[精品论文]北方林区冰雪路面直线段驾驶员眼动规律.doc

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1、精品论文北方林区冰雪路面直线段驾驶员眼动规律研究杨锋，朱守林，高明星5（内蒙古农业大学能源与交通工程学院，呼和浩特，010018） 摘要：林区冰雪道路具有等级低、视距短、路面附着力小、平曲线半径小、纵曲线变化剧烈 等基本特征，给木材生产运输的驾驶员带来了较大的生理和心理压力。本文以北方林区冰雪 道路上 6 名驾驶员的眼动实驾试验数据为基础，分析了驾驶员在不同直线长度下的冰雪道路10上的眨眼、注视和扫视行为，得出了驾驶员在冰雪道路上行车时的平均眨眼持续时间、平均 瞳孔面积变化率呈现相似的周期性变化规律，平均扫视幅度在中长距离上具有显著变化规律，确定了在北方林区冰雪路面上驾驶员的最佳视觉舒适性直线

2、段长度，为下一步研究驾驶员的生理指标变化规律提供理论参考。关键词：冰雪路面；眨眼持续时间；平均瞳孔面积变化率；平均扫视幅度；驾驶员15中图分类号：U421.4Drivers eye movement research about straight segment of snow-covered road in north forest regionYANG Feng, ZHU Shoulin, GAO Mingxing20(College of Energy and Traffic Engineering, Inner Mongolia Agriculture University, Hohh

3、ot,010018)Abstract: The snow-covered road has some basic characteristics in the north-forest such as low level, small short line-of-sight and road surface adhesion, small plane curve radius, vertical curvechange drastically. It make the drivers have been a strong sense of higher physical and25psycho

4、logical pressure. In this paper, the authors analysed 6 drivers eye movement data about blink, fixation and Saccade, found the same periodic change about average blink continuous time and average pupil-area change rate, found average saccade amplitude had significant changes in the long distance. Al

5、so determined the length of straight-line roads whcih made the drivers feel the most comfortable on their eye-moving, for the next research of physiological change rule to30provide theoretical reference.Key words: snow-covered road; average blink continuous time; average pupil-area change rate；avera

6、ge saccade amplitude；driver350引言冬季是北方林区森林采伐的黄金季节，也是木材生产运输的主要时段。而北方国有林区 运材道路多为企业自己修建的低等级林道，坡度大、视距短、平竖曲线半径小，道路的行车 条件较差。同时由于北方林区冬季气候寒冷，积雪难以消融，经碾压而板结在路面上，给从 事木材生产运输的驾驶员带来了很大的心理压力，而这些压力则具体表现为心电数据明显异40于普通道路123，眼动各项指标变化幅度较大4567等效果。 医学角度对人体眼动行为分析的研究多数是处于静态和封闭环境下进行，而动态实时环境下的眼动分析则由于具体环境和条件不同而产生不同的分析结果89，其结论之间

7、的差异基金项目：国家自然科学基金（基金号 51068022）；高等学校博士学科点专项科研基金（20101515110008）作者简介：杨锋（1974-），男，讲师，公路交通人机环境研究方向通信联系人：朱守林（1961-），男，教授，公路交通人机环境方向. E-mail: zhushoulin- 9 -性较大，具有较强的独立性。据统计，在关于眼动分析和研究的近百篇文献当中，从不同角度和不同眼动指标分析高速公路、城市道路、隧道等道路条件的研究文献数量约占总数的4595%，其余 5%为机理研究，而针对林区木材生产道路的驾驶员眼动研究还比较缺乏。因此， 本文针对北方林区冰雪道路的特殊性，对驾驶员在该道

8、路条件下行车过程中的眼动行为做出 了详细分析，可为今后研究冰雪路面条件下的驾驶员生理心理疲劳研究评价提供理论参考。1试验设计1.1 试验路段50实际线形图GPS 实测线形图图 1 试验路段鸟瞰图Fig.1 Test section view试验路段选择内蒙古大兴安岭森工集团根河林业局木材生产运输专线，线路全长 50km55（图 1），设计车速 40-60km/h，直、曲线长度比约为 2.631，直线段总长占全线长度的69.7%，另外，由于该路段全线纵坡均小于 3%，所以在本研究当中不考虑路段纵曲线影响。 根据道路设计数据，将实验路段总共划分为 148 段，其中直线段 72 段，总长 36.23

