基于自然驾驶的中国驾驶员驾驶使用手机行为研究

2017-08-03 17:20邢祎伦王雪松
汽车与安全 2017年7期
关键词:视线车道驾驶员

邢祎伦,王雪松

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804,中国)

基于自然驾驶的中国驾驶员驾驶使用手机行为研究

邢祎伦,王雪松

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804,中国)

道路交通安全与环境教育部工程研究中心

Engineering Research Center of Road Traffic Safety and Environment, Ministry of Education

交通安全国际合作联合实验室

Joint International Research Laboratory of Transportation Safety

手机频繁地出现在人们的日常活动中,甚至驾驶人驾驶时使用手机造成分心驾驶,产生了较大的安全隐患。目前世界范围内约束手机使用的法律、教材种类繁多,但对使用手机对驾驶人视觉及操作的影响缺乏了解。国内对该领域的研究相对较少,且主要停留在通过问卷和蹲点调查进行驾驶使用手机现状调查分析,或通过简单的驾驶模拟试验来进行特定行为特征分析的程度,我国驾驶员在真实驾驶状态下的驾驶使用手机情况和行为特征尚无明确的研究结果。本文依托上海自然驾驶研究数据,利用23名驾驶员2013年的115次出行数据对其驾驶行为特征与安全性进行研究。结果显示,被试驾驶员最常使用的手机功能为发送短信、通话和阅读,三者还对驾驶员的视线分心影响最大,达到最高的平均视线偏离时长;在操作分心方面,发送短信具有远高于其他功能的双手占用率;手机使用对于驾驶速度的波动和车辆在车道内的横向位置波动有极大的影响。

交通研究委员会,公路安全手册,事故预测模型,可移植性,主动交通安全管理

Abstract: Cell phones are increasingly appearing at all kinds of daily activities. Phone use while driving is especially of great risk, for the distraction it brings. However, the variety of legislations and educational content around the world, aimed to restrict this behavior, may reflect the lack of common understanding about the influence of phone use on driver’s visual and manual distraction. In this study, 137 phone use events while driving were extracted from 115 trips of 23 drivers based on Shanghai Naturalistic Driving Data. Results showed that the average time of events is 66.7s. Texting, talking on the phone and browsing are the three most popular functions, which also take the first three positions in eyes-off-road time that indicates visual distraction. As for manual distraction, texting is much higher in both-hand-occupied rate among all functions. Phone use while driving also showed significant influence on lateral and longitudinal control of the vehicle.

Keywords: Distracted driving; naturalistic driving study; phone use while driving; driving behavior

驾驶使用手机正日渐成为引发道路交通事故的重要原因。根据公安部的数据,我国2015年分心驾驶事故占事故总数38%,造成2.2万人死亡,7.7万人受伤,其中驾驶使用手机占分心驾驶原因首位。NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration,美国道路交通安全管理署)统计,美国2012年有12%[1]的死亡事故与使用手机有关,2013年上升至14%[2]。

驾驶使用手机的驾驶员群体比重增加,是驾驶使用手机安全问题日益严峻的主要原因。根据央视网的网上调查,截至2016年7月参加调查的2327名网友中有71%的人承认自己在驾车过程中使用手机。横向对比于美国2014年有66.8%[3]驾驶员驾车使用手机,德国2012年有82%[4]调查者在3个月内通话大于10次,英国2008年有89%[5]驾驶员驾车使用手机。

同时,缺乏行之有效的监管约束法律和机制,容许了驾驶使用手机事故的日益频发。许多国家都在积极应对这一交通安全问题,目前并没有切实有效的方法,多数国家均按照酒驾治理、超速治理等相同的方式,即针对性教育、制定法律的方式进行治理[6]。英国于2007年颁布法律,禁止小汽车和摩托车驾驶员在行驶过程中以手持方式使用手机、个人数码产品等。美国目前没有州完全禁止手机使用,并且各个州的法律约束强度也存在较大差异。50个州中有14个州禁止手持使用手机,46个州禁止发送短息,38个州禁止新手驾驶员使用手机,20个州禁止校车司机使用手机。加拿大对驾驶使用手机行为约束强度最高,驾驶员禁止在驾车时使用手机、MP3、移动电脑等各种电子产品,还一并禁止了读书、梳妆等全部分心驾驶行为。

