高速公路指路標(biāo)志對駕駛?cè)藢叫袨橛绊懙膶?shí)證研究

楊艷群, 姚羽珊, 黃勤威, 鄭新夷

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福州 350116; 2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 福州 350004;3.福州大學(xué)人文社會(huì)科學(xué)學(xué)院, 福州 350116)

0 引言

高速公路互通區(qū)和出入口是車輛轉(zhuǎn)換行車方向的節(jié)點(diǎn)，通過匝道與其他道路相通，對交通流進(jìn)行控制和保證交通安全. 其中，指路標(biāo)志為車輛實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)換起著指引、導(dǎo)向等作用，其辨識性、可讀性等特征對互通區(qū)和出入口交通安全有著直接影響. 國內(nèi)外的研究成果表明，高速公路互通區(qū)指路標(biāo)志設(shè)置不合理直接影響標(biāo)志的視認(rèn)性,增加駕駛?cè)苏J(rèn)知難度,使行駛車輛產(chǎn)生速度差,容易導(dǎo)致交通事故發(fā)生[1-5].

駕駛?cè)嗽诼肪W(wǎng)中駛向其出行目的地的過程中，在路網(wǎng)互通區(qū)和出入口等方向轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，通過對指路標(biāo)志的認(rèn)知對駕駛行為進(jìn)行決策，其認(rèn)知行為是一個(gè)基于路網(wǎng)內(nèi)所有指路標(biāo)志的尋徑過程，是有方向、有目的的行為過程[6]. 影響尋徑行為的因素有很多，指路標(biāo)志是其中一個(gè)關(guān)鍵因素. 指路標(biāo)志如何為駕駛?cè)颂峁Q策信息至關(guān)重要，并影響其在相關(guān)路段的駕駛行為，如轉(zhuǎn)換車道、降速等；不合理的指路標(biāo)志將增加駕駛?cè)说囊曊J(rèn)負(fù)擔(dān)，無法對駕駛?cè)似鸬接行У闹甘咀饔?，?yán)重影響交通安全，特別是對路網(wǎng)不熟悉或者駕駛經(jīng)驗(yàn)不足的駕駛?cè)?

國內(nèi)外學(xué)者采用不同研究方法，對指路標(biāo)志的設(shè)計(jì)要素[7-19]、辨識性[20-23]等進(jìn)行了研究，為指路標(biāo)志提供了量化可操作性的設(shè)置方法. 目前的研究成果中，基于駕駛?cè)顺鲂墟溨袑χ嘎窐?biāo)志的認(rèn)知研究成果較為少見，指路信息在路網(wǎng)中的連續(xù)性的研究成果也較少. 尋徑行為有較多研究成果，但大多集中在空間感知、建筑區(qū)域、兒童等領(lǐng)域[24-26]，指路標(biāo)志對高速公路尋徑行為影響的成果較少.

由于我國的高速公路多為分期、分段建設(shè)，重合路段多，不同時(shí)期的高速公路指路標(biāo)志更新不及時(shí)或未系統(tǒng)性考慮，導(dǎo)致互通區(qū)和出入口指路標(biāo)志信息繁雜，特別是繞城高速公路指地指路信息混雜. 駕駛?cè)嗽谖唇?jīng)過系統(tǒng)設(shè)置的指路標(biāo)志信息指引下，經(jīng)常出現(xiàn)停車辨識、認(rèn)錯(cuò)路或多走路現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致事故. 本文研究目的是通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)，在多條高速公路組成的環(huán)境中，分析駕駛?cè)藢竭^程中對指路信息的需求與加工過程，為指路標(biāo)志的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 參數(shù)選取

本次實(shí)驗(yàn)采用實(shí)車駕駛模式，采集駕駛?cè)嗽趶?fù)雜路網(wǎng)條件下的駕駛?cè)说难蹌?dòng)、生理指標(biāo)、路徑選擇以及行車特性. 研究觀測變量為駕駛?cè)说淖⒁朁c(diǎn)、瞳孔直徑、心率增長率、肌電、皮電以及制動(dòng)行為和變道行為.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

實(shí)驗(yàn)車輛：本次實(shí)驗(yàn)配備4名工作人員(非被試)，負(fù)責(zé)對被試進(jìn)行指導(dǎo)以及操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備，保證實(shí)驗(yàn)有效進(jìn)行. 實(shí)驗(yàn)使用7座自動(dòng)擋商務(wù)轎車，以保證有足夠的空間存放設(shè)備和安排實(shí)驗(yàn)人員.

