基于視覺特性的可變情報板文字信息閾值研究

伍毅平 李思宇 沈興華 彭志彪 徐 昶 馮宗敏

(北京工業大學城市交通學院1) 北京 100124) (北京市道路路網管理與應急處置中心2) 北京 100053)(北京市城市規劃設計研究院3) 北京 100045)

0 引 言

可變情報板(variable message sign, VMS)是動態傳遞道路及交通誘導信息的重要交通設施，對緩解交通擁堵、促進交通流合理分配起到有重要作用[1].VMS得到充分利用時，道路整體延誤可減少23.7%，停車時間可減少31.8%[2].VMS已在我國得到廣泛使用，截至2018年底，北京市公路領域現有VMS 414塊，分設在國道、省道及縣道，且數量逐年增長[3].

雖然VMS使用廣泛，但是應用中仍存在一些問題.根據北京交通工程學會調研結果，36.1%的駕駛人認為VMS存在信息過載的現象，其中長條形VMS文字信息過載尤為突出[4-5].當文字信息過多時，駕駛人需要花費較長時間對信息進行認知和理解，容易導致分心駕駛，造成安全隱患[6].在國內外現有的標準規范中，文獻[7]對VMS的用途、顯示方式、版面和設置條件進行了相關規定，而對于文字信息量的范圍未進行明確說明。文獻[8]規定了最大行數與每行的字符數量，限制VMS信息單元個數，由于中美語言結構差異，其結果并不適用于漢字環境.

以往針對VMS的研究主要采用問卷調查和實驗測試的方式開展，對VMS圖文屬性、信息內容和信息影響效用等進行研究，以明確駕駛人偏好.實驗測試主要利用靜態認知、駕駛模擬和實車測試等手段開展[9-10]，圍繞駕駛人視認和駕駛行為特性進行研究，包括分析VMS版面類型對駕駛行為的影響[11]、探究VMS合理布設位置和內容呈現方式[12]、對VMS信息認知度進行評價等.以上研究對規范和合理設置VMS版面屬性、優化信息內容等起到積極作用，但在確定VMS版面信息量閾值方面仍不夠明確，也是造成實際使用時VMS信息量過載的主要原因之一.

考慮實際行車過程中，駕駛人主要通過視覺獲取外部道路、交通及環境信息.因此本文重點探討VMS文字信息對駕駛人視覺特性的影響.當前圍繞駕駛人視覺的研究主要可劃分為宏觀和微觀兩類.宏觀研究主要利用視認時長、視認距離等指標整體把握駕駛人視認特性。微觀研究多借助眨眼次數、眼跳、注視點等細粒度視覺數據挖掘駕駛人視覺吸引及分配情況等.

文中選取實際使用中信息量過載頻發的長條形文字式VMS，從駕駛人整體視認特性的角度出發，開展文字信息量閾值研究.利用靜態認知實驗探究駕駛人視認特性與長條形VMS文字信息數量的關系，初步確定滿足駕駛人視認特性的VMS文字信息閾值.在此基礎之上，通過動態模擬實驗驗證靜態實驗結論，最終確定文字信息閾值.本研究有助于完善VMS設計規范和使用標準，進而提升VMS的實際應用效果.

1 靜態認知實驗

1.1 實驗人員

本次共招募45名駕駛人，其中42人完成全部實驗測試，包括男性駕駛人26名，女性駕駛人16名；職業司機20人，非職業駕駛人22人.駕駛人年齡在20～50歲(平均值36.86；標準差11.62).所有駕駛人視力或矯正后的視力均在4.8以上，且在實際駕駛中均有使用VMS的經歷.

1.2 實驗儀器

實驗儀器型號及其作用見表1.

表1 實驗設備

實驗使用的VMS版面尺寸為1 m×10 m.為避免由于靜態認知實驗所用液晶屏尺寸與實際道路上駕駛人使用的VMS存在較大差異，減少實驗數據系統誤差，研究基于人因工程學原理，應用式(1)確定駕駛人在室內視認VMS時所處位置.

(1)

式中：L為駕駛人視線與液晶屏幕之間的距離；h為駕駛人視線高度距離液晶屏上邊緣高度，實際測量為28 cm；tanθ為駕駛人視線高度與液晶屏上邊緣夾角，根據人因工程原理，當θ≤8°時，駕駛人可準確認讀顯示信息，因此θ選取8°.

根據式(1)計算得到本次實驗駕駛人距離液晶顯示屏的距離應為2 m.

1.3 實驗場景

依據調查結果[13]，駕駛人可接受的VMS文字信息量范圍為4～32.字數過少時，承載信息較少，不能滿足實際信息傳遞需求；字數過多時，駕駛人接受程度較低.因此，本次實驗將長條形VMS文字信息量范圍設為8～24字.按照每4個字逐步遞增，共計五種水平.