我国也有相关法律:《道路交通安全法实施条例》规定,驾驶机动车不得有拨打接听手持电话、观看电视等妨碍安全驾驶的行为;公安部《机动车驾驶证申领和使用规定》中规定,对违反上述规定的驾驶人处20元以上200元以下罚款,并记2分。并依照交管部门的解释,即除去使用蓝牙耳机通话以外,其他驾驶使用手机行为均视为违法行为。然而因为没有对驾车时使用手机进行准确检测的设备,所以制定的法律也较难执行。对此一些较有潜力的方法被提出,如通过技术手段检测并控制移动车辆的手机使用[7-9];通过用人单位的内部规定来协助治理[10]。

国内对该领域的研究相对较少,且主要是在通过问卷和蹲点调查对于驾驶使用手机现状调查分析,或针对该行为进行简单的驾驶模拟试验来进行特定行为特征分析,因此,我国驾驶员在真实驾驶状态下的驾驶使用手机情况和行为特征尚不明朗,且缺乏有针对性的改善措施。而驾驶使用手机现象及其造成的事故频发,有必要对其进行分析研究,为提出行之有效的应对措施提供借鉴。

1文献综述

驾驶使用手机会造成驾驶人视觉分心,操作分心并影响驾驶安全。许多研究通过直接或间接的手段量化这种影响。Redelmeier[11]等人早在1997年召开对驾驶使用手机事故数据的研究,并得出由于驾驶员的分心,驾驶使用手机会带来4倍于常规驾驶的事故发生可能性的结论。驾驶人视线偏离前方道路的时长和频率经常被用来定量衡量驾驶人的视线分心情况[10,12-14];速度波动[12-13,16]经常用于衡量驾驶人操作分心情况。还有一些研究通过驾驶员的视线偏离前方道路的频率及时间、反应时间[12,15-17]、完成特定驾驶任务的时间[10,13,16,17]这些量在使用手机驾驶时的增长间接反映这种影响。

表 1 定量描述驾驶使用手机分心情况的研究整理

手机功能和交互方式越来越丰富,对于交互方式,过去我们只通过按键来发信息、打电话等多种操作,现在会有滑动、点击、按键、手势或通过蓝牙、耳机、语音控制、驾驶模式等多种方式实现不同的功能,有一些研究[13,17,19]针对手机的不同功能或不同的人机交互方对驾驶安全的影响展开研究。更多的研究主要针对不同手机使用功能对驾驶行为的影响进行研究,手机原本的通话、短信功能衍生出导航、浏览朋友圈、发送语音消息、观看视频等多种功能,驾驶员需要投入更多的精力同时完成驾驶和手机使用行为。其中收发短消息因其廉价和时尚被广泛使用[6],而收发短信需要阅读和输入,会使视线离开前方道路时间延长为不使用时的4倍[19],并且每次看手机平均相当于盲驾5s[21]。其仅次于打电话(44-55%)与导航(48-66%),约有33-35%的调查者驾车收发短信(美国2014年数据[22-23])。澳大利亚和英国的相关调查显示分别有16.7%(2007)[19]、45%(2008年)[5]驾车使用短信。美国NHTSA与WHO调查显示,2011年在1400万起因手机使用造成的事故中有20万由收发短消息造成[6];也有研究表明收发短信具有23倍于常规驾驶事故发生可能性[24-25]。

还有其他对于驾驶手机使用行为的研究,对于驾驶环境[10],如交叉口的驾驶使用手机行为;驾驶员年龄、性别对驾驶使用手机的影响[27],如青年、中年和老年驾驶人的手机使用行为;车内通话检测设备对于驾驶使用手机行为的约束情况的研究。

在研究方法方面,最初的研究主要基于问卷访谈与调查对驾驶使用手机的现状情况简单了解,并基于事故数据分析驾驶使用手机的危险性;随着设备的改进,逐渐有研究利用驾驶模拟器针对特定的人群、驾驶行为等进行驾驶使用手机行为的针对性研究,现在自然驾驶作为借助各类传感器直接记录驾驶员日常驾驶行为数据的研究方法,逐渐成为研究驾驶行为及事故致因的重要手段;随着相关研究的增多也衍生出整合分析的方法,对已有的文献进行整理汇总和评价,方便后人参考使用相关文献资料。

鉴于驾驶使用手机行为很难被检测,在发生事故时只能通过询问当事人来进行事故致因记录,然而驾驶人为了减轻责任往往会隐瞒使用手机行为,因此并没有良好的记录,对于了解我国的驾驶使用手机现状不利,在中国也没有官方发布的手机使用情况数据,以及驾驶使用手机行为的真实影响,因此对于驾驶使用手机行为及其对驾驶行为的影响的研究十分必要。

