草原公路平曲线交通标志设置类型对驾驶人视觉特性的影响

吕贞， 王海晓， 丁旭

(内蒙古农业大学能源与交通工程学院， 呼和浩特 010018)

公路平曲线的平均事故率远高于直线段[1]，中国近36%的双车道公路事故发生在平曲线上[2]。而平曲线段事故的发生与驾驶员进入平曲线时感知不足而导致的认知判断失误及车速控制不当密切相关[3-5]。因此，通常通过在公路平曲线段设置线形诱导标、减速标线、警告标志或限速标志等交通安全设施，以引导与警示驾驶人及时感知道路线形的变化，并进行正确判断操作，确保公路平曲线段行车安全[6]。

中外学者对公路平曲线段交通标志的设置及其有效性的研究主要集中在交通标志的类型、信息量、设置间距对驾驶人的眼动、行车速度的影响分析方面。Zhao等[7]采用模拟手段研究了公路不同半径、不同转向平曲线段线形诱导标志设置对驾驶行为的影响，发现线形诱导标的设置对驾驶人能起到警示、引导的作用，使其降低行车速度，行车轨迹保持稳定，线形诱导标的作用受平曲线段转向的影响，与平曲线转弯半径的大小无关。Wu等[8]研究了高速公路出口匝道区域线形诱导标的设置对驾驶人眼动、驾驶行为及心电的影响，结果表明，设置线性诱导标会增加驾驶人对路侧标志的关注度，使其行车速度降低，心率降低。Comte等[9]分析了可变信息标志、减速标志、减速丘等对驾驶人平曲线段车速的影响，发现所有方法对驾驶人降低行车速度均有效果。Guan等[10]研究发现驾驶人在平曲线时的减速行为与其在平曲线行驶时的信息获取量及反应高度相关。韩磊等[11]研究了草原公路平曲线不同信息量水平线形诱导标设置下驾驶人的眼动特性，并据此提出平曲线交通设施适宜的信息量水平。朱守林等[12]分析了不同信息量条件和驾驶熟练程度对驾驶员视觉特性的影响规律，结果表明驾驶员在10～2 bits信息量条件下的视觉强度特征表现最佳，熟练驾驶员注视分布区域比非熟练驾驶员更远、更分散，非熟练驾驶员在平曲线段行车过程中视觉负荷较高。杨波等[13]选取瞳孔直径和扫视幅度两项眼动指标分析了草原公路线形诱导标对驾驶人视觉特性的影响，发现线形诱导标的设置对驾驶人的瞳孔直径与扫视幅度有显著影响。杨波定量分析了不同标线宽度和布设方式下，荧光标线视认性对驾驶员注视点占比和瞳孔面积变化率影响的规律，结果表明曲线路段标线施划在车道边缘线外侧且间距为9 m效果最佳。

综上，中外学者在公路平曲线交通标志设置及其对驾驶人的感知、行为、负荷等的影响方面进行了一定研究，但试验大多在虚拟驾驶场景中进行，且研究对象以高速公路平曲线为主。草原公路路侧景观色彩单一，地形起伏小，线形以长直线接大半径曲线为主，纵坡小，交通标志、标线等设施设置不合理、不完善，驾驶人在直线段行车时会不自觉的产生加速行为，一旦遇到线形变化(平曲线)，加之交通标志等交通工程设施的设置难以满足驾驶员的视认性要求，使驾驶人难以做好线形变化的准备，极易导致交通事故的发生[14-15]。而目前针对草原公路平曲线交通标志设置对驾驶人的影响研究较少，主要集中在平曲线交通标志的总体信息量、平曲线段线形诱导标对驾驶人视觉、生心理的影响，且相关研究均依托驾驶模拟平台进行，并未针对草原公路平曲线交通标志设置现状开展实驾试验，探究交通标志设置类型对驾驶人视觉特性的差异性，进而对比分析其有效性及合理性。为此，在草原公路平曲线段交通标志设置现状调研的基础上，选择设置不同类别交通标志的典型草原公路平曲线段开展实驾试验，探究交通标志的设置类型对驾驶人注视强度、视点转移及视觉负荷等动态视觉行为的影响，为进一步分析平曲线段不同类别交通标志对驾驶人驾驶行为的影响提供理论依据，为草原公路平曲线交通标志设置的优化设置提供实践指导。

