基于駕駛模擬的新型可變情報板有效性研究

陳建新，胡 飛，蒯佳婷，張鼎霖，林子鑒，馬小翔

（1.浙江滬杭甬高速公路股份有限公司，浙江 杭州 310017；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，道路交通量不斷增加，交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染和能源短缺等相關(guān)問題成為眾多國家所面臨的共同難題。傳統(tǒng)的指路標志設(shè)置已經(jīng)不能滿足駕駛?cè)双@取更豐富更即時的交通信息的需求。智慧高速信息交互作為提高公眾出行獲得感、幸福感的重要手段，已成為當前世界智能交通研究的重點，其中可變情報板（Variable Message Sign,VMS）是智能交通系統(tǒng)的重要設(shè)備，它通過對公眾發(fā)布實時的交通運行信息和出行建議，誘導公眾合理選擇出行路線，從而有效地緩解交通擁堵，提高交通系統(tǒng)的運行效率。因此合理布設(shè)可變信息板，確保駕駛?cè)私邮苷T導信息，誘導車輛采取合適的車速或推薦行駛路線，是交通誘導系統(tǒng)正常運行的基本保證。

國際上，20 世紀70 年代后期美國開始對可變信息標志運用和設(shè)置進行研究，其中Dudek等[1-2]圍繞駕駛?cè)说慕邮艹潭葘崟r信息顯示模式進行了研究；Turener 等[3]提出了利用實時可變的信息誘導分流高速公路車流的思路。在80 年代后，美國相關(guān)交通管理部門頒布了圍繞可變信息標志較為完整的研究報告、技術(shù)手冊和標準規(guī)范[4-6]。21世紀初，由于可變信息標志設(shè)置已具備一定規(guī)模，衍生出的可變信息標志布局選址問題成為研究熱點，Hederson[7]提出并建立了可變信息標志選址優(yōu)化問題與優(yōu)化模型，使用遺傳算法求得了最優(yōu)結(jié)果；Abbas[8]通過駕駛員對于可變信息標志所發(fā)布信息的接受反應和后續(xù)動作構(gòu)建了以交通網(wǎng)絡(luò)整體延誤最低為目標的優(yōu)化布局模型。

目前國內(nèi)研究通常著重考慮VMS 空間布局和誘導信息對駕駛行為的影響。朱堅松等[9]對確定VMS的位置進行了研究，通過駕駛員對VMS的反應，分析了VMS選址優(yōu)化模型及前置距離確定的問題。郭義戎等[10]基于VMS 對駕駛員的實際誘導作用，提出重復誘導是無效的且會導致誘導資源的浪費，以誘導交通量最大為目標建立了VMS優(yōu)化布設(shè)方法。干宏程等[11]討論了屏的不同色彩與行車速度的對應關(guān)系。呂南航[12]則對可變情報板的最低亮度進行了研究，并給出了多種實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的方法。林雨等[13]指出黑體漢字的視認效果最好，漢字的筆畫多少、漢字結(jié)構(gòu)等對其視認性都有顯著的影響。邱楊等[14]通過駕駛員視認距離來確定指路標志的文字高度和尺寸，并研究了指路標志的屏面設(shè)計方法。劉帥帥[15]建立了可變情報板信息的負荷度模型，提出了文字數(shù)量對信息量的非線性影響關(guān)系。衣謝博聞等[16]引入了可變信息板信息量信息熵模型，建立了基于信息量的城市可變信息板最小前置距離和字體高度模型。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)很少有學者對VMS對車輛行駛狀態(tài)的影響以及駕駛?cè)藢MS的主觀評價進行綜合性研究。本文利用駕駛模擬平臺設(shè)計道路模型，通過模擬實驗，比較車輛在不同可變情報板前行駛狀態(tài)的差異，并通過問卷對駕駛?cè)说闹饔^感受進行了解，由此得出駕駛員對VMS 的認知程度，進而對新型情報板的有效性進行評價。

1 可變情報板有效性評價

為了合理地評估新型可變情報板形式對于駕駛?cè)苏ｑ{駛的干擾情況及信息傳遞效率，本文基于模擬駕駛方法和人因工程理論建立了一套針對新型可變情報板有效性的評價方法。該評價方法主要包含駕駛?cè)笋{駛行為評價與偏好評價兩個部分。

