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驾驶员眼球运动与驾驶表现在进入长高速公路隧道之前、过程中、之后是如何变化的：考虑新手驾驶员与经验丰富的驾驶员在日间与夜间条件下的差异
摘要：
简介：在隧道的驾驶环境与普通的道路路段有很大的差异，特别是在隧道入口位置。该位置会对获取和解读通过注视或扫视得到的驾驶安全相关信息产生较大困难。因此，研究在进入隧道时驾驶员的视觉行为对采取事故预防对策至关重要。
案例描述：为了识别进入隧道过程中驾驶员的视觉特征的变化，征聘了十八名志愿者参加一项在中国陕西G5高速公路的棋盘关收费站至金水收费站间进行的驾驶实验。在测试过程中，我们收集了驾驶员注视、扫视与驾驶特性等信息，以作进一步分析。
讨论与评价：实验数据显示，驾驶员在过渡段注视次数，注视持续时间，扫视次数都在逐渐增加。注视次数，注视持续时间，扫视次数直到过渡段结束会轻微下降，然后在完全适应隧道内驾驶环境之后会稍微提升到一个稳定值。与此同时，驾驶员扫视的次数与幅度值一开始会减少，然后在隧道内会逐渐增加直到到达一个一个相对稳定值。此外，驾驶员在过渡区域会更加谨慎，进行低速的保守驾驶，与此同时减小方向盘角度使车辆横向偏移角度最小。特别是，新手驾驶员相较于老手在进入隧道入口之前会需要更长的过渡段。然而，在夜间行车时，两者都需要更多的时间为进入隧道入口做准备。
结论：隧道入口段要危险得多，所以驾驶员在驾车穿过隧道时应该被教育在进入隧道前要做好准备，以较低速度小心行驶，并要充分注意交通流状况，特别是对于夜间行车的新手驾驶员。建议隧道入口有容易识别的框架设计，并在入口前至少170米设置有效的交通标志和沿着过渡段设置逐渐变化的LED灯照明。以上所有的建议位减少和防止隧道处的交通事故和伤害提供了可能的对策。
关键词：隧道人口，新手驾驶员，视觉特征，驾驶性能，过渡段，提升安全性
背景：
过去的几十年里，做过中国快速发展的经济已经导致了山区道路里程数的巨大增加，与此同时，隧道的数量也急剧增加。如今，中国已经是世界上最大的高速公路隧道建造者。到2013年底，中国已建成12132座的隧道，累计总长为9732400米，其中包括长度在200到18040米之间的长隧道389座，累计总长为1246539米。作为公路网中一种特殊的基础设施，隧道内部的亮度存在着巨大的差异，这很容易造成驾驶员产生严重的日间或夜间失明（日光恐惧症和夜盲症），这也被成为视觉的“白洞或黑洞效应”。然而，隧道内部的有限空间与低可视性会引起视觉恐慌。所有的这些因素会大大导致隧道交通中死亡和卷入事故的风险。驾驶员需要解读与行驶相关的实时信息，使得能够判断紧急环境，做出适当的决定并相应地调整驾驶行为。在行驶中，超过百分之八十的信息，特别是动态刺激是通过驾驶员的视觉运动感知的，该视觉活动包括注视（眼球运动速度小于三十°每秒和速度小于8000°每秒），扫视（眼球运动速度大于三十°每秒和速度大于8000°每秒），眨眼。在正常的行驶过程中，驾驶员获得的几乎所有关于驾驶安全的信息都是通过注视和扫视。因为驾驶员的眨眼行为相较于注视和扫视提供了相对较少的信息，所以其不包括在本研究中。节点设计和照明布局的差异十分显著，这会增加驾驶员视觉感知的困难，可能最终导致不安全的驾驶行为或甚至是致命车祸，特别是在隧道入口段。
然而隧道内的车辆碰撞风险要低于露天道路的风险，但是隧道内的车辆碰撞往往会造成更严重的后果。此外，根据挪威高速公路局称，大约63.7%的隧道事故发生在隧道入口段。在中国隧道事故分析中也发现了类似的结论。这些趋势表明了驾驶员在适应隧道内外的光线条件变化的困难是隧道事故的重要因素。因此，许多过去的研究已经研究了驾驶员在通过隧道时的视觉特征，从而评估撞车的危险和确定隧道行驶相关的潜在危险地点。在这些研究中，隧道内部照明吸引了广泛兴趣。DU等人的研究表明等人隧道入口处的照明迅速变化会诱发驾驶员视觉刺激或短暂失明，从而增加视觉负担。Bertozzi等人同样发表了类似的发现。更具体地说，Martens发现隧道设计（隧道墙，道路宽度，纵断面，道路标志标线等）和照明对驾驶员的驾驶行为有着直接的影响，类似的发现也出现在Kayser 和 Oasderski (1991), Kircher 和 Ahlstrom (2012) 及 Miller 和 Boyle（2015)先前的研究之中。因此，应在接近隧道出入口的过渡段采取对策以减少车祸的风险。
