草原公路交叉口指路標志信息量對駕駛員認知特性影響分析

李航天, 楊鋒, 劉昱忻, 盧姍, 蘇杭

(內蒙古農業大學能源與交通工程學院, 呼和浩特 010018)

道路交通標志作用是為駕駛員提供精確可靠的公路信息,指路標志是其中重要的組成部分。中國對于指路標志信息量、設置距離等雖有相應的設置建議,但在實際駕車時,需要根據不同地區實際情況做出相應調整。草原公路交通車流量較低,道路線形以長直線為主,平面交叉口較多,在此環境行車時駕駛員視覺上的刺激低,注意力無法集中,特別在交叉口這種需要變道和應對突發情況的特殊路段,信息量過載或過低均會影響駕駛員行車安全性[1-2]。因此,針對草原公路交叉口路段的現狀,對其指路標志信息量進行優化研究,確保路網交通的通行效率,降低交通事故的發生率以及優化草原公路交通人機系統方面具有重要意義。

在標志牌信息研究方面,Yang等[3]通過模擬實驗選取特性指標研究,發現地名數小于7條,多板標志會產生更多腦力負荷;Huang等[4]通過模擬實驗獲取被試在單、雙語標志時的眼動和駕駛數據,發現地名數超過5個時,雙語標志表現不如中文標志;Pan等[5]建立高速公路出口指路標志模型,發現雙向四車道出口指路標志距離接近道路交通標志設定值;汪琨[6]建立了交通標志識別模型,利用E-prime軟件進行認知程序編寫,確定交通標志平均信息量為0.646;魏田正等[7]基于計量模型及指路標志視認極限安全時間,得到了指路標志的信息量閾值為不超過7條。李晨新[8]通過E-prime程序選取關鍵因素進行研究,發現指路標志地名熟練程度對被試起到積極作用。在基于腦電與事件相關電位研究方面,Lu等[9]利用事件相關電位研究語義一致對交通符號識別影響,確定N300和N400是標志設計中測量語義一致性的重要指標;Chuang等[10]開展學生與專業司機之間的室內模擬對比實驗,分析行為數據以及P3和MMN成分,發現專業司機識別速度更慢,敏感度也更低;張峻瑜等[11]基于腦電信號探索正確記憶與錯誤記憶的差異性,能更全面地理清人腦活動過程中正確記憶與錯誤記憶加工機制的異同。楊葉紅[12]利用P1、N1和P300的波幅探究動作信息的視覺工作記憶對注意的影響及機制。在草原公路交叉口研究方面,戚春華等[13]、王笑男[14]利用腦電與事件相關電位指標,研究了草原公路交叉口適宜信息量和標志組合。

基于此,國內外學者對于道路交叉口指路標志研究以及取得了一系列成果,但以往研究主要集中在標志牌信息量以及設置距離、信息語義一致性、認知負荷等方面,基于駕駛員認知特性的草原公路交叉口指路標志信息量的研究剛剛起步。基于此,現針對草原公路交叉口路段指路標志信息量設置不合理、系統性不強等問題,從駕駛員認知特性的角度出發,利用事件相關電位(event-related potential,ERP)技術開展指路標志信息條數和行車速度認知實驗,深入研究駕駛員認知不同指路標志信息條數時大腦不同區域的變化規律,初步確定草原公路交叉口指路標志的信息閾值,以期為草原公路交叉口指路標志設計及設置提出相應的理論支持。

1 實驗設計

1.1 實驗設備

實驗采用由德國BrainProducts公司生產的64導聯BrainAmp型腦電采集設備,設備由腦電帽、放大器、電極線等構成,腦電設備配有專用的腦電采集和分析軟件BrainVision Recorder和BrainVision Analyzer2.0。腦電設備具體組成如圖1所示。

