基于駕駛員視覺興趣區域的交通工程設施信息量閾值研究

戚春華，王笑男，朱守林，李航天

(內蒙古農業大學 能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

0 引 言

交通工程設施作為道路交通系統中的重要組成部分，在駕駛員行車過程中，可為駕駛員出行提供必需信息。交通標志信息量作為交通工程設施中的主要組成部分，所含信息量大小會影響駕駛員視認標志的過程。在行車過程中，獲取適宜的信息量是安全行車的根本保障，為保障行車安全，駕駛員需要在有限的時間內完成對道路交通標志信息的認知與處理。通過對內蒙古典型草原公路進行前期調查統計發現：內蒙古地區草原公路具有路側景觀單調，交通工程設施設置不完善，線形以長直線為主，直線長度占比近90%等特點[1]。且在調查的草原公路中，80%以上都存在信息量不足的問題，草原公路交通工程設施信息量，對駕駛員的視覺影響比較顯著[2]，在這種環境下行車，實際車速常常高于設計車速。在駕駛員行車過程中，80%～90%的道路信息通過視覺獲取，駕駛員的視覺特性與駕駛安全密切相關[3]。在草原公路特殊道路條件下行車時，研究草原公路直線段交通工程設施信息量對駕駛員視覺特性的影響，根據駕駛員的視覺行為信息，找出草原公路直線路段下適宜的標志信息量，對于優化道路交通安全標志設置，提高行車舒適性和安全性。

目前，國內外針對于交通工程設施信息量對駕駛員視覺特性的研究有很多，呂能超等[4]通過研究不同信息量的交通標志對駕駛員認知負荷的影響規律，得出隨著信息量等級增加，駕駛員反應時間會相應增加；商艷等[5]研究在景觀單調草原公路行車條件下，隨著景觀構成要素增加,眨眼與注視時間不斷減小,而瞳孔直徑和掃視幅度逐漸增加；林雨等[6]通過室內仿真采集駕駛員視認不同信息量標志的認知時間，建立信息量與認知時間關系，得出了標志信息量閾值；韓磊等[7]研究不同信息量層級交通工程設施對駕駛員視覺特性的影響，得出信息量水平在Q2水平下，有利于行車安全；李英帥等[8]利用實駕實驗采集的隧道亮度參數和被試視覺指標分析，得出隧道的照明亮度對駕駛員注視持續時間、掃視幅度和眨眼頻率等指標具有顯著影響；高建平等[9]通過實駕實驗研究駕駛員在高速公路的養護作業條件下的視覺特性，認為注視點的中心在道路前方，逐漸向其他區域轉移；LIU Yungching[10]研究發現交通標志信息量越大，駕駛員對信息的認知搜索時間越長，且對不熟悉的標志需要更多時間來理解；GUO Zhongyin等[11]通過建立快速路交通標志信息量模型，采集不同信息量下的駕駛行為數據，得出快速路出口交通標志信息量閾值；B.B.TAMAR等[12]通過建立道路標志信息量和漢字尺寸模型，研究標志信息量與駕駛員認知時間關系，得出標志信息量大小影響著駕駛員識別標志牌時汽車的加速度與偏移距離；B.LIU等[13]通過模擬設備，采集不同速度下駕駛員視認不同信息量交通標志的眼動參數，發現隨著駕駛速度和信息量的增加，駕駛員注視次數和持續時間呈增加趨勢。

綜上可知，國內外對于交通標志信息量對駕駛員視覺特性的影響已經取得系列研究成果，但主要集中在各類交通標志信息量過載對駕駛員駕駛行為及視覺特性的影響，但從駕駛員興趣區域角度出發，在草原公路這種特殊道路環境下，駕駛員對交通工程設施設置興趣區域的信息量大小與駕駛員視覺特性的關系有待研究。因此，筆者利用眼動儀采集草原公路模擬駕駛環境下駕駛員的眼動數據，分析在草原公路直線段下，駕駛員視認不同信息量水平交通工程設施的視覺特性，以期深入研究草原公路直線段交通工程設施信息量設置的合理范圍，保障行車安全。

