草原公路平曲線交通標志設置類型對駕駛人視覺特性的影響

呂貞， 王海曉， 丁旭

(內蒙古農業大學能源與交通工程學院， 呼和浩特 010018)

公路平曲線的平均事故率遠高于直線段[1]，中國近36%的雙車道公路事故發生在平曲線上[2]。而平曲線段事故的發生與駕駛員進入平曲線時感知不足而導致的認知判斷失誤及車速控制不當密切相關[3-5]。因此，通常通過在公路平曲線段設置線形誘導標、減速標線、警告標志或限速標志等交通安全設施，以引導與警示駕駛人及時感知道路線形的變化，并進行正確判斷操作，確保公路平曲線段行車安全[6]。

中外學者對公路平曲線段交通標志的設置及其有效性的研究主要集中在交通標志的類型、信息量、設置間距對駕駛人的眼動、行車速度的影響分析方面。Zhao等[7]采用模擬手段研究了公路不同半徑、不同轉向平曲線段線形誘導標志設置對駕駛行為的影響，發現線形誘導標的設置對駕駛人能起到警示、引導的作用，使其降低行車速度，行車軌跡保持穩定，線形誘導標的作用受平曲線段轉向的影響，與平曲線轉彎半徑的大小無關。Wu等[8]研究了高速公路出口匝道區域線形誘導標的設置對駕駛人眼動、駕駛行為及心電的影響，結果表明，設置線性誘導標會增加駕駛人對路側標志的關注度，使其行車速度降低，心率降低。Comte等[9]分析了可變信息標志、減速標志、減速丘等對駕駛人平曲線段車速的影響，發現所有方法對駕駛人降低行車速度均有效果。Guan等[10]研究發現駕駛人在平曲線時的減速行為與其在平曲線行駛時的信息獲取量及反應高度相關。韓磊等[11]研究了草原公路平曲線不同信息量水平線形誘導標設置下駕駛人的眼動特性，并據此提出平曲線交通設施適宜的信息量水平。朱守林等[12]分析了不同信息量條件和駕駛熟練程度對駕駛員視覺特性的影響規律，結果表明駕駛員在10～2 bits信息量條件下的視覺強度特征表現最佳，熟練駕駛員注視分布區域比非熟練駕駛員更遠、更分散，非熟練駕駛員在平曲線段行車過程中視覺負荷較高。楊波等[13]選取瞳孔直徑和掃視幅度兩項眼動指標分析了草原公路線形誘導標對駕駛人視覺特性的影響，發現線形誘導標的設置對駕駛人的瞳孔直徑與掃視幅度有顯著影響。楊波定量分析了不同標線寬度和布設方式下，熒光標線視認性對駕駛員注視點占比和瞳孔面積變化率影響的規律，結果表明曲線路段標線施劃在車道邊緣線外側且間距為9 m效果最佳。

綜上，中外學者在公路平曲線交通標志設置及其對駕駛人的感知、行為、負荷等的影響方面進行了一定研究，但試驗大多在虛擬駕駛場景中進行，且研究對象以高速公路平曲線為主。草原公路路側景觀色彩單一，地形起伏小，線形以長直線接大半徑曲線為主，縱坡小，交通標志、標線等設施設置不合理、不完善，駕駛人在直線段行車時會不自覺的產生加速行為，一旦遇到線形變化(平曲線)，加之交通標志等交通工程設施的設置難以滿足駕駛員的視認性要求，使駕駛人難以做好線形變化的準備，極易導致交通事故的發生[14-15]。而目前針對草原公路平曲線交通標志設置對駕駛人的影響研究較少，主要集中在平曲線交通標志的總體信息量、平曲線段線形誘導標對駕駛人視覺、生心理的影響，且相關研究均依托駕駛模擬平臺進行，并未針對草原公路平曲線交通標志設置現狀開展實駕試驗，探究交通標志設置類型對駕駛人視覺特性的差異性，進而對比分析其有效性及合理性。為此，在草原公路平曲線段交通標志設置現狀調研的基礎上，選擇設置不同類別交通標志的典型草原公路平曲線段開展實駕試驗，探究交通標志的設置類型對駕駛人注視強度、視點轉移及視覺負荷等動態視覺行為的影響，為進一步分析平曲線段不同類別交通標志對駕駛人駕駛行為的影響提供理論依據，為草原公路平曲線交通標志設置的優化設置提供實踐指導。

