■ 崔洪軍 郝文佳 朱敏清 李霞 李保栓

1.河北工業(yè)大學土木與交通學院 天津 300401

2.河北工業(yè)大學建筑與藝術設計學院 天津 300401

3.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊 050051

0 引言

交通標志能夠為駕駛人提供重要的道路信息，是道路交通安全常用并且十分重要的手段。已有的研究發(fā)現(xiàn)，道路交通標志往往不能滿足道路使用者的駕駛需求，雖然我國道路交通標志相關規(guī)范不斷在改善交通標志的視認性，但仍然存在一些辨識性較差的交通標志，被誤解的交通標志會給駕駛人帶來危險甚至造成嚴重的交通事故。數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，駕駛人不遵守交通標志規(guī)則導致的交通事故百分比約為2.2%[1]，因此，有必要對交通標志的理解性進行深入研究。

國內外關于交通標志的認知理解性問題已經(jīng)做了一系列的研究。2010年，陳陽等[2]利用實車實驗和調查問卷的方法，分析了駕駛人對指定交通標志的理解情況，為研究駕駛人駕駛熟練程度與標志理解水平的關系奠定基礎。隨著視覺特征研究的不斷深入，Shinar 等[3]于2013年率先發(fā)現(xiàn)交通標志的顯示狀況會影響駕駛人的理解力和響應時間，在標志上增加文本說明可以提高駕駛人的理解水平，并減少理解標志的所需時間。2015年，Yuan 等人[4]開創(chuàng)性的使用語義分析頻率分布方法分析交通標志理解錯誤的具體原因，隨后逐漸應用于標志的改進設計研究中[5,6]。2018年，Taamneh 等人[7]從駕駛人的性別、年齡、學歷、駕駛經(jīng)驗、駕照等級、收入水平、違規(guī)次數(shù)等個體特征出發(fā)，首次分析了交通標志熟悉度與理解性之間的關系，并確定各因素對理解力水平的影響。隨后學者主要從標志的設置位置[8,9]、分布量[10]、信息量[11,12]等角度研究標志對駕駛人認知負荷的影響規(guī)律，從而驗證交通標志理解有效性。

隨著年齡的增長，駕駛人的理解能力會顯著下降。2010年，Carr 等[13]建立了駕駛行為與年齡之間的關系模型，發(fā)現(xiàn)老年駕駛人更容易出現(xiàn)認知、運動和知覺等方面的缺陷，因此需要更多的時間來識別交通標志。在此基礎上，一些學者開始研究標志認知過程中各年齡段駕駛操縱特性[14]、視覺特性[15]、生理心理特性[16]等指標的變化情況。2019年郭鳳香[17]在研究老年駕駛人的視覺特性變化規(guī)律時首次引入風險感知的思想，量化分析了老年駕駛人的駕駛行為特征。2020年Schulz 等[18]闡釋了衰老引發(fā)的心理運動減慢是影響老年駕駛人反應速度的重要原因，并指出對于各種刺激的響應時間，尤其是對標志識別復雜任務的響應時間會隨著年齡的增長而增加。

可能影響標志認知的另一個重要因素為標志在環(huán)境中的展現(xiàn)方式。Deward[19]和Ben-Bassat等[20]在研究交通標志理解性問題時，均以純白色的背景展示交通標志。但是在現(xiàn)實生活中，駕駛人對交通標志的視認都是處于真實的道路環(huán)境下，而這種背景環(huán)境一方面有可能會干擾駕駛人對標志信息的提取，另一方面使駕駛人能夠根據(jù)這種區(qū)域環(huán)境情況判斷出標志的具體含義。在Silver[21]的研究中發(fā)現(xiàn)，交通標志背景環(huán)境對駕駛人理解標志含義具有積極影響，當在自然環(huán)境中展示標志時，駕駛人理解標志的可能性會顯著增加。

綜上所述，已有的研究多是通過問卷調查的方式對交通標志圖片做理解性分析，忽略了交通標志所處真實道路環(huán)境對標志視認的影響，同時也缺少對交通標志認知理解時間的定量分析，而視認反應時間也是衡量標志理解有效性的重要指標。因此，在交通科技不斷發(fā)展的影響下，針對道路交通標志的有效性研究是十分必要的，本文以真實道路環(huán)境中的交通標志為研究對象，采用E-Prime2.0 軟件進行測試實驗，探究標志背景環(huán)境和駕駛人年齡對標志理解水平和視認反應時間的影響，評估駕駛人對交通標志的認知理解程度，是城市交通系統(tǒng)規(guī)劃的重要組成部分，對提升我國道路交通安全性具有深遠意義。

