基于視覺(jué)特性的可變情報(bào)板文字信息閾值研究

伍毅平 李思宇 沈興華 彭志彪 徐 昶 馮宗敏

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院1) 北京 100124) (北京市道路路網(wǎng)管理與應(yīng)急處置中心2) 北京 100053)(北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院3) 北京 100045)

0 引 言

可變情報(bào)板(variable message sign, VMS)是動(dòng)態(tài)傳遞道路及交通誘導(dǎo)信息的重要交通設(shè)施，對(duì)緩解交通擁堵、促進(jìn)交通流合理分配起到有重要作用[1].VMS得到充分利用時(shí)，道路整體延誤可減少23.7%，停車(chē)時(shí)間可減少31.8%[2].VMS已在我國(guó)得到廣泛使用，截至2018年底，北京市公路領(lǐng)域現(xiàn)有VMS 414塊，分設(shè)在國(guó)道、省道及縣道，且數(shù)量逐年增長(zhǎng)[3].

雖然VMS使用廣泛，但是應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題.根據(jù)北京交通工程學(xué)會(huì)調(diào)研結(jié)果，36.1%的駕駛?cè)苏J(rèn)為VMS存在信息過(guò)載的現(xiàn)象，其中長(zhǎng)條形VMS文字信息過(guò)載尤為突出[4-5].當(dāng)文字信息過(guò)多時(shí)，駕駛?cè)诵枰ㄙM(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)信息進(jìn)行認(rèn)知和理解，容易導(dǎo)致分心駕駛，造成安全隱患[6].在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，文獻(xiàn)[7]對(duì)VMS的用途、顯示方式、版面和設(shè)置條件進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，而對(duì)于文字信息量的范圍未進(jìn)行明確說(shuō)明。文獻(xiàn)[8]規(guī)定了最大行數(shù)與每行的字符數(shù)量，限制VMS信息單元個(gè)數(shù)，由于中美語(yǔ)言結(jié)構(gòu)差異，其結(jié)果并不適用于漢字環(huán)境.

以往針對(duì)VMS的研究主要采用問(wèn)卷調(diào)查和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式開(kāi)展，對(duì)VMS圖文屬性、信息內(nèi)容和信息影響效用等進(jìn)行研究，以明確駕駛?cè)似?實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要利用靜態(tài)認(rèn)知、駕駛模擬和實(shí)車(chē)測(cè)試等手段開(kāi)展[9-10]，圍繞駕駛?cè)艘曊J(rèn)和駕駛行為特性進(jìn)行研究，包括分析VMS版面類(lèi)型對(duì)駕駛行為的影響[11]、探究VMS合理布設(shè)位置和內(nèi)容呈現(xiàn)方式[12]、對(duì)VMS信息認(rèn)知度進(jìn)行評(píng)價(jià)等.以上研究對(duì)規(guī)范和合理設(shè)置VMS版面屬性、優(yōu)化信息內(nèi)容等起到積極作用，但在確定VMS版面信息量閾值方面仍不夠明確，也是造成實(shí)際使用時(shí)VMS信息量過(guò)載的主要原因之一.

考慮實(shí)際行車(chē)過(guò)程中，駕駛?cè)酥饕ㄟ^(guò)視覺(jué)獲取外部道路、交通及環(huán)境信息.因此本文重點(diǎn)探討VMS文字信息對(duì)駕駛?cè)艘曈X(jué)特性的影響.當(dāng)前圍繞駕駛?cè)艘曈X(jué)的研究主要可劃分為宏觀和微觀兩類(lèi).宏觀研究主要利用視認(rèn)時(shí)長(zhǎng)、視認(rèn)距離等指標(biāo)整體把握駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性。微觀研究多借助眨眼次數(shù)、眼跳、注視點(diǎn)等細(xì)粒度視覺(jué)數(shù)據(jù)挖掘駕駛?cè)艘曈X(jué)吸引及分配情況等.