實(shí)驗(yàn)儀器：ErgoLAB人機(jī)環(huán)同步平臺、EDA皮電傳感器、脈搏傳感器PPG、肌電傳感器EMG、TobiiX2-60眼動(dòng)儀及數(shù)據(jù)盒以及蓄電池、逆變電源、顯示屏、場景攝像頭、行為攝像頭、GPS測速儀.

1.2.2 被試

試驗(yàn)共招募15名男性被試，年齡22～35歲之間，矯正后視力均能達(dá)到1.0以上，均為右利手，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天所有被試身體狀況良好. 并且所有被試實(shí)驗(yàn)之前均未行駛過試驗(yàn)路段，但有一定的高速行駛經(jīng)驗(yàn)，能合理理解指示路標(biāo)上提供的信息.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)路段

試驗(yàn)選用的交通網(wǎng)絡(luò)路段為福銀高速閩侯竹岐互通至沈海高速長樂營前互通之間的高速公路及其連接線. 具體行車線路由駕駛?cè)俗孕袥Q定.

1.2.4 實(shí)驗(yàn)流程

1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)車實(shí)驗(yàn)開始前告知被試此次駕駛?cè)蝿?wù)的目的地——沈海高速長樂營前互通，同時(shí)將可行的線路方案告知被試，由被試在實(shí)驗(yàn)開始前自行規(guī)劃路線方案以及所經(jīng)過的控制節(jié)點(diǎn). 同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員確認(rèn)所有隨車儀器(眼動(dòng)儀和生理儀器)能保證正常運(yùn)行.

2)實(shí)驗(yàn)階段

準(zhǔn)備就緒后實(shí)驗(yàn)開始. 被試從G70福銀高速閩侯互通開始行駛，根據(jù)自行規(guī)劃的路線以及高速公路指路標(biāo)志的提示，到達(dá)目的地沈海高速營前互通(長樂)，全程約56 km. 被試駕駛期間在不影響駕駛行為前提下工作人員對其車速、眼動(dòng)、心電、皮膚電以及肌電等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如圖1所示. 當(dāng)駕駛?cè)笋偝鲩L樂營前互通出口后，實(shí)驗(yàn)完成.

圖1 實(shí)驗(yàn)階段

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 目的地及控制點(diǎn)信息的影響

在試驗(yàn)路網(wǎng)中，以每個(gè)互通的第1塊指路標(biāo)志作為觀測對象，根據(jù)觀測過程中的信息反饋，剔除受到外界干擾且與實(shí)驗(yàn)無關(guān)的數(shù)據(jù). 此次實(shí)驗(yàn)共采集數(shù)據(jù)126組，剔除7組受交通量等因素干擾的無效數(shù)據(jù)，得到119組有效數(shù)據(jù). 將119組有效數(shù)據(jù)分為3類：第1類有24組，為直接提供目的地位置信息的指路標(biāo)志；第2類有69組，為含有控制節(jié)點(diǎn)或相關(guān)位置信息的指路標(biāo)志；第3類有26組，為既無目的地也無相關(guān)控制節(jié)點(diǎn)信息的標(biāo)志. 實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果顯示不同的標(biāo)志板面信息對駕駛?cè)说男穆试鲩L率、瞳孔直徑放大率、EDA漸變信號振幅增長率及肌電信號振幅增長率等有顯著影響，故選擇這4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析.

2.1.1 生理分析

3種不同類型的標(biāo)志下駕駛?cè)?種生理因素的直方圖如圖2～5.

圖2 3類標(biāo)志影響下駕駛?cè)思‰娦盘栒穹鲩L率直方圖

圖3 3類標(biāo)志影響下駕駛?cè)薊DA漸變信號振幅增長率直方圖

圖4 3類標(biāo)志影響下駕駛?cè)送字睆皆鲩L率直方圖

圖5 3類標(biāo)志影響下駕駛?cè)诵穆试鲩L率直方圖

從圖5中得出，相比于其他3個(gè)肌電信號振幅增長率的正態(tài)性并不顯著，而駕駛?cè)诵穆试鲩L率、瞳孔直徑放大率、EDA漸變信號振幅增長率在3種指路標(biāo)志的作用下基本上呈正態(tài)分布.

為了對3種指路標(biāo)志作用下駕駛?cè)诵穆试鲩L率、瞳孔直徑放大率、EDA漸變信號振幅增長率的影響情況進(jìn)行探究，對以上3個(gè)生理指標(biāo)的均值差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，建立原假設(shè)如下：

H0:μa=μb=μc

(1)

式中a、b、c分別代表上述3種類型的指路標(biāo)志.

