基于視認特性的互通區出口指路標志形式比較分析*

李賢鈺

(1.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 上海 200092；2.上海智慧交通安全駕駛工程技術研究中心 上海 200092)

標志設置是互通區出口處交通誘導的主要手段，出口標志需要多級傳遞才能將完整的消息傳達給駕駛員，最大化標志信息的可理解性和最小化傳遞所需的時間的雙重必要性是顯而易見的[1]。但過多的標志信息量會導致較高的負荷和較長的反應時間[2]，復雜的視覺環境也會影響通行效率。

美國《交通控制設施手冊》MUTCD中對于高速公路指路標志字符數量有規定，指路預告和出口方向標志上的地點或街道名不能超過2個[3]。我國規范規定同一地點的標志個數不能超過4個[4]，但未對標志范圍內的標志信息總量進行限制。NCHRP建立了標志群產生的信息負荷回歸模型，過多或過少的信息量都容易導致事故發生，存在一個最佳信息量使得事故數最少[5]。有的研究者利用信息理論研究“特色交通標志”，認為信息量閾值為286.3 bit。眼動儀[6]被研究者們廣泛用于分析指路標志信息量與視認反應時間的定量關系：同一位置最大路名數為5個，當路段限速增加時，過載閾值減小。

駕駛人對外界信息的輸入主要依靠視覺，一次注視由若干個小幅度眼動行為構成，人的視覺行為主要有注視(fixation)、掃視(saccade)、眨眼(blink)和閉眼(eye closure)。交通標志對駕駛行為也會產生影響。車速的變化和緊迫程度會影響駕駛員對于交通標志的反應和理解水平，通過反應時間能推斷交通標志的辨認距離。美國國家公路交通安全局研究了駕駛員在跟車時的眼睛注視行為，得出了駕駛員視線離開道路前方的時間分布和注視位置分布。

標志視認性以易讀性為關鍵，表示能在瞬間理解其含義。本文以標志視認模型為基礎，從駕駛員眼動指標及駕駛行為參數2個角度出發，運用駕駛模擬軟件設計對比實驗，比較F型標志和常規標志在標志視認性方面的特點。

1 標志信息量的量化

1.1 高速公路標志視認模型

駕駛人對交通標志從識別到完成整個動作的時間分為發現交通標志、判讀理解、決策、采取行動4個步驟。具體模型見圖1。圖1中S處為標志所在位置，行駛中駕駛員在A點發現標志S，在B點開始讀取標志信息，直至C點將標志內容完全讀完。經過駕駛員反應決策后，從D點開始行動，直至F點行動完成，DF距離稱為行動距離，駕駛員在這段距離內完成換道、減速等必要動作。如果閱讀后距離(CS)比消失距離(ES)短，則駕駛員不能從容讀完標志。如果要保證駕駛員能從容讀完標志，則得到下列約束條件。

圖1 高速公路標志視認模型

DF=CS+SF-CD≥(n-1)·

(1)

式中：n為車道數；L為改變1次車道所需要的距離，m；a為減速度(一般為0.75～1.5 m/s2)；v1為接近速度(采用85%為車速值或限速值)，m/s；v2為出口匝道的分流點等危險點處的速度，m/s。

根據模型，DS(行動點距標志距離)通過駕駛行為參數(轉向盤轉角、橫向偏移、橫向加速度等)較易獲取，因此本研究采用DS作為衡量標志易讀性的駕駛行為參數。DS越大表明駕駛員變道越早，閱讀標志和決策(BD)用時越短，標志易讀性越強。

DS=BS-BD

(2)

1.2 標志信息量的量化方法

標志信息量常用的量化方法有信息熵法和信息條數法[9]。

1) 信息條數。出口預告標志及出口標志，“編號+距離”或“編號+方向”為1條信息，“地名+距離”或“地名+方向”為1條信息。

2) 信息熵。對于交通標志信息源，版面上的文字、圖形、符號是組成交通標志的信號，信息熵的定義如式(3)所示，信息熵是信息量的期望，因此可用h(x)表征單個標志信息量。為了簡化計算，假設一個子集中包含的所有元素出現的概率相等，即p(xi)=1/m。

