导航播报措辞对驾驶行为的综合影响研究

边扬 俞洁 赵晓华 杨丽平

(北京工业大学 城市交通学院，北京 100124)

移动通讯技术和地理信息技术的发展使得人们通过导航获取出行信息成为可能，目前导航被人们广泛应用于日常出行。艾媒咨询[1]数据显示，2019年中国手机地图用户规模达到7.55亿人，用户群体庞大，其中高德与百度地图月活跃用户量遥遥领先。在查询目的地功能和对驾驶行为作用两个层面，手机等便携式导航的表现均优于纸质地图，且在陌生路况使用便携式导航形式可节省时间并降低油耗[2]。然而导航在给人们出行带来便捷的同时也会对驾驶行为产生一些负面影响。王颖等[3]研究发现使用车载信息系统时驾驶人对其注视次数和注视时间与汽车的碰撞危险有直接关系，车载系统的存在降低了驾驶人对关键交通事件的探测识别能力和对车辆的控制能力。田伟[4]通过对比驾驶人使用手机导航和自由驾驶情况，分析视觉及车辆稳定性特征的差异，得到使用手机导航会导致驾驶人对前方区域和左侧区域的关注水平下降，减弱对车辆的控制能力；Robert等[5]对导航设备中大量冗余的功能与选项进行了研究，认为一些不必要的功能会分散驾驶人注意力，易造成驾驶人分心，从而带来潜在风险；Kaber等对20名被试者进行了驾驶模拟实验测试，分析驾驶人的视觉和认知通道资源被车载信息占用时，驾驶人操作延长时间和操作错误次数[6]。以上研究发现导航的存在可能会对驾驶人行为表现产生不良影响，但实际上导航不仅仅影响注视行为，其对驾驶人操控行为和运行状态方面的影响也不容忽视。

由于驾驶行为是影响交通安全和顺畅的重要因素，许多国内外学者针对导航对驾驶行为的影响开展了大量研究，主要集中在不同的导航模式对驾驶行为的影响，包括导航信息给予形式(导航信息由何种形式传达给驾驶人)、提示时间和提示内容。导航信息给予形式方面，目前主要有结合视觉和听觉给予、听觉使用、视觉使用3种类型，胡琳[7]研究发现这3种方式对驾驶行为的影响从大到小排序为：视听结合<听觉使用<视觉使用。导航的摆放位置和大小尺寸也会影响驾驶行为，Zheng等[8]将两个大小不同(分别为7英寸和4.3英寸)的车载导航摆放在不同位置进行多组实验，发现驾驶人注视尺寸大的车载导航频率高于尺寸小的。Lee等[2]比较了驾驶人在手机导航和车载导航下的驾驶表现和车辆控制行为，结果表明尽管手机屏幕尺寸小于车载导航，但由于手机导航的便捷性和时效性等优点，无论是城市道路还是郊区道路，手机导航下的行为表现均优于车载导航。提示时间会影响导航有效性，若导航提示时间过早，驾驶人可能会忘记导航信息；若导航信息提示时间过迟，驾驶员可能没有足够的时间执行相关操作。因此，部分学者致力于研究导航信息提示时机，旨在确定恰当的导航信息提示时机,以提升驾驶安全和效率。例如Sabders等[9]研究了导航提示时间和交通流密度对驾驶人在高速公路出口匝道行为的影响，发现导航的存在对中高密度条件下的换道安全性存在积极影响。此外，Wu等[10]为了寻找当前车载导航系统语音提示功能的设计盲点，采用驾驶模拟实验来比较现有导航播报模式(提示时间由距离确定)和新型导航播报模式(提示时间由速度确定)两种情形下驾驶人的行为表现，结果发现新型导航播报模式能显著优化驾驶表现并减少驾驶人心理负担。导航提示内容关系到驾驶人能否理解导航信息并做出正确决策，是特别值得关注的内容。Rasker等[11]研究发现，如果驾驶人在接收导航语音播报时受到其他声音的干扰导致信息内容重叠，会使驾驶人感到迷惑并导致事故。且作者认为导航系统中的语音提示内容不需要提供道路名称，因为驾驶人不能立即理解这些路名。Uang等[12]采用驾驶模拟实验研究发现不同信息量和规模的电子地图对驾驶人出行时间的影响程度不同，拥堵信息的使用对寻路有积极作用。考虑到不同驾驶人对信息需求存在差异，英国针对其老龄化严重这一社会现象，专门研究老年人对导航的需求，结果发现车载导航系统的使用为老年驾驶员提供更好的道路信息，同时也需要进一步改善导航的设计以提升对老年驾驶人的服务品质[13]。朱彤等[14]通过实车道路实验采集驾驶人眨眼时间和频率数据，结果发现使用车载导航情况下驾驶人行车更不稳定，但是在车载导航语音提示模式下，驾驶人行车相对稳定安全。

