基于驾驶员警觉度的交通标志适宜信息量研究

戚春华，刘昱忻，李航天，王笑男，朱守林，韩 磊

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院，呼和浩特 010018)

交通标志作为交通工程设施中的主要组成部分，其信息量设置的合理性成为广泛关注的问题[1]。适宜的标志信息量可以为驾驶员提供准确恰当的道路信息，保证驾驶员有足够的时间进行操作[2]。当标志信息量不足或过载时，会影响交通网络的整体运行效率，给驾驶员增加过多的脑力认知负荷，影响信息传递的准确性和时效性。通过前期对草原公路交通设施的实地调查统计[3]，发现草原公路具有线形简单、景观单调的特点，存在交通标志信息量严重不足或缺失等问题，而草原公路交叉口处于车辆交汇处并承担交通转换的功能，驾驶员需要判断道路情况和对路线进行选择，同时车速对驾驶员处理交通信息有一定影响[4]。

驾驶警觉度主要是指驾驶员在完成驾车任务时保持注意力和警觉状态水平[5]，在行车过程中，驾驶员需要保持高度警觉性，才能完成对道路交通信息的认知处理。驾驶员行车警觉度的评价方法较多，最常用的是生理指标评价法，主要集中选取驾驶员视觉特性[6]、脑电指标[7-9]以及心率变异指标进行研究。相对于其他生理指标，脑电指标可以精准直观反映驾驶员大脑活动，被认为是目前最准确的检测警觉度技术之一，早有学者证实了通过脑电信号能对警觉状态检测是真实有效的[10]。因此，通过分析驾驶员脑电特性，研究草原公路交叉口处警觉度变化，确定交叉口处适宜交通标志信息量和最佳车速，可使驾驶员处理信息的负荷可控，提高行车警觉度，对完善草原公路交叉口处交通标志设置具有重要的现实意义。

现阶段，对于交通标志信息量和车速变化对驾驶员警觉度的研究已经取得部分成果。Lü等[11]建立了交通标志信息量度量模型，研究交通标志信息量对驾驶员认知负荷的影响；黄麒隆[12]将驾驶疲劳和信息量作为自变量建立了快速路交通标志阈值的模拟驾驶试验，针对车速为60、80、100 km/h的交通标志信息量阈值进行研究；Guo等[13]通过模拟驾驶实验建立了交通标志信息量模型，计算得出高速公路交叉口路段交通标志信息量的阈值；姚翔林等[14]设计了交叉口处路网信息的室内模拟实验，对交叉口路段指路标志信息量进行研究。

综上所述，中外学者主要通过驾驶员视觉特性对交通标志信息量和车速进行研究，而利用驾驶员的脑电特性对草原公路交叉口处不同信息量水平和车速的研究较少。基于此，现针对草原公路的特点，以信息论为理论基础，通过室内模拟驾驶实验，研究交叉口处信息量和车速的变化对驾驶员警觉度的影响，以期为草原公路交叉口处交通标志的合理化设置提供依据，保证驾车安全。

1 实验设计

1.1 交通标志信息量量化的计算

交通标志作为主要的信息的来源，通过图片、符号和文字等形式向驾驶员传递关键的道路交通信息，在信息传递的过程中，不同的交通标志所包含的信息量存在差异，在进行研究之前，需要对交通标志信息量化，具体研究交通标志信息量适宜范围。信息量量化是指从量的基础上精准的描绘信息，香农理论[15]采用概率对信息的不确定性进行描述，根据胡立伟等[16]构建交通工程设施信息量模型，得出交通标志信息量量化公式为

(1)

式(1)中：H(X)为某事件所包含的信息量，也称为信息熵；m为事件中所有信号的和；Xi为第i个在事件中发出信号；P(Xi)为第i个信号出现的概率。

假设事件发生的概率相等，则P(Xi)=1/m，因此单类元素信息量计算方法为

H(X)=log2m

(2)