在駕駛?cè)笋{駛行為評價中，將基于駕駛模擬軟件中提取的實時行車數(shù)據(jù)，對駕駛?cè)嗽谇閳蟀迩胺窖芯繀^(qū)域內(nèi)的行車穩(wěn)定性進行分析，主要選取的指標為平均速度、平均加速度以及側(cè)向偏移量。這3 個指標可以反映駕駛?cè)嗽趯π滦涂勺兦閳蟀逍畔⑦M行視認時，縱向、橫向行車穩(wěn)定性的變化，能夠客觀地體現(xiàn)新型可變情報板對于駕駛?cè)苏ｑ{駛的干擾程度。

在駕駛?cè)似迷u價中，將在模擬駕駛實驗后，通過問卷的形式對駕駛?cè)藢Ω鞣N形式情報板的主觀偏好進行調(diào)查。駕駛?cè)藢⒏鶕?jù)模擬駕駛實驗時的感受，對于各形式情報板的視認有效性、理解難易度以及駕駛負荷度進行評價，評價結(jié)果可以較好地反映駕駛?cè)嗽谛睦砩蠈τ诓煌问角閳蟀宓慕邮艹潭取Ｗ詈螅瑢Ⅰ{駛?cè)笋{駛行為評價與駕駛?cè)似迷u價的結(jié)果匯總，對每個評價指標中各形式情報板的評價結(jié)果進行排序，綜合評價越高的新型可變情報板，其有效性越高，否則有效性越低。

2 模擬駕駛實驗

2.1 實驗過程

本次實驗共招募了30 名受試者參與實驗測試。所有受試者的視力或矯正后視力及聽力均正常，并都持有駕照，具體信息如表1 所示。在實驗后，沒有參與者反映在模擬實驗過程中出現(xiàn)不適情況。所有實驗參與者均順利完成了實驗且所得數(shù)據(jù)全部被納入數(shù)據(jù)分析之中。

表1 受試人員信息統(tǒng)計

2.2 實驗儀器

實驗中選取的駕駛模擬器硬件主要包括：羅技G27 方向盤及油門剎車踏板套件、高性能計算機1 臺、駕駛模擬環(huán)境顯示器1 臺（見圖1）。駕駛模擬器的軟件為SCANeR，它可以100Hz 的頻率記錄車輛的實時信息，包括車速、加速度、車道偏移量等。

圖1 駕駛模擬器

2.3 模擬駕駛場景構(gòu)建

新型可變情報板可以根據(jù)高速公路上的實時信息（如擁堵緩行信息、施工變道信息等），對顯示內(nèi)容進行相應調(diào)整。共設(shè)置長、短兩種不同規(guī)格的新型可變情報板，其中長板的規(guī)格為1440mm×200mm，短板的規(guī)格為800mm×300mm。將長板上的顯示內(nèi)容分別設(shè)置為擁堵緩行提示（圖像）、擁堵緩行提示（文字）、施工區(qū)域提示（文字）、施工區(qū)域提示（圖文并茂），短板上的顯示內(nèi)容分別設(shè)置為擁堵緩行提示（圖像）、擁堵緩行提示（文字）、施工區(qū)域提示（文字），共設(shè)置出7 種交通情報板。目前高速公路交通情報板采用自發(fā)光LED 標志，為模擬發(fā)光標志的效果，采用先制作情報板再進行場景貼圖的方式，將情報板添加至駕駛模擬場景中。新型情報板的具體樣式如圖2～圖8所示。

圖2 擁堵緩行提示（長板-圖片）

圖3 擁堵緩行提示（短板-圖片）

圖4 擁堵緩行提示（長板-文字）

圖5 擁堵緩行提示（短板-文字）

圖6 前方施工提示（長板-文字）

圖7 前方施工提示（短板-文字）

圖8 前方施工提示（短板-圖文并茂）

在SCANeR 駕駛模擬軟件中建立模擬高速公路場景。模擬路段全長22km，雙向6 車道，設(shè)計速度為120km/h，駕駛?cè)嗽诿看螌嶒為_始時，將從道路的起點開始駕駛。將7 塊情報板在道路上等間距布置，情報板的布置順序如表2所示。