2自然驾驶数据采集与驾驶使用手机事件提取

2.1 上海自然驾驶项目

上海自然驾驶项目由通用汽车中国公司、同济大学、美国弗吉尼亚理工大学交通研究中心三方合作开展,项目2012年12月启动,历时三年,旨在研究中国驾驶员的驾驶行为,为提升交通安全提出建设性意见和建议。实验参与者每人驾驶实验车2个月,到2015年12月共记录了60名驾驶人,累计超过16万公里的实际运行数据。

图 1自然驾驶项目车辆、启动仪式资料照片

图 2自然驾驶采集数据结构

该项目提供5辆装配了雷达、摄像头、数据集成记录器等设备的实验车辆,可获得的数据包括车辆总线数据接口、3轴加速度计、可跟踪8个目标的雷达系统、温度及湿度传感器、GPS定位系统和4路摄像头;4路摄像头分别监测驾驶员的面部、车辆前方道路、车辆后方道路以及驾驶员手部操作。数据采集系统的不同设备设置了不同的采样频率,分布在10-50 Hz。数据采集系统在车辆点火后自动启动、熄火后自动关闭。驾驶人填写的问卷数据也被回收用于研究分析,自然驾驶采集数据结构示意图如图 2所示。本研究使用的数据为23位被试驾驶员2013年的数据。

图 3自然驾驶四路视频角度

2.2 驾驶使用手机事件提取

驾驶使用手机事件通过观看自然驾驶视频数据获取。将驾驶员开始关注手机(即驾驶员视线开始望向手机,或手开始伸向手机)作为事件触发点,将驾驶员回归正常驾驶状态(视线离开手机恢复直视前方道路,或手离开手机重新操控方向盘)作为截止点,记为驾驶员完成了一次手机使用行为。(见下页图 4驾驶使用手机事件示意图)

选择每位驾驶员驾驶时间最长的5次出行作为研究的出行事件样本,最后提取了23名驾驶员2013年115次出行事件作为研究样本,总计3067.8分钟。最终获取137次手机使用事件,平均使用时长66.7秒。

另外对于研究中涉及到的速度和车道偏离参数,按照VTTI对于驾驶过程中次任务的编码[28],取驾驶使用手机事件发生前20秒,驾驶使用手机事件发生过程,驾驶使用手机事件结束后10秒的时间段进行对比研究。其中若事件发生距离出行起始时间时长不足20秒,则取这段较短的时长;若事件发生距离前一次事件结束时长不足20秒,则选择这段较短的时长;若事件结束时间距离出行结束时间时长不足10秒,则取这段较短时长。

图 4驾驶使用手机事件示意图

3分析和讨论

3.1 驾驶使用手机频率时长分析

从全部出行事件样本中共提取出137次手机使用记录,23名驾驶员有4名驾驶员没有手机使用记录。结合出行时间进行计算,可以得到平均手机使用情况为2.7次/小时,并且有4.9%的出行时间用于操作手机,平均使用时长为66.7秒。驾驶使用手机事件时长分布如图 5所示,87.5%的事件时长在100s以下。Funkhouser[27]等人基于IVBSS FOT这一项目前六周的数据,得到驾驶员有10%的时间用于操作手机,4次/小时的使用频率。

图 5驾驶使用手机事件时长分布

3.2 驾驶使用手机功能类型分析

主要的手机使用功能类型及其对应的频数、平均时长见表 2。按照频数对于手机的不同使用形式进行排序,发现通话、浏览信息及发短信占比最高,同时具有较长的平均使用时长。

其中对于功能类型频次最高的短信功能,美国NHTSA与WHO调查显示,2011年在1400万起因手机使用造成的事故中有20万由收发短消息造成[6];也有研究表明收发短信具有23倍于常规驾驶事故发生可能性[24-25]。

表 2手机的不同使用功能频数及时长

通话功能根据驾驶人是主动播出还是被动接听分为接入和拨出两种情况,功能使用情况以及不同功能使用时的平均车速如表 3所示,驾驶人拨出电话的频率比接入电话的频率要高,说明驾驶人更倾向于在相对安全的状态下选择主动拨出电话;驾驶人拨出电话比接入的平均通话时长要长,平均速度要低,说明驾驶人更倾向于在速度相对较低的情况下进行长时间的拨出通话,在速度相对较高时进行快速的接听操作。

