李賢鈺

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 上海 200092；2.上海智慧交通安全駕駛工程技術(shù)研究中心 上海 200092)

標(biāo)志設(shè)置是互通區(qū)出口處交通誘導(dǎo)的主要手段，出口標(biāo)志需要多級傳遞才能將完整的消息傳達(dá)給駕駛員，最大化標(biāo)志信息的可理解性和最小化傳遞所需的時間的雙重必要性是顯而易見的[1]。但過多的標(biāo)志信息量會導(dǎo)致較高的負(fù)荷和較長的反應(yīng)時間[2]，復(fù)雜的視覺環(huán)境也會影響通行效率。

美國《交通控制設(shè)施手冊》MUTCD中對于高速公路指路標(biāo)志字符數(shù)量有規(guī)定，指路預(yù)告和出口方向標(biāo)志上的地點(diǎn)或街道名不能超過2個[3]。我國規(guī)范規(guī)定同一地點(diǎn)的標(biāo)志個數(shù)不能超過4個[4]，但未對標(biāo)志范圍內(nèi)的標(biāo)志信息總量進(jìn)行限制。NCHRP建立了標(biāo)志群產(chǎn)生的信息負(fù)荷回歸模型，過多或過少的信息量都容易導(dǎo)致事故發(fā)生，存在一個最佳信息量使得事故數(shù)最少[5]。有的研究者利用信息理論研究“特色交通標(biāo)志”，認(rèn)為信息量閾值為286.3 bit。眼動儀[6]被研究者們廣泛用于分析指路標(biāo)志信息量與視認(rèn)反應(yīng)時間的定量關(guān)系：同一位置最大路名數(shù)為5個，當(dāng)路段限速增加時，過載閾值減小。

駕駛?cè)藢ν饨缧畔⒌妮斎胫饕揽恳曈X，一次注視由若干個小幅度眼動行為構(gòu)成，人的視覺行為主要有注視(fixation)、掃視(saccade)、眨眼(blink)和閉眼(eye closure)。交通標(biāo)志對駕駛行為也會產(chǎn)生影響。車速的變化和緊迫程度會影響駕駛員對于交通標(biāo)志的反應(yīng)和理解水平，通過反應(yīng)時間能推斷交通標(biāo)志的辨認(rèn)距離。美國國家公路交通安全局研究了駕駛員在跟車時的眼睛注視行為，得出了駕駛員視線離開道路前方的時間分布和注視位置分布。

標(biāo)志視認(rèn)性以易讀性為關(guān)鍵，表示能在瞬間理解其含義。本文以標(biāo)志視認(rèn)模型為基礎(chǔ)，從駕駛員眼動指標(biāo)及駕駛行為參數(shù)2個角度出發(fā)，運(yùn)用駕駛模擬軟件設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，比較F型標(biāo)志和常規(guī)標(biāo)志在標(biāo)志視認(rèn)性方面的特點(diǎn)。

1 標(biāo)志信息量的量化

1.1 高速公路標(biāo)志視認(rèn)模型

駕駛?cè)藢煌?biāo)志從識別到完成整個動作的時間分為發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志、判讀理解、決策、采取行動4個步驟。具體模型見圖1。圖1中S處為標(biāo)志所在位置，行駛中駕駛員在A點(diǎn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志S，在B點(diǎn)開始讀取標(biāo)志信息，直至C點(diǎn)將標(biāo)志內(nèi)容完全讀完。經(jīng)過駕駛員反應(yīng)決策后，從D點(diǎn)開始行動，直至F點(diǎn)行動完成，DF距離稱為行動距離，駕駛員在這段距離內(nèi)完成換道、減速等必要動作。如果閱讀后距離(CS)比消失距離(ES)短，則駕駛員不能從容讀完標(biāo)志。如果要保證駕駛員能從容讀完標(biāo)志，則得到下列約束條件。

圖1 高速公路標(biāo)志視認(rèn)模型

DF=CS+SF-CD≥(n-1)·

(1)

