不同交通环境下视觉分心程度对驾驶行为的影响_刘卓凡.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20201026基金项目:国家自然科学基金项目(52002319);陕西省自然科学基础研究计划项目(2021JQ706)作者简介(*通讯作者):刘卓凡(1987)，男，河南洛阳人，博士，副教授.(zhuofan.liu )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.024不同交通环境下视觉分心程度对驾驶行为的影响刘卓凡*，何瑜超，丁涛，曾钰萌(西安邮电大学现代邮政学院，陕西西安710061)摘要:视觉分心极易引发交通事故，对驾驶人操作行为的影响与交通环境和分心程度相关。为了研究在不同交通环境下视觉分心程度对驾驶人操作行为的影响规律，在驾驶模拟器上建立了 3 种不同的交通环境:城市、乡村和高速道路，对 26 位被试者进行了模拟器驾驶试验。采用遮挡视线的方法，设计 0，1，2 s 固定时长，量化了被试者的视觉分心程度。采集了被试驾驶人的视线遮挡次数和对方向盘、油门踏板的操作行为参数，并对其进行了统计分析，构建了一般线性模型。结果表明:被试者主动遮挡视线次数与交通环境的复杂度和视觉分心程度反相关，正常驾驶和视觉分心 1 s 状态下的驾驶行为参数没有显著性差异;当视觉分心 2 s 时，方向盘角速度和回转率显著下降，方向盘转角、转向熵和油门踏板开度标准差则显著增加，导致转向误差增大、转向平顺性下降、转向灵活性降低及纵向平稳性下降，说明驾驶人的环境感知力与交通环境复杂度和视觉分心程度均相关，低强度视觉分心不会显著影响驾驶人的环境感知力，而视觉分心 2 s 会严重降低其环境感知力，此时驾驶人则通过释放油门踏板和频繁操作方向盘来补偿视觉分心期间的信息丢失，增加对车辆的把控度。关键词:交通安全;驾驶行为;线性模型;视线遮挡;视觉分心;驾驶模拟器中图分类号:U491.25+4文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05017806Impact of Visual Distraction Level on Driving Behavior in Different Traffic EnvironmentsLIU Zhuo-fan*，HE Yu-chao，DING Tao，ZENG Yu-meng(School of Modern Postal，Xi an University of Posts Telecommunications，Xi an Shaanxi 710061，China)Abstract:Visual distraction can easily lead to traffic accidents，and its impact on driver behaviors is relatedto traffic environment and of distraction degree.In order to study the impact of visual distraction degree ondriver behaviors in different traffic environments，3 traffic environments(urban，rural，and highway)on adriving simulator are built，and the simulator driving test is conducted on 26 subjects.The fixed durations of0，1，2 s are designed by using vision occlusion method to quantify the visual distraction degrees of theparticipants.The number of vision occlusion of participants and their parameters of operation behaviors onsteering wheel and accelerator pedal are collected and statistically analyzed，and a general linear model isbuilt.The result shows that(1)The number of active occlusion of participants is negatively correlated withthe complexity of the traffic environment and the visual distraction degree.There is no significant differencein driving behavior parameters between normal driving and visual distraction for 1 s.