表2 情報板設(shè)置順序表

在每次實驗結(jié)束后進行標志牌視認性問卷調(diào)查，采集測試者對于7 種標志牌的主觀視認性（能否看清）、理解度（能否看懂）、駕駛負荷度（對駕駛行為的影響程度）。問卷內(nèi)容主要包括：

（1）性別、年齡、駕齡；

（2）情報板信息量：1～5 打分（1—極少、2—較少、3—中等、4—較多、5—冗雜）；

（3）視認性：1～5 打分（1—極易辨認，2—較易辨認，3—一般，4—較難辨認，5—無法辨認）；

（4）駕駛負荷度：1～5 打分（1—不影響正常行駛，2—對正常行駛有較小影響，3—一般，4—對正常行駛有較大影響，5—很不利于正常行駛）。

2.4 實驗流程

（1）實驗準備。對駕駛模擬器的方向盤進行校準，并將測試者的座位調(diào)整到合適位置。

（2）在實驗前，讓測試者了解實驗過程，保證實驗順利進行。

（3）正式實驗。由一名實驗人員在一旁操作駕駛模擬軟件，測試者進行駕駛模擬實驗。每個模擬場景結(jié)束后，讓測試者填寫相應的問卷。

（4）實驗過程中，駕駛?cè)巳绻杏X身體不適或者疲勞應及時休息，然后再繼續(xù)進行試驗。如果因駕駛模擬軟件運行出錯而引起數(shù)據(jù)錯誤，需重新測試。

3 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 駕駛?cè)笋{駛行為分析

對駕駛?cè)笋{駛行為進行分析，首先要對研究區(qū)域進行界定。考慮到研究對象為駕駛?cè)嗽趯煌ㄇ閳蟀暹M行認讀時的駕駛行為，為了排除駕駛?cè)瞬挥糜^察情報板信息時的駕駛行為對實驗結(jié)果帶來的影響，本研究選取每塊可變情報板前500m作為研究區(qū)域，對該范圍內(nèi)駕駛?cè)说鸟{駛行為進行分析。為了對比駕駛?cè)嗽谟^察可變情報板信息時與正常行駛時駕駛行為的差異，選取該模型中里程為18.5～19km 的路段作為對比路段，進行駕駛行為的對比分析。

3.1.1 速度變化分析

（1）不同擁堵緩行提示情報板對平均車速的影響

平均車速是最基本的車輛控制指標，也是最能夠反映駕駛員在行車過程中對車速的控制能力以及車輛在縱向上的動態(tài)運行過程的指標。當行車速度不超過設(shè)計速度時，行車速度越高，代表駕駛?cè)藶榱苏J讀情報板上信息而刻意減速的程度越小，情報板對駕駛行為的影響越小。繪制30名受試者在不同擁堵緩行提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的縱向速度均值箱形圖，如圖9所示。

圖9 不同擁堵緩行提示情報板前車輛縱向速度均值箱形圖

從圖9 可以看出，在4 塊擁堵提示情報板中，長板-圖片、長板-文字情報板前的平均速度偏低，而短板-圖片、短板-文字情報板前的平均速度較高。這說明情報板的形式對平均速度有一定的影響，短板更有利于使駕駛?cè)吮３衷谝粋€較高的車速，而文字或圖片的提示形式對速度并無明顯影響。

對各不同的擁堵提示情報板影響下的平均車速進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.00＜0.05，說明不同擁堵緩行提示情報板對車輛的平均速度有顯著影響。

（2）不同施工區(qū)域提示情報板對平均車速的影響

繪制30名受試者在不同施工區(qū)域提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的縱向速度均值箱形圖，如圖10 所示。在3 塊施工并線情報板中，短板-文字板前的平均車速明顯大于長板-文字板、長板-圖文板，更接近于對比路段的平均車速。因此，和不同擁堵緩行提示情報板對平均車速的影響得出的結(jié)論一致，短板-文字的形式更有利于駕駛?cè)诵旭偹俣鹊谋３郑槐乜桃鉁p速去認讀情報板的內(nèi)容。

對各不同的施工區(qū)域提示情報板影響下的平均車速進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.01＜0.05，說明不同施工區(qū)域提示情報板對車輛的平均速度有顯著影響。

