馬 勇,石涌泉,付 銳,2,郭應(yīng)時(shí)
(1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院,西安710064;2.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)運(yùn)輸安全保障技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710064)
分心駕駛(Distracted driving)是一種常見(jiàn)但卻極易引發(fā)交通事故的不安全駕駛行為[1]。統(tǒng)計(jì)表明,在美國(guó)由于駕駛?cè)朔中脑斐傻能?chē)道偏離碰撞事故占碰撞事故總數(shù)的20%,且此類(lèi)交通事故的致 死 率 高 達(dá)41%[2];王 武 宏 等[3]對(duì)2032 起 道路交通事故進(jìn)行致因分析,發(fā)現(xiàn)其中241起事故的主要原因是分心,占比達(dá)11.86%。
雖然最新研究表明,根據(jù)駕駛?cè)说念^部運(yùn)動(dòng)特征可以區(qū)分注意力集中時(shí)的駕駛行為和視覺(jué)分心時(shí)的駕駛行為[4],但駕駛?cè)祟^部運(yùn)動(dòng)的測(cè)量卻是比較困難的,并且若要達(dá)到能夠區(qū)分是否分心的程度,其對(duì)測(cè)量精度的要求也較高。與頭部運(yùn)動(dòng)相比,車(chē)道偏離作為駕駛?cè)朔中牡囊环N最直接且最危險(xiǎn)的表現(xiàn)形式,對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量相對(duì)容易得多。
駕駛分心與車(chē)道偏離的關(guān)系已有廣泛研究。Deram[2]認(rèn)為,分心駕駛通常會(huì)導(dǎo)致跑偏事故,并通過(guò)熟練駕駛?cè)说牡缆吩囼?yàn)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛的位置、橫向速度、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度等都能表征駕駛分心。在Brumby等[5]的研究中,用車(chē)輛偏移車(chē)道中心線(xiàn)距離的標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)注意力分散時(shí)駕駛?cè)说能?chē)道保持能力。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Rakauskas等[6]則選取轉(zhuǎn)向偏移(車(chē)輛偏離車(chē)道中心線(xiàn)轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)差)和橫向平均車(chē)速(每秒橫向偏移的距離)研究了不同通話(huà)復(fù)雜度下的駕駛行為與車(chē)輛橫向位置保持的關(guān)系。T?rnros等[7]和Rosenbloom[8]通過(guò)模擬駕駛分組試驗(yàn),得到撥號(hào)時(shí)車(chē)輛橫向位置偏差增大和通話(huà)時(shí)車(chē)輛橫向位置偏差變小的結(jié)論。宋殿明[9]在對(duì)駕駛?cè)艘暰€(xiàn)離開(kāi)前方視野過(guò)程中駕駛?cè)说男袨檠芯恐?,以?chē)輛偏移車(chē)道中心線(xiàn)的幅度衡量車(chē)道保持特性,發(fā)現(xiàn)隨著視線(xiàn)離開(kāi)前方視野時(shí)間的增加,駕駛?cè)说能?chē)道保持能力變差。馬勇等[10]采用非接觸式眼動(dòng)儀采集多位被試駕駛?cè)嗽趯?shí)際駕駛過(guò)程中的眼動(dòng)數(shù)據(jù),分析了駕駛?cè)艘暰€(xiàn)離開(kāi)前方區(qū)域情況下的注視頻次及注視時(shí)長(zhǎng)特性。
盡管?chē)?guó)內(nèi)外研究者幾乎一致認(rèn)為并通過(guò)試驗(yàn)證明了駕駛分心會(huì)引起車(chē)道偏離,但在選取表征車(chē)道保持或車(chē)道偏離程度的指標(biāo)方面,仍存在著較大的差異,目前尚無(wú)研究明確表明分心時(shí)長(zhǎng)與車(chē)道偏離之間的關(guān)系,并且關(guān)于分心多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)讓駕駛?cè)烁杏X(jué)到危險(xiǎn)或發(fā)生明顯的車(chē)道偏離,也鮮有報(bào)道[10-13]。本文通過(guò)在實(shí)際道路環(huán)境中開(kāi)展實(shí)車(chē)試驗(yàn),研究駕駛?cè)朔中臅r(shí)長(zhǎng)與車(chē)道偏離之間的關(guān)系,以期明確分心過(guò)程中的車(chē)道偏離規(guī)律,并為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)駕駛分心主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
