基于分心驾驶的指路标志冗余设置间距研究

葛含章 裴玉龙

(东北林业大学交通学院 哈尔滨 150040)

0 引 言

指路标志作为城市道路中重要的基础设施之一，能够为道路使用者提供信息，辅助驾驶人搜寻目的地、确认行驶路线，驾驶人对指路标志的视认效果直接影响出行效率及安全.而随着智能手机的逐渐普及，驾驶人在驾驶过程中由于接听电话、收发消息所导致的分心成为城市道路交通运行的重大安全隐患[1].相较于其他类型交通标志，指路标志信息量更大、所需视认时间更长，因此分心会导致驾驶人错过指路标志，进而影响判断、行动，甚至诱发不良驾驶行为、导致交通事故[2].

现行GB5768.2—2022《道路交通标志和标线》指出可合理重复交通标志中重要的信息，但未对标志失效条件下指路标志冗余设置方法作出明确规定，而冗余设置作为提升标志设置效果的有效手段已得到国内外学者广泛关注.现有研究主要集中在冗余设置次数和设置间距等方面.在冗余设置次数方面，Agarwal等[3]使用数学方法分析了轻型车辆驾驶员因重型车辆领先而无法读取标志的情况，并通过遮挡持续时间计算最优标志重复次数，以将丢失标志信息的概率保持在阈值以下.陆建等[4]分析了公路外侧车道大型车遮挡内侧车道小型车驾驶员视认路侧交通标志过程，根据大车遮挡概率及驾驶人可用视认时间确定了路侧交通标志重复设置次数计算流程.在冗余设置间距方面，Jongen等[5]基于不同限速路段间车辆速度变化规律，给出了传统、区域重复以及区域三类限速路段的标志重复设置间距.徐婷等[6]从驾驶安全性和驾驶员短期记忆特性两个方面定量给出公路单义标志的重复设置间距.上述研究多考虑障碍物遮挡、空间限制等客观因素下的标志失效及冗余设置问题，而未从驾驶人主观角度对指路标志冗余设置方法进行深入研究.

文中根据驾驶人分心行为对指路标志视认的干扰过程，界定了指路标志的失效形式，提出了考虑驾驶人分心的城市道路指路标志冗余设置最优间距计算模型，并通过模拟驾驶实验检验了冗余设置方法的有效性.

1 驾驶人指路标志视认过程

根据驾驶行为心理学相关研究，驾驶人视认指路标志过程可分为感觉、视认、判断、行动四个阶段[7]，见图1.

图1 驾驶人标志视认过程示意

1)Dr为视认点，驾驶人于该点首次发现指路标志；Dra为视读点，驾驶人于该点开始认读指路标志信息；Drf为读完点，即驾驶人结束认读位置；Dv为消失点，此处标志与驾驶人视线夹角到达视角阈值，标志消失在驾驶人视野范围内；Da为行动点，即驾驶人完成行动决策后开始行动位置；Dc为完成点，该点驾驶人根据信息内容完成变道操作.

2)L1为感知距离，对应感觉阶段S1，即车辆在驾驶人发现指路标志至清晰看清指路标志时间内行驶的距离，认读距离取决于车辆行驶速度以及觉察时间，为

L1=vtc

(1)

式中：v为车辆行驶速度，m/s；tc为驾驶人觉察时间，通常取400 ms[8].

3)L2为认读距离，对应视认阶段S2，即车辆在驾驶人开始识读指路标志信息至识读完毕时间内行驶的距离.认读距离取决于车辆行驶速度以及认读时间，为

L2=vtr

(2)

式中：tr为指路标志认读时间，当指路标志地名信息低于5 h，驾驶人可在2.616 s内完成认读[9]，本文取上述值为驾驶人城市道路指路标志的认读时间.

4)L3为判断距离，对应判断阶段S3，从驾驶人识读完毕至采取行动间车辆行驶的距离.判断距离取决于车辆行驶速度以及判断时间，为

L3=vtp

(3)

式中：tp为驾驶人判断时间，通常取2 s[10].

5)L4为行动距离，对应行动阶段S4，即驾驶人根据指路标志信息做出变道操作过程中车辆行驶的距离.

