高速公路指路标志对驾驶人寻径行为影响的实证研究

杨艳群, 姚羽珊, 黄勤威, 郑新夷

(1.福州大学土木工程学院, 福州 350116; 2.福建省交通规划设计院, 福州 350004;3.福州大学人文社会科学学院, 福州 350116)

0 引言

高速公路互通区和出入口是车辆转换行车方向的节点，通过匝道与其他道路相通，对交通流进行控制和保证交通安全. 其中，指路标志为车辆实现方向的转换起着指引、导向等作用，其辨识性、可读性等特征对互通区和出入口交通安全有着直接影响. 国内外的研究成果表明，高速公路互通区指路标志设置不合理直接影响标志的视认性,增加驾驶人认知难度,使行驶车辆产生速度差,容易导致交通事故发生[1-5].

驾驶人在路网中驶向其出行目的地的过程中，在路网互通区和出入口等方向转换节点，通过对指路标志的认知对驾驶行为进行决策，其认知行为是一个基于路网内所有指路标志的寻径过程，是有方向、有目的的行为过程[6]. 影响寻径行为的因素有很多，指路标志是其中一个关键因素. 指路标志如何为驾驶人提供决策信息至关重要，并影响其在相关路段的驾驶行为，如转换车道、降速等；不合理的指路标志将增加驾驶人的视认负担，无法对驾驶人起到有效的指示作用，严重影响交通安全，特别是对路网不熟悉或者驾驶经验不足的驾驶人.

国内外学者采用不同研究方法，对指路标志的设计要素[7-19]、辨识性[20-23]等进行了研究，为指路标志提供了量化可操作性的设置方法. 目前的研究成果中，基于驾驶人出行链中对指路标志的认知研究成果较为少见，指路信息在路网中的连续性的研究成果也较少. 寻径行为有较多研究成果，但大多集中在空间感知、建筑区域、儿童等领域[24-26]，指路标志对高速公路寻径行为影响的成果较少.

由于我国的高速公路多为分期、分段建设，重合路段多，不同时期的高速公路指路标志更新不及时或未系统性考虑，导致互通区和出入口指路标志信息繁杂，特别是绕城高速公路指地指路信息混杂. 驾驶人在未经过系统设置的指路标志信息指引下，经常出现停车辨识、认错路或多走路现象，甚至导致事故. 本文研究目的是通过实车实验，在多条高速公路组成的环境中，分析驾驶人寻径过程中对指路信息的需求与加工过程，为指路标志的系统性设计提供参考.

1 实验步骤

1.1 参数选取

本次实验采用实车驾驶模式，采集驾驶人在复杂路网条件下的驾驶人的眼动、生理指标、路径选择以及行车特性. 研究观测变量为驾驶人的注视点、瞳孔直径、心率增长率、肌电、皮电以及制动行为和变道行为.

1.2 实验设计

1.2.1 实验设备与仪器

实验车辆：本次实验配备4名工作人员(非被试)，负责对被试进行指导以及操控实验设备，保证实验有效进行. 实验使用7座自动挡商务轿车，以保证有足够的空间存放设备和安排实验人员.

实验仪器：ErgoLAB人机环同步平台、EDA皮电传感器、脉搏传感器PPG、肌电传感器EMG、TobiiX2-60眼动仪及数据盒以及蓄电池、逆变电源、显示屏、场景摄像头、行为摄像头、GPS测速仪.

1.2.2 被试

试验共招募15名男性被试，年龄22～35岁之间，矫正后视力均能达到1.0以上，均为右利手，实验当天所有被试身体状况良好. 并且所有被试实验之前均未行驶过试验路段，但有一定的高速行驶经验，能合理理解指示路标上提供的信息.

1.2.3 实验路段

试验选用的交通网络路段为福银高速闽侯竹岐互通至沈海高速长乐营前互通之间的高速公路及其连接线. 具体行车线路由驾驶人自行决定.

1.2.4 实验流程

1)实验准备

实车实验开始前告知被试此次驾驶任务的目的地——沈海高速长乐营前互通，同时将可行的线路方案告知被试，由被试在实验开始前自行规划路线方案以及所经过的控制节点. 同时，实验人员确认所有随车仪器(眼动仪和生理仪器)能保证正常运行.

