基于驾驶人生理心理特性的车速反馈标志适用性研究

（南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京 210037）

0 引言

驾驶人超速行驶行为是诱发城市道路交通事故的主要原因之一。近年来由超速行驶引起的恶性交通事故频发，给城市道路使用者带来了极大的交通安全隐患。车速反馈标志作为一种动态限速标志，在实时显示车速的同时可通过红色警告提示驾驶人已超速。这类动态信息交通标志的应用影响着驾驶人的视觉感知与心理特性，进而影响行车安全。为此，对车速反馈标志在道路上的适用性进行研究很有必要。

国外学者对车速反馈标志的研究较早且较为深入。如Luoma 等[1]从眼动特性的角度分析了在城市郊区路段上增设可变限速标志对驾驶行为的影响，得出增设后驾驶人对动态交通信息标志的关注度更高的结论；Ardeshiri 等[2]通过统计分析、回归模型和贝叶斯网络模型评估了车速反馈标志不同设置地点、设置时长对降速效果的影响；Allaby等[3]通过交通事故预测模型对多伦多高速公路上的可变限速标志进行了评价，结合微观仿真模型对其交通安全影响进行了评估；Topolsek 等[4]运用眼动追踪技术，研究了驾驶人对路边交通标志与广告的觉察性。

国内学者对限速标志的研究主要集中于高速公路上限速标志的有效性、设置方法等方面。如蒋水龙等[5]针对车速反馈标志应用效果进行了实地车速调查、问卷调查和实施前后效果对比实验，综合分析了车速反馈标志在高速公路上的适用性；程国柱等[6]构建了驾驶人视认距离模型及限速标志前置距离模型，提出一种高速公路作业区昼夜渐变限速标志间距计算方法；倪娜[7]通过驾驶员心率、感知速度、行驶速度等指标，明确了视觉参考系对驾驶人心理的影响。

综上所述，国外主要运用数学模型从眼动特性的角度分析车速反馈标志的设置地点与设置时长、设置有效性与速度控制效果等，而较少结合心电和皮电等生理指标对车速反馈标志进行研究，对驾驶人自身特性的研究不够全面。国内对限速标志的研究更侧重于传统限速标志和车速反馈标志在高速公路上的适用性，缺少城市道路中两种限速标志的对比研究。因此，本文将以城市道路为研究背景，从驾驶人生理与心理特性的角度出发，通过实验对比静态限速标志与车速反馈标志对驾驶人的影响差异，深入研究车速反馈标志对驾驶人的作用机理，进而评估车速反馈标志在城市道路上的适用性。

1 实验思路

在驾驶车辆过程中，驾驶人会经历一个比较复杂的生理、心理变化过程，需要持续不断地在短时间内对交通标志传递的信息进行接受、分析、决策。本文为研究车速反馈标志的适用性，通过与静态限速标志的对比实验，选取视觉特性指标、心电特性指标、皮电特性指标来表征驾驶人生理心理变化特性，从跟随状态、服从性、制动诱导性三类行为特性来分析车速反馈标志的降速有效性。

（1）实验路段

本实验选取城市道路超速现象较严重的南京市玄武大道展开研究，具体路段为南京林业大学北一门—长途汽车东站，全长约1.1km，调查区段为标志上游80m 内路段，如图1 所示。车速反馈标志设置点在玄武大道限速50km/h的路段，受调查点客观条件限制，将车速反馈标志设于限速标志牌前方0.8m 处且角度、方向与限速牌相一致，如图2所示。

图1 玄武大道调查区段

图2 可变车速反馈标志图

（2）实验方法

实验共选取调查对象10名，实验次数共计20次，男女比例为3∶2，年龄在18～50 岁之间，均持有C1 驾驶执照，驾龄均超过2 年。实验过程中，令驾驶人佩戴Tobii Pro Glasses 系列眼动仪和Ergo LAB 无线生理传感器，分别在设置静态限速标志与车速反馈标志的路段正常行驶。实验中，通过Ergo LAB 人机环境同步系统获取驾驶人的视觉、心电与皮电指标；利用摄像机和雷达测速仪对实验路段进行拍摄和测速，可得到刹车比例、车头间距等数据。

