行人過街風格多參數(shù)融合識別

彭金栓，趙劉昌，楊歡歡

(重慶交通大學，交通運輸學院，重慶 400074）

0 引言

行人是城市交通系統(tǒng)的重要構成部分，是交通參與者中的弱勢群體，全球1/3 的交通事故與行人有關[1]。行人過街作為慢行交通的重要研究內(nèi)容，可以為過街設施的設計及優(yōu)化，車路沖突形成與消散機理等提供重要的理論支撐。針對行人過街行為特性研究，國內(nèi)外已有較多成果。眾多學者研究行人進入交叉口不同階段的過街速度與心理特征，行人在綠燈亮起后，不同階段進入交叉口的過街速度存在顯著差異[2]，綠燈階段進入交叉口的行人過街速度隨時間推移而增大[3]，而在綠燈閃爍階段進入交叉口的行人通常表現(xiàn)得更匆忙，進入交叉口后速度又顯著減小[4]。因此，信號燈所處不同階段對過街行人進入交叉口后的行為具有重要影響?？紤]到行人過街行為具有異質(zhì)性，為了更科學合理地研究行人過街行為特性，需要結合過街特性對行人進行更加細致的劃分。CHOI 等[5]指出老年行人相比年輕行人過街的啟動延時更短，穿越階段老年行人較少回頭，且老年行人對駛近車輛距離估計可靠性較差。BIASSONI等[6]通過觀察交叉口人行橫道情景圖發(fā)現(xiàn)，成年人過街時對視野中不同興趣區(qū)域掃視次數(shù)更多，注視時間更長。JIANG 等[7]使用掃視次數(shù)比衡量行人對交通環(huán)境的警覺性，通過注視時間等參數(shù)評估行人過街時在不同興趣區(qū)域的注意力分布及視覺維持情況。NICHOLLS等[8]通過分析行人注視次數(shù)，研究得出：兒童過街時更傾向于關注人行橫道及其附近區(qū)域，成年人注視集中分布于較遠的車輛行駛區(qū)域。丁袁等[9]通過眨眼次數(shù)、掃視和注視時間分析行人在有無信號控制路口的視負荷、視覺受壓迫程度與興趣區(qū)域，結果顯示，在無信號控制路口行人的視負荷更大，并且對機動車關注更多。PAPADIMITRIOU 等[10]研究指出，男性行人違章率大于女性，且成年行人的違章率比老年行人更高。

綜上，已有相關研究主要結合速度、生理及心理等單一因素對行人的過街行為進行研究，存在以下兩個方面的缺失：缺乏影響因素之間的耦合分析，不利于對行人過街行為進行深度解析；行為特征分析尚未上升到風格識別層面，無法為行人的過街行為提供系統(tǒng)性和綜合性的評價結果。本文考慮心理臨界過街狀態(tài)下，行人進入交叉口的過街心理和行為特性，對行人風險感知因子與臨界安全系數(shù)進行聚類，得到行人過街風格，并討論其過街成功率。為提高行人過街安全、效率及過街設施的設計優(yōu)化等提供重要的理論支持。

1 試驗

1.1 試驗地點

將重慶市南岸區(qū)回龍路與雙龍路有完整倒計時顯示的信號控制交叉口作為本次試驗地點，選取該交叉口原因如下：(1)平峰時段行人過街時受其他過街行人影響較小，可盡量避免試驗被試者在執(zhí)行過街任務時與其他同行行人產(chǎn)生自組織現(xiàn)象[11]；(2)通過離線的視頻觀測，行人綠燈信號周期能滿足85%的行人順利完成過街任務；(3)交叉口的人行橫道長度能保證被試者在執(zhí)行過街任務時眼動等行為數(shù)據(jù)的樣本量滿足研究需求。

試驗數(shù)據(jù)采集時間為工作日9:00-11:00 和14:00-18:00。平峰時段行人信號周期為91 s，綠燈時長27 s，紅燈時長64 s。試驗交叉口人行橫道有效長度為26.4 m。

1.2 被試樣本

在試驗交叉口現(xiàn)場隨機招募行人作為被試者，保證被試者身體健康狀況良好，且視聽覺系統(tǒng)均正常。試驗共招募282 位被試者，結合眼動儀第1 視角記錄的視頻與固定機位拍攝的試驗視頻，篩選被試者過街時附近行人密度，選取被試者過街密度≤3 人·m-2的樣本納入研究范圍[12]，最終得到研究樣本81個，其中，男性45人，女性36人。被試者平均年齡為33.69 歲，其中，少年([10,18)歲)26 人，中青年([18,60)歲)35人，老年([60,75]歲)20人。

