史恭龍,譚海松,李紅霞
(1.西安科技大學(xué) 管理學(xué)院,陜西 西安710054;2.西安科技大學(xué) 研究生院,陜西 西安710054;3.西安科技大學(xué) 安全管理與風(fēng)險(xiǎn)控制研究所,陜西 西安 710054)
交通標(biāo)志的主要作用是給交通參與者必要的指示和警告,是汽車駕駛員獲取交通信息的主要依據(jù),是道路交通安全的重要保障,在交通管理方面應(yīng)用廣泛。有研究表明人的各種感覺(jué)器官獲取的交通信息中,視覺(jué)占80%,聽(tīng)覺(jué)占14%,其他占6%[1]??梢?jiàn),對(duì)駕駛員而言,視覺(jué)系統(tǒng)是獲取外界信息最重要的通道。通過(guò)對(duì)駕駛員眼動(dòng)軌跡的分析,可以深入了解駕駛員獲取視覺(jué)信息的過(guò)程,而這一過(guò)程很難從駕駛員自述中有意識(shí)地體現(xiàn)出來(lái)[2]。交通標(biāo)志作用的實(shí)質(zhì)就是標(biāo)志傳遞的信息與駕駛員感知信息效能的匹配,并且駕駛員在不同環(huán)境下對(duì)相同交通標(biāo)志的注意程度及反映交通狀態(tài)不同[3]。因此,對(duì)駕駛員視覺(jué)效能的研究能夠反映交通標(biāo)志的有效性。
近年來(lái),國(guó)外學(xué)者在駕駛員視覺(jué)效能方面已經(jīng)開(kāi)展了廣泛的研究。ANTWARG等長(zhǎng)期研究駕駛員視覺(jué)行為及注意力與駕駛技能之間的關(guān)系[4]。2003年美國(guó)交通標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)(MUTCD)采用動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn),模擬不同交通條件下標(biāo)志的設(shè)置位置、文字大小對(duì)駕駛員的視認(rèn)性的影響,研究出符合美國(guó)道路交通特性和美國(guó)人駕駛視覺(jué)特性的交通標(biāo)志,重點(diǎn)突出標(biāo)志的設(shè)置位置、各種技術(shù)參數(shù)、設(shè)置的安全性能等[5]。MADANI通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同年齡人的駕駛行為進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)年長(zhǎng)的駕駛員(35~44歲以及44歲以上)對(duì)交通標(biāo)志的理解明顯強(qiáng)于較年輕的駕駛員(16~24歲)[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)駕駛員眼動(dòng)軌跡與視覺(jué)特性開(kāi)展了研究。劉浩學(xué)依據(jù)信息加工規(guī)律從工效學(xué)角度對(duì)公路交叉口交通標(biāo)志的設(shè)置進(jìn)行理論分析[7]。陸建等根據(jù)駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志到完成減速操作所需的最小時(shí)間,建立了最小前置距離計(jì)算模型;并根據(jù)短時(shí)記憶特性,建立了最大前置距離計(jì)算模型,進(jìn)而確定了路側(cè)限速標(biāo)志的最佳設(shè)置位置,并通過(guò)算例對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證[8]。李紅霞等構(gòu)建了旅游景區(qū)應(yīng)急標(biāo)識(shí)有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,發(fā)現(xiàn)顯著性影響最大[9]。李首位等以眼動(dòng)實(shí)驗(yàn)的方式研究了交通警告標(biāo)志,發(fā)現(xiàn)有動(dòng)線的警告標(biāo)志能更快地獲得視覺(jué)注意[10]。楊艷群等利用眼動(dòng)儀和腦電儀對(duì)指路標(biāo)志進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在6種場(chǎng)景下駕駛?cè)藢?duì)指路標(biāo)志認(rèn)知反應(yīng)效率存在差異[11]。
綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在交通標(biāo)志的視認(rèn)性及駕駛員視覺(jué)特性等方面的研究較為成熟,但鮮有利用實(shí)驗(yàn)從駕駛員平面視角對(duì)高速公路交通標(biāo)志位置有效性開(kāi)展相關(guān)研究,文中選取高速公路和隧道上常見(jiàn)的2個(gè)駕駛場(chǎng)景進(jìn)行眼動(dòng)實(shí)驗(yàn),分析眼動(dòng)數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)交通標(biāo)志放置位置的有效性。
本實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備是德國(guó)SMI Red-mobile 250眼動(dòng)追蹤系統(tǒng),其采樣頻率高達(dá)250 Hz;實(shí)驗(yàn)材料呈現(xiàn)于23英寸的液晶顯示器上,顯示器的刷新頻率為75 Hz,分辨率為1 920*1 080;1張符合人機(jī)工效設(shè)計(jì)的桌子和2把椅子;實(shí)驗(yàn)室光線良好,安靜封閉,無(wú)外界干擾。
在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合Red-mobile 250眼動(dòng)儀的具體參數(shù),并根據(jù)駕駛場(chǎng)景的實(shí)際情況確定選取的眼動(dòng)參數(shù)主要有首次進(jìn)入時(shí)間(Time to First Fixation)、首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間(First Fixation Duration)、首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序(First Fixation Order)、總的注視時(shí)間(Total Fixation Time)等。