2)实验阶段

准备就绪后实验开始. 被试从G70福银高速闽侯互通开始行驶，根据自行规划的路线以及高速公路指路标志的提示，到达目的地沈海高速营前互通(长乐)，全程约56 km. 被试驾驶期间在不影响驾驶行为前提下工作人员对其车速、眼动、心电、皮肤电以及肌电等数据进行采集，如图1所示. 当驾驶人驶出长乐营前互通出口后，实验完成.

图1 实验阶段

2 数据分析

2.1 目的地及控制点信息的影响

在试验路网中，以每个互通的第1块指路标志作为观测对象，根据观测过程中的信息反馈，剔除受到外界干扰且与实验无关的数据. 此次实验共采集数据126组，剔除7组受交通量等因素干扰的无效数据，得到119组有效数据. 将119组有效数据分为3类：第1类有24组，为直接提供目的地位置信息的指路标志；第2类有69组，为含有控制节点或相关位置信息的指路标志；第3类有26组，为既无目的地也无相关控制节点信息的标志. 实验观测结果显示不同的标志板面信息对驾驶人的心率增长率、瞳孔直径放大率、EDA渐变信号振幅增长率及肌电信号振幅增长率等有显著影响，故选择这4个指标进行分析.

2.1.1 生理分析

3种不同类型的标志下驾驶人4种生理因素的直方图如图2～5.

图2 3类标志影响下驾驶人肌电信号振幅增长率直方图

图3 3类标志影响下驾驶人EDA渐变信号振幅增长率直方图

图4 3类标志影响下驾驶人瞳孔直径增长率直方图

图5 3类标志影响下驾驶人心率增长率直方图

从图5中得出，相比于其他3个肌电信号振幅增长率的正态性并不显著，而驾驶人心率增长率、瞳孔直径放大率、EDA渐变信号振幅增长率在3种指路标志的作用下基本上呈正态分布.

为了对3种指路标志作用下驾驶人心率增长率、瞳孔直径放大率、EDA渐变信号振幅增长率的影响情况进行探究，对以上3个生理指标的均值差异进行显著性检验，建立原假设如下：

H0:μa=μb=μc

(1)

式中a、b、c分别代表上述3种类型的指路标志.

表1 心率增长率方差分析表

表2 EDA渐变信号振幅增长率方差分析表

在对样本使用stata软件进行分析之后(α=0.0)，由表1结果可知：F=59.61>F0.05(2,116)=3.079，故拒绝假设H0. 说明驾驶人的心率增长率在3种类型的指路标志的影响下差异显著. 根据Bonferroni统计检验的结果显示：前2类(p=0.139>0.005)指路标志影响下驾驶人的心率增长率差异性不显著，而驾驶人的心率增长率在第3类(p<0.005)指路标志的影响下差异明显大于前两类. 说明驾驶人在高速公路寻径过程中，指路标志含有目的地位置信息或仅含有控制点信息对驾驶人的心率增长率影响不大，但当2种信息都不能提供时，驾驶人在寻径过程中无法及时获取有效信息，以至于心率波动幅度更大.

表3 瞳孔直径放大率方差分析表

表4 心率增长率Bonferroni统计检验表

表5 EDA渐变信号振幅增长率Bonferroni统计检验表

表6 瞳孔直径放大率Bonferroni统计检验表

同理，驾驶人在寻径过程中，面对3种类别的指路标志，EDA渐变信号振幅增长率从第1类到第3类递增，差别显著；在面对第1类和第2类指路标志时下，驾驶人的瞳孔直径放大率较小，而面对第3类指路标志时，驾驶人的瞳孔直径放大率比前2类都要大. 同时对肌电信号振幅增长率的均值差异进行显著性检验后发现增长率无显著差异.

从表7的对比结果可看出，高速公路指路标志能否为驾驶人提供含有与目的地有关的信息对其在行车过程中的多项生理指标有较大的影响.

表7 3类指路标志的差异显著性表

2.1.2 车速分析

在试验路网中，选取上述3类指路标志进行分析，分别为第1类的祥谦互通、第2类的白龙枢纽、第3类的黄石互通，在选取指路标志时选择互通中出现的第 1块标志. 根据张伯明等人提出的指路标志版面设计内容与车速、视认距离等之间的关系[27]，选取所研究的标志前180、150、120、90、60、30 m 6个节点，测量车辆的平均瞬时车速. 如图6所示.

