基于駕駛員警覺度的交通標志適宜信息量研究

戚春華，劉昱忻，李航天，王笑男，朱守林，韓 磊

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

交通標志作為交通工程設(shè)施中的主要組成部分，其信息量設(shè)置的合理性成為廣泛關(guān)注的問題[1]。適宜的標志信息量可以為駕駛員提供準確恰當?shù)牡缆沸畔?，保證駕駛員有足夠的時間進行操作[2]。當標志信息量不足或過載時，會影響交通網(wǎng)絡(luò)的整體運行效率，給駕駛員增加過多的腦力認知負荷，影響信息傳遞的準確性和時效性。通過前期對草原公路交通設(shè)施的實地調(diào)查統(tǒng)計[3]，發(fā)現(xiàn)草原公路具有線形簡單、景觀單調(diào)的特點，存在交通標志信息量嚴重不足或缺失等問題，而草原公路交叉口處于車輛交匯處并承擔交通轉(zhuǎn)換的功能，駕駛員需要判斷道路情況和對路線進行選擇，同時車速對駕駛員處理交通信息有一定影響[4]。

駕駛警覺度主要是指駕駛員在完成駕車任務(wù)時保持注意力和警覺狀態(tài)水平[5]，在行車過程中，駕駛員需要保持高度警覺性，才能完成對道路交通信息的認知處理。駕駛員行車警覺度的評價方法較多，最常用的是生理指標評價法，主要集中選取駕駛員視覺特性[6]、腦電指標[7-9]以及心率變異指標進行研究。相對于其他生理指標，腦電指標可以精準直觀反映駕駛員大腦活動，被認為是目前最準確的檢測警覺度技術(shù)之一，早有學者證實了通過腦電信號能對警覺狀態(tài)檢測是真實有效的[10]。因此，通過分析駕駛員腦電特性，研究草原公路交叉口處警覺度變化，確定交叉口處適宜交通標志信息量和最佳車速，可使駕駛員處理信息的負荷可控，提高行車警覺度，對完善草原公路交叉口處交通標志設(shè)置具有重要的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段，對于交通標志信息量和車速變化對駕駛員警覺度的研究已經(jīng)取得部分成果。Lü等[11]建立了交通標志信息量度量模型，研究交通標志信息量對駕駛員認知負荷的影響；黃麒隆[12]將駕駛疲勞和信息量作為自變量建立了快速路交通標志閾值的模擬駕駛試驗，針對車速為60、80、100 km/h的交通標志信息量閾值進行研究；Guo等[13]通過模擬駕駛實驗建立了交通標志信息量模型，計算得出高速公路交叉口路段交通標志信息量的閾值；姚翔林等[14]設(shè)計了交叉口處路網(wǎng)信息的室內(nèi)模擬實驗，對交叉口路段指路標志信息量進行研究。

綜上所述，中外學者主要通過駕駛員視覺特性對交通標志信息量和車速進行研究，而利用駕駛員的腦電特性對草原公路交叉口處不同信息量水平和車速的研究較少?；诖耍F(xiàn)針對草原公路的特點，以信息論為理論基礎(chǔ)，通過室內(nèi)模擬駕駛實驗，研究交叉口處信息量和車速的變化對駕駛員警覺度的影響，以期為草原公路交叉口處交通標志的合理化設(shè)置提供依據(jù)，保證駕車安全。

1 實驗設(shè)計

1.1 交通標志信息量量化的計算

交通標志作為主要的信息的來源，通過圖片、符號和文字等形式向駕駛員傳遞關(guān)鍵的道路交通信息，在信息傳遞的過程中，不同的交通標志所包含的信息量存在差異，在進行研究之前，需要對交通標志信息量化，具體研究交通標志信息量適宜范圍。信息量量化是指從量的基礎(chǔ)上精準的描繪信息，香農(nóng)理論[15]采用概率對信息的不確定性進行描述，根據(jù)胡立偉等[16]構(gòu)建交通工程設(shè)施信息量模型，得出交通標志信息量量化公式為

(1)

式(1)中：H(X)為某事件所包含的信息量，也稱為信息熵；m為事件中所有信號的和；Xi為第i個在事件中發(fā)出信號；P(Xi)為第i個信號出現(xiàn)的概率。

假設(shè)事件發(fā)生的概率相等，則P(Xi)=1/m，因此單類元素信息量計算方法為

H(X)=log2m

(2)

