基于分心駕駛的指路標志冗余設置間距研究

葛含章 裴玉龍

(東北林業大學交通學院 哈爾濱 150040)

0 引 言

指路標志作為城市道路中重要的基礎設施之一，能夠為道路使用者提供信息，輔助駕駛人搜尋目的地、確認行駛路線，駕駛人對指路標志的視認效果直接影響出行效率及安全.而隨著智能手機的逐漸普及，駕駛人在駕駛過程中由于接聽電話、收發消息所導致的分心成為城市道路交通運行的重大安全隱患[1].相較于其他類型交通標志，指路標志信息量更大、所需視認時間更長，因此分心會導致駕駛人錯過指路標志，進而影響判斷、行動，甚至誘發不良駕駛行為、導致交通事故[2].

現行GB5768.2—2022《道路交通標志和標線》指出可合理重復交通標志中重要的信息，但未對標志失效條件下指路標志冗余設置方法作出明確規定，而冗余設置作為提升標志設置效果的有效手段已得到國內外學者廣泛關注.現有研究主要集中在冗余設置次數和設置間距等方面.在冗余設置次數方面，Agarwal等[3]使用數學方法分析了輕型車輛駕駛員因重型車輛領先而無法讀取標志的情況，并通過遮擋持續時間計算最優標志重復次數，以將丟失標志信息的概率保持在閾值以下.陸建等[4]分析了公路外側車道大型車遮擋內側車道小型車駕駛員視認路側交通標志過程，根據大車遮擋概率及駕駛人可用視認時間確定了路側交通標志重復設置次數計算流程.在冗余設置間距方面，Jongen等[5]基于不同限速路段間車輛速度變化規律，給出了傳統、區域重復以及區域三類限速路段的標志重復設置間距.徐婷等[6]從駕駛安全性和駕駛員短期記憶特性兩個方面定量給出公路單義標志的重復設置間距.上述研究多考慮障礙物遮擋、空間限制等客觀因素下的標志失效及冗余設置問題，而未從駕駛人主觀角度對指路標志冗余設置方法進行深入研究.

文中根據駕駛人分心行為對指路標志視認的干擾過程，界定了指路標志的失效形式，提出了考慮駕駛人分心的城市道路指路標志冗余設置最優間距計算模型，并通過模擬駕駛實驗檢驗了冗余設置方法的有效性.

1 駕駛人指路標志視認過程

根據駕駛行為心理學相關研究，駕駛人視認指路標志過程可分為感覺、視認、判斷、行動四個階段[7]，見圖1.

圖1 駕駛人標志視認過程示意

1)Dr為視認點，駕駛人于該點首次發現指路標志；Dra為視讀點，駕駛人于該點開始認讀指路標志信息；Drf為讀完點，即駕駛人結束認讀位置；Dv為消失點，此處標志與駕駛人視線夾角到達視角閾值，標志消失在駕駛人視野范圍內；Da為行動點，即駕駛人完成行動決策后開始行動位置；Dc為完成點，該點駕駛人根據信息內容完成變道操作.

2)L1為感知距離，對應感覺階段S1，即車輛在駕駛人發現指路標志至清晰看清指路標志時間內行駛的距離，認讀距離取決于車輛行駛速度以及覺察時間，為

L1=vtc

(1)

式中：v為車輛行駛速度，m/s；tc為駕駛人覺察時間，通常取400 ms[8].

3)L2為認讀距離，對應視認階段S2，即車輛在駕駛人開始識讀指路標志信息至識讀完畢時間內行駛的距離.認讀距離取決于車輛行駛速度以及認讀時間，為

L2=vtr

(2)

式中：tr為指路標志認讀時間，當指路標志地名信息低于5 h，駕駛人可在2.616 s內完成認讀[9]，本文取上述值為駕駛人城市道路指路標志的認讀時間.

4)L3為判斷距離，對應判斷階段S3，從駕駛人識讀完畢至采取行動間車輛行駛的距離.判斷距離取決于車輛行駛速度以及判斷時間，為

L3=vtp

(3)

式中：tp為駕駛人判斷時間，通常取2 s[10].

5)L4為行動距離，對應行動階段S4，即駕駛人根據指路標志信息做出變道操作過程中車輛行駛的距離.

