（道路与铁道工程专业论文）驾驶员视觉特性与山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究.pdf

硕士学位论文 摘要 山区高速公路长大纵坡线形指标的研究，对长大纵坡的设计和交通安全改善 有重要意义。在以往关于线形指标的研究中，多以汽车的动力性能为标准，而缺 少对人的因素的考虑，特别是对道路安全有着重要意义的驾驶员的考虑。本文提 出基于驾驶员视觉特性，注重以人为本的理念，选择视觉指标，应用先进的测量 技术和测试仪器以及工程数学方面的理论方法，进行实车试验，并对试验数据进 行定性和定量分析，得到定性和定量的道路线形指标的确定方法。 首先，根据视觉特性，确定与道路线形有关的视觉指标，这里选取了三个指 标，视觉轨迹，瞳孔面积变化率和眼闪次数与注视次数比。然后，根据研究目的 设计试验，研究驾驶员的视觉规律。在驾驶模拟舱模拟现实道路条件下，设计试 验，同步采集山区高速公路长大纵坡段的驾驶员视点运动轨迹、眼动、行车速度、 线形指标等数据。最后，将每一个指标单独作为一个章节进行研究，并且每一视 觉指标与道路线形指标的关系分析都分两部分进行：一是不同半径平曲线的驾驶 员视觉特性分析，分析平曲线半径对驾驶员视觉特性的影响：二是陡坡与缓坡段 的视觉特性分析，主要分析陡坡、缓坡在驾驶过程中对视觉特性的影响。 论文研究得到了如下结论：汽车在长大纵坡上运行时视点运动轨迹规律和频 率，f ，v ，阈值为2 2 次百米；研究驾驶员瞳孔面积变化率与道路线形指标之间的关 系，并提出以瞳孔面积变化率值6 o 和2 5 0 作为判别道路线形指标合理性的判断 标准；研究眼闪次数和注视次数与道路线形指标之间的关系，并确定眼闪次数与 注视次数比值的阈值0 2 0 。综合以上三个指标，得到论文所选组合段的平曲线最 小半径为4 6 0 m 。 关键词：长大纵坡；眼动仪；驾驶模拟舱；视点运动轨迹；轨迹周期频率；瞳孔 面积变化率；眼闪次数；注视次数 硕十学位论文 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图6 1 图6 2 图6 3 插图索引 视觉与事故的关系8 眼动仪图1 6 检测原理1 6 眼动仪的构成。1 6 眼动仪校正的示意说明图1 7 眼动仪校正1 7 驾驶模拟舱系统1 8 试验步骤2 3 平曲线中速度折线图2 7 曲线段完整轨迹运动过程3 0 平曲线段视点运动过程简图3 0 半径与频率关系曲线。3 1 规律一。3 3 规律二3 3 规律简图3 3 直线段驾驶员瞳孔变化3 7 下坡段驾驶员瞳孔变化趋势3 7 10 名驾驶员瞳孔变化平均值比较3 8 平曲线瞳孔面积增幅数据s p s s 分析4 1 半径与驾驶员百分比关系曲线4 2 陡坡与弯坡和缓坡的瞳孔面积柱形图。4 3 平曲线半径与评价等级关系曲线4 6 瞳孔变化率8 5 位s p s s 分析4 8 眼闪次数与注视次数比的增幅s p s s 分析一5 2 陡缓坡眼闪次数与注视次数比的柱形图比较5 3 眼闪次数注视次数与曲率关系曲线5 4 湖南大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。、作者签名：泛f 到日期：矽g 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规羹：碍蓁薹 羹雾运塑笺攫翌粪羹蓁蓁毖雾荣童冀冀薹电蓁雾毳蒌醛崭蓁；霪荔霾蓁毳 鬻荦莺羹鐾。霎羹耄薹增毪舞圈鞠雾薹蓁霾蒌冀鋈耳塞固冀羹羹薹羹蓁戳 翼蠹l 蓁豢蓁羹羹薹剧；霾蓁粪冀雾荔。冀刨配匏蠢塑弱蠡斟雾羹萋墅藤鏊 羹霎薹薹萋； 薹羹羹蓁羹怖薹 蓁，霾雾耋i 冀囊鍪蓄氯雾彰蹩霪霾冀， i ：希 一21 驾驶员信息统计21 驾驶员基本信息信息2 2 调查所需人员、仪器及配套工具清单2 2 驾驶员的初始瞳孔面积大小2 5 各路段的平均瞳孔面积2 5 各段驾驶员眼闪次数与注视次数比2 5 不同平曲线半径不同位置小汽车的8 5 运行车速统计分析2 6 陡坡段不同坡度的车速。2 7 硕上学位论文1 1 课题背景第1 章绪论 1 1 1 我国道路交通安全形势 改革开放以来，随着我国经济的快速发展，公路交通运输基础设施也得到了 前所未有的发展，公路路网结构得到了较大的改善，国省道干线逐渐由高等级公 路构成，公路交通的瓶颈制约和全面紧张状况得到缓解。公路通车里程迅猛增长， 到2004年底，公路通车里程达1856万公里，高速公路总里程达342万公里， 高速公路通车里程已跃居世界第二位。同时我国的机动车保有量持续快速增长， 2004年达1亿700多万辆。公路交通的快速发展和汽车的普及一方面给人们的出 行带来了方便，另一方面又使人们面临着交通事故高发的严峻形势。 2001至2003年我国道路交通死亡人数已经连续三年超过夥靳驰静髓列囊1；o量必 刹墅鬈墅鼋瑶韶蓁雪孽嚣性恨删缁憾摆馒雅帮i 塑溺囊喙引型全酽黾崮于氰毫耋黼 葡雏藕翰萌玎矧酎醭强弱媚一； 奏鬟。