城市道路交通標志對駕駛員視覺的影響研究

解松芳 楊 鋒 李航天 趙 婷

（內蒙古農業大學 能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

交通標志是城市道路中最重要的交通設施，給道路使用者提供相關信息，指引正確方向，同時也是公路交通人機環境系統的重要組成部分[1]。道路交通標志按其功能主要劃分為:禁令標志、指示標志、指路標志、警告標志、輔助標志5 大類。為了充分發揮道路交通標志的基本作用，交通工作者做了大量的工作，通過大量試驗和實踐取得了許多寶貴的研究成果[2-4]。然而由于城市道路交通的特殊性和復雜性，得出的這些研究成果還不能滿足現實的需要，人們對城市道路交通標志的期望仍在不斷的升級。因此，如何合理地設置城市道路交通標志，從而最大程度上發揮其特性，是目前城市道路交通中亟待解決的問題之一。本文試圖通過試驗的方法總結出駕駛員在城市公路上行駛時的視覺特性規律，分析城市公路交通標志對駕駛員行車安全的影響和交通標志牌對駕駛員視覺的影響

1 試驗方法

1.1 試驗路段

本次試驗所選的路段為新華西街新華廣場至巴彥淖爾北路路段。此路段為城市主干道，雙向八車道，車流量較多，限速60km/h,交通標志種類多且比較完善，在此路段交通標志種類分為警告標志、指示標志、指路標志三種。綜合路況信息來說，這個路段具有一定的代表性。根據實驗確定實驗的具體操作流程與在實驗中所應具有的要求，保證實驗中采集的數據具有連貫性與準確性，為研究城市道路交通標志對駕駛員的視覺影響提供準確的數據依據。

1.2 實驗人員

根據研究的需要，本次實驗要求駕駛員身體健康，沒有眼部的疾病，駕駛經驗比較豐富并且獲得法定駕駛證，可以使實驗所采集的數據具有準確性。選取5 名駕駛經驗豐富駕駛員進行實駕，年齡在30-50 歲之間，對試驗路段熟悉程度一般。

1.3 實驗設備

本次實驗采用的是實駕實驗，在實驗中所采用的眼動儀為德國SMI 公司所生產的Iview(HED)眼動儀作為收集眼動數據的儀器，城市道路中所行駛的車輛大部分為小型汽車，故本次實驗選取小型汽車作為試驗車輛，實驗設備如圖1 所示。

圖1 實驗設備

1.4 實驗步驟

1.4.1 試驗前要進行車輛檢查，駕駛員把自己的座椅調到舒適的位置，從而選擇便與駕駛員在行車過程中的操作距離，隨車輔助的實驗人員檢查眼動儀是否能正常使用，同時要檢查設備連接情況以及駕駛員的眼動儀的佩戴情況。

1.4.2 駕駛員講解本次實驗的方案、儀器的使用方法以及在行車過程中需要注意的事項，在實驗前駕駛員提前佩戴眼動儀先適應一段時間并采用五點法對眼動儀進行定位校準。

1.4.3 在本次實驗正式開始后，駕駛員以及隨車輔助人員需要把手機與無線電設備關掉，以防影響眼動儀數據傳輸，實驗車里的全體人員要保持安靜，避免影響駕駛員駕駛。

1.4.4 在本次實驗過程中采取自由車速，實驗選擇天氣晴朗的上午7:30-10:30，此時的光照強度較好，可以確保駕駛員的視覺不受太大影響，從而來獲取準確的眼動數據。

