基于驾驶人视觉感知的高速公路速度控制措施效果分析

2020-03-11施兹国秦宇婷徐锋铭陈雨人

公路交通技术 2020年1期

施兹国，秦宇婷，徐锋铭，李璨，陈雨人

(1.浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州 310030； 2.同济大学交通运输工程学院，上海 201804)

高速公路速度控制措施是辅助驾驶人按照高速公路行驶条件采取合理行车速度的有效手段，发挥连续协调运行速度的作用，降低交通事故的发生概率[1]。速度控制措施主要包括限速标志、减速标线、警告标志、彩色路面、可变信息标志等。Charlton[2]比较了平曲线中设置警告标志、减速标线等措施对驾驶人注意力的不同影响程度；Ding等[3]利用驾驶模拟器从驾驶人心理和行为响应角度分析了减速标线的作用效果；Zhao等[4]研究了不同曲线半径相连的复合曲线段内，纵向减速标线对驾驶人的行为影响；Comte等[5]对比分析了曲线路段中4种速度控制措施的有效性，发现减速效果存在明显差异；Guan等[6]开发了一套交通标志模拟系统以探究驾驶人在平曲线路段行驶时，对交通标志的减速行为响应。

由于行车过程中，驾驶人主要依赖视觉感知获取高速公路线形及安全设施的信息，以采取相应的行为响应与速度控制策略[7-8]，一些学者尝试从视觉感知层面探究驾驶人行为与高速公路设施之间的相互关系。Costa等[9]利用眼动仪记录了驾驶人对高速公路标志的第一注视距离、注视时间，并发现第一注视距离与注视时间和车速之间存在良好的线性关系；Deng等[10]建立了交通标志认知模型，以计算驾驶人的工作负荷；Liu[11]认为交通标志的信息量、驾驶人对标志的观察方式和熟悉程度直接影响驾驶人对有效信息的捕捉和认知反应；Wang等[12]提出了驾驶人行车过程中视觉兴趣区域(VIR)的模型；陈雨人等[13]计算了不同高速公路环境下的驾驶人视觉信息负荷；Falkmer等[14]为进一步明确驾驶人的视觉注视点分布特点，将视觉区域划分成前、左、右3个分区，并分别分析了各区域内的驾驶人的眼动行为。本文基于视觉信息负荷计算模型，量化驾驶人对速度控制措施的认知作用，选取了包括限速标志、警告标志、减速标线和彩色路面在内的4种常见速度控制措施，采用减速度来表征行车速度变化，分析不同视觉信息量影响下的速度控制程度和效果。

1 实车试验与数据采集

试验选用小型车辆作为试验车，选取G15w、G60等5条行车环境和安全设施近似的高速公路作为试验路段，全长235.8 km。每条高速公路都采取了所研究的4种速度控制措施，以控制行车速度,降低事故率。为减少其他因素对减速行为的影响，主要采集了车辆在天气状况良好、自由流状态下的行驶数据，选取了10名试验人员(5名男性和5名女性)，均具有2年以上驾驶经验，且自然视力或矫正视力良好。采用GARMIN GDR35行车记录仪同步记录车辆行驶时的位置、速度、驾驶人视觉图像，为尽量模拟驾驶人视角、视线高度等，将摄像头置于靠近驾驶人一侧的车内挡风玻璃处。

2 驾驶人视觉信息负荷计算

2.1 动视觉与信息负荷

根据驾驶人行车过程的视点分布特性，一般将其静态视野划分成5个区域：正前视野、上方视野(内后视镜位置)、下方视野(仪表盘等车辆内部位置)、左侧视野(左侧后视镜位置)、右侧视野(右侧后视镜位置)[15-16]。Bao等[17]又将上述区域细分成了7类，然而这些分区未考虑驾驶人动态视野特性，而且速度控制措施一般出现在驾驶人的前方视野区域。因此，有必要基于动视觉进一步将前方视野划分成5个区域[13]：1个中央视野和4个周边视野(上、下、左、右)，如图1所示，其中w、h分别为驾驶人视觉感知画面的宽度和高度，d是中央视野的直径，R为计算视觉信息负荷的面域示例。根据动视觉特性，中央视野视力最高，用于感知运动物体细部特征，周边视野主要从总体上感知物体轮廓、色彩、方向等[13],不同的高速公路速度控制措施依车辆运行状态一般处于不同的视野区域，如图2所示。限速标志及警告标志位于右侧周边视野，减速标线及彩色路面则在驾驶人的中央视野内，因此不同视觉区域内速度控制措施效果差异性明显。一般情况下，中央视野范围在22°～100°之间，停留时间为 6 s～18 s，随着速度的增大，注意力进一步提高，注视点后退，视野逐渐变窄，出现时间缩短。行驶速度、视野范围、注视距离和可视时间的对应关系如表1所示。

图1 驾驶人视觉负荷模型

高速公路减速标志标线通过文字、图表和数字等信息向驾驶人传递信息[18]，这些信息通过刺激驾驶人视觉，产生视觉信息负荷，从而影响驾驶人行为，视觉环境越复杂，车速越快，需要处理接受的信息量就越大，信息负荷就越大[19]。结合速度控制措施的自身重要性程度、所在区域及面域信息提出视觉信息负荷模型：

(1)