襄塞囊薹霎雾薹羹雾薹蓁鋈冀霎 齑囊曰型翥鬻犁弘；冀囊；招蔫鲻配繇嘏誓犀琴醮积囊摆嬖耋蚕霎冀翼i 囊 薹雾乖萎霎雾圣薹霎冀蕞羹薹! 菱霎蓁谲墨稀p ；定掣堇竖眢荐作复i 耄型勤劳 gi 烈彦警肇券罄鍪蚕辇蛩! 象薹甥蓁货优复馋化攘各种精密检测仪器及手段， 在收集车辆 连续运行时驾驶员视觉数据的基础上，分析驾驶员视点运动轨迹的变化规律、瞳 孔大小变化的规律、眼闪次数、注视点数，探讨道路线形指标与驾驶员视觉特性 的关系。 其主要目的是针对我国的高速公路设计中的不足，以视点运动特征为核心指 标，以视觉引导驾驶行为的观点来协调有关高速公路设计中线形指标要素的定量 研究，一方面可以为修订高速公路设计规范服务，另一方面可以在一定程度上减 少因线形而诱发的交通事故。 1 2 2 论文研究的意义 本论文以驾驶模拟舱中山区高速公路驾驶员视觉检测数据为依据，研究高速 公路的线形指标与驾驶员视觉特性的关系，特别是山区长大纵坡“陡坡接缓坡并 在变坡点插入平曲线的组合段的视觉特性，提出高速公路以人为本的设计思想， 使道路线形满足驾驶员的驾驶需求，以提高交通安全性。其意义将主要表现在以 驾驶员视觉特性与山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 大下坡路段重特大交通事故的发生率较高，所面临的交通安全形势也更加严峻。 在山区建设高等级公路，由于地形和经济条件的限制，连续长大下坡路段几乎不 可避免，随着西部地区公路基础设施建设的快速发展，连续长大下坡路段的交通 安全问题将会越来越突出1 1 1 。 1 1 3 山区长大连续纵坡形线形设计存在问题 我国一些山区公路，在其连续下坡路段交通事故频发的事实表明：目前用于 山区公路线形涉及的有关指标仍有不少需要进一步研究探讨的问题。在实际设计 过程中，设计人员可以做出符合标准、规范要求的多种“合法、不合理 的纵断面设计【2 1 。尤其是当地形起伏大，地质情况复杂，必须采用连续升坡或降 坡展线的方法克服高差，虽然平纵线形指标都符合现行标准、规范的要求，但由 于指标频繁变化以及极限设计值的使用使得连续长大纵坡路段不管是位于高速公 路还是一般公路上，交通事故发生的机率明显增大，而且是重、特大交通事故较 多，近年来已经成为社会和舆论关注的热点和焦点问题。 1 2 论文研究的目的和意义 1 2 1 论文研究的目的 本论文内容是作为“山区高速公路超长连续纵坡线形质量参数化评价与优化 技术资助课题的一部分，旨在通过运用各种精密检测仪器及手段，在收集车辆 连续运行时驾驶员视觉数据的基础上，分析驾驶员视点运动轨迹的变化规律、瞳 孔大小变化的规律、眼闪次数、注视点数，探讨道路线形指标与驾驶员视觉特性 的关系。 其主要目的是针对我国的高速公路设计中的不足，以视点运动特征为核心指 标，以视觉引导驾驶行为的观点来协调有关高速公路设计中线形指标要素的定量 研究，一方面可以为修订高速公路设计规范服务，另一方面可以在一定程度上减 少因线形而诱发的交通事故。 1 2 2 论文研究的意义 本论文以驾驶模拟舱中山区高速公路驾驶员视觉检测数据为依据，研究高速 公路的线形指标与驾驶员视觉特性的关系，特别是山区长大纵坡“陡坡接缓坡并 在变坡点插入平曲线的组合段的视觉特性，提出高速公路以人为本的设计思想， 使道路线形满足驾驶员的驾驶需求，以提高交通安全性。其意义将主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 完善道路设计理论。北京工业大学【3 l 于1 9 9 1 年提出的以人为本的设计思想，不 仅考虑汽车行驶要求，还考虑用路者的交通要求，用路者的心理生理反应，综合人、 硕上学位论文 车的要求，提出以动态的观点设计路线的各个元素，并力求协调。 本论文以视点运动为核心，通过分析道路几何线形对视点运动的影响，以适应长大 纵坡组合段的视觉特性需要为目标，从而体现出动态的道路设计观点，实现道路的人性 化设计。所以本论文的研究，也是将道路设计新理论应用于道路设计的深化，对进一步 完善我国道路设计理论具有重要现实意义。 ( 2 ) 为我国道路设计规范的修订提供参考。我国至今没有对道路线形设计方面进行 视觉上的研究。不同国家具有不同的文化背景，驾驶行为也有所区别，但无疑的是驾驶 员视觉引导驾驶行为、调整驾驶期望。本研究希望借鉴其他各国的研究成果，对我国高 速公路驾驶视觉进行实际调查、理论分析，并提出适合我国高速公路交通特点的长大纵 坡组合段的分析方法，为我国进一步修订道路设计规范奠定基础，无疑具有重大意义。 ( 3 ) 提高高速公路的安全水平。高速公路技术标准高，建设质量好，但几乎每条高速 公路都不同程度地存在事故多发路段。尽管高速公路事故多发路段一般都是多种因素综 合影响的结果，如果在道路设计过程中进一步体现以人为本的思想，以动态的观点看待 道路线形对车辆运行状态的影响，势必能够在一定程度上减少交通事故的诱发因素。曾 经有事故调查显示，见表1 1 。 表1 1 事故诱因分析 事故的主要原因由不利道路因素促使事故发生的百分比 驾驶员的不良生理状况( 如疲倦、生病) 驾驶员的操作失误、错误( 如不正确的超车) 驾驶员的判断失误( 制动距离判断失误等) 4 0 4 1 3 4 表1 1 显示，道路交通条件对驾驶员的影响较大。