徐 昶，榮 建，伍毅平，彭志彪

(北京工業(yè)大學 北京市城市交通運行保障工程技術研究中心, 北京 100124)

0 引言

隨著信息技術的快速發(fā)展，人們對駕車出行的時效性提出了更高要求。可變情報板(Variable Message Sign, VMS)作為傳播道路實時路況信息的重要交通設施，其數量逐年遞增。以北京地區(qū)為例，截至2018年國省干道已安裝VMS 414塊，其中，國道設有VMS 86塊，省道共安裝VMS 202塊，縣道共設置VMS 126處，年增長率高達18.6%。

VMS的功能定位介于導航軟件和靜態(tài)交通標志之間，其本質是為局部路段或區(qū)域發(fā)布路況信息的終端[1-2]。通常來講，VMS版面內容主要包括圖形和文字兩種形式[3]。圖形式主要以路網結構圖為主體并以文字為輔，共同顯示實時路況信息；文字式則主要通過文字發(fā)布狀況、突發(fā)性事件及計劃性事件等信息。由于文字式VMS發(fā)布內容不受路網結構限制，可發(fā)布的信息更為豐富多樣，目前仍為發(fā)布道路路況信息的主要手段。

雖然VMS在北京市應用廣泛，但高達77%的駕駛人未能根據VMS提示的信息更改出行路徑[4]。調研結果表明，41%的駕駛人主觀層面認為VMS的設置存在一定問題，甚至有31.6%的駕駛人認為其應用問題較為嚴重。進一步分析表明，設計要素不統一及信息量過載為VMS應用存在的主要問題，分別占比21.6%及18.3%[5]。

《道路交通標志和標線》(GB5768.2—2009)對VMS的用途、顯示方式、顏色及設置位置進行了較為詳細的規(guī)定[6]。但是，文字信息的字數、信息單元的閾值及不同發(fā)布內容下信息結構的有關規(guī)定較為缺乏，對實際應用中發(fā)布信息量過載及信息有用性較低等問題并未提供有效解決方案。由于行車過程中駕駛人對VMS的視認時間非常有限，信息量過大會導致駕駛人在有限時間內較難獲取有效信息，不僅會造成VMS利用率低，而且容易引起駕駛人分心，對行車安全甚至整個交通流運行帶來不良影響[7-8]。實際上，美國《統一交通控制設施手冊》(MUTCD)推薦信息單元主要由事件、位置、對象及建議4部分組成[9]。美國聯邦公路局對信息單元的數量進一步規(guī)定為：車速≥56.3 km/h時不超過4個信息單元；車速<56.3 km/h時不超過5個信息單元[10]。雖然國外相關規(guī)范對VMS發(fā)布文字信息進行了較為詳細的規(guī)定，但由于語言結構存在顯著差異，并不直接適用于國內。

以往針對道路交通標志的相關研究主要集中在靜態(tài)標志層面，通過模擬試驗和實測等方法，結合認知心理學與人因工程學等理論取得了較多研究成果[11-13]。事實上，靜態(tài)交通標志中的文字信息與VMS發(fā)布的文字信息存在較大差別，前者以路名或標志物名稱向駕駛人傳達信息，后者通常以整條語句向駕駛人提供路況信息。當前關于VMS發(fā)布內容的研究主要集中在信息有效性方面，包括駕駛人對發(fā)布信息內容的理解[4]、不同信息對駕駛人的作用效果[14]、不同信息內容對路網運行狀態(tài)的影響[8]、不同信息對不同類別駕駛人改變行車路徑的影響[15]等。有關VMS發(fā)布信息形式的研究主要通過試驗及主觀問卷兩種途徑獲取。Lai[16]通過動態(tài)模擬試驗得出了VMS顯示雙顏色的配色方案及兩行文字效果較優(yōu)的結論。Zhao等[4]通過行為調查及陳述偏好調查得出駕駛人更偏好黑底黃色文字的顯示形式。

考慮到實際行車過程中，駕駛人主要通過視覺獲取交通標志信息，發(fā)現和認讀標志是產生相關駕駛操作的前提和關鍵[17]，故本研究從駕駛人視覺認知特性的角度探究VMS文字信息閾值及其結構?？紤]靜態(tài)認知試驗成本較低，便于測試各種不同的文字信息單元及組合形式，且研究表明車速在120 km/h以內駕駛人動視力與靜視力較為接近[13]，因此通過靜態(tài)認知試驗挖掘駕駛人視認特性與文字信息字數及信息單元數量的關聯關系，以期獲得VMS文字信息的閾值及其合理組成結構，完善VMS設置規(guī)范和使用標準，提升VMS的實際應用效果。

