（交通运输规划与管理专业论文）驾驶员动态视觉特性及对交叉口通行能力的影响研究.pdf

摘要 驾驶员是道路交通的主要参与者，是影响道路交通安全的首要因素。视觉系统是驾驶员信息输入最重 要的感觉器官，因此驾驶员视觉特性与驾驶员的行为特性有密切关系。驾驶员的动态视觉特性与道路交通 环境中的众多因素有关。国内对驾驶员动态视觉特性的研究主要是对交通标志的视觉搜索行为研究，试验 在试验场上进行，缺乏对真实道路交通环境下驾驶员动态视觉特性的研究 论文在对国内外驾驶员动态视觉特性及相关研究理论分析的基础上，开展了真实道路交通环境下两种 不同驾驶员群体动态视觉特性的研究。试验将驾驶员群体分为专业驾驶员与非专业驾驶员两类，并在城市 拥挤流和自由流的交通条件，以及在城市道路、近郊公路和高速公路连接线三种道路条件下对驾驶员进行 测试，得出了不同道路交通条件下专业驾驶员与非专业驾驶员注视点分布、注视持续行为及视角分布的规 律，并对国内外驾驶员在相同类型道路上的动态视觉特性进行了对比分析。 最后，论文通过不同交通流量水平下驾驶员在交叉口处的视觉特性变化规律研究，分析与交叉口交通 流率直接相关的驾驶员视觉因素。国内通常以饱和度法计算交叉口的通行能力，将道路、交通和周边环境 影响作为主要影响因素并加以修正，忽视了驾驶员因素的影响。论文通过拟合驾驶员注视点分布、平均注 视持续时间、眼睛视角分布三参数与交叉口交通流率的关系，修正了交叉口通行能力的饱和流率模型，提 出了满足驾驶员行车安全的交叉口通行能力的计算方法。 本论文对不同道路交通环境下专业驾驶员和非专业驾驶员动态视觉特性的研究成果有助于应用驾驶 员的行为特性改善道路交通管理与设计，使道路交通管理与设计满足非专业驾驶员安全驾驶的要求。本论 文对交叉口驾驶员动态视觉特性的研究成果从驾驶员的角度改进交叉口通行能力的计算方法，使交叉口通 行能力设计更具合理性。 关键词：专业驾驶员；非专业驾驶员；动态视觉特性；视线跟踪；眼动仪；交叉口 a b s t r a c t d r i v e ri st h em a i na c t o ro ft h er o a dt r a f c ，a n di t st h ec h i e n vf a c t o rw h i c he f f e c t i n gw a di r a f f i cs a f c t y v i s i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n ts e n s eo r g a na b o u ti n f o r m a t i o ni m p o r t i n gw h i c hd e c i d e st h ed r i v e r sv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c sr e l a t ew i t ht h ed r i v i n gb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c sc l o s e l y t h ed r i v e r sd y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s r e l a t ew i t hl e g i o nf a c t o r si nr o a d “a 蛹ce n v i r o n m e n t r e s e a r c ht od r i v e r sd y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c si sm a i n l y t h ev i s u a ls e a r c hb e h a v i o ra b o u tt h et r a f f i cs i g n ，a n de x p e r i m e n t sa c a r r y i n go nt h ep r o v i n gg r o u n d ，s ot h e r ej sa l a c ko fe x p e r i m e n t si nr e a lr o a dt r a f f i ce n v i r o n m e n l i nb a s eo ft h et h e o r ya n a l y s i so ft h ed r i v e r sv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c si nh o m ea n do v e r s e a sc o u n t r y , t h i sp a p e r c a r r i e so nt h ed y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c sr e s e a r c ha b o u tt w ok i n d so fd r i v e r si nr e a lr o a dt r a f f i ce