擁堵狀態(tài)下寒區(qū)城市道路駕駛員注視特性研究

趙梓雯，馮天軍，曲璟煥

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高，我國機(jī)動車保有量逐年增加，據(jù)公安部數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國機(jī)動車保有量為3.72 億輛，其中汽車保有量為2.81 億輛，同比增長7.5%。機(jī)動車為人們提供出行便利的同時，也產(chǎn)生了一系列的問題，如造成擁堵并導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

我國北方寒冷地區(qū)冬季漫長、降雪次數(shù)多、積雪結(jié)冰頻現(xiàn)，冬季天氣條件對道路交通的影響突出，容易造成交通擁堵，導(dǎo)致駕駛員情緒發(fā)生變化，引發(fā)交通事故。情緒變化主要體現(xiàn)在視覺變化上，注視行為是駕駛員獲取道路和交通信息最主要的方式［1］，目前駕駛員的注視行為已受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

YEKHSHATYAN 和LEE［2］利用模擬駕駛器，進(jìn)行眼動注視行為的相關(guān)性分析，研究了注意力分散程度和類型。TATLER 等［3］研究了駕駛員在自由視角下的視覺轉(zhuǎn)移模式，對駕駛員注視分配進(jìn)行研究，得出控制視覺分配的機(jī)理及新興理論框架。胡洪瑞等［4］通過虛擬駕駛軟件模擬不同環(huán)境，認(rèn)為在相同道路條件下，光線越差，駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)數(shù)和回視點(diǎn)數(shù)越多。胡月琦等［5］研究了駕駛經(jīng)驗(yàn)及環(huán)境對駕駛安全的影響，結(jié)果表明駕駛員在普通路段及特長隧道段視覺特性有明顯差異。葉建光［6］得出在山區(qū)高速公路環(huán)境下，駕駛員注視持續(xù)時間較短，認(rèn)知負(fù)荷較小的結(jié)論，總體上表現(xiàn)為遮蔽空間上長時間注視比開敞空間增多。

目前所研究的道路行車環(huán)境主要集中在隧道、山區(qū)道路及高速公路，但對于復(fù)雜環(huán)境下的城市道路研究較少。城市道路作為交通系統(tǒng)中的重要一部分，其行車環(huán)境對駕駛員的影響逐漸得到研究者的重視［7］。

1 寒區(qū)路面狀態(tài)特性

寒區(qū)城市主要特點(diǎn)為冰雪期漫長，在頻繁的降雪天氣條件下，城市道路會產(chǎn)生積雪并造成路面結(jié)冰，從而致使路面附著系數(shù)降低。隨著降雪時間的推移及氣溫光照的變化，路面冰雪狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化，寒區(qū)冬季路面冰雪狀態(tài)可分為：（1）自然積雪。發(fā)生降雪后覆蓋在道路上的積雪，密度較小，大概為0.25～0.5 g/cm3，一般出現(xiàn)在降雪時及降雪后的短時間內(nèi)。（2）光滑壓實(shí)雪。道路上的自然積雪經(jīng)過車輛以及行人的碾壓，表面開始變得光滑，密度相較自然積雪狀態(tài)增大，在0.5～0.6 g/cm3之間。（3）融凍冰雪。受持續(xù)低溫影響，道路積雪經(jīng)過陽光照射和車輛輪胎摩擦融化后，與路面結(jié)合凝結(jié)成冰膜，冰膜密度達(dá)到1.0 g/cm3，路面變得十分光滑，行駛的車輛容易發(fā)生側(cè)滑及追尾事故。（4）溶融冰雪。當(dāng)氣溫上升至0 ℃及以上時，路面冰雪開始融化，狀態(tài)變?yōu)槿苋诒Ｊ芄庹占俺鞘械缆妨髁坑绊懀苋诒┮话愠霈F(xiàn)在道路兩側(cè)，且為不連續(xù)干濕狀態(tài)。不同路面冰雪狀態(tài)對應(yīng)著不同的道路附著系數(shù)［8］，見表1。

表1 路面附著系數(shù)范圍

可以看出，路面附著系數(shù)在冰雪條件下和正常條件下相差很大。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 試驗(yàn)路段及時間確定

選取長春市城市道路作為試驗(yàn)路段，包括快速路、主干路等各城市道路類型，全程11.5 km。試驗(yàn)路線途經(jīng)商業(yè)區(qū)、學(xué)校、住宅區(qū)等，交通流變化明顯，受行人車輛的橫向干擾，具有典型的城市道路特征。具體路線見圖1，從人民大街輔路出發(fā)，路口右轉(zhuǎn)經(jīng)過自由大路行至亞泰大街，后轉(zhuǎn)向解放大路，沿解放大路進(jìn)入新民大街，在新民大街與桂林路交匯處轉(zhuǎn)向進(jìn)入桂林路，后經(jīng)牡丹街進(jìn)入自由大路，繼續(xù)行駛至人民大街到達(dá)終點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)路線

