葛含章 裴玉龍

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 哈爾濱 150040)

0 引 言

指路標(biāo)志作為城市道路中重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，能夠為道路使用者提供信息，輔助駕駛?cè)怂褜つ康牡?、確認(rèn)行駛路線，駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志的視認(rèn)效果直接影響出行效率及安全.而隨著智能手機的逐漸普及，駕駛?cè)嗽隈{駛過程中由于接聽電話、收發(fā)消息所導(dǎo)致的分心成為城市道路交通運行的重大安全隱患[1].相較于其他類型交通標(biāo)志，指路標(biāo)志信息量更大、所需視認(rèn)時間更長，因此分心會導(dǎo)致駕駛?cè)隋e過指路標(biāo)志，進而影響判斷、行動，甚至誘發(fā)不良駕駛行為、導(dǎo)致交通事故[2].

現(xiàn)行GB5768.2—2022《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》指出可合理重復(fù)交通標(biāo)志中重要的信息，但未對標(biāo)志失效條件下指路標(biāo)志冗余設(shè)置方法作出明確規(guī)定，而冗余設(shè)置作為提升標(biāo)志設(shè)置效果的有效手段已得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注.現(xiàn)有研究主要集中在冗余設(shè)置次數(shù)和設(shè)置間距等方面.在冗余設(shè)置次數(shù)方面，Agarwal等[3]使用數(shù)學(xué)方法分析了輕型車輛駕駛員因重型車輛領(lǐng)先而無法讀取標(biāo)志的情況，并通過遮擋持續(xù)時間計算最優(yōu)標(biāo)志重復(fù)次數(shù)，以將丟失標(biāo)志信息的概率保持在閾值以下.陸建等[4]分析了公路外側(cè)車道大型車遮擋內(nèi)側(cè)車道小型車駕駛員視認(rèn)路側(cè)交通標(biāo)志過程，根據(jù)大車遮擋概率及駕駛?cè)丝捎靡曊J(rèn)時間確定了路側(cè)交通標(biāo)志重復(fù)設(shè)置次數(shù)計算流程.在冗余設(shè)置間距方面，Jongen等[5]基于不同限速路段間車輛速度變化規(guī)律，給出了傳統(tǒng)、區(qū)域重復(fù)以及區(qū)域三類限速路段的標(biāo)志重復(fù)設(shè)置間距.徐婷等[6]從駕駛安全性和駕駛員短期記憶特性兩個方面定量給出公路單義標(biāo)志的重復(fù)設(shè)置間距.上述研究多考慮障礙物遮擋、空間限制等客觀因素下的標(biāo)志失效及冗余設(shè)置問題，而未從駕駛?cè)酥饔^角度對指路標(biāo)志冗余設(shè)置方法進行深入研究.

文中根據(jù)駕駛?cè)朔中男袨閷χ嘎窐?biāo)志視認(rèn)的干擾過程，界定了指路標(biāo)志的失效形式，提出了考慮駕駛?cè)朔中牡某鞘械缆分嘎窐?biāo)志冗余設(shè)置最優(yōu)間距計算模型，并通過模擬駕駛實驗檢驗了冗余設(shè)置方法的有效性.

1 駕駛?cè)酥嘎窐?biāo)志視認(rèn)過程

根據(jù)駕駛行為心理學(xué)相關(guān)研究，駕駛?cè)艘曊J(rèn)指路標(biāo)志過程可分為感覺、視認(rèn)、判斷、行動四個階段[7]，見圖1.

圖1 駕駛?cè)藰?biāo)志視認(rèn)過程示意

1)Dr為視認(rèn)點，駕駛?cè)擞谠擖c首次發(fā)現(xiàn)指路標(biāo)志；Dra為視讀點，駕駛?cè)擞谠擖c開始認(rèn)讀指路標(biāo)志信息；Drf為讀完點，即駕駛?cè)私Y(jié)束認(rèn)讀位置；Dv為消失點，此處標(biāo)志與駕駛?cè)艘暰€夾角到達視角閾值，標(biāo)志消失在駕駛?cè)艘曇胺秶鷥?nèi)；Da為行動點，即駕駛?cè)送瓿尚袆記Q策后開始行動位置；Dc為完成點，該點駕駛?cè)烁鶕?jù)信息內(nèi)容完成變道操作.

2)L1為感知距離，對應(yīng)感覺階段S1，即車輛在駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)指路標(biāo)志至清晰看清指路標(biāo)志時間內(nèi)行駛的距離，認(rèn)讀距離取決于車輛行駛速度以及覺察時間，為

L1=vtc

(1)

式中：v為車輛行駛速度，m/s；tc為駕駛?cè)擞X察時間，通常取400 ms[8].