9、9km，曲 线段 76 段，总长 13.761km，直线段基本情况见表 1。考虑到该线路曲线段半径小、长度短的具体情况，结合线路实际，本文确定以林区直线60段冰雪道路研究对象进行分析。表 1 试验道路直线段分布统计Tab.1 Straight line distributed statistics of test road序 号直线长 度(m)序 号直线长 度(m)序 号直线长 度(m)序 号直线长 度(m)序 号直线长 度(m)序 号直线长 度(m)L166L13676L25523L37377L49278L61241L21622L14366L26310L38973L50234L62734L3

10、217L15484L27134L39227L51111L63714L4194L16529L28523L40485L52587L64522L51505L17128L29443L41137L531145L65878L6269L181436L30414L42800L54385L662255L7140L1943L31392L431469L55314L6732L8292L20128L32388L44328L56556L68542L9243L21617L3330L45283L572588L69448L10310L2256L3476L46280L58541L70239L11775L23462L35447L4

11、7491L59304L71132L121147L24306L36212L48350L6082L7299从表 1 可知，直线段道路的长度分布有 90%在 1000 米以下，其中以 300-400 米长度为最，总体呈偏正态分布规律（峰度-1.235，偏度 0.526）（图 2）。直线段数量(个)151050100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1500 2000直线段长度(m)65图 2 直线段长度分布Fig.2 The length of straight segment distribution1.2 试验设备与试验对象采用集思宝 MG83

12、8 手持 GPS 对设计文件中道路平面线形数据的变动调整部分进行校70核，利用 GIS Office 软件对该数据进行处理，并与原设计文件进行比对分析；采用 SMI 生 产的 Iview X HED 型眼动仪记录各驾驶员左眼眼动指标及眼动录像，并采用设备自带的 BeGaze2.4 数据分析软件对实验数据进行提取和分析，试验车辆为丰田 4500 越野车型。试验对象选择身体健康、熟悉路况、具备驾驶职业资格的 6 名男性驾驶员（平均年龄42.835 岁；平均驾龄 13.675 年）（表 2）。75表 2 驾驶员基本情况tab.2 Drivers basic data编号性别年龄驾龄道路熟悉状况1 号

13、男4710非常熟悉2 号男3711非常熟悉3 号男4015非常熟悉4 号男5020非常熟悉5 号男4516非常熟悉6 号男3810非常熟悉1.3 试验要求为了在试验过程中尽可能排除外界条件对设备和驾驶员自身状态产生影响，要求驾驶员 对道路状况熟悉，试验前 24 小时内保持充足睡眠和休息，不得饮酒，具有良好的精神状态；80试验中车内尽可能保持安静，关闭与试验无关的无线设备；在保证驾驶安全前提下，车速采用自由速度行驶；试验结束时及时填写驾驶员生理情况调查表，保证调查结果的可靠性；数 据采集过程严格按照设备操作流程和要求进行，保证数据采集的连续性。2眼动评价指标的确定结合目前在眼动研究当中采用的相关

14、实验设备及其设备分析软件当中所涵盖的眼动规85律分析指标10，可以总结为三类：眨眼指标、注视指标和扫视指标。其中眨眼行为以眨眼 持续时间分析为主，以眨眼频率进行分析为辅；注视行为多从注视区域（注视点分布）、注 视时间、瞳孔变化率等几方面进行；而扫视行为则从扫视轨迹、扫视幅度、扫视速度、扫视9095100105110115120加速度等几方面进行分析。结合相关眼动机理分析1112以及前期试验分析，笔者认为眨眼行为应分为主动式眨眼 和被动式眨眼，主动式眨眼主要由驾驶员根据外界行车环境结合自身的精神疲劳状态进行主 动自我调节引起，此方式能更准确和真实的反映驾驶员因外界环境和自身精神疲劳状态的实 际情