1 試驗方案設計

為了全面、真實反映駕駛人在設置不同交通標志的平曲線段的動態視覺特性及負荷的變化規律，本文選取典型草原二級公路開展實駕試驗，同步采集駕駛人各項眼動指標，并對道路行車環境中的各項可能干擾因素進行控制，具體試驗方案設置如下。

1.1 試驗人員

代表性樣本的選擇是獲取有效試驗數據的前提，根據預期方差、目標置信度和誤差幅度計算試驗所需樣本量。計算公式為

N=Z2σ2/E2

(1)

式(1)中：N為樣本量；Z為標準正態分布統計量；σ為標準偏差；E為最大允許誤差；顯著性水平取10%，則Z=1.25，σ的取值范圍為0.25～0.5，考慮實駕試驗人數的限制，取σ=0.3，E取10%。

根據式(1)求得所需最小樣本量N=14，招募14名駕駛人作為被試，年齡在36～50 歲(平均值Mmean=41.5，標準差SD=7.2)，駕齡均在三年以上(Mmean=8.3，SD=5.6)。各被試均具有法定的駕駛執照，視力正常，試驗前身心狀態良好，滿足試驗要求。

1.2 試驗設備

通過對試驗路段行駛車輛車型調查發現約80%是乘用車，因此選擇車況良好的帕薩特小轎車作為試驗車輛，如圖1(a)所示。眼動數據采集采用德國SMI生產的I view X HED型頭盔式眼動儀，該設備可以實時記錄駕駛人注視、掃視及眨眼等眼動數據及眼動錄像，眼動儀的采樣頻率設置為50 Hz/s，眼動儀及眼動數據采集界面如圖1(b)、圖1(c)所示。試驗結束后，采用眼動儀配套的BeGaze2.4數據分析軟件對眼動數據進行提取和分析，數據分析界面如圖1(d)所示。試驗車輛內配備數位式手持照度計和噪聲儀，用于測量試驗車內照度和噪聲，以確保試驗條件的一致性。試驗配備附屬設備包括筆記本電腦、大容量蓄電池、12 V直流蓄電池等，以確保試驗的持續進行及試驗數據的完整記錄。

圖1 試驗主要設備Fig.1 Main equipment of test

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗路段及方案

通過對草原公路平曲線段交通標志設置情況調研發現，現狀草原公路平曲線段交通標志的設置型式主要有無標志、線形誘導標、線形誘導標+減速標、雙側示警樁。為了確保試驗平曲線段涵蓋上述交通標志設置類型，選擇內蒙古錫林郭勒盟境內S101賽漢塔拉至滿都拉圖段作為試驗道路，道路總里程為152.492 km，該路段共有平曲線56條，曲線半徑R≥400 m的曲線段占比95%，包含試驗所需的各類交通標志設置平曲線段。試驗路段基本道路交通信息如表1所示。

表1 試驗路段道路交通參數Table 1 Road and traffic parameters of test road section

為了在試驗過程中盡可能排除外界環境條件對設備和駕駛人狀態產生影響，試驗選在天氣狀況良好的上午進行，借助數位式手持照度計和噪聲儀測量車內照度和噪聲，確保試驗過程中光照強度水平基本一致，且噪聲控制在70 分貝以下。試驗分兩個階段進行，首先進行5 km長的駕駛適應訓練，使被試人員適應駕駛環境及設備，進入正常的駕駛狀態，接著進行第二階段的正式試驗。在正式試驗中，要求被試關閉車內與試驗無關的電子設備，按照日常駕駛習慣完成駕駛任務，將行車速度控制在最高限速(80 km/h)范圍內，且在平曲線段不允許駕駛人進行超車，試驗全程避免與車內工作人員交談，試驗總用時約2 h。