1 靜態(tài)認知試驗

1.1 試驗人員

共招募駕駛人45名。其中，男性駕駛人29名(占比64%)，女性駕駛人16名(占比36%)。年齡分布為20～56歲(平均值=36.8歲，標準差=11.6歲)，駕齡2～30 a(平均值=12.8 a，標準差=10.5 a)。所有駕駛人視力及矯正視力均高于4.8。

為保證樣本選取合理，主要參考以往靜態(tài)認知及動態(tài)模擬試驗的樣本選取原則[18-20]：樣本總量不少于30個，且性別、年齡、駕齡分布合理。通過問卷和測評，確保被試者具有實際駕車經驗和可變情報板使用經歷。

1.2 試驗儀器及環(huán)境

試驗設備參數如表1所示。其中，E-prime軟件為美國某公司研發(fā)的專業(yè)級心理測試軟件，可獲取被試視認及判斷時間，精度為ms級。

表1 試驗設備參數Tab.1 Parameters of experimental equipment

安排靜態(tài)認知試驗在封閉安靜的室內進行。為使駕駛人在室內的視認效果與實際道路貼近，最大限度地避免視認距離等因素造成的系統誤差，基于人因工程學原理，應用式(1)確定駕駛人與顯示器的距離[21]：

(1)

式中，L為駕駛人的視線與液晶屏幕之間的距離；h為駕駛人視線高度距離液晶屏上邊緣高度；θ為駕駛人視線高度與液晶屏上邊緣夾角。

本次試驗環(huán)境中，實際測量h為0.28 m。根據人因工程原理，當θ≤8°時，駕駛人可準確認讀顯示信息[21]。由此，計算得到駕駛人距離液晶顯示器距離為2 m。

1.3 試驗設計

為獲得試驗測試范圍及設計依據，首先通過主觀問卷調查獲得駕駛人對文字信息量的主觀需求及偏好。利用問卷星線上問卷平臺，共回收有效問卷424份。駕駛人可接受的VMS文字字數分布范圍為4～32個(見圖1)。

圖1 文字字數可接受上限Fig.1 Acceptable upper limit for word count

基于VMS應用現狀，選取應用最廣泛的2 m×4 m 為試驗用VMS外觀尺寸。選取黑體字為試驗用字體。字高參照靜態(tài)交通標志規(guī)范[6]，結合VMS尺寸和文字數量設置：當版面顯示文字信息量超過18個字時，字高35 cm；當信息量低于18個字，字高50 cm；文字高寬比為1∶1。試驗用VMS示例如圖2所示。

圖2 可變情報板設計結果Fig.2 Design result of variable message sign

依據問卷結果和實際應用情況，確定試驗文字字數研究范圍為4～36個字，共24幅VMS圖片。參照《道路交通信息服務：通過可變情報板發(fā)布的交通信息》(GB/T 29103—2012)[22]及《統一交通控制設施手冊》(MUTCD)[9],將信息內容分為狀況、突發(fā)事件及計劃事件，具體信息內容及示例如下。

(1)狀況信息：主要用于闡述實時交通狀況，描述內容包括暢通、緩慢、擁堵、車流量大、行駛正常等信息，如“南橋北路行駛暢通”。

(2)突發(fā)性事件信息：主要用于闡述對通行造成影響且時效性較強的交通事件，描述對象應為發(fā)生的交通事件或對交通產生影響的事件，如“京藏高速至昌平西關發(fā)生事故建議繞行黃馬路”。

(3)計劃性事件信息：用于闡述計劃性交通事件，描述對象應為即將發(fā)生并對交通產生影響的事件，包括公路養(yǎng)護施工、橋隧施工養(yǎng)護、改擴建工程、重要社會活動等，如“2日至3日胡同大街至芙蓉東路施工占道建議繞道行駛”。

