賀世明 杜志剛 韓 磊 許富強 尹香港

(武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063)

0 引 言

城市地下隧道內空間環(huán)境密閉，缺乏視覺參照系，加之交通流量大、車輛類型復雜，極易發(fā)生交通事故[1-2].研究城市隧道和城市道路視距視區(qū)等的差異，以提高隧道行車安全.姚裔虎等[3]基于城市道路隧道路段駕駛員注視點的變動，建立了基于視力角特征的城市隧道標志視認模型；卓艷沖等[4]采集駕駛人在自由流和非自由流狀態(tài)下的眼動行為數(shù)據，分析了城市隧道駕駛員的注意特性；潘姝等[5]運用馬爾科夫鏈理論研究了駕駛人的注視轉移規(guī)律和注視平穩(wěn)分布特征；劉明秀等[6]采用理論分析與實驗相結合的方法，建立隧道光照度與隧道距離以及瞳孔面積的關系模型；Han等[7]探討了隧道內輪廓線對駕駛員注視行為的影響；Qi等[8]研究了駕駛員眼動和心電指標，分析了隧道環(huán)境下駕駛員心生理狀態(tài)的變化規(guī)律；陳鵬等[9]研究了城市隧道出入口亮度變化、視覺適應性對障礙物視認距離的影響；陳云等[10]研究了不同車型駕駛人在小半徑公路短隧道入口環(huán)境中的視覺負荷；Qin等[11]探討了車速對公路隧道入口駕駛員晝夜眼球運動特性的影響，分析了瞳孔大小、平均注視時間和平均注視次數(shù)與車速之間的關系；焦方通等[12-13]分析了城市水下特長隧道彎道路段駕駛人掃視行為的變化特點，以及進出隧道過程中駕駛人的瞳孔變動特性，對城市水下隧道出入口的視覺舒適度進行了評價.

國內外學者對城市隧道駕駛人因和交通安全方面的研究取得了顯著的成果，但缺乏對城市隧道分流區(qū)駕駛人視覺特性方面的研究.城市隧道與高速公路隧道相比，出口較多，隧道內要設置分流區(qū)路段，此路段車輛會進行多次變道，沖突段多，事故風險較高.鑒于此，文中以武漢市公鐵隧道分流區(qū)路段為研究對象，分析駕駛人注視行為的時空分布特性，并引用馬爾可夫鏈探究駕駛人在城市隧道分流區(qū)的注視轉移特性.

1 實驗設計和數(shù)據采集

1.1 實驗隧道

以武漢公鐵隧道中澳門路與中山大道分流區(qū)路段作為城市隧道實車實驗地點，見圖1.實現(xiàn)路線分為兩條，澳門路方向為主線車輛沿著當前車道繼續(xù)前進，中山大道方向表示主線車輛經過分流區(qū)駛入匝道.隧道分流區(qū)是指在出口匝道之前，減速車道及其對應的主線范圍，其主要功能是供車輛完成變道、加減速等駕駛任務，保證車輛安全有序的進入主線或者匝道.

圖1 實驗路線

1.2 被試駕駛人

選取持有C1駕駛證的被試駕駛人20名，其中男性駕駛人14名，平均年齡23歲，平均駕齡為5.2年；女性駕駛人6名，平均年齡25歲，平均駕齡為4.3年.為消除偶然誤差，每位駕駛人至少進行3組有效試驗，有效樣本60組.

1.3 實驗設備及數(shù)據采集

試驗車輛為自動擋轎車.眼動數(shù)據采集設備為德國某公司的Dikablis Professional眼動儀，采樣頻率為60 Hz，瞳孔追蹤精度為0.05°，視線追蹤精度為0.1°～0.3°.為減小交通量對城市隧道分流區(qū)的干擾，選取實驗時間段為周一至周五09：00—10：30，15：30—17：00.

2 注視特性分析

2.1 注視點

1) 興趣區(qū)域劃分 根據城市隧道分流區(qū)環(huán)境特征，將分流區(qū)興趣區(qū)域分為六個部分，見圖2.分別為：左側區(qū)域、近處路面區(qū)域、遠處頂部區(qū)域、中心區(qū)域、右側區(qū)域和駕駛室區(qū)域，其中中心區(qū)域依據駕駛任務分為主線中心區(qū)域和匝道中心區(qū)域，即車輛通過分流區(qū)后進入主線時前方區(qū)域為主線中心區(qū)域，進入匝道時前方區(qū)域為匝道中心區(qū)域.