表1 心率增長率方差分析表

表2 EDA漸變信號振幅增長率方差分析表

在對樣本使用stata軟件進(jìn)行分析之后(α=0.0)，由表1結(jié)果可知：F=59.61>F0.05(2,116)=3.079，故拒絕假設(shè)H0. 說明駕駛?cè)说男穆试鲩L率在3種類型的指路標(biāo)志的影響下差異顯著. 根據(jù)Bonferroni統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果顯示：前2類(p=0.139>0.005)指路標(biāo)志影響下駕駛?cè)说男穆试鲩L率差異性不顯著，而駕駛?cè)说男穆试鲩L率在第3類(p<0.005)指路標(biāo)志的影響下差異明顯大于前兩類. 說明駕駛?cè)嗽诟咚俟穼竭^程中，指路標(biāo)志含有目的地位置信息或僅含有控制點(diǎn)信息對駕駛?cè)说男穆试鲩L率影響不大，但當(dāng)2種信息都不能提供時(shí)，駕駛?cè)嗽趯竭^程中無法及時(shí)獲取有效信息，以至于心率波動(dòng)幅度更大.

表3 瞳孔直徑放大率方差分析表

表4 心率增長率Bonferroni統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表

表5 EDA漸變信號振幅增長率Bonferroni統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表

表6 瞳孔直徑放大率Bonferroni統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表

同理，駕駛?cè)嗽趯竭^程中，面對3種類別的指路標(biāo)志，EDA漸變信號振幅增長率從第1類到第3類遞增，差別顯著；在面對第1類和第2類指路標(biāo)志時(shí)下，駕駛?cè)说耐字睆椒糯舐瘦^小，而面對第3類指路標(biāo)志時(shí)，駕駛?cè)说耐字睆椒糯舐时惹?類都要大. 同時(shí)對肌電信號振幅增長率的均值差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)增長率無顯著差異.

從表7的對比結(jié)果可看出，高速公路指路標(biāo)志能否為駕駛?cè)颂峁┖信c目的地有關(guān)的信息對其在行車過程中的多項(xiàng)生理指標(biāo)有較大的影響.

表7 3類指路標(biāo)志的差異顯著性表

2.1.2 車速分析

在試驗(yàn)路網(wǎng)中，選取上述3類指路標(biāo)志進(jìn)行分析，分別為第1類的祥謙互通、第2類的白龍樞紐、第3類的黃石互通，在選取指路標(biāo)志時(shí)選擇互通中出現(xiàn)的第 1塊標(biāo)志. 根據(jù)張伯明等人提出的指路標(biāo)志版面設(shè)計(jì)內(nèi)容與車速、視認(rèn)距離等之間的關(guān)系[27]，選取所研究的標(biāo)志前180、150、120、90、60、30 m 6個(gè)節(jié)點(diǎn)，測量車輛的平均瞬時(shí)車速. 如圖6所示.

圖6 3類互通6個(gè)節(jié)點(diǎn)駕駛?cè)塑囁僮兓闆r

從圖6可看出，當(dāng)駕駛?cè)嗽跇?biāo)志牌上能獲得期望信息時(shí)，剛開始視認(rèn)的過程中車速相對降低，視認(rèn)結(jié)束后車速開始回升. 而當(dāng)駕駛?cè)藷o法獲取期望信息時(shí)，車速開始降低并且沒有回升. 由此可見，駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中，及時(shí)地提供期望信息有助于順利行車，有無期望的信息對駕駛行為有一定的影響.

2.2 指路標(biāo)志地名信息連續(xù)性的影響

2.2.1 路段選取

高速公路上指路信息的連續(xù)性對駕駛?cè)诵熊囉泻艽蟮挠绊?，信息連續(xù)可給駕駛?cè)藥矸e極影響，反之則會(huì)產(chǎn)生消極影響. 在白龍樞紐中，2、3、7、9、12、13號6位被試選擇了福州西方向直行的路徑，依次經(jīng)過南嶼、祥謙、青口、黃石樞紐. 上述的5個(gè)節(jié)點(diǎn)中，其中2個(gè)(祥謙和南嶼)指路標(biāo)志上注明了目的地“長樂”的方向，其余3個(gè)則無任何目的地信息的提示.

設(shè)置4組對照組，兩兩相鄰樞紐互通為1個(gè)對照組. 而4個(gè)對照組指路信息分別存在連續(xù)與不連續(xù)的情況：白龍樞紐到南嶼樞紐(無→有)、南嶼樞紐到祥謙互通(有→有)、祥謙互通到青口樞紐(有→無)、青口互通到黃石互通(無→無).

