（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

0 引言

駕駛?cè)顺傩旭傂袨槭钦T發(fā)城市道路交通事故的主要原因之一。近年來(lái)由超速行駛引起的惡性交通事故頻發(fā)，給城市道路使用者帶來(lái)了極大的交通安全隱患。車速反饋標(biāo)志作為一種動(dòng)態(tài)限速標(biāo)志，在實(shí)時(shí)顯示車速的同時(shí)可通過(guò)紅色警告提示駕駛?cè)艘殉?。這類動(dòng)態(tài)信息交通標(biāo)志的應(yīng)用影響著駕駛?cè)说囊曈X(jué)感知與心理特性，進(jìn)而影響行車安全。為此，對(duì)車速反饋標(biāo)志在道路上的適用性進(jìn)行研究很有必要。

國(guó)外學(xué)者對(duì)車速反饋標(biāo)志的研究較早且較為深入。如Luoma 等[1]從眼動(dòng)特性的角度分析了在城市郊區(qū)路段上增設(shè)可變限速標(biāo)志對(duì)駕駛行為的影響，得出增設(shè)后駕駛?cè)藢?duì)動(dòng)態(tài)交通信息標(biāo)志的關(guān)注度更高的結(jié)論；Ardeshiri 等[2]通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、回歸模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)估了車速反饋標(biāo)志不同設(shè)置地點(diǎn)、設(shè)置時(shí)長(zhǎng)對(duì)降速效果的影響；Allaby等[3]通過(guò)交通事故預(yù)測(cè)模型對(duì)多倫多高速公路上的可變限速標(biāo)志進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)合微觀仿真模型對(duì)其交通安全影響進(jìn)行了評(píng)估；Topolsek 等[4]運(yùn)用眼動(dòng)追蹤技術(shù)，研究了駕駛?cè)藢?duì)路邊交通標(biāo)志與廣告的覺(jué)察性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)限速標(biāo)志的研究主要集中于高速公路上限速標(biāo)志的有效性、設(shè)置方法等方面。如蔣水龍等[5]針對(duì)車速反饋標(biāo)志應(yīng)用效果進(jìn)行了實(shí)地車速調(diào)查、問(wèn)卷調(diào)查和實(shí)施前后效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，綜合分析了車速反饋標(biāo)志在高速公路上的適用性；程國(guó)柱等[6]構(gòu)建了駕駛?cè)艘曊J(rèn)距離模型及限速標(biāo)志前置距離模型，提出一種高速公路作業(yè)區(qū)晝夜?jié)u變限速標(biāo)志間距計(jì)算方法；倪娜[7]通過(guò)駕駛員心率、感知速度、行駛速度等指標(biāo)，明確了視覺(jué)參考系對(duì)駕駛?cè)诵睦淼挠绊憽?/p>

綜上所述，國(guó)外主要運(yùn)用數(shù)學(xué)模型從眼動(dòng)特性的角度分析車速反饋標(biāo)志的設(shè)置地點(diǎn)與設(shè)置時(shí)長(zhǎng)、設(shè)置有效性與速度控制效果等，而較少結(jié)合心電和皮電等生理指標(biāo)對(duì)車速反饋標(biāo)志進(jìn)行研究，對(duì)駕駛?cè)俗陨硖匦缘难芯坎粔蛉妗?guó)內(nèi)對(duì)限速標(biāo)志的研究更側(cè)重于傳統(tǒng)限速標(biāo)志和車速反饋標(biāo)志在高速公路上的適用性，缺少城市道路中兩種限速標(biāo)志的對(duì)比研究。因此，本文將以城市道路為研究背景，從駕駛?cè)松砼c心理特性的角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比靜態(tài)限速標(biāo)志與車速反饋標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)说挠绊懖町?，深入研究車速反饋?biāo)志對(duì)駕駛?cè)说淖饔脵C(jī)理，進(jìn)而評(píng)估車速反饋標(biāo)志在城市道路上的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)思路

在駕駛車輛過(guò)程中，駕駛?cè)藭?huì)經(jīng)歷一個(gè)比較復(fù)雜的生理、心理變化過(guò)程，需要持續(xù)不斷地在短時(shí)間內(nèi)對(duì)交通標(biāo)志傳遞的信息進(jìn)行接受、分析、決策。本文為研究車速反饋標(biāo)志的適用性，通過(guò)與靜態(tài)限速標(biāo)志的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選取視覺(jué)特性指標(biāo)、心電特性指標(biāo)、皮電特性指標(biāo)來(lái)表征駕駛?cè)松硇睦碜兓匦裕瑥母S狀態(tài)、服從性、制動(dòng)誘導(dǎo)性三類行為特性來(lái)分析車速反饋標(biāo)志的降速有效性。