圖1 腦電采集系統

實驗采用E-Prime軟件進行交通指路標志的展示。E-Prime軟件能夠完成對實驗設計環節的高準確性控制,如實驗指路標志刺激材料的制作、控制實驗過程以及實驗數據采集處理,還可以進行指路標志展示的程序撰寫、實驗流程運行。同時在實驗結果以后,軟件可以自動采集毫秒級別的時間數據。

1.2 實驗被試

公安部2021年全國機動車和駕駛人統計數據,大部分駕駛員為男性,為了控制性別因素對實驗結果的影響,均選擇男性駕駛員。根據交通事故調查統計顯示,18～35歲為交通事故高發年齡,其中18～25歲最容易發生交通事故[15],因此實驗最終選擇18～25歲男性大學生作為被試。

根據中心極限定理,得出實驗至少需要35名被試,為了防止個體差異造成實驗誤差,最終選取40名[駕齡(2.42±1.05)年,駕駛里程(2.34±0.68)萬km]男性駕駛員作為實驗對象。全部被試身體狀況良好,無突發性疾病,擁有C類駕駛證并具有一定的駕駛經驗。實驗開始前被試需要填寫駕駛員基本信息調查表,統計被試駕齡、駕駛里程等。

1.3 交叉口指路標志設計

對草原公路交叉口指路標志牌實際調查可知,指路標志存在某一方向不存在指路信息的情況。基于實際調查及指路標志版面信息條數的研究[14],設置指路標志信息條數為3～9條。實驗中所有的路名均來自內蒙古地區的真實道路,標志牌圖片漢字為黑體,蒙語為MenkQaganTig字體[16]。指路標志設計如圖2所示。

圖2 實驗設計指路標志圖片

1.4 實驗設計

行車速度是交叉口指路標志研究中一個重要影響因素[17],不同車速下駕駛員標志信息認知存在明顯變化。調查草原公路車輛行駛速度及道路設計車速,選擇設計車速80 km/h、低于設計車速20%即60 km/h、高于設計車速20%即100 km/h 3種工況。提前利用模擬駕駛系統進行場景錄制,通過Adobe Premiere ProCC截取實驗所需要刺激材料。為了確保被試高效認知標志圖片,設定刺激視頻的參數。實驗電腦垂直分辨率為1 440,寬高比為16∶9,最終確定分辨率為2 560×1 440。根據研究,不同速度下駕駛員認知指路標志的時間不相同[18],考慮到草原公路獨特的行車環境和實驗車速設計,結合文獻[19],確定標志刺激視頻的截取時長為6 s。通過E-Prime將截取的場景視頻進行程序設計并保存實驗數據。實驗流程由指導語、注視點、練習模塊、正式實驗以及結束語組成。在實驗正式開始前,被試需要佩戴好腦電采集設備,調試BrainAmp腦電設備,確保各個導聯電位能夠正常記錄數據,采集被試對E-Prime呈現的不同刺激視頻的腦電數據并全程不間斷記錄。告知被試指定路名“科爾沁”,實驗過程中在呈現的刺激視頻中搜索目的路名,識別到“科爾沁”后,在電腦鍵盤上做出相應反應,如果目標地名在標志上方按W,在左邊按A,右邊按D。實驗開始時,被試首先看到屏幕中出現注視點“+”1 000 ms,在被試認知信息后進入下一個刺激視頻,刺激視頻由指路標志信息條數為3～9的刺激視頻隨機重復3次播放,同一速度下E-Prime程序隨機抽取視頻播放。需要進行車速分別為60、80、100 km/h的3次實驗,實驗總時長為30 min左右。

1.5 腦電指標選取

事件相關電位(ERP)是外界信號對大腦進行刺激后,人腦對信息進行認知和處理,在這個過程中大腦相應的區域電位的變化狀態[20],結合國內外學者的研究,針對草原公路交叉口處行車的特殊性,最終選取失匹配負波MMN、P300成分作為研究草原公路交叉口處駕駛員警覺度的指標。對全部數據進行預處理,發現在60 km/h與80 km/h速度下,標志信息條數為4～7時MMN潛伏期數據更能反映腦電變化,100 km/h速度下,信息條數為3～5時MMN數據更能反映腦電變化,故不同條件下選取不同指標進行分析。