選取在高速公路上和隧道內(nèi)駕駛時(shí)常見(jiàn)的道路場(chǎng)景作為實(shí)驗(yàn)材料,照片由駕駛員車內(nèi)視角拍攝,采用圖片方式呈現(xiàn),構(gòu)建駕駛汽車在高速公路和隧道內(nèi)看到交通標(biāo)志時(shí)呈現(xiàn)的畫(huà)面為場(chǎng)景,如圖1和圖2所示,并運(yùn)用PS對(duì)圖片進(jìn)行修改,將標(biāo)志放在不同位置,從而生成實(shí)驗(yàn)材料。將交通標(biāo)志作為興趣區(qū)域,記錄被試眼動(dòng)數(shù)據(jù)。
圖1 高速公路模擬場(chǎng)景
圖2 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景
為盡可能接近現(xiàn)實(shí)情況,選擇已獲得C1駕照且至少有一年上路駕車經(jīng)驗(yàn)、年齡在25~45歲之間、裸眼視力或矯正視力達(dá)到1.0以上的人員作為被試,一共招募了30名合格被試,男女各半,均為右利手。
在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先端正被試坐姿,調(diào)整被試與屏幕之間的距離約為65 cm,眼睛平視即可。實(shí)驗(yàn)采用5點(diǎn)校準(zhǔn),校準(zhǔn)時(shí)被試的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏差X,Y都小于1方為合格。在宣讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)“下面的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是您正開(kāi)車行駛在高速公路上或高速隧道中,請(qǐng)注意道路兩旁的交通標(biāo)志信息”后正式開(kāi)始。
為了消除因首注視點(diǎn)的不同而造成的實(shí)驗(yàn)誤差,在每一個(gè)目標(biāo)刺激圖片呈現(xiàn)前先播放一段1 min高速公路和隧道內(nèi)行車記錄儀拍攝相同場(chǎng)景的視頻,之后直接呈現(xiàn)刺激圖片;每張實(shí)驗(yàn)圖片的呈現(xiàn)時(shí)間為5 s。為了減少主觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾,在實(shí)驗(yàn)前不告訴被試實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制在3 min以內(nèi)。眼動(dòng)儀自動(dòng)記錄每個(gè)被試的眼動(dòng)數(shù)據(jù);個(gè)別被試由于眨眼、眼疲勞等原因使眼動(dòng)儀無(wú)法記錄到眼動(dòng)軌跡,這些數(shù)據(jù)在分析時(shí)將被刪除。
3.1.1 區(qū)域劃分
將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖片按照?qǐng)D3所示劃分為9個(gè)區(qū)域[12],在駕駛員有效視認(rèn)交通標(biāo)志的距離及范圍內(nèi),因?yàn)棰?、⑦、⑧、⑨無(wú)法安裝交通標(biāo)志牌,并且路面交通標(biāo)志線并非文中研究場(chǎng)景,所以⑤、⑦、⑧、⑨4個(gè)區(qū)域予以剔除,適合本實(shí)驗(yàn)研究的5個(gè)區(qū)域?yàn)棰?、②、③、④、⑥?/p>
圖3 場(chǎng)景編號(hào)劃分
3.1.2 創(chuàng)建興趣區(qū)域
實(shí)驗(yàn)完成后,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到BeGaze軟件中,點(diǎn)開(kāi)興趣區(qū)域編輯按鈕,選擇編輯矩形興趣區(qū)域的按鈕,將每張圖片的交通標(biāo)志標(biāo)記為興趣區(qū)域。
3.1.3 數(shù)據(jù)可視化
劃定興趣區(qū)域后可以得到興趣區(qū)域內(nèi)的總的注視時(shí)間、首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間、首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序、首次進(jìn)入時(shí)間;然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)使用SPSS 24.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,檢驗(yàn)上述4個(gè)眼動(dòng)指標(biāo)針對(duì)的交通標(biāo)志在不同位置是否有顯著變化。
根據(jù)高速公路模擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出每個(gè)被試在每個(gè)興趣區(qū)域總的注視時(shí)間;用SPSS 24.0畫(huà)出箱線圖,根據(jù)箱線圖刪除異常值,然后進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可知,興趣區(qū)域②和⑥的P值都小于0.05,因此每個(gè)被試在興趣區(qū)域②、⑥的總注視時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 高速公路模擬場(chǎng)景總的注視時(shí)間正態(tài)性分析
由表2可知P>0.05,未達(dá)到顯著水平。因此,在高速公路中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員總的注視時(shí)間并無(wú)顯著影響。
表2 高速公路模擬場(chǎng)景總的注視時(shí)間非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)
根據(jù)隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出每個(gè)被試在每個(gè)興趣區(qū)域總的注視時(shí)間,剔除異常值,其正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景總的注視時(shí)間正態(tài)性分析
由表3可知,興趣區(qū)域①和④的P值都小于0.05。因此,每個(gè)被試在興趣區(qū)域①、④的總注視時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn),其檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知P>0.05,未達(dá)到顯著水平。因此,在隧道中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員總的注視時(shí)間并無(wú)顯著影響。