1.3 試驗設備

試驗采用Tobii Glasses 2 可穿戴式眼動儀，采樣頻率50 Hz。該設備輕便小巧，佩戴舒適度高。由于行人具有高自由度和寬闊視野范圍，佩戴該設備可精確追蹤行人注視和掃視等眼動行為。采用SONY HDR-PJ820圖像采集設備，通過回放圖像確定被試者過街時間及過街狀態(tài)等，為后期試驗數(shù)據(jù)分析及處理提供支持。

1.4 試驗組織

(1)試驗設計

試驗包含兩次過街過程：第1 次為正常過街，待綠燈亮起后，行人按照自己正常反應和習慣完成過街，完成首次過街后，行人自行返回試驗起點，并等待綠燈亮起后的第2 次過街；與第1 次過街的不同在于，試驗組織人員需告知被試者選擇心理認知中能保證自己安全過街的最遲時刻作為此次過街的起始時間；待第2 次過街完成后，被試者在保證安全的前提下回到試驗起點，并完成人口學問卷的相關調(diào)查，兩次過街過程完成。本文將行人第1次過街記為自由過街狀態(tài)(Free Crossing State，F(xiàn)CS)，第2 次過街記為心理臨界過街狀態(tài)(Psychological Critical Crossing State，PCCS)。試驗設計如圖1所示。

圖1 試驗設計Fig.1 Experiment design

(2)興趣區(qū)域劃分

注視區(qū)域的合理劃分有助于快速和有效地將注視點沿點、線及面依次展開，從而精確提取行人過街的視覺搜索規(guī)律。行人在過街時需要關注車輛、非機動車及行人等多種目標，以獲取足夠的環(huán)境信息，保證過街安全及通行效率。通過回看眼動視頻，將行人過街興趣區(qū)域(Area Of Interest，AOI)劃分為4 類：車行區(qū)域(Car Area，CA)、信號燈區(qū)域(Signal Area，SA)、行人區(qū)域(Pedestrian Area，PA)及人行橫道區(qū)域(Zebra Crossing Area，ZCA)，如圖2所示。

圖2 興趣區(qū)域Fig.2 AOI

2 過街行為特性與參數(shù)耦合

2.1 過街速度

為研究不同過街狀態(tài)下行人過街行為特性，對被試者樣本的過街速度進行統(tǒng)計分析，結果如表1和圖3所示。

表1 不同狀態(tài)過街速度統(tǒng)計結果Table 1 Statistical results of crossing speed in different crossing states

相較于FCS，PCCS 下過街速度與標準差更大。進一步對不同過街狀態(tài)速度進行配對樣本t檢驗，結果顯示：不同過街狀態(tài)對行人過街速度具有顯著影響(P=0＜0.05)，由于PCCS 下過街時間更為緊迫，導致過街時被試者的風險感受增加，行人為盡快到達安全區(qū)域，通常會加快步伐以彌補時間上的不足，導致PPCS下過街速度顯著大于FCS。

不同年齡人的性格、反應力及判斷力均有所差異，年長者由于身體機能逐步退化，心理和生理各方面素質(zhì)會出現(xiàn)增齡性衰退，文獻[13]表明，年長者的反應時間較年幼者更長，中年人在認知和判斷等方面更為成熟穩(wěn)重，青少年活潑好動，反應速度相對較快。分析不同過街狀態(tài)下，不同年齡行人過街速度差異，結果如圖3(b)所示。中青年過街速度(PCCS 中M=1.638 m·s-1，SD=0.100 m·s-1；FCS中M=1.414 m·s-1，SD=0.115 m·s-1)略高于少年(PCCS 中M=1.621 m·s-1，SD=0.146 m·s-1；FCS中M=1.398 m·s-1，SD=0.138 m·s-1)，且顯著高于老年(PCCS 中M=1.301 m·s-1，SD=0.207 m·s-1；FCS 中M=1.293 m·s-1，SD=0.105 m·s-1)，其中，M為均值，SD 為標準差。少年行人在兩種過街狀態(tài)下的過街速度分布均較為離散，原因可能是少年行人心智發(fā)育尚未成熟，導致個體間差異較大；中青年行人在兩種過街狀態(tài)下的速度分布均較為穩(wěn)定；老年行人過街速度在各年齡段中最低。分析兩種過街狀態(tài)下不同年齡行人過街速度，發(fā)現(xiàn)不同年齡行人在PCCS (P=0＜0.05) 和FCS(P=0.002＜0.05)過街速度均有顯著性差異。