n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t sd i v i d et h ed r i v e l si n t ot h ep r o f e s s i o n a la n dt h en wd r i v e r s a l ld r i v e r sa r et e s t e di nt h ec o n d i t i o n o ft h ef r e ec i t yt r a f f i cf l o wa n dt h ec o n g e s t e dc i t yt r a m cf l o w , a n da l s oo nt h r e ek i n d so fm a dw h i c ha r ec i t yr o a d s u b u r br o a da n dt h eh i g h w a y t h r o u g ht h et e s t ，w eg e tt h ed i s c i p l i n a r i a no ft h eg a z ep o i n t sd i s t r i b u t i n g ，g a z e d u r a t i o nb e h a v i o r , g a z ed e g r e ev a r i e t yo fp r o f e s s i o n a la n dn e wd r i v e r s ，a n da l s oc o n t r a s tt h ed r i v e r s d y n a m i c v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c si no u rc o u n t r yw i t l lt h eo v e r s e a sc o u n t r y f i n a l l y , b ys t u d y i n gt h ed r i v e r s v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u l e so nt h ec o n d i t i o no fd i 位r e n tt r a 伍cf l o wl e v e l o fa ni n t e r s e c f i o n ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ev i s u a lf a c t o r sd i r e c t l yi n t e r r e l a t e dw i t ht h er a t eo fi n t e r s e c t i o nf l o w s w bu s u a l l yt a k et h ed e g r e eo fs a t u r a t i o na sam e t h o di nc a l c u l a t i n gt h ec a p a c i t yo fa ni n t e r s e c t i o na n dt h i sm e t h o d t a k e st h er o a d t r a f f i ca n dp e r i p h e r a lf a c t o r sa st h ep r i m a r yf a c t o r sa n dm a k e sc o r r e c t i o no nt h e mw h i c hi g n o r e s t h ef a c t o ro ft h ed r i v e r s t h r o u g hd r a w i n gu pt h ep a r a m e t e r ss u c ha st h ed i s t r i b u t i n go ft h eg a z ep o i n t s ，a v e r a g e g a z et i m e ，g a z ed e g r e ev a r i e t yw i t ht h et r a f f i cf l o w , t h i sp a p e rc o r r e c t st h es a t u r a t i o n - f l o w - r a t em o d e la n dp u t f o r w a r dt h em o s tc a p a c i t yc a l c u l a t i n gm e t h o d so fa ni n t e r s e c t i o ns a t i s f y i n go fd r i v i n gs a f e t y t h er e s e a r c hp r o d u c t i o na b o u tt h ep r o f e s s i o n a la n dn e wd r i v e r s v i s u a lc h a r a c t e r i s t i c si nd i f i e r e n tr o a da n d t r a f f i ce n v i r o