(3)

h(x)=-lbp(x)

(4)

式中：H(x)為某一事件所具有的信息熵；h(x)為標志信息量，bit；p(xi)為該事件中第i信號可能出現的概率；xi為該事件中第i個信號；m為該事件各種不同信號的總數。

具體對于高速公路的指路標志而言，將其子集劃分為7類，則各元素等概率出現所包含的信息量見表1。

表1 高速公路指路標志中各元素的信息量

據此，1塊具體的指路標志的信息量即為各子集信息量之和。

I=∑h(xi)

(5)

式中：I為總信息量；h(xi)為第xi個標志信息量，bit。

2 實驗設計及數據采集

本研究從信息量優化角度入手，提出F型標志，加入傳統標志和信息過載標志作為對比，研究不同信息量標志在視認性方面的特點。

2.1 標志方案設計

標志方案設計包含以下3種標志。

1) 傳統標志。傳統的出口指路標志，所有出口信息為一字排列，下方伴有出口箭頭及預告距離。信息熵低，信息條數少，其中信息量閾值取參考值256.02[10]。

2) 信息過載標志。傳統出口標志+多文字一級地名，信息一字排列。信息熵高，信息條數多。

3) F型標志。將出口標志與一級地名通過字母F(樹杈)連接，顯示在一塊標志中，標志牌尺寸為1 000 cm×390 cm。信息熵中等，信息條數多。相比對照組標志，F型標志傳遞的信息條數明顯增加，與信息過載組相近；但信息熵增加不明顯，保持在閾值之內。

為確保駕駛員對標志內容未知，3種標志方案設置文字個數相近，但內容不相同，3種標志方案信息量見表2。

表2 不同標志信息量對比

2.2 數據采集

采用同濟大學八自由度駕駛模擬器進行實驗(見圖2)，通過SCANeR軟件采集駕駛行為參數，包含速度、加速度、轉向盤轉角等；同時給駕駛員佩戴Dikablis眼動儀，通過D-Lab分析平臺采集駕駛員眼動數據，包括注視時間、注視頻率和掃視時間，具體見表3。

圖2 同濟大學八自由度駕駛模擬器

表3 駕駛模擬數據采集

本實驗招募了30名擁有機動力駕駛證的合格實驗者，均具有豐富駕駛經驗。實驗者年齡范圍為25.0～42.0歲(平均值30.2歲，標準差4.5)；駕駛年限范圍為6.0～13.0年(平均值7.2年，標準差3.6)；駕駛里程為0.8萬～20萬km(平均值5.4萬km，標準差3.1)。

實驗前告知駕駛人駕駛任務：當駕駛人看清標志內容后向右側變換1個車道，共需變換4次車道。

3 標志視認性分析

出口標志視認性能夠通過駕駛人認讀時間直接反映，認讀時間越短，換道操作點距標志距離越長，注視及掃視時間也越短。本文從眼動指標和駕駛行為參數入手，通過人-車層面的分析結合，結果相互驗證，確定不同標志的視認性特點。

3.1 眼動指標分析

眼動指標包括平均注視時間、注視頻率和平均掃視時間，駕駛員視認規律為先注視后掃視，2個時間不存在包含關系。駕駛員的注視、掃視時間越短，注視頻率越低表明標志易讀性越好，將3組實驗的3個眼動指標數據繪制柱形誤差圖見圖3。

由圖3可見，注視時間方面，對照組的平均注視時間明顯低于信息過載組和F型標志組，說明對照組標志信息量較少，駕駛員易于視認；相較于對照組，信息過載組的平均注視時間偏高，信息量偏大；F型標志組平均注視時間也較對照組偏大。注視頻率方面，信息過載組標志的注視頻率最高，說明信息過載組標志的信息量大，駕駛員對標志關注程度高；F型標志組較信息過載組標志信息量偏少，注視頻率較低；3組中對照組注視頻率最低，易讀性好。平均掃視時間方面，信息過載組的掃視時間最高，說明標志牌橫向設置多，信息量大，易讀性較差；對照組信息量少，較信息過載組在掃視時間上有優勢；相比這2組標志，F型標志的掃視時間最短，視認性最好。