15、况，其眨眼持续时间较长，一般大于100ms；被动式眨眼则是由人体植物性神经控制的 生理机能的无意识自我调节形成，该方式主要是人体生理机能在外界作用下的无意识的调节 行为，其眨眼持续时间一般较短，在100ms以下13。虽然，眨眼行为并不参与整个的视觉搜 索过程14，但主动式眨眼行为却可以通过驾驶员的主动调节来缓解行驶过程中产生的部分 的心理压抑和紧张感，延缓视觉疲劳状况，提高视觉舒适性，因此，本文在眨眼行为的指标 选择中选择主动性眨眼方式，即从实际测得的原始数据中选取眨眼持续时间大于100ms的数 据，指标则选择驾驶员在行车状态下的平均眨眼持续时间。注视行为是在不眨眼状态下视点持续集中于某一个对

16、象位置的眼动行为，持续时间99% 以上均大于100ms。该行为可通过注视持续时间、注视点位置变化、瞳孔大小或面积变化来 进行研究。其中注视持续时间、注视点位置变化可以说明驾驶员在行车过程中对所观察对象 的关注程度大小15，而瞳孔大小或面积变化更能说明驾驶员所感受到的外界刺激对其产生 的心理和生理影响，主要原因在于视觉采集信息是人体采集信息的主要来源，瞳孔变化能够 更为直观的反映人体对外界环境变化所产生的下意识的条件反射动作，因此本文选择以瞳孔 大小或面积变化进行相应分析，选择更能贴合研究实际的平均瞳孔面积变化率为评价指标。扫视行为则是贯穿两个注视行为的连接动作，此动作可以说明人体对视觉信息范围

17、采集 的广度。它主要从扫视幅度、扫视速度、扫视加速度等几方面进行分析。其中，扫视幅度对 应的则是视觉信息采集范围的大小，扫视速度和扫视加速度对应的则是视觉信息采集数量的 多少。扫视行为各指标变化的显著性要根据实际的地理环境、空间分布、人体基本视觉条件 以及研究目的、对象的变化而变化，需要结合具体研究内容来进行最终确定。由于在本文的 路域环境中被试对象的视角受两侧树林的限制，基本上处于一种类似半封闭的视觉环境中， 在这样的环境当中采用扫视幅度更能说明驾驶员行车时的心生理感受和视觉舒适性。综合各种行为对驾驶员在生理和心理角度产生的影响强度，根据试验实际情况，本文确 定使用驾驶员的平均眨眼持续时间、

18、平均瞳孔面积变化率以及平均扫视幅度3个指标对其中5 名驾驶员在不同长度直线段上的眼动规律进行分析。3数据分析3.1 平均眨眼持续时间与不同长度直线段的关系由 5 名驾驶员在各直线段的平均眨眼持续时间散点图可知（图 3），驾驶员平均眨眼持 续时间分别在 400 米、1000 米处出现峰值，而在 800 米和 1500 米处出现极小值，虽然各极 值点大小有差异，但总体上可明显得出驾驶员在冰雪路面上的眨眼行为表现出一定周期性变 化。平均眨眼持续时间（s）0.320.30.280.260.240.220.20 500 1000 1500 2000 2500直线段长度（m）图 3 平均眨眼持续时间分布散

19、点图Fig.3 The average blink duration distribution of scatter diagram125130135140图 4 1000 米以下变化趋势图 5 1000 米以上变化趋势Fig.4 The trend of change below 1000mFig.5 The trend of change above 1000m以变化峰值点 1000 米处为界，对该数据进行分段研究发现：（1）直线段长度在 1000 米以下时，驾驶员的眨眼持续时间总体呈上升趋势，但在400-800 米左右出现小幅回落。400 米以内时，驾驶员的平均眨眼持续时间随着直线段长度

20、 的增加而增加，至 400 米达至最大，这说明驾驶员在该直线段内其心生理压力也是逐渐增强 的，此时由于行车的过度紧张产生了一定的眼疲劳；400-800 米段出现回落，说明驾驶员在400-800 米区间内有部分时间可以对眼疲劳状态进行部分缓解，导致视觉舒适性有所提高；800-1000 米段平均眨眼持续时间进一步加大，变化幅度与 400 米以下几乎相同，在 1000 米 左右达到顶峰（0.2989s）（图 4）。（2）直线段长度大于 1000 米时，驾驶员由于具有足够的时间和空间通过缩短眨眼时间 和增加眨眼次数对眨眼行为进行主动的适应性和舒适性调节，进一步降低了眼睛的行车压 力，至 1500 米左

