考慮駕駛人特性的指路標志視認反應時間研究

魏田正, 張 杰, 李晨新, 劉浩學,4, 朱 彤

(1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；3.長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710064;4.長安大學 汽車運輸安全保障技術交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

指路標志是向道路使用者傳遞道路方向、地點和距離，或提供與之相交道路、著名地點、服務區等信息的重要交通標志，是為駕駛人提供重要交通信息的載體。指路標志的版面包含許多設計因素，現行《道路交通標志和標線》(GB5768.2—2009)對指路標志的顏色、形狀、漢字高度、字體等有明確的規定，但對于指路標志是否需要中英對譯、版面設計等的規定并未明確[1]，各地方標準規范中指路標志設計與使用的有關規定也不盡相同。作為道路視覺信息的一部分，指路標志影響駕駛人的視覺特性，進而影響駕駛人的視認反應時間[2]。因此，研究駕駛人對指路標志的視認反應時間對于保證駕駛人快速、安全的到達目的地具有重要意義。

已有研究多集中于探究信息量對指路標志視認反應時間的影響，Liu[3]、趙淑婷[4]、陳炎等[5]均研究了標志信息量與視認時間的關系，以路名數作為信息量來得出標志的信息閾值。杜志剛等[6]運用室內模擬試驗分析了指路標志信息量與視認反應時間的定量關系。劉光輝等[7]分析了指路標志的漢字個數閾值、路名數閾值與極限認知時間的關系。除了基于路名、地名個數的信息量研究，有關學者還探究了基于信息理論的指路標志信息量。Chaurand等[8]基于信息論計算了每塊標志牌的信息量以便后續開展指路標志影響下的駕駛行為研究。左淑霞等[9]基于信息理論進行了視認研究, 得出標志信息信息量閾值為286.3 bit。呂能超等[2, 10]基于信息理論成果定量計算了交通標志牌上每個元素的信息量，對每種元素賦權以最終得到整塊標志牌的信息量。視認反應時間研究也包括對于指路標志版面設計及文字組合的問題。崔正虎[11]研究了指路標志上文字橫向排列與縱向排列方式對駕駛人視認、理解特性的影響。許亞琛等[12]量化了信息量及信息量矩陣排列對視認時間的影響。李國芳等[13]通過對比改進版面和國標推薦版面，發現在搜索認知方面2種版面間無顯著差異。楊曼娟等[14]發現在3條路名信息情況下，3種語言及以上對照的指路標志和單語指路標志之間的視認反應時間有顯著差異。以上對于視認規律的探索研究多數為基于室內模擬試驗，毫秒級心理學軟件E-prime在探究指路標志視認反應時間的有關研究中得到了大量的使用，表明在對視認反應時間研究方面，利用E-prime軟件進行室內的模擬具有相對有效性。

綜上所述，已有研究多集中于指路標志設計因素對于駕駛人視認反應時間的影響，且較多地基于路名數量展開信息量研究，而且對于文字組合問題的研究是基于3條路名信息條件進行的，指路標志研究設計中較少關注駕駛人異質性對其視認反應時間的影響。因此，在文獻綜述的基礎上，本研究遴選信息量、版面形式(簡稱版面)、文字組合、路名熟悉度、駕駛人特性指標等變量，搭建基于E-prime的試驗仿真平臺，探究標志設計及駕駛人特性因素對指路標志視認反應時間的影響，以期為指路標志的優化設計及駕駛人安全駕駛培訓提供參考與借鑒。

1 試驗

1.1 被試者招募

本試驗共在西安市招募了34名被試駕駛人，其中男性16名，女性18名，所有被試者的裸眼視力或矯正視力均達到4.8及以上，試驗前狀態良好，無熬夜、飲酒等情況，且均未做過類似試驗。

1.2 指路標志設計

根據《道路交通標志和標線 第2部分: 道路交通標志》(GB 5768.2—2009)[1]及地方標準的相關規定，利用AutoCAD軟件設計了51塊(3塊用于練習，48塊用于正式試驗)城市道路不同交叉口的指路標志，路名條數從3條到6條，選擇了2種常見版面并考慮了路名文字組合，指路標志中路名一部分為虛構，一部分源于被試駕駛人生活區域中的西安市路名。為保證試驗結果的可靠性，在試驗過程中，路名均不連續重復出現。每種相同特征的指路標志設置了3次試驗以增加樣本數據的可靠性，具體示例如圖1所示。為消除路名漢字不同而可能產生的影響，文字組合對照組除了文字組合變量，其余變量均相同，且所有指路標志的漢字避免使用生僻字。