試驗(yàn)車(chē)輛采用上海大眾途安牌轎車(chē),車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的車(chē)道偏離報(bào)警(Lane departure warning,LDW)系統(tǒng)采集試驗(yàn)車(chē)至左、右車(chē)道線(xiàn)的距離,采樣頻率為10 Hz,精度為5cm;高精度GPS模塊記錄試驗(yàn)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的速度;通過(guò)多路工業(yè)攝像機(jī)對(duì)駕駛?cè)说念^部運(yùn)動(dòng)、操作行為和前后車(chē)道交通場(chǎng)景、周?chē)煌ōh(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
共對(duì)12名駕駛?cè)诉M(jìn)行實(shí)際道路駕駛試驗(yàn),被試者身心健康。其中包含男性駕駛?cè)?0名與女性駕駛?cè)?名,年齡分布范圍為26~48歲,平均年齡為35.8歲,SD=7.7;駕齡分布范圍為3~22年,平均駕齡為8.8年,SD=7.0。
在高速公路上進(jìn)行駕駛?cè)藢?shí)車(chē)試驗(yàn),試驗(yàn)路段為雙向6車(chē)道,車(chē)道寬3.75m,限速120km/h,試驗(yàn)路段長(zhǎng)約為45km。
駕駛?cè)朔中挠懈鞣N表現(xiàn)形式,視覺(jué)分心與認(rèn)知分心是駕駛過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的形態(tài)。在本文試驗(yàn)中設(shè)計(jì)分心任務(wù),使駕駛?cè)诵纬梢曈X(jué)分心和認(rèn)知分心:試驗(yàn)過(guò)程中,駕駛?cè)吮灰笸ㄟ^(guò)觀察左后視鏡中左側(cè)相鄰車(chē)道(超車(chē)道)上后方來(lái)車(chē)的圖像,識(shí)別其顏色,在其靠近自車(chē)過(guò)程中快速且多次地判斷其速度和距自車(chē)的距離,并向試驗(yàn)人員口頭報(bào)出這些信息。雖然觀察后視鏡是駕駛?cè)说幕抉{駛行為,但本文設(shè)計(jì)的分心試驗(yàn)中由于加入認(rèn)知分心任務(wù)(識(shí)別顏色、判斷速度與距離),使得駕駛?cè)艘暰€(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)了前方主視區(qū),不僅視線(xiàn)轉(zhuǎn)移過(guò)程中伴隨著明顯的頭部轉(zhuǎn)動(dòng),并且這樣的行為與正常駕駛行為明顯的差異,對(duì)車(chē)輛的安全行駛也有很大影響。
通過(guò)回放交通場(chǎng)景與操作行為視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻,根據(jù)駕駛?cè)藞?zhí)行試驗(yàn)內(nèi)容確定分心過(guò)程。其中起始時(shí)刻為駕駛?cè)藶閳?zhí)行試驗(yàn)內(nèi)容將視線(xiàn)從前方視野轉(zhuǎn)向左側(cè)后視鏡的瞬間,終止時(shí)刻為駕駛?cè)送瓿稍囼?yàn)內(nèi)容后將視線(xiàn)從左側(cè)后視鏡回到前方視野的瞬間。
以某一次分心過(guò)程為例,起始時(shí)刻前駕駛?cè)艘暰€(xiàn)和頭部位置如圖1(a)所示;起始時(shí)刻視線(xiàn)轉(zhuǎn)移的瞬間如圖1(b)所示;過(guò)程中駕駛?cè)艘暰€(xiàn)停留在左側(cè)后視鏡如圖1(c)所示;終止時(shí)刻視線(xiàn)回到前方的瞬間如圖1(d)所示;駕駛?cè)艘暰€(xiàn)在終止時(shí)刻后回到前方如圖1(e)所示。試驗(yàn)中視頻采集頻率為24幀/s,從圖1(b)到圖1(d),共經(jīng)歷2s加3幀,即該分心過(guò)程時(shí)長(zhǎng)為2.125s。
根據(jù)已確定的分心過(guò)程的起始和終止時(shí)刻,在原始數(shù)據(jù)中挑選出該過(guò)程對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),主要包括車(chē)輛距左、右車(chē)道線(xiàn)的距離和車(chē)速。
圖1 駕駛?cè)朔中倪^(guò)程Fig.1 Drivers’distraction process