在驾驶员作为事故的主要 成因时，其中由于道路因素引起的驾驶员问题占了很大比例。操作失误和判断失 误等错误都是由于视觉反馈错误引起的，因此通过合理的线形设计，使曲线、直 线合理地组合，给驾驶员良好的视觉感受，达到视觉上的连续，减少事故隐患， 从而提高道路的交通安全水平。 1 3 国内外研究现状及评述 1 3 1 视觉特性与线形关系的国内外研究现状 1 3 1 1 国外研究现状 1 视觉需求 国外早在数十年前就已经发现视觉需求与线形的相关性1 4 - 7 l 。视觉需求常常 与驾驶员驾驶操作负荷相联系，如眼动测量已经被运用数十年之久。眼睛闪动、 硕上学位论文 仞“一一试验段总的驾驶时间，s 。 2 视觉轨迹 有人考察了在弯道行驶中的眼动模式f 1 3 16 1 。结果发现，在弯道行驶时，驾驶 员可以从道路在视觉中成像时的两个部分获得视觉信息，以便在弯道内驾驶时保 持正确的位置。第一部分在驾驶员前方o 7 5 1 0 0 秒( 弧度单位) 处，它被用于 前瞻性机制，保证驾驶员看到路的转弯处。另一部分在驾驶员前方0 5 秒( 弧度单 位、处，它被用于反馈机制，保证汽车行驶在路的中间，而不碰到边沿。他们还 指出，不管是熟练的驾驶员还是不熟练的驾驶员，都表现出了反馈机制。而熟练 的驾驶员更多地表现出前瞻性机制1 1 7 】。然而这些都没有建立模型进行定量说明。 1 3 1 2 国内研究现状 在国内，关于视觉在道路交通方面的研究有一些。如长安大学方鼎的汽车驾 驶员动态视认性的试验研究。基于对驾驶员行为特征及信息处理过程的分析，设 计试验方案并应用眼动仪进行试验，通过初步试验得到不同影响因素如车速、标 志字体高度、个体差异对驾驶员感知过程中视觉特性的影响以及驾驶员在各种条 件下眼睛运动的规律等相关结论。 国内还有利用视觉在阅读中的研究等等。瞳孔方面的研究【1 8 _ 2 2 1 ，如彭晓武等 v d t 阅读作业脑力负荷的评价、视觉显示终端心算作业脑力负荷的评价；康卫勇 等瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验分析；李勇等阅读中疲劳、心理负荷因素对 瞳孔大小的调节作用。注视次数及注视时间的研究【2 3 1 ，如闰国利等在广告学中关 于注视次数注视时间等的研究。这些都对我们的研究有所启示。 1 3 2 空白点及突破方向 线形与视觉关系的研究在国内外还很少，本文提出的基于视觉的山区高速公 路长大纵坡线形指标研究在国内外尚属首次，研究中诸多内容还处在尝试性阶段。 本文利用视觉特性三个指标一一视觉轨迹、瞳孔大小变化率、眼闪次数注视次数， 来对道路线形指标进行定性和定量的研究。 本文抓住以下几个方面作为视觉与线形关系研究的突破方向： ( 1 ) 视点的运动轨迹规律，这里我们主要研究4 5 的陡坡和2 5 的缓坡相接， 并在变坡点处插入平曲线时的视点轨迹，并建立数学关系模型。 ( 2 ) 利用瞳孔面积变化率这一与驾驶员视觉特性密切相关，并不受意识控制的 指标，作为道路线形组合是否合理的评价指标，研究瞳孔面积变化率与线形指标 之间的关系。 ( 3 ) 研究眼睛闪动次数注视次数与道路线形指标的关系，并建立数学关系模 型。 驾驶员视觉特性与山区高速公路长人纵坡线形指标关系研究 1 4 研究目标、内容与技术路线 1 4 1 研究目标 对视觉特性与线形指标关系进行研究，根据视觉特性变化阈值，来确定线形 指标。本文主要研究4 5 陡坡接2 5 缓坡的竖曲线中( 变坡点) 插入不同半径平曲 线时“组合段”的视觉特性变化，以此来确定这种组合情况下的平曲线半径极值， 同时分析这种组合情况陡坡和缓坡对视觉特性的影响。 1 4 2 研究内容 本论文的研究立意是进行自由流状态下高速公路组合段的定量研究，初步建 立视觉特性与道路线形指标的关系模型，基于此，本次研究范畴大致包括： ( 1 ) 视觉轨迹。通常驾驶员在道路上驾车行驶时，特别是在自由流状态下，视 点的序列会出现一定的规律性，并且这些轨迹也会出现一些特性。 ( 2 ) 瞳孔大小变化。瞳孔的运动不受意识的控制，因此，它是判断一个人真正 能承受多大工作负荷的一个可靠指标。同时工作负荷( 驾驶操作负荷) 与道路线形 密切相关，因此本研究通过不同难度的驾驶任务，在驾驶模拟舱试验环境中，利 用眼动仪来记录瞳孔变化，分析不同难度的驾驶操作任务水平下瞳孔的变化，研 究线形指标与瞳孔变化之间的关系。 ( 3 ) 眼闪次数和注视次数。眼闪次数和注视次数这一概念，是根据国外关于视 觉需求在道路线形设计中的研究提出的，类似于视觉需求。眼睛闪烁频数和持续 时间均已表现出与视觉工作量的直接关系：工作负荷增加时眨眼频率降低，注视 时间增长。在压力下，驾驶员试图减少眨眼次数，注视时间增长，并且减少每次 眨眼时的闭眼的时间。因此可以根据眼闪和注视来判断道路线形的复杂程度，是 道路线形指标定量确定的一个可靠的视觉指标。 ( 4 ) 在确定各视觉指标与道路线形指标的关系模型之后，利用模型确定视觉指 标阈值，并通过阈值得到道路线形指标的极值。 1 4 3 技术路线 本研究采用“以系统分析理论、视觉需求引导理论以及心理、生理分析理论 为指导，以大量模拟环境下的实测数据为基础，以计算机辅助和数学建模为手段， 建立模型，确定指标阈值 的技术路线。 ( 1 ) 以系统分析、视 x 驾驶员视觉特性j 山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 第2 章视觉特性与线形指标 2 1 视觉在道路线形与交通事故关系中的位置分析 事故调查发现一定比例的事故形成的原因在于突变，归根结底是线形不能满 足驾驶员的视觉需求造成的这种突变，本文的研究思路基于车辆在道路上的运行 关系图，如图2 1 。 图2 1 视觉与事故的关系 从图中各因素的连接关系可以发现： ( 1 ) 公路线形是驾驶员所注视的主要对象。由于动视觉的特性，随着车速的提 高，驾驶员的边缘视野缩小即公路两侧的环境在视野中所占的比例大幅度下降。 对于设计速度低的乡村道路，路面在驾驶员的视觉中所占的比例是8 ，根据地 形和种植情况，公路两侧占8 0 以上。以4 0 公里小时的速度行驶在6 车道高速 公路上时，路面在视界中所占的比例增加到2 0 。以9 6 公里小时的速度行驶时， 视野缩小，路面所占的比例为3 0 ，空间所占的比例为5 0 ，公路两侧所占的比 例减少到2 0 以下，特别是在地形平坦的情况下，又下降了5 1 2 4 j 。 硕上学位论文 (2)视觉特性影响驾驶员心理和行车速度。首先，视觉影响心理。驾驶员在不 同线形指标的山区公路上行驶时，不良的视觉条件，会使其心理出现不同的紧张 程度，同时过大的坡度，急剧的弯、坡组合或过高的行车速度必然会加剧驾驶员 的行车紧张度程度，从而增加其工作强度和心理负荷，繇；缉瓣狲摧弦港筒搦滏 薹盘蟊滩墼；利粥韵刳射群答挹，藤醺动通常称为平滑尾靖礞磉jp 酌薹诺鞘雀 淑恭箬呆二徭嚣鬟矧坠孺。籀碳滗冀囊榉佩带麓；缣咎嶙曜型篓希冀；雾蓁蓁 鎏薹雾薹冀蓁羹! 上蒸嗥硼耍嚣理；骚裂矬悟翅掣哭0 击；灞攘醋攘型攀薷鬣 拜糠辑缝醑囊箍舰粥鳟嘲j 卟醵驯捐媸酣殖瓤弱朝爵赫雾裂蓁盈涩蹩雾翘；爵冀 垮勰独嘭黑嫩攒懑嵫羹蓁蘑咀手强幂洋衣珂却存在很大争议。通常说来，当我们喜欢某样东西时，我们常常用目不转 睛来形容对它的兴趣，因此，在眼动实验中，注视持续时长短，可被用来表明被 试者对测试部分兴趣度。但在阅读试验中，发现，注视持续时间，也可以反映提 取信息的难易程度，比如遇到低频词，注视便停留得久，因此，注视时长也是提 取信息困难的指标。 ( 2 ) 注视次数，一次注视称为一个注视点，注视次数是指注视点的总数量，是 区域重要程度的一个标志，注视次数越多，表明被试者对这个区域越关注。 ( 3 ) 注视点，注视点序列有两项指标可用，一是视觉落点，通过考察视觉落点 的次序，可以看出被试者视觉选择的关注度及兴趣度；二是视觉轨迹，记录注视 点在兴趣区之间的转换，注视点序列连结起来，可以画出被试者的视觉轨迹。 ( 4 ) 眼跳距离，眼跳距离是反映阅读知觉广度的一个指标，单位是度。 ( 5 ) 瞳孔变化，瞳孔大小变化反应了注视兴趣度，也反映了人的脑力负荷。 基于国外关于视觉需求与道路线形指标的研究，我们提出第六个数据性指标 一一眼闪次数。眼闪次数是指一单位( 可以是时间也可以是长度，可以根据试验需 求确定) 内眼睛眨动次数。 2 3 基于视觉特性的道路线形指标的确定方法 2 3 1 视觉指标的选取 2 3 1 1 视觉轨迹 视觉轨迹也就是视点序列，例如在阅读中，很多读者会回视，回视就是一种 视觉轨迹。回视是指读者的注视点退回到刚刚读过的内容上，对已经阅读过的内 容进行再次阅读。回视与注视时长一样，有可能是因为兴趣，也有可能因为阅读 困难而导致。通常驾驶员在道路上驾车行驶时，特别是在自由流状态下，视点的特别是在自由流状态下，视点的 x 驾驶员视觉特性与山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 ( 2 ) 追随，眼球的一种较为平稳的运动方式。在以下两种情况下眼球作追随运 动：一是在头部保持不动的状态下，为了注视一个运动的物体，眼球随之移动， 而且移动的速度和方向随物体运动的情况而定；另一种情况是当头部和身体运动 时如驾驶员随车前行，为了使视线停留在一个固定物体上，眼球作与头部、身体 运动相反方向的相应运动。眼睛能平滑地追踪运动速度为1 3 0 。s 的目标，这种 缓慢、联合追踪眼动通常称为平滑尾随跟踪。平滑尾随跟踪必须有一个缓慢移动 的目标，在没有目标的情况下，一般不能执行。 2 2 2 视觉试验主要指标 以下是眼动试验测试时所使用的五个主要数据性指标【2 7 以9 j ： ( 1 ) 注视持续时间，注视持续时间是眼动数据的一项重要指标，但对这一数据 的解释却存在很大争议。通常说来，当我们喜欢某样东西时，我们常常用目不转 睛来形容对它的兴趣，因此，在眼动实验中，注视持续时长短，可被用来表明被 试者对测试部分兴趣度。