圖10 不同施工區(qū)域提示情報板前車輛縱向速度均值箱形圖

3.1.2 加速度變化分析

（1）不同擁堵緩行提示情報板對平均加速度的影響

駕駛?cè)说募铀俣饶荏w現(xiàn)駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中速度變化的快慢情況，也是能直接反映車輛動態(tài)運行過程的指標。加速度越大，表示駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中的車速變化越劇烈，行駛舒適感越差，行車安全性也越低。SCANeR 軟件記錄的加速度由于方向的不同而具有正負號，由于正負加速度在取均值時會互相抵消而使整體平均加速度趨于0，因此首先對輸出的加速度取絕對值，再進行研究。繪制30名受試者在不同擁堵緩行提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的加速度均值箱形圖，如圖11所示。

圖11 不同擁堵緩行提示情報板前車輛加速度均值箱形圖

從圖11 中可以看出，在4 塊擁堵提示情報板中，長板-圖片板、長板-文字板前研究區(qū)域內(nèi)車輛加速度絕對值的均值較大，而短板-圖片板、短板-文字板前車輛加速度絕對值的均值較小，說明駕駛?cè)嗽诮?jīng)過形式為短板的擁堵提示情報板時速度變化更為平緩，更有利于行車安全。文字或圖片的提示形式對加速度絕對值的均值并無明顯影響。對各不同擁堵緩行提示情報板影響下的平均加速度進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.01＜0.05，說明不同擁堵緩行提示情報板對車輛的平均加速度有顯著影響。

（2）不同施工區(qū)域提示情報板對平均加速度的影響

繪制30名受試者在不同施工區(qū)域提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的加速度均值箱形圖，如圖12所示。在3塊施工并線情報板中，短板-文字板前加速度絕對值的均值明顯小于長板-文字板、長板-圖文板前加速度絕對值的均值，車輛在短板-文字板前的行駛狀況更為穩(wěn)定。

對各不同施工區(qū)域提示情報板影響下的平均加速度進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.047＜0.05，說明不同施工區(qū)域提示情報板對車輛的平均加速度有顯著影響。

圖12 不同施工區(qū)域提示情報板前車輛加速度均值箱形圖

3.1.3 車道偏移量分析

（1）不同擁堵緩行提示情報板對車道偏移量的影響

行駛過程中車輛產(chǎn)生橫向的位移，與目標行車軌跡發(fā)生偏移，從而影響駕駛?cè)税芽剀嚨赖哪芰Γ@個偏移距離即為車輛橫向偏移量。車輛橫向偏移量可以充分描述汽車的側(cè)向軌跡。

SCANeR 軟件可將模擬駕駛期間車輛中軸線與車道中心線的橫向偏移進行實時數(shù)據(jù)輸出，偏左為正，偏右為負。繪制30名受試者在不同擁堵緩行提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的橫向偏移量均值箱形圖，如圖13所示。

圖13 不同擁堵緩行提示情報板前車輛橫向偏移量均值箱形圖

從圖13 中可以看出，在4 塊擁堵提示情報板中，長板-圖片板前車輛的橫向偏移量均值略低于長板-文字板前車輛，而短板-圖片板前車輛的橫向偏移量均值遠遠低于短板-文字板前車輛，說明形式為圖片的擁堵提示情報板更有利于駕駛?cè)吮３址€(wěn)定的行車軌跡。可變情報板為長板或是短板對橫向偏移量均值并無明顯影響。

對各不同擁堵緩行提示情報板影響下的橫向偏移量進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.00＜0.05，說明不同擁堵緩行提示情報板對車輛的橫向偏移量有顯著影響。

（2）不同施工區(qū)域提示情報板對車道偏移量的影響

繪制30 名受試者在不同施工區(qū)域提示情報板前研究區(qū)域內(nèi)車輛的加速度均值箱形圖并在SPSS 軟件中進行描述統(tǒng)計，如圖14 所示。在3塊施工并線情報板中，長板-文字板前車輛的橫向偏移量均值明顯小于長板-圖文板、短板-文字板。因此，長板-文字形式的施工并線提示，更有利于駕駛?cè)藢M向行車軌跡的控制。

