高速公路和隧道交通标志位置有效性的眼动研究

史恭龙，谭海松，李红霞

(1.西安科技大学 管理学院，陕西 西安710054；2.西安科技大学 研究生院，陕西 西安710054；3.西安科技大学 安全管理与风险控制研究所，陕西 西安 710054)

0 引 言

交通标志的主要作用是给交通参与者必要的指示和警告，是汽车驾驶员获取交通信息的主要依据，是道路交通安全的重要保障，在交通管理方面应用广泛。有研究表明人的各种感觉器官获取的交通信息中，视觉占80%，听觉占14%，其他占6%[1]。可见，对驾驶员而言，视觉系统是获取外界信息最重要的通道。通过对驾驶员眼动轨迹的分析，可以深入了解驾驶员获取视觉信息的过程，而这一过程很难从驾驶员自述中有意识地体现出来[2]。交通标志作用的实质就是标志传递的信息与驾驶员感知信息效能的匹配，并且驾驶员在不同环境下对相同交通标志的注意程度及反映交通状态不同[3]。因此，对驾驶员视觉效能的研究能够反映交通标志的有效性。

近年来，国外学者在驾驶员视觉效能方面已经开展了广泛的研究。ANTWARG等长期研究驾驶员视觉行为及注意力与驾驶技能之间的关系[4]。2003年美国交通标志标准(MUTCD)采用动态仿真实验，模拟不同交通条件下标志的设置位置、文字大小对驾驶员的视认性的影响，研究出符合美国道路交通特性和美国人驾驶视觉特性的交通标志，重点突出标志的设置位置、各种技术参数、设置的安全性能等[5]。MADANI通过实验对不同年龄人的驾驶行为进行了比较，发现年长的驾驶员(35～44岁以及44岁以上)对交通标志的理解明显强于较年轻的驾驶员(16～24岁)[6]。国内学者也对驾驶员眼动轨迹与视觉特性开展了研究。刘浩学依据信息加工规律从工效学角度对公路交叉口交通标志的设置进行理论分析[7]。陆建等根据驾驶人发现交通标志到完成减速操作所需的最小时间，建立了最小前置距离计算模型；并根据短时记忆特性，建立了最大前置距离计算模型，进而确定了路侧限速标志的最佳设置位置，并通过算例对模型进行了验证[8]。李红霞等构建了旅游景区应急标识有效性的评价指标体系，发现显著性影响最大[9]。李首位等以眼动实验的方式研究了交通警告标志，发现有动线的警告标志能更快地获得视觉注意[10]。杨艳群等利用眼动仪和脑电仪对指路标志进行了实验研究，发现在6种场景下驾驶人对指路标志认知反应效率存在差异[11]。

综上所述，国内外学者在交通标志的视认性及驾驶员视觉特性等方面的研究较为成熟，但鲜有利用实验从驾驶员平面视角对高速公路交通标志位置有效性开展相关研究，文中选取高速公路和隧道上常见的2个驾驶场景进行眼动实验，分析眼动数据，评价交通标志放置位置的有效性。

1 实验准备

1.1 设备选择

本实验使用的设备是德国SMI Red-mobile 250眼动追踪系统，其采样频率高达250 Hz；实验材料呈现于23英寸的液晶显示器上，显示器的刷新频率为75 Hz，分辨率为1 920*1 080；1张符合人机工效设计的桌子和2把椅子；实验室光线良好，安静封闭，无外界干扰。

1.2 眼动参数的选取

在查阅文献的基础上，结合Red-mobile 250眼动仪的具体参数，并根据驾驶场景的实际情况确定选取的眼动参数主要有首次进入时间(Time to First Fixation)、首个注视点的注视时间(First Fixation Duration)、首个注视点的注视顺序(First Fixation Order)、总的注视时间(Total Fixation Time)等。

1.3 实验材料

选取在高速公路上和隧道内驾驶时常见的道路场景作为实验材料，照片由驾驶员车内视角拍摄，采用图片方式呈现，构建驾驶汽车在高速公路和隧道内看到交通标志时呈现的画面为场景，如图1和图2所示，并运用PS对图片进行修改，将标志放在不同位置，从而生成实验材料。将交通标志作为兴趣区域，记录被试眼动数据。

图1 高速公路模拟场景

图2 隧道内模拟场景

1.4 被试选择

为尽可能接近现实情况，选择已获得C1驾照且至少有一年上路驾车经验、年龄在25～45岁之间、裸眼视力或矫正视力达到1.0以上的人员作为被试，一共招募了30名合格被试，男女各半，均为右利手。

2 实验过程

在实验开始前先端正被试坐姿，调整被试与屏幕之间的距离约为65 cm，眼睛平视即可。实验采用5点校准，校准时被试的校准数据偏差X，Y都小于1方为合格。在宣读实验指导语“下面的实验场景是您正开车行驶在高速公路上或高速隧道中，请注意道路两旁的交通标志信息”后正式开始。