2 試驗指標選取

人的眼睛是處于無秩序的移動，注意某一位置并在此停留。比較常見的眼動行為有3 種，分別是眨眼、注視和掃視。眼動指標可分為掃視行為指標、注視行為指標以及眨眼行為指標[5]。掃視行為指標可分為掃視持續時間、掃視幅度、掃視峰值速度、掃視平均速度、掃視平均加速度[6]。眨眼行為指標可分為眨眼持續時間與眨眼頻率[7]。注視行為指標可分為注視點坐標、注視持續時間、瞳孔大小、注視次數[8]。由于這些指標存在一定的相關性，因此進行指標的篩選提取，注視持續時間與瞳孔直徑的相關性很小，幾乎都是獨立的指標，能夠反應駕駛員的注視行為，因此本文選取注視持續時間與瞳孔直徑兩個指標進行分析。掃視行為中的掃視幅度與掃視平均速度相關性比較大，所以就選取其中的掃視幅度進行分析。眨眼指標反應駕駛員的疲勞程度，本次實驗不考慮駕駛員的疲勞狀態，故不選取眨眼指標進行分析。

3 實驗結果分析

3.1 交通標志對駕駛員注視持續時間影響

注視持續時間說明駕駛員處理交通信息所需要的時間，信息越復雜駕駛員的注視持續時間就越長。交通標志對駕駛員注視持續時間影響如圖2 所示。

圖2 注視持續時間隨時間的變化圖

根據圖2 分析可知：

駕駛員看到不同交通標志時的注視持續時間分布比較集中，駕駛員注視持續時間主要分布在100ms-300ms 之間，少部分分布在0ms-100ms 與300ms 以上。駕駛員觀察到指路標志與警告標志時，平均注視持續時間值分別為200ms 與180ms,駕駛員觀察指示標志的注視持續時間平均值相對較小。注視持續時間變化呈先增大后減小，前10s 沒有交通標志所以駕駛員的注意是在道路信息上，才導致注視持續時間波動范圍大致相同。在10s-13s 左右駕駛員在此時間段看見交通標志，對交通信息進行處理，導致駕駛員的注視持續時間增大。綜合對比駕駛員觀察不同交通標志的注視持續時間在10s-13s 之間的變化幅度與極大值，發現當駕駛員看到指示標志與警告標志時，駕駛員的注視持續時間的變化波動范圍駕駛員看到指路標志時的波動范圍小，兩個注視持續時間的極大值也遠遠小于指路標志的極大值。

總體來說。分析認為沒有交通標志，駕駛員的注意在道路信息上，導致注視持續時間波動范圍不大；由于指路標志向駕駛員傳遞道路信息，包括地點、方向、距離，信息量大，警告標志與指示標志信息量少且直觀，使得駕駛員的注視持續時間比其他兩個交通標志注視持續時間長。在13s 之后注視持續時間總體保持下降趨勢，說明駕駛員對交通標志的信息基本掌握，對交通標志注意力分散，注視持續時間又減小。

3.2 交通標志對駕駛員瞳孔直徑影響

瞳孔直徑的變化可以用來反映駕駛員的因為受到外界事物的刺激的緊張程度并且隨著緊張程度而增大，如果外界的光照強度大致保持穩定，人的瞳孔直徑平均約為3mm，由于外界刺激所以引起的緊張程度導致瞳孔變化范圍不超過0.5mm。交通標志對駕駛員的瞳孔直徑影響如圖3 所示。

圖3 瞳孔直徑隨時間變化圖

由圖3 分析可知：

駕駛員的瞳孔直徑不均勻的分布在3.22mm-2.44mm 之間，主要集中在間2.7mm-3mm 之間。駕駛員的瞳孔直徑的平均變化量大致相同，總體變化表現為先增大后減小，在前10s 瞳孔直徑的變化幅度相對較小，在10s-13s 之間瞳孔直徑呈現上升的趨勢，13s 之后駕駛員的瞳孔直徑恢復到平均值左右。駕駛員在前10s 時間段內的瞳孔直徑變化幅度小，說明交通標志信息所帶給駕駛員的刺激不大，路況信息帶給駕駛員的視覺行為相對比較輕松，駕駛員的信息處理策略變得簡單。