設計文字信息結構見表2。

表2 信息單元組合Tab.2 Information units combination

1.4 試驗流程

試驗由被試者基本屬性采集、預試驗及正式試驗3部分組成。試驗前，被試者填寫個人基本屬性問卷，內容包括個人基本信息、試驗前生心理狀態(tài)及是否有使用可變情報板經歷等。試驗員宣讀靜態(tài)認知試驗指導語并進入預試驗。被試者通過預試驗熟悉試驗流程及基本操作，確認完畢后進入正式試驗。首先，系統顯示1幅VMS信息(簡稱A)并開始計時，被試者完成對文字信息的認識及理解后需迅速按下鍵盤對應按鍵，系統自動采集視認時間。其次，系統顯示a，b，c，d 4個選項，有且僅有1個正確答案與圖A相對應。被試者需口頭告知試驗人員答案并按下對應按鍵。試驗員如實記錄答案，系統自動記錄被試者答題所用時長。被試者繼續(xù)視認下一幅VMS信息，直至全部圖片視認完畢。試驗過程中，在不同VMS顯示之間會隨機出現風景圖片供被試者緩解視覺疲勞。

2 試驗數據分析

基于靜態(tài)認知試驗，研究獲取不同VMS文字信息及結構下駕駛人的視認時間、判斷時間和理解錯誤率。利用頻數直方圖及Q-Q圖對視認及答題時間進行假設檢驗，并通過拉依達準則對異常數據進行篩選。結果表明，試驗數據均符合正態(tài)分布，共招募的45名駕駛人中42名被試者視認及答題數據有效。

2.1 文字字數閾值分析

對不同字數對應條件下被試者的視認時間、判斷時間及理解錯誤率進行統計，結果如表3所示?？傮w來看，視認時間、判斷時間及理解錯誤率的均值均隨文字數量增加而增大。視認及判斷時間標準差同樣隨可變情報板文字信息字數增加而增大。

表3 試驗數據統計Tab.3 Statistics of experimental data

首先，利用單因素方差分析探究視認時間及文字數量統計學關系，結果表明，文字字數對視認時間具有顯著性影響, 顯著性差異水平F值及檢驗水平p值分別為F(10,1 039)=19.692，p<0.001?？勺兦閳蟀逦淖肿謹翟黾?，伴隨的視認時間顯著增加，其變化趨勢如圖3所示。其次，分別利用視認時間的15%位數、均值及85%位數擬合文字數量與視認時間量化關系模型。視認時間和文字數量的擬合關系如圖4所示，其中y為視認時間，x為文字數量。調整后的模型擬合優(yōu)度系數R2依次為0.948，0.934，0.954，量化關系模型擬合效果較好，可以反映文字數量與視認時間的關系。然后，利用Duncan檢驗對各字數水平視認時間進行比較，將組間無顯著性差異歸為同一子集，結果表明，4～8個字屬于子集1(p=0.261)；12～20個字屬于子集2(p=0.403)；22～26個字屬于子集3(p=0.606)；32字屬于子集4(p=1)；36個字屬于子集5(p=1)。當信息增至22個字時，視認時間達到極大值并且離散程度增加。故根據上述視認時間分析排除子集3～5，初步確定VMS發(fā)布信息的文字字數宜小于20個字。

圖3 視認時間箱線圖Fig.3 Boxplot of recognition time

圖4 駕駛人視認時間與文字數量關系曲線Fig.4 Curves of drivers’ recognition time vs. word count

進一步通過單因素方差分析發(fā)現文字字數對判斷時間同樣具有顯著影響(F(10,1 039)=7.631，p<0.001)，即判斷時間隨文字字數增加而顯著增大。綜合統計被試者視認及判斷時間，結果見圖5。判斷時間與視認和判斷的總體時間均呈現先減小再增加的趨勢；在相同文字數量下，被試者的視認時間及判斷時間的差距先增大后縮減，當文字字數在4～8個時，駕駛人視認及判斷時間的變化趨勢并不統一。76.2%的被試者認為，當文字字數太少時，花費視認時間較少，導致判斷文字信息具體內容時產生猶豫。因此，VMS發(fā)布文字信息的字數范圍位于12～20個字更為合適。

文字字數與理解錯誤率相關性分析結果表明，二者呈現正相關性，相關系數r及檢驗水平p值分別為r=0.825，p=0.002。進一步對不同字數下離散變量理解錯誤率進行非參數檢驗，Friedman檢驗結果表明字數變化對理解錯誤率具有顯著性影響，卡方值χ2及檢驗水平p值分別為χ2=77.304，p<0.001。故錯誤率隨文字數量增加而顯著增長，當字數超過18時，理解錯誤率急劇增加。

圖5 視認時間及判斷時間Fig.5 Recognition time and judgement time

綜合駕駛人視認時間、判斷時間和理解錯誤率，VMS發(fā)布文字信息的字數應為12～18個。結合試驗前駕駛人主觀偏好問卷結果，累積91.98 %的駕駛人可接受文字上限為16個字(見圖1)。故最終推薦VMS文字字數范圍宜為12～16個字。

