夜间驾驶条件下LED道路可变信息标志的视认现状调查及分析——以重庆市主城区为例

何 荥, 石 丹, 邱卓涛

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045；2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

随着城市化进程的快速发展，城市中人口数量以及汽车保有量剧增，城市拥堵情况日益凸显，城市交通问题亟待解决[1]。由于传统反光膜标志在雨雪等恶劣天气以及夜间驾驶条件下使用极易引发交通事故，已经不能够满足驾驶人员对于交通信息标志在夜间的使用要求，发展性能更优的交通诱导系统对于改善当前严峻的交通形势来说至关重要[2，3]。

LED道路可变信息标志(LED of Road Variable Message Sign，以下简称VMS)能够通过发布即时交通信息帮助道路使用者及时调整其驾驶行为，从而减少交通事故、缓解交通堵塞、提高路网内交通流量[4]。VMS与传统道路交通标志相比最大的优点在于LED光源是自发光体且具有较强的光线穿透性能，在特殊天气(大雾、霾、沙尘暴)以及照明条件差的条件下仍然保持较好的信息可视性[5-7]。基于这些优点，VMS在道路交通中所发挥的作用已经越来越明显，应用也随着智能控制技术以及LED显示技术进步而不断革新[8]。随着近些年的不断发展，可变信息标志已成为发布公共交通信息,实施动态诱导的重要手段之一。VMS在日本、英国、美国等发达国家的发展和研究开始得较早，一系列研究表明屏幕信息内容的字体亮度、色彩等因素对于驾驶人员识别信息能力有一定的影响[9-14]。近年来国内也开始大力研究和发展VMS技术，并取得了不少研究成果[15，16]。相较于国外，我国VMS的投入使用时间较短,在理论研究和技术应用方面还不够成熟，这些问题导致了我国VMS目前在实际应用中仍然存在一些问题，其中夜间视认效率差是制约VMS发挥其优势的重要因素。夜间环境下的城市背景亮度值远低于白天，驾驶人员的视觉识别能力和色彩感知能力也都有所下降，对视认效率影响有很大的影响[6]。

重庆市是我国首批智能交通应用示范工程试点城市之一，VMS投入应用时间比较早[17]。其特殊的山城地形以及巨大的人口密度造就了主城区内复杂拥挤的交通路网，VMS的应用广泛。因此，本文将重庆市主城区作为研究对象，对主城区内VMS应用现状进行调查分析。

1 现场调研

1.1 调研对象选取

本文将重庆市主城区作为研究对象，对主城区内VMS应用现状进行初步调研，在对重庆市主城区内VMS类型、布设位置、显示信息等方面内容进行初步调查后，兼顾地理位置、屏幕布设等情况选取了沙坪坝、九龙坡等中心区内6个重要交通节点，对这些节点中在夜间工作条件下VMS屏幕亮度、色彩、字体尺寸等信息可视性相关因素进行数据测量、统计，并结合主观调查进行深入分析。具体区位信息及现状情况见(表1、表2)。

表1 调研节点基本型信息

表2 现场调研部分节点图片

1.2 调研过程

在实验中采用LM-3多视场瞄点式亮度计、XYL-V 全数字瞄点式亮度计对屏幕亮度进行测量。结合相关规范《LED 显示屏测量方法》(SJ/T 11281—2003)[18]要求以及VMS显示屏特点，选择在交通流量较小的夜间时段进行屏幕亮度的测量。亮度测量分为色彩精确亮度测量和显示屏平均亮度测量。对各显示色彩的亮度进行精确测量时，将测量仪器固定在1.5 m高的位置，根据显示屏的翻屏速度，将亮度计视场角对准测量点中心，每3～4 s记录一次亮度数据并求平均值。测量显示屏的平均亮度时根据显示屏幕的尺寸大小，通过距离换算法计算使用的亮度计的3°视场角所能够完全将其覆盖的测量距离，使用亮度计对准测量屏幕，对于各主次要页面进行亮度测量，每3～4 s记录一次亮度数据并求平均值。

1.3 相关规范理论基础

1.3.1 亮度规范理论基础

在GA484—2010《LED道路交通诱导可变信息标志》[19]中规定了各显示色彩最高显示亮度对应的最小亮度指标Lmax，还提出了最小亮度(即夜间显示亮度)应当控制在上述最高亮度Lmax的10%以下(表3)，GB/T 23828—2009《高速公路LED可变信息标志》[20]中也对VMS屏的亮度指标做了规定(表4)。

