高速公路和隧道交通標志位置有效性的眼動研究

史恭龍，譚海松，李紅霞

(1.西安科技大學 管理學院，陜西 西安710054；2.西安科技大學 研究生院，陜西 西安710054；3.西安科技大學 安全管理與風險控制研究所，陜西 西安 710054)

0 引 言

交通標志的主要作用是給交通參與者必要的指示和警告，是汽車駕駛員獲取交通信息的主要依據，是道路交通安全的重要保障，在交通管理方面應用廣泛。有研究表明人的各種感覺器官獲取的交通信息中，視覺占80%，聽覺占14%，其他占6%[1]。可見，對駕駛員而言，視覺系統是獲取外界信息最重要的通道。通過對駕駛員眼動軌跡的分析，可以深入了解駕駛員獲取視覺信息的過程，而這一過程很難從駕駛員自述中有意識地體現出來[2]。交通標志作用的實質就是標志傳遞的信息與駕駛員感知信息效能的匹配，并且駕駛員在不同環境下對相同交通標志的注意程度及反映交通狀態不同[3]。因此，對駕駛員視覺效能的研究能夠反映交通標志的有效性。

近年來，國外學者在駕駛員視覺效能方面已經開展了廣泛的研究。ANTWARG等長期研究駕駛員視覺行為及注意力與駕駛技能之間的關系[4]。2003年美國交通標志標準(MUTCD)采用動態仿真實驗，模擬不同交通條件下標志的設置位置、文字大小對駕駛員的視認性的影響，研究出符合美國道路交通特性和美國人駕駛視覺特性的交通標志，重點突出標志的設置位置、各種技術參數、設置的安全性能等[5]。MADANI通過實驗對不同年齡人的駕駛行為進行了比較，發現年長的駕駛員(35～44歲以及44歲以上)對交通標志的理解明顯強于較年輕的駕駛員(16～24歲)[6]。國內學者也對駕駛員眼動軌跡與視覺特性開展了研究。劉浩學依據信息加工規律從工效學角度對公路交叉口交通標志的設置進行理論分析[7]。陸建等根據駕駛人發現交通標志到完成減速操作所需的最小時間，建立了最小前置距離計算模型；并根據短時記憶特性，建立了最大前置距離計算模型，進而確定了路側限速標志的最佳設置位置，并通過算例對模型進行了驗證[8]。李紅霞等構建了旅游景區應急標識有效性的評價指標體系，發現顯著性影響最大[9]。李首位等以眼動實驗的方式研究了交通警告標志，發現有動線的警告標志能更快地獲得視覺注意[10]。楊艷群等利用眼動儀和腦電儀對指路標志進行了實驗研究，發現在6種場景下駕駛人對指路標志認知反應效率存在差異[11]。

綜上所述，國內外學者在交通標志的視認性及駕駛員視覺特性等方面的研究較為成熟，但鮮有利用實驗從駕駛員平面視角對高速公路交通標志位置有效性開展相關研究，文中選取高速公路和隧道上常見的2個駕駛場景進行眼動實驗，分析眼動數據，評價交通標志放置位置的有效性。

1 實驗準備

1.1 設備選擇

本實驗使用的設備是德國SMI Red-mobile 250眼動追蹤系統，其采樣頻率高達250 Hz；實驗材料呈現于23英寸的液晶顯示器上，顯示器的刷新頻率為75 Hz，分辨率為1 920*1 080；1張符合人機工效設計的桌子和2把椅子；實驗室光線良好，安靜封閉，無外界干擾。

1.2 眼動參數的選取

在查閱文獻的基礎上，結合Red-mobile 250眼動儀的具體參數，并根據駕駛場景的實際情況確定選取的眼動參數主要有首次進入時間(Time to First Fixation)、首個注視點的注視時間(First Fixation Duration)、首個注視點的注視順序(First Fixation Order)、總的注視時間(Total Fixation Time)等。

1.3 實驗材料

選取在高速公路上和隧道內駕駛時常見的道路場景作為實驗材料，照片由駕駛員車內視角拍攝，采用圖片方式呈現，構建駕駛汽車在高速公路和隧道內看到交通標志時呈現的畫面為場景，如圖1和圖2所示，并運用PS對圖片進行修改，將標志放在不同位置，從而生成實驗材料。將交通標志作為興趣區域，記錄被試眼動數據。

圖1 高速公路模擬場景

圖2 隧道內模擬場景

1.4 被試選擇

為盡可能接近現實情況，選擇已獲得C1駕照且至少有一年上路駕車經驗、年齡在25～45歲之間、裸眼視力或矯正視力達到1.0以上的人員作為被試，一共招募了30名合格被試，男女各半，均為右利手。

2 實驗過程

在實驗開始前先端正被試坐姿，調整被試與屏幕之間的距離約為65 cm，眼睛平視即可。實驗采用5點校準，校準時被試的校準數據偏差X，Y都小于1方為合格。在宣讀實驗指導語“下面的實驗場景是您正開車行駛在高速公路上或高速隧道中，請注意道路兩旁的交通標志信息”后正式開始。

