城市道路交通标志对驾驶员视觉的影响研究

解松芳 杨 锋 李航天 赵 婷

（内蒙古农业大学 能源与交通工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

交通标志是城市道路中最重要的交通设施，给道路使用者提供相关信息，指引正确方向，同时也是公路交通人机环境系统的重要组成部分[1]。道路交通标志按其功能主要划分为:禁令标志、指示标志、指路标志、警告标志、辅助标志5 大类。为了充分发挥道路交通标志的基本作用，交通工作者做了大量的工作，通过大量试验和实践取得了许多宝贵的研究成果[2-4]。然而由于城市道路交通的特殊性和复杂性，得出的这些研究成果还不能满足现实的需要，人们对城市道路交通标志的期望仍在不断的升级。因此，如何合理地设置城市道路交通标志，从而最大程度上发挥其特性，是目前城市道路交通中亟待解决的问题之一。本文试图通过试验的方法总结出驾驶员在城市公路上行驶时的视觉特性规律，分析城市公路交通标志对驾驶员行车安全的影响和交通标志牌对驾驶员视觉的影响

1 试验方法

1.1 试验路段

本次试验所选的路段为新华西街新华广场至巴彦淖尔北路路段。此路段为城市主干道，双向八车道，车流量较多，限速60km/h,交通标志种类多且比较完善，在此路段交通标志种类分为警告标志、指示标志、指路标志三种。综合路况信息来说，这个路段具有一定的代表性。根据实验确定实验的具体操作流程与在实验中所应具有的要求，保证实验中采集的数据具有连贯性与准确性，为研究城市道路交通标志对驾驶员的视觉影响提供准确的数据依据。

1.2 实验人员

根据研究的需要，本次实验要求驾驶员身体健康，没有眼部的疾病，驾驶经验比较丰富并且获得法定驾驶证，可以使实验所采集的数据具有准确性。选取5 名驾驶经验丰富驾驶员进行实驾，年龄在30-50 岁之间，对试验路段熟悉程度一般。

1.3 实验设备

本次实验采用的是实驾实验，在实验中所采用的眼动仪为德国SMI 公司所生产的Iview(HED)眼动仪作为收集眼动数据的仪器，城市道路中所行驶的车辆大部分为小型汽车，故本次实验选取小型汽车作为试验车辆，实验设备如图1 所示。

图1 实验设备

1.4 实验步骤

1.4.1 试验前要进行车辆检查，驾驶员把自己的座椅调到舒适的位置，从而选择便与驾驶员在行车过程中的操作距离，随车辅助的实验人员检查眼动仪是否能正常使用，同时要检查设备连接情况以及驾驶员的眼动仪的佩戴情况。

1.4.2 驾驶员讲解本次实验的方案、仪器的使用方法以及在行车过程中需要注意的事项，在实验前驾驶员提前佩戴眼动仪先适应一段时间并采用五点法对眼动仪进行定位校准。

1.4.3 在本次实验正式开始后，驾驶员以及随车辅助人员需要把手机与无线电设备关掉，以防影响眼动仪数据传输，实验车里的全体人员要保持安静，避免影响驾驶员驾驶。

1.4.4 在本次实验过程中采取自由车速，实验选择天气晴朗的上午7:30-10:30，此时的光照强度较好，可以确保驾驶员的视觉不受太大影响，从而来获取准确的眼动数据。

2 试验指标选取

人的眼睛是处于无秩序的移动，注意某一位置并在此停留。比较常见的眼动行为有3 种，分别是眨眼、注视和扫视。眼动指标可分为扫视行为指标、注视行为指标以及眨眼行为指标[5]。扫视行为指标可分为扫视持续时间、扫视幅度、扫视峰值速度、扫视平均速度、扫视平均加速度[6]。眨眼行为指标可分为眨眼持续时间与眨眼频率[7]。注视行为指标可分为注视点坐标、注视持续时间、瞳孔大小、注视次数[8]。由于这些指标存在一定的相关性，因此进行指标的筛选提取，注视持续时间与瞳孔直径的相关性很小，几乎都是独立的指标，能够反应驾驶员的注视行为，因此本文选取注视持续时间与瞳孔直径两个指标进行分析。扫视行为中的扫视幅度与扫视平均速度相关性比较大，所以就选取其中的扫视幅度进行分析。眨眼指标反应驾驶员的疲劳程度，本次实验不考虑驾驶员的疲劳状态，故不选取眨眼指标进行分析。

3 实验结果分析

3.1 交通标志对驾驶员注视持续时间影响

注视持续时间说明驾驶员处理交通信息所需要的时间，信息越复杂驾驶员的注视持续时间就越长。交通标志对驾驶员注视持续时间影响如图2 所示。

图2 注视持续时间随时间的变化图

根据图2 分析可知：

驾驶员看到不同交通标志时的注视持续时间分布比较集中，驾驶员注视持续时间主要分布在100ms-300ms 之间，少部分分布在0ms-100ms 与300ms 以上。驾驶员观察到指路标志与警告标志时，平均注视持续时间值分别为200ms 与180ms,驾驶员观察指示标志的注视持续时间平均值相对较小。注视持续时间变化呈先增大后减小，前10s 没有交通标志所以驾驶员的注意是在道路信息上，才导致注视持续时间波动范围大致相同。在10s-13s 左右驾驶员在此时间段看见交通标志，对交通信息进行处理，导致驾驶员的注视持续时间增大。综合对比驾驶员观察不同交通标志的注视持续时间在10s-13s 之间的变化幅度与极大值，发现当驾驶员看到指示标志与警告标志时，驾驶员的注视持续时间的变化波动范围驾驶员看到指路标志时的波动范围小，两个注视持续时间的极大值也远远小于指路标志的极大值。

