草原公路交叉口指路标志信息量对驾驶员认知特性影响分析

李航天, 杨锋, 刘昱忻, 卢姗, 苏杭

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院, 呼和浩特 010018)

道路交通标志作用是为驾驶员提供精确可靠的公路信息,指路标志是其中重要的组成部分。中国对于指路标志信息量、设置距离等虽有相应的设置建议,但在实际驾车时,需要根据不同地区实际情况做出相应调整。草原公路交通车流量较低,道路线形以长直线为主,平面交叉口较多,在此环境行车时驾驶员视觉上的刺激低,注意力无法集中,特别在交叉口这种需要变道和应对突发情况的特殊路段,信息量过载或过低均会影响驾驶员行车安全性[1-2]。因此,针对草原公路交叉口路段的现状,对其指路标志信息量进行优化研究,确保路网交通的通行效率,降低交通事故的发生率以及优化草原公路交通人机系统方面具有重要意义。

在标志牌信息研究方面,Yang等[3]通过模拟实验选取特性指标研究,发现地名数小于7条,多板标志会产生更多脑力负荷;Huang等[4]通过模拟实验获取被试在单、双语标志时的眼动和驾驶数据,发现地名数超过5个时,双语标志表现不如中文标志;Pan等[5]建立高速公路出口指路标志模型,发现双向四车道出口指路标志距离接近道路交通标志设定值;汪琨[6]建立了交通标志识别模型,利用E-prime软件进行认知程序编写,确定交通标志平均信息量为0.646;魏田正等[7]基于计量模型及指路标志视认极限安全时间,得到了指路标志的信息量阈值为不超过7条。李晨新[8]通过E-prime程序选取关键因素进行研究,发现指路标志地名熟练程度对被试起到积极作用。在基于脑电与事件相关电位研究方面,Lu等[9]利用事件相关电位研究语义一致对交通符号识别影响,确定N300和N400是标志设计中测量语义一致性的重要指标;Chuang等[10]开展学生与专业司机之间的室内模拟对比实验,分析行为数据以及P3和MMN成分,发现专业司机识别速度更慢,敏感度也更低;张峻瑜等[11]基于脑电信号探索正确记忆与错误记忆的差异性,能更全面地理清人脑活动过程中正确记忆与错误记忆加工机制的异同。杨叶红[12]利用P1、N1和P300的波幅探究动作信息的视觉工作记忆对注意的影响及机制。在草原公路交叉口研究方面,戚春华等[13]、王笑男[14]利用脑电与事件相关电位指标,研究了草原公路交叉口适宜信息量和标志组合。

基于此,国内外学者对于道路交叉口指路标志研究以及取得了一系列成果,但以往研究主要集中在标志牌信息量以及设置距离、信息语义一致性、认知负荷等方面,基于驾驶员认知特性的草原公路交叉口指路标志信息量的研究刚刚起步。基于此,现针对草原公路交叉口路段指路标志信息量设置不合理、系统性不强等问题,从驾驶员认知特性的角度出发,利用事件相关电位(event-related potential,ERP)技术开展指路标志信息条数和行车速度认知实验,深入研究驾驶员认知不同指路标志信息条数时大脑不同区域的变化规律,初步确定草原公路交叉口指路标志的信息阈值,以期为草原公路交叉口指路标志设计及设置提出相应的理论支持。

1 实验设计

1.1 实验设备

实验采用由德国BrainProducts公司生产的64导联BrainAmp型脑电采集设备,设备由脑电帽、放大器、电极线等构成,脑电设备配有专用的脑电采集和分析软件BrainVision Recorder和BrainVision Analyzer2.0。脑电设备具体组成如图1所示。

图1 脑电采集系统

实验采用E-Prime软件进行交通指路标志的展示。E-Prime软件能够完成对实验设计环节的高准确性控制,如实验指路标志刺激材料的制作、控制实验过程以及实验数据采集处理,还可以进行指路标志展示的程序撰写、实验流程运行。同时在实验结果以后,软件可以自动采集毫秒级别的时间数据。

1.2 实验被试

公安部2021年全国机动车和驾驶人统计数据,大部分驾驶员为男性,为了控制性别因素对实验结果的影响,均选择男性驾驶员。根据交通事故调查统计显示,18～35岁为交通事故高发年龄,其中18～25岁最容易发生交通事故[15],因此实验最终选择18～25岁男性大学生作为被试。

根据中心极限定理,得出实验至少需要35名被试,为了防止个体差异造成实验误差,最终选取40名[驾龄(2.42±1.05)年,驾驶里程(2.34±0.68)万km]男性驾驶员作为实验对象。全部被试身体状况良好,无突发性疾病,拥有C类驾驶证并具有一定的驾驶经验。实验开始前被试需要填写驾驶员基本信息调查表,统计被试驾龄、驾驶里程等。