1.3.2 試驗數據提取

為最大限度控制平曲線半徑、長度、轉向等因素對試驗結果的影響，選取曲線半徑、長度、轉向基本一致且交通標志設置分別為無標志、線形誘導標、線形誘導標+減速帶、示警樁的4 個平曲線段眼動數據進行對比分析，各曲線段基本信息如表2所示，眼動數據截取范圍、各控制點、相應段名稱及試驗場景視點圖如圖2所示。

2 試驗結果與分析

在駕駛人動態視覺特性研究中，通常認為注視是反應駕駛人道路交通信息收集及辨識駕駛人意圖的有效視覺行為，具體指標包括注視時長、注視頻率、注視點位置等[16-17]。因此，選擇注視時長、注視頻率、注視點位置等注視指標表征駕駛人在設置不同交通標志平曲線段行車的信息收集和視覺轉移特征。

表2 不同交通標志類型曲線段基本信息Table 2 Basic information on curve segments with different traffic sign types

CP為控制點；AC為過渡段起點；PC為彎道起點；MC為彎道中點；EC為彎道終點；CP-AC為控制段；AC-PC為過渡段；PC-MC為入彎段；MC-EC為出彎段圖2 試驗路段分段標志及設置Fig.2 Segmentation and sign setting of test road

2.1 平均注視時長與注視頻率

平均注視時長是指駕駛人對某一固定區域的所有注視持續時間的平均值。可以反映駕駛人在該區域花費的時間，從該區域提取信息的難易，能夠測量認知負荷的狀態。注視頻率指駕駛人單位時間內的注視次數，注視次數越多，說明駕駛人的搜索效率越低。對駕駛人行經設置不同交通標志的平曲線的平均注視時長、注視頻率數據進行統計分析。經檢驗，不同交通標志設置條件下駕駛人的眼跳頻率滿足正態性與方差齊性(F=0.089 7，P=0.914 4)，滿足單因素重復測量方差分析要求，單因素重復測量方差分析結果如表3所示，不同交通標志平曲線段注視時長與注視頻率圖如圖3所示。

表3 不同交通標志下指標顯著性計算結果Table 3 Results of index significance in different traffic signs setting

圖3 不同交通標志平曲線段注視時長與注視頻率Fig.3 Fixation duration and frequency on horizontal curves with different traffic signs

結合表3、圖3可以看出，不同交通標志設置條件下駕駛人的平均注視時長與注視頻率均存在顯著差異，在無標志與設置示警樁設施下，注視時長與注視頻率相較于線形誘導標設施均較大。根據Turkey檢驗結果，設置線形誘導標與無標志及設置示警樁條件下平均注視時長和注視頻率均存在顯著差異。這是因為在不設置交通標志的平曲線段，駕駛人無法獲取任何引導或者警示，只能靠自身去感知道路線形及交通環境的變化，因而需要多次注視并花費較長的注視時間去搜集道路交通相關信息。而在設置示警樁設施的平曲線段，由于紅白相間示警樁在道路兩側對稱設置，使得駕駛人在短時間內需要感知的信息量短時增加(除了道路線形變化外，同時包括示警樁本身)因而駕駛人必須不斷關注前方道路交通信息的變化，導致其在平曲線段注視時長與注視次數的顯著增加。在設置線形誘導標及線形誘導標+減速帶的平曲線段，駕駛人的注視時長與注視頻率均較低，且設置線形誘導標+減速帶的平曲線段駕駛人的注視時長大于單純設置線形誘導標的平曲線段，但兩者之間的差異并不顯著。這與韓磊針對草原公路不同信息量水平下駕駛人平均注視時長的研究結果一致，其研究結果表明，在信息量為Q0(無標志)及信息量為Q5(線形誘導標+示警樁)的路段，駕駛人的注視時長均較長[18]。說明線形誘導標的設置能夠有效合理引導駕駛人的視線，駕駛人無需多次且較長注視時間獲取道路交通信息，減速帶的設置對駕駛人平均注視時長及注視頻率的影響不大。

