不同车速条件下汽车驾驶员注视特性研究

基金项目 上海市高校培养优秀青年教师科研专项基金资助 基金项目 上海市高校培养优秀青年教师科研专项基金资助 gjd08022 上海高校知识创新工程上海高校知识创新工程 085 工程工程 建设项目资助建设项目资助 JZ0901 不同车速条件下汽车驾驶员注视特性研究不同车速条件下汽车驾驶员注视特性研究 摘摘 要要 利用 EMR 8B 眼动仪系统研究在不同车速条件下通过固定字高的交通标志牌时驾 驶员注视特征 结果表明 在固定字高条件下 驾驶员在接近交通标志牌的过程中 随着 车速的增加 驾驶员注视的几何中心向交通标志牌偏移 注视范围变小 视线变的更加集 中 注视时间也随着车速的增加而延长 关键词关键词 交通工程 驾驶员 试验研究 动态视觉 车速 注视特性 中图分类号中图分类号 U491 254 文献标识码文献标识码 A The study of the driver s fixation characteristic with different speeds Li Yong fang College of Automotive engineering Shanghai University of Engineering Science shanghai 201620 China Abstract With the EMR 8B eye tracking system studied the driver s fixation characteristic that the condition of driver s at different speeds through given high of word on signs The results showed that With the condition of in the given word height and the driver closing to the signs as speed increased the driver of the geometric center of attention shift to the signs look at the scope changed smaller and vision became more focused Fixation duration increased as the speed of the extension KeyKey words words Traffic engineering Driver Experimental research Dynamic vision speed fixation characteristic 0 引言引言 在行车过程中 驾驶员需要及时感知瞬息万变的交通信息 根据统计分析 各种感觉 器官给驾驶员提供的交通信息中 视觉占了 80 1 75 90 的人体活动也是由视觉引起 的 1 驾驶员在驾驶操作过程中存在 感知 判断 操作 的过程 2 5 国外有许多学者对 驾驶员视觉特性及注视行为进行了研究 6 10 而且 驾驶员在驾驶车辆过程中 95 的视觉 信息是动态的 大量的研究表明 与交通事故最为密切相关的是驾驶员的动态视觉特性 可见 驾驶员的动态视觉特征如 眼睑闭合状态 注视区域 注视方向 注视时间等是驾 驶员注意力的线索 能够很好地反映驾驶员与自身所处驾驶环境 车内 车外 的互动关 系 以及反映驾驶员的内在生理 心理状态 因此驾驶员动态视觉特性是驾驶员驾驶行为 特性研究中的重要内容 1 驾驶员的动态视觉特征驾驶员的动态视觉特征 11 驾驶员在运动状态下观察外界事物时 其视觉特征与静止状态有明显不同 主要表现 有以下几个方面 1 视锐度降低 视锐度也叫视力 它是指人通过视觉器官辨别视野中空间距离非常 小的两个物体的能力 通常在静止状态下测得的视力叫静止视力 而在运动状态下驾驶员 所具有的视力叫动态视力 实验表明 动态视力随着运动速度的增加而下降 2 视野变窄 视野是指人的头部和视线固定时 两眼所能够看到的空间范围 通常 人的双眼视野范围水平方向约为 160 180 垂直方向约为 100 130 为了保证行车安 全 驾驶员需要有宽阔的视野 但实际上 随着车速的提高 驾驶员的视野在变窄 3 空间识别范围缩小 空间识别能力是指人们对事物的大小 运动状态以及空间距 离的辨认能力 在车辆行驶中 