轉(zhuǎn)彎和直行場(chǎng)景下駕駛員認(rèn)知分心識(shí)別的研究

【摘要】為了探尋轉(zhuǎn)彎和直行場(chǎng)景下駕駛員分心駕駛的內(nèi)在機(jī)理，通過駕駛模擬器搭建直行與轉(zhuǎn)彎虛擬場(chǎng)景，采集駕駛員不同駕駛狀態(tài)的駕駛績(jī)效和眼動(dòng)信息數(shù)據(jù)，并使用KNNImputer算法對(duì)設(shè)備在采集過程中缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理；通過配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度為1 s、重疊率為75%的時(shí)間窗口提取的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析并提取特征指標(biāo)；基于該特征指標(biāo)集合，采用XGBoost分類器構(gòu)建不同場(chǎng)景下的認(rèn)知分心識(shí)別模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于直行場(chǎng)景，駕駛員在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中瞳孔直徑變化頻率更小、掃視速度更高、注視時(shí)間百分比更大，腦力負(fù)荷更大；構(gòu)建的認(rèn)知分心識(shí)別模型在直行場(chǎng)景下的準(zhǔn)確率達(dá)到91.30%，轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景下的準(zhǔn)確率為83.28%，轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景下認(rèn)知分心行為危險(xiǎn)程度更高，識(shí)別更加困難。

主題詞：轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景 直行場(chǎng)景 認(rèn)知分心 KNNImputer XGBoost

中圖分類號(hào)：U461.91" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230972

A Study of Driver Cognitive Distraction Recognition in Turning

and Straight Driving Scenarios

Zeng Juan1，2，3， Xu Bo1，2，3， Wang Hao1，2，3， Zhang Hongchang1，2，3

（1. Hubei Key Laboratory of Modern Automotive Components Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070; 2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070; 3. Hubei Engineering Research Center of New Energy and Intelligent Connected Vehicles，

Wuhan University of Technology， Wuhan 430070）

【Abstract】In order to explore the underlying mechanisms of driver distraction in turning and straight driving scenarios， this study uses a driving simulator to create straight-driving and turning virtual scenarios. It also collects driving performance and eye-movement data of drivers in different driving states. The KNNImputer algorithm is employed to handle missing data during data collection. Then， a paired samples T test is used to analyze significant differences and extract significant difference feature indexes from sample data with a time window of 1 s length and 75% overlap. Based on these features， an XGBoost classifier is used to build cognitive distraction recognition models for different scenarios. The results show that compared with straight driving， drivers in turning scenarios have higher mental workload， indicated by lower pupil diameter change frequency， higher saccade speed and higher fixation duration percentage. The built cognitive distraction recognition model achieves an accuracy of 91.30% for straight-driving and 83.28% for turning scenarios. This suggests that cognitive distraction behavior in turning scenarios is more dangerous and harder to recognize.

Key words： Turning scenarios， Straight driving scenarios， Cognitive distraction， KNNImputer， XGBoost

1 前言

據(jù)美國(guó)國(guó)家公路安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）公布的數(shù)據(jù)[1]，僅2021年美國(guó)本土有3 522人因分心駕駛而喪失生命。引發(fā)駕駛員認(rèn)知分心的因素多為分神、交談等[2]，分心駕駛所致的交通事故給社會(huì)和個(gè)人帶來巨大損失。因此，準(zhǔn)確識(shí)別監(jiān)測(cè)駕駛員認(rèn)知分心狀況至關(guān)重要。

交通事故發(fā)生場(chǎng)景主要分為在城市道路和非城市道路，其中，城市道路為交通事故高發(fā)場(chǎng)景，高速道路事故發(fā)生率較低[3]。在城市道路中，多樣化的車載多媒體設(shè)備增加了駕駛體驗(yàn)的同時(shí)，極易分散駕駛員的注意力[4]，此時(shí)駕駛員腦力負(fù)荷增加，其保持車道行駛的能力降低[5-6]。在高速道路中，駕駛員使用藍(lán)牙通話、交談等分心駕駛會(huì)顯著降低掃視速度，但轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向熵增大[7]。