（1）實(shí)驗(yàn)路段

本實(shí)驗(yàn)選取城市道路超速現(xiàn)象較嚴(yán)重的南京市玄武大道展開(kāi)研究，具體路段為南京林業(yè)大學(xué)北一門—長(zhǎng)途汽車東站，全長(zhǎng)約1.1km，調(diào)查區(qū)段為標(biāo)志上游80m 內(nèi)路段，如圖1 所示。車速反饋標(biāo)志設(shè)置點(diǎn)在玄武大道限速50km/h的路段，受調(diào)查點(diǎn)客觀條件限制，將車速反饋標(biāo)志設(shè)于限速標(biāo)志牌前方0.8m 處且角度、方向與限速牌相一致，如圖2所示。

圖1 玄武大道調(diào)查區(qū)段

圖2 可變車速反饋標(biāo)志圖

（2）實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共選取調(diào)查對(duì)象10名，實(shí)驗(yàn)次數(shù)共計(jì)20次，男女比例為3∶2，年齡在18～50 歲之間，均持有C1 駕駛執(zhí)照，駕齡均超過(guò)2 年。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，令駕駛?cè)伺宕鱐obii Pro Glasses 系列眼動(dòng)儀和Ergo LAB 無(wú)線生理傳感器，分別在設(shè)置靜態(tài)限速標(biāo)志與車速反饋標(biāo)志的路段正常行駛。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)Ergo LAB 人機(jī)環(huán)境同步系統(tǒng)獲取駕駛?cè)说囊曈X(jué)、心電與皮電指標(biāo)；利用攝像機(jī)和雷達(dá)測(cè)速儀對(duì)實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行拍攝和測(cè)速，可得到剎車比例、車頭間距等數(shù)據(jù)。

用于實(shí)驗(yàn)的限速標(biāo)志、車速反饋標(biāo)志的尺寸與《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線（第2部分）》（GB 5768.2—2009）[8]規(guī)范要求相一致，限速標(biāo)志牌外徑為0.8m，數(shù)字尺寸為0.38m×0.55m；車速反饋標(biāo)志的外觀尺寸為0.70m×0.55m，LED 數(shù)字尺寸為0.36m×0.6m。兩種標(biāo)志的外觀尺寸相差約0.12m2，數(shù)字尺寸相差約0.007m2，在實(shí)驗(yàn)允許誤差范圍以內(nèi)。因此本文認(rèn)為兩種標(biāo)志的字體和外觀差異對(duì)駕駛?cè)说挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。此外，限速標(biāo)志牌距路面高度約為2.5m，車速反饋標(biāo)志距路面高度約為1.5m。經(jīng)調(diào)查，該路段最高85%位車速為72 km/h，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的限速標(biāo)志前置距離參照表[9]，近似取限速標(biāo)志前置距離80m 為調(diào)查區(qū)間，以盡量減小調(diào)查過(guò)程中標(biāo)志高度對(duì)駕駛?cè)说挠绊憽?/p>

2 駕駛?cè)搜蹌?dòng)特性

有研究發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)嗽谛熊囘^(guò)程中通過(guò)視覺(jué)獲取的信息占全部獲取信息量的80%以上，駕駛?cè)说囊曈X(jué)機(jī)能在很大程度上影響駕駛行為[10]。為探究?jī)煞N標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)说难蹌?dòng)特性影響，本文選取與眼睛基本運(yùn)動(dòng)形式相關(guān)的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分別為注視時(shí)間、掃視時(shí)間、注視次數(shù)、掃視次數(shù)和視覺(jué)搜索軌跡。

2.1 注視與掃視指標(biāo)變化分析

箱線圖可以直觀地反映數(shù)據(jù)的四分位值、平均值和異常值，且借助異常值可以剔除不具代表性的數(shù)據(jù)，能較準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)的離散性和整體變化趨勢(shì)。因此，本研究采用箱線圖描述駕駛?cè)俗⒁曋笜?biāo)與掃視指標(biāo)的變化情況，分別如圖3 和圖4所示。