1.3 交叉口指路标志设计

对草原公路交叉口指路标志牌实际调查可知,指路标志存在某一方向不存在指路信息的情况。基于实际调查及指路标志版面信息条数的研究[14],设置指路标志信息条数为3～9条。实验中所有的路名均来自内蒙古地区的真实道路,标志牌图片汉字为黑体,蒙语为MenkQaganTig字体[16]。指路标志设计如图2所示。

图2 实验设计指路标志图片

1.4 实验设计

行车速度是交叉口指路标志研究中一个重要影响因素[17],不同车速下驾驶员标志信息认知存在明显变化。调查草原公路车辆行驶速度及道路设计车速,选择设计车速80 km/h、低于设计车速20%即60 km/h、高于设计车速20%即100 km/h 3种工况。提前利用模拟驾驶系统进行场景录制,通过Adobe Premiere ProCC截取实验所需要刺激材料。为了确保被试高效认知标志图片,设定刺激视频的参数。实验电脑垂直分辨率为1 440,宽高比为16∶9,最终确定分辨率为2 560×1 440。根据研究,不同速度下驾驶员认知指路标志的时间不相同[18],考虑到草原公路独特的行车环境和实验车速设计,结合文献[19],确定标志刺激视频的截取时长为6 s。通过E-Prime将截取的场景视频进行程序设计并保存实验数据。实验流程由指导语、注视点、练习模块、正式实验以及结束语组成。在实验正式开始前,被试需要佩戴好脑电采集设备,调试BrainAmp脑电设备,确保各个导联电位能够正常记录数据,采集被试对E-Prime呈现的不同刺激视频的脑电数据并全程不间断记录。告知被试指定路名“科尔沁”,实验过程中在呈现的刺激视频中搜索目的路名,识别到“科尔沁”后,在电脑键盘上做出相应反应,如果目标地名在标志上方按W,在左边按A,右边按D。实验开始时,被试首先看到屏幕中出现注视点“+”1 000 ms,在被试认知信息后进入下一个刺激视频,刺激视频由指路标志信息条数为3～9的刺激视频随机重复3次播放,同一速度下E-Prime程序随机抽取视频播放。需要进行车速分别为60、80、100 km/h的3次实验,实验总时长为30 min左右。

1.5 脑电指标选取

事件相关电位(ERP)是外界信号对大脑进行刺激后,人脑对信息进行认知和处理,在这个过程中大脑相应的区域电位的变化状态[20],结合国内外学者的研究,针对草原公路交叉口处行车的特殊性,最终选取失匹配负波MMN、P300成分作为研究草原公路交叉口处驾驶员警觉度的指标。对全部数据进行预处理,发现在60 km/h与80 km/h速度下,标志信息条数为4～7时MMN潜伏期数据更能反映脑电变化,100 km/h速度下,信息条数为3～5时MMN数据更能反映脑电变化,故不同条件下选取不同指标进行分析。

MMN主要表现大脑对刺激信息的加工进程,是反映大脑对刺激差异无意识层面的加工状态的重要指标[18]。大脑对信息自动加工时,会确保有效信息进入意识,其他无用信息剔除,这样增加大脑对信息加工的效率,MMN成分是评价大脑对信息自动加工的重要指标[20]。

P300成分是ERP内源性成分之一,P3成分可以分为P3a和P3b两个亚成分,两个成分具有不同的分布位置和潜伏期,反映了不同的大脑神经变化[21]。P3b成分在潜伏期310～380 ms出现,在顶叶区有最大波幅值,P3b成分由刺激物信息驱动随后被传送到颞叶和顶叶引起,P3b成分的波幅值与所投入的大脑资源量呈正比关系,其受刺激意义、任务难度等方面的影响。