为了消除因首注视点的不同而造成的实验误差，在每一个目标刺激图片呈现前先播放一段1 min高速公路和隧道内行车记录仪拍摄相同场景的视频，之后直接呈现刺激图片；每张实验图片的呈现时间为5 s。为了减少主观因素对实验的干扰，在实验前不告诉被试实验目的。整个实验过程控制在3 min以内。眼动仪自动记录每个被试的眼动数据；个别被试由于眨眼、眼疲劳等原因使眼动仪无法记录到眼动轨迹，这些数据在分析时将被删除。

3 实验数据分析

3.1 实验数据处理

3.1.1 区域划分

将实验场景图片按照图3所示划分为9个区域[12]，在驾驶员有效视认交通标志的距离及范围内，因为⑤、⑦、⑧、⑨无法安装交通标志牌，并且路面交通标志线并非文中研究场景，所以⑤、⑦、⑧、⑨4个区域予以剔除，适合本实验研究的5个区域为①、②、③、④、⑥。

图3 场景编号划分

3.1.2 创建兴趣区域

实验完成后，将实验数据导入到BeGaze软件中，点开兴趣区域编辑按钮，选择编辑矩形兴趣区域的按钮，将每张图片的交通标志标记为兴趣区域。

3.1.3 数据可视化

划定兴趣区域后可以得到兴趣区域内的总的注视时间、首个注视点的注视时间、首个注视点的注视顺序、首次进入时间；然后导出数据使用SPSS 24.0进行统计分析，检验上述4个眼动指标针对的交通标志在不同位置是否有显著变化。

3.2 兴趣区域总的注视时间分析

根据高速公路模拟场景的实验数据进行统计，计算出每个被试在每个兴趣区域总的注视时间；用SPSS 24.0画出箱线图，根据箱线图删除异常值，然后进行正态性检验，其检验结果见表1。

由表1可知，兴趣区域②和⑥的P值都小于0.05，因此每个被试在兴趣区域②、⑥的总注视时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验，其检验结果见表2。

表1 高速公路模拟场景总的注视时间正态性分析

由表2可知P>0.05，未达到显著水平。因此，在高速公路中交通标志的位置放置对驾驶员总的注视时间并无显著影响。

表2 高速公路模拟场景总的注视时间非参数假设检验

根据隧道内模拟场景的实验数据进行统计，计算出每个被试在每个兴趣区域总的注视时间，剔除异常值，其正态检验结果见表3。

表3 隧道内模拟场景总的注视时间正态性分析

由表3可知，兴趣区域①和④的P值都小于0.05。因此，每个被试在兴趣区域①、④的总注视时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验，其检验结果见表4。由表4可知P>0.05，未达到显著水平。因此，在隧道中交通标志的位置放置对驾驶员总的注视时间并无显著影响。

表4 隧道内模拟场景总的注视时间非参数假设检验

3.3 首个注视点的注视时间分析

同理可以得到高速公路模拟场景的首个注的视点注视时间的正态性分析，由其分析结果可知兴趣区域②、③、④、⑥的P值分别为0.006，0.001，0.003，0都小于0.05。因此，每个被试在兴趣区域②、③、④、⑥的首个注视点的注视时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。由其检验结果可知P值为0.096大于0.05，未达到显著水平，因此在高速公路的模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员首个注视点的注视时间并无显著影响。

同理根据隧道内模拟场景的实验数据进行统计，计算出每个被试在每个兴趣区域的首个注视点的注视时间，剔除异常值。由其正态性检验结果可知兴趣区域①、②、④、⑥的P值分别为0.017，0.012，0.004，0.007都小于0.05，因此每个人在兴趣区域①、②、④、⑥的首个注视点的注视时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。由其检验结果可知P值为0.392大于0.05，未达到显著水平，因此在隧道内的模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员首个注视点的注视时间并无显著影响。

3.4 首个注视点的注视顺序

同理可以得到高速公路模拟场景首个注视点的注视顺序的正态性分析，由其分析结果可知兴趣区域①、②、③、④、⑥的P值分别为0.001，0，0，0，0都小于0.05，因此每个被试在兴趣区域①、②、③、④、⑥的首个注视点的注视顺序并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。由其检验结果可知P值为0.031，小于0.05，达到显著水平。因此，在高速公路模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员注视兴趣区域首个注视点的注视顺序有显著影响。每个兴趣区域首个注视点的注视顺序的均值如图4所示。

由图4可知，5个兴趣区域首个注视点的注视顺序的均值排序为①>②>③>④>⑥。

图4 高速公路模拟场景首个注视点的注视顺序均值

根据隧道内模拟场景的实验数据进行统计，计算出每个被试在每个兴趣区域首个注视点的注视顺序，剔除异常值。由其正态检验结果可知兴趣区域①、②、③、④、⑥的P值分别为0，0，0，0，0，都小于0.05。因此，每个被试在兴趣区域①、②、③、④、⑥的首个注视点的注视顺序并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。其检验结果可知P值为0.003，小于0.05，达到显著水平。因此，在隧道内模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员注视兴趣区域首个注视点的注视顺序有显著影响。每个兴趣区域首个注视点的注视顺序的均值如图5所示。