1 試驗設計

1.1 設施的信息量量化及層級劃分

交通工程設施作為路網環境中的認知載體，通過符號、文字、顏色等形式傳遞給駕駛員[14]，駕駛員對于信息的傳遞是一個從不知到認知的過程。某個事物信息量的大小，與該事物可能出現的狀態數目及狀態出現概率有關[15]。對于交通標志信息量大小，每個交通標志的平均信息量與標志含義可能出現的概率有關。采用香農信息論原理，得出交通工程設施信息量如式(1)：

(1)

式中：H(X)為交通工程設施的信息量；Xi為事件X呈現的i狀態；m為事件X可能出現的狀態總數；P(Xi)為第i種狀態的概率。

單詞、圖形或者符號等都是交通標志的組成部分。對于每個子集，所有元素出現的概率都不相等。為了簡化計算，假設發生概率相等，則P(Xi)=1/m，信息量計算方法簡化為式(2)：

H(X)=log2m

(2)

公路交通工程設施所包含的要素眾多，且有許多離散數據。結合草原公路交通工程設施特點，內蒙古草原公路交通工程設施以中文字符、阿拉伯數字、顏色、蒙文等9類元素為主。在信息傳遞過程中，每類元素所能傳遞的重要度有差異，為得到每類交通工程設施傳遞的有效信息量，確定適合于草原公路交通工程設施有效信息量度量的方法，前期通過對大量草原公路交通工程設施各要素的統計與總結，采用AHP(層次分析法)對草原公路9類交通工程設施元素重要度賦予權重，各要素(權重)為：漢字(0.21)、英文(0.06)、數字(0.16)、幾何形狀(0.11)、顏色(0.10)、指向(0.17)、圖或符號(0.08)、蒙文(0.05)及線狀設施(0.06)。

將各類要素的權重考慮帶入，得出草原公路交通工程設施有效信息量計算如式(3)：

H(S)=ε1H(X1)n1+ε2H(X2)n2+…+ε9H(X9)n9

(3)

式中：H(S)為每個交通工程設施總信息量；εi第i類元素的權重；H(Xi)為第i類元素的基本信息量；ni為交通工程設施上i元素個數(i=1，2……9)。

在對交通工程設施量化的基礎上，為全面掌握內蒙古草原公路交通工程設施特點，根據內蒙古獨特的地理位置和地形特點，選擇具有典型代表性的草原公路S101賽罕塔拉至滿都拉圖、S309滿都拉圖至二連浩特、S203新巴爾虎右旗至新巴爾虎左旗進行調查。通過調查和統計3條路段交通工程設施，并根據式(3)計算出每種交通工程設施的信息量大小，然后綜合這3條公路每10 km的信息量進行聚類分析。聚類結果按照交通工程設施類型和信息量大致劃分為5類(信息量密度)：一類:信息因子特征含基本標線、公里樁和路口警示樁(3.750～9.729 bits/km)；二類：在一類基礎上含有少量指示、警告類信息(9.200～16.490 bits/km)；三類：路口指路標志和警示標志(12.330～23.880 bits/km)；四類：含收費站和限速標志(37.670 bits/km)；五類：大半徑彎道誘導標志(16.810 bits/km)。通過對草原公路交通工程設施的統計、特征和分類結果的總結，為了便于模擬試驗場景設計和數據分析，將交通工程設施信息量密度范圍分為五個等級：Z1(0～<10 bits/km)、Z2(10～<20 bits/km)、Z3(20～<30 bits/km)、Z4(30～<40 bits/km)、Z5(≥40 bits/km)。