(4)

式中：v1為車輛變道后車速；th為車輛換道所需時間，約為6 s[11]；a為車輛減速度，考慮城市道路車輛行駛平穩性，取車輛最佳減速度3 m/s2；n為變換車道次數；μ為換道選擇系數，有換道行為取1，無換道行為取0.

6)L5為駕駛人結束視讀后距離交通標志設置點的距離，為

L5=f(h*)

(5)

h*=K1·K2·K3·h

(6)

式中：h*為標志文字有效高度，cm；h為標志文字實際高度，cm；K1為標志文字種類修正系數；K2為漢字復雜性修正系數；K3為車速修正系數.K1、K2、K3修正系數見表1～3.

表1 K1修正系數

表2 K2修正系數

表3 K3修正系數

7)L6為指路標志設置點與駕駛人行動完成點間的距離.

L6=L3+L4-L5

(7)

8)L7為無法視認距離，即指路標志消失點與指路標志設置點間的距離.

(8)

式中：w為車道寬度，城市道路取3.5 m；ε為車輛位置系數，當車輛位于最右側車道時ε=0；θmin為駕駛人視角閾值，路側標志取15°；α1為路測標志位置修正系數，當指路標志桿位與路緣石處于同一平面時α1=1.α2為車輛位置修正系數，當車輛行駛于道路中心時α2=1.

2 駕駛人分心條件下的指路標志冗余設置

城市道路中合理的指路標志布設需滿足下列兩個條件：駕駛人在消失點前清晰、準確閱讀完交通標志信息，且閱讀結束后有充足時間完成決策、行動.本文按照駕駛人在標志視認過程中分心出現時間點的不同，將駕駛人分心分為“視前分心”與“視后分心”，視前分心是指當車輛處于指路標志可視距離內時出現的分心行為，此時駕駛人未完成指路標志視讀；視后分心是指駕駛人完成指路標志視讀后出現的分心行為，主要影響駕駛人的判斷與行動.

由于以上分心導致指路標志無法滿足合理布設條件之一，即可認定為指路標志失效，對于失效標志可進行指路標志冗余設置，標志冗余設置是指將標志進行多次、重復性的設置，以使由于分心導致視認標志失敗的駕駛人進行二次視認.駕駛人分心條件下的指路標志冗余設置見圖2.

圖2 分心條件下指路標志冗余設置示意

視前分心與視后分心以指路標志消失點為界限.視前分心條件下，駕駛人在指路標志消失后并未獲得所需指路信息，因此以駕駛人于消失點立刻開始冗余標志視認過程為原則，可確定指路標志冗余設置的最小間距DR min.

DR min=L2+L5-L7

(9)

指路標志3要求駕駛人在不可變道實線前按指路標志信息完成行動，且二次視認條件下駕駛人認讀標志后立即采取行動，則有：

vtf+LS1+LS2+LS4≤D-L7

(10)

式中：D為指路標志1與停止線間距離；tf為視后分心時間；LS1為二次視認下的感知距離；LS2為二次視認下的認讀距離；LS4為可允許的最小行動距離.

LS1、LS2與首次視認情況下計算方法相同，由于需確定最大視后分心時間，LS4計算時不考慮變道后的減速距離，且需保證車輛在停止線前完成變道操作，可認為車輛在換道時間內做勻速行駛.

LS4=μnvthmin

(11)

根據式(10)可得最大視后分心時間計算式為

tf≤(D-LS1-LS2-LS4-L7)/v

(12)

視后分心條件下，駕駛人于消失點前已完成原標志視認過程，但由于分心導致信息短時記憶衰減，可根據路口停車線所確定的最遲完成點、最大分心時間計算最大冗余設置間距DRmax.

DRmax=D+L5-LS4-2L7

(13)

綜上，取駕駛人分心條件下指路標志冗余設置最佳間距為

ΔD=(DR max+DR min)/2

(14)

3 實驗方案設計

3.1 實驗設備與被試

實驗設備包括駕駛模擬器、dikabilis cable眼動追蹤儀.選取20名被試進行模擬駕駛，均有三年以上駕齡，近視參與者必須佩戴眼鏡，年齡為23～45歲(均值為32.8歲)，眼功能均正常，具有法定駕駛執照，實驗前生理、心理狀態正常，無疲勞、酒后駕駛，實驗開始前未向被試提供任何研究目的相關信息，以免對指路標志視認情況產生干擾.被試10人成組，分為對照組與實驗組.

