摘要：對(duì)高速公路上分心駕駛的視覺(jué)特性進(jìn)行了研究。鑒于分心駕駛是交通事故的重要誘因，通過(guò)實(shí)車實(shí)驗(yàn)，在80 km/h、100 km/h、120 km/h三種車速下，設(shè)計(jì)視覺(jué)分心和認(rèn)知分心任務(wù)，利用遙測(cè)式眼動(dòng)儀采集駕駛員眼動(dòng)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，分心駕駛顯著改變了駕駛員的視覺(jué)注意力分布，縮小了視覺(jué)搜索范圍，并影響了眨眼頻率。尤其在高速行駛時(shí)，認(rèn)知分心導(dǎo)致駕駛員的注意力集中度大幅下降，這無(wú)疑增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)論不僅為開(kāi)發(fā)高效的分心駕駛識(shí)別技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，也為交通安全實(shí)踐提供了重要的指導(dǎo)。通過(guò)揭示分心駕駛對(duì)駕駛員視覺(jué)特性的影響，期望能為減少交通事故、提升道路安全水平做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：交通安全；高速駕駛；分心；視覺(jué)特性

中圖分類號(hào)：U492.8 收稿日期：2024-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.018

1 前言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，高速公路作為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其安全狀況日益受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。然而，分心駕駛已成為引發(fā)交通事故的重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一，嚴(yán)重威脅道路使用者的生命安全。分心駕駛，指的是駕駛員在駕駛過(guò)程中，由于執(zhí)行與駕駛?cè)蝿?wù)無(wú)關(guān)的活動(dòng)，導(dǎo)致注意力從駕駛?cè)蝿?wù)中轉(zhuǎn)移，從而降低了對(duì)車輛的控制能力和對(duì)周圍環(huán)境的感知能力[1-3]。近年來(lái)，隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)分心駕駛行為的識(shí)別與預(yù)警已成為提高道路安全性的重要手段之一。

駕駛員獲得交通信息超過(guò)85%來(lái)自視覺(jué)[4]，視覺(jué)系統(tǒng)是駕駛員獲得外界信息最重要的渠道。視覺(jué)信息主要通過(guò)眼動(dòng)信號(hào)反映[5]，眼動(dòng)是通過(guò)追蹤眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄注視點(diǎn)和眼動(dòng)軌跡的技術(shù)，眼動(dòng)追蹤最關(guān)注的事件是確定被試人員看的地方（“注視點(diǎn)”或“凝視點(diǎn)”），準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是通過(guò)眼動(dòng)儀設(shè)備進(jìn)行圖像處理技術(shù)，定位瞳孔位置，獲取坐標(biāo)，并通過(guò)一定的算法，計(jì)算眼睛注視或者凝視的點(diǎn)。

眼動(dòng)信號(hào)主要分為四大類：注視、眼跳、瞳孔變化和眨眼。注視是眼睛在特定位置的持續(xù)停留[6]，主要指標(biāo)有注視點(diǎn)位置、注視持續(xù)時(shí)間和注視次數(shù)等[7]，揭示了視覺(jué)信息的獲取過(guò)程。眼跳是眼球的快速移動(dòng)，視線從一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一點(diǎn)[8]，通過(guò)眼跳幅度、眼跳速度、眼跳方向和眼跳準(zhǔn)備時(shí)間來(lái)描述。瞳孔變化反映了個(gè)體的生理和心理狀態(tài)，主要指標(biāo)包括瞳孔直徑、瞳孔擴(kuò)張/收縮速度和瞳孔變化模式[9]。眨眼則是眼瞼的快速閉合和打開(kāi)，以眨眼頻率、眨眼持續(xù)時(shí)間和眨眼潛伏期為主要指標(biāo)。

Alberto等[10]分析了駕駛員在自動(dòng)和手動(dòng)駕駛模式下的視線轉(zhuǎn)移和持續(xù)時(shí)間的變化。劉卓凡等[11]研究了不同交通環(huán)境下視覺(jué)分心程度對(duì)駕駛行為的影響，探討了視覺(jué)分心與駕駛安全性的關(guān)系。褚英帆等[12]聚焦于不同年齡段駕駛員在駕駛過(guò)程中因?yàn)g覽車載信息系統(tǒng)而導(dǎo)致的分心問(wèn)題，分析了駕駛員在不同中控屏布局和任務(wù)負(fù)荷下的視覺(jué)行為特性。