2.2.2 駕駛注視區(qū)

行車過程中駕駛?cè)说淖⒁朁c(diǎn)并不是集中的，會(huì)根據(jù)駕駛習(xí)慣、興趣和位移分布在各個(gè)區(qū)域，通過對被試在行車過程中注視點(diǎn)的分布情況進(jìn)行分析，研究駕駛?cè)说淖⒁朁c(diǎn)分布是否與期望信息的出現(xiàn)及時(shí)是否連續(xù)有關(guān).

1)動(dòng)態(tài)興趣區(qū)域

根據(jù)不同標(biāo)志所在的時(shí)間點(diǎn)段不同，通過ErgoLAB人機(jī)環(huán)同步平臺分析軟件建立動(dòng)態(tài)駕駛興趣區(qū). 這個(gè)軟件利用視頻中關(guān)鍵幀來闡述駕駛興趣區(qū)的樣式和變化，同時(shí)創(chuàng)建AOI的樣式和坐標(biāo). 系統(tǒng)會(huì)在每兩個(gè)關(guān)鍵幀之間自動(dòng)填充AOI，AOI在每 2個(gè)關(guān)鍵幀之間都呈線性變化(包括其大小、位置和角度)[28]. 根據(jù)路標(biāo)，通過ErgoLAB人機(jī)環(huán)同步平臺分析軟件建立如圖7所示的動(dòng)態(tài)興趣區(qū)，將其命名為“被試編號—互通—指路標(biāo)志”.

圖7 標(biāo)志牌和道路動(dòng)態(tài)興趣區(qū)劃分

2)注視點(diǎn)分布

圖8、圖9以祥謙和青口樞紐為例，分別為6名被試在試驗(yàn)過程中得到的對第1塊指路標(biāo)志的版面信息的注視點(diǎn)疊加分布圖.

圖8 祥謙樞紐駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布情況

圖9 青口樞紐駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布情況

從表8可得到以下規(guī)律：

1)在被試在視認(rèn)指路標(biāo)志時(shí)，其注視點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)少于掃視點(diǎn). 這可看出，駕駛?cè)嗽趯ふ抑嘎窐?biāo)志信息時(shí)是通過掃視的方式. 而注視點(diǎn)出現(xiàn)在目的地“長樂”上. 這說明駕駛?cè)藭?huì)首先通過掃視來尋找目的地，期望得到目標(biāo)信息，當(dāng)尋找到目的地后，駕駛?cè)藭?huì)以注視的方式，停留在該信息上.

2)注視點(diǎn)的個(gè)數(shù)和分布與期望信息的存在有關(guān). 在出現(xiàn)目的地信息“長樂”的南嶼和祥謙，駕駛?cè)俗⒁朁c(diǎn)分布更多的集中在前方道路中，說明在尋找期望信息上不需要駕駛?cè)嘶ㄙM(fèi)太多的注意力. 而未出現(xiàn)目的地信息的互通則注視點(diǎn)更多的分布在標(biāo)志牌上，特別是在信息不連續(xù)時(shí)(祥謙到青口)，注視點(diǎn)分布的變化更是明顯，說明駕駛?cè)嗽谶@些互通中視認(rèn)和尋找期望信息花費(fèi)了更多的注意力. 在最后的黃石互通，指示路標(biāo)上同時(shí)出現(xiàn)了“福州”“機(jī)場”2個(gè)指向(都與長樂有關(guān))，此時(shí)被試對標(biāo)志牌的注視點(diǎn)比例上升到了71.4%，這說明不明確的信息會(huì)給駕駛?cè)嗽黾右曊J(rèn)難度，從而需要更多的注意力和判斷力來對前方路徑進(jìn)行確認(rèn).

表8 駕駛?cè)嗽诨ネǖ呐d趣區(qū)注視點(diǎn)及掃視點(diǎn)分布情況

3 結(jié)束語

1)3類互通區(qū)指路標(biāo)志中，即標(biāo)志版面上明確提供目的地位置信息、有控制點(diǎn)信息、無目的地也沒有控制點(diǎn)信息的指路標(biāo)志，能否為駕駛?cè)颂峁┖信c目的地有關(guān)的信息對其在行車過程中的多項(xiàng)生理指標(biāo)有較大的影響

2)駕駛?cè)嗽诟咚俟穼竭^程中，會(huì)重點(diǎn)尋找與駕駛目的地有關(guān)的期望信息. 期望信息的出現(xiàn)與否對他們的尋徑狀態(tài)、尋徑過程、尋徑結(jié)果以及車速具有較大影響.