在駕駛?cè)蝿?wù)中，駕駛員對交通標志各類要素的感知情況因人而異，為了減少在交通標志在傳遞過程中的差異性，獲取有效的信息量，李航天[17]采用層次分析法對草原公路交通標志各要素權(quán)重進行計算和劃分，其結(jié)果如表1所示。

表1 草原公路交通標志元素權(quán)重Table 1 Prairie highway traffic sign element weight

在對交通標志信息量進行計算的基礎(chǔ)上，有必要對交通標志包含的各類元素進行權(quán)重的計算，考慮每類要素的重要程度問題，并將各類要素的權(quán)重代入，則草原公路交通標志有效信息量計算公式為

(3)

式(3)中:H(S)為交通標志的有效信息量；εi為每種元素的權(quán)重；Xi為事件X所呈現(xiàn)的i狀態(tài)；H(Xi)為各類元素的基本信息量；ni為各元素的個數(shù)。

1.2 實驗人員

根據(jù)中心極限定理[18]，利用統(tǒng)計分析的方法計算出實驗被試數(shù)量，其公式為

(4)

式(4)中：N為被試樣本量；S為指標的總體標準差；K為調(diào)查置信度，95%置信水平K值為1.96；E為抽樣誤差范圍。

經(jīng)計算得出本實驗至少需要18名被試，為了防止駕駛員個體差異造成實驗誤差，最終決定選取25名男性青年駕駛員作為實驗對象。年齡在20～30歲，身體健康，無不良疾病，均持有合法駕駛執(zhí)照且具有一定的駕駛經(jīng)驗。實驗時間選在上午8:00，進行實驗的駕駛員在前一天要保證充足的睡眠，實驗正式開始前進行5 min的靜測，讓駕駛員對模擬實驗平臺有一定的適應性，心理和生理達到最放松的狀態(tài)，采集的靜測數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù)。

1.3 實驗設(shè)備與場景設(shè)計

基于研究的主要內(nèi)容，僅改變信息量范圍和速度的變化，為保證其他實驗條件的一致性，防止無關(guān)因素對實驗的影響，采用室內(nèi)仿真駕駛實驗，能夠準確安全地對實驗場景進行切換，實驗環(huán)境在可調(diào)控的范圍內(nèi)。室內(nèi)模擬實驗駕駛設(shè)備，主要由駕駛車輛、3D環(huán)形投影幕和操作臺等組成。模擬車是去除發(fā)動機的六自由度真實車輛，其油門、剎車和離合等部件均具有真實操縱感，能夠動態(tài)的改變汽車的轉(zhuǎn)速和車速，可以增加駕駛員的真實感受和數(shù)據(jù)的可信度。實驗儀器為美國BP公司生產(chǎn)的MP150 多通道生理記錄儀，記錄駕駛員實時的腦電數(shù)據(jù)，采樣頻率設(shè)置為250 Hz，因腦電信號幅度小，抗干擾能力較差，采集腦電波的過程中易受其他因素的影響，為獲取精準的實驗數(shù)據(jù)需要對采集的腦電數(shù)據(jù)進行降噪處理，采用AcqKnowledge軟件對腦電信號進行濾波處理，對無關(guān)偽跡進行去除，提取駕駛員腦電數(shù)據(jù)，并對每個指標的節(jié)律值進行平均功率的分析，實驗中駕駛員可能會因為不可控因素引起實驗誤差，需要對異常數(shù)據(jù)進行剔除。實驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 實驗設(shè)備Fig.1 Experimental facilities

通過前期對草原公路交叉口交通標志實際調(diào)查可知，交叉口較多且多以平面交叉口為主，但存在交通標志信息排布不均等問題，典型的草原公路交叉口處交通標志信息量主要集中在0 bits和0～10 bits，因此按照實際的道路情況和交通標牌的設(shè)置，采用聚類分析對典型草原公路交叉口交通標志信息量大致劃分為6個水平，依次是：J0(0 bits)、J1(0～10 bits)、J2(10～20 bits)、J3(20～30 bits)、J4(30～40 bits)、J5(>40 bits)。防止駕駛員因連續(xù)的實驗任務(wù)產(chǎn)生認知負荷，在各個信息量水平之間設(shè)置1 km彎道進行過渡。具體設(shè)置內(nèi)容和場景參數(shù)如表2所示。

表2 草原公路交叉口路段場景設(shè)置參數(shù)Table 2 Setting parameters of the section scene at the intersection of prairie highway