車(chē)輛橫向位置示意圖如圖2所示,H 為車(chē)道寬,L1為車(chē)輛距離左側(cè)車(chē)道線(xiàn)距離,L2為車(chē)輛至右側(cè)車(chē)道線(xiàn)距離,D 為車(chē)身寬,車(chē)輛偏離車(chē)道中心線(xiàn)的距離為J。J 隨著時(shí)間的變化發(fā)生變化,表征車(chē)道保持特性。以車(chē)輛偏離車(chē)道中心線(xiàn)的距離J為基準(zhǔn),根據(jù)采樣頻率,得到各采樣時(shí)刻的偏離距離ΔJ,即:這就轉(zhuǎn)化成以車(chē)輛至左車(chē)道線(xiàn)的距離為基準(zhǔn),以各時(shí)刻車(chē)輛至左車(chē)道線(xiàn)距離L1i與起始時(shí)刻車(chē)輛至左車(chē)道線(xiàn)距離L10的差值表示相應(yīng)時(shí)刻車(chē)輛偏離車(chē)道中心線(xiàn)的距離,簡(jiǎn)稱(chēng)偏離距離。
圖2 車(chē)輛橫向位置Fig.2 Lateral position of vehicle
對(duì)該過(guò)程中各采樣時(shí)刻偏離距離求均值,得到該過(guò)程的車(chē)道偏離距離均值,表征該過(guò)程車(chē)道偏離車(chē)道中心線(xiàn)的平均距離,即:
對(duì)該過(guò)程中各采樣時(shí)刻偏離距離求方差,得到該過(guò)程的偏離距離的方差,簡(jiǎn)稱(chēng)偏離距離方差,表征該過(guò)程車(chē)道偏離的波動(dòng)程度,即:
對(duì)該過(guò)程中各采樣時(shí)刻偏離距離求最大值與最小值之差,得到該過(guò)程的偏離幅度,表征該過(guò)程車(chē)道橫向偏離的幅度,即:
按照第2.1節(jié)所述方法,本文共得到398組駕駛分心過(guò)程。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析駕駛分心過(guò)程時(shí)長(zhǎng)的分布特點(diǎn),得到分心時(shí)長(zhǎng)的極小值為0.58s,極大值為6.08s,平均時(shí)長(zhǎng)為2.132s,標(biāo)準(zhǔn)差為1.078s。駕駛分心過(guò)程中分心時(shí)長(zhǎng)的頻次比例及累積百分比如圖3所示。由圖3可知,試驗(yàn)中駕駛?cè)笋{駛分心過(guò)程中分心時(shí)長(zhǎng)分布在[1.0,1.5)區(qū)間內(nèi)的比例最大,主要集中在[1.0,2.5)時(shí)間內(nèi),比例達(dá)66.42%;駕駛?cè)艘暰€(xiàn)離開(kāi)前方道路的時(shí)長(zhǎng)大于1.0s則達(dá)89.88%。
圖3 分心時(shí)長(zhǎng)分布Fig.3 Distribution of distraction time
馬勇的研究[10]表明,駕駛?cè)嗽谝暰€(xiàn)離開(kāi)前方區(qū)域情況下,超過(guò)60%的注視對(duì)象是車(chē)內(nèi)區(qū)域,且駕駛?cè)擞^察左后視鏡區(qū)域的次數(shù)高于右后視鏡區(qū)域;約90%的注視時(shí)長(zhǎng)小于1.0s,注視時(shí)長(zhǎng)為0.4~0.8s的比例超過(guò)50%。這說(shuō)明駕駛?cè)耸芊中母蓴_,視線(xiàn)轉(zhuǎn)移和停留在左側(cè)后視鏡的時(shí)間明顯較長(zhǎng),顯著區(qū)別于正常駕駛時(shí)觀察左側(cè)后視鏡的時(shí)長(zhǎng)。
馬勇等[13]的研究表明,當(dāng)駕駛?cè)艘暰€(xiàn)離開(kāi)前方道路超過(guò)2s,則碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大增。因此,顯著區(qū)別于正常駕駛,駕駛?cè)朔中臅r(shí)長(zhǎng)對(duì)車(chē)道偏離的影響需要進(jìn)一步研究。
按照前文介紹的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,對(duì)所采集到的分心過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別得到偏離距離的均值、方差、幅度與分心時(shí)長(zhǎng)關(guān)系的散點(diǎn)圖,如圖4~圖6所示。從圖4~圖6可見(jiàn),隨著分心時(shí)長(zhǎng)增大,偏離距離的均值、方差和幅度均隨之增大,且增加速度越來(lái)越快。為了探尋偏離距離的均值、方差和幅度與分心時(shí)長(zhǎng)之間的關(guān)系,分別 采 用Kendall、Spearman 和Pearson 對(duì) 樣 本 進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見(jiàn)表1。
圖4 偏離距離均值與分心時(shí)長(zhǎng)的散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram between mean distance of lane departure and distraction time
