基于駕駛?cè)松硇睦硖匦缘能囁俜答仒?biāo)志適用性研究

（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了極大的交通安全隱患。車速反饋標(biāo)志作為一種動態(tài)限速標(biāo)志，在實時顯示車速的同時可通過紅色警告提示駕駛?cè)艘殉?。這類動態(tài)信息交通標(biāo)志的應(yīng)用影響著駕駛?cè)说囊曈X感知與心理特性，進而影響行車安全。為此，對車速反饋標(biāo)志在道路上的適用性進行研究很有必要。

國外學(xué)者對車速反饋標(biāo)志的研究較早且較為深入。如Luoma 等[1]從眼動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)志對駕駛行為的影響，得出增設(shè)后駕駛?cè)藢討B(tài)交通信息標(biāo)志的關(guān)注度更高的結(jié)論；Ardeshiri 等[2]通過統(tǒng)計分析、回歸模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型評估了車速反饋標(biāo)志不同設(shè)置地點、設(shè)置時長對降速效果的影響；Allaby等[3]通過交通事故預(yù)測模型對多倫多高速公路上的可變限速標(biāo)志進行了評價，結(jié)合微觀仿真模型對其交通安全影響進行了評估；Topolsek 等[4]運用眼動追蹤技術(shù)，研究了駕駛?cè)藢β愤吔煌?biāo)志與廣告的覺察性。

國內(nèi)學(xué)者對限速標(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]針對車速反饋標(biāo)志應(yīng)用效果進行了實地車速調(diào)查、問卷調(diào)查和實施前后效果對比實驗，綜合分析了車速反饋標(biāo)志在高速公路上的適用性；程國柱等[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)志間距計算方法；倪娜[7]通過駕駛員心率、感知速度、行駛速度等指標(biāo)，明確了視覺參考系對駕駛?cè)诵睦淼挠绊憽?/p>

綜上所述，國外主要運用數(shù)學(xué)模型從眼動特性的角度分析車速反饋標(biāo)志的設(shè)置地點與設(shè)置時長、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)對車速反饋標(biāo)志進行研究，對駕駛?cè)俗陨硖匦缘难芯坎粔蛉?。國?nèi)對限速標(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)，通過實驗對比靜態(tài)限速標(biāo)志與車速反饋標(biāo)志對駕駛?cè)说挠绊懖町?，深入研究車速反饋?biāo)志對駕駛?cè)说淖饔脵C理，進而評估車速反饋標(biāo)志在城市道路上的適用性。

1 實驗思路

在駕駛車輛過程中，駕駛?cè)藭?jīng)歷一個比較復(fù)雜的生理、心理變化過程，需要持續(xù)不斷地在短時間內(nèi)對交通標(biāo)志傳遞的信息進行接受、分析、決策。本文為研究車速反饋標(biāo)志的適用性，通過與靜態(tài)限速標(biāo)志的對比實驗，選取視覺特性指標(biāo)、心電特性指標(biāo)、皮電特性指標(biāo)來表征駕駛?cè)松硇睦碜兓匦?，從跟隨狀態(tài)、服從性、制動誘導(dǎo)性三類行為特性來分析車速反饋標(biāo)志的降速有效性。

（1）實驗路段

本實驗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研究，具體路段為南京林業(yè)大學(xué)北一門—長途汽車東站，全長約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)置點在玄武大道限速50km/h的路段，受調(diào)查點客觀條件限制，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）實驗方法

實驗共選取調(diào)查對象10名，實驗次數(shù)共計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2 年。實驗過程中，令駕駛?cè)伺宕鱐obii Pro Glasses 系列眼動儀和Ergo LAB 無線生理傳感器，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。實驗中，通過Ergo LAB 人機環(huán)境同步系統(tǒng)獲取駕駛?cè)说囊曈X、心電與皮電指標(biāo)；利用攝像機和雷達(dá)測速儀對實驗路段進行拍攝和測速，可得到剎車比例、車頭間距等數(shù)據(jù)。

用于實驗的限速標(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，在實驗允許誤差范圍以內(nèi)。因此本文認(rèn)為兩種標(biāo)志的字體和外觀差異對駕駛?cè)说挠绊懣梢院雎圆挥嫛４送?，限速?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[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)查過程中標(biāo)志高度對駕駛?cè)说挠绊憽?/p>

2 駕駛?cè)搜蹌犹匦?/h2>

有研究發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中通過視覺獲取的信息占全部獲取信息量的80%以上，駕駛?cè)说囊曈X機能在很大程度上影響駕駛行為[10]。為探究兩種標(biāo)志對駕駛?cè)说难蹌犹匦杂绊?，本文選取與眼睛基本運動形式相關(guān)的5個指標(biāo)進行分析，分別為注視時間、掃視時間、注視次數(shù)、掃視次數(shù)和視覺搜索軌跡。

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。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間與平均注視時間對比