n m e n th a sh e l pt oa p p l yt h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c si m p r o v i n gt h er o a dt h et r a f f i cd e s i g n ，a n dm a k e t h ed e s i g ns a t i s f yt h es a f e t yd r i v i n go fn e wd r i v e r s t h er e s e a r c hp r o d u c t i o na b o u tt h ed r i v e r s d y n a m i cv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c sa ti n t e r s e c t i o ni m p r o v e sc a p a c i t yc a l c u l a t i n gm e t h o d so fa ni n t e r s e c t i o nf r o mt h ea s p e c to fd r i v e r s ， w h i c hm a k et h ed e s i g no fi n t e r s e c t i o nc a p a c i t ym o r er a t i o n a l k e yw o r d s ：t h ep r o f e s s i o n a ld r i v e r ；t h en e wd r i v e r ：d y n a m i cv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s ：v i s u a lt r a c k i n g ：e y e t r a c k e r ：i n t e r s e c t i o n i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生魏衄年聊躲雄日期：盥 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，我国道路交通迅猛发展的同时，交通拥挤、环境污染、事故频繁等道路交通问题也凸显了出 来，尤其是道路交通事故发生率居高不下，死伤人数的逐年增加，经济损失的日益增大，令人发出“车祸 猛如虎”的惊叹! 减少道路交通事故成为人们普遍关注的社会问题和科学进步所面临的重要课题之一 驾驶员、汽车和道路交通环境构成了道路交通系统的三要素，对道路交通安全有不同程度的影响。我 国对道路交通事故的统计数据表明，主要由于驾驶员造成的事故占9 0 左右，道路交通环境引起的占3 0 左右，而因汽车技术状况差诱发的约为1 0 【l i 。1 9 8 2 年国际驾驶员行为研究协会( i d b r a ) 分别对美、英 国的1 5 0 0 - 2 0 0 位驾驶员的调查结果表明，由于驾驶员单因素造成的事故占6 5 左右，而由驾驶员和道路 交通环境两个因素造成的交通事故占2 5 左右。驾驶员失误作为肇发道路交通事故的主要原因已被世界各 国所公认。因此，为实现道路交通系统的安全化功能，对驾驶员驾驶行为形成、驾驶员驾驶行为与道路交 通环境的关系进行分析、测试、建模、仿真和试验的研究，对道路交通事故诱发原因的辨识、预防和控制 极为重要。 我国城市是混合交通，以往对混合交通的理解是交通方式的混合，即步行、自行车、机动车的不同交 通方式的混合。随着大量小汽车进入家庭，我国的混合交通多了一种解释：“驾驶员的混合”。长期以来， 我国的机动车为各种企事业单位所有，机动车驾驶员均为专业驾驶员。专业驾驶员的驾驶技能熟练程度、 相互之间驾驶特性的差异性较小。大量小汽车进入家庭后。产生了大量的非专业驾驶员。非专业驾驶员在 生理、心理及驾驶技能方面与专业驾驶员都存在着显著的差异，对道路安全有显著影响。在我国，小汽车 进入家庭将持续一段时间，意味着未来仍将有大量的非专业驾驶员加入驾驶员行列，这种“驾驶员的混合” 仍将继续发展。因此，对于驾驶经验和各道路交通环境因素如何影响驾驶员的驾驶行为以及如何应用驾驶 员行为特性改善道路交通管理、交通设计和交通安全等问题，研究意义重大。 交叉口是道路交通的枢纽，驾驶员在交叉口对行车路线的选择，驾驶员的心理紧张程度以及对交叉口 交通信息的反应能力都会对交叉口交通流产生一定的影响。因此，作为交通行为的重要参与者驾驶员， 对整个交叉口通行能力也会产生影响。目前通常以饱和度法计算交叉口的通行能力，涉及到的饱和流率模 型将道路要素( 车道宽度、道路纵坡、交叉口形状) ，交通要素( 车种构成、右转车比例、左转车比例、 对向直行车比例、过道行人) ，周边要素( 地域特性、停车情况、公共汽车站) 作为其主要影响因素，忽 略了驾驶员因素对交通口通行能力的影响。因此，对于驾驶员驾驶行为与交叉口通行能力影响关系的研究， 确定出满足驾驶员行车安全的最大通行能力，从人的角度改善交叉口设计，对发展人性化交通设计理念， 改善交叉口运营效率，减少交叉口交通事故贝有现实意义。 