草原公路交叉口指路標志信息量閾值研究

解松芳 ,楊鋒,劉昱忻 ,李航天

(內蒙古農業大學 能源與交通工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

交叉口是影響道路通行效率和引發交通沖突的關鍵節點。交叉口路段的指路標志給駕駛人提供道路信息和引導服務,傳遞公路途經信息,有助于駕駛員精準快捷抵達目的地[1]。交叉口處的指路標志信息量設置不合理不僅影響駕駛員的視認性,降低路網的通行效率,甚至會引發交通事故[2]。前期通過對內蒙古地區草原公路交通標志進行實地勘察發現,草原公路交叉口處存在交通標志信息量不足和缺失的問題[3],而草原公路的交通事故50%發生在交叉口處[4]。由于駕駛人的認知能力具有一定的局限性,合理控制指路標志信息量,使駕駛人高效精準地獲取信息,安全快速地到達目的地[5]。國內外學者對道路交叉口路段指路標志信息量進行了大量的研究。Huang等[6]研究漢英雙語指示標志對的信息量閾值。陳肖欣[7]利用駕駛員視認指路標志認知模型研究城市公路指路標志信息量閾值。李俊衡[8]針對駕駛員識別道路交叉口指路標志的有效性進行研究。何文強[9]利用駕駛員腦電、眼動數據和駕駛行為指標研究指路標志信息量。黃麒隆[10]將駕駛疲勞和信息量作為自變量對不同車速下交通標志信息量閾值進行研究。朱守林等[11]、戚春華等[12]、李航天等[13]對草原公路交通標志適宜信息量進行相關研究。

綜上,針對道路交叉口路段指路標志信息量研究取得了一定研究成果,而對草原公路交叉口指路標志信息量的研究尚處于起步階段。草原公路具有線形簡單、景觀環境單一、交通量小、交通工程設施不完善和平面交叉口較多等特點[14-16],在此環境下行車駕駛員受到的視覺刺激少,注意力不集中,感知和處理信息的能力降低,常使駕駛員處于不合理的單調狀態,易誘發駕駛員產生不同程度的疲勞,特別在交叉口這種需要變道和應對突發情況特殊路段,信息量不足或過載均會影響駕駛員行車安全。因此,針對草原公路交叉口路段指路標志信息量不足的問題,從駕駛員認知特性的角度出發,深入研究駕駛員認知不同指路標志信息量時大腦不同區域的變化規律,確定草原公路交叉口指路標志信息量閾值,以期為草原公路交叉口指路標志的優化設置提供理論依據和實踐指導。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

針對本研究的特點試驗采用室內模擬試驗,使用法國雷諾實車模擬駕駛系統及其附屬設施,如圖1(a)所示。腦電信號采集儀是由德國BrainProducts公司生產的64導聯BrainAmp型腦電采集系統,如圖1(b)所示,可連續采集駕駛員的各部位腦電信號,利用BrainVision Recorder軟件采集駕駛員的相關腦電信號,采用BrainVision Analyzer 數據分析軟件計算得到各項腦電指標。另外通過E-Prime程序中的E-Studio模塊采集被試的反應時間和反應正確率。

圖1 實驗設備Fig.1 Experiment instruments

1.2 模擬場景設計

根據前期對草原公路實地調查可知,很多草原地區二級公路正在升級改造為一級公路,由于草原地區的一級公路交叉口較多,導致事故率較高。因此,本研究的試驗路段設置為草原一級公路,雙向四車道,行車道寬度為3.75 m,設計車速100 km/h。根據《道路交通標志和標線》(GB5768.2—2009)規定設置模擬場景中的指路標志牌。通過前期調查,草原公路交叉口指路標志大部分是3條,有的交叉口甚至沒有指路標志。又由于指路標志版面篇幅有限,現實中指路標志路名條數不超過10條[17],因此本試驗設置的指路標志信息條數為3～9條,以確定駕駛員認知信息極限。依據以往的學者研究,指路標志版面路名的字數對駕駛員視認性影響不大[18],因此選擇三字路名(內蒙古地區的真實道路名)進行指路標志的繪制。通過調查典型草原公路車輛行駛速度85%分位的主流車速是80 km/h,因此試驗車速設定為主流車速。由于本試驗只研究指路標志不同信息條數對駕駛員認知特性的影響,為避免其他因素對實驗結果的影響,模擬場景中不設置其他道路景觀,依據《公路交通安全設施設計指導手冊》的相關規定來指路標志牌的參數,場景搭建示意圖如圖2所示。