但在阅读试验中，发现，注视持续时间，也可以反映提 取信息的难易程度，比如遇到低频词，注视便停留得久，因此，注视时长也是提 取信息困难的指标。 ( 2 ) 注视次数，一次注视称为一个注视点，注视次数是指注视点的总数量，是 区域重要程度的一个标志，注视次数越多，表明被试者对这个区域越关注。 ( 3 ) 注视点，注视点序列有两项指标可用，一是视觉落点，通过考察视觉落点 的次序，可以看出被试者视觉选择的关注度及兴趣度；二是视觉轨迹，记录注视 点在兴趣区之间的转换，注视点序列连结起来，可以画出被试者的视觉轨迹。 ( 4 ) 眼跳距离，眼跳距离是反映阅读知觉广度的一个指标，单位是度。 ( 5 ) 瞳孔变化，瞳孔大小变化反应了注视兴趣度，也反映了人的脑力负荷。 基于国外关于视觉需求与道路线形指标的研究，我们提出第六个数据性指标 一一眼闪次数。眼闪次数是指一单位( 可以是时间也可以是长度，可以根据试验需 求确定) 内眼睛眨动次数。 2 3 基于视觉特性的道路线形指标的确定方法 2 3 1 视觉指标的选取 2 3 1 1 视觉轨迹 视觉轨迹也就是视点序列，例如在阅读中，很多读者会回视，回视就是一种 视觉轨迹。回视是指读者的注视点退回到刚刚读过的内容上，对已经阅读过的内 容进行再次阅读。回视与注视时长一样，有可能是因为兴趣，也有可能因为阅读 困难而导致。通常驾驶员在道路上驾车行驶时，特别是在自由流状态下，视点的 驾驶员视觉特性与山区高速公路长人纵坡线形指标关系研究 ( 3 ) 具体方法：把飞机驾 鲤雅醚；潞v 耋囊刺毓若；蠹甄斑眭蓁堑萎纂套对鸯j 船员篓荔缎剿霹稚薹基蓖 麻；鲔童：芋薹萋= ；塞萼自一冀薹跚耋g 霉型蔬戳誊影稀； 防捕毳鳕囊萤，雾i 崩旨i l 罗薰薹。零| 瘩；毳威熊于瞳雾鞠缒绝霪趟鱼；蓄象型鼎龄 尘晷驯i 薹兰件 下： ( 1 ) 通过眼动仪对驾驶员眼睛运动的全纪录，得到视点运动轨迹、瞳孔大小、 眼闪次数、注视次数分布的数据。 ( 2 ) 同时通过驾驶模拟舱同步得到模型车全程的位置、速度数据。 以上数据相结合，研究驾驶员视点运动轨迹规律、瞳孔大小、眼闪次数、注 视次数、线形之间的关系。 3 1 1 2 试验原理 驾驶员在长大纵坡上行驶，随着线形组合复杂程度的变化，驾驶员的视觉特 征会随之发生空间分布及时间分布的变化。这样驾驶模拟舱、眼动仪就可以获得 空间位置、视点、瞳孔大小、眼闪次数、注视次数等动态数据，并结合摄影技术 记录行车全过程情景和特殊事件数据，达到试验目的。 3 1 2 试验条件 3 1 2 1 试验仪器实验设备 1 眼动仪 根据英国 d e r b y 大学行为科学研究所的d i v i dw o o d i n g 教授建立的眼动仪数 据库网站( h t t p ：i b s d e r b y a c u l 【e m e d ) 公布的结果，目前世界上约有4 4 家生产 眼动仪的厂家。目前，利用电流记录法生产眼动仪的公司有法国的m e t r o v i s i o n 公 司生产的m o d e lm o ne o g 眼动仪；利用电磁感应法生产眼动仪的公司有荷兰 s k a l ar 公司；利用光学记录法中角膜和瞳孔的反射原理来设计的眼动仪最多， 硕士学位论文 确定道路线形指标，并提出c o o p e r h a r p e r 定性和模型定量确定道路线形指标的 方法。 驾驶员视觉特性与山区高速公路k 火纵坡线形指标关系研究 第3 章试验过程及数据的采集 驾驶员在高速公路上行驶时，不同道路线形等因素会对驾驶员的视觉需求和 心生理机能产生一定的影响，为了能够定量的分析视觉与线形之间的关系，减少 干扰因素的影响，进行了驾驶模拟环境下的实车试验。 3 1 试验设计 3 1 1 试验方案 3 1 1 1 试验目的 在驾驶模拟舱模拟现实道路条件下： ( 1 ) 通过眼动仪对驾驶员眼睛运动的全纪录，得到视点运动轨迹、瞳孔大小、 眼闪次数、注视次数分布的数据。 ( 2 ) 同时通过驾驶模拟舱同步得到模型车全程的位置、速度数据。 以上数据相结合，研究驾驶员视点运动轨迹规律、瞳孔大小、眼闪次数、注 视次数、线形之间的关系。 3 1 1 2 试验原理 驾驶员在长大纵坡上行驶，随着线形组合复杂程度的变化，驾驶员的视觉特 征会随之发生空间分布及时间分布的变化。这样驾驶模拟舱、眼动仪就可以获得 空间位置、视点、瞳孔大小、眼闪次数、注视次数等动态数据，并结合摄影技术 记录行车全过程情景和特殊事件数据，达到试验目的。 3 1 2 试验条件 3 1 2 1 试验仪器实验设备 1 眼动仪 根据英国d e r b y 大学行为科学研究所的d i v i dw o o d i n g 教授建立的眼动仪数 据库网站( h t t p ：i b s d e r b y a c u l 【e m e d ) 公布的结果，目前世界上约有4 4 家生产 眼动仪的厂家。