总体来说。分析认为没有交通标志，驾驶员的注意在道路信息上，导致注视持续时间波动范围不大；由于指路标志向驾驶员传递道路信息，包括地点、方向、距离，信息量大，警告标志与指示标志信息量少且直观，使得驾驶员的注视持续时间比其他两个交通标志注视持续时间长。在13s 之后注视持续时间总体保持下降趋势，说明驾驶员对交通标志的信息基本掌握，对交通标志注意力分散，注视持续时间又减小。

3.2 交通标志对驾驶员瞳孔直径影响

瞳孔直径的变化可以用来反映驾驶员的因为受到外界事物的刺激的紧张程度并且随着紧张程度而增大，如果外界的光照强度大致保持稳定，人的瞳孔直径平均约为3mm，由于外界刺激所以引起的紧张程度导致瞳孔变化范围不超过0.5mm。交通标志对驾驶员的瞳孔直径影响如图3 所示。

图3 瞳孔直径随时间变化图

由图3 分析可知：

驾驶员的瞳孔直径不均匀的分布在3.22mm-2.44mm 之间，主要集中在间2.7mm-3mm 之间。驾驶员的瞳孔直径的平均变化量大致相同，总体变化表现为先增大后减小，在前10s 瞳孔直径的变化幅度相对较小，在10s-13s 之间瞳孔直径呈现上升的趋势，13s 之后驾驶员的瞳孔直径恢复到平均值左右。驾驶员在前10s 时间段内的瞳孔直径变化幅度小，说明交通标志信息所带给驾驶员的刺激不大，路况信息带给驾驶员的视觉行为相对比较轻松，驾驶员的信息处理策略变得简单。

在10s 之后驾驶员的瞳孔直径逐渐增大，达到峰值，对比驾驶员观察不同交通标志的瞳孔直径在这段时间内的变化幅度，发现当驾驶员看到警告标志时，驾驶员的瞳孔直径变化幅度相比其他两个交通标志的瞳孔直径变化幅度大，说明警告标志给人的视觉刺激比较强烈，能引起驾驶员心理方面的警惕，同样也会使驾驶员在一定程度的紧张，从而导致驾驶员的瞳孔直径变化幅度变大。在13s 之后驾驶员的瞳孔直径逐渐减小，说明驾驶员观察完交通标志信息后，对道路信息有一定的熟悉度，并且在行车过程中有了一定的把握，也对交通信息进行了处理，驾驶员的警惕性降低，从而导致驾驶员的瞳孔直径逐渐减小。说明驾驶员在该时间段内的视觉的警惕性降低，路况信息所带给驾驶员的刺激不大，驾驶员的信息处理策略变得简单。

总体而言，在驾驶员这16s 瞳孔直径的变化规律可以看出，驾驶员在未看见交通标志时，驾驶任务轻松，驾驶员的心理负荷较小，驾驶员的瞳孔直径幅度不大。在驾驶员看见交通标志时，交通标志给驾驶员视觉上的刺激，导致驾驶员的瞳孔直径变大，警告标志对驾驶员的视觉影响最大，增大驾驶员的信息处理的困难程度，加大驾驶员的心理负荷程度，使驾驶员的瞳孔直径变大。

3.3 交通标志对驾驶员扫视幅度影响

根据研究表明，驾驶员看到交通标志的时候，由于需要处理信息量，视觉的搜索范围就越广泛，与此同时，驾驶员的心理压力越明显，扫视幅度也随之增大。交通标志对驾驶员扫视幅度影响如图4 所示。

图4 扫视幅度随时间的变化图

根据图4 分析可知：

当驾驶员看到不同交通标志的扫视幅度不均匀的分布在1° -25° 之间，其中大部分集中在1° -15° 之间。根据扫视幅度的变化幅度可知驾驶员看到交通标志的平均扫视幅度随着时间的变化而上下浮动，驾驶员看到三种交通标志的扫视幅度的波动范围的大小是相同的。前10s 扫视幅度变化水平较小，且驾驶员的扫视幅度大约集中在2° 到10° 波动，在10s-13s 之间驾驶员的扫视幅度逐渐增大，在13s 后驾驶员的扫视幅度逐渐减小；在第10s 之后看见交通标志并对交通标志所提供的信息进行处理，导致驾驶员的视觉搜索范围就加大，随之驾驶员扫视幅度大幅度增大，扫视幅度达到15° 到25° 左右；在13s-16s 之后驾驶员的扫视幅度恢复到2° 到10° 之间，说明此时需要驾驶员更多的注意来关注周围的车辆情况。

总体而言，通过对比驾驶员观察不同交通标志的扫视幅度的总体变化趋势发现，驾驶员在看到不同的交通标志时驾驶员的扫视幅度变化趋势大致相同，当驾驶员在未看到交通标志，驾驶员为了行车安全看周围的车辆的行驶情况，扫视幅度较小。当驾驶员看到交通标志时，由于交通标志设置的位置所以驾驶员的扫视幅度增大。

4 结论

为了研究城市道路交通标志对驾驶员视觉影响，本文分析五位驾驶员在城市道路行车过程中的眼动数据的变化规律，并对不同种类交通标志对驾驶员视觉进行分析，得到的结论如下：

（1）驾驶员观察不同交通标志的扫视幅度的变化幅度波动范围的大小是相同的，说明不同交通标志对驾驶员的扫视幅度影响不大。

（2）通过对不同交通标志对驾驶员的注视持续时间影响分析，指路标志对驾驶员的注视持续时间影响明显。

（3）驾驶员观察警告标志时，瞳孔直径变化幅度较大，说明警告标志对驾驶员的瞳孔直径变化影响显著。