為了消除因首注視點的不同而造成的實驗誤差，在每一個目標刺激圖片呈現前先播放一段1 min高速公路和隧道內行車記錄儀拍攝相同場景的視頻，之后直接呈現刺激圖片；每張實驗圖片的呈現時間為5 s。為了減少主觀因素對實驗的干擾，在實驗前不告訴被試實驗目的。整個實驗過程控制在3 min以內。眼動儀自動記錄每個被試的眼動數據；個別被試由于眨眼、眼疲勞等原因使眼動儀無法記錄到眼動軌跡，這些數據在分析時將被刪除。

3 實驗數據分析

3.1 實驗數據處理

3.1.1 區域劃分

將實驗場景圖片按照圖3所示劃分為9個區域[12]，在駕駛員有效視認交通標志的距離及范圍內，因為⑤、⑦、⑧、⑨無法安裝交通標志牌，并且路面交通標志線并非文中研究場景，所以⑤、⑦、⑧、⑨4個區域予以剔除，適合本實驗研究的5個區域為①、②、③、④、⑥。

圖3 場景編號劃分

3.1.2 創建興趣區域

實驗完成后，將實驗數據導入到BeGaze軟件中，點開興趣區域編輯按鈕，選擇編輯矩形興趣區域的按鈕，將每張圖片的交通標志標記為興趣區域。

3.1.3 數據可視化

劃定興趣區域后可以得到興趣區域內的總的注視時間、首個注視點的注視時間、首個注視點的注視順序、首次進入時間；然后導出數據使用SPSS 24.0進行統計分析，檢驗上述4個眼動指標針對的交通標志在不同位置是否有顯著變化。

3.2 興趣區域總的注視時間分析

根據高速公路模擬場景的實驗數據進行統計，計算出每個被試在每個興趣區域總的注視時間；用SPSS 24.0畫出箱線圖，根據箱線圖刪除異常值，然后進行正態性檢驗，其檢驗結果見表1。

由表1可知，興趣區域②和⑥的P值都小于0.05，因此每個被試在興趣區域②、⑥的總注視時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗，其檢驗結果見表2。

表1 高速公路模擬場景總的注視時間正態性分析

由表2可知P>0.05，未達到顯著水平。因此，在高速公路中交通標志的位置放置對駕駛員總的注視時間并無顯著影響。

表2 高速公路模擬場景總的注視時間非參數假設檢驗

根據隧道內模擬場景的實驗數據進行統計，計算出每個被試在每個興趣區域總的注視時間，剔除異常值，其正態檢驗結果見表3。

表3 隧道內模擬場景總的注視時間正態性分析

由表3可知，興趣區域①和④的P值都小于0.05。因此，每個被試在興趣區域①、④的總注視時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗，其檢驗結果見表4。由表4可知P>0.05，未達到顯著水平。因此，在隧道中交通標志的位置放置對駕駛員總的注視時間并無顯著影響。

表4 隧道內模擬場景總的注視時間非參數假設檢驗

3.3 首個注視點的注視時間分析

同理可以得到高速公路模擬場景的首個注的視點注視時間的正態性分析，由其分析結果可知興趣區域②、③、④、⑥的P值分別為0.006，0.001，0.003，0都小于0.05。因此，每個被試在興趣區域②、③、④、⑥的首個注視點的注視時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。由其檢驗結果可知P值為0.096大于0.05，未達到顯著水平，因此在高速公路的模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員首個注視點的注視時間并無顯著影響。

同理根據隧道內模擬場景的實驗數據進行統計，計算出每個被試在每個興趣區域的首個注視點的注視時間，剔除異常值。由其正態性檢驗結果可知興趣區域①、②、④、⑥的P值分別為0.017，0.012，0.004，0.007都小于0.05，因此每個人在興趣區域①、②、④、⑥的首個注視點的注視時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。由其檢驗結果可知P值為0.392大于0.05，未達到顯著水平，因此在隧道內的模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員首個注視點的注視時間并無顯著影響。

3.4 首個注視點的注視順序

同理可以得到高速公路模擬場景首個注視點的注視順序的正態性分析，由其分析結果可知興趣區域①、②、③、④、⑥的P值分別為0.001，0，0，0，0都小于0.05，因此每個被試在興趣區域①、②、③、④、⑥的首個注視點的注視順序并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。由其檢驗結果可知P值為0.031，小于0.05，達到顯著水平。因此，在高速公路模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員注視興趣區域首個注視點的注視順序有顯著影響。每個興趣區域首個注視點的注視順序的均值如圖4所示。

由圖4可知，5個興趣區域首個注視點的注視順序的均值排序為①>②>③>④>⑥。

圖4 高速公路模擬場景首個注視點的注視順序均值

根據隧道內模擬場景的實驗數據進行統計，計算出每個被試在每個興趣區域首個注視點的注視順序，剔除異常值。由其正態檢驗結果可知興趣區域①、②、③、④、⑥的P值分別為0，0，0，0，0，都小于0.05。因此，每個被試在興趣區域①、②、③、④、⑥的首個注視點的注視順序并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。其檢驗結果可知P值為0.003，小于0.05，達到顯著水平。因此，在隧道內模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員注視興趣區域首個注視點的注視順序有顯著影響。每個興趣區域首個注視點的注視順序的均值如圖5所示。