3)L2為認(rèn)讀距離，對應(yīng)視認(rèn)階段S2，即車輛在駕駛?cè)碎_始識讀指路標(biāo)志信息至識讀完畢時間內(nèi)行駛的距離.認(rèn)讀距離取決于車輛行駛速度以及認(rèn)讀時間，為

L2=vtr

(2)

式中：tr為指路標(biāo)志認(rèn)讀時間，當(dāng)指路標(biāo)志地名信息低于5 h，駕駛?cè)丝稍?.616 s內(nèi)完成認(rèn)讀[9]，本文取上述值為駕駛?cè)顺鞘械缆分嘎窐?biāo)志的認(rèn)讀時間.

4)L3為判斷距離，對應(yīng)判斷階段S3，從駕駛?cè)俗R讀完畢至采取行動間車輛行駛的距離.判斷距離取決于車輛行駛速度以及判斷時間，為

L3=vtp

(3)

式中：tp為駕駛?cè)伺袛鄷r間，通常取2 s[10].

5)L4為行動距離，對應(yīng)行動階段S4，即駕駛?cè)烁鶕?jù)指路標(biāo)志信息做出變道操作過程中車輛行駛的距離.

(4)

式中：v1為車輛變道后車速；th為車輛換道所需時間，約為6 s[11]；a為車輛減速度，考慮城市道路車輛行駛平穩(wěn)性，取車輛最佳減速度3 m/s2；n為變換車道次數(shù)；μ為換道選擇系數(shù)，有換道行為取1，無換道行為取0.

6)L5為駕駛?cè)私Y(jié)束視讀后距離交通標(biāo)志設(shè)置點的距離，為

L5=f(h*)

(5)

h*=K1·K2·K3·h

(6)

式中：h*為標(biāo)志文字有效高度，cm；h為標(biāo)志文字實際高度，cm；K1為標(biāo)志文字種類修正系數(shù)；K2為漢字復(fù)雜性修正系數(shù)；K3為車速修正系數(shù).K1、K2、K3修正系數(shù)見表1～3.

表1 K1修正系數(shù)

表2 K2修正系數(shù)

表3 K3修正系數(shù)

7)L6為指路標(biāo)志設(shè)置點與駕駛?cè)诵袆油瓿牲c間的距離.

L6=L3+L4-L5

(7)

8)L7為無法視認(rèn)距離，即指路標(biāo)志消失點與指路標(biāo)志設(shè)置點間的距離.

(8)

式中：w為車道寬度，城市道路取3.5 m；ε為車輛位置系數(shù)，當(dāng)車輛位于最右側(cè)車道時ε=0；θmin為駕駛?cè)艘暯情撝?，路?cè)標(biāo)志取15°；α1為路測標(biāo)志位置修正系數(shù)，當(dāng)指路標(biāo)志桿位與路緣石處于同一平面時α1=1.α2為車輛位置修正系數(shù)，當(dāng)車輛行駛于道路中心時α2=1.

2 駕駛?cè)朔中臈l件下的指路標(biāo)志冗余設(shè)置

城市道路中合理的指路標(biāo)志布設(shè)需滿足下列兩個條件：駕駛?cè)嗽谙c前清晰、準(zhǔn)確閱讀完交通標(biāo)志信息，且閱讀結(jié)束后有充足時間完成決策、行動.本文按照駕駛?cè)嗽跇?biāo)志視認(rèn)過程中分心出現(xiàn)時間點的不同，將駕駛?cè)朔中姆譃椤耙暻胺中摹迸c“視后分心”，視前分心是指當(dāng)車輛處于指路標(biāo)志可視距離內(nèi)時出現(xiàn)的分心行為，此時駕駛?cè)宋赐瓿芍嘎窐?biāo)志視讀；視后分心是指駕駛?cè)送瓿芍嘎窐?biāo)志視讀后出現(xiàn)的分心行為，主要影響駕駛?cè)说呐袛嗯c行動.

由于以上分心導(dǎo)致指路標(biāo)志無法滿足合理布設(shè)條件之一，即可認(rèn)定為指路標(biāo)志失效，對于失效標(biāo)志可進行指路標(biāo)志冗余設(shè)置，標(biāo)志冗余設(shè)置是指將標(biāo)志進行多次、重復(fù)性的設(shè)置，以使由于分心導(dǎo)致視認(rèn)標(biāo)志失敗的駕駛?cè)诉M行二次視認(rèn).駕駛?cè)朔中臈l件下的指路標(biāo)志冗余設(shè)置見圖2.