圖3 駕駛?cè)似骄鶔咭晻r(shí)間與平均注視時(shí)間對(duì)比

由圖3 和圖4 可知，在設(shè)置車速反饋標(biāo)志的道路上，駕駛?cè)说淖⒁晻r(shí)間與注視次數(shù)的平均值與四分位值分別增加5.94%和15.23%；掃視次數(shù)和掃視時(shí)間的平均值與四分位值降幅明顯，分別降低23.98%與10.32%。這表明：駕駛?cè)俗⒁饬?、關(guān)注度高，搜索有效信息效率高，能夠快速尋找、提取標(biāo)志上的信息來(lái)輔助對(duì)目標(biāo)物及交通環(huán)境的判斷；同時(shí)，速度反饋標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生較大的吸引與刺激，使駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生不穩(wěn)定、不確定感，需要延長(zhǎng)注視時(shí)間以獲取對(duì)駕駛狀況的認(rèn)知。

圖4 駕駛?cè)藪咭暣螖?shù)與注視次數(shù)對(duì)比

2.2 注視軌跡分析

駕駛?cè)烁信d趣片段的組成情況能反映交通標(biāo)志中信息比例的高低[11]。感興趣片段由注視點(diǎn)和注視軌跡組成。以一名具有代表性的駕駛?cè)说囊曊J(rèn)軌跡為例，其注視點(diǎn)和注視軌跡如圖5 所示，圖中圓點(diǎn)大小表示注視時(shí)間，圓點(diǎn)越大表示注視時(shí)間越長(zhǎng)；圓點(diǎn)中數(shù)字表示注視點(diǎn)順序，從大到小依次反映注視的先后順序。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)嗽谠O(shè)有車速反饋標(biāo)志的道路上行駛時(shí)，聚焦點(diǎn)更加集中，受其他因素干擾小，視駕駛?cè)水a(chǎn)生視認(rèn)行為后有明顯的制動(dòng)行為與信息讀取判斷行為，整個(gè)搜索過(guò)程軌跡清晰。

圖5 駕駛?cè)艘曈X(jué)搜索軌跡對(duì)比圖

由圖5 可見(jiàn)，在僅設(shè)有靜態(tài)限速標(biāo)志的路段行駛時(shí)，駕駛?cè)顺跏紩r(shí)刻的注視點(diǎn)位于臨時(shí)停車標(biāo)線處，視線軌跡偏向右側(cè)干擾物，在接近限速標(biāo)志時(shí)，仍無(wú)任何視認(rèn)行為；在設(shè)有車速反饋標(biāo)志的路段行駛時(shí)，駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)集中分布在道路正前方區(qū)域，隨著視野中車速反饋標(biāo)志的出現(xiàn)，第11 關(guān)注點(diǎn)至第12 關(guān)注點(diǎn)有明顯的跳躍，通過(guò)掃視注視點(diǎn)短暫停留后，快速回到道路正前方區(qū)域，注視點(diǎn)較穩(wěn)定且視認(rèn)軌跡清晰明顯?？梢?jiàn)，駕駛?cè)藢?duì)車速反饋標(biāo)志的視認(rèn)效果好于靜態(tài)限速標(biāo)志。這主要有兩方面的原因：①車速反饋標(biāo)志作為刺激信息實(shí)時(shí)顯示車輛行駛速度，促使駕駛?cè)颂岣哧P(guān)注度，完善情景意識(shí)，高效識(shí)別信息；②駕駛?cè)丝赏ㄟ^(guò)多次注視車速反饋標(biāo)志來(lái)檢查行駛車速，當(dāng)速度反饋標(biāo)志顯示紅色超速預(yù)警時(shí)，能誘使駕駛?cè)瞬扇≈苿?dòng)行為，降低車速。

3 駕駛?cè)诵碾娕c皮電特性

3.1 心率變異性分析

心率變異性是指連續(xù)心跳心臟搏動(dòng)間期（Continuous Heartbeat RR Interval,RR）瞬間心率的微小差異，能詳細(xì)反映交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)的變化，可以用來(lái)表征駕駛?cè)诵熊囘^(guò)程中的心理負(fù)荷變化和情緒變化程度，進(jìn)而用于評(píng)價(jià)車速反饋標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)说男睦碛绊憽?/p>

本實(shí)驗(yàn)采用時(shí)域分析、頻域分析法對(duì)心率變異性進(jìn)行評(píng)價(jià)。時(shí)域分析選取指標(biāo)為心動(dòng)間期均值（Mean of R Wave-to-R Wave Intervals,MRR）與心動(dòng)間期總體標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation of Normal to Normal,SDNN）；頻域分析選取指標(biāo)為低頻帶（Low Frequency,LF） 與高頻帶（High Frequency,HF）。其中，MRR 反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)對(duì)心率的調(diào)控能力，SDNN 反映神經(jīng)的總體調(diào)節(jié)水平，高頻成分HF 反映心臟迷走神經(jīng)的活性，低頻成分LF 反映交感神經(jīng)的活性[12]。10名駕駛?cè)说母餍穆首儺愋灾笜?biāo)均值如表1所示。

