基于駕駛人視覺的城市下穿隧道入口段交通標志設置研究

摘"要：我國大城市交通擁堵日益加劇，為解決交通擁堵需要隔離交通的交叉點，為此，城市下穿隧道的建設增多。本文以研究不同速度、不同光照補給、不同標志牌個數對駕駛人的視覺影響為目標，以控制變量的方法進行模擬實驗，將駕駛人的模擬實驗數據分類統計，運用統計分析原理分析不同因素對駕駛人的影響。首先，對某地下穿隧道入口段的交通特性進行調研與問題分析，利用UCwin/Road仿真軟件進行實驗場景搭建，設計5條下穿隧道入口段道路，設定不同參數（車速、標志牌數量、光照強度）。其次，通過iView"X"HED4眼動儀和模擬駕駛設備進行實驗，利用其自帶的分析軟件BeGaze軟件收集分析模擬駕駛過程中駕駛人的動態眼睛數據，包含駕駛人的注視、掃視數據以及熱點圖等。最后，利用CRITIC權重法得到不同限速、不同光照條件、不同標志牌數目下駕駛人的視覺負荷情況。最終得出限速宜在60～80km/h之間，同一個位置交通標志不宜超過5個，光照宜在300～500lx的結論。本研究結果可為城市下穿隧道入口段的交通標志牌數目、限速設定、交通標志牌補光等提供一定視覺動態理論支撐，同時為交通安全提供保障。

關鍵詞：下穿隧道；視覺特性；模擬駕駛；CRITIC權重法

Abstract：Traffic"congestion"in"big"cities"in"my"country"is"increasing.In"order"to"solve"traffic"congestion，the"construction"of"urban"underpass"tunnels"has"increased.This"paper"aims"to"study"the"visual"impact"of"different"speeds，different"lighting"supplies，and"different"number"of"signs"on"the"driver.It"conducts"simulation"experiments"with"the"method"of"controlling"variables，classifies"and"counts"the"driver's"simulation"experiment"data，and"uses"statistical"analysis"principles"to"analyze"different"factors.Impact"on"drivers.First，the"traffic"characteristics"of"an"underground"tunnel"entrance"section"were"investigated"and"analyzed，and"experimental"scenarios"were"built"using"UCwin/Road"simulation"software，and"5"roads"in"the"entrance"section"of"the"under"tunnel"were"designed，and"different"parameters（vehicle"speed，signboards"were"set.quantity，light"intensity）.Secondly，the"experiment"was"conducted"through"the"iView"X"HED4"eye"tracker"and"simulated"driving"equipment.The"BeGaze"software，its"own"analysis"software，collected"and"analyzed"the"dynamic"eye"data"of"the"driver"during"the"driving"process，including"the"driver's"gaze"and"saccade"data"and"hotspot"maps.Finally，the"CRITIC"weighting"method"is"used"to"obtain"the"visual"load"status"of"drivers"under"different"speed"limits，different"lighting"conditions，and"different"number"of"signs.Finally，it"was"concluded"that"the"speed"limit"should"be"between"60～80km/h，and"there"should"be"no"more"than"5"traffic"signs"at"the"same"location，and"the"lighting"should"be"between"300～500lx.The"results"of"this"study"can"provide"certain"visual"dynamic"theoretical"support"for"the"number"of"traffic"signs，speed"limit"settings，traffic"sign"fill"light"in"the"entrance"section"of"the"city's"undert"tunnel，and"provide"guarantees"for"traffic"safety.