實驗中VMS字體大小借鑒靜態交通標志設計規范.當版面文字超過18個時，字高為35 cm；低于18字時，字高為50 cm.文字采用黑體字，高寬比為1∶1.

1.4 實驗流程

靜態認知實驗包括駕前問卷、預實驗、正式實驗三部分.首先利用駕前問卷調查完成駕駛人屬性采集，了解其生理狀態以及VMS使用經歷.

在預實驗前向駕駛人宣讀實驗內容和實驗注意事項，使其明確實驗流程.預實驗時間約3 min，使駕駛人熟悉實驗流程及操作.

正式實驗開始后，駕駛人對屏幕顯示的VMS信息進行視認，視認完畢按下鍵盤指定按鍵，系統記錄為視認時間.隨后，屏幕跳轉，顯示與相同VMS信息相關的客觀問題.客觀問題圍繞VMS內容進行設計，是含有單一正確答案的選擇題.不同文字信息量的VMS版面隨機顯示，客觀問題跟隨對應的VMS成套出現.不同VMS之間隨機出現風景圖片以緩解駕駛人視覺疲勞.

1.5 數據采集與分析方法

1.5.1變量選取

選取視認時間、理解錯誤率反應駕駛人視認特性.

1)視認時間為VMS出現到駕駛人對版面信息完成認讀的時間，表示駕駛人對版面文字的視認過程.視認時間越長，視認難度越大.

2)理解錯誤率由客觀問題的答案統計所得，反應駕駛人對VMS信息理解的準確性.理解錯誤率越低，VMS信息顯示越合理.

1.5.2數據分析

對視認時間及理解錯誤率兩項指標逐一進行統計分析，判斷特征指標對應不同文字信息量是否存在顯著性差異，并同步分析各特征指標隨著文字信息量變化的變化率，初步獲得不同特征指標對應的VMS文字信息量閾值.

1.6 實驗結果

1.6.1視認時間

視認時間及理解錯誤率的描述性統計結果見表2.繪制視認時間和文字信息量的關系見圖1，駕駛人平均視認時間隨文字信息量的增加而增長.由于各文字數量對應的視認時間方差非齊性，故采用Welch’s anova方法對不同文字信息量下的視認時間進行顯著性差異分析.結果表明，不同文字信息量水平下，視認時間有顯著差異(p<0.01)，且五個不同的文字數量可分為三個子集：8字與12字，16字與20字，24字.可見24字水平下，駕駛人需要花費更長的時間用于視認可變信息板顯示的信息.

表2 實驗數據描述

圖1 平均視認時間與文字字數的關系

1.6.2理解錯誤率

圖2為理解錯誤率與文字信息量的關系.當文字信息量增加，駕駛人理解錯誤率升高.文字信息量為8時，錯誤率最低；文字字數為24時，錯誤率最高.利用卡方檢驗對視認錯誤率進行統計分析，不同字數水平下各組視認錯誤情況有顯著性差異(p<0.01).

圖2 理解錯誤率及其變化率與文字信息量的關系

計算相鄰兩水平平均視認時間差與文字信息量差的比值，記為視認時間變化率.視認時間變化率表示視認時間隨文字信息增加而變化的速度，視認變化率越大，視認時間增長速度越快，表明文字增長對視認時間的影響越大.同時計算錯誤率增長率，錯誤增長率越快表明文字增長對視認難度增大較快.

比較視認時間變化率與錯誤率變化率兩指標，見圖3.由圖3可知:兩者變化趨勢一致.在16～20字，視認時間變化率和錯誤率變化率均為最低，表明在當前的文字水平下，視認時間和視認準確性受文字信息量變化的影響較小；超過20字后，視認時間增長率和錯誤變化率兩者均達到最大值，即視認時間和準確性都受文字信息量變化影響較大.

圖3 視認時間變化率及理解錯誤率變化率與文字字數的關系

綜上所述，當文字信息量超過20字時，駕駛人視認困難，易出現理解錯誤，對駕駛人駕駛存在較大負面影響.根據靜態視認實驗結果，VMS文字信息閾值應為20.

2 動態模擬實驗

2.1 實驗人員

本次共有32名駕駛人完成實驗測試.男性駕駛人20名，女性駕駛人12名；職業司機16人，非職業駕駛人16人.駕駛人年齡在23～59歲(平均值34.94；標準差12.01).所有駕駛人視力或矯正后的視力均在4.8以上，且實際駕駛過程中均有VMS使用經歷.

2.2 實驗儀器

實驗設備及功能見表3.