MMN主要表現大腦對刺激信息的加工進程,是反映大腦對刺激差異無意識層面的加工狀態的重要指標[18]。大腦對信息自動加工時,會確保有效信息進入意識,其他無用信息剔除,這樣增加大腦對信息加工的效率,MMN成分是評價大腦對信息自動加工的重要指標[20]。

P300成分是ERP內源性成分之一,P3成分可以分為P3a和P3b兩個亞成分,兩個成分具有不同的分布位置和潛伏期,反映了不同的大腦神經變化[21]。P3b成分在潛伏期310～380 ms出現,在頂葉區有最大波幅值,P3b成分由刺激物信息驅動隨后被傳送到顳葉和頂葉引起,P3b成分的波幅值與所投入的大腦資源量呈正比關系,其受刺激意義、任務難度等方面的影響。

2 不同速度及指路標志信息條數對腦電指標波幅值影響

2.1 不同速度及指路標志信息條數對駕駛員大腦區域MMN成分波幅值影響

2.1.1 60 km/h下指路標志信息條數對MMN成分波幅值影響

針對60 km/h速度下的駕駛員認知指路標志信息條數為4～7的MMN指標潛伏期進行分析,具體變化情況如圖3所示。

圖3 60 km/h的指路標志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值變化圖

從認知MMN成分各個腦區的電極波幅值可以得出,駕駛員額葉區F3、F4電位的MMN成分在指路標志信息條數為4時,波幅值數據最低,說明刺激任務難度較低時,駕駛員能夠輕松地對目標信息進行識讀判斷。在指路標志信息條數增加到5、6時,被試的MMN波幅值增加,認知任務的難度增加影響駕駛員對信息的判斷,此時被試大腦能夠過濾無效信息,對有效信息進行認知。在指路標志信息條數增加到7條時,刺激任務難度增大,標志信息量過大,被試需要投入較多的腦力資源,影響腦力資源分配,不利于在草原公路交叉口特殊路段安全行車。頂葉區P3、P4電位波幅值在標志信息條數為4時數據最低,此時刺激任務量較低,駕駛員能夠輕松完成認知任務;在信息條數增加到5、6時,被試MMN波幅值持續增加,隨著認知難度增加,被試需要投入較多腦力資源,指路條數的增加可以有效警示駕駛員注意力集中。枕葉區O1、O2電位波幅值在指路標志信息條數為5、6時數據分布最穩定,此時被試視覺接收信息在可接收的范圍內達到最大,可以準確對有效信息進行認知和識別,增加了大腦對目標信息識別的效率。顳葉區T7、T8電極MMN波幅值在指路標志信息條數為4、5、6時變化增加但波動較小,表明隨著刺激任務難度增加,被試要逐漸投入腦力資源對目標地名信息認知識別。