综上所述，目前国内大部分研究集中在导航信息给予形式和提示时间，国外在导航提示内容对驾驶行为影响方面的研究相对较多，但目前的研究并不充分。实际上导航提示内容(主要指导航播报措辞)直接影响驾驶人对导航信息的理解，进而影响驾驶人决策行为，因此深入探究导航播报措辞对驾驶人行为的影响十分必要。此外，与航海、航空领域不同，陆地导航语音播报尚未形成统一标准，缺乏对驾驶人的有效指导，且目前在用的导航语音播报措辞的合理性有待进一步验证。因此文中以道路情况较为复杂导致驾驶人迷茫程度较高的城市快速路五岔路为例，依据导航产品市场调研设计4种播报措辞，通过驾驶模拟平台获取驾驶行为数据，并基于驾驶行为表现甄选快速路五岔路出口的最优播报措辞。论文对城市快速路导航语音播报措辞的设置优化具有指导作用，并为陆地车辆导航语音标准制定提供理论支撑。

1 实验方法

1.1 被试人员筛选

实验招募37名被试人员，有效样本36人，年龄为21～55岁，平均年龄为37.6±12.1岁，其中男性驾驶员24名，女性12名，男女被试比例符合我国现有驾驶人分布情况[15]。被试的驾龄为2～35年，平均驾龄为12.91±9.56年，均具有实际城市道路快速路五岔路驾驶经验，能熟练操纵自动挡汽车。实验开始时，通过指导语告知驾驶员相关实验要求，指导语包括道路限速，驾驶要求以及驾驶失误处理方法等。被试人员基础信息如表1所示。

表1 被试人员基础信息表

1.2 实验设备

为消除导航任务外其他变量对实验的干扰，论文采用驾驶模拟器进行试验，设备为北京工业大学AutoSimAS驾驶模拟系统，能够以0～10 Hz的频率产生振动感，水平和垂直视野范围分别是130°和40°，可以为驾驶人提供高真实度的道路环境和交通环境。驾驶模拟系统由实车、中控设备、影音系统及投影装置4部分组成，可动态采集坐标、速度、加速度、横向偏移、刹车、油门等车辆运行和操控数据[6]，如图1所示。同时，该系统具有音效模拟效果，包括发动机、车辆制动、车辆振动、转弯侧滑等常见音效，实验导航播报语音文件通过接口函数导入驾驶模拟平台，以语音播报的时长和道路限速的乘积确定导航语音的触发点，并进一步设定语音播报控制程序，为驾驶员提供真实的导航环境。

(a)模拟舱实验过程示意图

(b)模拟舱设备示意

1.3 场景设计

场景以城市快速路五岔路为案例，为不干扰驾驶员的正常驾驶，场景内不设置其他交通量，且除措辞外，导航其他因素设置参数均相同。直线路段限速80 km/h，转弯匝道限速40 km/h，实验场景中交通标志标线的设置符合国家标准(GB5768—2009)。