圖2 興趣區(qū)域劃分

其中，左側區(qū)域包括左側隧道壁、左側檢修道、左側車輛信息等；近處路面區(qū)域包括路面標志、車道標線等；遠處頂部區(qū)域包括隧道洞頂、交通標志、照明燈帶等；中心區(qū)域包括駕駛員視野正前方交通信息、分流區(qū)鼻端等；右側區(qū)域包括右側隧道壁、右側檢修道、右側車輛信息等；駕駛室區(qū)域包括儀表盤、后視鏡等.

2) 注視點分布 在視覺信息的搜索過程中注視點的數(shù)目反映的是駕駛員所需要處理信息的數(shù)目.區(qū)域中注視點個數(shù)是衡量搜索效率的1個指標，也是區(qū)域重要性的衡量指標，區(qū)域越重要，注視頻次越多[14].在實驗數(shù)據中選取被試駕駛人注視點的有效數(shù)據繪制出注視點分布圖，圖3分別為車輛在通過分流區(qū)后進入主線和匝道兩種情形下駕駛人注視點分布圖.

圖3 車輛經過分流區(qū)進入主線及匝道駕駛人注視點分布圖

由圖3可知：駕駛人進入主線時注視點分布比較分散，而進入匝道時注視點分布相對集中.對駕駛人注視點在視頻像素中的水平分布廣度和垂直分布廣度分析發(fā)現(xiàn)，主線中駕駛人注視點在視頻像素中水平分布范圍為264.987～1 432.185 px，垂直分布范圍為279.473～1 001.04 px；匝道中駕駛人注視點在視頻像素中分布范圍為500.954～1 513.01 px，垂直分布范圍為359.192～989.883 px，反映出兩種路線下車輛駛入主線時駕駛人注視點水平分布廣度較大，而垂直分布廣度較為接近

2.2 空間分布特性

選取區(qū)域注視點分布比例描述駕駛人注視點空間分布特性，區(qū)域注視點分布比例反映各區(qū)域內注視點數(shù)目占總注視點數(shù)目的百分比，表征駕駛人在空間方面對各個區(qū)域的注意力分配情況.統(tǒng)計被試駕駛人在兩種路徑下各興趣區(qū)域的注視點分布比例，見圖4.

圖4 區(qū)域注視點分布比例柱形圖

由圖4可知：車輛經過分流區(qū)進入主線時，注視點主要分布在近處路面區(qū)域和中心區(qū)域，占比分別為40.39%和37.16%，二者之和占比77.55%，反映出駕駛員對隧道分流區(qū)的注意力主要分配在近處路面區(qū)域和中心區(qū)域，而對駕駛室區(qū)域、右側區(qū)域、遠處頂部區(qū)域以及左側區(qū)域的關注度較少，均在5%左右.

車輛經過分流區(qū)進入匝道時，注視點集中于中心區(qū)域和右側區(qū)域，分別占比29.75%和49.9%，二者之和占比79.65%，反映出駕駛員的注意力主要分配在右側區(qū)域和中心區(qū)域，少數(shù)分配在遠處頂部區(qū)域，而對其他區(qū)域關注度較少，特別是很少關注左側區(qū)域.

兩條試驗路線下駕駛員注意力分配到中心區(qū)域的比例均較大，符合駕駛人的駕駛習慣.車輛駛入主線時駕駛人還會將較多的注意力分配到近處路面區(qū)域，而車輛駛入匝道時駕駛人則會將較多的注意力分配到右側區(qū)域，這是由于駕駛任務不同造成的.

2.3 時間分布特性

1) 區(qū)域平均注視時間 區(qū)域平均注視時間表征駕駛人處理潛在危險信息所用的時間或者提取有效信息的難易程度，通常注視區(qū)域內信息密度以及處理信息的難易程度直接影響平均注視時間.駕駛人經分流區(qū)進入主線和匝道時對各區(qū)域的平均注視時間見圖5.