2 0 0 7 年度国家自然科学基金资助项目“驾驶人员驾驶特性对道路交通流的影响机理研究”，项目编号 为( 5 0 7 0 8 0 1 9 ) ，开展了对驾驶员驾驶特性驾驶行为道路交通流一体化模型的研究。本论文依托于 该项目，对项目于课题“专业驾驶人员和非专业驾驶人员在不同道路交通环境下驾驶特性的变化规律”进 行研究。 1 2 驾驶员动态视觉特性 乖辆在行驶过程中，驾驶员主要通过视、听、触觉器官从环境中获取信息，经过大脑进行处理，做出 判断和反应，再支配手脚( 运动器官) 操纵汽车，使其按驾驶员的意志在道路上行进。在行车过程中，驾 驶员需要及时感知各种交通信息，根据统计分析各种感觉器官给驾驶员提供的交通信息中，视觉i 叶了 8 0 ，7 5 - 9 0 的人体活动也是由视觉引起的。而且，驾驶员在驾驶车辆过程中，9 5 的视觉信息是动态 的人量的研究表明，与交通事故最为密切相芙的是驾驶员的动态视觉特征。可见，视觉是驾驶员信息输 入最重要的感觉器官。因此驾驶员视觉特性尤其是动态视觉特性是驾驶员行为特性研究中的重要内容。 东南大学硕士学位论文 驾驶员在运动状态下观察外界事物时，其视觉特性与静止状态有明显不同，主要表现为在被观察目标 上一系列的停留点之间的飞速跳动1 1 2 1 ，即眼动。这些停留一般至少在l o o m s 以上则被称为注视。绝大多数 的眼动只有在注视时才能获得加工。影响驾驶员动态视觉特性的因素是多方面的，以往的研究指出，影响 动态视觉特性的因素主要有：相对运动速度、驾驶员的年龄、目标物的颜色和照度，道路及其环境、驾驶 员的生理状态【8 j 另外驾驶经验也是影响驾驶员动态视觉特性的因素之一 1 3 国内外的相关研究成果 1 3 1 国外相关研究成果 l 对驾驶员视觉特性的研究成果 大多数研究者认为视觉是进行驾驶工作至关重要的感觉道。法国的f l o r e n c eh e l l a ”1 在采用呈现信息的 新技术研究汽车仪表盘时曾特别强调眼动分析的重要性。通过在实际驾车研究中测量被试者眼动，他发现， 随着驾驶任务，对注意和知觉需要增加，分配在仪表盘测试设备上的识别时间减少了。这些数据表明，传递 给司机的信息数量的复杂性是有限的。 m i u r a l _ 币f l n a g a y a m a 1 2 i 对实际驾驶中反应时间及眼动进行测量，结果表明，随着情境要求的增加，反应时 间变长了，反应的偏心度变小了，后者表明功能性视野变得狭窄了。进一步还发现，当情境要求增加时，眼 动的潜伏期变长了，这也表明在每一个注视点附近的加工都是有深度特性的。 英国n o t t i n g h m 大学的p e t e r c h a p m a n ，g e o f r e yu n d e r w o o d 和k a t h a r i n er o b e r t s ! ”l 在受训驾驶员和未受 训驾驶员视觉搜索模式的研究中，利用试验研究两种不同驾驶员群体的视觉搜索模式的特点，试验分别把 驾驶员群体分成控制组和未控制组，并在乡村道路、市区道路和混合道路三种条件下对驾驶员进行测试， 得出了不同条件下，两组驾驶员的注视时间、注视点的水平差异和垂直差异等结论。 法国h a u l ea l s a c e 大学m i p s m i a m 实验室的】b a u j o n ，m b a s s e t ，g lg i s s i n g e r i “j 在对驾驶员视觉感知行 为模型的研究中，通过对职业驾驶员和非职业驾驶员的视觉感知行为的研究发现，两个驾驶员在弯道和直 道的条件下，他们的视觉行为模式和控制车辆的方式有着明显的差异，如弯道和直道条件下，两个驾驶员 水平方向的注视方向的分布，转弯和加速时，车辆的运行状态等。 美国的m i n n e a p o l i s 【”随过定位和追踪驾驶员的眼睛，研究了驾驶疲劳特征。通过在车内安装摄像机。 掌握驾驶员处于非驾驶状态时的脸部和眼睛运动特征，此时一个警告信号将被发出。论文描述了怎样寻找 和追踪眼睛，以及确定眼睛张开和闭合的方法。 2 对驾驶员视觉特性与事故关系的研究成果 早期b u d l 开始研究视觉与事故的关系，发现动态视敏度对事故有较好的预测效果。这一发现使许多 研究者对复杂视觉和注意与事故率的相关问题进行了研究。 l a w r e n c e 和l o r e t ”研究了年长的和年青驾驶员视觉的选择性注意与碰撞事故的关系，对1 2 4 0 0 名年 跃和年青驾驶员的视力、水平视限度、敏感性差异进行了研究。结论是6 6 岁以上驾驶员的视力、水平视 眼皮、敏感性综合水平与上升的碰撞事故有密切的联系。 o w s l e y | ”1 等发现视觉注意是预测老年驾驶员已发生事故的有效因素。他们以可及视域( u s e f u lf i e l do f v i e w , u f o v ) 作为注意的测试指标，包括预注意过程、抗干扰能力( 选抒性注意) 、视觉信息加：j j 能力以 及注意分配能力等在内的综合指标。他们以驾驶员的视觉和信息加jj ：的层级模型为基础，它包括以下一些 处于不同水平的闪素：眼生理状况，功能性视觉、预注意雨i 认知能力( 智力水平) 。这项研究的特点是采 用零散事故数据。结果发现驾驶员的预注意与道路交义口处受罚的程度有很密切的关系。