文中選取實(shí)際使用中信息量過(guò)載頻發(fā)的長(zhǎng)條形文字式VMS，從駕駛?cè)苏w視認(rèn)特性的角度出發(fā)，開(kāi)展文字信息量閾值研究.利用靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)探究駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性與長(zhǎng)條形VMS文字信息數(shù)量的關(guān)系，初步確定滿足駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性的VMS文字信息閾值.在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最終確定文字信息閾值.本研究有助于完善VMS設(shè)計(jì)規(guī)范和使用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提升VMS的實(shí)際應(yīng)用效果.

1 靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)人員

本次共招募45名駕駛?cè)?，其?2人完成全部實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括男性駕駛?cè)?6名，女性駕駛?cè)?6名；職業(yè)司機(jī)20人，非職業(yè)駕駛?cè)?2人.駕駛?cè)四挲g在20～50歲(平均值36.86；標(biāo)準(zhǔn)差11.62).所有駕駛?cè)艘暳虺C正后的視力均在4.8以上，且在實(shí)際駕駛中均有使用VMS的經(jīng)歷.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)及其作用見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的VMS版面尺寸為1 m×10 m.為避免由于靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)所用液晶屏尺寸與實(shí)際道路上駕駛?cè)耸褂玫腣MS存在較大差異，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差，研究基于人因工程學(xué)原理，應(yīng)用式(1)確定駕駛?cè)嗽谑覂?nèi)視認(rèn)VMS時(shí)所處位置.

(1)

式中：L為駕駛?cè)艘暰€與液晶屏幕之間的距離；h為駕駛?cè)艘暰€高度距離液晶屏上邊緣高度，實(shí)際測(cè)量為28 cm；tanθ為駕駛?cè)艘暰€高度與液晶屏上邊緣夾角，根據(jù)人因工程原理，當(dāng)θ≤8°時(shí)，駕駛?cè)丝蓽?zhǔn)確認(rèn)讀顯示信息，因此θ選取8°.

根據(jù)式(1)計(jì)算得到本次實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)司嚯x液晶顯示屏的距離應(yīng)為2 m.

1.3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

依據(jù)調(diào)查結(jié)果[13]，駕駛?cè)丝山邮艿腣MS文字信息量范圍為4～32.字?jǐn)?shù)過(guò)少時(shí)，承載信息較少，不能滿足實(shí)際信息傳遞需求；字?jǐn)?shù)過(guò)多時(shí)，駕駛?cè)私邮艹潭容^低.因此，本次實(shí)驗(yàn)將長(zhǎng)條形VMS文字信息量范圍設(shè)為8～24字.按照每4個(gè)字逐步遞增，共計(jì)五種水平.

實(shí)驗(yàn)中VMS字體大小借鑒靜態(tài)交通標(biāo)志設(shè)計(jì)規(guī)范.當(dāng)版面文字超過(guò)18個(gè)時(shí)，字高為35 cm；低于18字時(shí)，字高為50 cm.文字采用黑體字，高寬比為1∶1.

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)包括駕前問(wèn)卷、預(yù)實(shí)驗(yàn)、正式實(shí)驗(yàn)三部分.首先利用駕前問(wèn)卷調(diào)查完成駕駛?cè)藢傩圆杉私馄渖頎顟B(tài)以及VMS使用經(jīng)歷.

在預(yù)實(shí)驗(yàn)前向駕駛?cè)诵x實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，使其明確實(shí)驗(yàn)流程.預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間約3 min，使駕駛?cè)耸煜?shí)驗(yàn)流程及操作.

正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，駕駛?cè)藢?duì)屏幕顯示的VMS信息進(jìn)行視認(rèn)，視認(rèn)完畢按下鍵盤(pán)指定按鍵，系統(tǒng)記錄為視認(rèn)時(shí)間.隨后，屏幕跳轉(zhuǎn)，顯示與相同VMS信息相關(guān)的客觀問(wèn)題.客觀問(wèn)題圍繞VMS內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，是含有單一正確答案的選擇題.不同文字信息量的VMS版面隨機(jī)顯示，客觀問(wèn)題跟隨對(duì)應(yīng)的VMS成套出現(xiàn).不同VMS之間隨機(jī)出現(xiàn)風(fēng)景圖片以緩解駕駛?cè)艘曈X(jué)疲勞.