1 试验方案设计

为了全面、真实反映驾驶人在设置不同交通标志的平曲线段的动态视觉特性及负荷的变化规律，本文选取典型草原二级公路开展实驾试验，同步采集驾驶人各项眼动指标，并对道路行车环境中的各项可能干扰因素进行控制，具体试验方案设置如下。

1.1 试验人员

代表性样本的选择是获取有效试验数据的前提，根据预期方差、目标置信度和误差幅度计算试验所需样本量。计算公式为

N=Z2σ2/E2

(1)

式(1)中：N为样本量；Z为标准正态分布统计量；σ为标准偏差；E为最大允许误差；显著性水平取10%，则Z=1.25，σ的取值范围为0.25～0.5，考虑实驾试验人数的限制，取σ=0.3，E取10%。

根据式(1)求得所需最小样本量N=14，招募14名驾驶人作为被试，年龄在36～50 岁(平均值Mmean=41.5，标准差SD=7.2)，驾龄均在三年以上(Mmean=8.3，SD=5.6)。各被试均具有法定的驾驶执照，视力正常，试验前身心状态良好，满足试验要求。

1.2 试验设备

通过对试验路段行驶车辆车型调查发现约80%是乘用车，因此选择车况良好的帕萨特小轿车作为试验车辆，如图1(a)所示。眼动数据采集采用德国SMI生产的I view X HED型头盔式眼动仪，该设备可以实时记录驾驶人注视、扫视及眨眼等眼动数据及眼动录像，眼动仪的采样频率设置为50 Hz/s，眼动仪及眼动数据采集界面如图1(b)、图1(c)所示。试验结束后，采用眼动仪配套的BeGaze2.4数据分析软件对眼动数据进行提取和分析，数据分析界面如图1(d)所示。试验车辆内配备数位式手持照度计和噪声仪，用于测量试验车内照度和噪声，以确保试验条件的一致性。试验配备附属设备包括笔记本电脑、大容量蓄电池、12 V直流蓄电池等，以确保试验的持续进行及试验数据的完整记录。

图1 试验主要设备Fig.1 Main equipment of test

1.3 试验方案

1.3.1 试验路段及方案

通过对草原公路平曲线段交通标志设置情况调研发现，现状草原公路平曲线段交通标志的设置型式主要有无标志、线形诱导标、线形诱导标+减速标、双侧示警桩。为了确保试验平曲线段涵盖上述交通标志设置类型，选择内蒙古锡林郭勒盟境内S101赛汉塔拉至满都拉图段作为试验道路，道路总里程为152.492 km，该路段共有平曲线56条，曲线半径R≥400 m的曲线段占比95%，包含试验所需的各类交通标志设置平曲线段。试验路段基本道路交通信息如表1所示。

表1 试验路段道路交通参数Table 1 Road and traffic parameters of test road section

为了在试验过程中尽可能排除外界环境条件对设备和驾驶人状态产生影响，试验选在天气状况良好的上午进行，借助数位式手持照度计和噪声仪测量车内照度和噪声，确保试验过程中光照强度水平基本一致，且噪声控制在70 分贝以下。试验分两个阶段进行，首先进行5 km长的驾驶适应训练，使被试人员适应驾驶环境及设备，进入正常的驾驶状态，接着进行第二阶段的正式试验。在正式试验中，要求被试关闭车内与试验无关的电子设备，按照日常驾驶习惯完成驾驶任务，将行车速度控制在最高限速(80 km/h)范围内，且在平曲线段不允许驾驶人进行超车，试验全程避免与车内工作人员交谈，试验总用时约2 h。