對各不同施工區(qū)域提示情報板影響下的橫向偏移量均值進行一般線性模型單變量分析，得到的顯著性值Sig.=0.00＜0.05，說明不同施工區(qū)域提示情報板對車輛的橫向偏移量均值有顯著影響。

圖14 不同施工區(qū)域提示情報板前車輛橫向偏移量均值箱形圖

3.2 駕駛?cè)似脝柧矸治?/h3>

3.2.1 駕駛?cè)藢矶戮徯刑崾厩閳蟀宓钠梅治?/p>

對實驗得到的30份情報板視認性問卷進行分析，計算駕駛?cè)藢Ω鲏K情報板的信息量、理解難易度、駕駛負荷度三項指標評分的均值，對駕駛?cè)藢Σ煌勺兦閳蟀宓闹饔^偏好進行比較分析。30 名駕駛?cè)藢? 塊擁堵緩行提示情報板各項指標評分的平均值如表3所示。

表3 擁堵緩行提示情報板各項指標得分均值表

對圖片和文字形式的情報板的各項指標的平均得分進行對比分析。結(jié)果顯示，大部分情況下圖片形式的情報板得分更低，只有在理解難易度一項指標上短板-圖片板高于短板-文字板，表明從整體上看，駕駛?cè)烁珢蹐D片形式的擁堵緩行提示情報板。對長板和短板形式的情報板的各項指標的平均得分進行對比分析。結(jié)果顯示，大部分情況下短板形式的情報板得分更低，只有在理解難易度、駕駛負荷度兩項指標上短板-圖片板高于短板-文字板，表明從整體上看，駕駛?cè)烁珢鄱贪逍问降膿矶戮徯刑崾厩閳蟀濉?/p>

3.2.2 駕駛?cè)藢κ┕^(qū)域提示情報板的偏好分析

30 名駕駛?cè)藢? 塊施工區(qū)域提示情報板各項指標評分的平均值如表4所示。

表4 施工區(qū)域提示情報板各項指標得分均值表

根據(jù)對比分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在所有指標中，3 塊施工區(qū)域提示情報板得分由低到高的順序均為：長板-文字＜短板-文字＜長板-圖文，說明駕駛?cè)似毡閷﹂L板-文字板的評價最高，而對長板-圖文板的評價最低。

4 結(jié)語

本研究基于駕駛模擬實驗，利用數(shù)據(jù)分析，對駕駛?cè)嗽诓煌问降男滦颓閳蟀迩把芯繀^(qū)域內(nèi)的駕駛行為和對新型情報板的主觀偏好進行了研究，得出以下結(jié)論。

（1）對于4 種形式的擁堵緩行提示情報板，平均速度、平均加速度數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示短板形式相對于長板形式有效性更高，平均橫向偏移量數(shù)據(jù)的研究結(jié)果顯示圖片形式相對于文字形式的有效性更高。而駕駛?cè)似脝柧碚{(diào)查結(jié)果顯示，駕駛?cè)藢τ诙贪逍问胶蛨D片形式的情報板認可程度更高。

（2）對于3 種形式的施工區(qū)域提示情報板，平均速度、平均加速度數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示短板-文字形式的情報板有效性更高，而平均橫向偏移量和駕駛?cè)似脝柧碚{(diào)查結(jié)果顯示長板-文字形式情報板的有效性更高。

本研究基于駕駛模擬實驗，對駕駛?cè)嗽诳勺兦閳蟀迩暗鸟{駛行為與駕駛?cè)藢τ诳勺兦閳蟀宓闹饔^偏好進行綜合分析，構(gòu)建了新型可變情報板有效性的評價方法。本研究可以為高速公路情報板信息發(fā)布形式的制定提供理論支撐。但是，由于條件限制，本研究未進行實車實驗，無法對于駕駛模擬實驗得出的結(jié)論進行進一步的驗證。在后續(xù)研究中，可以選取一些新型可變情報板的試驗路段進行實車實驗，并適當考慮引入部分生理指標作為評價指標，分析在實際駕駛中不同形式的情報板對于駕駛?cè)笋{駛行為、主觀感受以及生理、心理變化的影響，豐富新型可變情報板有效性的評價方法。