圖2 模擬場景實驗示意圖Fig.2 Simulation scene experiment diagram

1.3 試驗人員

駕駛員識別交通信息時的能力受年齡、駕駛經驗和個性等因素的影響很大[19]。通過調查草原公路行駛車輛的駕駛員大部分為男性,為了控制性別因素對試驗結果的影響,本試驗均選擇男性駕駛員。根據對交通事故責任者的大量調查統計顯示,18～35歲為交通事故高發年齡,其中18～25歲的駕駛員,最容易造成交通事故[20],因此本試驗最終選擇男性青年作為試驗對象。根據中心極限定理[21],利用統計分析的方法計算出被試數量至少需要25名,為了防止個體差異造成試驗誤差,最終選取30名男性青年作為研究對象。要求被試人員矯正后視力均在5.0以上,駕齡(2.42±1.05) a,駕駛里程(2.34±0.68)×104km,身體狀況良好且均擁有C類駕駛證。

2 研究指標的選擇

試驗的腦電采集儀可以同時采集到被試的自發腦電信號和誘發腦電信號2種。自發腦電信號(Electroencephalogram ,EEG)包括β波、α波、θ波、δ波和γ波5個信號頻帶,其中β波主要代表大腦喚起后的興奮狀態,與人的精神狀態有關,當處于精神緊張以及情緒激動或者處于警覺狀態時,β波的成分較高。指標α/β主要代表駕駛員在行車中輕松和警覺情緒之間的較量,當α/β值較低時,被試的警覺性水平較高,行車狀態較理想[22]。結合不同腦電波的意義和學者的大量研究,考慮到草原公路交叉口路段的獨特性景觀,最終選取指標β、α/β作為評價駕駛員認知指路標志的指標。誘發腦電信號即事件相關電位(Event-Related Potentials,ERP)主要是代表信息加工過程中的敏感指標,被大量應用在認知心理學和交通標志認知等方面[23]。其中事件相關電位成分P300反映人對信息的認知加工和決策過程,P300在大腦各個區域的電極點分布越平穩,說明對信息認知加工速度越快,反之對信息認知加工速度越慢。事件相關電位成分(Mismatchnegativity,MMN)主要是形容大腦對刺激信息加工進程的活動,用于反映大腦對刺激差異的無意識層面的加工狀態的重要指標[24]。人類大腦對信息自動加工時,確保有效信息進入意識,將其他無用信息剔除,增加了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寶貴指標[25]。因此,本研究選擇MMN、P300這2個ERP成分作為評價被試在認知草原公路交叉口指路標志的指標。

3 試驗數據分析

3.1 基于駕駛員腦電指標變化規律的指路標志信息量閾值分析

3.1.1β波的指路標志信息量閾值分析

由圖3可知,駕駛員的β波隨著指路標志信息條數的增加呈現先增加后下降的趨勢。當指路標志信息條數從3條增加到5條時,β波呈緩慢增加的趨勢,其平均變化率為4.5%,說明指路標志信息條數少量增加時,駕駛員行車警覺性影響較小,其注意力不夠集中;當指路標志信息條數從5條增加到7條時,β波快速增加,其增長率為15.6%,說明此時駕駛員注意力較集中,行車警覺性增加,對道路信息的識別和判斷的能力提高;當指路標志信息條數增到8,9條時,β波開始降低,說明指路標志信息過載,對駕駛員產生了認知負荷,不利于駕駛員有效地獲取信息,導致對指路標志的識別效率降低。由此可以看出,駕駛員的β波在交叉口指路標志信息量過低和信息量過高時的平均功率值均相對較低,這是由于草原公路普遍存在交通標志信息量不足,交通環境過于簡單,駕駛員在該條件下行車時受到的視覺刺激較少,警覺性較低,注意力不集中,感知和獲取信息的能力降低,從而影響行車安全;當交叉口指路標志信息量過高時,駕駛員獲取有用的信息的難度增加,導致駕駛員認知能力降低,同樣不利于駕駛員的安全行車。為了提高駕駛員的警覺性,使駕駛員能夠準確地獲取交叉口處交通信息,保證行車安全。建議草原公路交叉口指路標志信息條數6,7條。