圖1 指路標志示例

1.3 試驗方案

本研究利用可采集毫秒級反應時的心理學軟件E-prime2.0進行試驗設計，標志顯示屏幕分辨率設置為1 024×768，圖片大小及像素均通過Photoshop進行一致性處理。雖然在動靜態下視認反應時間有所不同，但許多研究表明，駕駛人對交通標志圖片的靜態視認反應時間可以作為交通標志的評價指標[15-17]。

本試驗包含了51組視認反應試驗，具體為3組練習試驗和48組正式試驗。視認反應試驗流程如圖2所示。當試驗開始時，屏幕出現“+”持續800 ms 提示目標路名即將出現，隨后在屏幕上呈現目標路名，被試者需要記住該目標路名，并在隨后出現的指路標志上找到并確認其所處位置，指路標志的呈現不設置限定時間，直到被試者做出位置按鍵反應。試驗會對被試者的每個判斷進行正誤反饋，以激勵被試者認真試驗，正誤反饋后保留了1 000 ms的空白來掩蔽刺激。為避免指路標志中目標路名所處位置對視認反應時間的影響，設計過程中維持上、左、右3個方向的目標路名數量平衡，試驗中各指路標志的順序隨機出現以抵消順序效應的影響。

圖2 視認反應試驗流程

1.4 試驗流程

試驗在單獨的實驗室中進行，以確保被試者處于安靜的試驗環境，減少外界環境對被試者視認反應的干擾。具體試驗流程如下：

(1)正式試驗前，統計被試者人口學因素并要求其填寫基于7級李克特評分法的目標路名熟悉度量表。該表將被試者對路名熟悉程度從“非常陌生”到“非常熟悉”分為7級，收集了被試者日常生活中對本試驗所涉及全部目標路名的熟悉程度。

(2)工作人員講解視認反應試驗的測試步驟，確保每位被試者清楚試驗的要求、內容及具體操作。

(3)在視認反應試驗過程中，被試者坐于電腦前大約70 cm處[2]，確保被試者可清晰看見指路標志上的內容。試驗流程如圖2所示，被試者按照目標路名選擇其在標志牌上對應的位置并按下相應的“↑”、“←”、“→”鍵。

(4)為緩解疲勞，每隔8組任務穿插1張風景圖，被試者可稍作休息，試驗結束后根據任務總體正確率，每名被試者獲得一定的酬勞。

2 數據處理及分析

2.1 數據預處理

在試驗中，軟件采集了被試者視認反應時間及反應正誤結果，被試者所給的按鍵反應結果與目標路名所在方位不一致的，視為反應錯誤數據，對該次視認反應任務對應的視認時間予以剔除。同時，由于被試者分心、狀態不佳或隨機性的影響，在試驗過程中不可避免地會出現視認時間明顯高于或低于其他值的情況，將這些視認時間作為異常數據剔除，可用統計學的方法加以處理。本研究選擇基于SPSS箱形圖的數據處理方法來剔除異常值，最終一共剔除了13組錯誤數據和53組異常數據，剩余有效數據為1 566組。將駕齡≤2 a的駕駛人定義為新手駕駛人，將駕齡>2 a的駕駛人定義為經驗駕駛人[18]。

2.2 數據分析

2.2.1 指路標志設計因素對駕駛人視認反應時間的影響

(1)信息量

圖3為不同信息量條數下視認反應時間均值的擬合曲線。可以看出，隨著指路標志中信息量條數的增加，駕駛人視認反應時間也增加，且具有近似線性正相關關系。

圖3 信息量條數與視認反應時間關系

(2)版面與文字組合

被試者對不同指路標志版面及文字組合的視認反應時間如圖4所示。無論是在僅中文情況下還是中英對譯情況下，駕駛人對于版面1和版面2的視認反應時間均隨著信息量條數的增加而增加，在文字為僅中文的指路標志中，駕駛人對于版面1的平均視認反應時間低于版面2。在同一版面中，指路標志文字僅中文與中英互譯的視認反應時間相互之間差別不大，且同樣隨著信息量條數的增加而增加。