圖3 過街速度分布Fig.3 Crossing speed distribution

2.2 心理臨界時窗

法國哲學家柏格森[14]提出空間時間與心理時間概念，將通過鐘表度量的時間稱為空間時間或客觀時間，將通過個人直覺感受的時間稱為心理時間或主觀時間。人在進入意識深處時，心理時間相對空間時間更具度量意義。本文定義的心理臨界時窗(Psychological Critical Time Window,PCTW)是基于心理時間和臨界過街狀態(tài)提出的行人依據(jù)自我心理認知和體能水平評估自身完成過街任務所需的時間長度，具體表現(xiàn)為行人在PCCS 下過街時刻綠燈剩余時間。

分析不同年齡行人的PCTW，少年(M=16.83 s，SD=2.62 s)和中青年(M=16.41 s，SD=2.78 s)PCTW 接近，均低于老年行人(M=21.51 s，SD=3.13 s)。對不同年齡PCTW進行獨立樣本t檢驗，結果顯示年齡對PCTW 具有顯著性影響(P=0＜0.05)，即老年行人普遍認為自身需要比年輕行人預留更多的時間，保證過街安全，反映出老年行人為彌補自身身體機能衰退而采取提高PCTW這一補償行為的過街策略，結果如圖4所示。

圖4 不同年齡心理臨界時窗分布Fig.4 Psychological critical time window distribution for different ages

2.3 心理臨界時窗與過街速度耦合

統(tǒng)計各被試者心理臨界時窗和平均過街速度的關系，結果如圖5所示。

圖5 心理臨界時窗對過街速度的影響Fig.5 Effect of psychological critical time window on crossing speed

隨著PCTW 增加，行人過街速度呈下降趨勢。相比線形擬合，ExpDec2擬合曲線的擬合效果相對較好，其切線L1與之交于Q點，Q點對應的PCTW為19 s，當PCTW 大于該值時，過街速度下降幅度加快；當PCTW較大時，行人過街時間充裕，緊迫感降低，過街速度隨之下降。

2.4 心理臨界時窗與注視概率耦合

為探究行人過街時，對不同區(qū)域的關注度，引入注視概率指標。本文定義的注視概率指行人執(zhí)行過街任務時，對某定義區(qū)域(例如SA和CA等)的注視時間占總注視時間的比值，對不同興趣區(qū)域的注視概率可反映行人的風險意識。行人對CA/SA注視概率與PCTW的關系如圖6所示。

圖6 心理臨界時窗對注視概率的影響Fig.6 Effect of psychological critical time window on fixation probability

隨著PCTW 增大，行人對CA 注視概率總體呈上升趨勢，對SA 注視概率總體呈下降趨勢。PCTW 越小，意味著行人完成過街任務越緊迫，為保證在綠燈周期內(nèi)順利過街，行人會加大對SA 的注視強度。反復確認綠燈剩余時間是否充足，而減少了對CA 的關注時間。相反地，隨著PCTW 不斷增大，行人過街緊迫性亦隨之降低，對SA關注時間逐漸減少，同時，將更多視覺資源轉移至CA。分別對PCTW 與CA 及SA 注視概率進行數(shù)據(jù)擬合，結果顯示：兩兩因素間均具有較好線性關系(CA 中P=0＜0.05，SA中P=0＜0.05)。

3 過街風格識別

參考文獻[15]駕駛風格的相關概念，本文定義過街風格是考慮行人視覺搜索、決策質(zhì)量以及運動能力等多維特征，綜合度量行人過街行為謹慎程度，將行人風格分為謹慎型、普通型和冒險型。過街風格識別作為現(xiàn)代慢行交通行人特征評估的一部分，可以為過街設施的設計與優(yōu)化提供必要的理論支撐。本文融合視覺、運動特性及決策心理等多源參數(shù)識別行人過街風格?？紤]FCS 和PCCS 兩種狀態(tài)下行人的特征差異，重點遴選PCCS 下的特征參數(shù)融合辨識行人的過街風格。

3.1 指標選取

3.1.1 風險感知因子

行人過街時，對興趣區(qū)域的關注度差異與不同行人的心理及生理特點有關[16]。依據(jù)劃分的興趣區(qū)域，提取對行人過街安全影響較大的CA及SA注視概率，將其作為PCCS 下衡量行人風險感知態(tài)勢的參數(shù)。本文引入風險感知因子(Risk Perception Factors，RPF)概念描述過街過程中行人對關鍵興趣區(qū)域的關注強度和風險感知能力，定義為