2 不同速度及指路标志信息条数对脑电指标波幅值影响

2.1 不同速度及指路标志信息条数对驾驶员大脑区域MMN成分波幅值影响

2.1.1 60 km/h下指路标志信息条数对MMN成分波幅值影响

针对60 km/h速度下的驾驶员认知指路标志信息条数为4～7的MMN指标潜伏期进行分析,具体变化情况如图3所示。

图3 60 km/h的指路标志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值变化图

从认知MMN成分各个脑区的电极波幅值可以得出,驾驶员额叶区F3、F4电位的MMN成分在指路标志信息条数为4时,波幅值数据最低,说明刺激任务难度较低时,驾驶员能够轻松地对目标信息进行识读判断。在指路标志信息条数增加到5、6时,被试的MMN波幅值增加,认知任务的难度增加影响驾驶员对信息的判断,此时被试大脑能够过滤无效信息,对有效信息进行认知。在指路标志信息条数增加到7条时,刺激任务难度增大,标志信息量过大,被试需要投入较多的脑力资源,影响脑力资源分配,不利于在草原公路交叉口特殊路段安全行车。顶叶区P3、P4电位波幅值在标志信息条数为4时数据最低,此时刺激任务量较低,驾驶员能够轻松完成认知任务;在信息条数增加到5、6时,被试MMN波幅值持续增加,随着认知难度增加,被试需要投入较多脑力资源,指路条数的增加可以有效警示驾驶员注意力集中。枕叶区O1、O2电位波幅值在指路标志信息条数为5、6时数据分布最稳定,此时被试视觉接收信息在可接收的范围内达到最大,可以准确对有效信息进行认知和识别,增加了大脑对目标信息识别的效率。颞叶区T7、T8电极MMN波幅值在指路标志信息条数为4、5、6时变化增加但波动较小,表明随着刺激任务难度增加,被试要逐渐投入脑力资源对目标地名信息认知识别。

2.1.2 80 km/h下指路标志信息条数对MMN成分波幅值影响

针对80 km/h速度下的驾驶员认知指路标志信息条数为4～7的MMN指标潜伏期进行分析,具体变化情况如图4所示。

图4 80 km/h的指路标志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值变化图

在车速为80 km/h条件下,认知MMN成分各个脑区的电极波幅值可以得出,额叶区F3、F4电极波幅值随着交叉口指路标志信息条数的增加而增加,说明驾驶员在草原公路单一景观下行车时,改变指路标志信息条数能够在一定程度上提高驾驶员行车注意力,尤其是在指路标志信息条数为5、6时,MMN波幅值数据分布较稳定,此时被试认知目标地名信息的效率增加。在信息条数为4时,顶叶区P3、P4电位MMN数据波幅值较低,此时被试能够轻松完成对目标地名的认知和选择,在信息条数增加至5、6条, P3、P4电极的MMN波幅值增加且数据分布较稳定,在进行信息判断时所投入的脑力资源在可承受的范围内,被试大脑对信息识别的效率增加。枕叶区O1、O2电位波幅值在指路标志信息条数为5、6条时的数据分布较稳定,此时驾驶员视觉接收到最大信息,可以对无用信息进行过滤,识别有效信息,在信息条数增加至7时,电位的MMN波幅值增加且变化波动较大,表明驾驶员需要投入较多的脑力资源,其视觉接收的信息超过可承受范围,在此信息设置的交叉口路段行车并不安全。颞叶区电位波幅值在信息条数为3、4、5时变化波动较小,数据分布稳定,驾驶员可以高效完成目标地名信息认知,不需要投入较多的脑力资源,此时被试大脑加工信息的效率较高。

2.1.3 100 km/h下指路标志信息条数对MMN成分波幅值影响

对100 km/h下驾驶员认知信息条数为3～5的MMN指标波幅值进行分析,具体变化情况如图5所示。

图5 100 km/h的指路标志不同信息量刺激下的MMN成分波幅值变化图

在车速为100 km/h条件下,额叶区电位MMN波幅值在信息条数为3、4时逐渐增加,说明随着交叉口指路标志信息条数即信息量增加,被试对标志信息的关注度增加,大脑对信息识别效率提升。顶叶区电位MMN波幅值在信息条数为3、4时,数据增加幅度较小且表现稳定,说明此时驾驶员注意力较集中,有充足的脑力资源完成对目标地名信息的认知。信息条数增加至5条时,顶叶区电位MMN波幅值增加幅度较大,驾驶员对于目标地名信息的认知难度升高,需要投入较多的脑力资源完成任务。枕叶区电位MMN波幅值在指路标志信息量为3、4时增加幅度较小,说明此情况下驾驶员接收到的信息量相差不大,不需要投入过多脑力对信息进行认知,注意力较集中;在信息条数增加到5时,MMN波幅值变化较大,表明此信息条数超过驾驶员大脑可以承受的范围。颞叶区电位MMN波幅值在信息量为3、4时分布稳定,说明被试在认知目标信息时能够准确判断,精神状态较好,识别信息的效率较高。