式中：n為車道數(shù)；L為改變1次車道所需要的距離，m；a為減速度(一般為0.75～1.5 m/s2)；v1為接近速度(采用85%為車速值或限速值)，m/s；v2為出口匝道的分流點(diǎn)等危險點(diǎn)處的速度，m/s。

根據(jù)模型，DS(行動點(diǎn)距標(biāo)志距離)通過駕駛行為參數(shù)(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫向偏移、橫向加速度等)較易獲取，因此本研究采用DS作為衡量標(biāo)志易讀性的駕駛行為參數(shù)。DS越大表明駕駛員變道越早，閱讀標(biāo)志和決策(BD)用時越短，標(biāo)志易讀性越強(qiáng)。

DS=BS-BD

(2)

1.2 標(biāo)志信息量的量化方法

標(biāo)志信息量常用的量化方法有信息熵法和信息條數(shù)法[9]。

1) 信息條數(shù)。出口預(yù)告標(biāo)志及出口標(biāo)志，“編號+距離”或“編號+方向”為1條信息，“地名+距離”或“地名+方向”為1條信息。

2) 信息熵。對于交通標(biāo)志信息源，版面上的文字、圖形、符號是組成交通標(biāo)志的信號，信息熵的定義如式(3)所示，信息熵是信息量的期望，因此可用h(x)表征單個標(biāo)志信息量。為了簡化計(jì)算，假設(shè)一個子集中包含的所有元素出現(xiàn)的概率相等，即p(xi)=1/m。

(3)

h(x)=-lbp(x)

(4)

式中：H(x)為某一事件所具有的信息熵；h(x)為標(biāo)志信息量，bit；p(xi)為該事件中第i信號可能出現(xiàn)的概率；xi為該事件中第i個信號；m為該事件各種不同信號的總數(shù)。

具體對于高速公路的指路標(biāo)志而言，將其子集劃分為7類，則各元素等概率出現(xiàn)所包含的信息量見表1。

表1 高速公路指路標(biāo)志中各元素的信息量

據(jù)此，1塊具體的指路標(biāo)志的信息量即為各子集信息量之和。

I=∑h(xi)

(5)

式中：I為總信息量；h(xi)為第xi個標(biāo)志信息量，bit。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

本研究從信息量優(yōu)化角度入手，提出F型標(biāo)志，加入傳統(tǒng)標(biāo)志和信息過載標(biāo)志作為對比，研究不同信息量標(biāo)志在視認(rèn)性方面的特點(diǎn)。

2.1 標(biāo)志方案設(shè)計(jì)

標(biāo)志方案設(shè)計(jì)包含以下3種標(biāo)志。

1) 傳統(tǒng)標(biāo)志。傳統(tǒng)的出口指路標(biāo)志，所有出口信息為一字排列，下方伴有出口箭頭及預(yù)告距離。信息熵低，信息條數(shù)少，其中信息量閾值取參考值256.02[10]。

2) 信息過載標(biāo)志。傳統(tǒng)出口標(biāo)志+多文字一級地名，信息一字排列。信息熵高，信息條數(shù)多。

3) F型標(biāo)志。將出口標(biāo)志與一級地名通過字母F(樹杈)連接，顯示在一塊標(biāo)志中，標(biāo)志牌尺寸為1 000 cm×390 cm。信息熵中等，信息條數(shù)多。相比對照組標(biāo)志，F(xiàn)型標(biāo)志傳遞的信息條數(shù)明顯增加，與信息過載組相近；但信息熵增加不明顯，保持在閾值之內(nèi)。

為確保駕駛員對標(biāo)志內(nèi)容未知，3種標(biāo)志方案設(shè)置文字個數(shù)相近，但內(nèi)容不相同，3種標(biāo)志方案信息量見表2。

表2 不同標(biāo)志信息量對比

2.2 數(shù)據(jù)采集

采用同濟(jì)大學(xué)八自由度駕駛模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見圖2)，通過SCANeR軟件采集駕駛行為參數(shù)，包含速度、加速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等；同時給駕駛員佩戴Dikablis眼動儀，通過D-Lab分析平臺采集駕駛員眼動數(shù)據(jù)，包括注視時間、注視頻率和掃視時間，具體見表3。