1 實驗方法

1.1 被試人員

本實驗共招募兩個年齡段共80名被試人員（男生45名，女生35 名），其中42 名為青年參與者，年齡為20～40歲（平均值=27.5，標準差=2.4）；38名為老年參與者，年齡為41～60 歲（平均值=51.1，標準差=2.6）。所有參與人員的正常視力或矯正視力都在4.8 以上，滿足實驗要求，所有人員均具有中國正式機動車駕駛證，并且駕駛年齡都在3年以上。

1.2 實驗裝置

本實驗采用心理學操作平臺E-prime2.0 軟件，該軟件可按照設計程序顯示預先制作的交通標志圖片，并可采集被試人員的鍵盤操作來計算反應時間，時間精度為10毫秒。

本實驗研究對象為我國《道路交通標志和標線》[22]規(guī)范中常見的交通標志，實驗材料選取了13 張警告標志、9 張禁令標志、4 張指示標志、4 張指路標志，共30 張交通標志。實驗使用的標志采用AutoCAD 軟件設計并用Photoshop軟件處理，設計滿足規(guī)范要求。表1所示為本實驗選取的交通標志圖片及其含義。

表1 本實驗使用的30個交通標志及其含義

1.3 實驗方案設計

采用E-Prime2.0 軟件進行交通標志認知實驗，數(shù)據(jù)結果采用SPSS19.0 軟件統(tǒng)計和分析參與人員的回答準確率和反應時間。在實驗過程中，參與者坐在電腦前，眼睛和屏幕中心保持約70cm 的距離，實驗開始時屏幕中央出現(xiàn)一個“+”，以吸引參與者的注意持續(xù)1000ms。此后，屏幕中心出現(xiàn)交通標志，要求參與者完成視認并做出反應，然后向工作人員說明自己對交通標志含義的理解。參與者做出反應后通過按鍵進入下一個交通標志前屏幕會變成白色，持續(xù)1000ms。實驗的詳細演示順序如圖1所示。

圖1 實驗刺激流程圖

為研究交通標志所處的真實背景環(huán)境對標志認知理解的影響，本實驗對30張交通標志進行了兩種條件下的實驗：一種是標志背景為白色，不包含交通標志所處的背景環(huán)境，稱為“無背景環(huán)境組”，如圖2 所示；另一種交通標志背景包含標志所處的真實駕駛環(huán)境，稱為“背景環(huán)境組”，如圖3所示。兩組實驗的交通標志位置尺寸大小一致，并且以隨機的順序向參與者展示。

圖2 無背景環(huán)境下連續(xù)彎路標志測試界面

圖3 有背景環(huán)境下連續(xù)彎路標志測試界面

1.4 實驗流程

（1）實驗開始前，被試人員填寫一份有關年齡，性別，駕駛經(jīng)驗以及平均每月行駛公里數(shù)的調查問卷。

（2）工作人員向被試人講述實驗流程和注意事項，保證被試人在實驗前了解實驗要求和內容。

（3）實驗前，工作人員為被試人員調整好座椅、電腦與被試人之間的距離，提醒被試人員選擇舒適的姿勢，并放松心態(tài)。要求被試人員左手指放在電腦的“f”按鍵上，右手指放在“j”按鍵上。

（4）實驗開始前屏幕上顯示“交通標志理解測試即將開始”，被試人員按下“j“鍵后實驗開始，屏幕隨機展示交通標志圖片，圖片上方為“該標志的含義為？”的問題描述。被試人員理解標志后按下電腦“f“鍵，然后將理解的標志含義口述給工作人員，工作人員記錄下被試人員的交通標志含義描述。

（5）被試人員完成1 組實驗后，休息5 分鐘緩解視覺疲勞，然后再進行下一組實驗。

2 研究結果

2.1 交通標志理解準確性分析

為獲得每個交通標志的理解準確性水平，對參與人員的理解測試回答內容進行了匯總分析。根據(jù)Ben-Bassat 等[23]對交通標志理解水平的量化研究，本實驗選擇4 個等級的理解水平，等級（+2）表示理解正確并且含義完整；等級（+1）表示理解的含義部分正確；等級（0）表示為理解不正確；等級（-1）表示為理解含義與交通標志真實含義截然相反。已有的研究[6]發(fā)現(xiàn)，駕駛人對交通標志達到基本的認知理解即可滿足安全駕駛要求，將等級（+2）和等級（+1）歸納為理解正確類，等級（0）和等級（-1）歸納為理解錯誤類，在計算理解水平時，只考慮交通標志的正確回答次數(shù)。