图6 3类互通6个节点驾驶人车速变化情况

从图6可看出，当驾驶人在标志牌上能获得期望信息时，刚开始视认的过程中车速相对降低，视认结束后车速开始回升. 而当驾驶人无法获取期望信息时，车速开始降低并且没有回升. 由此可见，驾驶人在行驶过程中，及时地提供期望信息有助于顺利行车，有无期望的信息对驾驶行为有一定的影响.

2.2 指路标志地名信息连续性的影响

2.2.1 路段选取

高速公路上指路信息的连续性对驾驶人行车有很大的影响，信息连续可给驾驶人带来积极影响，反之则会产生消极影响. 在白龙枢纽中，2、3、7、9、12、13号6位被试选择了福州西方向直行的路径，依次经过南屿、祥谦、青口、黄石枢纽. 上述的5个节点中，其中2个(祥谦和南屿)指路标志上注明了目的地“长乐”的方向，其余3个则无任何目的地信息的提示.

设置4组对照组，两两相邻枢纽互通为1个对照组. 而4个对照组指路信息分别存在连续与不连续的情况：白龙枢纽到南屿枢纽(无→有)、南屿枢纽到祥谦互通(有→有)、祥谦互通到青口枢纽(有→无)、青口互通到黄石互通(无→无).

2.2.2 驾驶注视区

行车过程中驾驶人的注视点并不是集中的，会根据驾驶习惯、兴趣和位移分布在各个区域，通过对被试在行车过程中注视点的分布情况进行分析，研究驾驶人的注视点分布是否与期望信息的出现及时是否连续有关.

1)动态兴趣区域

根据不同标志所在的时间点段不同，通过ErgoLAB人机环同步平台分析软件建立动态驾驶兴趣区. 这个软件利用视频中关键帧来阐述驾驶兴趣区的样式和变化，同时创建AOI的样式和坐标. 系统会在每两个关键帧之间自动填充AOI，AOI在每 2个关键帧之间都呈线性变化(包括其大小、位置和角度)[28]. 根据路标，通过ErgoLAB人机环同步平台分析软件建立如图7所示的动态兴趣区，将其命名为“被试编号—互通—指路标志”.

图7 标志牌和道路动态兴趣区划分

2)注视点分布

图8、图9以祥谦和青口枢纽为例，分别为6名被试在试验过程中得到的对第1块指路标志的版面信息的注视点叠加分布图.

图8 祥谦枢纽驾驶人注视点分布情况

图9 青口枢纽驾驶人注视点分布情况

从表8可得到以下规律：

1)在被试在视认指路标志时，其注视点个数会少于扫视点. 这可看出，驾驶人在寻找指路标志信息时是通过扫视的方式. 而注视点出现在目的地“长乐”上. 这说明驾驶人会首先通过扫视来寻找目的地，期望得到目标信息，当寻找到目的地后，驾驶人会以注视的方式，停留在该信息上.

2)注视点的个数和分布与期望信息的存在有关. 在出现目的地信息“长乐”的南屿和祥谦，驾驶人注视点分布更多的集中在前方道路中，说明在寻找期望信息上不需要驾驶人花费太多的注意力. 而未出现目的地信息的互通则注视点更多的分布在标志牌上，特别是在信息不连续时(祥谦到青口)，注视点分布的变化更是明显，说明驾驶人在这些互通中视认和寻找期望信息花费了更多的注意力. 在最后的黄石互通，指示路标上同时出现了“福州”“机场”2个指向(都与长乐有关)，此时被试对标志牌的注视点比例上升到了71.4%，这说明不明确的信息会给驾驶人增加视认难度，从而需要更多的注意力和判断力来对前方路径进行确认.

表8 驾驶人在互通的兴趣区注视点及扫视点分布情况

3 结束语

1)3类互通区指路标志中，即标志版面上明确提供目的地位置信息、有控制点信息、无目的地也没有控制点信息的指路标志，能否为驾驶人提供含有与目的地有关的信息对其在行车过程中的多项生理指标有较大的影响

2)驾驶人在高速公路寻径过程中，会重点寻找与驾驶目的地有关的期望信息. 期望信息的出现与否对他们的寻径状态、寻径过程、寻径结果以及车速具有较大影响.