Keywords：undertunnel;visual"characteristics;simulated"driving;CRITIC"weight"method

1"駕駛人動態視覺理論

駕駛人在駕駛過程中是通過眼睛搜索識別交通過程中的刺激事件，在駕駛過程中，視覺是信息的主要來源，是接受外部刺激事件最基本與最重要的媒介。駕駛人在行駛過程中有80％以上的信息是依據視覺獲得的［1］，這些信息直接影響著駕駛人對道路的觀察和對道路中行車的觀察以及道路兩側和凈空區的標志標牌的觀察，從而影響行車安全，可見駕駛人的視覺特性對于駕駛安全有重要意義。

駕駛人在駕駛過程中，其動視力在行車運行中的眼動特性有三種基本形式：注視（Fixation）、掃視（Saccade，又稱眼跳）、眨眼（Blink）。

1.1"注視

觀察者視線集中在一個集中位置上，超過50ms以上且幅度不超過1°［2］認為是注視行為。駕駛人注視行為是通過眼球微小的運動，提取和加工目標對象的視覺信息。該眼動行為可表示駕駛人注意力的分布情況，反映駕駛人對某目標對象的關注程度和負荷。注視行為的表征參數有：單次注視時間、總注視時間、注視次數、注視區域、瞳孔大小。

1.2"掃視

觀察者的注視點從一個點位置變化到另一個位置上，也就是兩個注視行為之間被定義為掃視行為。通過掃視能快速搜索視野內的目標對象并對興趣信息進行確認［2］。掃視行為的表征參數有掃視速度、單次掃視時間、掃視次數等。

1.3"眨眼

指的是上下眼瞼相觸，是一個快速的閉眼再睜眼的行為，眨眼雖不具有搜索刺激物的意義，但是其可以反映駕駛人精神狀態和疲勞程度，長時間駕車會導致頻率變慢［3］，本文因不考慮疲勞駕駛，故在后續未討論此指標。

2"交通標志含義及分類

交通標志根據其種類不同分為禁令標志、警告標志、指示標志、指路標志等。城市道路交通標志設置是為了明確道路的路權，使交通參與者能夠各行其道。根據城市道路交通標志標線設置指南和國標5768的規定，標志設置應以道路交通管理的相關法律法規和交通組織管理方案為依據，分清路權、促進暢通、預防事故、保障安全。

禁令標志是交通標志中主要標志的一種，其對車輛或者其他交通參與者加以禁止或限制的標志，如禁止停車、禁止掉頭、禁止鳴喇叭、禁止通行、限制重量等。警告標志是警告車輛、行人注意危險，駕駛人見到警告標志后，應引起注意，謹慎駕駛、減速慢行。指路標志是向交通參與者傳遞道路地點、方向和距離。指示標志是用以指示車輛和行人按規定方向、地點行駛。

3"交通標志識讀過程

依據對人行為的刺激機體反應經典模式的拓展，駕駛人視認交通標志過程一般分為三個階段，即視認階段、決策階段和行動階段［4］。

（1）視認階段：視認階段為駕駛人觀察到交通標志、開始辨認識別交通標志顯示內容。

（2）反應階段：指從駕駛人基本理解所顯示內容，到最終做出操作決定，并開始采取行動，這一決斷叫作反應階段。視覺負荷越大，所需要的時間越多，且每個人的反應時間有所差異。

（3）行動階段：指的是駕駛人作出決策，如變更車道、減速、制動、駛出（進）主道等。3個階段是有序進行的，視認階段的負荷要盡可能小，從而反應階段的反應時間更小，這樣行動階段就留有更充足的時間去行動，如果反應時間過長，則會影響行動階段，導致如制動距離不足的追尾事故，變更車道時間不足的壓實線和錯過入口（出口）。

4"試驗條件及指標選擇

試驗場地為四川警察學院大數據交通治理實驗室，室內遮光良好、環境清靜，具備架設實驗儀器的場所作為實驗場地。惠普臺式機作為主機，外接Mi"Curved"Gaming"Monitor"34曲面屏顯示器以及羅技G29駕駛操作系統，顯示模擬駕駛場景以及進行模擬駕駛操作，可調節座椅和顯示器高度、角度、位置使其能舒適地踩剎車和油門踏板，并確保使駕駛人能把全部屏幕映射入眼睛，被試佩戴眼動儀后，便可進行實驗操作。