表1 各心率變異性指標(biāo)均值

從表1 可知，與設(shè)有靜態(tài)限速標(biāo)志的道路相比，當(dāng)車輛行駛在設(shè)有車速反饋標(biāo)志的道路上時(shí)，駕駛?cè)说腗RR 均值降低，SDNN 均值顯著上升，二者的變化率分別可達(dá)151.35%與85.69%，表明駕駛?cè)私桓猩窠?jīng)的張力增大，迷走神經(jīng)張力減小，同時(shí)駕駛?cè)诵牟訌?qiáng)、加快，處于緊張狀態(tài)。LF 明顯下降，HF 總體呈上升趨勢(shì)，表明交感神經(jīng)興奮加強(qiáng)，反映出車速反饋標(biāo)志易使駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷增大，對(duì)駕駛?cè)说男睦碓斐闪艘欢ǖ挠绊懞筒▌?dòng)。

3.2 皮電特性分析

本實(shí)驗(yàn)采用事件的相關(guān)性分析來(lái)評(píng)價(jià)駕駛?cè)说钠つw電導(dǎo)反應(yīng)（Skin Conductance Response,SCR)，并以皮膚電導(dǎo)變化反映車速反饋標(biāo)志與靜態(tài)限速標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生的刺激或駕駛?cè)饲楦凶兓痆13]，具體利用皮膚電導(dǎo)反應(yīng)數(shù)（Number of Skin Conductance Response,NSCR）、延遲時(shí)間Latency、皮膚電導(dǎo)反應(yīng)強(qiáng)度（SCR Amplitude）和皮膚電導(dǎo)水平（Skin Conductance Level,SCL）共4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。各皮電指標(biāo)均值如表2所示。

表2 各皮電指標(biāo)均值

從表2 數(shù)據(jù)來(lái)看，駕駛?cè)说腘SCR,SCR Am?plitude,SCL 均有明顯升高，而Latency 值有明顯降低，其中NSCR 與SCR Amplitude 變化最為顯著，變化率分別為63.77%與52.84%。這表明車速反饋標(biāo)志可引起駕駛?cè)舜碳し磻?yīng)，提高其對(duì)車速反饋標(biāo)志的感知敏感性，進(jìn)而使其較快地產(chǎn)生制動(dòng)行為。

4 駕駛?cè)诵袨樘匦苑治?/h2>

由于駕駛過(guò)程中受心理、生理上的干擾和約束，駕駛?cè)藭?huì)產(chǎn)生不同的駕駛行為[13]。本文選取跟隨狀態(tài)、車速服從狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)3 類行為特性指標(biāo)反映車速反饋標(biāo)志的降速有效性及誘導(dǎo)性，從而評(píng)價(jià)其在城市道路上的適用性。

4.1 不同跟馳狀況下駕駛?cè)烁S心理分析

通常，將車頭時(shí)距小于1.2s 視為超車狀態(tài)，1.2～4.8s 視為跟車狀態(tài)，大于4.8s 視為自由行駛狀態(tài)[14]?，F(xiàn)有研究[15]將車輛跟馳狀態(tài)分成兩類：強(qiáng)跟馳和弱跟馳，出于測(cè)量精度考慮，取1～2s為強(qiáng)跟馳狀態(tài)，取3～5s為弱跟馳狀態(tài)，調(diào)查所得各參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同實(shí)驗(yàn)條件下與跟馳狀態(tài)下的剎車比例

由表3 可知，相較于靜態(tài)限速標(biāo)志，設(shè)置車速反饋標(biāo)志路段上的跟隨剎車比例增加，自主剎車比例降低，強(qiáng)、弱跟馳狀態(tài)下的跟隨剎車比例分別增加12%與6%，可見(jiàn)強(qiáng)跟馳狀態(tài)下的跟隨制動(dòng)誘導(dǎo)性更強(qiáng)。由于強(qiáng)跟馳狀態(tài)下駕駛難度和事故風(fēng)險(xiǎn)的主觀感知會(huì)上升，駕駛?cè)私?jīng)限速標(biāo)志的警示后剎車的可能性增大，較易產(chǎn)生積極的跟隨心理。結(jié)合心電與皮電特性分析可知，速度反饋標(biāo)志使駕駛?cè)烁滋幱诰o張狀態(tài)、反應(yīng)制動(dòng)速度加快，同時(shí)強(qiáng)跟馳狀態(tài)下駕駛?cè)说男睦碓Ａ刻幱谂R界值，駕駛?cè)藢?duì)于自身行駛車速的合理性、敏感性增加，跟隨效仿性更好。