b a i l ：；在一项人 样本研究中发现，预注意与各种事故有显著相关。p a r a s u r a m a n 、n e s t o r 也认为，对丁老年驾驶员注意力是 一个很好的事故预测指标。因为很大一部分老年驾驶员的注意力是一个很好的事故预测指标。因为很大一 部分老年驾驶员的注意力存在缺陷，而这种缺陷导致事故发生率提高。 芬兰人学的h e l s i n k i 1 8 】在研究年龄对驾驶员的事故率的影响时，通过对比分析6 5 岁以上的老年驾驶员 2 第一章绪论 和2 6 4 0 岁的年轻驾驶员的事故率，发现老年驾驶员的每千米事故率并不比年轻驾驶员的高。他们的这一 研究结果推翻了前人所认为的年龄差异对事故率有影响的观点。 新西兰的h a m i l t o n 2 1 将8 0 个驾驶员按年龄分为四组( 3 0 岁以下，4 0 一5 9 岁，6 0 - 6 9 岁，7 0 岁以上) ，每 组包括1 0 男1 0 女，测试其与驾驶安全有关的头部旋转与视觉功能。数据表明7 0 岁以上的驾驶员丧失了l 3 的头部动作，男性尤其明显：6 0 岁以上的驾驶员拥有最差的单眼视敏度，垂直视觉及水平视觉，并随着年 龄的增长而降低。分析得到6 0 岁以上的驾驶员不能清楚地感知5 0 米以外的交通状况，从而解释了与老年驾 驶员有关的交叉口交通事故。 3 对驾驶员视觉特性与环境关系的研究成果 g a r y 和t i m o t h y l l 9 1 通过敏感性比较分析了冬季驾驶环境下挡风玻璃上薄雾对驾驶员视觉的影响，让十 个正视眼的人通过清楚的挡风玻璃和有薄雾的挡风玻璃，测试其敏感性并进行比较，得到驾驶员知觉能力 和反应时间与特定环境的关系。 1 3 2 国内相关研究成果 1 对驾驶员视觉特性的研究成果 国内在交通方面主要应用眼动仪测试研究驾驶员的视觉特性，眼动仪主要作为试验仪器测量服的位置 和运动。 王武宏【1 l 在对驾驶员驾驶行为的研究中，列出了驾驶员视力与车速的关系。得出了在不同的车速，在 不同的眼睛与对象物相对运动情况下，驾驶员的静止视力和人动视力的降低率，同时得出了不同视力下安 全运行的极限速度以及安全感。并将视觉特性归为驾驶行为主因子中生理心理机能的重要因子。 郭应时、付锐凹j 等为分析驾驶员感知一判断一操作行为模式，对驾驶员在通过不同通道宽度障碍物时的 动态视觉进行研究。用眼动仪等设备记录了驾驶员在通过设定障碍物间的通道宽度时眼睛注视点的变化和 相应的车辆行驶速度，分析了在7 1 0 ，4 1 4 、3 1 5 、3 1 0 和2 1 0m 五种通道宽度条件下驾驶员注视点变化的分 布规律。试验结果显示，无障碍物时，对应通道宽度为7 1 0m ，驾驶员注视点在车辆前方较远处和道路的中 央区域：通道宽度较充裕时，对应通道宽度为4 1 4 和3 1 5m ，驾驶员注视点主要在左侧障碍物和道路中央：通 道宽度较窄时，对应通道宽度为3 1 0m ，驾驶员注视点频繁在左右两侧障碍物间移动：随着驾驶任务难度增 加，驾驶员的注视点分布区域变近，视线的变化频率提高。 2 对驾驶员视觉特性与事故关系的研究成果 吴文银1 2 1 1 认为在旧道路的改造和新道路的设计时，应重视道路环境信息对驾驶作业安全的相互作用， 研究如何提高交通工效，改进道路安全质量的方法。他以安徽南部山区1 2 年来发生的1 6 4 0 起交通事故为 样本数据，探讨道路视觉环境信息与驾驶知觉的相互关系。 金键口2 j 对2 1 3 名夜间事故驾驶员及6 5 2 名非事故驾驶员进行夜间视力测试方法研究和夜间视力对比研 究。测试结果表明：事故组驾驶员夜间视力明显差予非事故组( p 建立试验假设一 控制试验变量一 设计试验内容一 进行试 验一 采集数据 3 1 6 试验的指标变量 本试验中要测录的项目为( 1 ) 注视点的3 d 空间位置( g a z ed i r e c t i o n x ，g a z ed i r e c t i o n y ，g a z e d i r e c t i o n z ) ，( 2 ) 驾驶员水平和垂直方向上的视角( g a z e h e a d i n g ，g a z e p i t c h ) ，( 3 ) 注视时间( t i m e s t a m p ) 这些变量在试验中均由专人通过瑞典的s m a r te y ep r o3 5 眼动仪进行采集。 3 1 7 试验设计 1 受试驾驶员 试验共选取1 0 名受试驾驶员，其中5 名为专业驾驶员，5 名为非专业驾驶员。所有1 0 名受试驾驶员 均视力正常或矫正正常驾驶员信息表格包括性别、年龄、驾龄、驾照型号、年行车里程、驾驶员类型等 项目，由每位驾驶员在试验开始前填写。 2 主要试验设各 硬件：模拟信号摄像机 眼动仪：瑞典的s m a r te y ep r o3 5 眼动仪 试验车辆：交通学院试验车 其他器材：皮尺1 把，驾驶员信息记录表一张，试验任务表若干。 3 试验环境和选取 ( 1 ) 试验环境 交通环境包括交通流( 自由流、拥挤流) 、车速、交通控制方式，交通标志标线( 良好、不完善) 、气 象条件( 晴天、雨天、雾天) 等，由于动态交通环境条件的复杂性，受本论文研究时问的限制，不可能对 其一一进行研究。试验主要研究不同的交通流水平、