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小㈥P(guān)注度高，搜索有效信息效率高，能夠快速尋找、提取標(biāo)志上的信息來輔助對目標(biāo)物及交通環(huán)境的判斷；同時，速度反饋標(biāo)志對駕駛?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，需要延長注視時間以獲取對駕駛狀況的認(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，其注視點和注視軌跡如圖5 所示，圖中圓點大小表示注視時間，圓點越大表示注視時間越長；圓點中數(shù)字表示注視點順序，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，聚焦點更加集中，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行為與信息讀取判斷行為，整個搜索過程軌跡清晰。

圖5 駕駛?cè)艘曈X搜索軌跡對比圖

由圖5 可見，在僅設(shè)有靜態(tài)限速標(biāo)志的路段行駛時，駕駛?cè)顺跏紩r刻的注視點位于臨時停車標(biāo)線處，視線軌跡偏向右側(cè)干擾物，在接近限速標(biāo)志時，仍無任何視認(rèn)行為；在設(shè)有車速反饋標(biāo)志的路段行駛時，駕駛?cè)俗⒁朁c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)注點至第12 關(guān)注點有明顯的跳躍，通過掃視注視點短暫停留后，快速回到道路正前方區(qū)域，注視點較穩(wěn)定且視認(rèn)軌跡清晰明顯。可見，駕駛?cè)藢囁俜答仒?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)志作為刺激信息實時顯示車輛行駛速度，促使駕駛?cè)颂岣哧P(guān)注度，完善情景意識，高效識別信息；②駕駛?cè)丝赏ㄟ^多次注視車速反饋標(biāo)志來檢查行駛車速，當(dāng)速度反饋標(biāo)志顯示紅色超速預(yù)警時，能誘使駕駛?cè)瞬扇≈苿有袨椋档蛙囁佟?/p>

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，可以用來表征駕駛?cè)诵熊囘^程中的心理負(fù)荷變化和情緒變化程度，進而用于評價車速反饋標(biāo)志對駕駛?cè)说男睦碛绊憽?/p>

本實驗采用時域分析、頻域分析法對心率變異性進行評價。時域分析選取指標(biāo)為心動間期均值（Mean of R Wave-to-R Wave Intervals,MRR）與心動間期總體標(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，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，同時駕駛?cè)诵牟訌?、加快，處于緊張狀態(tài)。LF 明顯下降，HF 總體呈上升趨勢，表明交感神經(jīng)興奮加強，反映出車速反饋標(biāo)志易使駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷增大，對駕駛?cè)说男睦碓斐闪艘欢ǖ挠绊懞筒▌印?/p>

3.2 皮電特性分析

本實驗采用事件的相關(guān)性分析來評價駕駛?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）、延遲時間Latency、皮膚電導(dǎo)反應(yīng)強度（SCR Amplitude）和皮膚電導(dǎo)水平（Skin Conductance Level,SCL）共4 個指標(biāo)進行分析。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)，提高其對車速反饋標(biāo)志的感知敏感性，進而使其較快地產(chǎn)生制動行為。

4 駕駛?cè)诵袨樘匦苑治?/h2>

由于駕駛過程中受心理、生理上的干擾和約束，駕駛?cè)藭a(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，從而評價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：強跟馳和弱跟馳，出于測量精度考慮，取1～2s為強跟馳狀態(tài)，取3～5s為弱跟馳狀態(tài)，調(diào)查所得各參數(shù)見表3。

表3 不同實驗條件下與跟馳狀態(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、弱跟馳狀態(tài)下的跟隨剎車比例分別增加12%與6%，可見強跟馳狀態(tài)下的跟隨制動誘導(dǎo)性更強。由于強跟馳狀態(tài)下駕駛難度和事故風(fēng)險的主觀感知會上升，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)制動速度加快，同時強跟馳狀態(tài)下駕駛?cè)说男睦碓Ａ刻幱谂R界值，駕駛?cè)藢τ谧陨硇旭傑囁俚暮侠硇?、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，究其原因為車速反饋限速標(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比圖

以上分析表明，車速反饋標(biāo)志對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到超速狀態(tài)的危險，起到提醒駕駛?cè)俗⒁庾陨碥囁俚淖饔?，即相較于靜態(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 制動誘導(dǎo)性分析

為探究兩種限速標(biāo)志對駕駛?cè)酥苿訝顟B(tài)的影響，本文利用曼-惠特尼秩和檢驗法對剎車分布進行假設(shè)檢驗，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 檢驗法分別檢驗兩個樣本是否符合正態(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顯著性分別為0.02 和0.008，均小于0.05，即認(rèn)為兩個獨立樣本均不滿足正態(tài)分布，故選用曼-惠特尼秩和檢驗法[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，拒絕原假設(shè)，否則沒有充分的理由拒絕原假設(shè)。利用SPSS 得到曼-惠特尼秩和檢驗結(jié)果（見表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)志對駕駛?cè)说闹苿有袨橛忻黠@影響。

表4 曼-惠特尼秩和檢驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過對比實驗研究了車速反饋標(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，同時在降速效果與制動誘導(dǎo)方面作用顯著，在城市道路上具有良好的適用性，并對提高駕駛?cè)诵熊嚢踩哂幸欢ㄗ饔谩?/p>

因受限于實驗對象和實驗條件，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)置地點和設(shè)置數(shù)量對城市道路行駛速度與交通事故率的影響，這是未來研究需完善的方面。