为方便探究驾驶员换道行为眼动规律, 试验装置采用瑞Smart Eye非侵入式眼动仪, 采样频率为60 Hz, 另外, 安置摄像头实时监测驾驶员换道过程中的不同姿态, 如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 驾驶员换道过程中不同姿态行为片段Fig.1 Driver's different behaviors during lane changing

试验场地选择交通拥挤情况适中的城市交通道路和环城高速, 分别测试了8名驾驶员(行驶超过5万公里, 驾龄超过5年)。试验中一共采集到换道有效数据1112组, 其中左侧换道数据662组, 右侧换道数据450组。参照回放的视频信息和原始数据记录每一次换道过程时间, 整个换道过程划分为驾驶员保持车道直行 (t1)、产生换道意图 (t2)、执行换道 (t3)、换道结束 (t4)等时间点。定义驾驶员开始转动方向盘时刻为执行换道的标志, 参照方向盘转角的数据, 本文截取执行换道 t3时刻与 t3时刻前5 s内的眼动和车辆数据研究换道前的驾驶员视觉行为规律^{[7, 8, 9]}。

在真实驾驶过程中测量仪器会受到一定的震荡, Christer等^[10]在研究中也发现经过处理过的眼动数据的精确度反而增强。因此本文将数据处理分为数据滤波、定义最大和最小阈值、差值处理等步骤, 如图2所示。最后, 按照本文的换道时间点截取有效时间窗内数据, 计算视觉行为变化规律。图3为原始数据与处理后数据对比图。本文对眼动参数的相关阈值设置如下:视角偏差阈值为2° ; 注视时眼球运动速度阈值为15 ° /s, 即注视行为眼球运动的最高速度; 眼跳时眼球运动速度阈值为35 ° /s, 即眼跳行为眼球运动的最低速度; 注视持续时间阈值为200 ms。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 数据处理流程图Fig.2 Flow chart of data processing

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 原始数据与处理后数据对比示意图Fig.3 Contrast of the original data and the processed data

由于实车试验无法避免车内震荡情况, 因此偶尔数据会产生较大“ 失误” , 通过本文数据处理方法后可及时剔除“ 失误” 数据, 有效提高数据可靠性。例如, 图3中1.25 s时刻数据发生大幅度跳变, 这一剧烈变化有可能是一次有意义的注视行为, 也可能是一次由于车内震荡产生的无效数据, 但经过眼动数据阈值设置后可断定为意外异常数据并将其忽略。

在换道过程中驾驶员由于需要注视后视镜等位置, 因而其水平视线方向搜索行为尤为重要。定义世界坐标系如图4所示, 其中 α、β分别为水平方向和垂直方向的方向角。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 眼动仪世界坐标系以及视线方向角示意图Fig.4 World coordinate system of eye tracker and the sight direction angle

α=arctanGazeDirection.x-GazeDirection.z1

式中:GazeDirection.x、GazeDirection.z分别为世界坐标系内视线方向单位向量的 x、z方向分量。

换道过程中水平方向视觉搜索模式从一定程度上可以反映驾驶员的信息收集程度^[8]。水平视线广度均值可反映驾驶员一般搜索模式的水平广度规范信息, 图5为各个速度区间水平视线搜索广度的箱线图, 每个速度下的视线水平搜索广度包括左侧和右侧换道过程, 其中高速定义为80~100 km/h, 中速定义为40~80 km/h, 低速定义为10~40 km/h。如图5所示, 直行时水平搜索广度均值在14° 左右, 直行时所需要的道路信息较少, 因此视觉搜索范围也较窄, 驾驶员视线主要停留在正前方位置。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 水平视线搜索广度箱线图Fig.5 Gaze search breadth

换道时随车速的增加驾驶员水平搜索广度不断降低, 按照高速、中速、低速排列其水平方向视线广度均值分别为33° 、23° 、20° 。经回归分析可知, 驾驶员在换道过程中随车速的增加注视视野随之呈线性减少, 由此可推断城市交通中不同速度影响了驾驶员水平视线的搜索广度。低速行驶造成了驾驶员的水平视觉搜索广度的增加, 为驾驶员增加了视觉负荷任务。随着车速的增加(交通环境的改善)驾驶员可适当降低视觉水平搜索任务。

前视预瞄行为可指导汽车未来行驶轨迹, 即汽车未来行驶运动轨迹, 也就是说, 一般情况下预瞄点可落在未来行驶轨迹上。换道过程中前视预瞄点的确定可有效描述驾驶员换道过程预瞄特性^[11], 预测和指导完成换道行为。根据世界坐标系内视线方向和视线源位置数据, 计算出预瞄点在世界坐标系内位置如图6所示, 由勾股定理可推出其相对驾驶员的距离(即预瞄距离), 忽略车辆的侧倾以及俯仰, 利用式(2)可计算得出不同车速下各组预瞄距离的详细数据, 如表1所示。

dp=(GazeOrigin.y+h)GazeDirection.zGazeDirection.y2

式中: h为世界坐标系原点距离地面的垂直高度; GazeOrigin.y为世界坐标系内视线源位置的 y坐标。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 预瞄距离计算示意图Fig.6 Forward-looking distance