用于实验的限速标志、车速反馈标志的尺寸与《道路交通标志和标线（第2部分）》（GB 5768.2—2009）[8]规范要求相一致，限速标志牌外径为0.8m，数字尺寸为0.38m×0.55m；车速反馈标志的外观尺寸为0.70m×0.55m，LED 数字尺寸为0.36m×0.6m。两种标志的外观尺寸相差约0.12m2，数字尺寸相差约0.007m2，在实验允许误差范围以内。因此本文认为两种标志的字体和外观差异对驾驶人的影响可以忽略不计。此外，限速标志牌距路面高度约为2.5m，车速反馈标志距路面高度约为1.5m。经调查，该路段最高85%位车速为72 km/h，根据文献[9]中的限速标志前置距离参照表[9]，近似取限速标志前置距离80m 为调查区间，以尽量减小调查过程中标志高度对驾驶人的影响。

2 驾驶人眼动特性

有研究发现，驾驶人在行车过程中通过视觉获取的信息占全部获取信息量的80%以上，驾驶人的视觉机能在很大程度上影响驾驶行为[10]。为探究两种标志对驾驶人的眼动特性影响，本文选取与眼睛基本运动形式相关的5个指标进行分析，分别为注视时间、扫视时间、注视次数、扫视次数和视觉搜索轨迹。

2.1 注视与扫视指标变化分析

箱线图可以直观地反映数据的四分位值、平均值和异常值，且借助异常值可以剔除不具代表性的数据，能较准确地描述数据的离散性和整体变化趋势。因此，本研究采用箱线图描述驾驶人注视指标与扫视指标的变化情况，分别如图3 和图4所示。

图3 驾驶人平均扫视时间与平均注视时间对比

由图3 和图4 可知，在设置车速反馈标志的道路上，驾驶人的注视时间与注视次数的平均值与四分位值分别增加5.94%和15.23%；扫视次数和扫视时间的平均值与四分位值降幅明显，分别降低23.98%与10.32%。这表明：驾驶人注意力集中、关注度高，搜索有效信息效率高，能够快速寻找、提取标志上的信息来辅助对目标物及交通环境的判断；同时，速度反馈标志对驾驶人产生较大的吸引与刺激，使驾驶人易产生不稳定、不确定感，需要延长注视时间以获取对驾驶状况的认知。

图4 驾驶人扫视次数与注视次数对比

2.2 注视轨迹分析

驾驶人感兴趣片段的组成情况能反映交通标志中信息比例的高低[11]。感兴趣片段由注视点和注视轨迹组成。以一名具有代表性的驾驶人的视认轨迹为例，其注视点和注视轨迹如图5 所示，图中圆点大小表示注视时间，圆点越大表示注视时间越长；圆点中数字表示注视点顺序，从大到小依次反映注视的先后顺序。研究结果发现，驾驶人在设有车速反馈标志的道路上行驶时，聚焦点更加集中，受其他因素干扰小，视驾驶人产生视认行为后有明显的制动行为与信息读取判断行为，整个搜索过程轨迹清晰。

图5 驾驶人视觉搜索轨迹对比图

由图5 可见，在仅设有静态限速标志的路段行驶时，驾驶人初始时刻的注视点位于临时停车标线处，视线轨迹偏向右侧干扰物，在接近限速标志时，仍无任何视认行为；在设有车速反馈标志的路段行驶时，驾驶人注视点集中分布在道路正前方区域，随着视野中车速反馈标志的出现，第11 关注点至第12 关注点有明显的跳跃，通过扫视注视点短暂停留后，快速回到道路正前方区域，注视点较稳定且视认轨迹清晰明显。可见，驾驶人对车速反馈标志的视认效果好于静态限速标志。这主要有两方面的原因：①车速反馈标志作为刺激信息实时显示车辆行驶速度，促使驾驶人提高关注度，完善情景意识，高效识别信息；②驾驶人可通过多次注视车速反馈标志来检查行驶车速，当速度反馈标志显示红色超速预警时，能诱使驾驶人采取制动行为，降低车速。