道路形狀會(huì)顯著影響駕駛員的安全行駛能力[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，彎道造成事故的可能性是直線行駛的1.74倍[9]。彎道駕駛中，駕駛員對(duì)視覺的需求增加[10]，轉(zhuǎn)向行為和視覺追蹤在水平方向的變動(dòng)性降低[11]，使用視覺刺激或人工反應(yīng)執(zhí)行非駕駛相關(guān)任務(wù)的駕駛員在道路上的固定次數(shù)較少，持續(xù)時(shí)間較短，車道保持性能較差[12–14]。

因此，本文通過駕駛模擬器搭建城市道路中直線場(chǎng)景和多種典型轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景，采集駕駛員駕駛績(jī)效和眼動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析確定不同場(chǎng)景中認(rèn)知分心的顯著性差異指標(biāo)與內(nèi)在機(jī)理。基于顯著性差異指標(biāo)，構(gòu)建認(rèn)知分心模型，通過對(duì)比試驗(yàn)評(píng)估模型的有效性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

2.1.1 被試信息

本文試驗(yàn)分3批進(jìn)行，共招募45名被試者。為了避免被試者年齡、駕駛熟練程度等因素影響，選擇20～40歲駕駛員（均值為27.27歲，標(biāo)準(zhǔn)差為5.61歲），并要求被試者均具有至少5 000 km的駕駛經(jīng)驗(yàn)。

由于人體腦力負(fù)荷隨者工作時(shí)間的增加而增大，高強(qiáng)度的腦力負(fù)荷會(huì)嚴(yán)重影響駕駛者的反應(yīng)能力[15]。為了減少被試個(gè)體因素對(duì)試驗(yàn)的影響，要求被試者在試驗(yàn)前保持充足的睡眠以及身心健康，無(wú)潛在疾病、聽覺和視覺障礙，且試驗(yàn)期間不得飲酒和服用藥品。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

使用3個(gè)不同方位的投影儀，將場(chǎng)景信息投影在車輛正前方的120°環(huán)幕上，駕駛模擬器采樣頻率為100 Hz。同時(shí)，配套Tobii公司生產(chǎn)的Tobii Pro Glasses2型號(hào)眼動(dòng)儀，采樣頻率為50 Hz，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

2.1.3 試驗(yàn)場(chǎng)景

使用駕駛模擬器配套軟件SCANeR Studio搭建虛擬仿真場(chǎng)景，如圖2所示。本文設(shè)計(jì)雙向六車道，每條車道的寬度為3.75 m，分為直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景。直行場(chǎng)景包括直線路段、丁字路口直線行駛和十字路口直線行駛；轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景包括左/右轉(zhuǎn)道路行駛、丁字路口和十字路口轉(zhuǎn)彎行駛。

為了使虛擬場(chǎng)景更加接近實(shí)際，各場(chǎng)景中均設(shè)有行人、車輛，每個(gè)場(chǎng)景出現(xiàn)2次。其中，行人在道路兩旁的人行道行駛，密度為2人/m；車輛包括道路正常行駛車輛和停止線內(nèi)等待紅路燈車輛，車流密度為50輛/km。直線道路場(chǎng)景行駛車速為60 km/h，轉(zhuǎn)彎道路場(chǎng)景行駛車速為30 km/h。被試車輛在中間車道行駛，在即將轉(zhuǎn)彎時(shí)需提前換道。

2.1.4 駕駛次任務(wù)

本文試驗(yàn)的認(rèn)知分心次任務(wù)為心算計(jì)算題，題目選擇復(fù)雜度相近的2位數(shù)加法、3位數(shù)與2位數(shù)減法。當(dāng)被試車輛到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，副駕駛員會(huì)從算數(shù)題庫(kù)中隨機(jī)選擇一道題目，口述給被試者，要求被試者在5 s內(nèi)提供答案并進(jìn)行相應(yīng)記錄。