(4)

式中：v1为车辆变道后车速；th为车辆换道所需时间，约为6 s[11]；a为车辆减速度，考虑城市道路车辆行驶平稳性，取车辆最佳减速度3 m/s2；n为变换车道次数；μ为换道选择系数，有换道行为取1，无换道行为取0.

6)L5为驾驶人结束视读后距离交通标志设置点的距离，为

L5=f(h*)

(5)

h*=K1·K2·K3·h

(6)

式中：h*为标志文字有效高度，cm；h为标志文字实际高度，cm；K1为标志文字种类修正系数；K2为汉字复杂性修正系数；K3为车速修正系数.K1、K2、K3修正系数见表1～3.

表1 K1修正系数

表2 K2修正系数

表3 K3修正系数

7)L6为指路标志设置点与驾驶人行动完成点间的距离.

L6=L3+L4-L5

(7)

8)L7为无法视认距离，即指路标志消失点与指路标志设置点间的距离.

(8)

式中：w为车道宽度，城市道路取3.5 m；ε为车辆位置系数，当车辆位于最右侧车道时ε=0；θmin为驾驶人视角阈值，路侧标志取15°；α1为路测标志位置修正系数，当指路标志杆位与路缘石处于同一平面时α1=1.α2为车辆位置修正系数，当车辆行驶于道路中心时α2=1.

2 驾驶人分心条件下的指路标志冗余设置

城市道路中合理的指路标志布设需满足下列两个条件：驾驶人在消失点前清晰、准确阅读完交通标志信息，且阅读结束后有充足时间完成决策、行动.本文按照驾驶人在标志视认过程中分心出现时间点的不同，将驾驶人分心分为“视前分心”与“视后分心”，视前分心是指当车辆处于指路标志可视距离内时出现的分心行为，此时驾驶人未完成指路标志视读；视后分心是指驾驶人完成指路标志视读后出现的分心行为，主要影响驾驶人的判断与行动.

由于以上分心导致指路标志无法满足合理布设条件之一，即可认定为指路标志失效，对于失效标志可进行指路标志冗余设置，标志冗余设置是指将标志进行多次、重复性的设置，以使由于分心导致视认标志失败的驾驶人进行二次视认.驾驶人分心条件下的指路标志冗余设置见图2.

图2 分心条件下指路标志冗余设置示意

视前分心与视后分心以指路标志消失点为界限.视前分心条件下，驾驶人在指路标志消失后并未获得所需指路信息，因此以驾驶人于消失点立刻开始冗余标志视认过程为原则，可确定指路标志冗余设置的最小间距DR min.

DR min=L2+L5-L7

(9)

指路标志3要求驾驶人在不可变道实线前按指路标志信息完成行动，且二次视认条件下驾驶人认读标志后立即采取行动，则有：

vtf+LS1+LS2+LS4≤D-L7

(10)

式中：D为指路标志1与停止线间距离；tf为视后分心时间；LS1为二次视认下的感知距离；LS2为二次视认下的认读距离；LS4为可允许的最小行动距离.

LS1、LS2与首次视认情况下计算方法相同，由于需确定最大视后分心时间，LS4计算时不考虑变道后的减速距离，且需保证车辆在停止线前完成变道操作，可认为车辆在换道时间内做匀速行驶.

LS4=μnvthmin

(11)

根据式(10)可得最大视后分心时间计算式为

tf≤(D-LS1-LS2-LS4-L7)/v

(12)

视后分心条件下，驾驶人于消失点前已完成原标志视认过程，但由于分心导致信息短时记忆衰减，可根据路口停车线所确定的最迟完成点、最大分心时间计算最大冗余设置间距DRmax.

DRmax=D+L5-LS4-2L7

(13)

综上，取驾驶人分心条件下指路标志冗余设置最佳间距为

ΔD=(DR max+DR min)/2

(14)

3 实验方案设计

3.1 实验设备与被试

实验设备包括驾驶模拟器、dikabilis cable眼动追踪仪.选取20名被试进行模拟驾驶，均有三年以上驾龄，近视参与者必须佩戴眼镜，年龄为23～45岁(均值为32.8岁)，眼功能均正常，具有法定驾驶执照，实验前生理、心理状态正常，无疲劳、酒后驾驶，实验开始前未向被试提供任何研究目的相关信息，以免对指路标志视认情况产生干扰.被试10人成组，分为对照组与实验组.