(2)When visualdistraction lasts for 2 s，the angular velocity and reversal rate of steering wheel significantly decrease，whilethe turning angle and steering entropy of steering wheel as well al the standard deviation of accelerator pedalopening increase significantly，which results in increased steering error，decreased steering smoothness，decreased steering flexibility，and decreased longitudinal stability.These indicate that driver s environmentalperception is related to the complexity of the traffic environment and the visual distraction degree.Low-intensity visual distraction does not significantly affect the driver s environmental perception，while visual第 5 期刘卓凡，等:不同交通环境下视觉分心程度对驾驶行为的影响distraction for 2 s will seriously reduce its environmental perception.At this time，the driver will compensatefor the loss of information during visual distraction by releasing the accelerator pedal and frequently operatingthe steering wheel to increase the control over the vehicle.Key words:traffic safety;driving behavior;linear model;vision occlusion;visual distraction;drivingsimulator0引言近年来，随着通信和电子技术的快速发展，各种车载信息系统也陆续应用到驾驶室内。在执行驾驶任务过程中，越来越多的驾驶人将注意力转移到与驾驶无关的次要任务上，例如操作导航、接听和拨打电话、在微信上聊天，甚至观看电影和视频等1。车载信息系统在为驾驶人带来便利和娱乐的同时，也占据了一部分注意力，这可能导致驾驶分心，使驾驶人往往忽略掉重要的交通信息或无法获取到足够的交通信息来满足驾驶的安全性2。研究表明:驾驶分心会影响驾驶人的认知和决策能力，降低其对车辆环境的感知和控制能力，这极易引发交通事故3。其中，视觉分心导致的事故风险可比正常驾驶增加 3倍，这已成为当今交通事故的主要原因4。视觉是驾驶员获取交通信息的主要渠道，随着驾驶人视线远离道路的时间增加，其对周围环境的感知也会降低，视觉分心的程度也会相应增加5。基于视线偏离道路的时间长度和驾驶分心程度之间的关系，一些研究人员为视线偏离道路的驾驶人设定了时间阈值。如果视线偏离道路的时间长度超过这个阈值，就会被认为是严重的视觉分心6。王畅等7 通过对比视觉分心状态与正常驾驶状态下的方向盘转动角速度，提出了视觉分心会降低转向行为的灵活性。张兰芳等8 通过分析自然驾驶条件下的手机通话行为，指出手机操作导致的视觉分心会延缓驾驶人的操作行为，降低车辆纵向控制的稳定性。Choudhary 等9 通过分析驾驶人在视觉分心阶段的方向盘回转率，指出视觉分心增加了驾驶人转向操作的随机性。Liang 等10 研究了驾驶人在不同分心时长条件下的驾驶行为，结果显示，视线离开道路前方的时间越长、分心程度越严重，驾驶绩效越低，越容易出现危险驾驶行为。Burns 等11 研究了视觉分心对跟车行为的影响，指出视觉分心降低了驾驶人的环境感知力，延长了其对前车减速或刹车的响应时间，增加了急刹车次数，降低了行驶的稳定性。Ghazizadeh 等12 从驾驶安全性的角度提出车内导航设置的单次注视时长须小于2 s。假如多次出现驾驶人视线离开道路前方的时长大于 2 s，则会增加交通事故的概率。视觉分心可以严重降低驾驶绩效，但分心程度如何影响操作行为尚处于探索阶段。视线遮挡技术可通过控制驾驶人视线遮挡时长来量化视觉分心程度13。Liu 等14 利用视线遮挡技术量化了驾驶人在城市、乡村和高速 3 种道路下的剩余注意力，分析了交通环境对驾驶注意力的需求水平，指出城市道路对驾驶注意力需求最高，高速公路环境相对简单，需要较少的注意。Chen 等15 通过模拟测试和实车道路测试，通过分析车辆速度与跟随过程中的注意力需求之间的关系，发现车辆速度越高，视觉分心程度越低，表明车辆速度在一定范围内与注意力需求呈正相关。可以推测，不同的交通环境对驾驶人的视觉注意力有不同的要求16。当外部交通环境复杂且车速较高时，驾驶人需要在短时间内处理更多的交通信息17。交通环境信息的变化速度越快，驾驶人视线在离开道路一段时间后，环境感知能力下降的速度就越快18。由此可知，在不同驾驶环境下，视觉分心程度对驾驶安全性的影响也不尽相同。所以，在衡量前者对后者的影响特性时，不能忽视交通环境因素19。综上所述，视觉分心会降低驾驶人对周围环境的感知力，影响驾驶行为20。但仅当视线离开道路前方超过一定时长，达到一定分心程度时，才可能会影响驾驶的安全性。另外，视觉分心对驾驶人环境感知力的影响与交通环境相关。但考虑交通环境因素与视觉分心程度综合作用对驾驶行为影响的研究尚未见报道。基于此，本研究对比 3 种不同交通环境(城市、乡村和高速)下驾驶人在视觉分心 1 s和 2 s 状态的驾驶行为参数，探索视觉分心和驾驶人操作行为之间的影响机制，以期为驾驶辅助系统中视觉分心监测提供理论依据。1研究方法1.1被试者通过被试者数据库和个人联系信息，共招募了28 名视力正常或矫正视力正常的被试驾驶人参加试验，其中 2 人因驾驶模拟器眩晕而放弃了测试，最终选择了 26 名被试者的试验数据。其中，有 16 名男性和 10 名女性，年龄在 2245 岁之间，平均年龄971公路交通科技第 40 卷为 31.4 岁(标准差 5.7)，驾驶年龄为 613 岁，平均驾驶年龄为 8.4 岁(标准偏差 2.