3 驾驶人心电与皮电特性

3.1 心率变异性分析

心率变异性是指连续心跳心脏搏动间期（Continuous Heartbeat RR Interval,RR）瞬间心率的微小差异，能详细反映交感神经与迷走神经的变化，可以用来表征驾驶人行车过程中的心理负荷变化和情绪变化程度，进而用于评价车速反馈标志对驾驶人的心理影响。

本实验采用时域分析、频域分析法对心率变异性进行评价。时域分析选取指标为心动间期均值（Mean of R Wave-to-R Wave Intervals,MRR）与心动间期总体标准差（Standard Deviation of Normal to Normal,SDNN）；频域分析选取指标为低频带（Low Frequency,LF） 与高频带（High Frequency,HF）。其中，MRR 反映交感神经和迷走神经对心率的调控能力，SDNN 反映神经的总体调节水平，高频成分HF 反映心脏迷走神经的活性，低频成分LF 反映交感神经的活性[12]。10名驾驶人的各心率变异性指标均值如表1所示。

表1 各心率变异性指标均值

从表1 可知，与设有静态限速标志的道路相比，当车辆行驶在设有车速反馈标志的道路上时，驾驶人的MRR 均值降低，SDNN 均值显著上升，二者的变化率分别可达151.35%与85.69%，表明驾驶人交感神经的张力增大，迷走神经张力减小，同时驾驶人心搏加强、加快，处于紧张状态。LF 明显下降，HF 总体呈上升趋势，表明交感神经兴奋加强，反映出车速反馈标志易使驾驶人心理负荷增大，对驾驶人的心理造成了一定的影响和波动。

3.2 皮电特性分析

本实验采用事件的相关性分析来评价驾驶人的皮肤电导反应（Skin Conductance Response,SCR)，并以皮肤电导变化反映车速反馈标志与静态限速标志对驾驶人产生的刺激或驾驶人情感变化[13]，具体利用皮肤电导反应数（Number of Skin Conductance Response,NSCR）、延迟时间Latency、皮肤电导反应强度（SCR Amplitude）和皮肤电导水平（Skin Conductance Level,SCL）共4 个指标进行分析。各皮电指标均值如表2所示。

表2 各皮电指标均值

从表2 数据来看，驾驶人的NSCR,SCR Am⁃plitude,SCL 均有明显升高，而Latency 值有明显降低，其中NSCR 与SCR Amplitude 变化最为显著，变化率分别为63.77%与52.84%。这表明车速反馈标志可引起驾驶人刺激反应，提高其对车速反馈标志的感知敏感性，进而使其较快地产生制动行为。

4 驾驶人行为特性分析

由于驾驶过程中受心理、生理上的干扰和约束，驾驶人会产生不同的驾驶行为[13]。本文选取跟随状态、车速服从状态和制动状态3 类行为特性指标反映车速反馈标志的降速有效性及诱导性，从而评价其在城市道路上的适用性。

4.1 不同跟驰状况下驾驶人跟随心理分析

通常，将车头时距小于1.2s 视为超车状态，1.2～4.8s 视为跟车状态，大于4.8s 视为自由行驶状态[14]。现有研究[15]将车辆跟驰状态分成两类：强跟驰和弱跟驰，出于测量精度考虑，取1～2s为强跟驰状态，取3～5s为弱跟驰状态，调查所得各参数见表3。

