基于駕駛人生理心理特性的車速反饋標志適用性研究

（南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院，江蘇南京 210037）

0 引言

駕駛人超速行駛行為是誘發(fā)城市道路交通事故的主要原因之一。近年來由超速行駛引起的惡性交通事故頻發(fā)，給城市道路使用者帶來了極大的交通安全隱患。車速反饋標志作為一種動態(tài)限速標志，在實時顯示車速的同時可通過紅色警告提示駕駛人已超速。這類動態(tài)信息交通標志的應用影響著駕駛人的視覺感知與心理特性，進而影響行車安全。為此，對車速反饋標志在道路上的適用性進行研究很有必要。

國外學者對車速反饋標志的研究較早且較為深入。如Luoma 等[1]從眼動特性的角度分析了在城市郊區(qū)路段上增設可變限速標志對駕駛行為的影響，得出增設后駕駛人對動態(tài)交通信息標志的關注度更高的結論；Ardeshiri 等[2]通過統(tǒng)計分析、回歸模型和貝葉斯網絡模型評估了車速反饋標志不同設置地點、設置時長對降速效果的影響；Allaby等[3]通過交通事故預測模型對多倫多高速公路上的可變限速標志進行了評價，結合微觀仿真模型對其交通安全影響進行了評估；Topolsek 等[4]運用眼動追蹤技術，研究了駕駛人對路邊交通標志與廣告的覺察性。

國內學者對限速標志的研究主要集中于高速公路上限速標志的有效性、設置方法等方面。如蔣水龍等[5]針對車速反饋標志應用效果進行了實地車速調查、問卷調查和實施前后效果對比實驗，綜合分析了車速反饋標志在高速公路上的適用性；程國柱等[6]構建了駕駛人視認距離模型及限速標志前置距離模型，提出一種高速公路作業(yè)區(qū)晝夜?jié)u變限速標志間距計算方法；倪娜[7]通過駕駛員心率、感知速度、行駛速度等指標，明確了視覺參考系對駕駛人心理的影響。

綜上所述，國外主要運用數(shù)學模型從眼動特性的角度分析車速反饋標志的設置地點與設置時長、設置有效性與速度控制效果等，而較少結合心電和皮電等生理指標對車速反饋標志進行研究，對駕駛人自身特性的研究不夠全面。國內對限速標志的研究更側重于傳統(tǒng)限速標志和車速反饋標志在高速公路上的適用性，缺少城市道路中兩種限速標志的對比研究。因此，本文將以城市道路為研究背景，從駕駛人生理與心理特性的角度出發(fā)，通過實驗對比靜態(tài)限速標志與車速反饋標志對駕駛人的影響差異，深入研究車速反饋標志對駕駛人的作用機理，進而評估車速反饋標志在城市道路上的適用性。

1 實驗思路

在駕駛車輛過程中，駕駛人會經歷一個比較復雜的生理、心理變化過程，需要持續(xù)不斷地在短時間內對交通標志傳遞的信息進行接受、分析、決策。本文為研究車速反饋標志的適用性，通過與靜態(tài)限速標志的對比實驗，選取視覺特性指標、心電特性指標、皮電特性指標來表征駕駛人生理心理變化特性，從跟隨狀態(tài)、服從性、制動誘導性三類行為特性來分析車速反饋標志的降速有效性。

（1）實驗路段

本實驗選取城市道路超速現(xiàn)象較嚴重的南京市玄武大道展開研究，具體路段為南京林業(yè)大學北一門—長途汽車東站，全長約1.1km，調查區(qū)段為標志上游80m 內路段，如圖1 所示。車速反饋標志設置點在玄武大道限速50km/h的路段，受調查點客觀條件限制，將車速反饋標志設于限速標志牌前方0.8m 處且角度、方向與限速牌相一致，如圖2所示。

圖1 玄武大道調查區(qū)段

圖2 可變車速反饋標志圖

（2）實驗方法

實驗共選取調查對象10名，實驗次數(shù)共計20次，男女比例為3∶2，年齡在18～50 歲之間，均持有C1 駕駛執(zhí)照，駕齡均超過2 年。實驗過程中，令駕駛人佩戴Tobii Pro Glasses 系列眼動儀和Ergo LAB 無線生理傳感器，分別在設置靜態(tài)限速標志與車速反饋標志的路段正常行駛。實驗中，通過Ergo LAB 人機環(huán)境同步系統(tǒng)獲取駕駛人的視覺、心電與皮電指標；利用攝像機和雷達測速儀對實驗路段進行拍攝和測速，可得到剎車比例、車頭間距等數(shù)據。