式中：PCA為車行區(qū)域注視概率；PSA為信號燈區(qū)域注視概率；TCA為車行區(qū)域注視時間；TSA為信號燈區(qū)域注視時間；TPA為行人區(qū)域注視時間；TZCA為人行橫道區(qū)域注視時間。當行人對CA 或SA 注視概率較大時，RPF 則越大，表明行人在過街過程中對關鍵目標的視覺搜索效率越高，對潛在危險的感知能力更強。

3.1.2 臨界安全系數(shù)

PCTW 反映行人過街時間的緊迫程度，PCTW越大，且過街速度越快時，過街成功率則越高。基于此，引入臨界安全系數(shù)(Criticality Safety Factor，CSF)指標評估行人過街的安全性，定義為

式中：SCSF為臨界安全系數(shù)；為行人過街平均速度(m·s-1)；Tpc為心理臨界時窗(s)；L為人行橫道長度(m)。由定義可知，臨界安全系數(shù)融合自我評估和運動能力兩個維度，協(xié)同評價行人過街的安全性和過街成功率。SCSF≥1 時，表明行人理論上可以在綠燈周期內(nèi)安全過街；當0＜SCSF＜1，則意味著綜合行人的自我評估和運動能力特征存在時間違章的風險。

3.2 K-Means聚類分析

本文結合RPF 和CSF 兩項指標對行人過街性格進行離線識別，其中，RPF 表征行人的風險感知能力，CSF 重點刻畫行人自我評估能力與運動能力。為消除兩項指標量級差異過大對識別結果造成的消極影響，分別對RPF 和CSF 進行0-1 標準化處理，將處理后的數(shù)據(jù)導入SPSS 中進行K-Means聚類分析。結果表明，RPF 和CSF 作為聚類參數(shù)均具有顯著差異(RRPF中P=0＜0.05，SCSF中P=0＜0.05)，該聚類模型對行人過街風格區(qū)分度較高。其中，冒險型行人占比28.40%，普通型行人占比39.50%，謹慎型行人占比32.10%，分類結果如圖7所示。

圖7 聚類結果Fig.7 K-Means clustering results

冒險型位于分布的左下側，具有較小的RRPF與SCSF，意味著冒險型行人過街時風險感知能力較差且時間違章的風險較高；謹慎型位于分布的右上側，具有較高的RRPF與SCSF，即謹慎型行人過街時風險感知能力較好，過街環(huán)境搜索效率高，同時，其過街違章風險較低；普通型行人介于兩者之間。

基于聚類結果分析年齡和性別對過街風格的影響。少年謹慎型風格行人占比最大(38.46%)，其次是普通型(38.5%)和冒險型(26.92%)；中青年普通型風格占比超一半(51.4%)；老年行人中占比最大為謹慎型(40%)，其次是冒險型(35%)和普通型(25%)，表明老年行人過街行為區(qū)別于另外兩個群體，分化更為嚴重。其中，謹慎型老年人伴隨身體機能的下降，往往采取更為穩(wěn)妥和謹慎的視覺搜索方式和過街策略，冒險型老年人在PCCS 下過街速度有所提高，但對周圍環(huán)境的視覺搜索能力有所下降。女性行人中，冒險型風格比例較男性大，同時，謹慎型風格占比也更少，因此，女性在過街時的性格表現(xiàn)比男性更加冒險。過街風格分布如圖8所示。

圖8 過街風格分布Fig.8 Distribution of crossing style

3.3 行人過街成功率

統(tǒng)計PCCS 下行人能否在綠閃信號結束前順利完成過街。結合行人風格分類結果，分析不同風格行人過街成功率，總體上，謹慎型行人的過街成功率最高(65.38%)，普通型次之(46.88%)，冒險型行人過街成功率最低(34.78%)?！度诵袡M道信號燈控制設置規(guī)范》(GA/T851-2009)對人行橫道信號燈綠燈總時長的設置中，僅保證紅燈期間等待過街的全部行人安全過街，而未考慮在綠燈期間進入人行橫道的行人能否順利過街。因此，在綠燈中后期，對冒險型風格行人進行一定的技術干預和安全教育，可以極大程度上減少人車沖突發(fā)生的可能性。