2.1.2 80 km/h下指路標志信息條數對MMN成分波幅值影響

針對80 km/h速度下的駕駛員認知指路標志信息條數為4～7的MMN指標潛伏期進行分析,具體變化情況如圖4所示。

圖4 80 km/h的指路標志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值變化圖

在車速為80 km/h條件下,認知MMN成分各個腦區的電極波幅值可以得出,額葉區F3、F4電極波幅值隨著交叉口指路標志信息條數的增加而增加,說明駕駛員在草原公路單一景觀下行車時,改變指路標志信息條數能夠在一定程度上提高駕駛員行車注意力,尤其是在指路標志信息條數為5、6時,MMN波幅值數據分布較穩定,此時被試認知目標地名信息的效率增加。在信息條數為4時,頂葉區P3、P4電位MMN數據波幅值較低,此時被試能夠輕松完成對目標地名的認知和選擇,在信息條數增加至5、6條, P3、P4電極的MMN波幅值增加且數據分布較穩定,在進行信息判斷時所投入的腦力資源在可承受的范圍內,被試大腦對信息識別的效率增加。枕葉區O1、O2電位波幅值在指路標志信息條數為5、6條時的數據分布較穩定,此時駕駛員視覺接收到最大信息,可以對無用信息進行過濾,識別有效信息,在信息條數增加至7時,電位的MMN波幅值增加且變化波動較大,表明駕駛員需要投入較多的腦力資源,其視覺接收的信息超過可承受范圍,在此信息設置的交叉口路段行車并不安全。顳葉區電位波幅值在信息條數為3、4、5時變化波動較小,數據分布穩定,駕駛員可以高效完成目標地名信息認知,不需要投入較多的腦力資源,此時被試大腦加工信息的效率較高。

2.1.3 100 km/h下指路標志信息條數對MMN成分波幅值影響

對100 km/h下駕駛員認知信息條數為3～5的MMN指標波幅值進行分析,具體變化情況如圖5所示。

圖5 100 km/h的指路標志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值變化圖

在車速為100 km/h條件下,額葉區電位MMN波幅值在信息條數為3、4時逐漸增加,說明隨著交叉口指路標志信息條數即信息量增加,被試對標志信息的關注度增加,大腦對信息識別效率提升。頂葉區電位MMN波幅值在信息條數為3、4時,數據增加幅度較小且表現穩定,說明此時駕駛員注意力較集中,有充足的腦力資源完成對目標地名信息的認知。信息條數增加至5條時,頂葉區電位MMN波幅值增加幅度較大,駕駛員對于目標地名信息的認知難度升高,需要投入較多的腦力資源完成任務。枕葉區電位MMN波幅值在指路標志信息量為3、4時增加幅度較小,說明此情況下駕駛員接收到的信息量相差不大,不需要投入過多腦力對信息進行認知,注意力較集中;在信息條數增加到5時,MMN波幅值變化較大,表明此信息條數超過駕駛員大腦可以承受的范圍。顳葉區電位MMN波幅值在信息量為3、4時分布穩定,說明被試在認知目標信息時能夠準確判斷,精神狀態較好,識別信息的效率較高。

2.2 不同速度及指路標志信息條數對駕駛員大腦區域P3b成分波幅值影響

2.2.1 60 km/h下指路標志信息條數對P3b成分波幅值影響

對60 km/h速度下的駕駛員認知指路標志信息條數為4～7的P3b指標波幅值進行分析,具體變化情況如圖6所示。

圖6 60 km/h的指路標志不同信息量刺激下的P3b成分波幅值變化圖

在車速為60 km/h條件下,額葉區電位P3b波幅值在信息條數為4、5、6時數據波動較小,分布較穩定,駕駛員對信息的決策能力增加;在信息增加到7時,額葉區電位P3b波幅值大幅度增加,表明刺激任務難度過大,駕駛員需要花費大量腦力資源處理指路標志信息。枕葉區電位P3b成分波幅值在指路標志信息條數為4、5時數據分布穩定,變化程度較小,駕駛員能夠輕松識別目標地名信息,不需要投入較多腦力資源;在信息條數增加至5時, P3b波幅值少量增加,表明指路標志信息量增加,可以有效提高駕駛員注意力,此時視覺接收信息在可承受范圍內。頂葉區電極的P3b波幅值在信息條數為4時數值最低,駕駛員輕松完成對目標地名識別;信息條數為5、6時,P3b波幅值變化幅度較小,表明當刺激任務難度提升,駕駛員需要付出一定的腦力資源完成對目標信息的判斷,信息決策能力提高。顳葉區電位P3b波幅值在信息條數為4、5時數據變化幅度較小,此時駕駛員不需要付出更多的腦力資源就可以完成對目標信息的識讀;在信息條數為6時,P3b波幅值增加變化率較小,說明被試認知目標地名信息的能力增加,有利于在交叉口路段安全行車。