为了研究驾驶员在不同播报措辞下的驾驶行为，实验岔路按照随机原则分配在不同路径中，如图2所示，FG段为本次实验研究的岔路之一，其余路段用于其他研究，其他实验岔路随机分布在不同的路径中，形式和图2一致。图2中1-5表示导航语音的播报时机点位，根据快速路导航现状播报确定，共播报5次，分别距离岔路2 000、1 500、1 000、500和50 m。不同路段根据设计播报不同类型措辞，本示例路段播报A措辞。图3为局部设计图，为实验路段的五岔路出口。实验共设计了类似于图2形式的3条测试路径，每条路径包含7条路段。A措辞分布在路径1的第6条路段，B措辞分布在路径2的第4条路段，C措辞和D措辞分别分布在路径3的第3和第7条路段。每位被试人员随机选择3条路径进行实验，且4种措辞在不同路径上不连续分布，并在非实验路段设置其他事件(用于导航其他研究)，以降低学习效应对实验结果的影响。

图2 实验路段场景设计

图3 实验路段局部设计

1.4 导航语音设计

由于目前缺乏陆地车辆导航语音信息服务用语的相关标准和规范，为提升评估结果的普适性，论文对导航行业互联网公司(高德、百度、四维等)开展调研，与相关专家访谈并对出租车司机及其他导航用户开展了充分的调研和讨论，得出一条完整的导航语音措辞由“‘前方’+距离+指示类+辅助类”这几部分组成。论文根据行业调研和实际应用情况对语音信息进行提炼，最终给出4种措辞的设计。考虑是否告知前方道路情况以及是否增加辅助语分为A/B/C/D 4种措辞，播报措辞如表2所示，在路段上的呈现形式如图2所示。

1.5 实验流程

实验包括5个阶段：实验准备、适应性驾驶、试前问卷、正式实验、试后问卷。

表2 导航措辞内容设计

(1)实验准备 实验管理人员告知驾驶员本实验相关注意事项。

(2)适应性驾驶 驾驶员需要熟悉模拟驾驶车辆，进行3～5 min试驾，以确认驾驶员熟悉驾驶模拟的操作，并没有眩晕等不适症状发生。

(3)试前问卷 适应性驾驶实验后，实验管理人员对驾驶员进行试前问卷的提问，了解驾驶员在实验前的生理状态以及主观感受。

(4)正式实验 阅读实验指导语——告知道路类型、目的地、限速以及导航语音播报和平时使用一致等信息。36名驾驶员被随机安排完成寻路任务以消除驾驶员操作过程的偶然性，驾驶员每隔20 min强制休息，以防止驾驶时间过长对驾驶员产生影响从而导致数据不准确。

(5)试后问卷 询问驾驶员对于模拟驾驶的真实感，并通过询问驾驶员的疲劳状况等级判定驾驶员在操作过程中数据的有效性。

2 数据处理与分析

2.1 数据预处理

实验过程均要求被试人员填写试前、试后基本状态和疲劳程度等生理和心理信息，试后同时填写模拟器真实程度以及场景真实程度的反馈情况。结果显示，所有驾驶员驾驶前、后均处于清醒不疲劳状态，对模拟器和场景真实度的评价打分均在8分以上(即≥8分，评价等级为0～10分，分数越高感受越真实)，这些结果均确保了实验测试数据的有效性。实验共获取148(4×37)段数据，去除异常、不完整等无效数据，最终获得144段(4组×36人)有效数据，包括驾驶员在4种播报措辞下的行为表现(速度、加速度、刹车、油门、方向盘等)。针对论文所选择的指标参数，以5 m为间隔截取路段数据。

2.2 结果分析

以驾驶行为为导向，从运行效率和稳定两方面展开分析，选取运行速度、运行时间、速度标准差、加速度均值、加速度标准差、横向偏移6个指标，指标体系如图4所示。论文选取距离岔路口2 000 m到出岔路50 m为数据分析范围，在总体趋势分析基础上，对驾驶人在4种导航措辞下驾驶行为进行显著性分析，最后利用TOPSIS单目标评估方法选择在城市快速路五岔路条件下的最优播报措辞。