21、右降至眼部疲劳和心生理压力缓解的平衡点（0.2462s）（图 5），此时驾 驶员处于行车过程中的眨眼行为最佳舒适状态。用 SPSS 对两段曲线分别进行拟合可知：y = 6.754 10-10 x3 -1.12310-6 x2 + 0.001x + 0.166而 1000 米以上呈现先降后升趋势，且极值点为 1500 米，具体方程为：y = 2 10-7 x2 - 0.0006x + 0.6828（1）（2）145公式（1）的显著性检验结果（表 3）表明在冰雪道路行车时，直线长度和平均眨眼持续 时间具有很好的拟真度（P0.05），而公式（2）虽具有极高的拟合优度，但显著性不明显， 究其原因应该是

22、 1000 米以上的试验数据量过少所致，但其出现的极小值点却可以在一定程度上说明其基本变化规律。表3 平均眨眼持续时间显著性检验结果Tab.3 Significance of the test results about the average blink durationR 方Fdf1df2Sig.1000m以内0.84711.091360.0071000m以上0.98839.625210.112150155（3）综合以上结果，说明在 1500 米左右冰雪路面直线上，由于具有充足的环境适应和眼动疲劳补偿性恢复时间，驾驶员的眨眼行为处在行驶过程中的产生疲劳和压力缓解的平衡 状态，在该状态下驾驶

23、员表现的心生理压力和视觉舒适性最优。3.2 平均瞳孔面积变化率与不同长度直线段的关系由图 6 可知，平均瞳孔面积变化率在 0-900 米时先降后升，900-2000 米又出现同样规律,说明了随着直线长度增加驾驶员注视行为也出现了周期性变化。0.16平均瞳孔面积变化率（px/s2）0.140.120.10.080.060.040.0200500100015002000直线段长度（m）图 6 平均瞳孔面积变化率分布散点图Fig.6 The average pupil area rate distribution of scatter diagram160图 7 900 米以下变化趋势图 8 900

24、 米以上变化趋势Fig.7 The trend of change below 900mFig.8 The trend of change above 900m对该数据进行分段研究发现：（1）直线段长度在 900 米以下时，驾驶员的平均瞳孔面积变化率呈先下降后上升的趋165势，说明随着直线段长度的增加，驾驶员心生理压力呈现出紧张-放松-紧张的变化规律，在470m 左右降至最低（3.46%）（图 7），出现第一视觉舒适性最优点。（2）直线段长度大于 900 米时，驾驶员同样出现紧张-放松-紧张的变化规律，至 1300米左右降至最低（1.84%）（图 8），出现第二视觉舒适性最优点。 用 SPSS

25、 对 900 米以下变化趋势进行拟合后得到如下方程：y = 2.957 10-5 x2 - 0.028x + 10.092（3）170对该方程进行求导，可得令驾驶员感到舒适的冰雪路面直线段最优长度为 473.45m。 对 900 米以上变化趋势进行拟合后得到如下方程：y = 3 10-5 x2 - 0.08x + 55.171（4）175对该方程进行求导，可得令驾驶员感到舒适的冰雪路面直线段最优长度为 1333.33m。 两段直线长度和平均眨眼持续时间的检验结果（表 4）表明：在冰雪道路行车时，直线长度和平均瞳孔面积变化率在 900m 以下具有很好的拟真度（P0.05），大于 900 显著性不

26、明显（P=0.057）。亦因 900 米以上的试验数据量过少所致，但其出现的极小 值点同样能够在一定程度上说明其基本变化规律。表4 平均瞳孔面积变化率显著性检验结果Tab.4 Significance of the test results about the average pupil area rateR 方Fdf1df2Sig.900m以内0.77310.227260.012900m以上0.94316.630220.057180185190（3）综合以上结果，说明在 1300 米左右冰雪路面直线上，驾驶员由于具有充足的环境适应和眼动疲劳补偿性恢复时间，瞳孔面积变化率分别在 473.45m