圖2 分心條件下指路標(biāo)志冗余設(shè)置示意

視前分心與視后分心以指路標(biāo)志消失點為界限.視前分心條件下，駕駛?cè)嗽谥嘎窐?biāo)志消失后并未獲得所需指路信息，因此以駕駛?cè)擞谙c立刻開始冗余標(biāo)志視認(rèn)過程為原則，可確定指路標(biāo)志冗余設(shè)置的最小間距DR min.

DR min=L2+L5-L7

(9)

指路標(biāo)志3要求駕駛?cè)嗽诓豢勺兊缹嵕€前按指路標(biāo)志信息完成行動，且二次視認(rèn)條件下駕駛?cè)苏J(rèn)讀標(biāo)志后立即采取行動，則有：

vtf+LS1+LS2+LS4≤D-L7

(10)

式中：D為指路標(biāo)志1與停止線間距離；tf為視后分心時間；LS1為二次視認(rèn)下的感知距離；LS2為二次視認(rèn)下的認(rèn)讀距離；LS4為可允許的最小行動距離.

LS1、LS2與首次視認(rèn)情況下計算方法相同，由于需確定最大視后分心時間，LS4計算時不考慮變道后的減速距離，且需保證車輛在停止線前完成變道操作，可認(rèn)為車輛在換道時間內(nèi)做勻速行駛.

LS4=μnvthmin

(11)

根據(jù)式(10)可得最大視后分心時間計算式為

tf≤(D-LS1-LS2-LS4-L7)/v

(12)

視后分心條件下，駕駛?cè)擞谙c前已完成原標(biāo)志視認(rèn)過程，但由于分心導(dǎo)致信息短時記憶衰減，可根據(jù)路口停車線所確定的最遲完成點、最大分心時間計算最大冗余設(shè)置間距DRmax.

DRmax=D+L5-LS4-2L7

(13)

綜上，取駕駛?cè)朔中臈l件下指路標(biāo)志冗余設(shè)置最佳間距為

ΔD=(DR max+DR min)/2

(14)

3 實驗方案設(shè)計

3.1 實驗設(shè)備與被試

實驗設(shè)備包括駕駛模擬器、dikabilis cable眼動追蹤儀.選取20名被試進行模擬駕駛，均有三年以上駕齡，近視參與者必須佩戴眼鏡，年齡為23～45歲(均值為32.8歲)，眼功能均正常，具有法定駕駛執(zhí)照，實驗前生理、心理狀態(tài)正常，無疲勞、酒后駕駛，實驗開始前未向被試提供任何研究目的相關(guān)信息，以免對指路標(biāo)志視認(rèn)情況產(chǎn)生干擾.被試10人成組，分為對照組與實驗組.

3.2 實驗場景構(gòu)建

模擬駕駛場景為典型城市主干道路，雙向六車道，車道寬度3.5 m，有中央分隔帶，設(shè)計速度70 km/h.GB 5768.2—2022《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》中規(guī)定城市道路中指路標(biāo)志宜設(shè)在路口前120～300 m處，本文考慮最大冗余設(shè)置間距將指路標(biāo)志設(shè)置于距路口300 m處，指路標(biāo)志尺寸650 cm×290 cm，見圖3.

圖3 實驗指路標(biāo)志

由式(1)～式(12)可計算出L1=7.78 m，L2=50.96 m，L3=38.88 m，L4=318.11 m，L5=147 m，L6=209.99 m，L7=30.64 m，LS4=116.64 m，最大視后分心時長為4.8 s，最小冗余設(shè)置間距167.22 m，最大冗余設(shè)置間距268.31 m，冗余設(shè)置最佳間距217.77 m.

為避免重復(fù)實驗對被試產(chǎn)生認(rèn)知干擾，構(gòu)建1 500 m×4的矩形路網(wǎng)進行實驗，見圖4.場景中根據(jù)實際道路狀況設(shè)置車流，對實驗車輛無影響，以模擬真實城市道路駕駛環(huán)境，根據(jù)計算所確定的最佳間距于道路2、道路4進行冗余設(shè)置，道路1、道路3不進行冗余設(shè)置.