2020 年長春市路網(wǎng)高峰行程延時指數(shù)1.836。為研究擁堵狀態(tài)下注視特性，選定試驗(yàn)時間冰雪期交通流高峰時間段為1700—1830，分別在試驗(yàn)路線無冰雪、光滑壓實(shí)雪、融凍冰雪、融冰冰雪路面狀態(tài)下開展試驗(yàn)，其路面摩擦系數(shù)分別為0.8～0.9、

0.2 ～0.25、0.10～0.20、0.30～0.40。

2.2 試驗(yàn)儀器及人員選擇

試驗(yàn)使用Dikablis 眼動儀、D-lab 軟件、正選逆變器、攝像機(jī)、小型汽車及摩擦系數(shù)儀，部分儀器見圖2、圖3。該眼動儀由德國Ergoneers 研制，具有高精度、低侵入性的特點(diǎn)。Dikablis 配有兩個攝像頭：eye-camera 和field-camera，前者負(fù)責(zé)追蹤眼睛，后者負(fù)責(zé)錄制場景，可同時采集雙眼眼動數(shù)據(jù)及實(shí)景數(shù)據(jù)，配合D-lab 軟件可全方位、多角度分析眼動數(shù)據(jù)。

圖2 試驗(yàn)儀器

圖3 試驗(yàn)配套軟件

選擇5 名具有5 a 以上駕駛經(jīng)驗(yàn)的熟練駕駛員，其中包括3 名男性及2 名女性，其視覺機(jī)能正常，無生理缺陷和重特大事故經(jīng)歷。為保證試驗(yàn)正常進(jìn)行及人員安全，要求駕駛員在試驗(yàn)前精神狀態(tài)良好，保證充足睡眠且無醉酒駕駛行為。

2.3 試驗(yàn)流程進(jìn)行

（1）試驗(yàn)人員對選定的城市道路全線進(jìn)行實(shí)地考察，對招募的駕駛員進(jìn)行儀器使用培訓(xùn)，確保試驗(yàn)正常進(jìn)行。（2）每次試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)人員對試驗(yàn)路段的路面摩擦系數(shù)進(jìn)行測定并記錄。（3）駕駛員佩戴眼動儀，觀測員啟動電腦并校準(zhǔn)眼動儀，校準(zhǔn)后駕駛員啟動試驗(yàn)車進(jìn)行試驗(yàn)。（4）在行駛過程中，觀測員通過D-Lab 軟件進(jìn)行駕駛員視點(diǎn)捕捉的觀測，確保儀器數(shù)據(jù)有效。（5）駕駛員每次行駛完試驗(yàn)路段后，觀測員將其注視特性數(shù)據(jù)和視頻資料導(dǎo)出并存儲。重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，共獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)20 組；（6）試驗(yàn)完成后試驗(yàn)人員整合記錄的數(shù)據(jù)，并將眼動數(shù)據(jù)根據(jù)路面狀態(tài)進(jìn)行分類及預(yù)處理。

3 注視特性分析

3.1 注視時間

注視時間是指眼球兩次跳躍運(yùn)動之間相對靜止?fàn)顟B(tài)的一段時間，對試驗(yàn)眼動行為數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到注視時間的占比見圖4。

圖4 駕駛員注視時間占比/%

從圖4 可以看出：（1）無論在哪種路面狀態(tài)下，駕駛員在城市擁堵道路行車時，主要通過注視行為來獲取道路信息，其注視時間占比都在70% 以上。（2）隨著路面附著系數(shù)的降低，駕駛員平均注視時間占比呈上升趨勢，影響其獲取道路信息的能力。

3.2 注視點(diǎn)分布

注視點(diǎn)的分布可以根據(jù)注視區(qū)域進(jìn)行劃分，但這種方式只能獲取駕駛員對某區(qū)域的注視集中程度，無法反映對具體事物的注視興趣［9］。按注視對象屬性對駕駛員注視點(diǎn)分布進(jìn)行劃分。通過觀察試驗(yàn)中眼動儀錄制的視頻，總結(jié)歸納駕駛員在行車時主要注視點(diǎn)的分類。

表2 注視點(diǎn)分類

根據(jù)分類統(tǒng)計駕駛員在擁堵道路無冰雪、光滑壓實(shí)雪、融凍冰雪、溶融冰雪狀態(tài)下的各類注視點(diǎn)累計注視次數(shù)占比見圖5。