1.2 試驗方案

根據1.1節對草原公路交通工程設施的統計，選擇草原公路出現頻率高、具有代表性的幾類交通工程設施為元素，并根據交通工程設施信息量大小組合成5個信息量層級設置到設計好的草原公路模擬場景中。具體設置如表1，每個信息量等級的圖例如圖1。

表1 草原公路交通工程設施信息量等級劃分

圖1 5個信息量水平下交通標志

通過1.1節對設施的調查分析及信息量劃分，在室內模擬駕駛平臺系統中，按草原公路實際交通環境建立試驗場景。設計試驗道路為長約28 km的雙向兩車道典型草原二級公路，車道寬3.750 m，設計車速80 km/h，每種信息來源均設置5個重復水平，每個重復水平設置為1 km。為了避免長直線使駕駛員產生單調感覺，及標牌信息量冗余造成試驗結果誤差，分別在每2種信息量路段后接一個0.5 km的曲線過渡段，并分別設置0.5 km的直線適應段在試驗起點和試驗結束后。為了排除其他因素的對試驗結果的干擾，試驗路段不設置交通流量、路側景觀、建筑等，具體設置如圖2。

圖2 草原公路模擬道路場景

1.3 試驗人員

試驗招募了30名具有法定駕駛資格的駕駛員，身體健康良好，無眼部疾病且視力正常，從中選擇20名被試者。根據前期問卷調查、駕駛員駕齡、駕駛里程以及日常駕車習慣，將試驗駕駛員分為熟練和非熟練駕駛員2組，熟練駕駛員平均年齡34.38歲(標準差δ=4.48)，平均駕齡5.81年(δ=2.5)，駕駛里程5.04×104km(δ=4.03)；非熟練駕駛員平均年齡26.45歲(δ=4.07)，平均駕齡2.21年(δ=0.52)，駕駛里程1.84×104km(δ=0.93)。

1.4 設備及數據采集

模擬采用設備為法國雷諾SCANeR六自由度實車模擬駕駛試驗系統及其附屬設施。同時使用iView X(HED)眼動儀采集和記錄駕駛員行車過程的眼動數據，對采集到的眼動數據利用BeGaze2.4進行處理與分析，從動態視覺的角度研究草原公路交通工程設施信息量對駕駛員視覺特性的影響。

2 興趣區域劃分

駕駛員感興趣區域(area of interest，AOI)表征了在行車過程中駕駛員感興趣的區域(關注區域)，是研究駕駛員注視轉移模式以及注意力分配的前提和基礎[16]。駕駛員在行車過程對道路上的各種目標需要密切關注，通過獲得有效信息來保障行車安全。但在行車過程中，影響行車安全的交通目標只是一部分，駕駛員通常對幾個重要區域的目標進行反復關注。因此，研究道路信息量對駕駛員眼動規律的前提，是對駕駛員前方視野進行興趣區域劃分。

鑒于此，將駕駛員注視的前方區域按不同的位置劃分為5個興趣區域，分別為道路前方近處區域(AOI1)、道路前方稍遠處區域(AOI2)、道路前方遠處區域(AOI3)、右側區域(AOI4)、左側區域(AOI5)5個部分，具體劃分如圖3。劃分標準[17]為：AOI1：距離駕駛員15～20 m以內；AOI2：距離駕駛員15～20 m以上，150～200 m以內；AOI3：距離駕駛員200 m以上；AOI4：道路右側交通工程設施區域；AOI5：道路左側區域。

圖3 感興趣區域劃分

3 結果與分析

3.1 視覺特性指標選擇

駕駛員的視覺特性是指駕駛員用眼睛感知交通信息的方式包括注視、掃視、眨眼。其中，眨眼是眼瞼的開合，駕駛員緩解駕駛疲勞的方式通常為眨眼，但眨眼并不能獲得相關信息。

評價駕駛員注意特性主要是注視和掃視行為指標。注視行為中選取區域注視點數和區域注視持續時間作為評價指標。區域注視持續時間和區域注視次數能夠分別從時間和空間角度，反映駕駛員對不同區域目標的感興趣程度和獲取信息的難易程度，是重要且相對獨立的評價指標。掃視行為中選取掃視幅度、掃視平均速度作為評價指標。掃視幅度表征的是駕駛員對視覺信息采集的范圍，掃視平均速度表征的是駕駛員對信息的捕捉和加工效率。在掃視行指標中，掃視幅度、掃視平均速度和掃視持續時間之間存在相互關系。