圖4 模擬駕駛實驗場景

3.3 實驗流程

為保證實驗獲取數(shù)據(jù)的真實性，實驗前所有被試均被告知參與指路標(biāo)志視認(rèn)指標(biāo)采集實驗，實驗開始前要求被試登記姓名、性別,以及聯(lián)系方式等基礎(chǔ)信息，并將智能通信設(shè)備調(diào)至免提模式，切換至微信聊天界面后放置于模擬駕駛車輛中控臺左側(cè)手機支架上.實驗中駕駛路徑設(shè)定為順時針方向，即“道路1—道路2—道路3—道路4”，被試駛?cè)朊織l道路時會被告知前方駛向道路名稱，同時要求被試變道至最左側(cè)車道行駛，在實驗過程中不允許被試進行超車，被試在工作人員的指引下熟悉設(shè)備操作以及模擬駕駛環(huán)境后，再正式開始實驗.實驗通過微信消息對被試實施分心干擾，消息類型包括語音消息及文字消息，根據(jù)已有研究結(jié)果，消息內(nèi)容設(shè)置為兩位數(shù)加減法[12]，本實驗共設(shè)置20條信息負(fù)荷量相近的語音文字信息，例如：“27+57=？”.實驗開始后實驗員根據(jù)車輛行駛位置向被試發(fā)送信息，要求被試接收消息后立刻查看并以語音形式回復(fù).

對照組與實驗組分批進行實驗，對照組實驗?zāi)康臑闄z驗被試在“有分心影響，無冗余設(shè)置”條件下的指路標(biāo)志視認(rèn)情況，實驗組實驗?zāi)康臑闄z驗被試在“有分心影響，有冗余設(shè)置”條件下的指路標(biāo)志視認(rèn)情況.實驗流程見圖5.

圖5 實驗流程示意

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 指路標(biāo)志冗余設(shè)置有效性分析

選取指路標(biāo)志注視時間作為冗余設(shè)置有效性分析指標(biāo)，通過對實驗組及對照組注視時間進行統(tǒng)計分析，視前及視后分心條件下冗余設(shè)置前后被試注視時間見圖6.

圖6 標(biāo)志注視時間

由圖6a)可知：在視前分心條件下，駕駛?cè)藘H能完成指路標(biāo)志的低頻注視，分心干擾導(dǎo)致駕駛?cè)藳]有充足時間進行指路標(biāo)志視認(rèn)，對照組平均注視時間為166 ms，實驗組平均注視時間為222 ms，遠(yuǎn)低于4信息量指路標(biāo)志所需視認(rèn)時間，對照組中共計7名被試(70%)無法完成指路標(biāo)志視認(rèn)，說明視前分心能夠顯著影響駕駛?cè)藢τ谥嘎窐?biāo)志的視認(rèn)效果.

由圖6b)可知：視后分心條件下，由于分心干擾出現(xiàn)于指路標(biāo)志消失點之后，因此原指路標(biāo)志視認(rèn)過程不受影響，對照組平均注視時間1 612 ms，實驗組平均注視時間1 927 ms，對照組中共計5名被試(50%)在視后分心后遺忘目標(biāo)道路，采取了錯誤變道、轉(zhuǎn)向操作，因此視后分心對于駕駛?cè)嗽跇?biāo)志認(rèn)讀后的判斷及操作會產(chǎn)生嚴(yán)重影響.

由圖6c)可知：冗余設(shè)置指路標(biāo)志平均注視時間在視前分心條件下為2 034 ms，在視后分心條件下為1 929 ms，所有被試均能完成冗余指路標(biāo)志認(rèn)讀，實際駕駛過程中，分心出現(xiàn)時間隨機且分心持續(xù)時間不固定，本文計算冗余設(shè)置最大、最小間距時考慮的分心情況均為極限條件，即“消失點前未開始視認(rèn)、消失點后立即發(fā)生分心”，因此該冗余設(shè)置間距計算模型適用于滿足最大視后分心時間條件下的其他情況.

4.2 冗余指路標(biāo)志視認(rèn)績效分析

注視區(qū)域能夠顯示駕駛?cè)说淖⒁曋攸c，進而獲得駕駛?cè)艘曈蚍秶?、興趣區(qū)域等信息.本文使用的眼動數(shù)據(jù)是通過smart eye pro采集、以三維坐標(biāo)系表示的矢量坐標(biāo)，使用k-means聚類分析法對視點坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行注視區(qū)域聚類劃分.

K-Means算法作為效果較好、思想簡單的聚類算法，計算各數(shù)據(jù)對象之間的歐式距離，并以此衡量數(shù)據(jù)對象間的相似度，歐式距離與相似度成反比.在聚類前首先需指定初始聚類中心及聚類分類數(shù)k，計算除初步相似度后，根據(jù)相似度大小迭代計算聚類中心位置，降低聚類誤差平方和(sum of squared, SEE)直到其不再變化，完成聚類.

