草原公路交通標(biāo)志信息量對(duì)駕駛員腦電信號(hào)的影響分析

朱守林， 趙 謙， 戚春華， 高明星， 李航天

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院,呼和浩特 010018)

草原公路具有線形簡(jiǎn)單、交通量小、途經(jīng)城鎮(zhèn)少、路域景觀單一、長(zhǎng)直線所占比重大等特點(diǎn)[1]。交通標(biāo)志是道路交通系統(tǒng)的重要組成部分,信息量不足或信息量過(guò)載都會(huì)影響駕駛員的認(rèn)知、決策和駕駛行為。經(jīng)過(guò)前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)草原公路存在信息量不足、交通標(biāo)志不完善的問(wèn)題。長(zhǎng)期處于這種低信息量的駕駛環(huán)境會(huì)使駕駛員操作轉(zhuǎn)換頻率偏低,容易誘發(fā)分心駕駛,導(dǎo)致駕駛員處理信息效率降低,駕駛操作行為也更加容易出現(xiàn)錯(cuò)誤,從而影響駕駛安全。

目前針對(duì)交通標(biāo)志量化模型取得了很多成果。邵海鵬等[2]選取量化指標(biāo),建立交叉口指路標(biāo)志信息有效性量化模型。?？蔀榈萚3]構(gòu)建了網(wǎng)路交通標(biāo)志信息系統(tǒng)量化評(píng)價(jià)模型,重點(diǎn)引進(jìn)信息聯(lián)合熵理論對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行量化建模,并給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。咸桂彩等[4]提出了地鐵標(biāo)志系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)方法。對(duì)地鐵站內(nèi)標(biāo)志量化分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,部分標(biāo)志存在信息量偏大、易讀性較差和醒目性不足等問(wèn)題。在信息排布方面：Shinar等[5]分析駕駛員對(duì)交通標(biāo)志版面設(shè)計(jì)的平均理解程度,發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)最容易被理解；Dutta等[6]研究發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志信息以較短的時(shí)間重復(fù)呈現(xiàn)兩次的方式能夠更顯著地提高駕駛員的駕駛表現(xiàn)和對(duì)交通標(biāo)志的理解。在適宜信息量方面：王大恒[7]建立了駕駛員認(rèn)知指路標(biāo)志信息傳輸模型，分析了指路標(biāo)志信息量與駕駛員認(rèn)知能力之間的數(shù)理關(guān)系,確定了指路標(biāo)志的理論極限信息量及其發(fā)布原則；李航天[8]將草原公路交通工程設(shè)施進(jìn)行了量化,確定草原公路交通工程設(shè)施的主要存在方式,并將信息量劃分為5個(gè)水平進(jìn)行模擬試驗(yàn),探討了交通工程信息量對(duì)駕駛員眼動(dòng)指標(biāo)的影響規(guī)律,并給出了合理的信息量范圍；趙妮娜等[9]研究獲得1～4條路名信息條件下地名信息量的閾值,單路名、雙路名、三路名及四路名條件下地名信息閾值為6、6、5、4。在駕駛負(fù)荷方面：呂能超等[10]發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志信息量可以用于駕駛試驗(yàn)中的認(rèn)知負(fù)荷的加載,而這種負(fù)荷的加載對(duì)于駕駛?cè)说男詣e和駕駛經(jīng)驗(yàn)是無(wú)差別的；Liu[11]研究了交通標(biāo)志版面上信息量的大小與駕駛員信息搜索難度上的關(guān)系,得出信息量越大時(shí),駕駛員的搜索過(guò)程越困難；Chatterjee等[12]研究了駕駛員對(duì)于指示性信息的需求量,以倫敦的指路標(biāo)志為例說(shuō)明標(biāo)志的信息與需求不完全相符。在腦電信號(hào)方面：張程程等[13]用模擬試驗(yàn)的方法采集草原公路駕駛員通過(guò)4段曲線時(shí)的腦電信號(hào),研究了β波、(θ+α)/β指標(biāo)與曲線誘導(dǎo)標(biāo)志的關(guān)系；Mark[14]在模擬駕駛過(guò)程中通過(guò)采集腦電信號(hào)功率數(shù)據(jù),分析結(jié)果表明駕駛員腦電信號(hào)的變化與駕駛員注意力變化具有近似一致性；楊仁桓[15]通過(guò)對(duì)腦電信號(hào)的小波分析研究,發(fā)現(xiàn)興奮頻率與耦合強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān),興奮強(qiáng)度與耦合強(qiáng)度呈正相關(guān)。