PCCS下過街成功率數(shù)據(jù)反映了不同風格行人在其可接受過街時間內(nèi)的過街違章情況。結合不同年齡分析3種風格對行人過街成功率的影響，發(fā)現(xiàn)各年齡段中冒險型行人過街成功率均最低，謹慎型行人成功率最高，與總體趨勢保持較強的一致性，年齡對過街成功率的影響如圖9所示。

3.4 重點干預人群過街行為診斷

結合圖9發(fā)現(xiàn)，冒險型老年人過街成功率僅為14.29%，而謹慎型少年與中青年過街成功率較高。因此，將冒險型老年人作為重點干預對象(干預組)，選擇謹慎型少年和中青年作為對照組，借助過街行為的對比分析，診斷重點干預人群的過街行為，為未來干預策略的制定和實施提供理論依據(jù)。

圖9 年齡對過街成功率的影響Fig.9 Influence of age on crossing success rate

圖10表明，干預組SCSF(M=0.908)顯著低于對照組(M=1.205)，表明干預組在過街速度較低的同時未增加PCTW以保證過街安全，高估自身過街能力是該人群時空違章率高的主要致因，因此，加強干預組對自身運動機能的正確評估是提升其過街安全性的重要措施。

眼動行為反映過街行人的認知規(guī)律與心理狀態(tài)，圖10表明，F(xiàn)CS與PCCS下，干預組的掃視時間占比均顯著低于對照組(FCS中P=0.002，PCCS中P=0.001)，表明冒險型老年人在過街過程中視覺搜索不夠靈活寬泛，是該人群過街風險偏高的重要致因；PCCS 下，干預組對CA 與SA 注視概率均顯著低于對照組(CA 中P=0.000，SA 中P=0.027)，表明在過街起始時刻相對滯后的前提下，干預組對信號燈和車行區(qū)域關注不足；此外，F(xiàn)CS下，干預組的掃視速度顯著低于對照組(P=0.011)，表明干預組在自由過街模式下視覺搜索效率較低，對外界剌激信息的提取能力有待加強。

因此，需要重點防范該類人群在信號控制交叉口所表現(xiàn)出的危險過街行為。老年人日常應加強身體協(xié)調(diào)性訓練，外出時佩戴反光帽，身著飽和度高的服裝，增強過街安全意識，提高對自身身體機能的認知能力。倡議有條件的社區(qū)組織干預對象進行過街風險感知能力相關的安全教育和模擬訓練。交通工程設計尤其需要關注老年群體，依據(jù)區(qū)域內(nèi)老年人的比例合理優(yōu)化信號配時，在老年人聚集區(qū)域增加交通安全教育類標語。在信號燈末期增加語音以及視覺輔助提示的方式，以提高冒險型老年行人過街喚醒水平。另外，向社會招募交通協(xié)管志愿者，必要時，對綠燈中后期試圖過街的老年人進行合理干預或安全引導，協(xié)調(diào)老年人與過街系統(tǒng)其他要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，有效保證其過街安全性。

4 結論

(1)不同場景狀態(tài)下的行人過街速度具有顯著性差異，PCCS下的行人過街速度(1.549 m·s-1)顯著高于FCS 下的行人過街速度(1.379 m·s-1)；老年人PCTW(21.510 s)顯著大于中青年(16.410 s)與少年(16.833 s)。

(2)對PCTW 與過街速度/注視概率擬合，PCTW 增加時伴隨過街速度的降低，對CA 注視概率增大，SA注視概率下降，反映行人過街安全與效率間的關系。

(3)提出RPF與CSF作為行人風格識別模型指標，過街行人中冒險型、普通型及謹慎型占比分別為28.40%，39.50%與32.10%。冒險型行人風險感知能力最差，而謹慎型行人風險感知能力最強。女性過街時比男性更加冒險，老年人過街風格兩極分化嚴重。

(4)謹慎型風格行人過街成功率最高(65.38%)，冒險型風格成功率最低(34.78%)。冒險型老年人在運動機能較差的同時易高估其自身的過街能力，此外，對外界環(huán)境的視覺搜索效率不足。該群體自身與社會各界應共同采取相應措施以減少危險過街行為導致的交通事故。

本文通過開展心理臨界狀態(tài)過街試驗識別行人過街風格，闡明不同風格行人過街風險感知機制及行為差異，豐富了慢行交通領域的研究內(nèi)容，可為人行橫道信號燈配時、過街輔助設施設計及行人過街培訓策略提供參考依據(jù)。