數(shù)據(jù)對象與聚類中心歐式距離為

(15)

式中：x為數(shù)據(jù)對象；Ci為第i個聚類中心；m為數(shù)據(jù)對象維度；xj，Cij分別為x，Ci的第j個屬性值.

數(shù)據(jù)集誤差平方和SSE為

(16)

式中：k為聚類個數(shù).

受實驗過程中突發(fā)因素影響，原始數(shù)據(jù)中存在部分異常數(shù)據(jù)，為優(yōu)化聚類效果，本文根據(jù)狄克松(Dixon)準(zhǔn)則統(tǒng)一將異常值數(shù)據(jù)剔除，將清理后數(shù)據(jù)通過PYTHON進行k-means聚類分析，定義初始聚類個數(shù)k為5，聚類結(jié)果顯示駕駛窗口視覺區(qū)域左下方存在大量視點，為實驗過程中分心干擾導(dǎo)致，刪除該類視點后再次進行聚類，劃定城市道路駕駛注視區(qū)域見圖7，其中區(qū)域1為車輛正前方遠(yuǎn)處道路區(qū)域，區(qū)域2、4為車輛兩側(cè)道路景觀區(qū)域，區(qū)域3為標(biāo)志視認(rèn)區(qū)域，區(qū)域5為車輛近處道路及儀表盤區(qū)域.

圖7 城市道路駕駛注視區(qū)域

不同分心狀態(tài)下指路標(biāo)志冗余設(shè)置前后注視點聚類結(jié)果見圖8.在無冗余設(shè)置時，視前分心下駕駛?cè)俗⒁朁c集中分布于區(qū)域1、2、4、5，區(qū)域3內(nèi)視點均由低頻注視產(chǎn)生，數(shù)量較其他區(qū)域明顯減少，且分布呈無序狀態(tài)，指路標(biāo)志視認(rèn)效果不佳；視后分心下注視點呈狹長狀分布，遺忘目標(biāo)道路后駕駛?cè)藘A向于左右環(huán)視進行信息搜索.采取冗余設(shè)置后，視前分心下區(qū)域3內(nèi)注視點分布增多，冗余設(shè)置對于指路標(biāo)志失效具有顯著的改善效果；視后分心下區(qū)域2、4視點比例減少，駕駛?cè)藢τ诘缆穬蓚?cè)景觀區(qū)域關(guān)注度下降，冗余設(shè)置能夠改善視后分心導(dǎo)致的駕駛?cè)怂阉鞣秶s小，使駕駛?cè)俗⒁朁c集中于路面前方.

綜上所述，冗余設(shè)置對于視前、視后分心導(dǎo)致的指路標(biāo)志失效均有不同程度的改善效果，本文進一步提出冗余指路標(biāo)志視認(rèn)績效對不同分心條件下的冗余設(shè)置效果進行對比分析.

使用冗余設(shè)置前后區(qū)域3注視頻次之比作為冗余標(biāo)志視認(rèn)績效分析指標(biāo)，計算公式為

(17)

式中：AR為冗余設(shè)置視認(rèn)績效值；N3b為冗余設(shè)置前區(qū)域3內(nèi)注視點數(shù)量；N3a為冗余設(shè)置后區(qū)域3內(nèi)注視點數(shù)量.不同條件下注視點數(shù)量見表4.

表4 不同條件下注視點數(shù)量

視前分心條件下冗余設(shè)置指路標(biāo)志視認(rèn)績效值為3.3，視后分心條件下為1.6，因此本文冗余設(shè)置方法對視前分心標(biāo)志失效的改善效果優(yōu)于視后分心.

5 結(jié) 束 語

文中根據(jù)視前、視后分心條件下駕駛?cè)艘曊J(rèn)指路標(biāo)志過程，利用駕駛?cè)艘曊J(rèn)特性理論，提出城市干路指路標(biāo)志失效判斷方法，計算了視后最大分心時間、指路標(biāo)志冗余設(shè)置最優(yōu)間距，并通過模擬駕駛實驗驗證了冗余設(shè)置方法的有效性.結(jié)果表明：視前、視后分心均會對指路標(biāo)志視認(rèn)過程造成影響，視前分心狀態(tài)下駕駛?cè)说臉?biāo)志注視時間較短，注視模式以低頻注視為主；視后分心狀態(tài)下駕駛?cè)诵畔⑺阉鞣秶鷶U大，對道路中心區(qū)域關(guān)注度降低；本文冗余設(shè)置方法能夠有效改善視前、視后分心導(dǎo)致的指路標(biāo)志失效，且在視前分心下具有更優(yōu)改善效果.