表 3 驾驶员拨出、接入电话情况

3.3 视觉分心

驾驶员在驾驶过程中使用手机,往往需要有视觉的配合完成手机使用任务,这就会造成原本应集中于前方道路的视线向手机的偏离,妨害驾驶安全性。在分析的137例驾驶使用手机案例中,共提取得到731次使用手机时视线偏离前方道路的数据,每次操作平均有5.3次视线偏离(偏离前方道路并转移至手机),每次车辆运动状态下视线偏离的时间平均为1.5秒,按照本研究中计算的平均车速计算,相当于盲驾13.3米,为 3个普通小轿车车长(4-4.4米),总的视线偏离时间为2667.5秒,约为总手机使用时间9133.5秒的29.2%。视线偏离时间分布如图 6,38%的视线偏离时长在1s以下,85%的视线偏离时长集中在5s以下。

图 6视线偏离前方道路时间分布

Wong[14]等人对VTTI 100 辆自然驾驶车辆数据库数据的研究认为驾驶员视线存在循环,即向前方道路望,然后看手机作为一个单元进行循环,平均循环时长为5.05秒,其中目视前方的平均时长为3.95秒,视线偏离的平均时长为0.96秒。

不同手机使用功能的驾驶使用手机视线偏离情况如表 4所示,使用最为频繁的几种功能的视线偏离次数和平均视线偏离时长均较长,发送短信最为严重。

表 4不同手机使用功能的视线偏离情况

3.4 操作分心

肢体操作占用主要考虑驾驶员因驾驶使用手机而带来的手部占用情况的变化。正常驾驶时驾驶员应双手握方向盘,而在驾驶过程中使用手机往往会需要驾驶员抽出一只或两只手来进行手机的操作,这种情况下驾驶人驾车的操作反应会比两只手都在进行操作时慢一些。在这部分中提到的发短信行为表示驾驶人当下正在发信息,而前文的发信息功能包括“拿起手机+浏览阅读+发信息+放下手机”的一系列操作。这样的统计可以使得操作之间不会相互影响,因为通话功能的使用可能也会涉及到拿起手机和放下手机的操作。不同的操作手部占用情况如下页图 7。其他的如插耳机线、手持手机操作方向盘、擦拭手机、手持耳机通话的情况出现次数太少,所以不进行与其他操作内容的对比分析。

图 7不同手机使用操作手部占用情况

值得引起注意的是发送短信这一前文分析得到的最高频高危的行为,其双手占用率高达65%,远高于其他的操作,即发送短信对于驾驶员的肢体操作上的占用十分明显,相比而言,通话对于肢体操作的需求相对较低。

3.5 对车辆运行的影响

驾驶使用手机对车辆的影响主要通过速度和车辆偏离车道中心线距离这两个指标以及其标准差、最大值等形式进行分析。

3.5.1速度

驾驶使用手机事件起始车速对驾驶员做出使用手机的决定存在影响。46.7%的驾驶使用手机事件起始车速为零,66.4%小于5m/s,82.5%小于10m/s,只有3.6%大于20m/s。驾驶员驾驶使用手机事件起始平均车速为4.46m/s,全程平均车速为3.69m/s。驾驶员倾向于在低速时使用手机,仅仅通过速度平均值来看驾驶员驾驶使用手机过程倾向于降低车速。

速度的变化与波动反映着驾驶员的操作状态,驾驶员驾驶使用手机前后的速度值的变化,以及速度波动幅度的变化可以反映驾驶使用手机对驾驶安全性的影响。记驾驶使用手机事件发生前20s时间为Tb(before),发生时的时间为Tu(in use),事件结束后10s时间为Ta(after)。计算三个时间段每个事件驾驶使用手机平均车速,并进行方差分析,结果显示三个阶段没有显著差别(F(2 408)=0.94,p=0.39<0.05)。

计算三个时间段每个事件驾驶使用手机速度标准差,并进行方差分析,结果显示三个阶段差异显著(F(2 408)=44.68, p<<0.05),将三个阶段的速度标准差用箱形图表示如图 8,可以看出Tu时段的事件速度方差明显大于其他两个时间段。说明驾驶使用手机会影响驾驶员驾车的操作稳定性,使车速波动频繁,造成驾驶安全性下降。