表3 GA484—2010《LED道路交通诱导可变信息标志》的亮度指标

表4 GB/T 23828—2009《高速公路LED可变信息标志》的亮度指标

1.3.2 字体规范理论基础

与传统反光膜道路交通标志相比，LED交通信息显示屏的字体尺寸标准在相关的规范中都没有给出具体的要求，通过GA484—2010《LED道路交通诱导可变信息标志》[19]中对于LED显示屏的两个相关指标可以推算出规范中对汉字尺寸分为15种，即相应的最小的字体尺寸为256 mm，最大字体尺寸为800 mm。

1.4 主观调查

通过问卷调查的形式，针对驾驶人员对于VMS的使用现状(包括视觉舒适度、屏幕亮度、字体大小等视认性能影响因素)的满意程度进行统计分析。并将驾驶人员的主观感受与客观测量数据结合分析，研究二者之间的内在联系。问卷量表形式使用李克特五级量表形式。

2 调研结果及分析

2.1 VMS常见分类

通过现场调研了解到重庆市主城区VMS按显示屏类型可分为点阵式、嵌入式和复合式三种类别(表5)。

表5 三种显示屏类型

1)点阵式：屏幕由LED像素布满，屏幕背景在工作状态下为黑色，全屏都可自由变化，显示图形和文字的信息内容，应用最为广泛。因此本次调研选择将点阵式VMS作为研究对象。

2)嵌入式：屏面上指示道路名称部分为金属牌面，信息内容不能改变。使用不同颜色的像素表示道路交通状态，并能实时变化。

3)复合式：上部是嵌入式结构，显示路网信息，下部是点阵式结构，显示文字信息。

2.2 VMS的显示内容和呈现方式

对各调研点的VMS的页面数、页面内容以及主要信息呈现时间的数据统计结果分析发现，VMS显示页面有3～6页不等。根据呈现内容的重要性，可将其分为三个等级(表6)：

1)主要信息：指路信息、道路拥堵状况等信息；

2)次要信息：周边重要城市空间指引、天气信息、实时车速、停车场及停车位等信息；

3)非重要信息：宣传性标语等信息。

表6 VMS显示屏的三种信息状态

2.3 VMS夜间信息现状调研及分析

为了进一步对重庆市主城区VMS夜间信息识别性能相关因素进行探究，选取了重庆市主城区范围内6个VMS布设点，对这6个布设点中VMS显示的字体尺寸、亮度、色彩等因素和道路背景亮度进行数据检测、分析。这些节点都位于沙坪坝区、九龙坡区如广场、立交桥、公交站等车流人流量较大，路况较为复杂的交通密集路段。

2.3.1 字体尺寸

由于直接测量显示字体有一定的难度，因此在与相关部门沟通，查阅部分资料后，获得了节点内字体尺寸数据，将节点中显示的字体尺寸和色彩按照信息的主次类型进行统计，结果见表7。

表7 不同节点汉字的字体尺寸调研

通过对比发现重庆主城区内VMS在实际应用时字体尺寸与规范要求存在较大的偏差，具体表现为以下三种情况：

1)汉字尺寸大小整体上远小于规范中的字体尺寸要求。在实际使用中的字体尺寸几乎都没有到达规范要求。近七成的字体尺寸为150～250 mm，达到规范要求的字体比例不到5%，且多为显示非主要信息；

2)汉字的笔画粗细不一，汉字之间的间距和宽高比也存在较大差别；

3)汉字字体风格不够统一。我国现行国家标准GB 5768—2009《道路交通标志和标线》[21]确定了高宽比1∶1的黑体字作为标准字体,而实际应用中VMS显示如宋体、黑体等多种字体。

2.3.2 字体亮度和色彩现状调研及分析

对夜间正常工作的VMS屏幕整体平均亮度和显示色光的精确亮度进行测量和统计，具体数值见表8。

表8 各节点VMS信息亮度测量结果

将所得数据与相关规范对比，发现红、绿两种常用色彩的夜间亮度普遍大于规范中规定的夜间最高亮度标准。VMS的整体平均亮度达到185～620 cd/m2，部分VMS显示屏的色彩亮度值甚至是标准亮度值的2～5倍。