3.2 实验场景构建

模拟驾驶场景为典型城市主干道路，双向六车道，车道宽度3.5 m，有中央分隔带，设计速度70 km/h.GB 5768.2—2022《道路交通标志和标线》中规定城市道路中指路标志宜设在路口前120～300 m处，本文考虑最大冗余设置间距将指路标志设置于距路口300 m处，指路标志尺寸650 cm×290 cm，见图3.

图3 实验指路标志

由式(1)～式(12)可计算出L1=7.78 m，L2=50.96 m，L3=38.88 m，L4=318.11 m，L5=147 m，L6=209.99 m，L7=30.64 m，LS4=116.64 m，最大视后分心时长为4.8 s，最小冗余设置间距167.22 m，最大冗余设置间距268.31 m，冗余设置最佳间距217.77 m.

为避免重复实验对被试产生认知干扰，构建1 500 m×4的矩形路网进行实验，见图4.场景中根据实际道路状况设置车流，对实验车辆无影响，以模拟真实城市道路驾驶环境，根据计算所确定的最佳间距于道路2、道路4进行冗余设置，道路1、道路3不进行冗余设置.

图4 模拟驾驶实验场景

3.3 实验流程

为保证实验获取数据的真实性，实验前所有被试均被告知参与指路标志视认指标采集实验，实验开始前要求被试登记姓名、性别,以及联系方式等基础信息，并将智能通信设备调至免提模式，切换至微信聊天界面后放置于模拟驾驶车辆中控台左侧手机支架上.实验中驾驶路径设定为顺时针方向，即“道路1—道路2—道路3—道路4”，被试驶入每条道路时会被告知前方驶向道路名称，同时要求被试变道至最左侧车道行驶，在实验过程中不允许被试进行超车，被试在工作人员的指引下熟悉设备操作以及模拟驾驶环境后，再正式开始实验.实验通过微信消息对被试实施分心干扰，消息类型包括语音消息及文字消息，根据已有研究结果，消息内容设置为两位数加减法[12]，本实验共设置20条信息负荷量相近的语音文字信息，例如：“27+57=？”.实验开始后实验员根据车辆行驶位置向被试发送信息，要求被试接收消息后立刻查看并以语音形式回复.

对照组与实验组分批进行实验，对照组实验目的为检验被试在“有分心影响，无冗余设置”条件下的指路标志视认情况，实验组实验目的为检验被试在“有分心影响，有冗余设置”条件下的指路标志视认情况.实验流程见图5.

图5 实验流程示意

4 实验数据分析

4.1 指路标志冗余设置有效性分析

选取指路标志注视时间作为冗余设置有效性分析指标，通过对实验组及对照组注视时间进行统计分析，视前及视后分心条件下冗余设置前后被试注视时间见图6.

图6 标志注视时间

由图6a)可知：在视前分心条件下，驾驶人仅能完成指路标志的低频注视，分心干扰导致驾驶人没有充足时间进行指路标志视认，对照组平均注视时间为166 ms，实验组平均注视时间为222 ms，远低于4信息量指路标志所需视认时间，对照组中共计7名被试(70%)无法完成指路标志视认，说明视前分心能够显著影响驾驶人对于指路标志的视认效果.

由图6b)可知：视后分心条件下，由于分心干扰出现于指路标志消失点之后，因此原指路标志视认过程不受影响，对照组平均注视时间1 612 ms，实验组平均注视时间1 927 ms，对照组中共计5名被试(50%)在视后分心后遗忘目标道路，采取了错误变道、转向操作，因此视后分心对于驾驶人在标志认读后的判断及操作会产生严重影响.