試驗運用到的其他設備及功能如表1所示。

其中：UCwin/Road是一款強大的三維虛擬仿真軟件，通過UCwin/Road可以創建完整可視化的城市交通場景，能夠精確還原城市道路，包括車道、標線、道路標志、中央分隔帶等各種元素。自帶的數據庫可以更改道路參數，模擬交通流量、設置車輛行駛速度、光照，可以和CAD制圖軟件兼容，使得用CAD制作的標志能插入UCwin/Road軟件。（得到的道路標志設置圖，如圖1、圖2、圖3所示）

入口段道路按照成都金融城下穿隧道設計，設置了包括含輔匯入主道的道路和主道出輔道的道路，共計5條道路。每條道路總長為1200米。道路寬度為3.75米，坡度為3.5%，道路材質為瀝青，中央隔離帶設置為綠化帶隔離，道路兩側設置為樓宇，輔道與人行道以隔離護欄分離，車流量為調查時的平均值1800pcu/h，車型為小型汽車、摩托車、大型汽車，其比例為6∶1∶3，以保證場景的搭建更為真實。試驗選取指標為9個，其具體含義如下。

（1）單次注視時間：是指駕駛人在注視過程中，視線維持在視軸中心位置不變的持續時間。注視時間的長短能夠反映駕駛人在行駛時，提取有效道路交通信息的困難程度，當注視目標所包含的信息量較多時，駕駛人對信息加工處理的難度也會更高，提取信息需要的時間增加［5］。

（2）注視次數：是指注視點落在視野平面內某一區域的數量，表現了駕駛人注視某一區域的頻率，也體現了駕駛人對該區域的感興趣程度［6］。在行駛過程中，各個區域包含信息量大小和重要程度不同，每個區域內的注視次數也不同。因此，可將視野平面劃分為多個區域，分析駕駛人在不同行駛狀態下的注視次數變化規律，本文定義的區域為單個標志牌所占區域。

（3）總注視時間：是指對一個區域標志牌所有注視的時間總和，表明對此區域所有標志的感興趣時間變化情況，也表示此區域信息量多少。

（4）瞳孔面積：瞳孔的放大和收縮是一種自我調節機制，不僅受外部環境影響，也與人的心理變化、負荷強度及疲勞狀態有關［7］。當外部光線較強時，通過縮小瞳孔來適應強光；光線較弱時，通過增大瞳孔使視網膜得到足夠刺激能夠清晰成像。人心理狀態的變化也會引起瞳孔大小的變化，當人處于高度緊張的情緒中時，瞳孔會放大，視覺負荷增大，當人處于放松情緒中時，人的瞳孔會縮小，人的視覺負荷變小。

（5）瞳孔變化率：指的是下一時刻比上一次瞳孔面積變化的幅度大小。如果變化越大，則負荷越大，如果變化不大，則說明在前后時刻瞳孔面積保持在一定水平，其計算公式為：

Et=St-St-1St-1×100%

Et代表t時刻駕駛人的瞳孔面積變化率；St代表t時刻駕駛人的瞳孔面積；St-1代表t-1時刻駕駛人瞳孔面積。

（6）掃視次數：指的是對刺激物來回掃視的頻次總和，其越大說明其對此刺激物的理解需要多次來實現。

（7）掃視速度：掃視速度［5］是在2個物體時間接收此刺激物的能力大小，指掃視幅度與掃視時間的比值，單位為°/ms。掃視速度反映了駕駛人視覺搜索的快慢，當駕駛環境復雜，刺激信息量較多時，駕駛人會加快信息提取與加工過程，掃視速度上升，視覺負荷較高。

（8）單次掃視時間：指的是對2個物體掃視一次所用時間，同注視時間類似，單次掃視時間越小說明此刺激物所包含信息量越少，更容易理解。單次掃視時間越長反映了駕駛人獲取信息的過程越謹慎，行車警覺程度越高，時間短反映了駕駛人能輕松定位到目標點負荷低［6］。

