基于视觉特性的可变情报板文字信息阈值研究

伍毅平 李思宇 沈兴华 彭志彪 徐 昶 冯宗敏

(北京工业大学城市交通学院1) 北京 100124) (北京市道路路网管理与应急处置中心2) 北京 100053)(北京市城市规划设计研究院3) 北京 100045)

0 引 言

可变情报板(variable message sign, VMS)是动态传递道路及交通诱导信息的重要交通设施，对缓解交通拥堵、促进交通流合理分配起到有重要作用[1].VMS得到充分利用时，道路整体延误可减少23.7%，停车时间可减少31.8%[2].VMS已在我国得到广泛使用，截至2018年底，北京市公路领域现有VMS 414块，分设在国道、省道及县道，且数量逐年增长[3].

虽然VMS使用广泛，但是应用中仍存在一些问题.根据北京交通工程学会调研结果，36.1%的驾驶人认为VMS存在信息过载的现象，其中长条形VMS文字信息过载尤为突出[4-5].当文字信息过多时，驾驶人需要花费较长时间对信息进行认知和理解，容易导致分心驾驶，造成安全隐患[6].在国内外现有的标准规范中，文献[7]对VMS的用途、显示方式、版面和设置条件进行了相关规定，而对于文字信息量的范围未进行明确说明。文献[8]规定了最大行数与每行的字符数量，限制VMS信息单元个数，由于中美语言结构差异，其结果并不适用于汉字环境.

以往针对VMS的研究主要采用问卷调查和实验测试的方式开展，对VMS图文属性、信息内容和信息影响效用等进行研究，以明确驾驶人偏好.实验测试主要利用静态认知、驾驶模拟和实车测试等手段开展[9-10]，围绕驾驶人视认和驾驶行为特性进行研究，包括分析VMS版面类型对驾驶行为的影响[11]、探究VMS合理布设位置和内容呈现方式[12]、对VMS信息认知度进行评价等.以上研究对规范和合理设置VMS版面属性、优化信息内容等起到积极作用，但在确定VMS版面信息量阈值方面仍不够明确，也是造成实际使用时VMS信息量过载的主要原因之一.

考虑实际行车过程中，驾驶人主要通过视觉获取外部道路、交通及环境信息.因此本文重点探讨VMS文字信息对驾驶人视觉特性的影响.当前围绕驾驶人视觉的研究主要可划分为宏观和微观两类.宏观研究主要利用视认时长、视认距离等指标整体把握驾驶人视认特性。微观研究多借助眨眼次数、眼跳、注视点等细粒度视觉数据挖掘驾驶人视觉吸引及分配情况等.

文中选取实际使用中信息量过载频发的长条形文字式VMS，从驾驶人整体视认特性的角度出发，开展文字信息量阈值研究.利用静态认知实验探究驾驶人视认特性与长条形VMS文字信息数量的关系，初步确定满足驾驶人视认特性的VMS文字信息阈值.在此基础之上，通过动态模拟实验验证静态实验结论，最终确定文字信息阈值.本研究有助于完善VMS设计规范和使用标准，进而提升VMS的实际应用效果.

1 静态认知实验

1.1 实验人员

本次共招募45名驾驶人，其中42人完成全部实验测试，包括男性驾驶人26名，女性驾驶人16名；职业司机20人，非职业驾驶人22人.驾驶人年龄在20～50岁(平均值36.86；标准差11.62).所有驾驶人视力或矫正后的视力均在4.8以上，且在实际驾驶中均有使用VMS的经历.

1.2 实验仪器

实验仪器型号及其作用见表1.

表1 实验设备

实验使用的VMS版面尺寸为1 m×10 m.为避免由于静态认知实验所用液晶屏尺寸与实际道路上驾驶人使用的VMS存在较大差异，减少实验数据系统误差，研究基于人因工程学原理，应用式(1)确定驾驶人在室内视认VMS时所处位置.

(1)

式中：L为驾驶人视线与液晶屏幕之间的距离；h为驾驶人视线高度距离液晶屏上边缘高度，实际测量为28 cm；tanθ为驾驶人视线高度与液晶屏上边缘夹角，根据人因工程原理，当θ≤8°时，驾驶人可准确认读显示信息，因此θ选取8°.

根据式(1)计算得到本次实验驾驶人距离液晶显示屏的距离应为2 m.

1.3 实验场景

依据调查结果[13]，驾驶人可接受的VMS文字信息量范围为4～32.字数过少时，承载信息较少，不能满足实际信息传递需求；字数过多时，驾驶人接受程度较低.因此，本次实验将长条形VMS文字信息量范围设为8～24字.按照每4个字逐步递增，共计五种水平.