图5 隧道内模拟场景首个注视点的注视顺序均值

由图5可知，5个兴趣区域首个注视点的注视顺序的均值排序为①>③>⑥>②>④。

3.5 首次进入时间的数据分析

同理可以得到高速公路模拟场景首次进入时间的正态性分析，由其分析结果可知，兴趣区域③、④、⑥的P值分别为0.040，0，0.002，都小于0.05。因此每个被试在兴趣区域③、④、⑥的首次进入时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。由其检验结果可知P值为0.022，小于0.05，达到显著水平。因此，在高速公路模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员注视兴趣区域首次进入时间有显著影响。每个兴趣区域的首次进入时间的均值如图6所示。

图6 高速公路模拟场景首次进入时间的均值

由图6可知，5个兴趣区域首次进入时间的均值排序为④>①>⑥>②>③。

根据隧道内模拟场景的实验数据进行统计，计算出每个被试在每个兴趣区域的首次进入时间，剔除异常值。由其正态检验结果可知，兴趣区域③、④、⑥的P值分别为0.001，0.002，0.031，都小于0.05。因此每个被试在兴趣区域③、④、⑥的首次进入时间并不服从正态分布，所以采用非参数假设检验。由其检验结果可知P值为0.045小于0.05，达到显著水平。因此，隧道内模拟场景中交通标志的位置放置对驾驶员注视兴趣区域的首次进入时间有显著影响。每个兴趣区域首次进入时间均值如图7所示。

图7 隧道内模拟场景首次进入时间的均值

由图7可知，5个兴趣区域首次进入时间的均值排序为③>②>④>①>⑥。

3.6 热点图分析

由图8和图9的热点图可知：驾驶员的注视点主要集中在道路中间和交通标志上，这符合驾驶员的视认特性，因此整个实验的设计是合理的。可能由于隧道内视觉范围较小，车速较慢，因此驾驶员会将注意力更多集中在交通标志上。而在高速公路上视觉范围较大，车速较快，因此驾驶员在提取完交通标志的信息后会将更多的注意力集中在行车路面上。

图8 高速公路模拟场景热点图

图9 隧道内模拟场景热点图

4 结果讨论

由以上实验数据分析可知：2个模拟场景中交通标志的位置对总的注视时间、首个注视点的注视时间2个指标并无显著性影响，而对首个注视点的注视顺序、首次进入时间这2个指标有显著性影响。因此交通标志的位置对驾驶员提取标志信息并无显著影响。

在高速公路模拟场景中5个区域首个注视点的注视顺序的均值，由小到大兴趣排列顺序为⑥<④<③<②<①，首次进入时间的均值由小到大的排列顺序为③<②<⑥<①<④。由这2个排列顺序可知在高速公路模拟场景中驾驶员发现兴趣区域①的时间和顺序都比较晚，而兴趣区域③和⑥被驾驶员发现的时间都比较短。因此，在高速公路模拟场景中，交通标志放在③和⑥的位置更为显著。通过查阅文献发现，导致这样的实验结果是因为人眼的右效应[13]。而在隧道内模拟场景中5个兴趣区域首个注视点的注视顺序的均值由小到大的排列顺序为④<②<⑥<③<①，首次进入时间的均值由小到大的排列顺序为⑥<①<④<②<③。由这2个排列顺序可知在隧道内模拟场景中驾驶员发现兴趣区域③的时间和顺序都比较晚，而兴趣区域⑥和④被驾驶员发现的时间都比较短。因此在隧道内模拟场景中，交通标志放在④和⑥的位置更为显著。

通过对比和分析2个场景的实验材料和实验数据发现，导致隧道内与高速公路上实验结果不一致的主要原因是由于为确保隧道内的能见度在隧道顶上安装了光照强度较高的光源，抑制了驾驶员对①、②、③区域的视觉搜索，因此驾驶员会下意识地加强对左右两边视觉区域的搜索。

5 结 论

1)交通标志位置对驾驶员提取交通信息的难易程度并无显著影响，但却对驾驶员发现交通标志的时间有显著影响。

2)在高速公路模拟场景中交通标志在③(右上)和⑥(右中)的位置更为显著，将交通标志放置在道路右侧具有科学性，并且造价低、逆反射亮度高、视认效果好。

3)在隧道内模拟场景中交通标志在④(左中)和⑥(右中)的位置更为显著。

4)为了使交通标志设置更为有效，在高速公路中应将交通标志放置在③(右上)或者⑥(右中)，在隧道内应该将交通标志放置在④(左中)或者⑥(右中)。

当然，真实环境中驾驶员读取交通标志信息还会受到天气状况、车辆流量、标志本身特性等因素影响，后期可以采取VR眼动仪或者眼镜式眼动仪进一步开展真实场景的实验研究。