圖5 偏離距離方差與分心時(shí)長(zhǎng)的散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram between variance distance of lane departure and distraction time
綜上分析,偏離距離的均值、方差和幅度與分心時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性均通過(guò)Kendall、Spearman 和Pearson檢驗(yàn),并表現(xiàn)為在0.01水平(單側(cè))上顯著相關(guān)。
表1 相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of correlation tests
圖6 偏離幅度與分心時(shí)長(zhǎng)的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram between amplitude distance of lane departure and distraction time
通過(guò)車(chē)道偏離與分心時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)性分析,可以認(rèn)為偏離距離的均值、方差和幅度分別與分心時(shí)長(zhǎng)之間具有一定的關(guān)系。為了明確這種關(guān)系,分別采用線(xiàn)性方程、二次方程和三次方程對(duì)散點(diǎn)圖4、圖5和圖6進(jìn)行擬合,分別得到擬合系數(shù)R2如表2所示。
表2 擬合系數(shù)R2Table 2 Fitting coefficients R2
各散點(diǎn)圖的三次方程擬合系數(shù)均最高,對(duì)應(yīng)的擬合圖形分別如圖7~圖9所示,擬合公式分別為:
對(duì)圖7~圖9分析可知,車(chē)道偏離距離的均值、方差和幅度均隨著分心時(shí)長(zhǎng)的增加而增加,且增加的速度越來(lái)越快。
由式(5)(6)(7)分別計(jì)算得到:當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)分別達(dá)到2.302、3.266和3.915s時(shí),偏離距離的均值分別達(dá)到10、20、30cm;當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)分別達(dá)到2.316、3.187和3.762s時(shí),偏離距離的方差分別達(dá)到50、100 和150;當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)分別達(dá)到2.490、3.127和3.632s時(shí),偏離距離的幅度分別達(dá)到10、20和25cm。綜上所述,當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3.2s左右時(shí),車(chē)道偏離距離均值、偏離距離方差和偏離幅度分別突破20、100和25cm。
圖7 偏離距離均值與分心時(shí)長(zhǎng)的擬合Fig.7 Fitting between mean distance of lane departure and distraction time
圖8 偏離距離方差與分心時(shí)長(zhǎng)的擬合Fig.8 Fitting between variance distance of lane departure and distraction time
圖9 偏離幅度與分心時(shí)長(zhǎng)的擬合Fig.9 Fitting between amplitude distance of lane departure and distraction time
分心過(guò)程中的車(chē)道偏離與分心時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性,且車(chē)道偏離隨著分心時(shí)長(zhǎng)的增加表現(xiàn)出了明顯的變化規(guī)律。為了便于進(jìn)行分心駕駛與正常駕駛各相同時(shí)長(zhǎng)組內(nèi)偏離距離均值的比較,考慮到數(shù)據(jù)分布的細(xì)微變化和提高數(shù)據(jù)分析的合理性,本文結(jié)合百分位排序法對(duì)分心時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行排序(見(jiàn)表3),確定0.5s的分組區(qū)間。