2.2 注視強度

當車輛以一定的速度行經平曲線段時，道路信息量的強度會影響駕駛人的注視時長與注視次數，Hong等[19]將注視時長與注視次數的乘積定義為注視強度，也稱單一動視點指標，用于表征一定的速度和道路信息量下駕駛人信息處理的能力。為進一步對比不同標志平曲線段駕駛人注視強度的變化規律及其差異性，計算不同標志平曲線控制段、過渡段、入彎段、出彎段駕駛人的注視強度。用aij表示駕駛人在設置第i類交通標志的第j段的注視強度，其表達式為

aij=TaijNaij，i,j=1,2,3,4

(2)

式(2)中：i為交通標志的類型，i=1,2,3,4分別為無標志、線形誘導標、線形誘導標+減速標、示警樁；j為平曲線的各段，j=1,2,3,4分別為平曲線控制段、過渡段、入彎段、出彎段；aij為駕駛人在設置第i類交通標志的第j段的注視強度，無量綱；Taij為駕駛人在設置第i類交通標志的第j段平均注視時長，s；Naij為駕駛人在設置第i類交通標志的第j段單位時間內平均注視次數，次/s。

草原公路平曲線各類交通標志設置條件下不同段的注視強度分布規律圖如圖4所示。可以看出，設置雙側示警樁的平曲線段駕駛人的整體注視強度最高，無標志的平曲線段整體注視強度其次，設置線形誘導標、線形誘導標+減速帶的平曲線段居中。說明線形誘導標的設置有助于引起駕駛人的關注并引起警覺，但不會對駕駛人產生過大視覺及信息處理負荷，而無標志和雙側示警樁設置情況因信息量過小和過大均會增加駕駛人獲取及處理信息的難度。就平曲線不同段而言，除無標志段外，其他三種設施的控制段駕駛人的注視強度最大，過渡段、入彎段的注視強度呈現一定的下降趨勢，在出彎段有一定增加。說明當駕駛人接近平曲線段控制段時，道路線形的變化及交通標志的出現會使駕駛人短時信息感知需求與負荷出現較大的增加，而在進入過渡段、入彎段時，駕駛人已經對標志及線形變化產生適應，因而注視強度有所下降，而在出口段交通標志的“消失”帶來的信息的變化會

圖4 不同標志平曲線段注視強度分布規律圖Fig.4 Fixation intensity distribution of different signs on horizontal curves

使駕駛人產生一定警覺，導致其注視強度出現增加，而在無標志的各段注視強度的變化范圍較小。這與韓磊針對基于駕駛人視覺特性的草原公路平曲線交通標志信息量的研究結論有相似之處，其研究結果表明，在信息量層級為Q2(11 個線形誘導標志)下駕駛人的注視強度最低，而Q0(無標志)、Q1(6個線形誘導標志)、Q3(16個線形誘導標志)、Q4(17個線形誘導標志+8個雙側連續警示樁)則均較高，說明交通標志信息量過小或過大均會增加駕駛人對道路交通信息的感知和處理難度，使得注視強度較大，但其研究是基于駕駛模擬平臺進行，也未對平曲線進行分段，對比分析駕駛人在平曲線段行駛過程中注視強度的變化規律[20]，本實駕試驗研究結果為其結論提供了有效驗證及補充，表明線形誘導標及線形誘導標+減速帶兩種標志設置下駕駛人的感知和處理難度最小，但本文并未考慮線形誘導標等交通標志的數量因素對注視強度的影響，有待進一步細化研究。Hong等[19]針對城市道路S形路段的注視強度的研究表明，駕駛人在事故率高發的S形路段的出彎段(反向彎道)段的注視強度大于入彎段(第1彎道)，駕駛人在出彎段的注視時長或者注視次數，或者兩者均大于入彎段，說明在反向彎道駕駛人面臨較大的信息感知需求，需要通過增加注視時間或者次數來獲取更多的道路交通信息，以做出判斷和決策[18]與本文注視強度反映的變化規律基本一致。