2.2.2 80 km/h下指路標志信息條數對P3b成分波幅值影響

對80 km/h下駕駛員認知指路標志信息條數為4～7的P3b指標波幅值進行分析,具體變化情況如圖7所示。

在80 km/h條件下,額葉區F3、F4電極P3b波幅值在標志信息量為4時數據值最低,說明刺激任務難度較低時,駕駛員可以輕松完成對指路信息的識別判斷,在指路標志信息量為5、6時,P3b波幅值數據變化浮動較小,分布較穩定,表明在此指路標志信息量設置范圍內行車時,被試注意力集中,完成刺激任務的能力增加。枕葉區O1、O2電極和顳葉區T7、T8電極的P3b成分波幅值在信息條數為4、5、6時數據分布穩定,其變化率較低,表明此時駕駛員視覺接收的指路標志信息量達到最大,能夠對目標信息進行有效精準的認知。在指路標志信息增加到7時,頂葉區和顳葉區電位的P3b波幅值大量增加,變化波動較大,表明指路標志信息量的增加,被試視覺接收信息量過大而超出可承受范圍,注意力降低。

2.2.3 100 km/h下指路標志信息條數對P3b成分波幅值影響

對100 km/h下駕駛員認知指路標志信息條數為3～5的P3b指標波幅值進行分析,具體變化情況如圖8所示。

圖8 100 km/h的指路標志不同信息量刺激下的P3b成分波幅值變化圖

在100 km/h條件下,額葉區F3、F4電極的波幅值在指路標志信息條數為3、4時變化幅度較小,說明此時被試對目標地名信息的認知能力較強,不需要投入過多腦力資源;信息條數增加至5時,數據增長率較大,駕駛員需要投入更多的腦力和心理資源,超出了被試可接受的范圍內,造成認知負荷。頂葉區P3、P4電極的P3b波幅值在信息條數為3、4時數據變化波動較小,此時駕駛員注意力集中,能夠輕松完成對指路標志信息的認知,不需要付出較多腦力資源。枕葉區O1、O2波幅值在標志信息量為3、4時的數據分布較穩定,變化頻率較小,此時被試視覺接收的信息在可承受的范圍內達到最大,認知目標地名信息效率較高;信息條數為5時,P3b波幅值增加變化率較大,因為在較高車速下,指路標志信息量增加,駕駛員認知目標信息效率降低,視覺接收信息過多,造成認知負荷。顳葉區T7、T8的P3b波幅值在信息條數為3～4時的數據少量增加,表明在車速較高情況下,刺激任務難度少量增大可以提高駕駛員注意力,駕駛員大腦對目標地名信息認知能力增加。

3 結論

從駕駛員認知特性角度出發,研究草原公路交叉口路段指路標志信息量變化對駕駛員認知特性的影響,借助E-prime及ERP等設備,得出以下結論。

(1)對不同車速下,草原公路交叉口不同指路標志信息條數刺激誘發的MMN波幅值分析可知,車速為60 km/h和80 km/h情況下,交叉口指路標志信息條數為5和6時,車速為100 km/h條件下,指路標志信息條數為3和4時,駕駛員大腦過濾無效信息的效率增加,有效提高駕駛員行車注意力。

(2)對不同車速下,草原公路交叉口路段不同指路標志信息條數刺激誘發的P3b波幅值分析可知,車速為60 km/h和80 km/h情況下,交叉口指路標志信息條數為5和6時,車速為100 km/h條件下,指路標志信息條數為3和4時,駕駛員不需要投入過多的腦力資源就能夠完成指路信息認知任務,有效地提高駕駛員注意力,對信息判斷的決策能力增加,有利于在交叉口特殊沖突點行車。

(3)綜合分析駕駛員MMN、P3b成分潛伏期和波幅值的變化規律,建議在草原公路交叉口路段行車速度為60 km/h和80 km/h情況下的指路標志信息條數為5、6,車速為100 km/h的指路標志信息條數為3、4。