中外學(xué)者在交通標(biāo)志的量化模型、駕駛員駕駛負(fù)荷、適宜信息量等方面取得許多有價(jià)值的成果,但是大多數(shù)學(xué)者都采用放映靜態(tài)圖片的方法進(jìn)行研究,未考慮駕駛員在動(dòng)態(tài)的環(huán)境下與靜態(tài)環(huán)境下獲取信息的方式存在很大差異。同時(shí)很多學(xué)者確定信息量閾值采用路名數(shù)、文字?jǐn)?shù)量,未考慮交通標(biāo)志的顏色、圖形、形狀等因素對(duì)駕駛員的影響。在眾多心理指標(biāo)和生理指標(biāo)中,腦電信號(hào)可以很好地反映駕駛員的警覺(jué)度[16]、注意力[14]的變化,腦電信號(hào)還能直接地反映大腦活動(dòng),相對(duì)于其他信號(hào)有更高的時(shí)間分辨率。對(duì)于草原公路這種低信息量的駕駛環(huán)境對(duì)駕駛員腦電信號(hào)的影響研究還相對(duì)欠缺。鑒于此,通過(guò)室內(nèi)駕駛平臺(tái)模擬真實(shí)的草原公路行車(chē)過(guò)程,采集駕駛員行車(chē)過(guò)程中的腦電信號(hào),分析在不同信息量水平下駕駛員的生理狀態(tài),期望對(duì)草原公路交通標(biāo)志的設(shè)置提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 交通標(biāo)志信息量化

胡立偉[17]依據(jù)Shannon信息論對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行了定量分析,其計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:H(X)為交通標(biāo)志的基本信息量,bits；Xi為事件X呈現(xiàn)的i狀態(tài)；m為事件X可能出現(xiàn)的狀態(tài)總數(shù)；P(Xi)為出現(xiàn)第i種可能的概率。

假設(shè)事件X出現(xiàn)的m種狀態(tài)的概率相等,計(jì)算結(jié)果如表1所示?？紤]到各類(lèi)因素在傳遞過(guò)程中的重要度是存在差異的,需要對(duì)各類(lèi)因素賦予權(quán)重,依據(jù)文獻(xiàn)[8]各類(lèi)因素的權(quán)重如表2所示。則草原公路交通標(biāo)志的有效信息量H(S)的計(jì)算公式為

(2)

表1 各因素信息量Table 1 Information content of each factor

表2 草原公路交通標(biāo)志各要素權(quán)重Table 2 Weights of various elements of grassland highway traffic engineering facilities

式(2)中:εi表示每種元素的權(quán)重；ni表示交通標(biāo)志中含有該元素的數(shù)量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與人員

試驗(yàn)采用法國(guó)雷諾六自由度實(shí)車(chē)模擬駕駛系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。該系統(tǒng)由駕駛艙、視覺(jué)模擬系統(tǒng)、控制平臺(tái)、模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)備組成。采集儀器選擇美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150多通道生理記錄儀(最大采樣頻率400 Hz，自帶EEG100C腦電放大器),將兩根LEAD110屏蔽導(dǎo)線的一端接于駕駛員的左額和右乳突的一次性電極片,另一端連接EEG100C腦電放大器,配合acqknowledge軟件來(lái)監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程的信號(hào)變化和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

由于人類(lèi)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因,外界因素以及自身因素對(duì)人類(lèi)的大腦活動(dòng)影響是不可以忽略的。如駕駛員的駕駛狀態(tài)、生理反應(yīng)以及心理狀態(tài)與駕駛員的自身素質(zhì)(年齡、駕齡、健康狀況)、駕駛環(huán)境(道路線形、周邊環(huán)境等)均有關(guān)系。為避免外因?qū)︸{駛員產(chǎn)生影響,選擇20名持有駕駛證、健康狀況良好、心理素質(zhì)良好為被試人員,具體情況如表3所示。并規(guī)定在試驗(yàn)前24 h內(nèi)不得飲酒、喝茶，不得吃對(duì)神經(jīng)有刺激性或抑制性的藥物。試驗(yàn)前1 h禁止抽煙、避免做劇烈運(yùn)動(dòng)。