实验中VMS字体大小借鉴静态交通标志设计规范.当版面文字超过18个时，字高为35 cm；低于18字时，字高为50 cm.文字采用黑体字，高宽比为1∶1.

1.4 实验流程

静态认知实验包括驾前问卷、预实验、正式实验三部分.首先利用驾前问卷调查完成驾驶人属性采集，了解其生理状态以及VMS使用经历.

在预实验前向驾驶人宣读实验内容和实验注意事项，使其明确实验流程.预实验时间约3 min，使驾驶人熟悉实验流程及操作.

正式实验开始后，驾驶人对屏幕显示的VMS信息进行视认，视认完毕按下键盘指定按键，系统记录为视认时间.随后，屏幕跳转，显示与相同VMS信息相关的客观问题.客观问题围绕VMS内容进行设计，是含有单一正确答案的选择题.不同文字信息量的VMS版面随机显示，客观问题跟随对应的VMS成套出现.不同VMS之间随机出现风景图片以缓解驾驶人视觉疲劳.

1.5 数据采集与分析方法

1.5.1变量选取

选取视认时间、理解错误率反应驾驶人视认特性.

1)视认时间为VMS出现到驾驶人对版面信息完成认读的时间，表示驾驶人对版面文字的视认过程.视认时间越长，视认难度越大.

2)理解错误率由客观问题的答案统计所得，反应驾驶人对VMS信息理解的准确性.理解错误率越低，VMS信息显示越合理.

1.5.2数据分析

对视认时间及理解错误率两项指标逐一进行统计分析，判断特征指标对应不同文字信息量是否存在显著性差异，并同步分析各特征指标随着文字信息量变化的变化率，初步获得不同特征指标对应的VMS文字信息量阈值.

1.6 实验结果

1.6.1视认时间

视认时间及理解错误率的描述性统计结果见表2.绘制视认时间和文字信息量的关系见图1，驾驶人平均视认时间随文字信息量的增加而增长.由于各文字数量对应的视认时间方差非齐性，故采用Welch’s anova方法对不同文字信息量下的视认时间进行显著性差异分析.结果表明，不同文字信息量水平下，视认时间有显著差异(p<0.01)，且五个不同的文字数量可分为三个子集：8字与12字，16字与20字，24字.可见24字水平下，驾驶人需要花费更长的时间用于视认可变信息板显示的信息.

表2 实验数据描述

图1 平均视认时间与文字字数的关系

1.6.2理解错误率

图2为理解错误率与文字信息量的关系.当文字信息量增加，驾驶人理解错误率升高.文字信息量为8时，错误率最低；文字字数为24时，错误率最高.利用卡方检验对视认错误率进行统计分析，不同字数水平下各组视认错误情况有显著性差异(p<0.01).

图2 理解错误率及其变化率与文字信息量的关系

计算相邻两水平平均视认时间差与文字信息量差的比值，记为视认时间变化率.视认时间变化率表示视认时间随文字信息增加而变化的速度，视认变化率越大，视认时间增长速度越快，表明文字增长对视认时间的影响越大.同时计算错误率增长率，错误增长率越快表明文字增长对视认难度增大较快.

比较视认时间变化率与错误率变化率两指标，见图3.由图3可知:两者变化趋势一致.在16～20字，视认时间变化率和错误率变化率均为最低，表明在当前的文字水平下，视认时间和视认准确性受文字信息量变化的影响较小；超过20字后，视认时间增长率和错误变化率两者均达到最大值，即视认时间和准确性都受文字信息量变化影响较大.

图3 视认时间变化率及理解错误率变化率与文字字数的关系

综上所述，当文字信息量超过20字时，驾驶人视认困难，易出现理解错误，对驾驶人驾驶存在较大负面影响.根据静态视认实验结果，VMS文字信息阈值应为20.

2 动态模拟实验

2.1 实验人员

本次共有32名驾驶人完成实验测试.男性驾驶人20名，女性驾驶人12名；职业司机16人，非职业驾驶人16人.驾驶人年龄在23～59岁(平均值34.94；标准差12.01).所有驾驶人视力或矫正后的视力均在4.8以上，且实际驾驶过程中均有VMS使用经历.

2.2 实验仪器

实验设备及功能见表3.