圖5 區(qū)域平均注視時間圖

由圖5可知:駕駛人在主線和匝道時均是對中心區(qū)域的平均注視時間較長，說明在分流區(qū)路段駕駛人從中心區(qū)域獲取并處理交通信息的難度較大，從空間路權和駕駛人因角度分析原因，分流區(qū)路段結構特殊，交通流復雜，車道數(shù)發(fā)生改變，橫向路權變化，駕駛人視區(qū)縮減，會產生心理和生理上的不適，因此對中心區(qū)域的平均注視時間較長.

2) 區(qū)域注視時間百分比 區(qū)域注視時間百分比表征各區(qū)域內注視時間占總注視時間的百分比，表示駕駛員在時間尺度方面對各個區(qū)域的注意力分配情況.駕駛人駕駛車輛經分流區(qū)進入主線和匝道時對各區(qū)域的注視時間占比見表1.

表1 駕駛人注視時間比例 單位：%

由表1可知:駕駛人在時間尺度上對中心區(qū)域的關注度較大，比較符合駕駛人的駕駛習慣；駕駛人進入主線時還利用較多時間觀察遠處頂部區(qū)域和左側區(qū)域，而駕駛人進入匝道時則是利用較多時間觀察右側區(qū)域和近處路面區(qū)域，這時由于分流區(qū)路段駕駛人的駕駛任務不同造成的.因此在隧道分流區(qū)進行視線誘導時應考慮主線和匝道的視覺特性差異.

3 轉移特性分析

3.1 一步轉移注視概率分布

將駕駛人注視不同興趣區(qū)域定義為不同狀態(tài)，且下一次注視點落在哪個區(qū)域只與當前注視點所在的興趣區(qū)域有關.用馬爾可夫鏈模型研究駕駛員注意轉移特性分析.

馬爾可夫鏈在n時刻的m步轉移概率可表示為P{εn+m=j|εn=i}，將轉移概率Pij(n,n+m)記為Pij(m)，其中m=1時，記為Pij(1)，Pij(1)稱為一步轉移概率.在統(tǒng)計概率分析中，當樣本量足夠大時可以用頻率來近似描述概率，所以可用各區(qū)域之間的轉移頻率來近似估計轉移概率[15-16].

根據興趣區(qū)域劃分，選取穩(wěn)定清晰的駕駛人注視點進行統(tǒng)計分析，計算得到兩種狀態(tài)下駕駛人注視點的一步轉移概率，并繪制注視轉移概率直方圖，見圖6.

圖6 主線和匝道注視轉移概率直方圖

結合興趣區(qū)域的劃分，對駕駛人在分流區(qū)的一步轉移注視概率進行分析.

1) 車輛進入主線時駕駛人的注視轉移分析 經過分流區(qū)駛入主線的車輛，駕駛員注視點轉移到駕駛室區(qū)域、右側區(qū)域、遠處頂部區(qū)域的概率均較小，轉移到路面區(qū)域、主線中心區(qū)域的概率較大，轉移到左側區(qū)域的概率適中.分析其原因主要是駕駛員不需要較大程度改變駕駛行為，車輛不存在加速、變道行為，并且右側車輛多數(shù)進入匝道，對主線交通干擾較少，因此駛入主線的駕駛員對車速、右側區(qū)域等關注度較小，主要關注前方近處路面區(qū)域和中心區(qū)域的道路交通信息.

對角線上近處路面區(qū)域和中心區(qū)域的數(shù)值較大，表明駕駛員對近處路面區(qū)域和中心區(qū)域反復注視的概率較大，說明駕駛員對這兩個區(qū)域興趣程度較大，單次注視無法獲取充足的交通信息，其原因是分流區(qū)路段車道數(shù)縮減，駕駛員產生緊張感，渴望獲取到更多的交通信息.

2) 車輛進入匝道的注視轉移分析 經過分流區(qū)駛入匝道的車輛，駕駛員注視點轉移到駕駛室區(qū)域和左側區(qū)域的概率較小，轉移到匝道中心、右側區(qū)域、遠處頂部區(qū)域的概率較大.分析其原因主要是匝道設置在行車方向右側，車輛變道后左側區(qū)域交通信息對駕駛員的干擾較小，駕駛員很少關注左側區(qū)域的信息，變道完成后駕駛員靠右側行駛，由于城市隧道視覺參照系缺乏，駕駛員將右側墻腰帶線作為視覺參照，對右側區(qū)域關注度較高，并且需要確定匝道出口和前方道路線形，因此對匝道中心和遠處頂部區(qū)域的關注度也較高.