圖3 駕駛員認知指路標志不同信息條數的β變化Fig.3 The β variation diagram of drivers' cognition of different number of guide signs

3.1.2α/β指標的指路標志信息量閾值分析

由圖4可知,駕駛員的腦電指標α/β隨著指路標志信息條數的增加呈現先下降后上升的趨勢。當指路標志信息條數從3條增加到7條時,指標α/β呈下降趨勢,說明此時駕駛員的警覺性逐漸加強,注意力越來越集中,對指路標志信息的認知能力增加;當指路標志信息條數增加到8,9條時,指標α/β開始呈增加的趨勢,平均增長率為5.3%,說明當指路標志信息量過載時,駕駛員對信息認知負荷增加,獲取有效信息的能力降低。由于草原公路交通工程設施不完善,交叉口指路標志信息量不足,若長時間在低信息量條件下行車,駕駛員注意力下降,易產生駕駛疲勞引發交通事故;當交叉口指路標志信息量過載時,將會給駕駛員帶來過大的認知負荷,使駕駛員大腦不能準確地處理道路信息,從而引起交通事故的發生。因此草原公路交叉口指路標志信息條數閾值6,7條,有利于吸引駕駛員注意力提高行車安全。

圖4 駕駛員認知指路標志不同信息條數的α/β變化Fig.4 The α/β variation diagram of drivers' cognition of different number of guide signs

以上通過對駕駛員腦電指標的分析得出,草原公路交叉口指路標志適宜信息條數閾值6,7條。下面通過對駕駛員誘發腦電信號中MMN、P300成分腦地形圖進一步分析。

3.2 基于駕駛員MMN、P300成分腦地形圖變化規律的指路標志信息量閾值分析

3.2.1 MMN成分腦地形圖的指路標志信息量閾值分析

由圖5可知,當指路標志信息條數為4條時,大腦各個區域的電極點分布較為平穩;當指路標志信息條數為5、6條時,駕駛員大腦區域開始表現出明顯的信號變化,頂葉區和額葉區信號變化最明顯,當指路標志信息條數為7條時,被試大腦區域變化更明顯,覆蓋面較廣。說明駕駛員在刺激任務難度較小時,能夠輕松完成對指路信息的認知,準確地選擇有效信息進行識別,處理目標地名信息效率較高。隨著刺激任務難度的增加,駕駛員開始出現認知負荷,對于有效的地名信息識別能力降低,大腦處理目標地名信息的速度下降,需要大腦各個腦區相互配合才能完成任務。由于草原公路線形簡單,以長直線和大半徑曲線為主,交通標志信息量不足,駕駛員的視覺刺激少,注意力下降,容易產生交通事故。相反當交叉口指路標志信息量過大時,駕駛員需要花費更多的精力來處理標志信息,導致駕駛員產生認知負荷,識別有效信息的能力下降,影響行車安全。因此指路標志信息量處于5,6條時,駕駛員對信息處理速度快,行車心理負荷小。

圖5 指路標志信息條數為4～7刺激下的MMN成分腦地形圖Fig.5 Brain topographic map of MMN components under stimulation of 4～7 direction sign information

3.2.2 P300成分腦地形圖的指路標志信息量閾值分析

由圖6可知,當指路標志信息條數為4時,大腦的各個電位腦電信號分布較穩定,未出現過多的信號變化;當指路標志信息條數增加到5,6條時,大腦有些電極點的腦電信號出現明顯變化;當在指路標志信息條數增加到7條時,大腦的腦電信號變化最大,覆蓋面最大。說明隨著指路標志信息條數的增加需要被試大腦的不同區域共同作用才能完成對信息的認知;當認知指路信息量較低時,駕駛員不需要投入過多的腦力資源就可以對目標信息進行準確的判斷;隨著指路標志信息量的逐漸增加,即刺激任務難度的增加,腦電信號變強,信號覆蓋面變大。由此可以看出在草原公路單調的行車環境下,增加指路標志信息量可以引發駕駛員大腦不同區域電位的變化,所覆蓋的面積也逐漸增加,提醒駕駛員較早做出反應,對信息的認知能力提高。但當信息量過高時,駕駛員需要花費大量腦力資源來識別信息,導致駕駛員對道路其他區域的關注程度下降,在應對突發事件時的處理能力降低。因此建議草原公路交叉口指路標志信息條數為5,6條,既可以提高駕駛員的注意力,又不會增加駕駛員的認知負荷,有利于行車安全。