在驾驶任务中，驾驶员对交通标志各类要素的感知情况因人而异，为了减少在交通标志在传递过程中的差异性，获取有效的信息量，李航天[17]采用层次分析法对草原公路交通标志各要素权重进行计算和划分，其结果如表1所示。

表1 草原公路交通标志元素权重Table 1 Prairie highway traffic sign element weight

在对交通标志信息量进行计算的基础上，有必要对交通标志包含的各类元素进行权重的计算，考虑每类要素的重要程度问题，并将各类要素的权重代入，则草原公路交通标志有效信息量计算公式为

(3)

式(3)中:H(S)为交通标志的有效信息量；εi为每种元素的权重；Xi为事件X所呈现的i状态；H(Xi)为各类元素的基本信息量；ni为各元素的个数。

1.2 实验人员

根据中心极限定理[18]，利用统计分析的方法计算出实验被试数量，其公式为

(4)

式(4)中：N为被试样本量；S为指标的总体标准差；K为调查置信度，95%置信水平K值为1.96；E为抽样误差范围。

经计算得出本实验至少需要18名被试，为了防止驾驶员个体差异造成实验误差，最终决定选取25名男性青年驾驶员作为实验对象。年龄在20～30岁，身体健康，无不良疾病，均持有合法驾驶执照且具有一定的驾驶经验。实验时间选在上午8:00，进行实验的驾驶员在前一天要保证充足的睡眠，实验正式开始前进行5 min的静测，让驾驶员对模拟实验平台有一定的适应性，心理和生理达到最放松的状态，采集的静测数据作为基准数据。

1.3 实验设备与场景设计

基于研究的主要内容，仅改变信息量范围和速度的变化，为保证其他实验条件的一致性，防止无关因素对实验的影响，采用室内仿真驾驶实验，能够准确安全地对实验场景进行切换，实验环境在可调控的范围内。室内模拟实验驾驶设备，主要由驾驶车辆、3D环形投影幕和操作台等组成。模拟车是去除发动机的六自由度真实车辆，其油门、刹车和离合等部件均具有真实操纵感，能够动态的改变汽车的转速和车速，可以增加驾驶员的真实感受和数据的可信度。实验仪器为美国BP公司生产的MP150 多通道生理记录仪，记录驾驶员实时的脑电数据，采样频率设置为250 Hz，因脑电信号幅度小，抗干扰能力较差，采集脑电波的过程中易受其他因素的影响，为获取精准的实验数据需要对采集的脑电数据进行降噪处理，采用AcqKnowledge软件对脑电信号进行滤波处理，对无关伪迹进行去除，提取驾驶员脑电数据，并对每个指标的节律值进行平均功率的分析，实验中驾驶员可能会因为不可控因素引起实验误差，需要对异常数据进行剔除。实验设备如图1所示。

图1 实验设备Fig.1 Experimental facilities

通过前期对草原公路交叉口交通标志实际调查可知，交叉口较多且多以平面交叉口为主，但存在交通标志信息排布不均等问题，典型的草原公路交叉口处交通标志信息量主要集中在0 bits和0～10 bits，因此按照实际的道路情况和交通标牌的设置，采用聚类分析对典型草原公路交叉口交通标志信息量大致划分为6个水平，依次是：J0(0 bits)、J1(0～10 bits)、J2(10～20 bits)、J3(20～30 bits)、J4(30～40 bits)、J5(>40 bits)。防止驾驶员因连续的实验任务产生认知负荷，在各个信息量水平之间设置1 km弯道进行过渡。具体设置内容和场景参数如表2所示。

表2 草原公路交叉口路段场景设置参数Table 2 Setting parameters of the section scene at the intersection of prairie highway

