)道交通錐布設(shè)狀況以及交通標(biāo)志表達(dá)的限速和施工信息，同時(shí)也要注意右側(cè)車(chē)輛行駛狀況，以便調(diào)整駕駛車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 注視行為平穩(wěn)分布

根據(jù)馬爾可夫鏈的遍歷性[13]說(shuō)明，對(duì)某一注視區(qū)域j，駕駛員注視點(diǎn)從初始注視區(qū)域i出發(fā)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)移后，落在注視區(qū)域j的概率趨近于πj，此時(shí)系統(tǒng)處于馬爾可夫鏈的平穩(wěn)分布狀態(tài)。根據(jù)注視行為一步轉(zhuǎn)移概率計(jì)算結(jié)果及馬爾可夫鏈平穩(wěn)分布定義，分別求解普通路段和上游過(guò)渡區(qū)駕駛員注視行為平穩(wěn)分布特征，如表6。

表6 駕駛員注視轉(zhuǎn)移平穩(wěn)分布

駕駛員注視轉(zhuǎn)移平穩(wěn)分布特征表明：

1)在普通路段和上游過(guò)渡區(qū)注視點(diǎn)落在中央?yún)^(qū)域(前方視野、左側(cè)遠(yuǎn)處和右側(cè)遠(yuǎn)處)概率分別為74.58%和83.37%，且駕駛員經(jīng)過(guò)上游過(guò)渡區(qū)時(shí)注視點(diǎn)落在中央?yún)^(qū)域的概率更高，表明行車(chē)過(guò)程中中央?yún)^(qū)域是駕駛員獲取路況信息的主要區(qū)域，上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)過(guò)程中駕駛員對(duì)中央?yún)^(qū)域信息依賴(lài)程度更高。為提高上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)安全，應(yīng)保證中央?yún)^(qū)域交通安全設(shè)施具有良好的視認(rèn)效果。

2)普通路段和上游過(guò)渡區(qū)駕駛員前方視野注視轉(zhuǎn)移平穩(wěn)概率基本保持一致，但上游過(guò)渡區(qū)左右兩側(cè)遠(yuǎn)處注視轉(zhuǎn)移平穩(wěn)概率增加，且左側(cè)遠(yuǎn)處增幅明顯。這說(shuō)明上游過(guò)渡區(qū)行車(chē)過(guò)程中，駕駛員除了重點(diǎn)關(guān)注前方視野外，還需將更多注意力分配于左右兩側(cè)遠(yuǎn)處，這是因?yàn)樽髠?cè)車(chē)道封閉，駕駛員需要多次注視交通錐等交通安全設(shè)施以獲取足夠的車(chē)道渠化與行車(chē)要求等信息，同時(shí)需要注意右側(cè)車(chē)輛行駛狀態(tài)，防止因車(chē)道數(shù)減少，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)其他車(chē)輛突然匯入試驗(yàn)車(chē)行駛車(chē)道而造成的碰撞事故。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析高速公路普通路段和養(yǎng)護(hù)作業(yè)上游過(guò)渡區(qū)駕駛員注視轉(zhuǎn)移特性，得到以下結(jié)論：

1)利用K均值動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法并結(jié)合駕駛員視覺(jué)搜索特性，將駕駛員注視區(qū)域劃分為左側(cè)近處、右側(cè)近處、駕駛室內(nèi)、右側(cè)遠(yuǎn)處、前方視野和左側(cè)遠(yuǎn)處等6個(gè)區(qū)域；

2)前方視野、左側(cè)遠(yuǎn)處和右側(cè)遠(yuǎn)處是駕駛員獲取道路信息的主要區(qū)域，注視概率累計(jì)達(dá)70%以上，駕駛員在注視轉(zhuǎn)移過(guò)程中，注視點(diǎn)以前方視野為中心在各注視區(qū)域之間轉(zhuǎn)移，前方視野有注視點(diǎn)回歸趨勢(shì)，且封閉車(chē)道一側(cè)的注視概率增加；建議在養(yǎng)護(hù)作業(yè)交通安全設(shè)施布設(shè)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需求，可在通行車(chē)道增設(shè)臨時(shí)標(biāo)線，以便駕駛員及時(shí)獲取有效信息；

3)受養(yǎng)護(hù)作業(yè)封閉車(chē)道影響，駕駛員需多次注視交通安全設(shè)施以獲取足夠車(chē)道渠化與行車(chē)要求等信息，同時(shí)需要注意相鄰車(chē)道車(chē)輛行駛狀態(tài)；建議重復(fù)設(shè)置包含重要信息的交通標(biāo)志，且注意左右兩側(cè)標(biāo)志配合設(shè)置，以提高標(biāo)志信息的連貫性。