目前，利用电流记录法生产眼动仪的公司有法国的m e t r o v i s i o n 公 司生产的m o d e lm o ne o g 眼动仪；利用电磁感应法生产眼动仪的公司有荷兰 s k a l a r 公司；利用光学记录法中角膜和瞳孔的反射原理来设计的眼动仪最多， 主要的生产厂家有德国的s m i 公司，加拿大的s r 公司，美国应用科学实验室 ( a s u ，日本的i s c a n 公司。 硕士学位论文 对主要眼动仪公司的产品性能进行了比较，结果如表3 1 1 2 6 ，3 1 1 。 表3 1 四种主要的视线跟踪设备性能 本研究采用的为德国的s m i 公司生产的眼动仪( 见图3 1 ) ，该仪器是由e m r 主机、控制器、摄像机以及数据分析软件等部分组成的一个仪器系统。e m r 主机 包括两台卫星高速摄像机和其它光学部件，是仪器的输入端，它的功能是输入被 测试者观察场景或物体时眼球运动信息，完成视点运动规律及场景停留时间等数 据的获取。控制器其功能是对仪器进行调试、视点标定以及初始环境变量的设置。 场景摄像机是仪器系统的输出端，用于存储e m r 主机获取的眼球运动信息和场 景影响数据【3 2 1 。 【1 ) 原理，为瞳孔一一角膜反射向量法。通过固定眼摄像机获取眼球图，利用 亮瞳孔和暗瞳孔的原理，提取出眼球图像内的瞳孔，利用角膜反射法校正眼摄像 机与眼球的相对位置，把角膜反射点数据作为眼摄像机和眼球的相对位置的基点， 瞳孔中心位置坐标就表示视线的位置。 图3 2 说明强膜反射法的检测原理，上下各有个元件，中间为光源，光源使 用的是红外线发光二极管，隔着光源两边是受光元件。 照射到眼球的光在白眼珠和黑眼珠的反射率不同，将反射率的差别扩大，取 之差为水平方向输出，取之和为垂直方向输出。 ( 2 ) 特征，包含以下几点： 使用该仪器进行试验时，只需检验单眼视点的x y 坐标。 采用蓄电池组驱动，不但使得仪器在实验室内可以使用，而且使将眼动仪 用于户外测定也成为了可能。 将以往系统下分离开的机器如监视电视，检测器，调整器小型化，安置于 同一盒中。由此，系统实现了体积上的小巧化。 早期的与本产品类似的检测眼睛活动的机器有如下的难点难以调整，检验 驾驶员视觉特性与山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 者必须掌握操纵机器的技术等。针对这些问题，本产品加以改善，采用了由计算 机程序控制的自动校正功能，由此，不仅花在校正上面的时间可大为减少，检验 与被检验双方的负担减轻，而且可以测出最真实的眼睛的活动状态。 安装于被检验者头部的检测器由于采用了小型的摄像头，与以往的产品相 比，具有体积小，重量轻等优点。 图3 1 眼动仪 水平方商籍出垂直方向输出 图3 2 检测原理 ( 3 ) 构成，眼动仪主要由三个部分构成，如图3 3 所示： i 小型c c d 摄像机缀像机控制器影像调 制电路 l 红外检测眼球运动检测电路 麦克风麦克风a m p 图3 3 眼动仪的构成 硕士学位论文 ( 4 ) 校正，传感器的安装与校正在整个试验的过从中都显得非常重要，在校正 过程中要注意以下点： 使眼球中心与光源中心一致。 把传感器与眼球的距离调整到约。 把传感器与水平线的角度调整为约一度。 眼动仪进行校正时的示意说明图如图3 4 所示。 中：凸 图3 4 眼动仪校正的示意说明图 2 0 3 0 p 另外，传感器的校正按照校正精度的不同，可以分为三个等级5 点校正、9 点校正和1 3 点校正，分别如图3 5 所示，其中，箭头的方向和标注的数字为校正 过程中标定板的标定顺序。标定的过程中，对应的小圆圈里的发光二极管将亮起， 引导被检验者进行标定。 a ) 眼动仪5 点校正b ) 眼动仪9 点校正c ) 眼动仪1 3 点校正 图3 5 眼动仪校正 ( 5 ) 数据处理，试验过程中的数据保存在磁盘中，录像由眼动仪自带的录像机 保存在录像带中，以便试验后对试验进行数据分析和处理。 试验完成后，可以通过录像的回放对试验的过程进行详细的分析，录像画面 详细记录了驾驶员在试验过程中眼睛的注视点的运动轨迹、试验采样数目、轨迹 点的坐标、瞳孔直径、注视次数、眨眼次数、注视时间等。 驾驶员视觉特性与山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 该眼动仪没有自带的分析软件，试验过程中保存在磁盘中的数据导入e x c e l ， 进行分析。实验得到的眼动数据主要有：瞳孔位置坐标、瞳孔直径( x 、y 方向) 、 角膜反射点坐标、视点轨迹坐标、眼闪次数、注视次数、注视时间。 2 驾驶模拟舱 ( 1 ) 模拟舱系统组成【3 3 1 ，如图3 6 所示。其硬件主要包括：驾驶模拟舱，提供 场景输出的4 个投影仪，声频输出设备和8 台计算机。其中4 台计算机分别用来 为驾驶员提供道路、左侧、右侧、后方道路模拟图像，通过4 台投影仪输出到能 提供1 4 0 。水平视野和4 0 。垂直视野的屏幕上。另有2 台计算机用来提供左右两 个后视镜的实时场景，通过8 2 5 5 m m 的液晶显示屏进行输出。这样，驾驶员可 以获得与真实道路上驾驶时一样的视觉效果。