圖4 駕駛人視認反應時間變化曲線

(3)標志設計因素對視認反應時間的影響

為進一步分析指路標志設計因素對駕駛人視認反應時間的影響，對被試者視認反應時間使用SPSS進行2×2×4的多因素方差分析。表1為三因素方差分析的結果。可以看出，版面、文字組合和信息量條數三者之間的交互作用對于駕駛人視認反應時間的影響不具有統計學意義(顯著性p=0.105)。信息量條數對因變量具有顯著性作用(p<0.05)，隨著指路標志中信息量條數的不斷增加，駕駛人的視認反應時間也增加，說明駕駛人在指路標志中發現目標道路的難度逐漸增大。版面和信息量條數二者之間具有交互作用(p=0.016<0.05)。進一步地通過對信息量條數的簡單主效應分析得，隨著指路標志信息量條數的增加，駕駛人對于目標道路的視認反應時間估算邊際平均值顯著增加。通過對版面的簡單主效應分析發現，通過優化指路標志的版面，可降低駕駛人對于指路標志中目標道路的視認反應時間。

表1 三因素方差分析結果

2.2.2 駕駛人特性指標對其視認反應時間的影響

(1)目標路名熟悉度

運用k-means聚類分析法將熟悉度分為熟悉與陌生2類，對于各組數據中存在異常值的情況，采用第二極值法進行修正。圖5為在不同指路標志下駕駛人對目標路名平均反應時間的對比，其中0表示指路標志文字僅為中文，1表示路名文字為中英對譯。由圖5可得，指路標志下駕駛人視認反應時間在不同路名熟悉度間具有差異，相對于陌生目標路名，駕駛人在熟悉目標路名時的視認反應時間較短。駕駛人對不同路名熟悉度的視認反應時間隨著指路標志信息量的增加而增加。隨著指路標志信息量的增加，與版面2相比，不同路名熟悉度在版面1間的平均視認反應時間差異較小。文字組合在不同路名熟悉度間的差異不明顯。

圖5 路名熟悉度的視認反應時間比較

(2)人口學因素對視認反應時間的影響

駕駛人人口學因素的描述性統計如表2所示，在新手駕駛人中，性別之間的平均視認反應時間基本相同，而在經驗駕駛人中，男性的平均視認反應時間低于女性，表明對于相同的指路標志，男性駕駛人可能會比女性駕駛人更快地視認出目標路名所在位置。

表2 人口學因素描述性統計

(3)駕駛人特性對其視認反應時間的影響

為探究駕駛人特性對指路標志視認反應時間的影響，遴選駕駛人的性別、駕齡及目標路名熟悉度，對被試者的視認反應時間使用SPSS進行2×2×2的多因素方差分析。表3為三因素方差分析結果。可以看出，性別、駕齡和目標路名熟悉度三者之間的交互作用對于駕駛人視認反應時間的影響不具有統計學意義(p=0.619)。性別(p<0.05)和路名熟悉度(p<0.05)對駕駛人視認反應時間具有顯著性影響，男性駕駛人的視認反應時間小于女性駕駛人。性別和駕齡(p=0.001<0.05)、駕齡和目標路名熟悉度(p=0.02<0.05)二因素之間均存在顯著交互作用。進一步通過簡單主效應分析得，男性經驗駕駛人的視認反應時間顯著低于女性經驗駕駛人(p<0.01)，新手男性駕駛人視認反應時間顯著大于有經驗的男性駕駛人(p=0.048<0.05)，而新手女性駕駛人視認反應時間卻顯著低于有經驗的女性駕駛人(p=0.009<0.05)，可能是因為女性隨著駕駛經驗的增加，對待駕駛會更加謹慎從而導致視認反應時間變長。總體上，經驗駕駛人比新手駕駛人視認反應時間短。對于陌生目標路名，新手駕駛人的視認反應時間顯著高于經驗駕駛人(p=0.042<0.05)，且在新手駕駛人(p<0.01)與經驗駕駛人(p=0.015<0.05)中，熟悉目標路名時駕駛人的視認反應時間顯著低于陌生目標路名時的視認反應時間。