圖5 隧道內模擬場景首個注視點的注視順序均值

由圖5可知，5個興趣區域首個注視點的注視順序的均值排序為①>③>⑥>②>④。

3.5 首次進入時間的數據分析

同理可以得到高速公路模擬場景首次進入時間的正態性分析，由其分析結果可知，興趣區域③、④、⑥的P值分別為0.040，0，0.002，都小于0.05。因此每個被試在興趣區域③、④、⑥的首次進入時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。由其檢驗結果可知P值為0.022，小于0.05，達到顯著水平。因此，在高速公路模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員注視興趣區域首次進入時間有顯著影響。每個興趣區域的首次進入時間的均值如圖6所示。

圖6 高速公路模擬場景首次進入時間的均值

由圖6可知，5個興趣區域首次進入時間的均值排序為④>①>⑥>②>③。

根據隧道內模擬場景的實驗數據進行統計，計算出每個被試在每個興趣區域的首次進入時間，剔除異常值。由其正態檢驗結果可知，興趣區域③、④、⑥的P值分別為0.001，0.002，0.031，都小于0.05。因此每個被試在興趣區域③、④、⑥的首次進入時間并不服從正態分布，所以采用非參數假設檢驗。由其檢驗結果可知P值為0.045小于0.05，達到顯著水平。因此，隧道內模擬場景中交通標志的位置放置對駕駛員注視興趣區域的首次進入時間有顯著影響。每個興趣區域首次進入時間均值如圖7所示。

圖7 隧道內模擬場景首次進入時間的均值

由圖7可知，5個興趣區域首次進入時間的均值排序為③>②>④>①>⑥。

3.6 熱點圖分析

由圖8和圖9的熱點圖可知：駕駛員的注視點主要集中在道路中間和交通標志上，這符合駕駛員的視認特性，因此整個實驗的設計是合理的。可能由于隧道內視覺范圍較小，車速較慢，因此駕駛員會將注意力更多集中在交通標志上。而在高速公路上視覺范圍較大，車速較快，因此駕駛員在提取完交通標志的信息后會將更多的注意力集中在行車路面上。

圖8 高速公路模擬場景熱點圖

圖9 隧道內模擬場景熱點圖

4 結果討論

由以上實驗數據分析可知：2個模擬場景中交通標志的位置對總的注視時間、首個注視點的注視時間2個指標并無顯著性影響，而對首個注視點的注視順序、首次進入時間這2個指標有顯著性影響。因此交通標志的位置對駕駛員提取標志信息并無顯著影響。

在高速公路模擬場景中5個區域首個注視點的注視順序的均值，由小到大興趣排列順序為⑥<④<③<②<①，首次進入時間的均值由小到大的排列順序為③<②<⑥<①<④。由這2個排列順序可知在高速公路模擬場景中駕駛員發現興趣區域①的時間和順序都比較晚，而興趣區域③和⑥被駕駛員發現的時間都比較短。因此，在高速公路模擬場景中，交通標志放在③和⑥的位置更為顯著。通過查閱文獻發現，導致這樣的實驗結果是因為人眼的右效應[13]。而在隧道內模擬場景中5個興趣區域首個注視點的注視順序的均值由小到大的排列順序為④<②<⑥<③<①，首次進入時間的均值由小到大的排列順序為⑥<①<④<②<③。由這2個排列順序可知在隧道內模擬場景中駕駛員發現興趣區域③的時間和順序都比較晚，而興趣區域⑥和④被駕駛員發現的時間都比較短。因此在隧道內模擬場景中，交通標志放在④和⑥的位置更為顯著。

通過對比和分析2個場景的實驗材料和實驗數據發現，導致隧道內與高速公路上實驗結果不一致的主要原因是由于為確保隧道內的能見度在隧道頂上安裝了光照強度較高的光源，抑制了駕駛員對①、②、③區域的視覺搜索，因此駕駛員會下意識地加強對左右兩邊視覺區域的搜索。

5 結 論

1)交通標志位置對駕駛員提取交通信息的難易程度并無顯著影響，但卻對駕駛員發現交通標志的時間有顯著影響。

2)在高速公路模擬場景中交通標志在③(右上)和⑥(右中)的位置更為顯著，將交通標志放置在道路右側具有科學性，并且造價低、逆反射亮度高、視認效果好。

3)在隧道內模擬場景中交通標志在④(左中)和⑥(右中)的位置更為顯著。

4)為了使交通標志設置更為有效，在高速公路中應將交通標志放置在③(右上)或者⑥(右中)，在隧道內應該將交通標志放置在④(左中)或者⑥(右中)。

當然，真實環境中駕駛員讀取交通標志信息還會受到天氣狀況、車輛流量、標志本身特性等因素影響，后期可以采取VR眼動儀或者眼鏡式眼動儀進一步開展真實場景的實驗研究。