另有1 台计算机专用于操作平台， 操作平台是操作指令、远程控制、命令服务器和实时监控系统的集合体，通过平 台可以实现整个系统的启动、错误信息显示、实时监控、故障诊断等一系列功能。 通过动态处理过程将软件的指令转化成数字信号，对信号进行转换、放大，实现 对模拟舱的控制。在4 个车轮处加装电控系统，这样在场景中驾车时，根据场景 中的道路和环境在平、纵、横方向上的差异，车辆可以产生相应幅度的振动，驾 驶员可以获得与真实道路和环境相同的振动感。使用o p e f a t o rp a n e l 实时监控路 网交通状况。另外，系统数据库主要包括道路、地物、其他车流模型、自行车和 行人的三维模型和路网基本结构，以实现不同的驾驶场景，如城市道路、山区公 路、高速公路等。为了模拟驾驶人员在道路行驶环境中的驾驶行为，该模拟舱使 用t 0 v o t ay a r i s 车型。为了增强真实的驾驶效果，声频输出设备除了使用车辆自 身的喇叭之外，在车辆后部还增加了其他声频设备，用来模拟发动机、车辆运行 过程中的振动以及道路上的其他声音，同时在车辆制动、鸣笛、转弯侧滑时发出 相应的声音，增强驾车的真实性。 图3 6 驾驶模拟舱系统 ( 2 ) 数据获取与数据结构。为了研究驾驶行为，必须确定参数体系。交通系统 硕士学位论文 是一个复杂大系统，是由人、车、路和环境等基本要素构成的。因此，获取相关 参数也从这4 个角度出发，挑选出能反映驾驶员在驾车过程中的特性参数和与交 通安全相关的参数。为了更好地组织数据，也为了更好地进行数据分析，以驾驶 员在驾驶中的时间为轴，按每1 s 为间隔作输出采样，在每一个时刻点分别获取这 4 大类变量中的相关参数，在该数据库中，以时间序列作为主键，其他字段分别 为每一个类中的子项，随着驾驶过程的延续，就可以形成一个完整的数据库：驾 驶员基本参数为心率、呼吸、动态血压、脑电( 印硝波) 和眼动数据( 注视点位置、 注视点顺序、注视路径、注视时间、瞳孔直径、眨眼次数) ；车辆基本参数为实时 速度、实时加速度、制动踏板使用、制动距离和转向角度；道路基本参数为路面 宽度、路肩宽度、弯道半径、超高、填方高度、有无防护、纵坡坡度、标志高度、 标志位置、标志类型、信号灯高度和信号灯位置；交通基本参数为交通流、流量 和密度；环境基本参数为雾、雨和雪。 在这些参数中，驾驶员的参数需要在驾车过程中测试，如使用眼动仪来测取 驾驶员注视点的信息；至于车、路及交通量的参数虽然可在模拟舱的控制端实时 显示，但由于系统本身的原因，无法直接将其保存为数据文件。因此，为了获取 这些数据，需要编写c + + 程序。 ( 3 ) 场景定制，为驾驶员驾车提供模拟环境，包括地形、地物、道路结构、标 志标线、行人和自行车，也是模拟舱运行的重要组成部分。用来实验的场景必须 为实验目的服务，如在测试驾驶员不同半径的弯道上行车时，需要获得驾驶员的 生理指标的变化情况，找出影响驾驶安全的道路线形的域值。因此在设置场景时， 除了要考虑平曲线的半径、长度、超高、与纵曲线的组合情况、车道宽等因素， 还要考虑其他车辆对车辆转弯的影响。在使用s c e n a r i ob u i l d e r 进行场景定制时， 要逐一把这些因素考虑周全。采用“s p 语言，通过面向对象编程，定制出车辆 的运行轨迹和车辆遇到其他车辆的各种反应，并把每一个这样的事件，编写成一 个类，地形场景平台如，场景定制编程界面。 3 1 2 2 试验路段 当车辆行驶于同时有平面曲线存在的纵坡路段时，驾驶员一方面要完成转弯 动作，同时需要调整车辆状态完成下坡或上坡动作，两种动作的组合增加了驾驶 员对车辆行驶状态控制的复杂程度【3 4 l 。在山区高速公路长大纵坡设计中，这种 组合坡段是不可避免的，也是事故的高发段。 在样本高速公路设计资料的基础上，针对本次研究的目的，以山区高速公路 克服高差主要设计方法一一陡坡加缓坡的组合方法为设计方法【3 5 l ，设计了试验路 段【3 3 l ：试验路段总长为7 k m ，双向4 车道，设计车速为8 0 k m h ，纵坡设计为4 5 的陡坡和2 5 的缓坡，并在陡坡和缓坡的变坡点处插入平曲线，以这样“个陡 幽匦斋城 的设计路线作为试验路段( 处理数据时选取了6 公里) ，为试验提供了 由于本研究主要分析下坡过程的视觉特性与道路线形指标的关并且为了 减少由于驾驶员对道路情况及实验仪器的不适应，7公里的试验路段坡3次， 12公里的雅泸高路设计路段l下坡2次，sl上坡各1次。试验顺序下、上、 下、下共4次，l下、上、下共3次。预计总实验路段长度为7：ic4+12宰3l公里 人次，每个驾驶员的实验时间15小时(包括试验仪器佩戴、调试时驾车测试 表3 46 公里雅泸高速平曲线要素表 3 1 2 3 试验人员 1 驾驶员 因为眼镜或隐形接触型眼睛使得凝视方向变得困难，因此在选择驾驶员时不 需要视力矫正的人员为首选。然而，在实验中，如果有这类人员，需要对结果进 行修正。实验人员信息表见3 5 ，3 6 。 