对于在车辆周围距离较近的物体 驾驶员很难分辨清楚 因为距行驶车辆越近的物体 其相对运动角速度就越快 在驾驶员眼睛中的映象就越模糊 4 视觉观察能力下降 随着汽车行驶速度的增加 驾驶员的视觉观察能力下降 5 视觉刺激量增大 反应错误增加 在运动状态下 驾驶员的观察时间受到限制 车速越快 给驾驶员的观察时间就越短 而单位时间内对驾驶员眼睛的刺激信息量却越多 这就使得驾驶员很难对车外信息作出准确的感知判断 因而导致大量的反应错误 2 试验试验 2 1 试验目的试验目的 设计不同的车速条件 驾驶员通过一定字高的交通标志牌时 眼睛注视点变化的全过 程来研究车速对驾驶员动态视觉行为特征的影响 本文通过设计 30km h 60km h 和 90km h 三种不同车速通过固定字高为 20cm 的交通标志牌的实车试验 研究不同车速条件 下汽车驾驶员注视点和注视时间分布特性 2 2 试验方案试验方案 本试验为了排除其他因素的干扰 固定了道路条件 交通环境和试验车辆等 忽略其 他因素的影响 最大限度地避免由于道路条件的变化和交通环境景观差异对试验结果一致 性的影响 仅将车速变化作为试验可变因素 考虑车速对驾驶员动态视觉行为特征的影响 试验选择在一段固定路线上 在路线的末端设有一字高为 20cm 的交通标志 见图 1 和表 1 要求驾驶员以不同的速度通过 交通标志上会随机出现不同的信息 信息的内容 为要求驾驶员执行一项操作 眼动仪系统会记录驾驶员眼睛运动的全过程 试验对象为 4 名驾龄均超过 2 年且具有良好驾驶习惯的驾驶员 本试验为确保驾驶员能够较为真实地按 照正常的驾驶习惯进行 预先不告知驾驶员试验的真实意图和试验条件的改变 表 1 设定条件 Tab 1 Designed conditions 条件车速 km h标志牌信息 条件 13020cm 字高 鸣号一次 条件 26020cm 字高 鸣号二次 条件 39020cm 字高 鸣号三次 注 表中条件 1 表示驾驶员以 30km h 的行驶车速观察字高为 20cm 的交通标志牌 交通标志牌上的信息 为 鸣号一次 其余条件依此类推 图 1 试验路段 Fig 1 Test section 图 1 中起始点和结束点是指数据记录的起点和终点 它们之间相距 350 米 使驾驶员 有足够的时间在某一速度下基本保持匀速通过 在本试验中 主要采用的试验仪器是眼动仪 眼动仪是通过实时测量驾驶员眼球转动 的角度 记录驾驶员注视点在垂直视平面上位置的变化 驻留时间 累计驻留时间和频次 等 并且采用录像记录驾驶员注视点在垂直视平面移动的轨迹 通过对眼动仪的记录数据 的处理 可以有效地分析驾驶员注视点的变化 眼球的运动过程以及动态视觉规律 图 2 为眼动仪在试验过程中的录像画面 由于试验要求驾驶员基本保持匀速行驶 所 以驾驶员不自觉的观看速度表的次数较多 图 2 中左图为驾驶员观看道路前方正常试验时 的视点录像画面 右图为驾驶员观看速度表时的视点录像画面 图 2 驾驶员观看道路前方和速度表时的视点录像画面 Fig 2 The fixation point video images of driver watched the road ahead and the speedometer 3 试验数据分析试验数据分析 1 注视点的分布规律 图 3 为经过眼动仪处理的数据 左 中 右图分别表示的是某一驾驶员在速度分别为 30km h 60km h 和 90km h 通过字高为 20cm 的标志牌时眼睛注视点的变化图 图 3 车速为 30km h 60km h 90km h 驾驶员注视点分布 Fig 3 Driver s fixation distribution with speed of 30km h 60km h 90km h 图中的圆圈位置反映出眼睛注视点的分布情况 圆圈直径表示眼睛注视点注视时间的 长短 表明试验过程中 驾驶员眼睛注视点聚集频次的相对值及分布 从图中我们可以看出 随着速度的增加 驾驶员的注视几何中心基本保持在道路中心 位置 但是右上角的位置被关注的程度和时间在逐渐增强和增加 通过以后对所有驾驶员 的统计分析 发现其他驾驶员也同样存在这样的一种分布规律 分析原因 这是由于标志 牌设在道路右侧 随着车速的增加 驾驶员注视的几何中心向交通标志牌偏移 2 注视时间的分布规律 图 4 图 5 图 6 表示的是不同车速下 驾驶员注视时间的分布 图 4 30km h 速度下驾驶员注视时间分布 Fig 