在10s 之后駕駛員的瞳孔直徑逐漸增大，達到峰值，對比駕駛員觀察不同交通標志的瞳孔直徑在這段時間內的變化幅度，發現當駕駛員看到警告標志時，駕駛員的瞳孔直徑變化幅度相比其他兩個交通標志的瞳孔直徑變化幅度大，說明警告標志給人的視覺刺激比較強烈，能引起駕駛員心理方面的警惕，同樣也會使駕駛員在一定程度的緊張，從而導致駕駛員的瞳孔直徑變化幅度變大。在13s 之后駕駛員的瞳孔直徑逐漸減小，說明駕駛員觀察完交通標志信息后，對道路信息有一定的熟悉度，并且在行車過程中有了一定的把握，也對交通信息進行了處理，駕駛員的警惕性降低，從而導致駕駛員的瞳孔直徑逐漸減小。說明駕駛員在該時間段內的視覺的警惕性降低，路況信息所帶給駕駛員的刺激不大，駕駛員的信息處理策略變得簡單。

總體而言，在駕駛員這16s 瞳孔直徑的變化規律可以看出，駕駛員在未看見交通標志時，駕駛任務輕松，駕駛員的心理負荷較小，駕駛員的瞳孔直徑幅度不大。在駕駛員看見交通標志時，交通標志給駕駛員視覺上的刺激，導致駕駛員的瞳孔直徑變大，警告標志對駕駛員的視覺影響最大，增大駕駛員的信息處理的困難程度，加大駕駛員的心理負荷程度，使駕駛員的瞳孔直徑變大。

3.3 交通標志對駕駛員掃視幅度影響

根據研究表明，駕駛員看到交通標志的時候，由于需要處理信息量，視覺的搜索范圍就越廣泛，與此同時，駕駛員的心理壓力越明顯，掃視幅度也隨之增大。交通標志對駕駛員掃視幅度影響如圖4 所示。

圖4 掃視幅度隨時間的變化圖

根據圖4 分析可知：

當駕駛員看到不同交通標志的掃視幅度不均勻的分布在1° -25° 之間，其中大部分集中在1° -15° 之間。根據掃視幅度的變化幅度可知駕駛員看到交通標志的平均掃視幅度隨著時間的變化而上下浮動，駕駛員看到三種交通標志的掃視幅度的波動范圍的大小是相同的。前10s 掃視幅度變化水平較小，且駕駛員的掃視幅度大約集中在2° 到10° 波動，在10s-13s 之間駕駛員的掃視幅度逐漸增大，在13s 后駕駛員的掃視幅度逐漸減小；在第10s 之后看見交通標志并對交通標志所提供的信息進行處理，導致駕駛員的視覺搜索范圍就加大，隨之駕駛員掃視幅度大幅度增大，掃視幅度達到15° 到25° 左右；在13s-16s 之后駕駛員的掃視幅度恢復到2° 到10° 之間，說明此時需要駕駛員更多的注意來關注周圍的車輛情況。

總體而言，通過對比駕駛員觀察不同交通標志的掃視幅度的總體變化趨勢發現，駕駛員在看到不同的交通標志時駕駛員的掃視幅度變化趨勢大致相同，當駕駛員在未看到交通標志，駕駛員為了行車安全看周圍的車輛的行駛情況，掃視幅度較小。當駕駛員看到交通標志時，由于交通標志設置的位置所以駕駛員的掃視幅度增大。

4 結論

為了研究城市道路交通標志對駕駛員視覺影響，本文分析五位駕駛員在城市道路行車過程中的眼動數據的變化規律，并對不同種類交通標志對駕駛員視覺進行分析，得到的結論如下：

（1）駕駛員觀察不同交通標志的掃視幅度的變化幅度波動范圍的大小是相同的，說明不同交通標志對駕駛員的掃視幅度影響不大。

（2）通過對不同交通標志對駕駛員的注視持續時間影響分析，指路標志對駕駛員的注視持續時間影響明顯。

（3）駕駛員觀察警告標志時，瞳孔直徑變化幅度較大，說明警告標志對駕駛員的瞳孔直徑變化影響顯著。