圖2 同濟(jì)大學(xué)八自由度駕駛模擬器

表3 駕駛模擬數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)招募了30名擁有機(jī)動力駕駛證的合格實(shí)驗(yàn)者，均具有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者年齡范圍為25.0～42.0歲(平均值30.2歲，標(biāo)準(zhǔn)差4.5)；駕駛年限范圍為6.0～13.0年(平均值7.2年，標(biāo)準(zhǔn)差3.6)；駕駛里程為0.8萬～20萬km(平均值5.4萬km，標(biāo)準(zhǔn)差3.1)。

實(shí)驗(yàn)前告知駕駛?cè)笋{駛?cè)蝿?wù)：當(dāng)駕駛?cè)丝辞鍢?biāo)志內(nèi)容后向右側(cè)變換1個車道，共需變換4次車道。

3 標(biāo)志視認(rèn)性分析

出口標(biāo)志視認(rèn)性能夠通過駕駛?cè)苏J(rèn)讀時間直接反映，認(rèn)讀時間越短，換道操作點(diǎn)距標(biāo)志距離越長，注視及掃視時間也越短。本文從眼動指標(biāo)和駕駛行為參數(shù)入手，通過人-車層面的分析結(jié)合，結(jié)果相互驗(yàn)證，確定不同標(biāo)志的視認(rèn)性特點(diǎn)。

3.1 眼動指標(biāo)分析

眼動指標(biāo)包括平均注視時間、注視頻率和平均掃視時間，駕駛員視認(rèn)規(guī)律為先注視后掃視，2個時間不存在包含關(guān)系。駕駛員的注視、掃視時間越短，注視頻率越低表明標(biāo)志易讀性越好，將3組實(shí)驗(yàn)的3個眼動指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制柱形誤差圖見圖3。

由圖3可見，注視時間方面，對照組的平均注視時間明顯低于信息過載組和F型標(biāo)志組，說明對照組標(biāo)志信息量較少，駕駛員易于視認(rèn)；相較于對照組，信息過載組的平均注視時間偏高，信息量偏大；F型標(biāo)志組平均注視時間也較對照組偏大。注視頻率方面，信息過載組標(biāo)志的注視頻率最高，說明信息過載組標(biāo)志的信息量大，駕駛員對標(biāo)志關(guān)注程度高；F型標(biāo)志組較信息過載組標(biāo)志信息量偏少，注視頻率較低；3組中對照組注視頻率最低，易讀性好。平均掃視時間方面，信息過載組的掃視時間最高，說明標(biāo)志牌橫向設(shè)置多，信息量大，易讀性較差；對照組信息量少，較信息過載組在掃視時間上有優(yōu)勢；相比這2組標(biāo)志，F(xiàn)型標(biāo)志的掃視時間最短，視認(rèn)性最好。

圖3 組間眼動指標(biāo)對比

對3個眼動指標(biāo)分別進(jìn)行3次單因素方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，在顯著性水平α=0.05的水平下，僅有掃視時間的p<0.05，說明標(biāo)志內(nèi)容對掃視時間產(chǎn)生顯著性影響，而對注視時間和注視頻率產(chǎn)生的差異則不明顯。

表4 方差分析檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 駕駛行為參數(shù)分析

3.2.1基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的換道起終點(diǎn)辨識

為獲取變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離(DS)，以對照組為例繪制互通區(qū)出口駕駛行為參數(shù)見圖4，圖中4條虛線從左到右依次代表2 km、1 km、500 m及出口標(biāo)志的設(shè)置位置。數(shù)據(jù)顯示橫向速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角換道時會有明顯特征，因此采用橫向操作參數(shù)進(jìn)行車輛換道起終點(diǎn)的判別。采集參數(shù)中的5個橫向指標(biāo)數(shù)據(jù)均能反映換道特征，為確定更準(zhǔn)確的結(jié)果，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行識別。

圖4 互通區(qū)出口駕駛行為參數(shù)