表4 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景總的注視時(shí)間非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)
同理可以得到高速公路模擬場(chǎng)景的首個(gè)注的視點(diǎn)注視時(shí)間的正態(tài)性分析,由其分析結(jié)果可知興趣區(qū)域②、③、④、⑥的P值分別為0.006,0.001,0.003,0都小于0.05。因此,每個(gè)被試在興趣區(qū)域②、③、④、⑥的首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。由其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.096大于0.05,未達(dá)到顯著水平,因此在高速公路的模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間并無(wú)顯著影響。
同理根據(jù)隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出每個(gè)被試在每個(gè)興趣區(qū)域的首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間,剔除異常值。由其正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果可知興趣區(qū)域①、②、④、⑥的P值分別為0.017,0.012,0.004,0.007都小于0.05,因此每個(gè)人在興趣區(qū)域①、②、④、⑥的首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。由其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.392大于0.05,未達(dá)到顯著水平,因此在隧道內(nèi)的模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間并無(wú)顯著影響。
同理可以得到高速公路模擬場(chǎng)景首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的正態(tài)性分析,由其分析結(jié)果可知興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的P值分別為0.001,0,0,0,0都小于0.05,因此每個(gè)被試在興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。由其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.031,小于0.05,達(dá)到顯著水平。因此,在高速公路模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員注視興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序有顯著影響。每個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值如圖4所示。
由圖4可知,5個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值排序?yàn)棰?②>③>④>⑥。
圖4 高速公路模擬場(chǎng)景首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序均值
根據(jù)隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出每個(gè)被試在每個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序,剔除異常值。由其正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果可知興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的P值分別為0,0,0,0,0,都小于0.05。因此,每個(gè)被試在興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.003,小于0.05,達(dá)到顯著水平。因此,在隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員注視興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序有顯著影響。每個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值如圖5所示。
圖5 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序均值
由圖5可知,5個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值排序?yàn)棰?③>⑥>②>④。
同理可以得到高速公路模擬場(chǎng)景首次進(jìn)入時(shí)間的正態(tài)性分析,由其分析結(jié)果可知,興趣區(qū)域③、④、⑥的P值分別為0.040,0,0.002,都小于0.05。因此每個(gè)被試在興趣區(qū)域③、④、⑥的首次進(jìn)入時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。由其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.022,小于0.05,達(dá)到顯著水平。因此,在高速公路模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員注視興趣區(qū)域首次進(jìn)入時(shí)間有顯著影響。每個(gè)興趣區(qū)域的首次進(jìn)入時(shí)間的均值如圖6所示。
圖6 高速公路模擬場(chǎng)景首次進(jìn)入時(shí)間的均值
由圖6可知,5個(gè)興趣區(qū)域首次進(jìn)入時(shí)間的均值排序?yàn)棰?①>⑥>②>③。