2.3 注視點分布及轉移規律

從上述平均注視時長與注視頻率的分析可知設置不同類型交通標志的平曲線段駕駛人的注視特性存在明顯差異，為進一步分析平曲線段不同交通標志下駕駛人注意力空間分配特性的差異性，對駕駛人注視空間區域進行劃分，從駕駛人注視轉移概率、注視熵角度分析駕駛人在草原公路平曲線段各類交通標志設置條件下視覺感知的差異性。

2.3.1 興趣區域劃分

研究草原公路平曲線段駕駛人注意力分配特性和注視轉移模式需要先劃分注視興趣區域(areas of interest, AOI)。興趣區域劃分的方法有機械劃分法、逐幀統計法、動態聚類法等多種[21]。參考韓磊等[20]、趙曉華等[22]注視點興趣區域的劃分方法，將駕駛人的注視區域劃分為左側及景觀區域(left area, LA)、道路遠處區域(far lane, FL)、道路近處區域(near lane, NL)、右側及景觀區域(right area, RA)4個興趣區域，駕駛人注視興趣區域的劃分如圖5所示，各區域名稱縮寫及坐標范圍如表4所示。

圖5 AOI的劃分Fig.5 Division of AOI

表4 各興趣區域名稱縮寫及坐標范圍Table 4 Abbreviations and coordinate range of AOI

2.3.2 各興趣區域注視點轉移概率及特征

在駕駛過程中，為了全面獲取道路交通信息，駕駛人的注視點會在不同的興趣區域之間轉移，定義Pij為駕駛人注視點由興趣區域i轉移到j的概率，則Pij的計算公式為

(3)

根據上述興趣區域的劃分及注視轉移概率的計算方法，對駕駛人行經不同類別交通標志平曲線段的注視區域轉移概率進行統計計算并繪制注視轉移概率熱點圖(圖6)。

從圖6可以看出，在無交通標志的平曲線段，駕駛人的注視點范圍較窄，注視轉移路徑相對單一，主要集中在道路前方近處NL、道路前方遠處FL及右側區域RA。其中，對道路前方近處NL內部注視轉移比例最多，占比25.8%；其次為道路前方遠處FL，占比16.2%。駕駛人的注視點在道路前方近處與道路前方遠處FL、右側區域之間的注視轉移比例相近，均在約11%，同時，駕駛人的視點在右側區域與其他區域之間均有一定的轉移概率，說明在無標志的平曲線段，由于行車環境信息量不足且平曲線轉向為右轉，使得駕駛人將注視點集中在道路前方與右側區域的比例較大，時刻關注道路線形的變化。

在設置線形誘導標的平曲線段，駕駛人的視點分布范圍較廣，在道路前方遠處F)、近處NL，左側LA、右側區域RA均有一定的視點轉移。其中，在道路前方近處NL內部轉移的概率較大，占比23.1%，其次是在道路前方遠處FL的內部轉移，占比為17.16%。駕駛人視點在道路前方近處NL與道路前方遠處FL、右側區域RA之間的注視轉移概率相近，集中在8.6%～11.3%。說明平曲線段線形誘導標的設置對駕駛人的視線有很好的誘導作用，駕駛人除了對重點區域(道路前方)有較多關注外，其注視點在各不同注視區域之間均有一定的轉移，以便及時、全面獲取道路交通信息。這與韓磊等[20]在模擬駕駛條件下的研究結果有一定相似處，其研究表明在Q2條件(6個線形誘導標)下，被試行車時獲取交通信息的注意分配較為全面，在較多的注意資源分配給獲取信息的重要區域的同時，為避免潛在威脅而對其他非重點區域予以適當關注，此時被試的認知過程和視覺搜索策略更為靈活，但其平曲線段轉向為左轉，因而駕駛人在左側區域(A區域)與道路前方之間的注視轉移概率要大于右側區域[20]，而試驗路段為右轉平曲線段，線形誘導標設置在道路左側，駕駛人的視點在左側區域與道路前方近處與遠處之間也有一定的轉移，但轉移概率較小。

在設置線形誘導標+減速帶的平曲線段，駕駛人注視點范圍相較于無交通標志較為分散，注視轉移路徑較多，主要轉移發生在道路前方近處NL、道路前方遠處FL及右側區域RA之間，其中對于道路前方近處NL的關注程度最強，占比達31.8%，而對