用于實驗的限速標志、車速反饋標志的尺寸與《道路交通標志和標線（第2部分）》（GB 5768.2—2009）[8]規(guī)范要求相一致，限速標志牌外徑為0.8m，數(shù)字尺寸為0.38m×0.55m；車速反饋標志的外觀尺寸為0.70m×0.55m，LED 數(shù)字尺寸為0.36m×0.6m。兩種標志的外觀尺寸相差約0.12m2，數(shù)字尺寸相差約0.007m2，在實驗允許誤差范圍以內。因此本文認為兩種標志的字體和外觀差異對駕駛人的影響可以忽略不計。此外，限速標志牌距路面高度約為2.5m，車速反饋標志距路面高度約為1.5m。經調查，該路段最高85%位車速為72 km/h，根據文獻[9]中的限速標志前置距離參照表[9]，近似取限速標志前置距離80m 為調查區(qū)間，以盡量減小調查過程中標志高度對駕駛人的影響。

2 駕駛人眼動特性

有研究發(fā)現(xiàn)，駕駛人在行車過程中通過視覺獲取的信息占全部獲取信息量的80%以上，駕駛人的視覺機能在很大程度上影響駕駛行為[10]。為探究兩種標志對駕駛人的眼動特性影響，本文選取與眼睛基本運動形式相關的5個指標進行分析，分別為注視時間、掃視時間、注視次數(shù)、掃視次數(shù)和視覺搜索軌跡。

2.1 注視與掃視指標變化分析

箱線圖可以直觀地反映數(shù)據的四分位值、平均值和異常值，且借助異常值可以剔除不具代表性的數(shù)據，能較準確地描述數(shù)據的離散性和整體變化趨勢。因此，本研究采用箱線圖描述駕駛人注視指標與掃視指標的變化情況，分別如圖3 和圖4所示。

圖3 駕駛人平均掃視時間與平均注視時間對比

由圖3 和圖4 可知，在設置車速反饋標志的道路上，駕駛人的注視時間與注視次數(shù)的平均值與四分位值分別增加5.94%和15.23%；掃視次數(shù)和掃視時間的平均值與四分位值降幅明顯，分別降低23.98%與10.32%。這表明：駕駛人注意力集中、關注度高，搜索有效信息效率高，能夠快速尋找、提取標志上的信息來輔助對目標物及交通環(huán)境的判斷；同時，速度反饋標志對駕駛人產生較大的吸引與刺激，使駕駛人易產生不穩(wěn)定、不確定感，需要延長注視時間以獲取對駕駛狀況的認知。

圖4 駕駛人掃視次數(shù)與注視次數(shù)對比

2.2 注視軌跡分析

駕駛人感興趣片段的組成情況能反映交通標志中信息比例的高低[11]。感興趣片段由注視點和注視軌跡組成。以一名具有代表性的駕駛人的視認軌跡為例，其注視點和注視軌跡如圖5 所示，圖中圓點大小表示注視時間，圓點越大表示注視時間越長；圓點中數(shù)字表示注視點順序，從大到小依次反映注視的先后順序。研究結果發(fā)現(xiàn)，駕駛人在設有車速反饋標志的道路上行駛時，聚焦點更加集中，受其他因素干擾小，視駕駛人產生視認行為后有明顯的制動行為與信息讀取判斷行為，整個搜索過程軌跡清晰。

圖5 駕駛人視覺搜索軌跡對比圖

由圖5 可見，在僅設有靜態(tài)限速標志的路段行駛時，駕駛人初始時刻的注視點位于臨時停車標線處，視線軌跡偏向右側干擾物，在接近限速標志時，仍無任何視認行為；在設有車速反饋標志的路段行駛時，駕駛人注視點集中分布在道路正前方區(qū)域，隨著視野中車速反饋標志的出現(xiàn)，第11 關注點至第12 關注點有明顯的跳躍，通過掃視注視點短暫停留后，快速回到道路正前方區(qū)域，注視點較穩(wěn)定且視認軌跡清晰明顯。可見，駕駛人對車速反饋標志的視認效果好于靜態(tài)限速標志。這主要有兩方面的原因：①車速反饋標志作為刺激信息實時顯示車輛行駛速度，促使駕駛人提高關注度，完善情景意識，高效識別信息；②駕駛人可通過多次注視車速反饋標志來檢查行駛車速，當速度反饋標志顯示紅色超速預警時，能誘使駕駛人采取制動行為，降低車速。