圖3 組間眼動指標對比

對3個眼動指標分別進行3次單因素方差分析，檢驗結果見表4。結果顯示，在顯著性水平α=0.05的水平下，僅有掃視時間的p<0.05，說明標志內容對掃視時間產生顯著性影響，而對注視時間和注視頻率產生的差異則不明顯。

表4 方差分析檢驗結果

3.2 駕駛行為參數分析

3.2.1基于BP神經網絡的換道起終點辨識

為獲取變道起點距標志距離(DS)，以對照組為例繪制互通區出口駕駛行為參數見圖4，圖中4條虛線從左到右依次代表2 km、1 km、500 m及出口標志的設置位置。數據顯示橫向速度和轉向盤轉角換道時會有明顯特征，因此采用橫向操作參數進行車輛換道起終點的判別。采集參數中的5個橫向指標數據均能反映換道特征，為確定更準確的結果，建立BP神經網絡對其進行識別。

圖4 互通區出口駕駛行為參數

以橫向操作參數作為輸入，建立2層的前饋神經網絡，第1層為隱藏層、含有10個隱藏神經元，第2層輸出層、分為車道保持和向右換道2個單元。識別結果顯示，5種指標識別率均能達到80%以上，識別率最高的為轉向盤轉角速率，準確率達到89.36%，因此以轉向盤轉角速率辨識得到的換道點作為最終結果。

3.2.2變道起點距標志距離

以轉向盤轉角速率得到的駕駛員變道起點坐標與標志設置坐標之差即為變道起點距標志距離(DS)，結果見圖5。圖5a)顯示信息過載組較對照組變道位置普遍偏晚，說明標志的信息過載對駕駛員認讀標志造成干擾，認讀時間增長，導致變道起點比對照組晚。F型標志組較信息過載組變道早，雖然兩者傳遞信息條數相近，但信息熵卻相差較大，說明F型標志在視認性上較傳統標志存在優勢。F型標志組在2 km和500 m標志處比對照組有優勢，但另外2處標志則表現相近。

圖5 變道起點距標志距離對比

為了明確標志內容的差別對DS距離產生的差異是否顯著，對數據進行方差分析，因素為標志內容，分為對照、過載和F型3個水平。結果顯示平方和為4 268.8，均方和為2 134.4，F值為10.20，在顯著性水平α=0.05的水平下p值為9.61×10-5<0.05，說明不同標志內容對DS距離產生了顯著差異。DS距離均值圖5b)顯示F型標志的變道起點距標志為381 m，對照組的正常型標志變道起點距標志距離為373 m，信息過載組的標志變道起點距標志距離為360 m，F型標志分別比對照組和信息過載組變道早了8 m和21 m，說明F型標志視認時間最短。

對駕駛行為參數分析的結果表現出與眼動指標參數相似的趨勢。視認特性角度分析反映的是人眼對于標志視認性優劣的判斷；而駕駛行為特性是通過操作反映標志視認性的優劣。前者為外界信息的輸入，后者為駕駛指令的輸出，二者聯系為相互補充和印證的關系，共同印證了F型標志的視認性強的特點。

4 結語

本文比較了常規標志和F型標志在視認性方面的特點。相比傳統標志，F型標志信息條數明顯增加，達到與過載標志相近水平；但信息熵增大不明顯，在閾值范圍內。通過設計駕駛模擬實驗，從眼動指標和駕駛行為參數2個角度分析了其在信息量傳遞方面的特點。結果顯示，眼動指標中注視時間和注視頻率表現與信息過載組相近，掃視時間為3組中最優0.98 s，眼動指標綜合表現介于對照組和信息過載組之間。F型標志的換道點為3組中最早，距標志381 m，分別比對照組和信息過載組變道早了8 m和21 m。結合F型標志信息量的優勢，以及眼動指標和駕駛行為參數的表現，得以驗證F型標志具有視認性強的特點。