表3 駕駛員信息Table 3 Driver information

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)?zāi)M的道路為典型二級(jí)草原公路,由雙向二車(chē)道組成,車(chē)道寬3.75 m,設(shè)計(jì)車(chē)速為80 km/h。為控制單一變量，模擬試驗(yàn)不設(shè)置交通流,試驗(yàn)場(chǎng)景為長(zhǎng)直線(路側(cè)景觀無(wú)明顯差異),在長(zhǎng)直線上設(shè)有基礎(chǔ)標(biāo)線、指示標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志等。根據(jù)前期調(diào)查的3條典型草原公路,通過(guò)統(tǒng)計(jì)草原公路交通標(biāo)志現(xiàn)狀,依據(jù)交通標(biāo)志單點(diǎn)信息量與信息密度,試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)信息量水平,分別為Z1(0～10 bits/km)、Z2(10～20 bits/km)、Z3(20～30 bits/km)、Z4(30～40 bits/km)、Z5(> 40 bits/km),每個(gè)水平設(shè)置3 km,其中Z0段為1 km的適應(yīng)路段(僅有基礎(chǔ)標(biāo)線),場(chǎng)景共16 km,具體如表4和圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)大約需要20 min,在正式試驗(yàn)開(kāi)始前需要做一段適應(yīng)試驗(yàn),避免對(duì)設(shè)備的不適應(yīng)而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并使駕駛員失去對(duì)場(chǎng)景的新鮮感。開(kāi)始正式試驗(yàn),調(diào)出試驗(yàn)場(chǎng)景,駕駛員依次通過(guò)5個(gè)信息量水平下的直線路段,利用MP150多通道生理記錄儀采集駕駛員行車(chē)過(guò)程中的腦電數(shù)據(jù),試驗(yàn)人員要時(shí)刻關(guān)注腦電信號(hào)變化,出現(xiàn)大的波動(dòng)要及時(shí)調(diào)整,要保證數(shù)據(jù)的有效性。試驗(yàn)結(jié)束后,利用acqknowledge軟件對(duì)腦電功率進(jìn)行分析和處理。

表4 草原公路直線路段設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of straight section of grassland highway

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.2 Test scenario

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 指標(biāo)的選取

在對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分析時(shí),學(xué)者們選取較多的腦電指標(biāo)有δ波、θ波、α波、β波、α/β、(α+θ)/β、θ/β、(θ+α)/(α+β)。許多指標(biāo)具有相同的生理意義。其中,β波的升高表明駕駛員處于注意力集中,特別注意外部環(huán)境的變化,精神緊張的狀態(tài)。(α+θ)/β表征駕駛員警覺(jué)性水平變化的一個(gè)重要指標(biāo),(α+θ)/β的值越小,表明駕駛員越警覺(jué)[18]。因此選取腦電指標(biāo)β波、(α+θ)/β作為敏感指標(biāo),由于在多種信號(hào)分析中,頻域分析可以清楚、明確地看出信號(hào)頻率的組成成分,所以采用頻域分析來(lái)分析所選指標(biāo)特征，從而研究草原公路交通標(biāo)志信息量對(duì)駕駛員腦電信號(hào)的影響。

2.2 總體趨勢(shì)分析

在采集駕駛員的腦電信號(hào)過(guò)程中,難免受到外界影響(如噪聲、震動(dòng)等),要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理,利用acqknowledge軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃斯低通濾波設(shè)置,將軟件的采樣頻率調(diào)至250 Hz,濾波頻率設(shè)置為1 Hz(高通濾波器)至30 Hz(低通濾波器)[19]。

利用acqknowledge軟件來(lái)處理分析20名駕駛員的腦電數(shù)據(jù),每隔1 s提取一個(gè)腦電功率,截取各信息量水平,并取其平均值。在試驗(yàn)過(guò)程中難免出現(xiàn)相對(duì)較大波動(dòng),利用spss20.0和拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除腦電功率異常值[20],并將20名駕駛員2個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)求平均值,使用origin9.1軟件繪制出箱線圖。

如圖3所示,20名駕駛員的β波功率平均值在3.9×10-8～4.3×10-8V2/Hz范圍內(nèi)變化。β波功率平均值隨信息密度Z1～Z3增大呈上升趨勢(shì),Z4～Z5呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在Z3水平下達(dá)到最大值。