綜上，視覺(jué)分心深刻影響駕駛行為，而車速差異會(huì)導(dǎo)致駕駛員視覺(jué)信息的差異。鑒于此，本文采取實(shí)車實(shí)驗(yàn)，以眼動(dòng)信號(hào)為基礎(chǔ)，挖掘不同車速下駕駛員分心駕駛時(shí)的視覺(jué)特性，為高速分心駕駛行為識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法，為提高交通安全水平做出貢獻(xiàn)。

2 實(shí)車試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)安排在一條25 km長(zhǎng)的高速路段進(jìn)行，該路段有清晰的道路標(biāo)線和交通標(biāo)志。為探討不同車速下駕駛員分心駕駛視覺(jué)特性的區(qū)別，分別選擇三天上午9∶30～11∶30，天氣晴朗，溫度在20～30 ℃之間進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。受試者首先進(jìn)行基礎(chǔ)視線校準(zhǔn)，然后在不同車速下（80 km/h、100 km/h、120 km/h）進(jìn)行駕駛。在駕駛過(guò)程中，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了視覺(jué)分心任務(wù)（看路側(cè)廣告牌）和認(rèn)知分心任務(wù)（計(jì)算測(cè)試）兩類任務(wù)研究駕駛員的視覺(jué)特性，同時(shí)駕駛員無(wú)任何其他干擾正常駕駛一段路程作為參照。

a.看路側(cè)廣告牌。被試者按照副駕試驗(yàn)人員要求看窗外路測(cè)的廣告牌，看到后回答已看到即可恢復(fù)正常駕駛，一共三次。

b.計(jì)算測(cè)試。被試者回答副駕試驗(yàn)人員提出的計(jì)算測(cè)試題，口頭表達(dá)計(jì)算公式結(jié)果，一共三題，測(cè)試題目如：44加27等于多少？81減38等于多少？

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

使用遙測(cè)式眼動(dòng)儀（SmarteyePro）進(jìn)行受試人員眼動(dòng)信號(hào)的采集，設(shè)備主要包含4個(gè)非接觸式眼動(dòng)追蹤攝像機(jī)、3個(gè)紅外燈照明裝置和1個(gè)場(chǎng)景攝像頭，采樣率為60 Hz。眼動(dòng)追蹤攝像機(jī)分別固定在汽車中控臺(tái)位置上，兼顧采集受試者從左后視鏡到右后視鏡的視角范圍內(nèi)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)，包括視線區(qū)域、注視時(shí)長(zhǎng)及眨眼頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，研究受試者的視線注意力分布特征，同時(shí)通過(guò)GPS采集車輛速度信息。試驗(yàn)設(shè)備搭建如圖1所示。

基于視野平面對(duì)駕駛室主要注視區(qū)域進(jìn)行劃分，識(shí)別包括前方道路主視區(qū)、儀表盤信息顯示區(qū)、后視鏡觀察區(qū)、車載信息系統(tǒng)交互區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域，并通過(guò)高精度激光掃描確定各區(qū)域的邊界，最后在眼動(dòng)儀軟件中進(jìn)行建模。以中間的攝像頭為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)二維信息搭建假象空間，構(gòu)建駕駛室注視區(qū)域模型如圖2所示。

各部分對(duì)應(yīng)區(qū)域名稱見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確表征駕駛員正常駕駛時(shí)的視覺(jué)特性，試驗(yàn)過(guò)程中采集如下數(shù)據(jù)：

a.注視點(diǎn)。駕駛過(guò)程中，通過(guò)駕駛員的注視點(diǎn)可以確定駕駛員主視區(qū)。

b.平均掃視幅度。平均掃視幅度是指相鄰兩個(gè)注視點(diǎn)之間的范圍，通常用兩個(gè)注視點(diǎn)之間的夾角來(lái)表示。

c.眨眼頻率。眨眼頻率是指駕駛?cè)藛挝粫r(shí)間內(nèi)眨眼的次數(shù)。

d.偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)。偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)是指駕駛員視線離開(kāi)主要關(guān)注區(qū)域的時(shí)間長(zhǎng)度，記錄駕駛過(guò)程中駕駛員視點(diǎn)偏離主視區(qū)的時(shí)長(zhǎng)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 駕駛員主視區(qū)