1.5 數(shù)據(jù)采集與分析方法

1.5.1變量選取

選取視認(rèn)時(shí)間、理解錯(cuò)誤率反應(yīng)駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性.

1)視認(rèn)時(shí)間為VMS出現(xiàn)到駕駛?cè)藢?duì)版面信息完成認(rèn)讀的時(shí)間，表示駕駛?cè)藢?duì)版面文字的視認(rèn)過(guò)程.視認(rèn)時(shí)間越長(zhǎng)，視認(rèn)難度越大.

2)理解錯(cuò)誤率由客觀問(wèn)題的答案統(tǒng)計(jì)所得，反應(yīng)駕駛?cè)藢?duì)VMS信息理解的準(zhǔn)確性.理解錯(cuò)誤率越低，VMS信息顯示越合理.

1.5.2數(shù)據(jù)分析

對(duì)視認(rèn)時(shí)間及理解錯(cuò)誤率兩項(xiàng)指標(biāo)逐一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷特征指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同文字信息量是否存在顯著性差異，并同步分析各特征指標(biāo)隨著文字信息量變化的變化率，初步獲得不同特征指標(biāo)對(duì)應(yīng)的VMS文字信息量閾值.

1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.6.1視認(rèn)時(shí)間

視認(rèn)時(shí)間及理解錯(cuò)誤率的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2.繪制視認(rèn)時(shí)間和文字信息量的關(guān)系見(jiàn)圖1，駕駛?cè)似骄曊J(rèn)時(shí)間隨文字信息量的增加而增長(zhǎng).由于各文字?jǐn)?shù)量對(duì)應(yīng)的視認(rèn)時(shí)間方差非齊性，故采用Welch’s anova方法對(duì)不同文字信息量下的視認(rèn)時(shí)間進(jìn)行顯著性差異分析.結(jié)果表明，不同文字信息量水平下，視認(rèn)時(shí)間有顯著差異(p<0.01)，且五個(gè)不同的文字?jǐn)?shù)量可分為三個(gè)子集：8字與12字，16字與20字，24字.可見(jiàn)24字水平下，駕駛?cè)诵枰ㄙM(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間用于視認(rèn)可變信息板顯示的信息.

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述

圖1 平均視認(rèn)時(shí)間與文字字?jǐn)?shù)的關(guān)系

1.6.2理解錯(cuò)誤率

圖2為理解錯(cuò)誤率與文字信息量的關(guān)系.當(dāng)文字信息量增加，駕駛?cè)死斫忮e(cuò)誤率升高.文字信息量為8時(shí)，錯(cuò)誤率最低；文字字?jǐn)?shù)為24時(shí)，錯(cuò)誤率最高.利用卡方檢驗(yàn)對(duì)視認(rèn)錯(cuò)誤率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同字?jǐn)?shù)水平下各組視認(rèn)錯(cuò)誤情況有顯著性差異(p<0.01).

圖2 理解錯(cuò)誤率及其變化率與文字信息量的關(guān)系

計(jì)算相鄰兩水平平均視認(rèn)時(shí)間差與文字信息量差的比值，記為視認(rèn)時(shí)間變化率.視認(rèn)時(shí)間變化率表示視認(rèn)時(shí)間隨文字信息增加而變化的速度，視認(rèn)變化率越大，視認(rèn)時(shí)間增長(zhǎng)速度越快，表明文字增長(zhǎng)對(duì)視認(rèn)時(shí)間的影響越大.同時(shí)計(jì)算錯(cuò)誤率增長(zhǎng)率，錯(cuò)誤增長(zhǎng)率越快表明文字增長(zhǎng)對(duì)視認(rèn)難度增大較快.