圖3 20名駕駛員的β波功率平均值Fig.3 Average β wave power of 20 drivers

由β波的生理意義得知,該波的頻率為14～30 Hz,在該頻率時(shí)人腦意識(shí)清醒,對(duì)周?chē)挛锩舾?注意力高度集中,反應(yīng)速度快,人的精神處于興奮狀態(tài)。Z1(0～10 bits/km)信息量是草原公路主要的交通標(biāo)志信息量存在形式[8],但β波功率的均值較小,由于低信息量的路段以標(biāo)線為主,交通標(biāo)志的信息量較少,在行車(chē)過(guò)程中操作轉(zhuǎn)換頻率低,駕駛員長(zhǎng)期處于這種駕駛環(huán)境,會(huì)導(dǎo)致駕駛員注意力分散,反應(yīng)速度變慢,嚴(yán)重威脅行車(chē)安全。隨著交通標(biāo)志信息量不斷增加,視覺(jué)刺激不斷增加,駕駛員注意力逐漸提高,處理信息的效率提升,操作轉(zhuǎn)換頻率增加,并在Z3水平下β波功率達(dá)到最大值,在此水平下駕駛員專(zhuān)注于駕駛?cè)蝿?wù),處理信息效率最高。當(dāng)信息量達(dá)到Z5水平時(shí)β波功率達(dá)到最小值,駕駛員處于信息量過(guò)載的駕駛環(huán)境,信息處理難度增加,駕駛員處理信息效率降低。

如圖4所示,20名駕駛員的(α+θ)/β在3.5～4.0內(nèi)變化,整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。(α+θ)/β隨著信息密度Z1～Z3的增加而降低,而Z4～Z5又呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),其中Z3達(dá)到最小值。

由(α+θ)/β的生理意義可知,β波表征駕駛員興奮狀態(tài),(α+θ)/β是表征駕駛員警覺(jué)性水平變化的一個(gè)重要指標(biāo),(α+θ)/β越小,表明駕駛員越警覺(jué)、注意力越集中。在Z1水平下駕駛員的(α+θ)/β達(dá)到較高水平,在低信息量的駕駛環(huán)境,駕駛員操作轉(zhuǎn)換頻率低,駕駛員處于較為放松的狀態(tài),Z1水平為草原公路交通標(biāo)志信息量的主要存在形式,但長(zhǎng)時(shí)間處于放松的駕駛狀態(tài)容易引起駕駛員的心理疲勞,反應(yīng)速度變慢,注意力分散,警覺(jué)性較低,不利于行車(chē)安全。隨著交通標(biāo)志信息量不斷增加,駕駛員調(diào)整自己的駕駛行為,操作轉(zhuǎn)換頻率逐漸增加,并在Z3水平下(α+θ)/β達(dá)到最小值,在Z3水平下駕駛員專(zhuān)注于駕駛?cè)蝿?wù)中,注意力集中,警覺(jué)性最高,處理信息效率最高。但當(dāng)信息量達(dá)到Z5水平,(α+θ)/β較大,駕駛員處于信息過(guò)載的駕駛環(huán)境,處理信息效率降低,注意力分散。

圖4 20名駕駛員(α+θ)/β的平均值Fig.4 Average of 20 drivers (α+θ)/β

2.3 分組分析

基于以上整體趨勢(shì)分析結(jié)果可見(jiàn),腦電信號(hào)可以反映交通標(biāo)志信息量對(duì)駕駛員的影響,但是由于駕駛經(jīng)驗(yàn)的不同,對(duì)于各類(lèi)信息的處理效率均有不同。綜合現(xiàn)有研究,普通有車(chē)駕駛員4 a[21-22]、駕駛里程4萬(wàn)km以上為經(jīng)驗(yàn)組駕駛員[23]。為研究駕駛經(jīng)驗(yàn)的差異對(duì)駕駛員處理信息能力的影響程度,對(duì)20名駕駛員的腦電指標(biāo)進(jìn)行方差分析,方差齊性檢驗(yàn)及單因素方差分析結(jié)果如表5和表6所示。

表5 方差齊性檢驗(yàn)Table 5 Test for homogeneity of variance

表6 單因素方差分析Table 6 Single factor variance analysis

由表5可知,駕駛員腦電信號(hào)指標(biāo)的方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果顯著性P值均大于0.05,說(shuō)明駕駛員的腦電信號(hào)指標(biāo)具有方差齊性,可以通過(guò)方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。由表6可知,各腦電指標(biāo)的P值均小于0.05,表明駕駛經(jīng)驗(yàn)差異對(duì)駕駛員處理交通標(biāo)志信息過(guò)程中EEG指標(biāo)有顯著影響,因此有必要將駕駛員進(jìn)行分組分析。

如圖5所示,兩組駕駛員的β波功率平均值差異較大,經(jīng)驗(yàn)組在4.46×10-8～5.22×10-8V2/Hz范圍內(nèi)變化,非經(jīng)驗(yàn)組在3.13×10-8～3.59×10-8V2/Hz范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 兩組駕駛員的β波功率平均值Fig.5 Average β wave power of two groups of drivers