圖2 實驗場景Fig.2 Experimental scene

1.4 試驗流程

(1)啟動模擬實驗平臺并對實驗場景進行調(diào)試，駕駛員填寫基本信息表后佩戴儀器。

(2)駕駛員熟悉模擬駕駛平臺，并進行5 min的靜測。

(3)試驗正式開始，被試分別按60、80、100 km/h速度行駛，并對腦電數(shù)據(jù)進行記錄，在完成每組速度的駕車任務(wù)后駕駛員可休息調(diào)整狀態(tài)。

(4)實驗結(jié)束后駕駛員填寫NASA-TLX量表對駕駛警覺度進行主觀評價。

2 腦電指標的選取

根據(jù)草原公路的特點，因腦電波時間分辨率高、客觀性強，能實時反應大腦活動和警覺度的變化，可作為最直接的評價指標[19]。腦電波根據(jù)頻帶不同可劃分成：δ波、α波、β波、θ波和γ波5個節(jié)律，δ波表示處于深度睡眠狀態(tài)；α波表示駕駛員大腦處于清醒且注意力集中的狀態(tài)；β波可表征駕駛員警覺度和注意力高度集中；θ波表示駕駛員處于精神放松的狀態(tài)；γ波在人類患有精神疾病時才會出現(xiàn)[20]。部分腦電指標表征意義相似，需要對其進行篩選，基于腦電指標各頻段的特點，指標β節(jié)律值隨駕駛員警覺度的升高而增大，指標(α+θ)/β、α/β的節(jié)律值隨警覺程度的升高而降低[21]。結(jié)合模擬實驗的目標和國內(nèi)外學者的研究，針對草原公路交叉口處單調(diào)行車條件的特殊性，最終選取β、(α+θ)/β、α/β為評價指標，作為研究草原公路交叉口處信息量水平變化對駕駛員警覺度的影響依據(jù)。

3 信息量和速度變化對駕駛員警覺度的影響

為了探究信息量變化和車速對駕駛員警覺度影響的總體分布規(guī)律，針對腦電數(shù)據(jù)的頻域特征進行分析統(tǒng)計，其中未設(shè)置交通標志信息量J0水平為對照組，分別與其他5組進行比較分析。

3.1 不同信息量水平對駕駛員警覺度的影響

如圖3所示，草原公路交叉口處交通標志信息量主要存在于J0和J1水平，在這兩個水平范圍內(nèi)，指標β節(jié)律值較低，(α+θ)/β和α/β節(jié)律值較大，在草原公路單調(diào)的行車環(huán)境中，低信息量導致駕駛員進入不合理的駕車狀態(tài)，交通標志未能傳遞足夠有效的信息，駕駛員注意力無法集中，長時間在此信息量范圍內(nèi)行車，駕駛員行車負荷增加，警覺度降低；在J1～J4水平，指標β緩慢增加，(α+θ)/β和α/β均隨信息量的增加而降低，表明草原公路交通標志信息量密度增大時，駕駛員信息處理的難度降低，在J4水平指標均值達到最大或最小值，說明交叉口處交通標志信息量設(shè)置在J4水平，駕駛員接收交通信息較為輕松，不會造成過大的駕駛負荷，專注于對信息的處理和觀察交叉口的車輛情況，駕駛員警覺性最強且適合完成駕車任務(wù)；J4～J5水平，指標β升高，(α+θ)/β和α/β降低，表明在草原公路單一環(huán)境下，設(shè)置過高的交通標志信息量，效果適得其反，駕駛員對于過量的交通信息沒有及時認知和處理的能力，加深了駕駛員處理信息的負荷，注意力會被過多的交通信息分散，導致其警覺度的降低，不利于草原公路行車安全。

圖3 不同信息量水平下駕駛員腦電指標變化趨勢圖Fig.3 Trend chart of EEG indexes of drivers at different information levels

3.2 不同車速對駕駛員警覺度變化的影響

3.2.1 不同車速對駕駛員指標β對比分析

如圖4所示，在不同車速下指標β隨信息量增加的整體分布趨勢大體一致，在J0和J1水平，車速為80、100 km/h對駕駛員腦電信號的變化不顯著，表明在草原公路交叉口低信息量條件下，只提高速度，不能明顯引起駕駛員警覺度的改變，交通標志傳遞的信息有限，駕駛員未獲取有效信息，注意力被分散；3組車速在J4～J5水平下的數(shù)據(jù)分布不理想，表明當信息量過載時，車速的改變不能有效消除駕駛員處理信息的負荷；但3組速度均在J4水平發(fā)生改變，且車速為60 km/h時，指標β節(jié)律值最低，說明在信息量為J4水平，駕駛員以車速為60 km/h行車時，在有限的時間里可以高效率完成對交通標志信息的處理，此時駕駛員注意力不僅可以集中在信息的識讀，還可以對交叉口處的道路情況進行觀察，駕駛員行車警覺性較高。