图 8 三个时间段事件速度标准差箱形图

3.5.2车道偏离

车道偏离是指车辆行驶轨迹与道路中心线偏离的距离(向中心线左侧偏离时距离为正值,向右为负值),速度反映驾驶员沿道路方向的操控情况,车道偏离则反映着驾驶员侧向的车辆操控情况。与速度同样获取Tb、Tu和Ta三个时段的数据。

与速度不同的是,通常驾驶员驾车轨迹越贴近中心线,即偏离中心线距离越小,则驾驶状态越为稳定和安全[29],所以选取偏离车道中心线的最大距离绝对值作为主要衡量指标。137个事件其中5个存在片段车道偏离数据缺失情况剔除,对其余事件三个片段的最大车道偏离距离绝对值进行方差分析,结果显示最大车道偏离值的绝对值在三个阶段并没有差别(F(2 393)=0.05,p=0.9494>0.05)。

另一个分析的指标为车道偏离距离值波动情况,即车道偏离的标准差。对三个时段的车道偏离标准差进行方差分析,结果显示三者具有显著差异(F(2 393)=10.39, p<<0.05)。根据图 9可以看出Tu时段的事件速度方差明显大于其他两个时间段。说明驾驶使用手机会影响驾驶员驾车的操作稳定性,使车道侧向位置波动频繁,造成驾驶安全性下降。

图 9三个时间段事件车道偏离标准差箱形图

4研究结论

本文基于自然驾驶数据对于中国驾驶员驾驶使用手机行为的研究,主要得到以下几点结论:

(1)驾驶员驾驶使用手机时长普遍较短,87.5%分布在100s以下,使用频次为2.7次/小时,驾驶总时长中占到4.9%的比重;驾驶员每次视线偏离的时间平均为3.6s,按照最终得到的平均车速3.69m/s 来计算,相当于驾驶员平均盲驾13.3m,相当于3个普通小轿车车长(4-4.4m);发短信、通话与浏览阅读为使用最频繁的手机功能。

(2)发短信功能使用频率最高,同时还有最高的视线偏离时间比例,及最高的双手脱离方向盘比例,鉴于这一功能被越来越频繁地使用,特别是在年轻人范围内[22],未来的研究应当对于驾驶人明知使用这一功能的危险性仍然使用的心理进行研究,并设计针对性的教育方案。

(3)驾驶人表现出了驾驶补偿行为,在驾驶使用手机时驾驶人倾向于在行车速度相对较低时主动拨出电话进行长时间通话,而较少在高速时被动接听电话,因此可以开发根据驾驶环境信息推断主动阻断电话接入的驾驶模式,提示拨出电话的一方驾驶人正处于驾驶状态,从而减少没有准备的被动接听电话的危险情况。

(4)车速值、车道横向偏离的最大距离值在驾驶使用手机前后无显著变化,但车速波动、车辆侧向位置波动情况在驾驶使用手机过程中明显增长,说明驾驶使用手机削弱了驾驶员对车辆的横向和纵向操控能力,影响驾驶安全性。

5现状改善建议

对于改善现状主要有以下几条建议:

(1)驾驶使用手机相关法律法规是否需要调整

新的手机使用功能、人机交互方式不断涌现,手机使用对于安全性的影响需要不断地探究,那么我国目前驾驶使用手机相关的法律法规,是否需要响应这种改变而做出调整,是驾驶使用手机行为研究需要进一步探索求证的。

(2)驾驶使用手机相关驾驶人培训教育是否需要调整

为了节省教学事件、提升驾考合格率,教练员往往不严格按照教学大纲对学员进行培养,常常只注重驾驶技术要点,忽视安全文明驾驶等教学。驾驶使用手机相关法律法规,及驾驶使用手机会引发的安全问题作为一个小的理论考试知识点很难被认真强调。因此有必要监督教练员按照教学大纲和课时安排进行教学。

(3)利用技术手段加强营运驾驶人在途管理

营运驾驶车辆内部作为公共开放空间,通常装有监控摄像头,可借助图像分析等技术手段基于监控驾驶人的视频信息,获取驾驶人使用手机的行为信息,实时提示驾驶人请勿使用手机,并将驾驶人的手机使用情况发送给营运驾驶公司管理者,由管理者对违规驾驶人进行的安全教育,明确驾驶使用手机的相关法律法规及引发的安全性问题。

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Phone use behavior of Chinese drivers based on naturalistic driving data

XING Yilun, WANG Xuesong
(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

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