图2 实验场景Fig.2 Experimental scene

1.4 试验流程

(1)启动模拟实验平台并对实验场景进行调试，驾驶员填写基本信息表后佩戴仪器。

(2)驾驶员熟悉模拟驾驶平台，并进行5 min的静测。

(3)试验正式开始，被试分别按60、80、100 km/h速度行驶，并对脑电数据进行记录，在完成每组速度的驾车任务后驾驶员可休息调整状态。

(4)实验结束后驾驶员填写NASA-TLX量表对驾驶警觉度进行主观评价。

2 脑电指标的选取

根据草原公路的特点，因脑电波时间分辨率高、客观性强，能实时反应大脑活动和警觉度的变化，可作为最直接的评价指标[19]。脑电波根据频带不同可划分成：δ波、α波、β波、θ波和γ波5个节律，δ波表示处于深度睡眠状态；α波表示驾驶员大脑处于清醒且注意力集中的状态；β波可表征驾驶员警觉度和注意力高度集中；θ波表示驾驶员处于精神放松的状态；γ波在人类患有精神疾病时才会出现[20]。部分脑电指标表征意义相似，需要对其进行筛选，基于脑电指标各频段的特点，指标β节律值随驾驶员警觉度的升高而增大，指标(α+θ)/β、α/β的节律值随警觉程度的升高而降低[21]。结合模拟实验的目标和国内外学者的研究，针对草原公路交叉口处单调行车条件的特殊性，最终选取β、(α+θ)/β、α/β为评价指标，作为研究草原公路交叉口处信息量水平变化对驾驶员警觉度的影响依据。

3 信息量和速度变化对驾驶员警觉度的影响

为了探究信息量变化和车速对驾驶员警觉度影响的总体分布规律，针对脑电数据的频域特征进行分析统计，其中未设置交通标志信息量J0水平为对照组，分别与其他5组进行比较分析。

3.1 不同信息量水平对驾驶员警觉度的影响

如图3所示，草原公路交叉口处交通标志信息量主要存在于J0和J1水平，在这两个水平范围内，指标β节律值较低，(α+θ)/β和α/β节律值较大，在草原公路单调的行车环境中，低信息量导致驾驶员进入不合理的驾车状态，交通标志未能传递足够有效的信息，驾驶员注意力无法集中，长时间在此信息量范围内行车，驾驶员行车负荷增加，警觉度降低；在J1～J4水平，指标β缓慢增加，(α+θ)/β和α/β均随信息量的增加而降低，表明草原公路交通标志信息量密度增大时，驾驶员信息处理的难度降低，在J4水平指标均值达到最大或最小值，说明交叉口处交通标志信息量设置在J4水平，驾驶员接收交通信息较为轻松，不会造成过大的驾驶负荷，专注于对信息的处理和观察交叉口的车辆情况，驾驶员警觉性最强且适合完成驾车任务；J4～J5水平，指标β升高，(α+θ)/β和α/β降低，表明在草原公路单一环境下，设置过高的交通标志信息量，效果适得其反，驾驶员对于过量的交通信息没有及时认知和处理的能力，加深了驾驶员处理信息的负荷，注意力会被过多的交通信息分散，导致其警觉度的降低，不利于草原公路行车安全。

图3 不同信息量水平下驾驶员脑电指标变化趋势图Fig.3 Trend chart of EEG indexes of drivers at different information levels

3.2 不同车速对驾驶员警觉度变化的影响

3.2.1 不同车速对驾驶员指标β对比分析

如图4所示，在不同车速下指标β随信息量增加的整体分布趋势大体一致，在J0和J1水平，车速为80、100 km/h对驾驶员脑电信号的变化不显著，表明在草原公路交叉口低信息量条件下，只提高速度，不能明显引起驾驶员警觉度的改变，交通标志传递的信息有限，驾驶员未获取有效信息，注意力被分散；3组车速在J4～J5水平下的数据分布不理想，表明当信息量过载时，车速的改变不能有效消除驾驶员处理信息的负荷；但3组速度均在J4水平发生改变，且车速为60 km/h时，指标β节律值最低，说明在信息量为J4水平，驾驶员以车速为60 km/h行车时，在有限的时间里可以高效率完成对交通标志信息的处理，此时驾驶员注意力不仅可以集中在信息的识读，还可以对交叉口处的道路情况进行观察，驾驶员行车警觉性较高。