3.2 視認行為特征分析

3.2.1 各區域的注視次數與時間占比

通過對不同興趣區域駕駛員注視特性指標的統計分析發現，隨著交通工程設施信息量的變化，駕駛員關注區域主要集中在AOI1～AOI4，對AOI5的關注程度較低。主要因為草原公路上行車時，由于交通參與者較少，視覺系統受干擾程度低，駕駛員很少超車或變道，因此對左側區域的關注程度較低，而更多關注道路情況以及道路右側的交通工程設施設置區域。鑒于此，在分析中，不考慮AOI5，對AOI1～AOI4的注視特性統計如圖4。

圖4 駕駛員注視指標在各AOI區域的百分比

統計結果可看出，駕駛員注視行為的空間特性受駕駛熟練程度影響顯著。熟練駕駛員在行車過程中關注道路前方稍遠處，同時兼顧四周輻射，輻射范圍較大；不熟練駕駛員主要關注道路近處區域，對道路遠處關注度較低。可見，熟練駕駛員駕駛經驗豐富，駕駛過程中駕駛負荷比非熟練駕駛員低，駕駛狀態比較放松，注視分布相對于非熟練駕駛員更遠也更分散。因主要研究草原公路交通工程設施信息量大小對駕駛員視覺特性的影響，而草原公路交通工程設施的設置主要集中在AOI4區域，為了避免其他區域的數據對研究結果的影響，只選擇AOI4區域的統計結果進一步分析駕駛員的視覺特性。

3.2.2 注視行為影響分析

按照信息量的不同水平，分別對熟練和非熟練駕駛員在AOI4的注視數目和注視持續時間進行統計，如圖5。

由圖5可知，隨著信息量水平的增加，駕駛員在AOI4區域的注視特性指標呈現遞增的趨勢，熟練駕駛員在AOI4區域的關注度整體要高于非熟練駕駛員。在Z1信息量下，由于信息量水平較低，道路環境單調，導致駕駛員對AOI4區域的注視持續時間和次數都較低。由文獻[7]可知，信息量水平較低時，駕駛員處于無意識的注視行為，AOI4區域交通工程設施不能更好的引起駕駛員的警覺度，而草原公路90%以上路段交通工程設施信息量都處于Z1水平，在此環境下行車時駕駛員注意力下降，感知危險能力降低，嚴重影響行車安全。隨著信息量水平的增加，駕駛員在AOI4區域的注視持續時間和注視次數都出現明顯的增加，說明增加交通工程設施信息量能夠提高駕駛員的關注度，增加駕駛員對信息處理加工的認知效率；而當信息量水平達到Z4時，駕駛員在AOI4區域的注視持續時間和注視次數都出現明顯降低，說明當AOI4區域的信息量達到一定水平時，駕駛員對信息的處理能力和處理效率達到最大，此時駕駛員不僅能快速處理標志信息，還將有更充足的注意力來關注道路其他交通信息。隨著信息量水平繼續增加到Z5，AOI4區域的注視持續時間和注視點數目都達到最大，說明此時需要駕駛員花費大量的時間和腦力資源來關注AOI4區域信息，將導致駕駛員對道路其他區域的關注程度下降，在應對突發交通事故時的處理能力減弱。因此為保證行車安全，草原公路交通工程設施信息量在Z4水平下最適合駕駛員對信息的處理。