在本次實(shí)車試驗(yàn)中，記錄了駕駛員正常駕駛時(shí)在不同車速（80 km/h、100 km/h、120 km/h）下的視線區(qū)域分布數(shù)據(jù)。為了更直觀地展示這些數(shù)據(jù)，選擇每個(gè)車速下5 min（即300 s）的穩(wěn)定駕駛時(shí)間作為分析對(duì)象，并生成了圖3所示的柱狀圖。該柱狀圖展示了在不同車速下，駕駛員注視點(diǎn)落在各個(gè)區(qū)域的比例。圖中，每個(gè)車速下的數(shù)據(jù)都通過(guò)不同顏色的柱子表示，橫軸代表不同的視線區(qū)域，縱軸代表注視點(diǎn)落在該區(qū)域的比例。通過(guò)比較不同車速下各區(qū)域的比例，可以分析駕駛員在不同車速下的視覺(jué)注意力分布特點(diǎn)。

如圖3所示，駕駛員的視線主要集中于風(fēng)擋玻璃左下部，這一趨勢(shì)在不同車速下均保持一致，凸顯了該區(qū)域作為駕駛員觀測(cè)前方道路及交通狀況的主要區(qū)域。隨著車速的提升，駕駛員在該區(qū)域的視線占比顯著增長(zhǎng)，而其他區(qū)域的視線分配則相應(yīng)減少。這一現(xiàn)象揭示，在高速行駛條件下，駕駛員更傾向于將注意力聚焦于近前方的路況，以便更有效地應(yīng)對(duì)潛在的緊急情況。

3.2 平均掃視幅度

平均掃視幅度，即相鄰注視點(diǎn)間夾角的范圍，是衡量駕駛員視覺(jué)搜索廣度的重要眼動(dòng)指標(biāo)。圖4以箱式圖形式展示了不同車速下駕駛員的平均掃視幅度。在正常駕駛狀態(tài)下，盡管車速有所提升，平均掃視幅度僅呈現(xiàn)輕微波動(dòng)，整體維持穩(wěn)定，這表明駕駛員的視覺(jué)搜索范圍在不同車速下保持相對(duì)一致，未受顯著影響。

然而，在分心駕駛情境下，平均掃視幅度的變化呈現(xiàn)出顯著差異。具體而言，執(zhí)行視覺(jué)分心任務(wù)時(shí)，駕駛員的平均掃視幅度顯著增加；相反，在執(zhí)行認(rèn)知分心任務(wù)時(shí)，則呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這些觀察結(jié)果揭示，不同類型的分心任務(wù)對(duì)駕駛員的視覺(jué)搜索范圍產(chǎn)生了截然不同的影響，導(dǎo)致視覺(jué)搜索行為更為復(fù)雜多變。因此，盡管平均掃視幅度作為眼動(dòng)指標(biāo)能在一定程度上反映駕駛員的視覺(jué)搜索活動(dòng)，但在評(píng)估駕駛員分心狀態(tài)時(shí)，其有效性可能受到一定局限。

3.3 眨眼頻率

眨眼頻率指的是駕駛?cè)藛挝粫r(shí)間內(nèi)眨眼的次數(shù)，它能夠間接反映駕駛員的精神狀態(tài)和視覺(jué)負(fù)荷。圖5展示了不同車速條件下駕駛員的眨眼頻率箱式圖，在正常駕駛和認(rèn)知分心駕駛條件下，隨著車速的提升，駕駛員的眨眼頻率也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。然而，在視覺(jué)分心駕駛情境下，這種正相關(guān)關(guān)系并不顯著，眨眼頻率普遍低于其他兩種駕駛?cè)蝿?wù)類型，且隨車速增加呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢(shì)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)蝿?wù)類型對(duì)眨眼頻率具有顯著影響。正常駕駛時(shí)，眨眼頻率相對(duì)較高，相比之下，視覺(jué)分心駕駛顯著降低了眨眼頻率，這可能是由于視覺(jué)注意力的分散導(dǎo)致了對(duì)眼部活動(dòng)的抑制。而認(rèn)知分心駕駛在較低車速時(shí)眨眼頻率與正常駕駛相近，但隨著車速提升，眨眼頻率顯著增加，這可能反映了駕駛員在高速駕駛同時(shí)處理復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時(shí)，眼部活動(dòng)的補(bǔ)償性增加。

3.4 偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)

駕駛員視線偏離主視區(qū)的時(shí)長(zhǎng)，作為衡量其注意力集中度的關(guān)鍵指標(biāo)，在駕駛行為分析中占據(jù)重要地位。本研究記錄了不同車速條件下，駕駛員在正常駕駛、執(zhí)行視覺(jué)分心任務(wù)及認(rèn)知分心任務(wù)時(shí)的視線偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)，并通過(guò)圖6的箱式圖進(jìn)行了展示。分析結(jié)果顯示，隨著車速的提升，三種駕駛狀態(tài)下的視線偏離時(shí)長(zhǎng)均有所增長(zhǎng)。然而，各狀態(tài)的增長(zhǎng)趨勢(shì)與幅度存在顯著差異。