2.2 缺失數(shù)據(jù)處理

由于采集數(shù)據(jù)時(shí)存在個(gè)別數(shù)據(jù)缺失，為了保證數(shù)據(jù)的完整性與可靠性，本文采用基于K-最近鄰算法（K-Nearest Neighbors，KNN）改進(jìn)的KNNImputer方法，通過計(jì)算歐幾里德距離找到最臨近的n個(gè)樣本，使用樣本的均值填補(bǔ)缺失值。本文設(shè)置n=5。

3 特征指標(biāo)提取及分析

3.1 特征指標(biāo)提取

目前，多數(shù)研究[7，16-17]的特征指標(biāo)主要分為駕駛績(jī)效、眼動(dòng)信息和生理信息。其中，駕駛績(jī)效指標(biāo)反映開車過程中車輛的穩(wěn)定性和安全性，包括橫縱向速度、車道偏移量等車輛參數(shù)[18]。該類指標(biāo)可通過車輛的傳感器獲取，而眼動(dòng)信息通過特定設(shè)備，采集駕駛過程中駕駛員眼睛、頭部等變化信息，包括左右眼瞳孔直徑、掃視速度等眼部參數(shù)，實(shí)現(xiàn)分心駕駛檢測(cè)[19]；生理指標(biāo)用于量化研究者對(duì)人類/動(dòng)物的行為和心理狀態(tài)，通過檢測(cè)生理反應(yīng)了解心理和情感狀態(tài)，包括腦電、皮電等生理數(shù)據(jù)信息[20]，但腦電設(shè)備在采集數(shù)據(jù)時(shí)具有較強(qiáng)的入侵性，易產(chǎn)生不適反應(yīng)。

分心駕駛識(shí)別指標(biāo)體系分為單一指標(biāo)和融合指標(biāo)。單一指標(biāo)難以全面反映駕駛員分心駕駛的內(nèi)在機(jī)理變化，且搭建分心識(shí)別模型時(shí)存在指標(biāo)種類不足，導(dǎo)致模型分類效果較差。而融合指標(biāo)使用2類及以上的指標(biāo)進(jìn)行融合，能夠反映駕駛員分心情況，分心識(shí)別模型的準(zhǔn)確率和可靠性均能提升[21]。

考慮到試驗(yàn)設(shè)備笨重，對(duì)駕駛員的入侵性較強(qiáng)，本文采用的駕駛績(jī)效、眼動(dòng)信息融合指標(biāo)為：

a. 駕駛績(jī)效指標(biāo)，包括車輛速度（橫向、縱向）、車輛加速度（橫向、縱向）、油門踏板開度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和偏移車道中心線距離。

b. 眼動(dòng)信息指標(biāo)，包括注視點(diǎn)位置（X軸、Y軸、Z軸）、瞳孔直徑、掃視速度、掃視頻率、注視頻率、眨眼頻率和時(shí)長(zhǎng)百分比（注視、掃視）。

為了削弱數(shù)據(jù)短期波動(dòng)的影響，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本文采用滑動(dòng)時(shí)間窗口處理數(shù)據(jù)。滑動(dòng)時(shí)間窗口長(zhǎng)度為1 s，窗口重疊率為75%，即時(shí)間窗口每隔0.25 s提取一條樣本數(shù)據(jù)。除注視頻率、時(shí)長(zhǎng)百分比、掃視頻率和時(shí)長(zhǎng)百分比以及眨眼頻率外的指標(biāo)計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，最終得到31個(gè)指標(biāo)。