另一方面，阿斯科爾尼科夫在殺人之后受到心靈的拷問，他十多次提及是有魔鬼在引誘他，并不是他殺人，而是魔鬼。這恰恰與圣經(jīng)中引誘亞當偷吃禁果的蛇、圣經(jīng)中的撒旦相一致。后來的許多文學作品中或多或少的涉及到這種引誘者形象。就是在“魔鬼”的引誘下，阿斯科爾尼科夫把殺害阿謬娜的事當做對現(xiàn)實社會的探討。不管是從阿斯科爾尼科夫殺人來看，還是從魔鬼引誘他犯罪這都和《圣經(jīng)》中的撒旦、托馬斯曼的浮士德博士的惡魔引誘同源。

圖4 不同車速下駕駛員腦電指標β變化圖Fig.4 EEG indexes β changes of drivers at different speeds

圖5 不同車速下駕駛員腦電指標(α+θ)/β變化圖Fig.5 EEG indexes (α+θ)/β changes of drivers at different speeds

3.2.2 不同車速對駕駛員指標(α+θ)/β對比分析

如圖5所示，在3組不同車速條件下，指標(α+θ)/β都在J0和J1水平均值較大，基于草原公路的單一行車環(huán)境和交叉口處的特殊性，表明在交通標志信息量密度設(shè)置較低時，車速對其警覺度的影響并不顯著，在J1～J4水平，當車速增加時，(α+θ)/β呈現(xiàn)出下降的趨勢：60 km/h<80 km/h<100 km/h，說明在草原公路高速的行車環(huán)境中，標志牌相對于駕駛員快速移動，沒有足夠的時間對交通標志信息進行完整的認知和處理，注意力無法集中，導致其警覺度下降；在信息量為J4～J5，指標(α+θ)/β突然增加，根據(jù)指標表征的生理意義，說明在過高信息量和高車速的雙重作用下，嚴重影響駕駛員對交通信息的識別和處理，加深行車負荷，其駕車警覺度較低；3組數(shù)據(jù)均在J4水平節(jié)律值最低，且車速為60 km/h相較于其他2組最小，認為速度為60 km/h，交通標志信息量設(shè)置為J4水平時，駕駛員能夠有效地認知和處理交通信息，并在合理安全的反應時間內(nèi)做出決策，此時駕駛員注意力集中，警覺性較強。

3.2.3 不同車速對駕駛員指標α/β對比分析

如圖6所示，在3種不同車速下，指標α/β分布趨勢大體相同，在車速60、80 km/h時，α/β節(jié)律值分布相差不大，在J2、J4和J5水平接近重合，表明在這幾個水平，60、80 km/h速度對駕駛員指標α/β影響不大，當速度的增加到100 km/h時，在這6個水平下 指標α/β的節(jié)律值較高，認為在草原公路交叉口的特殊行車條件下100 km/h的速度過大，駕駛員不論是在低信息量還是高信息量下，注意力均無法集中，警覺度水平較低；在J4～J5水平，信息量的過度設(shè)置和行車速度的提高，導致指標α/β突然增加，車速和信息量對駕駛員警覺度的變化均有影響，過高的車速導致駕駛員對過載的信息無法準確有效的認知，加深了信息處理的負荷，忽視交叉口處的道路情況，引起警覺度的下降，增加了危險駕駛的概率；從腦電數(shù)據(jù)分布來看，認為60、80、100 km/h的拐點均在J4水平，指標α/β發(fā)生了顯著變化，拐點處為草原公路交叉口處適宜交通標志信息量范圍，此時駕駛員專注于行車和對標牌信息的辨別上，警覺性較高，有利于完成駕車任務(wù)。

圖6 不同車速下駕駛員腦電指標α/β變化圖Fig.6 EEG indexes α/β changes of drivers at different speeds