圖5 不同信息量水平下AOI4興趣區域的注視特性指標趨勢

3.2.3 掃視行為影響分析

對不同信息量水平下兩組駕駛員掃視幅度、掃視平均速度變化規律進行統計，結果如圖6。

圖6 不同信息量水平下掃視特性指標趨勢

由圖6可知，兩組駕駛員的掃視幅度波動大致相同，熟練駕駛員的平均掃視幅度要大于非熟練駕駛員。根據注意深度理論可知，如果掃視幅度偏大，說明駕駛員所獲得的信息量足夠多，視覺轉移到下一個注視點所需轉動的角度足夠大；相反，則表明此次視覺搜索過程所獲取的外界信息相對較少。因此，熟練駕駛員比非熟練組駕駛員在行車過程中獲取有效信息的搜索效率高，提取相關道路交通環境的速度較快。由圖6(a)可以看出，兩組駕駛員在草原公路行車時，視認不同層級交通標志信息量時的掃視幅度變化趨勢相同，均是隨著信息量的增加，掃視幅度先升高再降低，掃視幅度都在信息量水平增加到Z4時開始下降。說明兩組駕駛員在該條件下對道路交通環境信息的搜索效率較高，能夠及時觀察到周邊的行車交通環境，有利于降低行車緊張感，提高行車安全性。

從圖6(b)可知，熟練駕駛員掃視平均速度均大于非熟練駕駛員。這主要是由于熟練駕駛員駕駛經驗豐富，處理信息的速度較快。并且從圖6(b)的整體變化趨勢可以發現，兩組駕駛員在Z1～Z3信息量水平下，掃視平均速度隨著信息量的增加出現明顯下降。說明在信息量相對較低的路段，駕駛員的注意力隨著信息量的增加而逐漸變得集中，對信息的捕捉和加工效率降低，掃視平均速度顯著下降。當信息量水平增加到Z4時，掃視平均速度又出現明顯升高，說明在信息量水平相對較高的Z4時，沒有影響駕駛員對信息的捕捉與加工效率；在Z5時，掃視平均速度又出現下降，說明當信息量水平達到一定程度時，駕駛員對信息的捕捉與加工效率急劇下降，駕駛員需要花費更多的精力來處理標志信息，導致駕駛員應對突發交通事故的處理能力下降，影響行車安全。因此當信息量處于Z4時，駕駛員對信息處理速度快、行車心理負荷小。

4 結 語

筆者通過設置5種不同信息量水平下的交通工程設施，用來分析草原公路直線段交通工程設施對駕駛員視覺特性的影響，得出以下結論：

1)根據模擬試驗場景將駕駛員前方視野劃分為5個感興趣區域，將每個區域兩組駕駛員的注視持續時間和點數目進行統計分析得出：熟練駕駛員經驗豐富，駕駛狀態較放松，駕駛負荷比非熟練駕駛員低，注視分布相也更遠也更分散。同時駕駛員對某一興趣區域關注度高，對其他區域的關注就會降低。

2)通過對駕駛員在AOI4區域的注視特性指標分析可知，熟練駕駛員在各信息量水平下，對AOI4區域的關注程度高于非熟練駕駛員。在低信息量水平下，駕駛員對AOI4區域的關注程度低，更多的處于無意識關注前方道路，長時間行車，易出現精神疲勞，影響行車安全。信息量水平在Z4時，駕駛員處理信息效率最高。在Z5信息量水平下時，駕駛員處理信息的難度較高，應對突發交通事故時的處理能力減弱。。

3)通過對駕駛員掃視特性指標的分析可知，當信息量水平達到Z4后，隨著信息量的增加，掃視幅度出現下降，導致駕駛員掃視所覆蓋的范圍降低，發現危險信息的概率降低。掃視平均速度在信息量達到Z4時，駕駛員注意力最集中，對交通工程設施信息的捕捉和加工效率最高。由駕駛員掃視指標也可得出，草原公路直線段交通工程設施信息量處于Z4水平時，能保證行車安全。