3.2 特征指標(biāo)數(shù)據(jù)分析

特征指標(biāo)的顯著性差異反映了分心駕駛狀態(tài)與正常狀態(tài)的差異，指標(biāo)差異性越明顯，越有助于分心駕駛的識(shí)別。

本文使用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，通過計(jì)算各場(chǎng)景中兩組樣本均值T分析數(shù)據(jù)顯著性差異。配對(duì)樣本T檢驗(yàn)需滿足正態(tài)性假設(shè)，采用K-S（Kolmogorsv-Smirnov）檢驗(yàn)，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)分布和理論分布間距離，將其中的最大距離作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。當(dāng)數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布時(shí)，無(wú)法采用該方法進(jìn)行顯著性分析，此時(shí)可選擇非參數(shù)檢驗(yàn)方法。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與原始假設(shè)間概率P判斷兩組數(shù)據(jù)的顯著性。顯著性水平閾值越低，要求越嚴(yán)格，常見的顯著性水平為0.05和0.01。選用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，顯著性水平α=0.05，各指標(biāo)在直行場(chǎng)景和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景的顯著性分析結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)駕駛員在直行場(chǎng)景中發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，由于駕駛次任務(wù)的作用，使駕駛員腦力負(fù)荷增加，繼而表現(xiàn)出瞳孔直徑增大、掃視速度加快、注視頻率和注視持續(xù)時(shí)間減少，但駕駛員視線集中在道路中央，使車輛的車道保持能力增強(qiáng)。當(dāng)駕駛員在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，駕駛員由于腦力負(fù)荷增加表現(xiàn)出瞳孔直徑增大、直徑波動(dòng)變小、掃視速度增快、注視頻率和持續(xù)時(shí)間減少、眨眼頻率增加。在直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景下，駕駛員發(fā)生/未發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，具有顯著性差異的指標(biāo)中，接近70%的指標(biāo)為共同指標(biāo)，且指標(biāo)變化趨勢(shì)相同。

為了進(jìn)一步探究相同指標(biāo)在不同場(chǎng)景中的差異性，對(duì)同一指標(biāo)在不同分心場(chǎng)景下的分心數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行配對(duì)樣本T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，眼動(dòng)信息指標(biāo)有助于識(shí)別駕駛過程中的認(rèn)知分心，而僅有較少的駕駛績(jī)效在此方面能夠表現(xiàn)出顯著性差異。這是因?yàn)檎J(rèn)知分心為駕駛員大腦的內(nèi)部干擾，難以通過外部行為表現(xiàn)。

在不同場(chǎng)景中，駕駛員在直行和轉(zhuǎn)彎兩種不同道路場(chǎng)景中發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，雖然有多數(shù)眼動(dòng)指標(biāo)為同一指標(biāo)，但其數(shù)值變化情況仍然存在顯著性差異。因此，為了在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中提高分心駕駛的識(shí)別效果，同一指標(biāo)在不同場(chǎng)景中變化如圖3所示。

由圖3可知，在直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中，發(fā)生分心時(shí)，駕駛員左、右眼瞳孔直徑增加，變化頻率降低。在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中，駕駛員的瞳孔直徑變化頻率低于直線場(chǎng)景，表明駕駛員在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中，發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)的腦力負(fù)荷更大。

不同場(chǎng)景中掃視速度情況見圖4，駕駛員發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，掃視速度均值和標(biāo)準(zhǔn)差均高于未分心狀態(tài)，且轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景高于直行場(chǎng)景。表明駕駛員發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，通過掃視獲得更多的環(huán)境信息，反映出駕駛員腦力負(fù)荷增加，同時(shí)，轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中腦力負(fù)荷高于直行場(chǎng)景。

不同場(chǎng)景注視時(shí)長(zhǎng)百分比變化情況見圖5，各場(chǎng)景中，駕駛員認(rèn)知分心狀態(tài)時(shí)的注視勢(shì)場(chǎng)百分比低于未分心狀態(tài)，且轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景低于直行場(chǎng)景，表明駕駛員發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，腦力負(fù)荷增加，且轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景負(fù)荷加劇。

因此，駕駛員發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)，由于腦力負(fù)荷增加，其瞳孔直徑增加、掃視速度提高、注視時(shí)長(zhǎng)百分比降低，且轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中認(rèn)知分心腦力負(fù)荷更大，行車更危險(xiǎn)。