隨著交通標(biāo)志信息量不斷增加,兩組駕駛員β波功率平均值呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),當(dāng)交通標(biāo)志信息量達(dá)到Z3水平的時(shí)候達(dá)到最大值。當(dāng)交通標(biāo)志信息量超過(guò)Z3水平的時(shí)候,兩組駕駛員β波功率平均值呈下降趨勢(shì)。非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員的β波功率平均值明顯高于經(jīng)驗(yàn)組駕駛員,經(jīng)驗(yàn)組駕駛員β波功率平均值相對(duì)非駕駛員穩(wěn)定。由于非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)較少,獲取、處理信息的能力相對(duì)較差,非經(jīng)驗(yàn)組相對(duì)經(jīng)驗(yàn)組駕駛員注意力集中、操作轉(zhuǎn)換頻率高、反應(yīng)速度快,駕駛員處于相對(duì)興奮的狀態(tài),心理波動(dòng)相對(duì)較大,β波功率波動(dòng)較大。而經(jīng)驗(yàn)組駕駛員由于駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富,在進(jìn)行駕駛?cè)蝿?wù)時(shí),β波功率波動(dòng)較小,表明交通標(biāo)志信息量對(duì)經(jīng)驗(yàn)組駕駛員影響較小,經(jīng)驗(yàn)組駕駛員處理信息的效率要強(qiáng)于非經(jīng)驗(yàn)組。

如圖6所示,兩組駕駛員的(α+θ)/β平均值差異較大,經(jīng)驗(yàn)組(α+θ)/β平均值在4.26～4.96的范圍內(nèi)波動(dòng)，非經(jīng)驗(yàn)組(α+θ)/β平均值在3.35～3.8的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 兩組駕駛員的(α+θ)/β平均值Fig.6 Average value of (α+θ)/β for two groups of drivers

隨著交通標(biāo)志信息量的增加,兩組駕駛員的(α+θ)/β組合波都呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì),并都在Z3水平下達(dá)到最小值。非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員的(α+θ)/β值明顯小于經(jīng)驗(yàn)組駕駛員的(α+θ)/β值。經(jīng)驗(yàn)組由于駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富,在行車(chē)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)組駕駛員相對(duì)非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員放松,經(jīng)驗(yàn)組駕駛員處理信息的效率要高于非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員,獲取的更多的是有效信息量,心理波動(dòng)相對(duì)非經(jīng)驗(yàn)組駕駛員穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過(guò)分析不同水平信息量的草原公路交通標(biāo)志對(duì)駕駛員腦電信號(hào)的影響得到以下結(jié)論。

(1)草原公路交通標(biāo)志信息量對(duì)駕駛員的腦電信號(hào)有顯著影響,其中在Z3水平下β波、(α+θ)/β組合波都表現(xiàn)出最佳,建議在今后的草原公路優(yōu)化中,將交通標(biāo)志信息量控制在Z3(20～30 bits/km)區(qū)間內(nèi)。這一結(jié)果為草原公路交通標(biāo)志的優(yōu)化提供了依據(jù)。

(2)草原公路交通標(biāo)志信息量在Z1(0～10 bits/km)范圍內(nèi),β波、(α+θ)/β組合波都表現(xiàn)出相對(duì)較差,駕駛員警覺(jué)性較低,注意力易分散,草原公路交通標(biāo)志信息量主要都集中在Z1范圍內(nèi)。在Z5(> 40 bits/km)范圍內(nèi),由于信息過(guò)載,駕駛員處理信息的能力下降。建議優(yōu)化現(xiàn)存草原公路交通標(biāo)志。

(3)對(duì)比分組分析發(fā)現(xiàn)，在行車(chē)過(guò)程中兩組駕駛員處理信息的能力與駕駛員狀態(tài)存在差異,經(jīng)驗(yàn)組駕駛員處理信息的能力較非經(jīng)驗(yàn)組要強(qiáng),獲取的信息更多的是有效信息量。建議在今后設(shè)置交通標(biāo)志時(shí)充分考慮這一點(diǎn)。

本文所確定的草原公路交通標(biāo)志信息量適宜區(qū)間為Z3(20～30 bits/km),與前人研究[8]所認(rèn)為Z4(30～40 bits/km)為草原公路適宜信息量區(qū)間存在差異,其原因可能是由于采用不同的指標(biāo)以及場(chǎng)景的設(shè)計(jì)存在差異所造成的。在今后的研究中應(yīng)該考慮視覺(jué)特性、腦電以及心電指標(biāo)的綜合影響才會(huì)更有說(shuō)服力。同時(shí)，每種因素所含有信息的重要度均不一樣,在后續(xù)的研究中將重點(diǎn)探討這一問(wèn)題。