3.3 不同車速條件下駕駛員腦電指標的非線性擬合分析

分別對駕駛員分別對被試駕駛員在60、80、100 km/h的腦電指標與信息量水平進行擬合分析，進一步探究信息量和速度對駕駛員警覺度是否存在顯著影響，利用Oringin軟件進行非線性曲線擬合，其擬合結(jié)果為：駕駛員腦電指標β在3組車速下調(diào)整后的擬合度R2分別為0.947、0.778、0.831,指標(α+θ)/β調(diào)整后的擬合度即R2分別為0.844、0.857、0.782,指標α/β調(diào)整后的R2分別為0.861 、0.838 、0.853,擬合效果較好，可認為信息量和車速的變化對駕駛員警覺度均有顯著影響，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 腦電指標的非線性擬合結(jié)果Table 3 Nonlinear fitting results of EEG indexes

4 草原公路交叉口處交通標志信息量對駕駛員行車負荷的評估

4.1 駕駛負荷的主觀評估

NASA-TLX負荷量表在評估駕駛員警覺度和疲勞程度等方面應用較為廣泛[22]，對駕駛員完成實驗后的駕駛負荷進行主觀評測，有效評價草原公路交叉口處交通標志信息量對駕駛員警覺度的影響，對其實驗結(jié)論進行驗證，增加實驗結(jié)論的可信度。NASA-TLX駕駛負荷量表主要從認知負荷、腦力要求、時間要求、努力程度、挫折水平和績效水平6個維度進行主觀評分，評價結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同信息量水平下駕駛員NASA-TLX 負荷值Fig.7 Load values of NASA-TLX for drivers at different information levels

6個維度分布趨勢大體相同，均在J4水平駕駛負荷評分最低，表明草原公路交叉口處的交通標志信息量設(shè)置在J4水平時，駕駛員認為在此條件下行車的負荷最低，主觀感受較為輕松，對于交通標志信息的處理和認知能力最強，此時駕駛員警覺性水平較高；其中績效水平在J2、J3和J4水平評分相差不大，駕駛員認為在這3個水平下可以較好地完成駕車任務(wù)，注意力和警覺度也相較其他水平較高。綜合來看，草原公路交叉口信息量設(shè)置在J4水平時，駕駛信息處理負荷低且警覺度高，駕駛員主觀感受最輕松。

4.2 討論

針對課題組的研究和成果，李航天[17]利用駕駛員視覺特性，建議草原公路交叉口交通標志適宜信息量范圍為20～30 bits；現(xiàn)從駕駛員腦電信號出發(fā)，針對駕駛員警覺度變化進行研究，得出草原公路交叉口處適宜交通標志信息量為30～40 bits，在行車過程中，道路情況首先通過駕駛員視覺系統(tǒng)進行識別，為駕駛員提供80%左右的交通信息[23]，駕駛員需要對過多信息進行視認，易誘發(fā)認知信息負荷，但當交通信息傳遞到大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)進行處理時，駕駛員大腦有意識的選擇有效交通信息進行加工和判斷，信息處理的效率較高[24]。因此，對于駕駛員視覺特性，草原公路交叉口處適宜信息量范圍為20～30 bits，但針對駕駛員警覺度，適宜信息量范圍為30～40 bits。

5 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬駕駛實驗，針對駕駛員腦電指標，分析草原公路交叉口處交通標志信息量和車速變化對行車警覺度的影響，得出如下結(jié)論。

(1)根據(jù)不同信息量水平對駕駛員警覺度影響分析可知，駕駛員在草原公路過低或過高信息量條件下，不能合理誘發(fā)駕駛員警覺度的變化，低信息量的設(shè)置不能發(fā)揮作用，過高信息量會增加駕駛員處理信息的負荷，導致駕駛員注意力分散，警覺度降低。

(2)通過不同車速對駕駛員警覺度影響的對比分析可知，在信息量為J4水平下的3組腦電指標數(shù)據(jù)表現(xiàn)最佳，在速度條件為60 km/h時，腦電數(shù)據(jù)整體分布趨勢優(yōu)于其他2組，綜合來看，草原公路交叉口處最佳信息量水平為J4(30～40 bits)，最佳行車速度為60 km/h。

(3)利用NASA-TLX駕駛負荷量表對實驗結(jié)論進行主觀驗證，6個維度均在信息量J4水平的駕駛負荷評分最低，駕駛員在草原公路信息量為J4水平下行車時主觀感受較為輕松，與腦電指標數(shù)據(jù)分析的結(jié)論相一致。

今后的研究中應更深入探討駕駛警覺度的問題，如對警覺度劃分、建立評價警覺度模型等；還可考慮從駕駛狀態(tài)和行為等角度對草原公路交通標志適宜信息量進行研究；另外可采用客觀實駕實驗對結(jié)論進行驗證，進一步對草原公路交通標志信息量設(shè)置進行優(yōu)化。