3.2 實驗場景構建

模擬駕駛場景為典型城市主干道路，雙向六車道，車道寬度3.5 m，有中央分隔帶，設計速度70 km/h.GB 5768.2—2022《道路交通標志和標線》中規定城市道路中指路標志宜設在路口前120～300 m處，本文考慮最大冗余設置間距將指路標志設置于距路口300 m處，指路標志尺寸650 cm×290 cm，見圖3.

圖3 實驗指路標志

由式(1)～式(12)可計算出L1=7.78 m，L2=50.96 m，L3=38.88 m，L4=318.11 m，L5=147 m，L6=209.99 m，L7=30.64 m，LS4=116.64 m，最大視后分心時長為4.8 s，最小冗余設置間距167.22 m，最大冗余設置間距268.31 m，冗余設置最佳間距217.77 m.

為避免重復實驗對被試產生認知干擾，構建1 500 m×4的矩形路網進行實驗，見圖4.場景中根據實際道路狀況設置車流，對實驗車輛無影響，以模擬真實城市道路駕駛環境，根據計算所確定的最佳間距于道路2、道路4進行冗余設置，道路1、道路3不進行冗余設置.

圖4 模擬駕駛實驗場景

3.3 實驗流程

為保證實驗獲取數據的真實性，實驗前所有被試均被告知參與指路標志視認指標采集實驗，實驗開始前要求被試登記姓名、性別,以及聯系方式等基礎信息，并將智能通信設備調至免提模式，切換至微信聊天界面后放置于模擬駕駛車輛中控臺左側手機支架上.實驗中駕駛路徑設定為順時針方向，即“道路1—道路2—道路3—道路4”，被試駛入每條道路時會被告知前方駛向道路名稱，同時要求被試變道至最左側車道行駛，在實驗過程中不允許被試進行超車，被試在工作人員的指引下熟悉設備操作以及模擬駕駛環境后，再正式開始實驗.實驗通過微信消息對被試實施分心干擾，消息類型包括語音消息及文字消息，根據已有研究結果，消息內容設置為兩位數加減法[12]，本實驗共設置20條信息負荷量相近的語音文字信息，例如：“27+57=？”.實驗開始后實驗員根據車輛行駛位置向被試發送信息，要求被試接收消息后立刻查看并以語音形式回復.

對照組與實驗組分批進行實驗，對照組實驗目的為檢驗被試在“有分心影響，無冗余設置”條件下的指路標志視認情況，實驗組實驗目的為檢驗被試在“有分心影響，有冗余設置”條件下的指路標志視認情況.實驗流程見圖5.

圖5 實驗流程示意

4 實驗數據分析

4.1 指路標志冗余設置有效性分析

選取指路標志注視時間作為冗余設置有效性分析指標，通過對實驗組及對照組注視時間進行統計分析，視前及視后分心條件下冗余設置前后被試注視時間見圖6.

圖6 標志注視時間

由圖6a)可知：在視前分心條件下，駕駛人僅能完成指路標志的低頻注視，分心干擾導致駕駛人沒有充足時間進行指路標志視認，對照組平均注視時間為166 ms，實驗組平均注視時間為222 ms，遠低于4信息量指路標志所需視認時間，對照組中共計7名被試(70%)無法完成指路標志視認，說明視前分心能夠顯著影響駕駛人對于指路標志的視認效果.

由圖6b)可知：視后分心條件下，由于分心干擾出現于指路標志消失點之后，因此原指路標志視認過程不受影響，對照組平均注視時間1 612 ms，實驗組平均注視時間1 927 ms，對照組中共計5名被試(50%)在視后分心后遺忘目標道路，采取了錯誤變道、轉向操作，因此視后分心對于駕駛人在標志認讀后的判斷及操作會產生嚴重影響.