圖6 不同標志下駕駛人注視轉移概率熱點圖Fig.6 Heat map of gaze transition probability on horizontal curves with different traffic signs

道路前方遠處區域FL的關注程度下降(8.2%)，這是因為減速帶的設置引起駕駛人的警覺，使其需要時刻關注道路前方近處減速帶的位置，以便控制行車速度。其次，駕駛人的視點在道路前方近處NL與道路前方遠處FL、右側區域RA之間的轉移概率相近，說明駕駛人除了關注道路前方近處區域獲信息外，還需要留意道路前方遠處及右側區域，以便實時獲取道路及行車環境信息。另外，因為平曲線段轉向為右轉，駕駛人將部分視點轉移向右側區域，關注道路線形的變化，以便合理調整方向。可見，與單純的線形誘導標設置條件相比，增加了減速帶后，駕駛人的注視點轉移規律會出現較大的變化，且變化主要是集中在道路前方遠處與道路前方近處之間，說明線形誘導標+減速帶的設置除了對駕駛人有一定的引導作用外，還會對駕駛人有一定的警示，使其駕駛行為出現變化，因此有必要在視覺特性的基礎上進一步分析不同交通標志設置條件下駕駛人駕駛行為，尤其是行車速度及轉向操作的變化規律[25]。

在設置雙側示警樁的平曲線段，駕駛人注視點范圍分布最為分散，除了有較大的比例集中于道路前方近處NL外(占比27.4%)，在道路前方近處NL與道路前方遠處FL、右側區域RA、左側區域LA均有一定比例的注視轉移。其中，注視點在左側區域LA、道路前方近處NL、右側區域RA之間的轉移概率明顯增加，且對右側區域的關注程度要大于左側。說明雙側示警樁對駕駛人產生的警示作用很強，除了關注道路前方區域外，駕駛人需要將較多的視點轉移向左側區域，右側區域，以便及時調整車輛方向，因此雙側示警樁的設置導致駕駛人的注視強度較大，與示警樁設置條件下駕駛人注視強度的規律一致。可見，與線形誘導標及線形誘導標+減速帶的引導與警示功能對比，示警樁的設置對駕駛人而言具有更大的警示意義，因此有必要在研究基礎上對比分析線形誘導標與示警樁對駕駛人生心理及駕駛行為的影響。

3 結論

通過對比分析草原公路平曲線段不同交通標志設置類型下駕駛人注視強度的變化規律及動態視覺轉移規律，得出如下結論。

(1)在設置線形誘導標及線形誘導標+減速帶的平曲線段，駕駛人的平均注視時長與注視頻率均較小，而在無標志及設置示警樁的平曲線平均注視時長與注視頻率均較大。平曲線不同段駕駛人的注視強度均呈現先下降后略微上升的趨勢。

(2)不同交通標志設置下，平曲線段駕駛人的注視轉移特性規律存在顯著差異。無標志條件下駕駛人的注視點最為集中，而設置示警樁的條件下視點最為分散，在設置線形誘導標及線形誘導標+減速帶的平曲線段駕駛人的注視點范圍較廣，轉移概率分布變化相對均勻。

(3)根據注視強度及注視點轉移概率的變化規律，線形誘導標及線形誘導標+減速標志的設置能引起駕駛人的注意，但不至于對其造成較大的視覺負荷，因此從駕駛人感知角度出發，在草原公路平曲線段設置線形誘導標或線形誘導標+減速帶能對駕駛人起到較好的引導與警示作用。

(4)從交通標志設置類別對駕駛員視覺特性方面進行了研究，尚未考慮各類交通標志設置數量、間距及平曲線半徑、轉向等因素對視覺特性的影響，有待做進一步的深入細化研究。同時，依據駕駛人反應操作過程，還需對駕駛人在草原公路平曲線不同類別標志設置下生心理及駕駛行為的變化規律進行對比分析，以便為草原公路平曲線段交通標志的優化設計與設置提供充分的理論依據。