(a) 限速标志

(b) 警告标志

(d) 彩色路面

表1 行车速度、视野范围、注视距离和可视时间的对应关系

(2)

I=Ic+Ip

(3)

式中：I为中央视野和周边视野内全部高速公路速度控制措施视觉信息量；Ic、Ip分别为驾驶人中央视野、周边视野的信息量；wi则代表各类速度控制措施视觉图像单位面积的视觉感知信息强度(i=1，2，3，4时分别对应限速标志、警告标志、减速标线、彩色路面)；Aci与Api分别表示中央视野、周边视野内各速度控制措施图像的面域(以像素为单位)；ti为这些标志标线在驾驶人动态视野中的持续时间；nc、np分别为某个断面内存在于中央视野、周边视野的高速公路减速标志标线的数量；αj表示速度控制措施分别位于4个不同的周边视野分区时，其对驾驶行为的影响程度，本文中所研究的目标减速主要位于周边视野的左右2个分区，分别以α1、α2表示设置在驾驶人左右两侧视野内的标志标线对其减速行为的影响系数。

2.2 模型参数确定

2.2.1 单位面积信息强度wi

实际行车视觉环境中，驾驶人感知到不同的高速公路速度控制措施信息强度不同，如一般情况下，限速标志对驾驶人的速度控制更有约束力。为表征各类型的减速标志标线对驾驶行为影响作用的差异性，提出单位面积信息强度wi，它反映了每种速度控制措施下驾驶人减速程度。参照目前实际工程案例，发现高速公路上主要采用4类措施进行速度控制，包括：限速标志、警告标志、减速标线和彩色路面。采用实车试验的方法共收集了280个样本，对应样本数量分别为82、70、75和53。统计分析不同驾驶人视觉感知不同速度控制措施的减速量，并绘制减速量的频率分布曲线，如图3所示。选取85%的驾驶人在感知某一速度控制措施后的减速量作为代表值表征不同速度控制措施对驾驶行为的作用强度大小，如表2所示。

根据标志标线的功能和作用，我国在JTG D82—2009《公路交通标志和标线设置规范》[20]中，对其进行了分类，主要包括禁令标志、警告标志、指示标志或警告标线等。本文研究对象为禁令标志、警告标志和警告标线(减速标线、彩色路面)。根据各标志标线的属性，及其对驾驶人行为的约束作用和驾驶人的遵守程度及实际使用情况，定义各类目标对象的标志标线的重要度，如表3所示。采用层次分析法，结合实车试验中驾驶人对视觉感知到的速度控制措施采取的减速行为(减速量)，得到所研究的4类标志标线的单位面积信息强度判断矩阵，如式(4)所示。对该矩阵进行一致性检验，计算一致性比率CR<0.1，满足精度要求。进一步计算不同速度控制措施的权重值wi，并将其作为单位面积的信息强度系数，如式(5)所示。

图3 不同速度控制措施的减速量概率分布

表2 4种速度控制措施影响下的减速量km/h

表3 不同速度控制措施的分类和影响程度

(4)

(5)

2.2.2 周边视野信息强度影响系数

根据动态视觉的特点，驾驶人更愿意将注意力集中在中央视野，假定中央减速措施的有效性为1，那么周边视野的影响已降至0.156，理想情况下应该使得速度控制措施在中央视野中出现。不过,考虑到大部分速度控制措施基本上都是位于左右周边视野中，因此选取了50个样本来比较左右周边视野对速度影响的差异性，如图4所示；通过计算可以获得左右中央视野对速度影响的不同程度，如表4所示。

(a) 标志牌位于左侧视野

(b) 标志牌位于右侧视野

表4 左右周边视野信息强度影响系数

2.2.3 视觉信息量负荷的计算

通过标定不同设施单位面积信息强度系数wi与周边视野强度影响系数αj，处于视野中各位置的4种速度控制措施的视觉信息量负荷都可计算出来。以包含速度控制措施的G15w高速公路某一路段为例，计算了经过该路段时各时刻下的视觉信息负荷，结果如表5所示。由表5可知，随着设施在驾驶人视野中布置位置与深度的改变，视觉信息量负荷处于动态变化的过程中。

表5 不同深度控制措施信息量负荷计算

3 速度控制措施效果分析

根据交通标志识别过程，采集了不同速度控制措施影响下5 s内的行驶速度，总样本量大于300。然后利用视觉信息量模型及相关参数计算信息负荷。通过分析数据发现，驾驶人在观察到控制措施后，一般会降低行驶速度或保持原来行驶速度，相互之间的关系如图5所示。

随着视觉信息负载的增加，行驶速度降低。尽管不同的信息负载量会导致不同的速度降低，一般来说，在减速措施的影响下，减速分为3个阶段：第1阶段，驾驶人只是一般观察这些速度控制措施，由于在远处看不清楚，一般会保持或稍微降低行车速度；第2阶段，驾驶人明确地感受到这些措施，根据他们感知到的信息量保持或者降低到一个适当的行车速度；第3阶段，虽然速度控制措施已从视野中消失，但仍然会影响行车速度，主要取决于驾驶人的记忆，如图6所示。为了确保计算措施的有效性，避免初始速度的差异，可选择速度的减速率作为指标。t检验中，皮尔逊减速率与视觉信息负荷的相关系数达0.97，P<0.001(α=5%)。