比較視認(rèn)時(shí)間變化率與錯(cuò)誤率變化率兩指標(biāo)，見(jiàn)圖3.由圖3可知:兩者變化趨勢(shì)一致.在16～20字，視認(rèn)時(shí)間變化率和錯(cuò)誤率變化率均為最低，表明在當(dāng)前的文字水平下，視認(rèn)時(shí)間和視認(rèn)準(zhǔn)確性受文字信息量變化的影響較??；超過(guò)20字后，視認(rèn)時(shí)間增長(zhǎng)率和錯(cuò)誤變化率兩者均達(dá)到最大值，即視認(rèn)時(shí)間和準(zhǔn)確性都受文字信息量變化影響較大.

圖3 視認(rèn)時(shí)間變化率及理解錯(cuò)誤率變化率與文字字?jǐn)?shù)的關(guān)系

綜上所述，當(dāng)文字信息量超過(guò)20字時(shí)，駕駛?cè)艘曊J(rèn)困難，易出現(xiàn)理解錯(cuò)誤，對(duì)駕駛?cè)笋{駛存在較大負(fù)面影響.根據(jù)靜態(tài)視認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，VMS文字信息閾值應(yīng)為20.

2 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)人員

本次共有32名駕駛?cè)送瓿蓪?shí)驗(yàn)測(cè)試.男性駕駛?cè)?0名，女性駕駛?cè)?2名；職業(yè)司機(jī)16人，非職業(yè)駕駛?cè)?6人.駕駛?cè)四挲g在23～59歲(平均值34.94；標(biāo)準(zhǔn)差12.01).所有駕駛?cè)艘暳虺C正后的視力均在4.8以上，且實(shí)際駕駛過(guò)程中均有VMS使用經(jīng)歷.

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及功能見(jiàn)表3.

表3 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圍繞靜態(tài)視認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)圍繞16，20，24三個(gè)文字信息水平開(kāi)展.實(shí)驗(yàn)中VMS版面文字為黑體，版面尺寸為1 m×10 m.字高為25 cm，高寬比為1∶1.實(shí)驗(yàn)道路分為準(zhǔn)備路段和實(shí)驗(yàn)路段兩部分.準(zhǔn)備路段用于駕駛?cè)诉m應(yīng)模擬駕駛車(chē)輛，實(shí)驗(yàn)路段用于駕駛?cè)艘曊J(rèn)和駕駛數(shù)據(jù)采集.道路為雙向六車(chē)道高速公路，道路限速為100 km/h.每條道路場(chǎng)景對(duì)應(yīng)一種VMS文字信息量，每名駕駛?cè)诵桦S機(jī)完成3組場(chǎng)景測(cè)試.

2.4 實(shí)驗(yàn)流程

動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)包括預(yù)實(shí)驗(yàn)和正式實(shí)驗(yàn).利用預(yù)實(shí)驗(yàn)使駕駛?cè)肆私鈱?shí)驗(yàn)流程，熟悉駕駛模擬操作.在正式實(shí)驗(yàn)中，駕駛?cè)税凑照ｑ{車(chē)習(xí)慣駕駛，遵守限速要求，不變換車(chē)道.當(dāng)駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)VMS時(shí)，進(jìn)行第一次鳴笛，表明該時(shí)刻駕駛?cè)碎_(kāi)始對(duì)VMS進(jìn)行視認(rèn)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)；視認(rèn)完成后再次進(jìn)行鳴笛，自動(dòng)記錄視認(rèn)完成時(shí)刻、視認(rèn)完成位置和該時(shí)刻的速度；當(dāng)駕駛?cè)死斫釼MS信息后，又一次進(jìn)行鳴笛，記錄理解完成時(shí)刻、理解完成位置和該時(shí)刻的速度.駕駛?cè)送瓿扇蝿?wù)并駕車(chē)行駛到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡兀M實(shí)驗(yàn)結(jié)束.為防止駕駛?cè)似?，每完成一組駕駛模測(cè)試，休息5 min.