由图6c)可知：冗余设置指路标志平均注视时间在视前分心条件下为2 034 ms，在视后分心条件下为1 929 ms，所有被试均能完成冗余指路标志认读，实际驾驶过程中，分心出现时间随机且分心持续时间不固定，本文计算冗余设置最大、最小间距时考虑的分心情况均为极限条件，即“消失点前未开始视认、消失点后立即发生分心”，因此该冗余设置间距计算模型适用于满足最大视后分心时间条件下的其他情况.

4.2 冗余指路标志视认绩效分析

注视区域能够显示驾驶人的注视重点，进而获得驾驶人视域范围、兴趣区域等信息.本文使用的眼动数据是通过smart eye pro采集、以三维坐标系表示的矢量坐标，使用k-means聚类分析法对视点坐标数据进行注视区域聚类划分.

K-Means算法作为效果较好、思想简单的聚类算法，计算各数据对象之间的欧式距离，并以此衡量数据对象间的相似度，欧式距离与相似度成反比.在聚类前首先需指定初始聚类中心及聚类分类数k，计算除初步相似度后，根据相似度大小迭代计算聚类中心位置，降低聚类误差平方和(sum of squared, SEE)直到其不再变化，完成聚类.

数据对象与聚类中心欧式距离为

(15)

式中：x为数据对象；Ci为第i个聚类中心；m为数据对象维度；xj，Cij分别为x，Ci的第j个属性值.

数据集误差平方和SSE为

(16)

式中：k为聚类个数.

受实验过程中突发因素影响，原始数据中存在部分异常数据，为优化聚类效果，本文根据狄克松(Dixon)准则统一将异常值数据剔除，将清理后数据通过PYTHON进行k-means聚类分析，定义初始聚类个数k为5，聚类结果显示驾驶窗口视觉区域左下方存在大量视点，为实验过程中分心干扰导致，删除该类视点后再次进行聚类，划定城市道路驾驶注视区域见图7，其中区域1为车辆正前方远处道路区域，区域2、4为车辆两侧道路景观区域，区域3为标志视认区域，区域5为车辆近处道路及仪表盘区域.

图7 城市道路驾驶注视区域

不同分心状态下指路标志冗余设置前后注视点聚类结果见图8.在无冗余设置时，视前分心下驾驶人注视点集中分布于区域1、2、4、5，区域3内视点均由低频注视产生，数量较其他区域明显减少，且分布呈无序状态，指路标志视认效果不佳；视后分心下注视点呈狭长状分布，遗忘目标道路后驾驶人倾向于左右环视进行信息搜索.采取冗余设置后，视前分心下区域3内注视点分布增多，冗余设置对于指路标志失效具有显著的改善效果；视后分心下区域2、4视点比例减少，驾驶人对于道路两侧景观区域关注度下降，冗余设置能够改善视后分心导致的驾驶人搜索范围缩小，使驾驶人注视点集中于路面前方.

综上所述，冗余设置对于视前、视后分心导致的指路标志失效均有不同程度的改善效果，本文进一步提出冗余指路标志视认绩效对不同分心条件下的冗余设置效果进行对比分析.

使用冗余设置前后区域3注视频次之比作为冗余标志视认绩效分析指标，计算公式为

(17)

式中：AR为冗余设置视认绩效值；N3b为冗余设置前区域3内注视点数量；N3a为冗余设置后区域3内注视点数量.不同条件下注视点数量见表4.

表4 不同条件下注视点数量

视前分心条件下冗余设置指路标志视认绩效值为3.3，视后分心条件下为1.6，因此本文冗余设置方法对视前分心标志失效的改善效果优于视后分心.

5 结 束 语

文中根据视前、视后分心条件下驾驶人视认指路标志过程，利用驾驶人视认特性理论，提出城市干路指路标志失效判断方法，计算了视后最大分心时间、指路标志冗余设置最优间距，并通过模拟驾驶实验验证了冗余设置方法的有效性.结果表明：视前、视后分心均会对指路标志视认过程造成影响，视前分心状态下驾驶人的标志注视时间较短，注视模式以低频注视为主；视后分心状态下驾驶人信息搜索范围扩大，对道路中心区域关注度降低；本文冗余设置方法能够有效改善视前、视后分心导致的指路标志失效，且在视前分心下具有更优改善效果.