另一方面，阿斯科尔尼科夫在杀人之后受到心灵的拷问，他十多次提及是有魔鬼在引诱他，并不是他杀人，而是魔鬼。这恰恰与圣经中引诱亚当偷吃禁果的蛇、圣经中的撒旦相一致。后来的许多文学作品中或多或少的涉及到这种引诱者形象。就是在“魔鬼”的引诱下，阿斯科尔尼科夫把杀害阿谬娜的事当做对现实社会的探讨。不管是从阿斯科尔尼科夫杀人来看，还是从魔鬼引诱他犯罪这都和《圣经》中的撒旦、托马斯曼的浮士德博士的恶魔引诱同源。

图4 不同车速下驾驶员脑电指标β变化图Fig.4 EEG indexes β changes of drivers at different speeds

图5 不同车速下驾驶员脑电指标(α+θ)/β变化图Fig.5 EEG indexes (α+θ)/β changes of drivers at different speeds

3.2.2 不同车速对驾驶员指标(α+θ)/β对比分析

如图5所示，在3组不同车速条件下，指标(α+θ)/β都在J0和J1水平均值较大，基于草原公路的单一行车环境和交叉口处的特殊性，表明在交通标志信息量密度设置较低时，车速对其警觉度的影响并不显著，在J1～J4水平，当车速增加时，(α+θ)/β呈现出下降的趋势：60 km/h<80 km/h<100 km/h，说明在草原公路高速的行车环境中，标志牌相对于驾驶员快速移动，没有足够的时间对交通标志信息进行完整的认知和处理，注意力无法集中，导致其警觉度下降；在信息量为J4～J5，指标(α+θ)/β突然增加，根据指标表征的生理意义，说明在过高信息量和高车速的双重作用下，严重影响驾驶员对交通信息的识别和处理，加深行车负荷，其驾车警觉度较低；3组数据均在J4水平节律值最低，且车速为60 km/h相较于其他2组最小，认为速度为60 km/h，交通标志信息量设置为J4水平时，驾驶员能够有效地认知和处理交通信息，并在合理安全的反应时间内做出决策，此时驾驶员注意力集中，警觉性较强。

3.2.3 不同车速对驾驶员指标α/β对比分析

如图6所示，在3种不同车速下，指标α/β分布趋势大体相同，在车速60、80 km/h时，α/β节律值分布相差不大，在J2、J4和J5水平接近重合，表明在这几个水平，60、80 km/h速度对驾驶员指标α/β影响不大，当速度的增加到100 km/h时，在这6个水平下 指标α/β的节律值较高，认为在草原公路交叉口的特殊行车条件下100 km/h的速度过大，驾驶员不论是在低信息量还是高信息量下，注意力均无法集中，警觉度水平较低；在J4～J5水平，信息量的过度设置和行车速度的提高，导致指标α/β突然增加，车速和信息量对驾驶员警觉度的变化均有影响，过高的车速导致驾驶员对过载的信息无法准确有效的认知，加深了信息处理的负荷，忽视交叉口处的道路情况，引起警觉度的下降，增加了危险驾驶的概率；从脑电数据分布来看，认为60、80、100 km/h的拐点均在J4水平，指标α/β发生了显著变化，拐点处为草原公路交叉口处适宜交通标志信息量范围，此时驾驶员专注于行车和对标牌信息的辨别上，警觉性较高，有利于完成驾车任务。

图6 不同车速下驾驶员脑电指标α/β变化图Fig.6 EEG indexes α/β changes of drivers at different speeds

3.3 不同车速条件下驾驶员脑电指标的非线性拟合分析

分别对驾驶员分别对被试驾驶员在60、80、100 km/h的脑电指标与信息量水平进行拟合分析，进一步探究信息量和速度对驾驶员警觉度是否存在显著影响，利用Oringin软件进行非线性曲线拟合，其拟合结果为：驾驶员脑电指标β在3组车速下调整后的拟合度R2分别为0.947、0.778、0.831,指标(α+θ)/β调整后的拟合度即R2分别为0.844、0.857、0.782,指标α/β调整后的R2分别为0.861 、0.838 、0.853,拟合效果较好，可认为信息量和车速的变化对驾驶员警觉度均有显著影响，拟合结果如表3所示。