2.2 信息單元閾值及結構分析

分別統計VMS狀況信息、突發(fā)信息及計劃信息下的單元視認指標，結果如表4所示?？傮w而言，不同內容下各項指標均隨信息單元數量的增加而增大。3種信息內容在同一單元數量下，視認時間、判斷時間及理解錯誤率存在差異，且隨信息單元數量的增加，不同信息下對應指標差異性減弱。

表4 VMS不同內容與信息單元對應的駕駛人視認特性Tab.4 Drivers’ visual recognition features corresponding to different contents and information units of VMS

基于2.1節(jié)分析結果，將可變情報板文字字數上限16個代入3種擬合關系式(圖4)，分別獲得視認時間依次為3.72，6.02，8.41 s。結合表4中不同信息單元數量與駕駛人視認時間的關系，得到不同信息內容視認時間與信息單元的關系，見表5。

表5 不同內容與信息單元的關系(單位：個)Tab.5 Relationship between different contents and information unit(unit:unit)

以駕駛人視認時間15% 位數為約束條件，狀況及突發(fā)事件VMS信息單元數量上限，均為2個單元；以均值為約束，狀況及突發(fā)事件信息單元數量上限為3個單元，計劃事件信息單元數量上限為2個單元；以85%位數為約束，不同信息內容下單元數量上限均比以均值為約束增加1個單元。綜合考慮VMS常用信息的文字長度與內容實用性等因素，最終確定：當顯示狀況信息及突發(fā)性信息時，上限為3個單元；當顯示計劃性信息時，上限為2個單元。

VMS發(fā)布文字信息不宜超過上述單元上限。反之，宜對信息分屏處理以符合限制。當信息單元數量為1，2，5個時，其結構組成方式唯一(見表2)，故著重研究不同信息內容下3，4個單元推薦信息結構，統計結果見表6。狀況信息單元數量為3個時，信息結構由位置、狀況及誘導組成視認時間較低；信息單元數量為4個時，信息結構由位置、狀況、時間及誘導組成所用視認時間較少。突發(fā)及計劃事件單元數量為3個時，信息結構由位置、事件及誘導組成所用視認時間較低；信息單元數量為4個時，信息結構由位置、事件、時間及誘導組成所用視認時間較低。

表6 不同信息單元統計數據Tab.6 Statistics of different information units

表6表明所有信息結構理解錯誤率均在15%以內。因此，研究以視認時間為主要參考依據，選取視認用時較少為推薦信息結構的依據。

3 結論

針對可變情報板文字信息數量及信息結構開展靜態(tài)認知試驗，以信息內容(狀況信息、突發(fā)事件及計劃事件共3種)及信息單元(1～5個單元)為控制因素，通過視認時間、判斷時間、理解錯誤率并結合駕駛人主觀需求，分析了駕駛人對不同文字數量的視認特性，構建了文字數量與視認時間關系模型。進而獲得不同信息內容下信息單元上限及推薦信息結構，結論如下：

(1)文字數量對駕駛人視認時間具有顯著性影響。文字數量增加，視認時間、判斷時間及理解錯誤率隨之增加。信息較多時，字數宜控制在12～16個字。

(2)駕駛人視認時間和理解錯誤率隨信息單元增加而增加。當顯示狀況信息時，建議信息單元上限為3個，由位置、狀況及誘導信息組成；當顯示突發(fā)性事件時，建議信息單元上限為3個，由位置、事件及誘導信息組成；當顯示計劃性事件時，建議信息單元上限為2個，由由位置及事件構成。

作為可變情報板文字信息優(yōu)化研究的探索嘗試，本研究以駕駛人視認特性為切入點開展了靜態(tài)認知試驗研究。由于靜態(tài)認知試驗未考慮車輛運行速度、交通量、外部環(huán)境等因素對駕駛人視認特性的影響，本研究視認特征數據可能比實際值高。后續(xù)研究將通過動態(tài)駕駛模擬試驗和實車測試引入速度及交通量等因素，并進一步挖掘不同VMS文字信息影響下的性別、駕齡、路況熟悉程度等不同駕駛群體的差異特征，以及對駕駛操控行為和車輛運行狀態(tài)的綜合影響，對研究結果的有效性及適用性進行驗證和優(yōu)化。