各個交通標志在有無背景環(huán)境條件下的理解正確率分布情況如圖4 所示，由圖可知交通標志之間的理解水平存在很大差異，大多數(shù)交通標志在兩種條件下的理解水平都達到了90%以上（標志5、11、16、18、19、20、22、24、26、28），而部分交通標志理解水平較低（標志1、9、25、27），未達到國際標準化組織ⅠSO3846 中67%理解正確率的要求，認為該類標志在使用過程中無法發(fā)揮有效傳遞道路信息的作用。

圖4 交通標志在有無背景條件下理解正確率分布圖

表2所示為有無背景條件下青年組和老年組在四類等級中回答準確率情況，由表格數(shù)據(jù)可以看出，交通標志背景環(huán)境對參與者理解標志影響不大，標志的理解水平與參與者年齡有關。采用皮爾遜卡方檢驗分析每個交通標志在有無背景環(huán)境下理解情況差異，結果表明只有標志23 存在顯著性（χ2=3.95，p＜0.05），且有背景環(huán)境組正確率高于無背景環(huán)境組。對有背景環(huán)境組和無背景環(huán)境組的30 組標志回答正確率做配對t 檢驗，判斷背景環(huán)境對理解準確性的影響，結果顯示有背景環(huán)境組的回答正確率平均值為82.5%，無背景環(huán)境組的回答正確率為81.6%，交通標志的背景有無對駕駛人理解其含義準確性在0.05 顯著性水平下沒有差異（t（29）=1.328，p＞0.05）。

表2 青年組和老年組在四類等級中的回答準確率分布情況

研究采用獨立樣本t 檢驗判斷青年組和老年組在回答正確率方面的差異性，結果顯示青年組回答正確率（平均值=84.9%，標準差=12.1）明顯高于老年組的回答正確率（平均值=79.2%，標準差=16.4），青年組和老年組在正確識別交通標志百分數(shù)方面存在顯著性差異（t（58）=2.16，p＜0.05）。

2.2 交通標志理解反應時間分析

圖5、圖6分別為青年組與老年組在有無背景環(huán)境下理解交通標志的反應時間分布，即被試參與人員由開始看到交通標志到按下“f”鍵所花費的時間。理解認知時間衡量了參與人員理解交通標志的難度，花費的時間越長則表示該標志的認知難度越大，反之亦然。由圖5、圖6 可以看出，青年組與老年組的反應時間存在較大的差異。對于平均反應時間而言，青年組的反應速度明顯快于老年組，分別為2.02s（標準差=0.49）和3.27s（標準差=0.74）（配對t（59）=18.17，p＜0.01）。

圖5 青年組有無背景條件反應時間分布圖

圖6 老年組有無背景條件反應時間分布圖

表3所示為有無背景條件下青年組和老年組反應時間在四類等級中的分布情況，可以看出在有背景環(huán)境下的平均反應時間（青年組=2.10s，老年組=3.57s）都明顯高于無背景環(huán)境組（青年組=1.95s，老年組=2.97s）的平均反應時間。研究采用配對t檢驗判斷實驗過程中有無背景環(huán)境對反應時間的影響，結果顯示有無背景環(huán)境對青年組（t（29）=5.62，p＜0.01）和老年組（t（29）=9.38，p＜0.01）都有顯著性影響。老年駕駛人反應時間的標準差明顯大于青年組，表明老年駕駛人在標志認知運動中表現(xiàn)出更大的差異性。

表3 青年組和老年組反應時間（和標準差）在四類等級中的分布情況

2.3年齡和背景條件下反應時間模型

對不同年齡和背景條件下駕駛人反應時間建模，以年齡以及交通標志背景作為自變量，以反應時間為因變量，由于年齡和標志背景之間相互獨立且不存在多重共線性，因此建立多元線性回歸模型，模型表達式如下：式中：y為因變量；β0為常數(shù)項，也稱截距；β1為偏回歸系數(shù)，表示當方程中其他自變量保持不變時，自變量Xi變化一個計量單位，因變量Y的平均值變化βi個單位；ε為隨機誤差，且ε～N（0，σ2）。