图4 指标体系

2.2.1 运行效率指标

选用速度和运行时间来表征车辆运行效率，在不考虑安全稳定性的情况下，速度越快运行时间越短，说明运行效率越高。

(1)运行速度

速度V(km/h)是交通状态最直观的反映，速度越快说明驾驶员的风险感知能力较低效率较高。如图5所示，D措辞下运行速度均值最大，为78.83 km/h。重复测量方差分析结果显示，4种措辞速度均值存在差异(F=4.996，P=0.006<0.05)；成对比较结果显示，A措辞和D措辞、B措辞和D措辞之间均存在显著性差异。

图5 运行速度均值

(2)运行时间

运行时间t(s)也是衡量驾驶员行驶效率的指标，时间越短说明效率越高。如图6所示，D措辞下运行时间最短，为85.39 s；B措辞下运行时间最长，为88.21 s。重复测量方差分析结果显示，4种措辞下运行时间存在差异(F(3，105)=4.692，P=0.004<0.05)；成对比较结果显示，D措辞和其他三个措辞之间均存在显著性差异，和B措辞之间最为显著。

图6 总运行时间

2.2.2 运行稳定性指标

选用速度标准差、加速度均值、加速度标准差和横向偏移LP来表征车辆运行的稳定性，在不考虑其他因素的情况下，这些指标数值越小，说明车辆运行的稳定性越好行车越安全。

(1)速度标准差

速度标准差Vsd用于表征驾驶人纵向操作的不稳定性，标准差越大说明驾驶人操作越不稳定。如图7所示，4种措辞下速度标准差由小到大排序为A措辞

图7 速度标准差

(2)加速度均值

加速度A(m2/s)一定程度上可表征驾驶员心理紧张程度，值越大反映驾驶员心理越紧张从而导致行车不稳。如图8所示，A措辞下加速度均值最小，为0.17 m2/s；C措辞下加速度均值最大，为0.19 m2/s。重复测量方差分析结果显示，4种措辞的加速度不存在差异(F=2.182，P=0.109>0.05)。

图8 加速度均值

(3)加速度标准差

加速度标准差Asd反映驾驶人频繁的操控情况，标准差越大说明驾驶人操作越不稳定。如图9所示，4种措辞下加速度标准差由小到大排序为A措辞

图9 加速度标准差

(4)横向偏移

横向偏移(LP)(m)指车辆偏离道路中心线的位置大小，可表征驾驶人横向操作的稳定性，值越大说明偏移越大，反映车辆操作越不安全稳定。如图10所示，B措辞下横向偏移最小，C措辞下横向偏移最大。重复测量方差分析结果显示，4种措辞下横向偏移存在差异(F(3，96)=14.450，P=0.000<0.05)；成对比较结果显示，除了A措辞和D措辞之间不存在显著性差异，其他措辞两两之间均存在显著性差异，其中B措辞和C措辞之间呈强显著性差异。

图10 横向偏移LP

根据以上分析可知，针对不同的指标，4种导航措辞的优劣性没有一致性结果，无法得到最优播报措辞。由此文中选择指标体系中所有指标采用综合评估方法实现导航播报措辞的综合效能的评价和比选，从运行效率性和稳定性考虑确定哪种类型的措辞为城市快速路五岔路条件下的最优播报措辞。综合评价是当一个复杂系统同时受到多种因素影响时，依据多个有关指标对系统综合性能进行评价。典型的评价方法有层次分析法(AHP)、模糊评价法(FCE)、TOPSIS方法等。层次分析法比一般的定量方法更讲求定性的分析和判断，且运算较为简单，但是定性成分多不易实现精准综合评估；模糊评价法能通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，但其主观性较强，使评价结果不够全面；TOPSIS法对数据样本无特殊要求，可以充分利用原有数据信息，更主要的是可对评价对象的优劣程度进行排序。本研究实验被试样本量不大，且论文的目标是为了得到更优的导航播报措辞，因此期望对不同措辞的作用效果进行优劣程度排序，基于此论文选用TOPSIS方法实现综合作用评价。