表3 动态模拟实验设备

2.3 实验场景

围绕静态视认实验结果，动态模拟实验围绕16，20，24三个文字信息水平开展.实验中VMS版面文字为黑体，版面尺寸为1 m×10 m.字高为25 cm，高宽比为1∶1.实验道路分为准备路段和实验路段两部分.准备路段用于驾驶人适应模拟驾驶车辆，实验路段用于驾驶人视认和驾驶数据采集.道路为双向六车道高速公路，道路限速为100 km/h.每条道路场景对应一种VMS文字信息量，每名驾驶人需随机完成3组场景测试.

2.4 实验流程

动态模拟实验包括预实验和正式实验.利用预实验使驾驶人了解实验流程，熟悉驾驶模拟操作.在正式实验中，驾驶人按照正常驾车习惯驾驶，遵守限速要求，不变换车道.当驾驶人发现VMS时，进行第一次鸣笛，表明该时刻驾驶人开始对VMS进行视认，系统自动开始计时；视认完成后再次进行鸣笛，自动记录视认完成时刻、视认完成位置和该时刻的速度；当驾驶人理解VMS信息后，又一次进行鸣笛，记录理解完成时刻、理解完成位置和该时刻的速度.驾驶人完成任务并驾车行驶到实验目的地，模拟实验结束.为防止驾驶人疲劳，每完成一组驾驶模测试，休息5 min.

2.5 数据采集与分析

2.5.1变量选取

选取视认距离、理解距离、视认速度、理解速度以及理解时间反应驾驶人的视认特性和驾驶行为.其中，视认和理解距离分别表示驾驶人在视认和理解VMS的过程中车辆运动的距离，距离越大，表明VMS视认和理解难度越大；视认和理解速度指驾驶人完成视认和理解VMS信息时对应的速度，速度越小，表明VMS信息对驾驶人控制速度的影响越大；理解时间代表理解信息的速度，理解时间越长，文字信息理解难度越大.

2.5.2数据分析

为更加科学地验证VMS文字信息阈值，需综合评估不同VMS文字数量对驾驶人视觉特性和驾驶人行为特性的影响.本文利用基于熵权法的TOPSIS对视认距离、视认速度、理解距离、理解速度和理解时间五指标进行综合评价.熵权法是一种利用信息熵原理对指标权重进行客观计算的方法[14].TOPSIS法通过对评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，是一种综合性评价方法[15].

2.6 实验结果

分别对不同VMS文字字数水平下的视认过程和理解过程进行统计，各特征指标均值见表4.不同文字数量对视认和理解过程存在一定影响，但是影响程度较小.

表4 实验数据统计结果

利用熵权法对各个特征指标的权重进行计算.在本实验中，视认距离、理解距离、理解时间越大，表示长条形VMS的文字信息量对驾驶人视认行为产生负面影响；视认速度和理解速度越大，表明VMS对驾驶人速度控制影响较小.分别对各特征指标进行标准化处理，计算信息熵权值

Ej=(-0.33,-0.18,-0.69,-0.47,-0.57)

计算得到各个指标的权重：

Wj=(0.18,0.16,0.23,0.20,0.22)

在计算权重的过程中，五个特征指标所占权重较为平均，均占0.2左右，其中权重最大的是理解距离，其值为0.23.

利用TOPSIS法计算各水平的综合评价值，其中最优方案Z+和最劣方案Z-为

Z+=(0.67,0.59,0.60,0.59,0.81)

Z-=(0.55,0.55,0.56,0.55,0.00)

最终计算出综合评价结果见表5.

表5 TOPSIS计算结果

由表5可知:随着文字信息量增大，综合评价值减小，其中当字数为24字时，其综合评价值最小.因此，动态模拟实验结果与静态认知实验结果一致，VMS文字信息阈值应为20字.

3 结 论

1)静态认知实验表明，长条形VMS文字信息量对驾驶人视认时间及理解错误率均有显著影响，文字信息量不宜超过20字.

2)动态驾驶模拟实验结果与静态认知实验结果一致，综合分析确定VMS文字信息阈值应为20字.

文中研究确定了长条形VMS的文字信息阈值，有助于完善VMS设计规范和使用标准。论文研究结论基于小样本静态和动态模拟实验获得，一定程度上反应了不同VMS文字字数下驾驶人视认特性的变化趋势，还需要通过更大样本实车实验进一步论证和标定实验结果，以提高研究结论的可靠性.同时，在静态和动态实验中驾驶人的视线高均为度固定值，需要进一步验证视线高度对视认效果的影响.另外，由于不同国家的语言结构和文字表述等存在较大差异，不同国家所使用的VMS文字信息阈值的差别，还有待进一步研究.