表3 不同实验条件下与跟驰状态下的刹车比例

由表3 可知，相较于静态限速标志，设置车速反馈标志路段上的跟随刹车比例增加，自主刹车比例降低，强、弱跟驰状态下的跟随刹车比例分别增加12%与6%，可见强跟驰状态下的跟随制动诱导性更强。由于强跟驰状态下驾驶难度和事故风险的主观感知会上升，驾驶人经限速标志的警示后刹车的可能性增大，较易产生积极的跟随心理。结合心电与皮电特性分析可知，速度反馈标志使驾驶人更易处于紧张状态、反应制动速度加快，同时强跟驰状态下驾驶人的心理裕量处于临界值，驾驶人对于自身行驶车速的合理性、敏感性增加，跟随效仿性更好。

4.2 不同行驶速度下驾驶人服从性分析

不同行驶速度下，驾驶人在受车速反馈标志影响后所产生的心理活动不同，服从性也不同。车速反馈标志和静态限速标志对驾驶人服从性的影响差异如图6 所示。由该图可知，车速反馈标志与静态限速标志两种道路条件下的车速分别集中于40～50 km/h 和50～60 km/h，车速反馈标志降速效果明显。在设置车速反馈标志的路段上，车速为45～50 km/h 的驾驶人刹车比例最高，达到25%，结合50km/h 的限制速度，对于临近超速的驾驶人影响效果最好，刹车比例提高约12%。在设置传统静态限速标志的路段上，车速为40～45km/h 的驾驶人刹车比例最高，且车速在50～60km/h 范围的刹车比例略高于设有车速反馈标志的路段，究其原因为车速反馈限速标志初次出现在该道路上，部分车辆在不了解的情况下采取忽视态度，因而该条件下的刹车比例不高。

图6 不同速度范围的车辆降速比例对比图

以上分析表明，车速反馈标志对处于临近超速的驾驶人诱导服从作用显著，能使驾驶人意识到超速状态的危险，起到提醒驾驶人注意自身车速的作用，即相较于静态限速标志，车速反馈标志减少超速现象的效果明显。

4.3 制动诱导性分析

为探究两种限速标志对驾驶人制动状态的影响，本文利用曼-惠特尼秩和检验法对刹车分布进行假设检验，分析车速反馈标志是否能显著缩短刹车距离。

利用单样本K-S 检验法分别检验两个样本是否符合正态分布，得到车速反馈标志与静态限速标志条件下的刹车分布渐进显著性分别为0.02 和0.008，均小于0.05，即认为两个独立样本均不满足正态分布，故选用曼-惠特尼秩和检验法[16]，具体步骤如下：

（1）建立原假设H0：假设两种道路条件下刹车距离分布没有显著差异；备择假设H1：假设两种道路条件下刹车距离分布具有显著差异。

（2）在显著性水平α=0.05下,查得标准状态分布α2 分位数Zα2=1.96，当|Z|>Zα2时，拒绝原假设，否则没有充分的理由拒绝原假设。利用SPSS 得到曼-惠特尼秩和检验结果（见表4），可知|Z|=2.267 > 1.96，故拒绝原假设，即刹车分布具有显著差异，车速反馈标志对驾驶人的制动行为有明显影响。

表4 曼-惠特尼秩和检验结果

5 结论

本文通过对比实验研究了车速反馈标志在城市道路上的适用性，从驾驶人自身特性出发分析了车速反馈标志与静态限速标志对驾驶人生理心理特性的影响差异。结果表明，车速反馈标志作为信息交互式交通标志，其车速显示与颜色变化能提供更有效的交通信息，提高驾驶人的视认效果，增加驾驶人心理负荷，同时在降速效果与制动诱导方面作用显著，在城市道路上具有良好的适用性，并对提高驾驶人行车安全具有一定作用。

因受限于实验对象和实验条件，本文未考虑两类限速标志的字体和外观差异，以及车速反馈标志的设置地点和设置数量对城市道路行驶速度与交通事故率的影响，这是未来研究需完善的方面。