2.2.3 TOPSIS单目标评估

1)基本原理

该方法是一种根据测评方案判断与最优方案及最劣方案的距离进行优劣排序的综合评估方法，通过计算某一评估方案与最优方案和最劣方案之间的加权值，假如某个评估方案的加权值最靠近最优解且同时远离最劣解，则这个方案效果最理想[17]。论文需在4种导航播报措辞中找出最优措辞，即何种措辞距理想解的距离最近，距负理想解的距离最远。

2)计算步骤

(1)构建评估矩阵

设有n个评估方案，每个方案共有m个评估指标，在实验数据的基础上构成初始化判断矩阵X=Xij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；)，文中有4个评估方案，6个评估指标，所以X=X46(i=1，2，…，4；j=1，2，…，6；)。

(2)数据标准化

(3)确定各指标权重

(4)计算评估方案与最优及最劣解的欧氏距离

(5)确定各评估方案与最优解的相对接近度

3)评估结果

综合6项指标，TOPSISI评估结果如下：A措辞离理想解的接近度为0.213，B措辞和D措辞的接近度分别为0.606和0.520，C措辞和理想解最接近，为0.945。从上述结果可得出：导航播报措辞信息量适中对驾驶行为有更好的效果，在较迷茫的道路条件下，有辅助语更有利于驾驶稳定高效(C措辞)，既有前方道路情况又有辅助语的措辞由于信息过多对驾驶员造成一定的负荷(D措辞)，只告知距离和方向的措辞(A措辞)由于信息量太少不利于决策。措辞类型和评估结果关系如图11所示。

图11 措辞类型和评估结果关系

3 结语

论文以偏航率频发的城市快速路五岔路出口为研究对象，从导航语音播报措辞着手，基于驾驶模拟技术获取驾驶行为数据，对比不同导航措辞影响下驾驶行为表现，并选用TOPSIS进行综合评估。揭示了不同导航播报措辞作用下驾驶行为规律，进而甄选城市快速路五岔路最优播报措辞，为陆地车辆导航语音标准制定提供理论研究支持。主要研究结论如下：

(1)论文从运行效率和稳定性两个层面，分析了驾驶行为方面的6项指标。从运行效率看，D措辞下运行速度最大，与A措辞和B措辞之间存在显著性差异；运行时间在D措辞下最短，且与B措辞之间存在显著性差异；从运行稳定性看，速度标准差、加速度均值和加速度标准差在A措辞下的值最小，B措辞下横向偏移值最小。

(2)采用TOPSIS从运行效率和运行稳定性两方面对导航播报措辞进行综合评估，结果显示C措辞离理想解最接近，说明C措辞引导下驾驶效率和安全性均表现为最优，而A措辞离理想解最远，即A措辞下驾驶行为表现较差。

(3)研究结果表明在城市快速路五岔路出口，不同导航播报措辞会对驾驶行为产生不同的影响，且导航措辞并不是信息量越多越有利于驾驶高效和稳定(如图11所示)。城市道路导航播报措辞组织结构为“‘前方’+距离+指示类+辅助类”，对于城市快速路五岔路，增加辅助类信息“前方有五岔路”和“不要走××”可确保驾驶过程的高效性与安全性。以此类推至其他特殊迷茫路段的导航播报措辞设计问题，措辞中体现特殊路段的相关信息以辅助提示驾驶员，可能将对驾驶过程产生积极影响。

论文研究思路为甄选特定道路条件下最优播报措辞提供方法指导，为进一步挖掘导航播报内容对驾驶行为的作用机理奠定理论基础，同时对陆地车辆出行语音导航信息服务用语的标准制定具有重要参考价值。论文选择驾驶人在快速路出口随机选择岔路这种情景作为实验测试场景，但驾驶人处在岔路的不同空间位置(如：最左侧岔路和左侧第二岔路等)对语音播报措辞的需求可能存在差异，从而对驾驶人形成不同程度的驾驶负荷。因此，未来的研究将根据驾驶人的认知负荷对道路条件进行分类，深入研究驾驶负荷和导航播报措辞两者耦合作用下的驾驶行为作用规律，为进一步优化导航播报模式奠定基础。