此外，VMS屏幕显示色彩虽然在色系上都能够满足规范要求，但不同VMS屏幕之间色彩的色相存在较大差距。各个屏幕对色彩的使用方式没有同意要求，部分节点采用绿色作为主要信息显示彩色，同时也有将红绿色结合应用的情况，色彩应用的不统一可能会对驾驶人员阅读交通信息产生一定的影响。

2.4 视认距离测定

视认距离可以直接反映驾驶人员对VMS的视认效果。为了了解目前调研的VMS的实际视认水平，在调研的过程中对调研节点中的LED道路交通显示屏进行了视认距离的测定。由于本次测量过程无法在驾驶车辆内进行，因此选择夜间车流量很小的时间段，通过实验人员模拟驾驶状态下观察VMS显示屏的方式获取数据，找到自己认为能看清显示字体的最远距离，取实验人员的平均视认距离做为依据。具体数据见表9。

表9 各节点汉字尺寸调研结果

主要信息平均视认距离指模拟驾驶过程中实验人员测试所得能看清VMS显示主要信息的最远距离平均值。最大和最小汉字平均视认距离分别指的是能看清VMS显示最大、最小字体时的最远距离平均值。主要、次要信息呈现时间指的是VMS显示主要、次要信息页面的停留时长。

2.5 VMS主观评价调查及分析

通过问卷调查的形式收集驾驶人员对VMS的整体应用评价以及夜间信息识别性能的主观感受等信息，并结合实地调研所得的相关数据，总结出驾驶人员对于VMS应用现状的主观评价以及重庆主城区VMS在夜间显示信息方面存在的问题。

在主观问卷调研过程中，参考了前期实地调研中对各个节点的最佳视认距离。为减少客观因素影响，分别取6个节点中最远的主要信息使视认距离和最大汉字平均视认距离作为主观问卷点，即每个节点距VMS显示屏40 m处以及122 m处，并将两者命名为A和B地点。为确保问卷参与人员的人身安全，维护正常的交通秩序，选择在夜间车流量很小的条件下，每一个节点处安排志愿参与问卷调研人员模拟正常驾驶状态，经过两个最佳视认距离时观察VMS显示屏后完成问卷内容，最终一共获得120份有效反馈信息。所有参与问卷人员均考取机动车驾驶执照，驾龄从1～16年不等(图1)。视力及矫正视力均在4.9以上。其中超过一半的人认为VMS可变交通标志应用中优于其他交通标志(图2)。超过60%的人认为字体的亮度、大小以及色彩应用是影响视认效果的主要因素，其中超过80%的人认为字体亮度是影响视认效果的最主要因素(图3)。结合主观评价数据和调研实测数据进行分析可知(图4～图6)：

图1 问卷调查填写人员年龄比例Fig.1 Age ratio of respondents

图2 与其他道路交通标志相比优劣性问卷调查结果Fig.2 Compared with the survey results of other road traffic signs

图3 影响视认效果的主要因素问卷调查结果Fig.3 A survey of the main factors affecting visual recognition

图4 亮度相关的主观评价问卷结果(主要信息的最佳视认效果条件下)Fig.4 Results of subjective evaluation questionnaire about brightness(under the condition of best visual recognition of main information)

图5 亮度相关的主观评价问卷结果(最大字体的最佳视认效果条件下)Fig.5 Brightness related subjective evaluation questionnaire results (under the condition of the best visual recognition of the largest font)

图6 字体相关的主观评价问卷结果Fig.6 Results of subjective evaluation questionnaire on font

1)整体观感舒适度一项中，2节点评分最高，3节点评分最低。其中在A条件下评价达到一般以上(3分)的有1、2两个节点。在整体观感清晰度一项中，1的评分最高，3的评分最低。其中评价达到一般以上(3分)的有1、2、6三个节点。其中在B条件下评价达到一般以上(3分)的有1一个节点。在整体观感清晰度一项中，1的评分最高，3的评分最低。其中评价达到一般以上(3分)的有1、2两个。说明驾驶人员对于可变信息标志的应用现状整体满意度较低。对比实地调研所得亮度以及字体尺寸数据可以发现，虽然6个节点的亮度值都明显高于规范要求，但评价达到一般以上的三个节点无论是屏幕整体亮度值还是绿色、红色的精确亮度值都相对较低。说明屏幕亮度值对于整体视觉舒适度以及视觉清晰度都有较大影响。同时在A和B条件下，整体观感舒适度的满意程度均低于整体清晰度的满意程度，说明能够满足视觉舒适度需求的亮度低于视觉清晰度所需亮度值。