誤差條形圖用以表達(dá)樣本的均值及均值的95%置信區(qū)間,可以通過(guò)誤差條形圖來(lái)比較兩個(gè)總體均值之間的差異。本文分別做出分心駕駛和正常駕駛時(shí)各時(shí)長(zhǎng)組的偏離距離均值、偏離距離方差和偏離幅度的誤差條形圖,如圖10~圖12所示。
表3 分心時(shí)長(zhǎng)百分位數(shù)Table 3 Percentile of distraction length
圖10 偏離距離均值的對(duì)比Fig.10 Comparison of mean distance of lane departure
從圖10~圖12分析可知:各時(shí)長(zhǎng)組內(nèi),分心駕駛的車(chē)道偏離的均值、方差和幅度均高于正常駕駛。正常駕駛時(shí)各組偏離距離的均值、方差和幅度幾乎都分別在10cm、100cm2和20cm 以下,而分心時(shí)長(zhǎng)小于3.0s時(shí)各組偏離距離的均值、方差和幅度也分別在10cm、100cm2和20cm以下,略微高于正常駕駛的統(tǒng)計(jì)值,但分心時(shí)長(zhǎng)大于3.0s時(shí)各組偏離距離均值、偏離距離方差和偏離幅度均分別超過(guò)10cm、100cm2和20cm 這一水平并迅速增加。
圖11 偏離距離方差的對(duì)比Fig.11 Comparison of variance distance of lane departure
圖12 偏離幅度的對(duì)比Fig.12 Comparison of amplitude distance of lane departure
結(jié)合第3.1節(jié)中擬合公式的計(jì)算,當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)分別為2.30s和3.27s時(shí),偏離距離的均值分別達(dá)到10cm 和20cm;分心時(shí)長(zhǎng)為3.18s時(shí),偏離距離的方差達(dá)到100cm2;分心時(shí)長(zhǎng)為3.18s時(shí),偏離幅度達(dá)到20cm。綜上認(rèn)為分心時(shí)長(zhǎng)超過(guò)3.0s時(shí),分心駕駛引起的車(chē)道偏離迅速增加,顯著高于正常駕駛時(shí)的偏離量。在高速行駛時(shí),這樣的車(chē)道偏離狀況是非常危險(xiǎn)的,很容易與周邊車(chē)輛離得太近而發(fā)生刮蹭或碰撞。
(1)通過(guò)利用車(chē)道線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)、高精度GPS和交通場(chǎng)景與操作行為視頻監(jiān)控系統(tǒng),在實(shí)際道路上,基于小型試驗(yàn)車(chē)對(duì)12名被試駕駛?cè)诉M(jìn)行了駕駛試驗(yàn),分析了駕駛?cè)朔中臅r(shí)長(zhǎng)與車(chē)道偏離的關(guān)系。
(2)試驗(yàn)得到駕駛?cè)艘曈X(jué)分心時(shí)長(zhǎng)主要分布在1~2.5s的區(qū)間,約占2/3的比例;而視覺(jué)分心時(shí)長(zhǎng)高于3.5s的情況雖然較少,但其比例仍接近13%。可見(jiàn),大部分駕駛?cè)艘曈X(jué)分心的時(shí)長(zhǎng)具有一定的習(xí)慣性和主觀忍受極限,但也有少部分駕駛?cè)巳菀自谕ㄟ^(guò)左后視鏡觀察后車(chē)情況的過(guò)程中,長(zhǎng)時(shí)間將視線(xiàn)偏離前方主視區(qū)。
(3)高速駕駛時(shí),駕駛?cè)朔中臅r(shí)長(zhǎng)顯著影響車(chē)輛的車(chē)道偏離量。隨著分心時(shí)長(zhǎng)的增加,車(chē)道偏離越來(lái)越嚴(yán)重。尤其當(dāng)分心時(shí)長(zhǎng)超過(guò)3.0s時(shí),車(chē)道偏離超過(guò)一定水平并在短時(shí)間內(nèi)迅速增大,從而很容易與周邊車(chē)輛發(fā)生碰撞。因此為保證安全行車(chē),駕駛?cè)藨?yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間將視線(xiàn)偏離前方主視區(qū)。
(4)通過(guò)研究分心過(guò)程中的車(chē)道偏離規(guī)律,可以為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)駕駛分心主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,如分級(jí)預(yù)警和設(shè)定預(yù)警閾值等。同時(shí),在考慮其他可能影響駕駛分心過(guò)程中車(chē)道偏離的因素方面,以及多種分心行為(如視覺(jué)分心與操作分心同時(shí)發(fā)生)方面,還需要進(jìn)一步深入研究。
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