3 駕駛人心電與皮電特性

3.1 心率變異性分析

心率變異性是指連續(xù)心跳心臟搏動間期（Continuous Heartbeat RR Interval,RR）瞬間心率的微小差異，能詳細反映交感神經與迷走神經的變化，可以用來表征駕駛人行車過程中的心理負荷變化和情緒變化程度，進而用于評價車速反饋標志對駕駛人的心理影響。

本實驗采用時域分析、頻域分析法對心率變異性進行評價。時域分析選取指標為心動間期均值（Mean of R Wave-to-R Wave Intervals,MRR）與心動間期總體標準差（Standard Deviation of Normal to Normal,SDNN）；頻域分析選取指標為低頻帶（Low Frequency,LF） 與高頻帶（High Frequency,HF）。其中，MRR 反映交感神經和迷走神經對心率的調控能力，SDNN 反映神經的總體調節(jié)水平，高頻成分HF 反映心臟迷走神經的活性，低頻成分LF 反映交感神經的活性[12]。10名駕駛人的各心率變異性指標均值如表1所示。

表1 各心率變異性指標均值

從表1 可知，與設有靜態(tài)限速標志的道路相比，當車輛行駛在設有車速反饋標志的道路上時，駕駛人的MRR 均值降低，SDNN 均值顯著上升，二者的變化率分別可達151.35%與85.69%，表明駕駛人交感神經的張力增大，迷走神經張力減小，同時駕駛人心搏加強、加快，處于緊張狀態(tài)。LF 明顯下降，HF 總體呈上升趨勢，表明交感神經興奮加強，反映出車速反饋標志易使駕駛人心理負荷增大，對駕駛人的心理造成了一定的影響和波動。

3.2 皮電特性分析

本實驗采用事件的相關性分析來評價駕駛人的皮膚電導反應（Skin Conductance Response,SCR)，并以皮膚電導變化反映車速反饋標志與靜態(tài)限速標志對駕駛人產生的刺激或駕駛人情感變化[13]，具體利用皮膚電導反應數(shù)（Number of Skin Conductance Response,NSCR）、延遲時間Latency、皮膚電導反應強度（SCR Amplitude）和皮膚電導水平（Skin Conductance Level,SCL）共4 個指標進行分析。各皮電指標均值如表2所示。

表2 各皮電指標均值

從表2 數(shù)據來看，駕駛人的NSCR,SCR Am?plitude,SCL 均有明顯升高，而Latency 值有明顯降低，其中NSCR 與SCR Amplitude 變化最為顯著，變化率分別為63.77%與52.84%。這表明車速反饋標志可引起駕駛人刺激反應，提高其對車速反饋標志的感知敏感性，進而使其較快地產生制動行為。

4 駕駛人行為特性分析

由于駕駛過程中受心理、生理上的干擾和約束，駕駛人會產生不同的駕駛行為[13]。本文選取跟隨狀態(tài)、車速服從狀態(tài)和制動狀態(tài)3 類行為特性指標反映車速反饋標志的降速有效性及誘導性，從而評價其在城市道路上的適用性。

4.1 不同跟馳狀況下駕駛人跟隨心理分析

通常，將車頭時距小于1.2s 視為超車狀態(tài)，1.2～4.8s 視為跟車狀態(tài)，大于4.8s 視為自由行駛狀態(tài)[14]。現(xiàn)有研究[15]將車輛跟馳狀態(tài)分成兩類：強跟馳和弱跟馳，出于測量精度考慮，取1～2s為強跟馳狀態(tài)，取3～5s為弱跟馳狀態(tài)，調查所得各參數(shù)見表3。