對角線上近處路面區(qū)域、右側區(qū)域、匝道中心區(qū)域、遠處頂部區(qū)域數(shù)值較大，表明駕駛員對這四個區(qū)域的關注度較大，并且反映出車輛駛入匝道時交通情況復雜，駕駛員獲取交通信息的難度較大.

3) 綜合對比分析 對比圖6中兩個柱形圖可知，現(xiàn)無論車輛經過分流區(qū)駛入主線還是匝道，駕駛員注視點轉移到近處路面區(qū)域和中心區(qū)域的概率均較大，說明駕駛員在經過分流區(qū)后對前方道路交通信息關注度較高，分析原因為車道數(shù)縮減，橫向路權變窄，視區(qū)變小，駕駛員產生緊張感.

經過分流區(qū)駛入匝道的車輛，駕駛員注視點轉移到駕駛室區(qū)域的概率大于駛入主線車輛駕駛員注視點轉移到駕駛室區(qū)域的概率，分析其原因是車輛駛入匝道時需要變道，駕駛員需要關注跟車狀態(tài)，調整車速.

3.2 注視平穩(wěn)分布概率

利用Matlab計算得到兩種情況下駕駛員注視平穩(wěn)分布概率，見表2.

對比兩種情況下各興趣區(qū)域駕駛員注視平穩(wěn)概率分布，見圖7.

圖7 駕駛人注視平穩(wěn)概率分布

由圖7可知：

1) 駕駛人在注視穩(wěn)定之后，注視點落在駕駛室區(qū)域的概率均較小，落在中心區(qū)域的概率均較大，分析原因是在分流完成后車輛平穩(wěn)運行，駕駛員不需要較大程度改變駕駛行為，而將注意力集中在前方中心區(qū)域，以獲取道路交通信息.

2) 相比于駛入匝道的車輛，駛入主線的車輛駕駛人的注視點落在路面區(qū)域和左側區(qū)域的概率較大，分析原因是主線位于行車方向左側，并且分流之后車道數(shù)減少，駕駛人對車道信息關注度高，分流區(qū)空間構造特殊，視覺參照系少，僅有兩側墻腰帶線，進入主線的車輛距離左側壁較近，一般以左側壁腰帶線作為視覺參照.

3) 相比于駛入主線的車輛，駛入匝道的車輛駕駛人的注視點落在右側區(qū)域和頂部區(qū)域的概率明顯較大，分析原因是匝道區(qū)域缺乏線形誘導，匝道多為小半徑路段，視覺連續(xù)性較差，駕駛人會將注意力集中在點狀燈帶和右側壁腰帶線上.

4 結 論

1) 城市隧道分流區(qū)駕駛人注視空間分布特性：駕駛人注意力主要分配在中心區(qū)域，車輛駛入主線時，駕駛人注意力還較多的分配在近處路面區(qū)域；車輛駛入匝道時，駕駛人注意力則較多分配在右側區(qū)域，關注彎道切線處.駛入主線時駕駛人注視點的水平分布相較駛入匝道時較廣，而垂直分布廣度無明顯差異.

2) 城市隧道分流區(qū)駕駛人注視時間分布特性：駕駛人在主線和匝道均對中心區(qū)域的平均注視時間和分配比例最多，表明獲取交通信息的難度較大.另外，車輛駛入主線時，駕駛人視距較遠，在遠處頂部區(qū)域和左側區(qū)域的關注時間較長；車輛駛入匝道時，駕駛人視距不足，在右側區(qū)域和近處路面區(qū)域的關注時間較長.

3) 城市隧道分流區(qū)駕駛人注視轉移特性：駕駛人需要多次重復注視才能獲取有效交通信息，車輛駛入主線時，駕駛人對中心區(qū)域和近處路面區(qū)域的重復注視概率最大；車輛駛入匝道時駕駛人對右側區(qū)域和頂部區(qū)域的重復注視概率最大.在注視穩(wěn)定后，駛入主線的車輛，駕駛人80%以上的注視點落在近處路面區(qū)域、左側區(qū)域和中心區(qū)域；駛入匝道的車輛，駕駛人60%以上的注視點落在遠處頂部區(qū)域和右側區(qū)域.