4.2 不同行駛速度下駕駛?cè)朔男苑治?/h3>

不同行駛速度下，駕駛?cè)嗽谑苘囁俜答仒?biāo)志影響后所產(chǎn)生的心理活動(dòng)不同，服從性也不同。車速反饋標(biāo)志和靜態(tài)限速標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)朔男缘挠绊懖町惾鐖D6 所示。由該圖可知，車速反饋標(biāo)志與靜態(tài)限速標(biāo)志兩種道路條件下的車速分別集中于40～50 km/h 和50～60 km/h，車速反饋標(biāo)志降速效果明顯。在設(shè)置車速反饋標(biāo)志的路段上，車速為45～50 km/h 的駕駛?cè)藙x車比例最高，達(dá)到25%，結(jié)合50km/h 的限制速度，對(duì)于臨近超速的駕駛?cè)擞绊懶Ч詈?，剎車比例提高約12%。在設(shè)置傳統(tǒng)靜態(tài)限速標(biāo)志的路段上，車速為40～45km/h 的駕駛?cè)藙x車比例最高，且車速在50～60km/h 范圍的剎車比例略高于設(shè)有車速反饋標(biāo)志的路段，究其原因?yàn)檐囁俜答佅匏贅?biāo)志初次出現(xiàn)在該道路上，部分車輛在不了解的情況下采取忽視態(tài)度，因而該條件下的剎車比例不高。

圖6 不同速度范圍的車輛降速比例對(duì)比圖

以上分析表明，車速反饋標(biāo)志對(duì)處于臨近超速的駕駛?cè)苏T導(dǎo)服從作用顯著，能使駕駛?cè)艘庾R(shí)到超速狀態(tài)的危險(xiǎn)，起到提醒駕駛?cè)俗⒁庾陨碥囁俚淖饔茫聪噍^于靜態(tài)限速標(biāo)志，車速反饋標(biāo)志減少超速現(xiàn)象的效果明顯。

4.3 制動(dòng)誘導(dǎo)性分析

為探究?jī)煞N限速標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)酥苿?dòng)狀態(tài)的影響，本文利用曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)法對(duì)剎車分布進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，分析車速反饋標(biāo)志是否能顯著縮短剎車距離。

利用單樣本K-S 檢驗(yàn)法分別檢驗(yàn)兩個(gè)樣本是否符合正態(tài)分布，得到車速反饋標(biāo)志與靜態(tài)限速標(biāo)志條件下的剎車分布漸進(jìn)顯著性分別為0.02 和0.008，均小于0.05，即認(rèn)為兩個(gè)獨(dú)立樣本均不滿足正態(tài)分布，故選用曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)法[16]，具體步驟如下：

（1）建立原假設(shè)H0：假設(shè)兩種道路條件下剎車距離分布沒(méi)有顯著差異；備擇假設(shè)H1：假設(shè)兩種道路條件下剎車距離分布具有顯著差異。

（2）在顯著性水平α=0.05下,查得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)分布α2 分位數(shù)Zα2=1.96，當(dāng)|Z|>Zα2時(shí)，拒絕原假設(shè)，否則沒(méi)有充分的理由拒絕原假設(shè)。利用SPSS 得到曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4），可知|Z|=2.267 > 1.96，故拒絕原假設(shè)，即剎車分布具有顯著差異，車速反饋標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)说闹苿?dòng)行為有明顯影響。

表4 曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了車速反饋標(biāo)志在城市道路上的適用性，從駕駛?cè)俗陨硖匦猿霭l(fā)分析了車速反饋標(biāo)志與靜態(tài)限速標(biāo)志對(duì)駕駛?cè)松硇睦硖匦缘挠绊懖町?。結(jié)果表明，車速反饋標(biāo)志作為信息交互式交通標(biāo)志，其車速顯示與顏色變化能提供更有效的交通信息，提高駕駛?cè)说囊曊J(rèn)效果，增加駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷，同時(shí)在降速效果與制動(dòng)誘導(dǎo)方面作用顯著，在城市道路上具有良好的適用性，并對(duì)提高駕駛?cè)诵熊嚢踩哂幸欢ㄗ饔谩?/p>

因受限于實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)條件，本文未考慮兩類限速標(biāo)志的字體和外觀差異，以及車速反饋標(biāo)志的設(shè)置地點(diǎn)和設(shè)置數(shù)量對(duì)城市道路行駛速度與交通事故率的影響，這是未來(lái)研究需完善的方面。