4 認(rèn)知分心模型搭建與驗(yàn)證

4.1 構(gòu)建XGBoost分類器模型流程

XGBoost（eXtreme Gradient Boosting）[22]基于梯度提升決策樹（Gradient Boosting Decision Tree，GBDT）算法逐步迭代多個(gè)弱分類器，集合成一種強(qiáng)分類器。XGBoost引入了正則化項(xiàng)，可以有效限制模型的復(fù)雜度，避免過擬合。當(dāng)梯度提升機(jī)（Gradient Boosting Machine，GBM）為負(fù)值時(shí)會(huì)停止分裂，而XGBoost會(huì)繼續(xù)分類至最大深度，再重新進(jìn)行剪枝。所以XGBoost分類效果優(yōu)于單一模型。將數(shù)據(jù)集以7∶3劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集，XGBoost重要參數(shù)如表3所示。

使用準(zhǔn)確率（Accuracy）A、精確率（Precision）P、召回率（Recall）R以及F1分?jǐn)?shù)作為模型性能評(píng)估指標(biāo)，分別繪制直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景下ROC圖，相關(guān)公式為：

[A=TP+TNTP+FP+TN+FNP=TPTP+FPR=TPTP+FN=TAF1=2P?RP+RF=FPFP+TN] （1）

式中：T為正例樣本中被正確預(yù)測(cè)的比例，F(xiàn)為負(fù)例樣本中被錯(cuò)誤預(yù)測(cè)為正例的比例，TP為真陽(yáng)性樣本數(shù)，F(xiàn)P為假陽(yáng)性樣本數(shù)，TN為真陰性樣本數(shù)，F(xiàn)N為假陰性樣本數(shù)。

4.2 模型結(jié)果與分析

為研究駕駛員在不同場(chǎng)景（直行/轉(zhuǎn)彎）下模型認(rèn)知分心識(shí)別性能，通過試驗(yàn)采集直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中駕駛員發(fā)生和不發(fā)生認(rèn)知分心時(shí)的數(shù)據(jù)，最終本次試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)樣本情況如表4所示。

本文采用準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1值和ROC曲線下面積（Area Under Curve，AUC）等指標(biāo)對(duì)模型性能進(jìn)行評(píng)估。其中，AUC越大，表明模型性能更佳。為了比較XGBoost算法分類性能，對(duì)比本文模型與支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）構(gòu)建的認(rèn)知分心識(shí)別模型，最終測(cè)試集評(píng)估結(jié)果如表5所示，ROC圖如圖6所示。

由表5可知，在算法性能方面，相較于SVM算法，XGBoost算法在直行和轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中各評(píng)價(jià)指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，模型準(zhǔn)確率分別提高了4.1百分點(diǎn)和15.11百分點(diǎn)，AUC值分別提高了3百分點(diǎn)和5百分點(diǎn)；在場(chǎng)景分析方面，直線場(chǎng)景的各評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景，這主要?dú)w因于轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景道路更加復(fù)雜，駕駛員在此場(chǎng)景中行駛時(shí)識(shí)別正常與分心駕駛指標(biāo)變化不明顯。同時(shí)，說明在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中，模型對(duì)駕駛員的認(rèn)知分心檢測(cè)相較于直行場(chǎng)景檢測(cè)更加困難。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探究了轉(zhuǎn)彎和直行場(chǎng)景中，駕駛員的認(rèn)知分心的顯著性差異指標(biāo)與內(nèi)在機(jī)理，通過建立認(rèn)知分心模型，為分心駕駛檢測(cè)和交通安全提供數(shù)據(jù)支撐。但由于試驗(yàn)在駕駛模擬器上完成，駕駛分心識(shí)別模型在實(shí)際場(chǎng)景中的適應(yīng)程度仍需進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯 瑞 秋）

修改稿收到日期為2023年11月28日。