表3 動態模擬實驗設備

2.3 實驗場景

圍繞靜態視認實驗結果，動態模擬實驗圍繞16，20，24三個文字信息水平開展.實驗中VMS版面文字為黑體，版面尺寸為1 m×10 m.字高為25 cm，高寬比為1∶1.實驗道路分為準備路段和實驗路段兩部分.準備路段用于駕駛人適應模擬駕駛車輛，實驗路段用于駕駛人視認和駕駛數據采集.道路為雙向六車道高速公路，道路限速為100 km/h.每條道路場景對應一種VMS文字信息量，每名駕駛人需隨機完成3組場景測試.

2.4 實驗流程

動態模擬實驗包括預實驗和正式實驗.利用預實驗使駕駛人了解實驗流程，熟悉駕駛模擬操作.在正式實驗中，駕駛人按照正常駕車習慣駕駛，遵守限速要求，不變換車道.當駕駛人發現VMS時，進行第一次鳴笛，表明該時刻駕駛人開始對VMS進行視認，系統自動開始計時；視認完成后再次進行鳴笛，自動記錄視認完成時刻、視認完成位置和該時刻的速度；當駕駛人理解VMS信息后，又一次進行鳴笛，記錄理解完成時刻、理解完成位置和該時刻的速度.駕駛人完成任務并駕車行駛到實驗目的地，模擬實驗結束.為防止駕駛人疲勞，每完成一組駕駛模測試，休息5 min.

2.5 數據采集與分析

2.5.1變量選取

選取視認距離、理解距離、視認速度、理解速度以及理解時間反應駕駛人的視認特性和駕駛行為.其中，視認和理解距離分別表示駕駛人在視認和理解VMS的過程中車輛運動的距離，距離越大，表明VMS視認和理解難度越大；視認和理解速度指駕駛人完成視認和理解VMS信息時對應的速度，速度越小，表明VMS信息對駕駛人控制速度的影響越大；理解時間代表理解信息的速度，理解時間越長，文字信息理解難度越大.

2.5.2數據分析

為更加科學地驗證VMS文字信息閾值，需綜合評估不同VMS文字數量對駕駛人視覺特性和駕駛人行為特性的影響.本文利用基于熵權法的TOPSIS對視認距離、視認速度、理解距離、理解速度和理解時間五指標進行綜合評價.熵權法是一種利用信息熵原理對指標權重進行客觀計算的方法[14].TOPSIS法通過對評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，是一種綜合性評價方法[15].

2.6 實驗結果

分別對不同VMS文字字數水平下的視認過程和理解過程進行統計，各特征指標均值見表4.不同文字數量對視認和理解過程存在一定影響，但是影響程度較小.

表4 實驗數據統計結果

利用熵權法對各個特征指標的權重進行計算.在本實驗中，視認距離、理解距離、理解時間越大，表示長條形VMS的文字信息量對駕駛人視認行為產生負面影響；視認速度和理解速度越大，表明VMS對駕駛人速度控制影響較小.分別對各特征指標進行標準化處理，計算信息熵權值

Ej=(-0.33,-0.18,-0.69,-0.47,-0.57)

計算得到各個指標的權重：

Wj=(0.18,0.16,0.23,0.20,0.22)

在計算權重的過程中，五個特征指標所占權重較為平均，均占0.2左右，其中權重最大的是理解距離，其值為0.23.

利用TOPSIS法計算各水平的綜合評價值，其中最優方案Z+和最劣方案Z-為

Z+=(0.67,0.59,0.60,0.59,0.81)

Z-=(0.55,0.55,0.56,0.55,0.00)

最終計算出綜合評價結果見表5.

表5 TOPSIS計算結果

由表5可知:隨著文字信息量增大，綜合評價值減小，其中當字數為24字時，其綜合評價值最小.因此，動態模擬實驗結果與靜態認知實驗結果一致，VMS文字信息閾值應為20字.

3 結 論

1)靜態認知實驗表明，長條形VMS文字信息量對駕駛人視認時間及理解錯誤率均有顯著影響，文字信息量不宜超過20字.

2)動態駕駛模擬實驗結果與靜態認知實驗結果一致，綜合分析確定VMS文字信息閾值應為20字.

文中研究確定了長條形VMS的文字信息閾值，有助于完善VMS設計規范和使用標準。論文研究結論基于小樣本靜態和動態模擬實驗獲得，一定程度上反應了不同VMS文字字數下駕駛人視認特性的變化趨勢，還需要通過更大樣本實車實驗進一步論證和標定實驗結果，以提高研究結論的可靠性.同時，在靜態和動態實驗中駕駛人的視線高均為度固定值，需要進一步驗證視線高度對視認效果的影響.另外，由于不同國家的語言結構和文字表述等存在較大差異，不同國家所使用的VMS文字信息閾值的差別，還有待進一步研究.