1.3.2 试验数据提取

为最大限度控制平曲线半径、长度、转向等因素对试验结果的影响，选取曲线半径、长度、转向基本一致且交通标志设置分别为无标志、线形诱导标、线形诱导标+减速带、示警桩的4 个平曲线段眼动数据进行对比分析，各曲线段基本信息如表2所示，眼动数据截取范围、各控制点、相应段名称及试验场景视点图如图2所示。

2 试验结果与分析

在驾驶人动态视觉特性研究中，通常认为注视是反应驾驶人道路交通信息收集及辨识驾驶人意图的有效视觉行为，具体指标包括注视时长、注视频率、注视点位置等[16-17]。因此，选择注视时长、注视频率、注视点位置等注视指标表征驾驶人在设置不同交通标志平曲线段行车的信息收集和视觉转移特征。

表2 不同交通标志类型曲线段基本信息Table 2 Basic information on curve segments with different traffic sign types

CP为控制点；AC为过渡段起点；PC为弯道起点；MC为弯道中点；EC为弯道终点；CP-AC为控制段；AC-PC为过渡段；PC-MC为入弯段；MC-EC为出弯段图2 试验路段分段标志及设置Fig.2 Segmentation and sign setting of test road

2.1 平均注视时长与注视频率

平均注视时长是指驾驶人对某一固定区域的所有注视持续时间的平均值。可以反映驾驶人在该区域花费的时间，从该区域提取信息的难易，能够测量认知负荷的状态。注视频率指驾驶人单位时间内的注视次数，注视次数越多，说明驾驶人的搜索效率越低。对驾驶人行经设置不同交通标志的平曲线的平均注视时长、注视频率数据进行统计分析。经检验，不同交通标志设置条件下驾驶人的眼跳频率满足正态性与方差齐性(F=0.089 7，P=0.914 4)，满足单因素重复测量方差分析要求，单因素重复测量方差分析结果如表3所示，不同交通标志平曲线段注视时长与注视频率图如图3所示。

表3 不同交通标志下指标显著性计算结果Table 3 Results of index significance in different traffic signs setting

图3 不同交通标志平曲线段注视时长与注视频率Fig.3 Fixation duration and frequency on horizontal curves with different traffic signs

结合表3、图3可以看出，不同交通标志设置条件下驾驶人的平均注视时长与注视频率均存在显著差异，在无标志与设置示警桩设施下，注视时长与注视频率相较于线形诱导标设施均较大。根据Turkey检验结果，设置线形诱导标与无标志及设置示警桩条件下平均注视时长和注视频率均存在显著差异。这是因为在不设置交通标志的平曲线段，驾驶人无法获取任何引导或者警示，只能靠自身去感知道路线形及交通环境的变化，因而需要多次注视并花费较长的注视时间去搜集道路交通相关信息。而在设置示警桩设施的平曲线段，由于红白相间示警桩在道路两侧对称设置，使得驾驶人在短时间内需要感知的信息量短时增加(除了道路线形变化外，同时包括示警桩本身)因而驾驶人必须不断关注前方道路交通信息的变化，导致其在平曲线段注视时长与注视次数的显著增加。在设置线形诱导标及线形诱导标+减速带的平曲线段，驾驶人的注视时长与注视频率均较低，且设置线形诱导标+减速带的平曲线段驾驶人的注视时长大于单纯设置线形诱导标的平曲线段，但两者之间的差异并不显著。这与韩磊针对草原公路不同信息量水平下驾驶人平均注视时长的研究结果一致，其研究结果表明，在信息量为Q0(无标志)及信息量为Q5(线形诱导标+示警桩)的路段，驾驶人的注视时长均较长[18]。说明线形诱导标的设置能够有效合理引导驾驶人的视线，驾驶人无需多次且较长注视时间获取道路交通信息，减速带的设置对驾驶人平均注视时长及注视频率的影响不大。

2.2 注视强度

当车辆以一定的速度行经平曲线段时，道路信息量的强度会影响驾驶人的注视时长与注视次数，Hong等[19]将注视时长与注视次数的乘积定义为注视强度，也称单一动视点指标，用于表征一定的速度和道路信息量下驾驶人信息处理的能力。为进一步对比不同标志平曲线段驾驶人注视强度的变化规律及其差异性，计算不同标志平曲线控制段、过渡段、入弯段、出弯段驾驶人的注视强度。用aij表示驾驶人在设置第i类交通标志的第j段的注视强度，其表达式为

aij=TaijNaij，i,j=1,2,3,4

(2)