表3 脑电指标的非线性拟合结果Table 3 Nonlinear fitting results of EEG indexes

4 草原公路交叉口处交通标志信息量对驾驶员行车负荷的评估

4.1 驾驶负荷的主观评估

NASA-TLX负荷量表在评估驾驶员警觉度和疲劳程度等方面应用较为广泛[22]，对驾驶员完成实验后的驾驶负荷进行主观评测，有效评价草原公路交叉口处交通标志信息量对驾驶员警觉度的影响，对其实验结论进行验证，增加实验结论的可信度。NASA-TLX驾驶负荷量表主要从认知负荷、脑力要求、时间要求、努力程度、挫折水平和绩效水平6个维度进行主观评分，评价结果如图7所示。

图7 不同信息量水平下驾驶员NASA-TLX 负荷值Fig.7 Load values of NASA-TLX for drivers at different information levels

6个维度分布趋势大体相同，均在J4水平驾驶负荷评分最低，表明草原公路交叉口处的交通标志信息量设置在J4水平时，驾驶员认为在此条件下行车的负荷最低，主观感受较为轻松，对于交通标志信息的处理和认知能力最强，此时驾驶员警觉性水平较高；其中绩效水平在J2、J3和J4水平评分相差不大，驾驶员认为在这3个水平下可以较好地完成驾车任务，注意力和警觉度也相较其他水平较高。综合来看，草原公路交叉口信息量设置在J4水平时，驾驶信息处理负荷低且警觉度高，驾驶员主观感受最轻松。

4.2 讨论

针对课题组的研究和成果，李航天[17]利用驾驶员视觉特性，建议草原公路交叉口交通标志适宜信息量范围为20～30 bits；现从驾驶员脑电信号出发，针对驾驶员警觉度变化进行研究，得出草原公路交叉口处适宜交通标志信息量为30～40 bits，在行车过程中，道路情况首先通过驾驶员视觉系统进行识别，为驾驶员提供80%左右的交通信息[23]，驾驶员需要对过多信息进行视认，易诱发认知信息负荷，但当交通信息传递到大脑中枢神经系统进行处理时，驾驶员大脑有意识的选择有效交通信息进行加工和判断，信息处理的效率较高[24]。因此，对于驾驶员视觉特性，草原公路交叉口处适宜信息量范围为20～30 bits，但针对驾驶员警觉度，适宜信息量范围为30～40 bits。

5 结论

通过室内模拟驾驶实验，针对驾驶员脑电指标，分析草原公路交叉口处交通标志信息量和车速变化对行车警觉度的影响，得出如下结论。

(1)根据不同信息量水平对驾驶员警觉度影响分析可知，驾驶员在草原公路过低或过高信息量条件下，不能合理诱发驾驶员警觉度的变化，低信息量的设置不能发挥作用，过高信息量会增加驾驶员处理信息的负荷，导致驾驶员注意力分散，警觉度降低。

(2)通过不同车速对驾驶员警觉度影响的对比分析可知，在信息量为J4水平下的3组脑电指标数据表现最佳，在速度条件为60 km/h时，脑电数据整体分布趋势优于其他2组，综合来看，草原公路交叉口处最佳信息量水平为J4(30～40 bits)，最佳行车速度为60 km/h。

(3)利用NASA-TLX驾驶负荷量表对实验结论进行主观验证，6个维度均在信息量J4水平的驾驶负荷评分最低，驾驶员在草原公路信息量为J4水平下行车时主观感受较为轻松，与脑电指标数据分析的结论相一致。

今后的研究中应更深入探讨驾驶警觉度的问题，如对警觉度划分、建立评价警觉度模型等；还可考虑从驾驶状态和行为等角度对草原公路交通标志适宜信息量进行研究；另外可采用客观实驾实验对结论进行验证，进一步对草原公路交通标志信息量设置进行优化。