以橫向操作參數(shù)作為輸入，建立2層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，第1層為隱藏層、含有10個隱藏神經(jīng)元，第2層輸出層、分為車道保持和向右換道2個單元。識別結(jié)果顯示，5種指標(biāo)識別率均能達(dá)到80%以上，識別率最高的為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速率，準(zhǔn)確率達(dá)到89.36%，因此以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速率辨識得到的換道點(diǎn)作為最終結(jié)果。

3.2.2變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離

以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速率得到的駕駛員變道起點(diǎn)坐標(biāo)與標(biāo)志設(shè)置坐標(biāo)之差即為變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離(DS)，結(jié)果見圖5。圖5a)顯示信息過載組較對照組變道位置普遍偏晚，說明標(biāo)志的信息過載對駕駛員認(rèn)讀標(biāo)志造成干擾，認(rèn)讀時間增長，導(dǎo)致變道起點(diǎn)比對照組晚。F型標(biāo)志組較信息過載組變道早，雖然兩者傳遞信息條數(shù)相近，但信息熵卻相差較大，說明F型標(biāo)志在視認(rèn)性上較傳統(tǒng)標(biāo)志存在優(yōu)勢。F型標(biāo)志組在2 km和500 m標(biāo)志處比對照組有優(yōu)勢，但另外2處標(biāo)志則表現(xiàn)相近。

圖5 變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離對比

為了明確標(biāo)志內(nèi)容的差別對DS距離產(chǎn)生的差異是否顯著，對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，因素為標(biāo)志內(nèi)容，分為對照、過載和F型3個水平。結(jié)果顯示平方和為4 268.8，均方和為2 134.4，F(xiàn)值為10.20，在顯著性水平α=0.05的水平下p值為9.61×10-5<0.05，說明不同標(biāo)志內(nèi)容對DS距離產(chǎn)生了顯著差異。DS距離均值圖5b)顯示F型標(biāo)志的變道起點(diǎn)距標(biāo)志為381 m，對照組的正常型標(biāo)志變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離為373 m，信息過載組的標(biāo)志變道起點(diǎn)距標(biāo)志距離為360 m，F(xiàn)型標(biāo)志分別比對照組和信息過載組變道早了8 m和21 m，說明F型標(biāo)志視認(rèn)時間最短。

對駕駛行為參數(shù)分析的結(jié)果表現(xiàn)出與眼動指標(biāo)參數(shù)相似的趨勢。視認(rèn)特性角度分析反映的是人眼對于標(biāo)志視認(rèn)性優(yōu)劣的判斷；而駕駛行為特性是通過操作反映標(biāo)志視認(rèn)性的優(yōu)劣。前者為外界信息的輸入，后者為駕駛指令的輸出，二者聯(lián)系為相互補(bǔ)充和印證的關(guān)系，共同印證了F型標(biāo)志的視認(rèn)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文比較了常規(guī)標(biāo)志和F型標(biāo)志在視認(rèn)性方面的特點(diǎn)。相比傳統(tǒng)標(biāo)志，F(xiàn)型標(biāo)志信息條數(shù)明顯增加，達(dá)到與過載標(biāo)志相近水平；但信息熵增大不明顯，在閾值范圍內(nèi)。通過設(shè)計(jì)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，從眼動指標(biāo)和駕駛行為參數(shù)2個角度分析了其在信息量傳遞方面的特點(diǎn)。結(jié)果顯示，眼動指標(biāo)中注視時間和注視頻率表現(xiàn)與信息過載組相近，掃視時間為3組中最優(yōu)0.98 s，眼動指標(biāo)綜合表現(xiàn)介于對照組和信息過載組之間。F型標(biāo)志的換道點(diǎn)為3組中最早，距標(biāo)志381 m，分別比對照組和信息過載組變道早了8 m和21 m。結(jié)合F型標(biāo)志信息量的優(yōu)勢，以及眼動指標(biāo)和駕駛行為參數(shù)的表現(xiàn)，得以驗(yàn)證F型標(biāo)志具有視認(rèn)性強(qiáng)的特點(diǎn)。