具體而言，在正常駕駛狀態(tài)下，盡管車速增加，駕駛員偏離主視區(qū)的時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)幅度較小，僅略有上升，這表明在正常駕駛過(guò)程中，駕駛員能夠較好地保持注意力集中。在分心駕駛狀態(tài)下，特別是認(rèn)知分心狀態(tài)，偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)幅度顯著增大。在120 km/h的車速下，認(rèn)知分心狀態(tài)下的偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)均值高達(dá)15.69 s，是正常駕駛狀態(tài)下的近三倍，表明分心駕駛對(duì)駕駛員的注意力集中度造成了嚴(yán)重影響。

表2對(duì)不同車速下偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步揭示了不同車速下、不同分心狀態(tài)下駕駛員的視覺(jué)情況。在不同車速下，認(rèn)知分心狀態(tài)的偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)均值始終最高，且標(biāo)準(zhǔn)差與均方根誤差也相對(duì)較大。在80 km/h車速下，認(rèn)知分心狀態(tài)的均值達(dá)到14.63 s，標(biāo)準(zhǔn)差為3.69 s；而在120 km/h車速下，均值更是高達(dá)15.69 s，標(biāo)準(zhǔn)差增至3.44 s。這表明在分心駕駛狀態(tài)下，駕駛員的視線偏離行為不僅頻繁，而且具有高度的不穩(wěn)定性和個(gè)體差異。此外，隨著車速的增加，視覺(jué)分心狀態(tài)下的偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)也有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小，標(biāo)準(zhǔn)差與均方根誤差也相對(duì)較低，說(shuō)明視覺(jué)分心對(duì)駕駛員注意力集中度的影響相對(duì)較小，但仍需引起關(guān)注。

4 駕駛分心特征分析

本文采用單因素方差分析（ANOVA）來(lái)檢驗(yàn)不同駕駛狀態(tài)下各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)的顯著性差異，該方法能夠有效地比較三個(gè)或更多組別之間的均值差異。其中，P<0.01表示差異極顯著，即兩組數(shù)據(jù)之間存在明顯的統(tǒng)計(jì)差異；P>0.05則表示差異不顯著，即兩組數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)差異在可接受范圍內(nèi)，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

研究結(jié)果表明，在正常駕駛狀態(tài)下，平均掃視幅度隨車速提升雖有波動(dòng)但總體穩(wěn)定，而眨眼頻率和偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)均隨車速提升略有提升。在分心駕駛狀態(tài)下，駕駛員的視覺(jué)特性和注意力分配模式卻發(fā)生顯著變化。視覺(jué)分心導(dǎo)致駕駛員的平均掃視幅度增大，眨眼頻率降低，這可能是由于駕駛員需要在更廣闊的視覺(jué)區(qū)域內(nèi)搜索信息以完成任務(wù)，同時(shí)視覺(jué)注意力的分散抑制了眼部活動(dòng)。相比之下，認(rèn)知分心則導(dǎo)致駕駛員的平均掃視幅度減小，眨眼頻率在高速時(shí)顯著增加，且偏離主視區(qū)時(shí)長(zhǎng)顯著增加，這反映出認(rèn)知分心占據(jù)了駕駛員的認(rèn)知資源，縮小了視覺(jué)搜索范圍，并嚴(yán)重影響了駕駛員的注意力集中度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)車實(shí)驗(yàn)，深入探討了高速駕駛過(guò)程中分心行為對(duì)駕駛員視覺(jué)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，分心駕駛不僅顯著影響駕駛員的視覺(jué)搜索模式，還導(dǎo)致其眨眼頻率和注意力集中度發(fā)生變化。特別是在認(rèn)知分心狀態(tài)下，高速駕駛時(shí)駕駛員的注意力集中度顯著降低，增加了交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。本研究成果為高速分心駕駛行為識(shí)別技術(shù)的研發(fā)提供了新的視角和方法，對(duì)于提升道路交通安全具有重要意義。然而，本研究仍存在局限性，如試驗(yàn)樣本量有限、分心任務(wù)類型不夠全面等，未來(lái)研究可以進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，探索更多類型的分心任務(wù)，以及研究分心駕駛對(duì)駕駛員生理和心理狀態(tài)的全面影響。

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作者簡(jiǎn)介：

亓鑫，男，1998年生，助理工程師，研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試。