4 Driver s fixation time distribution with speed of 30km h 图 4 表示的是驾驶员以 30km h 的速度通过交通标志牌时 注视时间的分布情况 从 图中可以看出 注视时间在 0 00 0 20sec 和 0 20 0 40sec 占到了总共注视时间的 95 以上 而 0 00 0 20sec 时间段占到了 75 左右 为所有时间段中比例最高的 也就是说 驾驶员 注视某一目标时 很大一部分时间只是在目标上停留片刻就转移视线了 数据表明 在低速度的条件下 驾驶员动态视力好 视野清晰 使其有充裕的时间对 各种交通信息进行处理分析 进而形成决策 因而对目标没有进行过多的关注 图 5 60km h 速度下驾驶员注视时间分布 Fig 5 Driver s fixation time distribution with speed of 60km h 图 5 表示的是驾驶员以 60km h 的速度通过交通标志牌时 注视时间的分布情况 与 图 4 比较 0 00 0 20sec 时间段下降到了 70 以下 而 0 40 0 80sec 的时间段比例上升了 这是因为 随着速度的增加 动态视力下降 驾驶员需要花更多的时间去辨认标志信息 所以注视的时间就延长了 图 6 90km h 速度下驾驶员注视时间分布 Fig 6 Driver s fixation time distribution with speed of 90km h 图 6 表示的是驾驶员以 90km h 的速度通过交通标志牌时 注视时间的分布情况 与 速度为 60km h 相比较 0 00 0 20sec 时间段的比例继续下降到 60 左右 最明显的就是 1 00 1 20sec 时间段的比例上升明显 这说明 随着速度的进一步增加 驾驶员对目标的注 视时间也在进一步增加 因为在高速的条件下 驾驶员不能从容的对标志信息进行判读 理解 图 7 不同速度下驾驶员注视时间分布情况的比较 Fig 7 Driver s fixation time distribution with different speeds 不同速度下驾驶员注视时间分布情况的比较如图 7 所示 从图中可以看出 在三种不 同速度下 0 00 0 20sec 和 0 20 0 40sec 这两个时间段的比例是最高的 这是由于无论是在 高速还是低速情况下 驾驶员主要还是观察整个交通情况 观察某一固定交通标志牌的时 间所占比例还是比较小的 随着速度的增加 驾驶员长时间注视的时间段比例上升 但上 升的幅度有限 从曲线的走势看 三种不同速度下 曲线都是逐渐走低的过程 但在 30km h 条件下曲线下降最快 其次是 60km h 下降最慢的是 90km h 的情况 这说明速度 对驾驶员判读交通标志牌信息的过程产生影响 并且速度越高 影响越大 4 结语结语 1 在固定字高条件下 驾驶员在接近交通标志牌的过程中 随着车速的增加 驾驶 员注视的几何中心向交通标志牌偏移 注视范围变小 视线变的更加集中 注视时间也随 着车速的增加而延长 2 随着运动速度的增加 驾驶员视觉的感知和判断能力呈下降趋势 而影响驾驶 员动态视觉特征的因素又是多方面的 所以 在交通安全管理工作中 特别是限定车辆行 驶速度时 必须要采取有针对性的措施 改善驾驶员在运动状态下的视觉感知和判断能力 最大限度地保证车辆行驶安全 3 在研究交通标志牌字高标准的合理性和科学性时 应该充分考虑车速的影响 参考文献参考文献 1 李作敏 交通工程学 M 第 2 版 北京 人民交通出版社 2000 2 方鼎 汽车驾驶员动态视认性的试验研究 D 西安 长安大学 2005 3 张建峰 汽车驾驶员动态视觉对感知 决策 校正模式的影响研究 D 西安 长安大学 2004 4 郭应时 付锐 张建峰 袁伟 不同通道宽度条件下汽车驾驶员注视点分布规律 J 交通运输工程学报 2006 6 2 51 54 5 郭应时 付锐 袁伟 张建峰 通道宽度对驾驶员动态视觉和操作行为的影响 J 中国公路学报 2006 19 5 83 87 6 UNDERWOOD G CRUNDALL D CHAPMAN P Selective Searching While Driving the Role of Experience in Hazard Detection and General Surveillance J Ergonomic