27、 和 1333.33m 处于最优视 觉变化状态，驾驶员在该路段长度上受到的心生理影响最优。经比对视频发现，在这两个直 线段内的周围视觉环境景观较为单一，视距和视野环境较为开阔，其结果与实际问卷调查结 果基本一致。3.3 平均扫视幅度与不同长度直线段的关系根据平均扫视幅度与不同长度直线段关系散点图（图 9）可以看出，驾驶员在 700 米长 度以内的扫视幅度变化非常剧烈，700 米后开始出现明显下降，至 1200 米左右降至最低点， 然后回升至 1500 米处后基本维持稳定。说明驾驶员在较短长度直线上行车时的关注点数量 较多，变化较大，而在长直线上呈现规律性变化，大于 1500 米直线段上平均扫视

28、幅度变化 由于实际线性数据的限制表现不明显。17161514131211平均扫视幅度()1005001000150020002500直线段长度(m)图 9 平均扫视幅度分布散点图Fig.9 The average saccade amplitude distribution of scatter diagram195200图 10 700-1500 米间变化趋势Fig.10 The trend of change between 700m and 1500m对700 -1500米长度段进行独立分析后可知，驾驶员的扫视幅度总体上呈显著二次曲线规律 变化（P=0.0030.05），具体参数和检验结

29、果如表5。表5 模型汇总和参数估计Tab.5 Collect model and parameter estimation205210215220模型汇总参数估计值方程R 方F df1 df2Sig.常数b1b2 二次0.97971.666230.00341.946-0.0512.159E-5 根据该模型方程可得，驾驶员的平均扫视幅度极小值为1181米。说明驾驶员在长度直线段 上行车时的视觉信息采集范围最合适，其扫视行为的视觉舒适性最优。4结论与讨论（1）以上研究说明驾驶员在直线段冰雪路面上行车时随着直线段长度的增加，眨眼行 为和扫视行为表现出了一定的周期性变化规律（平均眨眼持续时间在 800

30、 米、1500 米左右 出现视觉舒适性最优点，平均瞳孔面积变化率在 473.45 米、1333.33 米处出现视觉舒适性最 优点）；扫视行为在 1181 米处出现视觉舒适性最优点。当然，受驾驶员个体差异影响，不 同驾驶员出现这种规律变化的时间会有一定差距，但总体上与驾驶员在草原道路上不同工作 状态下的表现规律基本一致。（2）对眼动单一指标进行分析虽能总结出一定的规律，但研究眨眼、注视和扫视行为 的内部关联以及眼动行为与心电、脑电等其他生理信号指标之间具有什么样研究意义的文献 资料还很少1617，还没有准确结论以供参考，在今后的研究中可以通过把眼动规律、心电、 脑电等生理信号分析相结合进行驾驶员

31、生理、心理状态综合分析，用生理信号分析结果作为 眼动规律研究的支撑点或许能达到更好的效果。（3）通过现场实驾试验获取数据与室内模拟相比，无疑具有很强的真实性，更能表现 出研究对象的实际变化规律，但现场实驾试验的外界环境是一个复杂多变的综合环境，它所 反映的规律是人-车-路-环境针对某一个具体问题的综合影响规律，在这样的综合环境下分离 出某个问题的单因素变化规律具有一定的难度和复杂度，所分离出的变化规律仍然包含着其 他因素的影响，这也就为下一步研究如何从实际的综合环境当中更高效的分离出具有独立影 响的单因素规律提出了思考。参考文献 (References)2252302352401 徐冬青.草原

32、公路环境下连续驾驶时间对疲劳的影响研究D. 呼和浩特:内蒙古农业大学,2011 2 郝晓红.基于驾驶员生理心理反应的草原公路线形研究D. 呼和浩特:内蒙古农业大学,20103 霍月英.基于驾驶员心生理反应的草原公路最大直线长度研究D. 呼和浩特:内蒙古农业大学,20104 孟妮.不同道路交通环境中驾驶员注视行为分析D.西安:长安大学,20095 洪亮.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D.长沙:湖南大学,20086 Trent W.Victor,Joanne L.Harbluk,Johan A.Engstrom.Sensitivity of eye-movement meas

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