2)在A和B条件下，绿色字体亮度舒适度的满意程度均低于红色字体亮度，并且评价结果差距较大。结合调研实测数据以及相关规范可以发现，在实际应用中绿色字体亮度普遍高于红色字体两倍以上，同时是规范要求4～5倍。说明在显示色彩(尤其是绿色)的实际应用中的亮度普遍过高。过高的亮度值(尤其是绿色)对于驾驶人员阅读屏幕信息以及视觉舒适度存在较大影响。同时在B条件下，评价结果满意度略高于A条件下。说明更近的视认距离对于亮度舒适度更敏感，要求更高。

3)在A和B条件下，整体信息字体大小的评价都比较低，结合调研实测数据以及相关规范可以发现在实际应用中各节点的字体尺寸相差并不大，且均小于规范要求的最小尺寸。说明目前字体应用的现状无法满足驾驶人员阅读屏幕信息的实际需求。同时主次信息字体大小区别的主观评价结果满意度相对较高，结合实际应该也可以发现，大多显示屏在区分主次信息和宣传标语时采用翻页和变化色彩的形式进行分类播报，方便驾驶人员阅读交通信息，说明驾驶人员对于目前字体大小区分的形式比较认可。

4)色彩应用以及屏幕页面停留时长这两个主观评价的结果都相对较高，结合调研实测数据进行分析了解到6个节点运营状态良好，同时主要信息版面比较一致，驾驶人员能够比较方便的获取交通信息。对比具体评价数据可以发现，黄花园大桥节点的色彩应用主观评价满意度最高，6个节点中仅有黄花园大桥节点处的主要信息是使用绿色显示道路、红色显示地点文字的方式呈现，而其他节点均采用绿色表示主要信息，说明驾驶人员对红、绿色彩结合使用的方式满意度更高。同时每个节点的翻页时长不同，结合主观评价结果发现，翻页时长高于45 s的三个节点评价结果最高且评分差距不大，说明驾驶人员更偏向于页面停留时长相对较长的方式。

3 建议和总结

通过对重庆市主城区的VMS进行实地调研和驾驶人员的问卷调查，发现在VMS的实际应用中存在字体尺寸过小，夜间屏幕亮度过高等问题。基于这些问题提出以下几点建议：

1)统一字体形式、尺寸，完善相关规范标准。通过调研发现目前对于VMS显示字体并没有明确的尺寸规范要求，应该尽快完善相关要求标准，同时城区各地应该在满足字体尺寸相关规范要求的前提下，结合驾驶人员的主观视觉要求来确定字体具体尺寸大小。

2)控制屏幕亮度，结合规范要求以及驾驶人员的主观评价，选择适宜的亮度值，确保驾驶人员能够清晰、明确的获取VMS显示信息。统一字体用色，结合驾驶人员的主观感受统一城区内VMS显示信息方式。避免不同屏幕之间在显示同类信息时产生色彩、色相上的差异。

3)加强对VMS的管理力度，在实地调研中可以发现，不同地区的VMS的形式以及安装、管理等方面都存在一定的差异，同时存在不少因管理不力导致的屏幕损坏、弃用、停用等情况。因此应该促进VMS统筹管理的一体化、规范化，减少不同城区内VMS在屏幕类型、安装方式等方面的差异，并即时维修更换老旧损坏的VMS屏幕，确保VMS能够正常运营，为驾驶人员提供及时可靠的交通信息。

VMS作为正在快速发展的道路交通指示标志，相比于传统道路交通标志，对于提高驾驶人员的出行效率以及缓解城市交通拥堵问题有着很大的优势。本文通过实地调查和问卷调查分析总结了VMS的使用现状和问题，并给出了一定的优化建议，旨在能够为改善VMS应用现状起到一定的积极作用，同时在调研过程中也存在一些不足之处。例如，通过主观评价发现整体视觉舒适度的评价结果均低于整体视觉清晰度评价，同时在调研过程中进行测量过程均在深夜进行，环境光影响较小，而实际驾驶条件下附近商铺、小区灯光对于VMS显示效果的主观评价可能会有一定影响，这些问题都值得进一步研究。