2.2 不同速度及指路标志信息条数对驾驶员大脑区域P3b成分波幅值影响

2.2.1 60 km/h下指路标志信息条数对P3b成分波幅值影响

对60 km/h速度下的驾驶员认知指路标志信息条数为4～7的P3b指标波幅值进行分析,具体变化情况如图6所示。

图6 60 km/h的指路标志不同信息量刺激下的P3b成分波幅值变化图

在车速为60 km/h条件下,额叶区电位P3b波幅值在信息条数为4、5、6时数据波动较小,分布较稳定,驾驶员对信息的决策能力增加;在信息增加到7时,额叶区电位P3b波幅值大幅度增加,表明刺激任务难度过大,驾驶员需要花费大量脑力资源处理指路标志信息。枕叶区电位P3b成分波幅值在指路标志信息条数为4、5时数据分布稳定,变化程度较小,驾驶员能够轻松识别目标地名信息,不需要投入较多脑力资源;在信息条数增加至5时, P3b波幅值少量增加,表明指路标志信息量增加,可以有效提高驾驶员注意力,此时视觉接收信息在可承受范围内。顶叶区电极的P3b波幅值在信息条数为4时数值最低,驾驶员轻松完成对目标地名识别;信息条数为5、6时,P3b波幅值变化幅度较小,表明当刺激任务难度提升,驾驶员需要付出一定的脑力资源完成对目标信息的判断,信息决策能力提高。颞叶区电位P3b波幅值在信息条数为4、5时数据变化幅度较小,此时驾驶员不需要付出更多的脑力资源就可以完成对目标信息的识读;在信息条数为6时,P3b波幅值增加变化率较小,说明被试认知目标地名信息的能力增加,有利于在交叉口路段安全行车。

2.2.2 80 km/h下指路标志信息条数对P3b成分波幅值影响

对80 km/h下驾驶员认知指路标志信息条数为4～7的P3b指标波幅值进行分析,具体变化情况如图7所示。

在80 km/h条件下,额叶区F3、F4电极P3b波幅值在标志信息量为4时数据值最低,说明刺激任务难度较低时,驾驶员可以轻松完成对指路信息的识别判断,在指路标志信息量为5、6时,P3b波幅值数据变化浮动较小,分布较稳定,表明在此指路标志信息量设置范围内行车时,被试注意力集中,完成刺激任务的能力增加。枕叶区O1、O2电极和颞叶区T7、T8电极的P3b成分波幅值在信息条数为4、5、6时数据分布稳定,其变化率较低,表明此时驾驶员视觉接收的指路标志信息量达到最大,能够对目标信息进行有效精准的认知。在指路标志信息增加到7时,顶叶区和颞叶区电位的P3b波幅值大量增加,变化波动较大,表明指路标志信息量的增加,被试视觉接收信息量过大而超出可承受范围,注意力降低。

2.2.3 100 km/h下指路标志信息条数对P3b成分波幅值影响

对100 km/h下驾驶员认知指路标志信息条数为3～5的P3b指标波幅值进行分析,具体变化情况如图8所示。

图8 100 km/h的指路标志不同信息量刺激下的P3b成分波幅值变化图

在100 km/h条件下,额叶区F3、F4电极的波幅值在指路标志信息条数为3、4时变化幅度较小,说明此时被试对目标地名信息的认知能力较强,不需要投入过多脑力资源;信息条数增加至5时,数据增长率较大,驾驶员需要投入更多的脑力和心理资源,超出了被试可接受的范围内,造成认知负荷。顶叶区P3、P4电极的P3b波幅值在信息条数为3、4时数据变化波动较小,此时驾驶员注意力集中,能够轻松完成对指路标志信息的认知,不需要付出较多脑力资源。枕叶区O1、O2波幅值在标志信息量为3、4时的数据分布较稳定,变化频率较小,此时被试视觉接收的信息在可承受的范围内达到最大,认知目标地名信息效率较高;信息条数为5时,P3b波幅值增加变化率较大,因为在较高车速下,指路标志信息量增加,驾驶员认知目标信息效率降低,视觉接收信息过多,造成认知负荷。颞叶区T7、T8的P3b波幅值在信息条数为3～4时的数据少量增加,表明在车速较高情况下,刺激任务难度少量增大可以提高驾驶员注意力,驾驶员大脑对目标地名信息认知能力增加。

3 结论

从驾驶员认知特性角度出发,研究草原公路交叉口路段指路标志信息量变化对驾驶员认知特性的影响,借助E-prime及ERP等设备,得出以下结论。

(1)对不同车速下,草原公路交叉口不同指路标志信息条数刺激诱发的MMN波幅值分析可知,车速为60 km/h和80 km/h情况下,交叉口指路标志信息条数为5和6时,车速为100 km/h条件下,指路标志信息条数为3和4时,驾驶员大脑过滤无效信息的效率增加,有效提高驾驶员行车注意力。

(2)对不同车速下,草原公路交叉口路段不同指路标志信息条数刺激诱发的P3b波幅值分析可知,车速为60 km/h和80 km/h情况下,交叉口指路标志信息条数为5和6时,车速为100 km/h条件下,指路标志信息条数为3和4时,驾驶员不需要投入过多的脑力资源就能够完成指路信息认知任务,有效地提高驾驶员注意力,对信息判断的决策能力增加,有利于在交叉口特殊冲突点行车。

(3)综合分析驾驶员MMN、P3b成分潜伏期和波幅值的变化规律,建议在草原公路交叉口路段行车速度为60 km/h和80 km/h情况下的指路标志信息条数为5、6,车速为100 km/h的指路标志信息条数为3、4。