回歸模型系數(shù)表列于表4。結果表明：自變量年齡（p＜0.01）以及標志背景（p＜0.01）均對因變量反應時間有顯著影響，模型擬合度R2=0.735，“F 統(tǒng)計量”的概率值為69.415，顯著性p＜0.05，說明自變量年齡以及交通標志有無背景與因變量反應時間之間存在著一定的線性關系，故最終的模型具體公式如公式（2）所示。式中：y為駕駛人反應時間，xn為年齡變量（青年組取0，老年組取1），xb為背景環(huán)境變量（無背景環(huán)境取0，有背景環(huán)境取1）

表4 回歸模型系數(shù)表

3 結論與建議

3.1 結論

本文通過室內模擬實驗，建立了駕駛人年齡、標志背景與視認反應時間的模型，量化了交通標志使用過程中駕駛人年齡和標志背景環(huán)境的影響，得到了交通標志的辨識度水平。主要結論如下：

（1）交通標志的認知準確率和反應時間與駕駛人的年齡水平顯著相關。青年駕駛人與老年駕駛人對交通標志的理解和視認時間存在很大的差異性，青年駕駛人更容易理解交通標志的含義，而隨著年齡的增長，老年駕駛人的認知理解能力下降，對交通標志的認知反應時間更長。

（2）交通標志的真實背景環(huán)境對標志的理解水平?jīng)]有顯著影響。兩組參與者在有無交通標志背景環(huán)境下的理解準確率相似，說明交通標志背景環(huán)境的存在與否不會對駕駛人理解標志產(chǎn)生積極或負面的影響。對于一些交通標志，真實的背景環(huán)境提高了其理解準確率，但是對于某些交通標志，在白色背景下的視認準確率更高，證實了真實的背景環(huán)境一方面能夠傳遞與標志相關的道路環(huán)境信息，另一方面也會因為所含信息復雜而干擾駕駛人對其含義的理解。因此，在做室內模擬研究交通標志理解性的問題時，為了減少不同背景環(huán)境對被試人員反應時間的差異，可以選擇空白背景的標志進行實驗研究，減少因特定環(huán)境對實驗誤差的影響。

（3）交通標志的真實背景環(huán)境顯著增加了駕駛人理解標志的反應時間。在視認過程中，交通標志的自然環(huán)境背景元素分散了參與者的注意力，進而影響了參與者對交通標志信息的提取速度。并且自然環(huán)境背景元素對老年組駕駛人的反應時間影響更大，由于老年駕駛人認知靈活能力和信息處理能力表現(xiàn)較差，導致他們從具有背景環(huán)境的交通標志中提取信息的難度就更大，需要更久的時間來理解認知交通標志。

3.2 建議

針對我國道路交通標志存在的辨識度差、使用效果不佳等問題，在此做了一些改善交通標志有效性的建議，如下：

（1）加大交通標志的宣傳力度，加強駕駛人對交通標志準確含義的認知，提高標志的理解水平和理解速度?？梢酝ㄟ^媒體廣告和教育宣傳等活動，提醒駕駛人注意交通標志的具體意義。采取定期交通標志考核培訓的方式，將交通標志含義的考核視為駕駛人重新獲得駕照和駕照更新過程的一部分，一年內可為駕駛人組織至少一次的短期培訓考核，使其重新熟悉標志，增強其對交通標志的記憶理解。

（2）道路監(jiān)管部門應加強對交通標志實際使用效果的評估，篩選出駕駛人識別和理解不足的交通標志，將部分視認效果較差的交通標志加入到駕照考核培訓內容中。根據(jù)人體工程學的指導原則，對現(xiàn)有的標志做進一步的改進設計，如在較難理解的標志上方或下方添加相關含義文字，使交通標志能夠有效發(fā)揮其使用功能，保證駕駛人的行車安全性。

（3）在交通標志的設置位置上，要著重考慮老年人認知反應較慢的因素，并要充分考慮駕駛人的心理接受距離與反應、行動距離，合理安排交通標志的前置距離。同時，交通標志所設位置要減少環(huán)境因素的干擾，避免光線、植被、廣告牌等外部環(huán)境對駕駛人的分心影響，保證交通標志良好的視認環(huán)境。