在隧道入口复杂的驾驶环境明显地对驾驶员带来了大量的信息获取困难。因为一个驾驶员的视觉行为与他或她的信息获取效率有着内在的联系，对驾驶员视觉行为的合理理解是减少隧道车祸，和增加
高速公路隧道整体安全性能的关键。因此，征聘的十八名志愿者随机地参加一项在中国陕西G5高速公路的随机隧道段进行的驾驶实验。在实验中，获取了驾驶员的眼球运动（注视和扫视）和驾驶性能（速度，方向盘角度和车辆横向偏移）的数据。随后，在隧道入口和隧道内部处与驾驶员注视，扫视还有驾驶性能相关的变化特征会通过实验数据分析，这对于隧道的车辆碰撞和伤害的预防有着重要的意义。
实验设计
参与人员
十八名年龄在20到40岁（平均年龄=29.4岁，方差为4.5岁）间身心健康的参与者（13名男性，5名女性）从汉中市社区招募去参加驾驶实验。在他们之中，9名参与者（7名男性，2名女性）获得驾照的时间少于三年，因此他们被称为新手驾驶员组。其余九名参与者（6名男性，3名女性）者属于老司机组，他们的平均驾龄达到了6.74年（方差=2.45年）
所有参与者都持有有效的C1驾驶证并且每周平均行车里程为412千米（其中最少为207千米，最多为928千米每周）。每个参与者都被要求有正常视力或者矫正后正常视力，而且不能服用可能影响他们驾驶性能的酒精，药物或毒品。此外，所有的驾驶员都熟悉当地高速公路的道路状况。
设备
智能眼Pro 6.0三摄像头跟踪系统被用于获取参与者的眼球运动，该设备安装于前挡风玻璃以便能够以60Hz的频率准确的捕捉驾驶员的眼部运动（注视或扫视）。两个摄像头被安装在方向盘上方以记录方向盘角度和车辆横向偏移。
安装在实验车（BYD G5）的传感器被用于收集车辆速度，加减速和其他的驾驶行为。所有记录数据都被保存为能够用于离线分析的txt格式的文件。
驾驶环境
宁强-洋县高速公路（位于我国陕西省汉中市北京到昆明高速公路（G5)的一部分）被选中作为驾驶实验的路段。该路段位于秦巴山，全长198千米，客车限速位100千米每小时。道路横断面宽为15.50米，其中包括0.5米宽的草地中央隔离带，每个方向分别有两条3.5米宽的道路和一个0.5米宽的路肩。这路段的线形由26条切线曲线组成。切线长度是变化的，其范围在23米到1338米之间，平均长度为533米。曲线半径从48米到1150米不等（平均为328米），长度从17米到197米不等（平均为69米）和偏角为6°到72°不等（平均为41°），纵向坡度由-3.8%至 4.4%变化。如图一所示，总共有22条双洞隧道，长度在125米到5335米不等（棋盘关）。因为本次研究的目的是研究驾驶员从隧道入口到隧道内部黑暗环境视觉适应过程中的驾驶员视觉行为，所以本次研究只考虑长为350米及以上的隧道收集数据和分析驾驶员视觉行为。参加棋盘关到金水方向和金水到棋盘关方向的隧道分别总共为八条和七条。
隧道每个方向由3.75米宽的道路和5米的自由高度组成。所有隧道均预先安装发光二极管灯及交通标志，以提前提醒司机注意隧道入口。表一列出了每条隧道的尺寸和照明条件。
数据收集
这项实验是在2015年5月中旬进行的。每位参加者被要求在下午2：00至4：30期间，沿G5高速公路由棋盘关收费站至金水收费站，然后在吃完晚饭并好好休息使体能恢复后于晚上7：30到10：00期间从金水收费站开车返回棋盘关收费。在试验中，提出以下假设：（1）驾驶员的年龄对视觉行为没有明显影响；（2）隧道内的照明条件差异可以忽略不计；（3）驾驶员的视觉测量值逐渐变化，不考虑视觉冲击；（4）驾驶员视觉测量的变化反映了心理和情绪的变化。
在测试前，所有的参加者都会在训练课程被告知实验的目的，过程，眼球追踪器的使用和设备的校准。如果参与者在驾驶过程中感到不舒服，他们被允许随时放弃实验。在正常实验前，参与者被要求同意记录他们在驾驶过程中视觉行为的数据。然后，在开始正式的测试中，分别以他们习惯的驾驶方式完成棋盘关收费站和金水收费站的2.5小时日间或夜间驾驶任务。
在以下数据处理中，每个参与者在隧道入口前205米到进入隧道后250米的驾驶行为被获取并被用于分析每个驾驶员视觉行为变化。然而，这些被选定的部分被划分为三个区：接近段包括隧道入口前的250米到150米，过渡段包括隧道入口前的150米到进入隧道内部的150米，内部段包括隧道内部150米到250米之间。隧道入口前250米为基测量基准线，用于比较驾驶员在不同区域的视觉变化。