2.5 數(shù)據(jù)采集與分析

2.5.1變量選取

選取視認(rèn)距離、理解距離、視認(rèn)速度、理解速度以及理解時(shí)間反應(yīng)駕駛?cè)说囊曊J(rèn)特性和駕駛行為.其中，視認(rèn)和理解距離分別表示駕駛?cè)嗽谝曊J(rèn)和理解VMS的過(guò)程中車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的距離，距離越大，表明VMS視認(rèn)和理解難度越大；視認(rèn)和理解速度指駕駛?cè)送瓿梢曊J(rèn)和理解VMS信息時(shí)對(duì)應(yīng)的速度，速度越小，表明VMS信息對(duì)駕駛?cè)丝刂扑俣鹊挠绊懺酱?；理解時(shí)間代表理解信息的速度，理解時(shí)間越長(zhǎng)，文字信息理解難度越大.

2.5.2數(shù)據(jù)分析

為更加科學(xué)地驗(yàn)證VMS文字信息閾值，需綜合評(píng)估不同VMS文字?jǐn)?shù)量對(duì)駕駛?cè)艘曈X(jué)特性和駕駛?cè)诵袨樘匦缘挠绊?本文利用基于熵權(quán)法的TOPSIS對(duì)視認(rèn)距離、視認(rèn)速度、理解距離、理解速度和理解時(shí)間五指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).熵權(quán)法是一種利用信息熵原理對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行客觀計(jì)算的方法[14].TOPSIS法通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序，是一種綜合性評(píng)價(jià)方法[15].

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)不同VMS文字字?jǐn)?shù)水平下的視認(rèn)過(guò)程和理解過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各特征指標(biāo)均值見(jiàn)表4.不同文字?jǐn)?shù)量對(duì)視認(rèn)和理解過(guò)程存在一定影響，但是影響程度較小.

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

利用熵權(quán)法對(duì)各個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算.在本實(shí)驗(yàn)中，視認(rèn)距離、理解距離、理解時(shí)間越大，表示長(zhǎng)條形VMS的文字信息量對(duì)駕駛?cè)艘曊J(rèn)行為產(chǎn)生負(fù)面影響；視認(rèn)速度和理解速度越大，表明VMS對(duì)駕駛?cè)怂俣瓤刂朴绊戄^小.分別對(duì)各特征指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算信息熵權(quán)值

Ej=(-0.33,-0.18,-0.69,-0.47,-0.57)

計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

Wj=(0.18,0.16,0.23,0.20,0.22)

在計(jì)算權(quán)重的過(guò)程中，五個(gè)特征指標(biāo)所占權(quán)重較為平均，均占0.2左右，其中權(quán)重最大的是理解距離，其值為0.23.

利用TOPSIS法計(jì)算各水平的綜合評(píng)價(jià)值，其中最優(yōu)方案Z+和最劣方案Z-為

Z+=(0.67,0.59,0.60,0.59,0.81)

Z-=(0.55,0.55,0.56,0.55,0.00)

最終計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 TOPSIS計(jì)算結(jié)果

由表5可知:隨著文字信息量增大，綜合評(píng)價(jià)值減小，其中當(dāng)字?jǐn)?shù)為24字時(shí)，其綜合評(píng)價(jià)值最小.因此，動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，VMS文字信息閾值應(yīng)為20字.

3 結(jié) 論

1)靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)條形VMS文字信息量對(duì)駕駛?cè)艘曊J(rèn)時(shí)間及理解錯(cuò)誤率均有顯著影響，文字信息量不宜超過(guò)20字.

2)動(dòng)態(tài)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，綜合分析確定VMS文字信息閾值應(yīng)為20字.

文中研究確定了長(zhǎng)條形VMS的文字信息閾值，有助于完善VMS設(shè)計(jì)規(guī)范和使用標(biāo)準(zhǔn)。論文研究結(jié)論基于小樣本靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)獲得，一定程度上反應(yīng)了不同VMS文字字?jǐn)?shù)下駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性的變化趨勢(shì)，還需要通過(guò)更大樣本實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以提高研究結(jié)論的可靠性.同時(shí)，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中駕駛?cè)说囊暰€高均為度固定值，需要進(jìn)一步驗(yàn)證視線高度對(duì)視認(rèn)效果的影響.另外，由于不同國(guó)家的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)和文字表述等存在較大差異，不同國(guó)家所使用的VMS文字信息閾值的差別，還有待進(jìn)一步研究.