圖5 各類注視點(diǎn)累計注視次數(shù)占比

由圖5 可以看出駕駛員在城市道路行駛時，注視點(diǎn)主要集中分布在道路交通流類及道路路況類，尤其是在融凍冰雪狀態(tài)時，駕駛員對這兩類的注視次數(shù)更高，占比超過40%。在冰雪條件下駕駛員對道路景觀類注視次數(shù)較少，由此可以看出駕駛員在擁堵冰雪條件下行車時精神保持高度緊張，無暇顧及道路景觀。三種冰雪狀態(tài)下駕駛員對車內(nèi)儀表盤及后視鏡等的注視次數(shù)較為平均，占比在7% 左右。

3.3 注視持續(xù)時間

注視持續(xù)時間是指在注視過程中，視軸中心位置保持不變的持續(xù)時間，單位以ms 計。注視持續(xù)時間的長短代表駕駛員所需處理信息的難易程度，單次注視持續(xù)時間越長則表示所需處理的信息難度越大，但有時注視持續(xù)時間過長的目標(biāo)并不一定比注視持續(xù)時間短的目標(biāo)更有意義。對駕駛員在寒區(qū)擁堵城市道路的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 注視持續(xù)時間統(tǒng)計結(jié)果

通過表3 可以看出，駕駛員在融凍冰雪狀態(tài)的擁堵道路上行車時注視持續(xù)時間均值最高，達(dá)到327.664 ms。融凍冰雪狀態(tài)下的附著系數(shù)極低，附著力無法與外力保持平衡，致使車輛穩(wěn)定性受到破壞，易發(fā)生側(cè)滑。駕駛員此時所需處理的道路信息最為復(fù)雜、難度也最大。此外，因溶融冰雪常見于道路兩側(cè)，且呈現(xiàn)干濕相間特點(diǎn)，所以該狀態(tài)在城市擁堵道路對駕駛員影響較小，其注視持續(xù)時間均值與無冰雪狀態(tài)路面相差很小，分布在300 ms 左右。

為進(jìn)一步判斷各道路狀態(tài)間的注視持續(xù)時間是否具有差異性，首先對樣本進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果的S-W 統(tǒng)計量和相對應(yīng)的概率P 值見表4。

表4 注視持續(xù)時間S-W 檢驗(yàn)統(tǒng)計量

由檢驗(yàn)結(jié)果可以得到，寒區(qū)不同路面狀態(tài)下駕駛員平均注視持續(xù)時間P 值均大于0.05，符合正態(tài)分布。對四組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊次檢驗(yàn)，得到基于平均值的Levene 統(tǒng)計量為1.391，對應(yīng)顯著性P=0.920＞0.05，可以認(rèn)為寒區(qū)不同路面狀態(tài)的各組樣本數(shù)具有方差齊次性。

進(jìn)一步進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)得到顯著性P=0.001＜0.05，即在擁堵狀態(tài)下的寒區(qū)城市道路行車時駕駛員的平均注視持續(xù)時間具有顯著差異性。利用LSD 法對不同冰雪路面狀態(tài)下的平均注視持續(xù)時間兩兩對比，得到的多重比較結(jié)果見表5。

表5 注視持續(xù)時間LDS 檢驗(yàn)結(jié)果

從表5 可以看出，除無冰雪與溶融冰雪路面之間對比無顯著差異性外，其他兩兩路面狀態(tài)樣本之間都存在顯著性差異。

4 結(jié)語

從駕駛員注視行為入手，分析寒區(qū)擁堵城市道路對駕駛員注視特性的影響。通過描述性統(tǒng)計分析得到不同路面狀態(tài)下駕駛員注視行為的分布規(guī)律，隨路面附著系數(shù)的降低，注視時間占比呈上升趨勢，最高可達(dá)76.65%。在擁堵道路光滑壓實(shí)雪及融凍狀態(tài)，駕駛員對路況及交通流關(guān)注更高。對注視特性進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)及差異性分析，確定駕駛員注視持續(xù)時間受寒區(qū)擁堵環(huán)境影響，路面附著系數(shù)＜0.25 時造成駕駛員獲取道路信息困難從而影響行車安全。據(jù)此結(jié)果可將駕駛員注視特性作為評價寒區(qū)擁堵城市道路行車安全的評價指標(biāo)。根據(jù)寒區(qū)氣候特點(diǎn)，確保及時進(jìn)行有效的冬季除雪工作，減輕寒區(qū)冰雪天氣及擁堵給城市道路帶來的不良影響。