表3 三因素方差分析結果

3 視認反應時間影響因子計量模型

為定量研究變量間關系，引入多元回歸法構建視認反應時間影響因子計量模型，模型表達式為：

y=B0+B1x1+B2x2+…+Bkxk+ε，

(1)

式中，B0為常數項；B1，B2，…，Bk為偏回歸系數；ε為誤差項。

利用SPSS軟件和逐步法對標準化后的自變量進行篩選，最終得到了3個模型，擬合情況如表4所示。R2(R為相關系數)與校正決定系數(AdjustedR2)是衡量所建模型妤壞的重要指標。AdjustedR2與R2不同的是，當模型中增加的變量沒有統計學意義時，校正決定系數會減小，因此，采用AdjustedR2來衡量所建模型的好壞。該值越大，模型擬合得越好。結合表4～表5，模型3能較好地解釋因變量的變化(AdjustedR2=0.583，F=59.186，p<0.05)，一般采用Durbin-Watson(DW)值檢驗測量殘差項之間的相關性，DW值越接近2，殘差項相關性越弱。該多元線性回歸模型的DW值為1.721，說明殘差序列之間相互獨立。故選用模型3進一步分析，得到回歸參數信息，如表5所示，且自變量的容差均大于0.1, 方差膨脹因子VIF均小于10，說明各自變量與因變量之間不存在多重共線性。基于以上分析，得到如視認反應時間影響因子計量模型：

表4 模型擬合情況

表5 多元回歸模型參數

y=23.62+151.989X1+155.845X2+69.045X3，

(2)

式中，y為視認反應時間；X1為信息量；X2為性別(X2=1，男性；X2=2，女性)；X3為路名熟悉度(X3=1,熟悉；X3=2，陌生)。

偏回歸系數是在消除其他變量影響的條件下，計算該自變量與因變量之間的相關系數。從式(2)中的偏回歸系數來看，男性的易讀時間比女性少155.845 ms；在熟悉目標路名情況下比陌生目標路名少69.045 ms；增加1條路名則易讀時間相應增加151.989 ms。通常以標準回歸系數來比較變量之間的重要性。由表5可得，3個變量的重要度由大到小排序為：信息量>性別>路名熟悉度。

因此，降低指路標志易讀時間最有效的手段是減少標志牌的信息量，這與“標志牌盡可能多地傳遞交通信息”的功能相矛盾，因此，需對指路標志信息量的閾值進行探究。已有研究表明指路標志的視認時間極限為1 610 ms[4]，以視認反應時間影響因子計量模型進行計算，結果為指路標志信息量不超過7條，故指路標志的信息量閾值為7條。

4 結論

本研究基于城市道路交叉口指路標志，從指路標志設計指標及駕駛人特性指標2方面，在文獻綜述的基礎上遴選版面、文字組合、信息量條數、駕駛人性別、駕齡、目標路名熟悉度等指標進行了相關分析，探究了各指標對駕駛人視認反應時間的影響。基于逐步回歸法建立了視認反應時間影響因子計量模型，結論如下：

(1)指路標志版面和信息量之間對駕駛人的視認反應時間存在交互作用。文字組合對視認反應時間無顯著影響，此結論與以往研究相同。路名條數與視認反應時間呈正相關關系。

(2)相比于陌生目標路名，駕駛人對于熟悉目標路名的指路標志視認反應時間較短；男性駕駛人對指路標志的視認反應時間小于女性。

(3)視認反應時間影響因子計量模型的AdjusedR2達到了0.583，能對變量引起的視認反應時間變化進行有效解釋。

(4)版面與信息量之間存在交互作用。

(5)降低指路標志易讀時間最有效的手段是減少標志牌的信息量，指路標志的信息量閾值為7條。

基于以上研究結果對未來的研究和指路標志設計提出以下建議：

(1)中英對譯的指路標志不會使視認反應時間顯著增加，故為了給駕駛人更多的信息，可推薦指路標志選用中英對譯。

(2)在對城市道路進行命名時，可在城市間共用相同路名，以提高駕駛人的路名熟悉度，降低視認反應時間；可將性別等駕駛人特性因素考慮在內，針對性地進行安全培訓，以提高駕駛人視認指路標志時的安全駕駛能力。