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同车速下前视预瞄距离规律 Table 1 Preview distance at different speeds 车速/(km· h-1) 左侧换道/m 右侧换道/m 直行/m 10~40 9.586 10.153 14.325 40~80 16.984 14.263 15.452 80~110 19.503 18.932 18.263

表1 不同车速下前视预瞄距离规律 Table 1 Preview distance at different speeds

低速行驶中向左侧、右侧换道的预瞄距离相差0.567 m, 利用 t检验两组数据均差异性较小。直行与低速左侧、右侧换道预瞄距离分别相差4.7389 m和4.173 m, 经检验分析可知, 在交通较为复杂的低速行驶过程, 换道与直行驾驶前视预瞄距离有明显差异; 中速与高速行驶时换道与直行时的预瞄点位置差异性相对较小; 在不同车速下前视预瞄距离分别从最小值9.586 m(低速-左侧)上升到最大值19.503 m(高速-左侧)。预瞄距离随车速的增加而线性增大, 右侧换道存在同样规律。换道过程的前视行为与国外研究的非换道过程时预瞄距离研究结论一致^[12]。因此, 车速在一定程度上影响了驾驶员换道过程的前视预瞄距离, 影响了车辆未来换道行驶轨迹。

驾驶员视线转移概率可表征驾驶员在空间位置上的视觉观测转移程度, 即驾驶员从一个位置观测到另外一个的位置的概率。在变换车道过程中为保证驾驶安全驾驶员通常在变换车道前视线的水平方向会有大幅度的转移变化, 频繁观测左、右后视镜等。图7为某一次左侧换道过程中驾驶员水平方向上的视线关注角度, 在保持直行阶段驾驶员直视前方, 当驾驶员产生换道意图时水平注视角度开始呈现大幅度的变化, 连续两次(2.25 s和3.3 s时刻)观测左侧后视镜(从注视角度可判断)后目光又放置在驾驶前方完成换道执行过程, 上文中的预瞄点就是在这一阶段选取, 几乎所有驾驶员在执行换道(换道决策阶段)开始时刻目光都落到前方车道线附近, 并发生一次眼跳, 如4.12 s时刻, 将这种较为普遍的前视行为作为预瞄点的选取依据。通常在变换到临近车道后驾驶员也会观测某一方向后视镜以确定是否处于安全车距, 如图7在5.8 s时刻水平视线向右侧观测后视镜出现大幅度的一次眼跳。换道后驾驶员通常保持注视前方视觉行为。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 换道过程不同时刻水平注视角度变化曲线Fig.7 Horizontal gaze angle during lane changing at different time

在研究过程中发现, 视觉行为较驾驶员其他行为更为复杂在于它的多变性, 为在错综复杂的视线规律中找到普遍特性, 国内外曾有人提出利用视线转移概率特性表征视线搜索转移策略机制^{[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。存在的不足是试验中未考虑车辆状态或者环境影响, 而试验车速的变化也在一定程度上影响了驾驶员的换道行为。因此, 研究换道过程视线转移行为应考虑不同车速下对其变换车道的影响变化, 揭示车辆状态或环境影响对驾驶员换道行为的影响程度。

以城市交通中最普遍的低速(10~40 km/h)行驶为例, 描述换道过程中右侧和左侧换道意图阶段注视转移路径示意图如图8所示。截取一段换道时间内(如图7中2~4 s间换道意图阶段)观测注视点在水平与垂直方向上空间分布规律。 x轴为水平方向驾驶员视线转移角度, y轴为垂直于水平面方向驾驶员视线转移角度, 垂直方向上绝对值在10° 范围内变化。驾驶员多数目光停留在正前方位置, 换道前注视左侧或右侧后视镜产生较大的水平注视角度。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 低速行驶驾驶人在产生意图阶段的注视路径转移示意图Fig.8 Gaze path transition at low speed with lane changing intention

根据视频回放、眼动和车辆数据, 筛选出换道前不同速度下的眼动数据并从数据和视频中注意到驾驶员常注意位置有正前方、后前方、左侧后视镜、右侧后视镜等。因此, 选取如下具有代表性的特征参量:1-左侧后视镜; 2-正前方; 3-右侧后视镜; 4-右前方; 5-其他。计算驾驶员在换道决策阶段视线观测5个典型位置的概率及视线观测到下一个位置的转移概率。图9为以左侧换道为例给出不同车速下的驾驶员换道视线转移概率模型。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 换道前视觉关注位置概率Fig.9 Gaze probability of different locations before lane change

根据驾驶员不同速度下对驾驶舱内不同位置的角度测量和平均注视频率可计算相应关注位置的概率特性。由图9可知, 从视觉转移机制上看, 驾驶员在低速行驶时视觉注意力较分散, 其注视正前方位置概率为0.5615, 在高速行驶时注意力较集中, 其注视正前方概率达到0.7310, 而中速行驶时前方注视位置概率为0.6318。随着车速增加, 前方注视概率增加, 而左、右后视镜的注视概率逐渐减小。环城路交通环境单一很容易让驾驶员忽略周围环境信息, 视觉任务负荷下降。其他速度下也有相似的驾驶员视觉转移制特性规律, 这里不再赘述。