表3 5 驾驶员信息统计 生监亘坌丝【丝)窭监亘坌些( 丝) 2 0 3 05 03 51 8 7 5 3 0 4 0 2 55 1 05 0 4 0 以匕 2 5 1 0 以上 3 1 2 5 驾驶员视觉特性与山区高速公路长人纵坡线形指标关系研究 2 调查所需人员、仪器及配套工具清单 本次车速调查每个调查路段所需人员、仪器及配套工具数量如表3 7 所示。 表3 7 调查所需人员、仪器及配套工具清单 3 1 2 4 其他注意事项 为了避免试验过程中非道路因素对驾驶员视觉的影响，在试验安排及试验条 件上要注意以下几点： ( 1 ) 道路模拟天气情况为晴朗。 ( 2 ) 试验次数及时间安排。为了不致使驾驶员在行车试验中产生疲劳，每位驾 驶员在试验路段上驾车行驶一次后休息2 分钟，并且为了避免由于驾驶员本身对 试验路段的不熟悉及试验设备的干扰，每位驾驶员采集3 次数据。 ( 3 ) 为了保证各仪器在试验起点上时间的一致性，试验开始前应准确核对或记 录各仪器的时间。 ( 4 ) 为了使驾驶员在行车过程中适应仪器并不受其干扰，在行车试验前要由试 硕上学位论文 验人员给驾驶员示范，在驾驶员能适应仪器的存在后开始进行实验。 ( 5 ) 由于驾驶环境对仪器测量结果有很大影响，在驾驶员驾驶时保持绝对安 静。 3 2 试验步骤 具体试验步骤见图3 7 。 3 3 试验数据的采集 团 图3 7 试验步骤 3 3 1 眼动仪数据采集 眼动仪的数据以视频和文本的形式记录保存在配置的电脑中，以e v e n t s 文本， s a m p l e s 文本保存，其采集频率为每秒5 0 组，数据量很大。 视频文件( 图4 1 是眼动仪视频的截图) 驾驶员视觉特性j 山区高速公路长大纵坡线形指标关系研究 3 3 2 驾驶模拟舱数据采集 驾驶模拟舱的数据同样以视频和文本的形式记录保存在配置的电脑中，以 t e s t 文本文件保存，其采集频率为每秒3 0 组。 3 4 试验数据的处理 3 4 1 术语名词的定义 由于文中问题讨论的需要，出现了一些未被普遍定义却有其特殊涵义的名词， 在此作如下定义： ( 1 ) 注视点，指驾驶员在试验过程中，眼睛注视的瞬时位置。 ( 2 ) 平均注视点，对驾驶员试验过程中的某一特定时间段内所有注视点算术平 均后得到的虚拟注视位置，其反映的是驾驶员注视的几何中心。眼动仪采集的数 据即为平均注视点，由于采集的频率较大，因此注视点集中在一个很小的区域内， 用平均注视点可以代替这个小区域的几何中心。 ( 3 ) 瞳孔面积，瞳孔面积不是实际意义上的瞳孔面积大小，而是指根据屏幕得 到的x 、y 方向直径像素值计算得到，瞳孔面积用s 表示，瞳孔变化率用妒表示。 ( 4 ) 眼闪次数，即眼睛的眨动次数，由于个人特质不同及存在采集频率，因此 这个次数也是相对次数。 ( 5 ) 注视次数，一次注视称为一个注视点，注视次数是指注视点的总数量，是 区域重要程度的一个标志，某区域的注视次数越多，表明被试者对这个区域越关 注。 ( 6 ) 眼闪次数注视次数，这个比值是本文研究利用的一个视觉指标，指的是眼 闪次数与注视次数的比值，用来表示。通常道路线形复杂时，增大，驾驶员 的视觉需求增加。 3 4 2 眼动仪数据处理 眼动仪得到的数据以文本文件保存，数据量很大，每秒有数据5 0 组，每个驾 驶员在路段上行使一次的数据量大概为1 8 0 0 0 组，一个驾驶员的眼动数据大概有 7 2 0 0 0 组。并且需要进行数据提取，为了提高处理的效率，采用e x c e l 、s p s s 软 件以及自编的m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k2 0 程序处理数据，得到每个驾驶员在驾 驶过程中的瞳孔面积，眼闪次数与注视次数的比值，并且把对应道路条件下的驾 驶员的瞳孔面积平均处理。为了增加样本量我们在1 2 公里的路段上选取了一个相 似的“组合 ，其平曲线半径为3 2 0 m ，数据加入眼闪次数与注视次数的比值表中。 具体初始处理见表3 8 、3 9 、3 1 0 ，表格中8 0 0 m ，6 3 0 m ，5 0 0 m ，4 0 0 m ，3 2 0 m 为 平曲线半径值。 硕士学位论文 表3 8 驾驶员的初始瞳孑l 面积大小 驾驶员编号 瞳孔面积( 像素) 驾驶员编号 瞳孔面积( 像素) 17 0 0 7 1 492 4 2 6 9 3 27 2 9 3 4 21 02 0 5 4 8 0 34 3 5 7 5 9 1 1 2 9 1 6 9 4 47 6 6 8 6 91 21 6 7 5 6 8 52 1 5 4 2 51 34 0 7 6 8 9 63 5 9 6 5 41 42 0 9 2 4 2 7 2 2 6 6 9 81 5 2 1 9 0 2 2 82 0 9 1 6 81 63 0 0 4 0 9 表3 1 0 各段驾驶员眼闪次数与注视次数比 2 5 驾驶员视觉特性与山区高速公路长人纵坡线形指标关系研究 3 4 3 驾驶模拟舱数据处理 驾驶模拟舱得到的数据也以文本文件保存，同样，数据量很大，每秒有数据 3 0 组，每个驾驶员在路段上行使一次的