结果和发现
注视
平均注视次数
注视是指一个人保持他或她的视线注视在一个单一的位置上的时期，这是一个人注意力集中的标志。位置和区域同样被称为注视点，因此注视的次数被定义为注视点在感兴趣的区域的次数。在驾驶过程中，一旦驾驶员注意到某个感兴趣的特殊区域，注视的次数反映驾驶员关注这个区域的兴趣点的次数。
在视觉搜索任务期间，注视的次数取决于与驾驶相关的视觉信息处理的数量，但是与信息的深度无关。图3显示了在驾驶通过隧道入口时驾驶员平均注释次数的变化。
隧道的过渡段表现出完全不同的驾驶状况，特别是对于夜间行车的新手驾驶员。如图三所示和对比经验丰富的驾驶员，新手驾驶员平均注视次数在隧道入口前五十米处开始增加 (M=7.45,SD=0.84, Plt;0.01)且在隧道入口前三十米处达到最大值 （M=8.87,SD=0.75
,Plt;0.05),这表明了新手驾驶员在日间进入隧道时有更多的兴趣点。在隧道内50到110米段，该变量表现出明显增加然后改变得更平滑。
在执行夜间驾驶任务时，新手驾驶员对隧道入口前170m(M=6.48，SD=0.71，Plt;0.01)到20m(M=7.83，SD=0.57，Plt;0.05)的空间信息表现出极大的兴趣。在隧道内30m(M=6.47，SD=0.44，Plt;0.01)至160m(M=6.44，SD=0.51，Plt;0.01)段，他们注视的次数在一个相对小的范围内波动。在那之后，注视次数保持稳定。行驶在一条长隧道时，经验丰富的驾驶员注视的次数也有着类似的改变模式。表现为在隧道入口前快速增长，然后略有下降以适应隧道内的亮度环境，最后增加到稳定值。然而，经验丰富的驾驶员的变化幅度明显小于新手驾驶员的变化幅度。
平均注视持续时间
注视时间是一个驾驶员盯着一个特定区域时间的总和，这反映了他或她对注视区域的关注程度和提取信息的困难程度。如图四所示，平均注视持续时间会因车辆的位置而有很大差异。
在日间行车期间，经验丰富的驾驶员平均注视时间从隧道入口前的平均475.6毫秒平稳下降了261.2%到进入隧道后50米的平均131.7毫秒。这反映了这些驾驶员在进入隧道环境时更加专注。注视的平均持续时间在进入隧道内110米处逐渐增加到平均166.4毫秒，然后在进入隧道内170米处降低到平均143.4毫秒，最后其他区段保持为平均140毫秒。在夜间行车时间，三个隧道入口区的注视时间均较日间为短，但是其同样遵循类似的减少-增加-减少模式。
如图四所示，对于新手驾驶员，平均注视持续时间在隧道外250米与隧道内70米间急剧减少。在进入隧道后，注视的持续时间只增加一点点，然后很快就会恢复到稳态值。所有观察表明，新手司机对隧道环境更感兴趣，并试图观察到更多为驾驶安全的必要信息。
视线偏离道路的时间百分比
花费在视线偏离道路的时间比例表明是否以及如何引起驾驶员当前视觉注意力的集中。
从驾驶员注视点的空间分布看，重复的方差分析发现，在夜间驾驶条件下，这个变量在关于车辆位置上对比经验丰富的驾驶员(接近段:M=18.63%,SD=3.47%,Plt;0.01; 过渡段: M =11.54%,SD=1.62%,
Plt;0.01; 内部段:M=14.28%,SD=2.36%,Plt;0.01)和新手驾驶员(接近段: M =16.53%,SD=2.27%, Plt;0.01;过渡段:M =9.17%, SD=1.24%,Plt;0.01; 内部段:M =13.43%,SD=1.98%,Plt;0.01)的基准线有着很大的不同。
在日间行车的条件下的差异也十分明显，所有Plt;0.05，但是隧道环境对眼睛平均偏离道路花费时间的比例影响较小。
最大视线偏移道路注视时间
如果一个驾驶员的注视点远离道路两秒或者更长，他或她就会更有可能卷入车祸。因此，最大视线偏离道路注释时间能够被用于决定是否一个驾驶员分心和评估在特殊驾驶条件下的潜在风险。
图五表明，最大视线偏移道路注视时间的变化会随着特定车辆位置和驾驶员组有很大的差别。在接近隧道入口段，驾驶员需要解读必要的安全信息(即路旁标志、隧道入口的整体大小、可能的危险等),而这很容易分散他们的注意力。因此，此处的最大视线偏移道路注视时间相较于隧道外部与隧道内部的相应的会延更长（对于在日间
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