（9）總掃視時間：指的是對2個刺激物來回掃視所花費的時間總和，總掃視時間越大說明對刺激信息區域的搜索復雜，和單次掃視時間比較，如果總掃視時間大，而單次掃視時間短，同樣說明此信息量大［5］。

本次實驗數據儀器使用德國SMI公司的i"View"X"HED"4頭戴式眼動儀，儀器采用視頻化非侵入眼部定位技術，其具有便攜性，能實時傳輸駕駛人的眼部動態情況。實驗的駕駛速度分別設置為40km/h、60km/h、80km/h，光照模擬的是晴天早上8點（300lx），中午12點（500lx），晚上18點（200lx）的情況，模擬交通標志牌的數目為2個至8個。因此，每條路每名人員需做9組實驗，實驗全部在上午9點至12點進行，采集他們在不同照明工況、不同速度下、不同標志牌數目時行車的眼動數據，實驗數據最終存在眼動儀數據分析軟件（Begaze軟件）里，導出試驗數據后便可進行數據分析。

5"CRITIC權重基本思路

CRITIC方法是一種多準則決策分析中的客觀賦權技術［8］，它通過綜合考慮評價指標的對比強度和指標之間的沖突性來確定各指標的權重。這種方法的優勢在于，它不僅關注單個指標的變異性，還考慮了指標之間的相關性，從而更加科學和客觀地評價各個指標的重要性。對比強度指在同一指標下，不同評價方案之間的差異程度，它通常通過計算標準差來衡量，標準差越大，表示各方案在該指標上的取值分布越分散差異越大，因此該指標的權重也相應越高。這一概念強調了指標在區分不同方案上的能力，即對比強度越大的指標，對于方案評價的貢獻越大。利用CRITIC權重法可以進行9個指標間的關聯性，從而計算駕駛人的總負荷情況。

在CRITIC方法中，通常使用相關系數來衡量指標間的沖突性。如果兩個指標之間的相關性很強（即相關系數接近1），則認為它們之間的沖突性較小，因為它們在評價方案時提供的信息具有較高的相似性。相反，如果兩個指標之間的相關性較弱，則認為它們之間的沖突性較大，這意味著它們在評價方案時提供的信息是互補的，因此權重也應相應增加。CRITIC方法的權重計算綜合了對比強度和沖突性兩個方面。具體來說，先計算每個指標的標準差，然后計算指標間的相關系數矩陣。接著對于每個指標，將其標準差與其他所有指標的相關系數進行比較，以確定其權重。

速度、光照、標志牌不同時，從圖4在速度為80km/h時，早上8點6個標志時負荷最大，為100%。80km/h時中午12點光照強度大，5個標志時的綜合得分為78.87分和限速60km/h晚上18點5個標志時的綜合得分76.56分相近，且均處于視覺中等負荷。

6"結論

（1）實驗結論得知光照宜控制在300～500lx之間，過高光照將使得駕駛人視覺炫目。過低同樣導致駕駛人視覺負荷大，可能會導致在洞口處形成“黑洞”效應，不利于駕駛。為此，可以在設置標志牌時采用新型交通標志，定量控制標志牌的補光，補光宜在300～500lx間。

（2）對于已經存在的城市下穿隧道入口段位置的限速宜在60～80km/h之間。低于40km/h時駕駛人的視覺負荷反而更大，而限速過高也不利于駕駛人的安全，駕駛人會出現單次注視時間增大等指標變化，導致綜合負荷高，為此可以在入口段設置限速標志而對車輛進行強制限速、并設置抓拍設備進行超速抓拍。

（3）在城市道路下穿隧道中，由于其獨特的交通環境特性，在設立交通標志牌時同一個位置的標志牌不宜超過5個，超過5個駕駛人要么無法全部識別標志牌信息而導致錯過出口（進口），要么會導致駕駛人的視覺負荷增大，從而增加安全駕駛風險，為此在設置標志牌時應把主要的標志、重要的標志設置在入口段。

參考文獻：

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作者簡介：周治宏（1990—"），漢族，四川宜賓人，碩士研究生，二級警長，研究方向：交通管理。