表3 不同實驗條件下與跟馳狀態(tài)下的剎車比例

由表3 可知，相較于靜態(tài)限速標志，設置車速反饋標志路段上的跟隨剎車比例增加，自主剎車比例降低，強、弱跟馳狀態(tài)下的跟隨剎車比例分別增加12%與6%，可見強跟馳狀態(tài)下的跟隨制動誘導性更強。由于強跟馳狀態(tài)下駕駛難度和事故風險的主觀感知會上升，駕駛人經限速標志的警示后剎車的可能性增大，較易產生積極的跟隨心理。結合心電與皮電特性分析可知，速度反饋標志使駕駛人更易處于緊張狀態(tài)、反應制動速度加快，同時強跟馳狀態(tài)下駕駛人的心理裕量處于臨界值，駕駛人對于自身行駛車速的合理性、敏感性增加，跟隨效仿性更好。

4.2 不同行駛速度下駕駛人服從性分析

不同行駛速度下，駕駛人在受車速反饋標志影響后所產生的心理活動不同，服從性也不同。車速反饋標志和靜態(tài)限速標志對駕駛人服從性的影響差異如圖6 所示。由該圖可知，車速反饋標志與靜態(tài)限速標志兩種道路條件下的車速分別集中于40～50 km/h 和50～60 km/h，車速反饋標志降速效果明顯。在設置車速反饋標志的路段上，車速為45～50 km/h 的駕駛人剎車比例最高，達到25%，結合50km/h 的限制速度，對于臨近超速的駕駛人影響效果最好，剎車比例提高約12%。在設置傳統(tǒng)靜態(tài)限速標志的路段上，車速為40～45km/h 的駕駛人剎車比例最高，且車速在50～60km/h 范圍的剎車比例略高于設有車速反饋標志的路段，究其原因為車速反饋限速標志初次出現(xiàn)在該道路上，部分車輛在不了解的情況下采取忽視態(tài)度，因而該條件下的剎車比例不高。

圖6 不同速度范圍的車輛降速比例對比圖

以上分析表明，車速反饋標志對處于臨近超速的駕駛人誘導服從作用顯著，能使駕駛人意識到超速狀態(tài)的危險，起到提醒駕駛人注意自身車速的作用，即相較于靜態(tài)限速標志，車速反饋標志減少超速現(xiàn)象的效果明顯。

4.3 制動誘導性分析

為探究兩種限速標志對駕駛人制動狀態(tài)的影響，本文利用曼-惠特尼秩和檢驗法對剎車分布進行假設檢驗，分析車速反饋標志是否能顯著縮短剎車距離。

利用單樣本K-S 檢驗法分別檢驗兩個樣本是否符合正態(tài)分布，得到車速反饋標志與靜態(tài)限速標志條件下的剎車分布漸進顯著性分別為0.02 和0.008，均小于0.05，即認為兩個獨立樣本均不滿足正態(tài)分布，故選用曼-惠特尼秩和檢驗法[16]，具體步驟如下：

（1）建立原假設H0：假設兩種道路條件下剎車距離分布沒有顯著差異；備擇假設H1：假設兩種道路條件下剎車距離分布具有顯著差異。

（2）在顯著性水平α=0.05下,查得標準狀態(tài)分布α2 分位數(shù)Zα2=1.96，當|Z|>Zα2時，拒絕原假設，否則沒有充分的理由拒絕原假設。利用SPSS 得到曼-惠特尼秩和檢驗結果（見表4），可知|Z|=2.267 > 1.96，故拒絕原假設，即剎車分布具有顯著差異，車速反饋標志對駕駛人的制動行為有明顯影響。

表4 曼-惠特尼秩和檢驗結果

5 結論

本文通過對比實驗研究了車速反饋標志在城市道路上的適用性，從駕駛人自身特性出發(fā)分析了車速反饋標志與靜態(tài)限速標志對駕駛人生理心理特性的影響差異。結果表明，車速反饋標志作為信息交互式交通標志，其車速顯示與顏色變化能提供更有效的交通信息，提高駕駛人的視認效果，增加駕駛人心理負荷，同時在降速效果與制動誘導方面作用顯著，在城市道路上具有良好的適用性，并對提高駕駛人行車安全具有一定作用。

因受限于實驗對象和實驗條件，本文未考慮兩類限速標志的字體和外觀差異，以及車速反饋標志的設置地點和設置數(shù)量對城市道路行駛速度與交通事故率的影響，這是未來研究需完善的方面。