由圖6c)可知：冗余設置指路標志平均注視時間在視前分心條件下為2 034 ms，在視后分心條件下為1 929 ms，所有被試均能完成冗余指路標志認讀，實際駕駛過程中，分心出現時間隨機且分心持續時間不固定，本文計算冗余設置最大、最小間距時考慮的分心情況均為極限條件，即“消失點前未開始視認、消失點后立即發生分心”，因此該冗余設置間距計算模型適用于滿足最大視后分心時間條件下的其他情況.

4.2 冗余指路標志視認績效分析

注視區域能夠顯示駕駛人的注視重點，進而獲得駕駛人視域范圍、興趣區域等信息.本文使用的眼動數據是通過smart eye pro采集、以三維坐標系表示的矢量坐標，使用k-means聚類分析法對視點坐標數據進行注視區域聚類劃分.

K-Means算法作為效果較好、思想簡單的聚類算法，計算各數據對象之間的歐式距離，并以此衡量數據對象間的相似度，歐式距離與相似度成反比.在聚類前首先需指定初始聚類中心及聚類分類數k，計算除初步相似度后，根據相似度大小迭代計算聚類中心位置，降低聚類誤差平方和(sum of squared, SEE)直到其不再變化，完成聚類.

數據對象與聚類中心歐式距離為

(15)

式中：x為數據對象；Ci為第i個聚類中心；m為數據對象維度；xj，Cij分別為x，Ci的第j個屬性值.

數據集誤差平方和SSE為

(16)

式中：k為聚類個數.

受實驗過程中突發因素影響，原始數據中存在部分異常數據，為優化聚類效果，本文根據狄克松(Dixon)準則統一將異常值數據剔除，將清理后數據通過PYTHON進行k-means聚類分析，定義初始聚類個數k為5，聚類結果顯示駕駛窗口視覺區域左下方存在大量視點，為實驗過程中分心干擾導致，刪除該類視點后再次進行聚類，劃定城市道路駕駛注視區域見圖7，其中區域1為車輛正前方遠處道路區域，區域2、4為車輛兩側道路景觀區域，區域3為標志視認區域，區域5為車輛近處道路及儀表盤區域.

圖7 城市道路駕駛注視區域

不同分心狀態下指路標志冗余設置前后注視點聚類結果見圖8.在無冗余設置時，視前分心下駕駛人注視點集中分布于區域1、2、4、5，區域3內視點均由低頻注視產生，數量較其他區域明顯減少，且分布呈無序狀態，指路標志視認效果不佳；視后分心下注視點呈狹長狀分布，遺忘目標道路后駕駛人傾向于左右環視進行信息搜索.采取冗余設置后，視前分心下區域3內注視點分布增多，冗余設置對于指路標志失效具有顯著的改善效果；視后分心下區域2、4視點比例減少，駕駛人對于道路兩側景觀區域關注度下降，冗余設置能夠改善視后分心導致的駕駛人搜索范圍縮小，使駕駛人注視點集中于路面前方.

綜上所述，冗余設置對于視前、視后分心導致的指路標志失效均有不同程度的改善效果，本文進一步提出冗余指路標志視認績效對不同分心條件下的冗余設置效果進行對比分析.

使用冗余設置前后區域3注視頻次之比作為冗余標志視認績效分析指標，計算公式為

(17)

式中：AR為冗余設置視認績效值；N3b為冗余設置前區域3內注視點數量；N3a為冗余設置后區域3內注視點數量.不同條件下注視點數量見表4.

表4 不同條件下注視點數量

視前分心條件下冗余設置指路標志視認績效值為3.3，視后分心條件下為1.6，因此本文冗余設置方法對視前分心標志失效的改善效果優于視后分心.

5 結 束 語

文中根據視前、視后分心條件下駕駛人視認指路標志過程，利用駕駛人視認特性理論，提出城市干路指路標志失效判斷方法，計算了視后最大分心時間、指路標志冗余設置最優間距，并通過模擬駕駛實驗驗證了冗余設置方法的有效性.結果表明：視前、視后分心均會對指路標志視認過程造成影響，視前分心狀態下駕駛人的標志注視時間較短，注視模式以低頻注視為主；視后分心狀態下駕駛人信息搜索范圍擴大，對道路中心區域關注度降低；本文冗余設置方法能夠有效改善視前、視后分心導致的指路標志失效，且在視前分心下具有更優改善效果.