圖6 指路標志信息條數為4～7刺激下的P300成分腦地形圖Fig.6 Brain topographic map of P300 components under stimulation of 4～7 direction sign information

3.3 基于駕駛員反應時間和反應正確率的指路標志信息量閾值分析

為了進一步驗證上文的研究結果,采集駕駛員視認交叉口指路標志時的反應時間和反應正確率并分析其變化規律,如圖7和圖8所示。

圖8 駕駛員的認知反應時間Fig.8 The reaction time of drivers' recognition

由圖7和圖8可知,隨著草原公路交叉口指路標志信息條數的增加,駕駛員的反應正確率呈下降趨勢而反應時間呈上升趨勢,當指路標志3～5條時,被試反應正確率均在90%以上,反應時間也較短,說明在指路標志信息量較低時,駕駛員識別指路標志較容易,可以快速準確地做出反應;當指路標志增加到6,7條時,被試反應正確率均在80%左右,反應時間也在增加,說明由于指路標志信息量的增加,駕駛員出現一定的認知錯誤;當指路標志增加到8,9條時,被試反應正確率下降到70%左右,反應時間快速增加,說明指路標志信息過多時駕駛員的視認錯誤率增加,視認反應時間過長。此時駕駛員所有的精力都用于對指路標志信息的認知上,對周圍行車環境的注意力下降,尤其是在草原公路行車速度較高情況下不利于行車安全。

以上針對駕駛員的反應時間和反應正確率分析很難確定指路標志信息量閾值,需要對反應時間和反應正確率2組數據進行無量綱處理,采用歸一化方法處理數據結果如圖9所示。由圖9 可以看出駕駛員的視認反應時間和反應正確率耦合作用的交點落在指路標志5,6條之間,此時駕駛員反應正確率在85%以上,反應時間適宜不會給駕駛員造成認知的困難。因此基于駕駛員反應時間和反應正確率耦合作用的指路標志信息量閾值為5,6條,此信息量能夠提高駕駛員的注意力,保證行車安全。驗證了上文對腦電信號的研究結果。

圖9 駕駛員的認知反應正確率和反應時間歸一化圖Fig.9 The visual accuracy and reaction time of drivers' cognition of normalization

4 結論與討論

通過對內蒙古草原典型公路進行室內模試驗,研究駕駛員認知不同指路標志信息量時的腦電指標、腦地形圖以及變化規律,確定草原公路交叉口指路標志信息量閾值。主要結論如下。

1)對駕駛員的腦電指標β、α/β分析可知,當指路標志信息條數6,7時,駕駛員對周圍環境的注意力較高,使駕駛員能夠準確地獲取交叉口處的交通信息,有利于駕駛員行車安全。

2)對駕駛員MMN、P3成分的腦地形圖分析,當指路標志信息條數為5,6條時,大腦區域開始表現出明顯的信號變化,覆蓋的面積增加;說明駕駛員的注意力較集中,駕駛員需要投入較多腦力資源才能完成對指路信息的識別判斷。

3)對駕駛員的反應正確率和反應時間耦合情況的分析可知,當指路標志信息條數為5,6條時,駕駛員的反應時間適宜,反應正確率85%以上。

綜合以上分析,結合草原公路線形簡單、景觀單一、視覺刺激較少等特點,為提高駕駛員的警覺性和注意力,建議在草原公路交叉口路段指路標志信息閾值為5,6條,能夠保證駕駛員準確地識別有效信息,提高通行效率和行車安全。

此研究結果是在特定的車速和草原公路特殊交通環境下通過室內模擬試驗得出的,僅研究交叉口指路標志這個單一因素的影響,因此結論僅適合類似草原公路這樣景觀比較單一,視覺刺激比較少的道路。如果在交通環境復雜的其他道路上應在此基礎上適當減少交叉口指路標志的信息量,避免因信息過載增加駕駛員的認知負荷。另外,將來應將室內模擬試驗與實駕試驗相結合,同時增加其他影響因素及其他生理指標的分析,從而更科學合理地確定草原公路交叉口指路標志信息量的最佳閾值,為草原公路交叉口路段指路標志優化設計和設置提供理論依據和實踐指導。