根據(jù)隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算出每個(gè)被試在每個(gè)興趣區(qū)域的首次進(jìn)入時(shí)間,剔除異常值。由其正態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果可知,興趣區(qū)域③、④、⑥的P值分別為0.001,0.002,0.031,都小于0.05。因此每個(gè)被試在興趣區(qū)域③、④、⑥的首次進(jìn)入時(shí)間并不服從正態(tài)分布,所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)。由其檢驗(yàn)結(jié)果可知P值為0.045小于0.05,達(dá)到顯著水平。因此,隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置放置對(duì)駕駛員注視興趣區(qū)域的首次進(jìn)入時(shí)間有顯著影響。每個(gè)興趣區(qū)域首次進(jìn)入時(shí)間均值如圖7所示。
圖7 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景首次進(jìn)入時(shí)間的均值
由圖7可知,5個(gè)興趣區(qū)域首次進(jìn)入時(shí)間的均值排序?yàn)棰?②>④>①>⑥。
由圖8和圖9的熱點(diǎn)圖可知:駕駛員的注視點(diǎn)主要集中在道路中間和交通標(biāo)志上,這符合駕駛員的視認(rèn)特性,因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是合理的。可能由于隧道內(nèi)視覺(jué)范圍較小,車速較慢,因此駕駛員會(huì)將注意力更多集中在交通標(biāo)志上。而在高速公路上視覺(jué)范圍較大,車速較快,因此駕駛員在提取完交通標(biāo)志的信息后會(huì)將更多的注意力集中在行車路面上。
圖8 高速公路模擬場(chǎng)景熱點(diǎn)圖
圖9 隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景熱點(diǎn)圖
由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知:2個(gè)模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志的位置對(duì)總的注視時(shí)間、首個(gè)注視點(diǎn)的注視時(shí)間2個(gè)指標(biāo)并無(wú)顯著性影響,而對(duì)首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序、首次進(jìn)入時(shí)間這2個(gè)指標(biāo)有顯著性影響。因此交通標(biāo)志的位置對(duì)駕駛員提取標(biāo)志信息并無(wú)顯著影響。
在高速公路模擬場(chǎng)景中5個(gè)區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值,由小到大興趣排列順序?yàn)棰?④<③<②<①,首次進(jìn)入時(shí)間的均值由小到大的排列順序?yàn)棰?②<⑥<①<④。由這2個(gè)排列順序可知在高速公路模擬場(chǎng)景中駕駛員發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)域①的時(shí)間和順序都比較晚,而興趣區(qū)域③和⑥被駕駛員發(fā)現(xiàn)的時(shí)間都比較短。因此,在高速公路模擬場(chǎng)景中,交通標(biāo)志放在③和⑥的位置更為顯著。通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)槿搜鄣挠倚?yīng)[13]。而在隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中5個(gè)興趣區(qū)域首個(gè)注視點(diǎn)的注視順序的均值由小到大的排列順序?yàn)棰?②<⑥<③<①,首次進(jìn)入時(shí)間的均值由小到大的排列順序?yàn)棰?①<④<②<③。由這2個(gè)排列順序可知在隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中駕駛員發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)域③的時(shí)間和順序都比較晚,而興趣區(qū)域⑥和④被駕駛員發(fā)現(xiàn)的時(shí)間都比較短。因此在隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中,交通標(biāo)志放在④和⑥的位置更為顯著。
通過(guò)對(duì)比和分析2個(gè)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致隧道內(nèi)與高速公路上實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致的主要原因是由于為確保隧道內(nèi)的能見(jiàn)度在隧道頂上安裝了光照強(qiáng)度較高的光源,抑制了駕駛員對(duì)①、②、③區(qū)域的視覺(jué)搜索,因此駕駛員會(huì)下意識(shí)地加強(qiáng)對(duì)左右兩邊視覺(jué)區(qū)域的搜索。
1)交通標(biāo)志位置對(duì)駕駛員提取交通信息的難易程度并無(wú)顯著影響,但卻對(duì)駕駛員發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志的時(shí)間有顯著影響。
2)在高速公路模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志在③(右上)和⑥(右中)的位置更為顯著,將交通標(biāo)志放置在道路右側(cè)具有科學(xué)性,并且造價(jià)低、逆反射亮度高、視認(rèn)效果好。
3)在隧道內(nèi)模擬場(chǎng)景中交通標(biāo)志在④(左中)和⑥(右中)的位置更為顯著。
4)為了使交通標(biāo)志設(shè)置更為有效,在高速公路中應(yīng)將交通標(biāo)志放置在③(右上)或者⑥(右中),在隧道內(nèi)應(yīng)該將交通標(biāo)志放置在④(左中)或者⑥(右中)。
當(dāng)然,真實(shí)環(huán)境中駕駛員讀取交通標(biāo)志信息還會(huì)受到天氣狀況、車輛流量、標(biāo)志本身特性等因素影響,后期可以采取VR眼動(dòng)儀或者眼鏡式眼動(dòng)儀進(jìn)一步開(kāi)展真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)研究。