式(2)中：i为交通标志的类型，i=1,2,3,4分别为无标志、线形诱导标、线形诱导标+减速标、示警桩；j为平曲线的各段，j=1,2,3,4分别为平曲线控制段、过渡段、入弯段、出弯段；aij为驾驶人在设置第i类交通标志的第j段的注视强度，无量纲；Taij为驾驶人在设置第i类交通标志的第j段平均注视时长，s；Naij为驾驶人在设置第i类交通标志的第j段单位时间内平均注视次数，次/s。

草原公路平曲线各类交通标志设置条件下不同段的注视强度分布规律图如图4所示。可以看出，设置双侧示警桩的平曲线段驾驶人的整体注视强度最高，无标志的平曲线段整体注视强度其次，设置线形诱导标、线形诱导标+减速带的平曲线段居中。说明线形诱导标的设置有助于引起驾驶人的关注并引起警觉，但不会对驾驶人产生过大视觉及信息处理负荷，而无标志和双侧示警桩设置情况因信息量过小和过大均会增加驾驶人获取及处理信息的难度。就平曲线不同段而言，除无标志段外，其他三种设施的控制段驾驶人的注视强度最大，过渡段、入弯段的注视强度呈现一定的下降趋势，在出弯段有一定增加。说明当驾驶人接近平曲线段控制段时，道路线形的变化及交通标志的出现会使驾驶人短时信息感知需求与负荷出现较大的增加，而在进入过渡段、入弯段时，驾驶人已经对标志及线形变化产生适应，因而注视强度有所下降，而在出口段交通标志的“消失”带来的信息的变化会

图4 不同标志平曲线段注视强度分布规律图Fig.4 Fixation intensity distribution of different signs on horizontal curves

使驾驶人产生一定警觉，导致其注视强度出现增加，而在无标志的各段注视强度的变化范围较小。这与韩磊针对基于驾驶人视觉特性的草原公路平曲线交通标志信息量的研究结论有相似之处，其研究结果表明，在信息量层级为Q2(11 个线形诱导标志)下驾驶人的注视强度最低，而Q0(无标志)、Q1(6个线形诱导标志)、Q3(16个线形诱导标志)、Q4(17个线形诱导标志+8个双侧连续警示桩)则均较高，说明交通标志信息量过小或过大均会增加驾驶人对道路交通信息的感知和处理难度，使得注视强度较大，但其研究是基于驾驶模拟平台进行，也未对平曲线进行分段，对比分析驾驶人在平曲线段行驶过程中注视强度的变化规律[20]，本实驾试验研究结果为其结论提供了有效验证及补充，表明线形诱导标及线形诱导标+减速带两种标志设置下驾驶人的感知和处理难度最小，但本文并未考虑线形诱导标等交通标志的数量因素对注视强度的影响，有待进一步细化研究。Hong等[19]针对城市道路S形路段的注视强度的研究表明，驾驶人在事故率高发的S形路段的出弯段(反向弯道)段的注视强度大于入弯段(第1弯道)，驾驶人在出弯段的注视时长或者注视次数，或者两者均大于入弯段，说明在反向弯道驾驶人面临较大的信息感知需求，需要通过增加注视时间或者次数来获取更多的道路交通信息，以做出判断和决策[18]与本文注视强度反映的变化规律基本一致。

2.3 注视点分布及转移规律

从上述平均注视时长与注视频率的分析可知设置不同类型交通标志的平曲线段驾驶人的注视特性存在明显差异，为进一步分析平曲线段不同交通标志下驾驶人注意力空间分配特性的差异性，对驾驶人注视空间区域进行划分，从驾驶人注视转移概率、注视熵角度分析驾驶人在草原公路平曲线段各类交通标志设置条件下视觉感知的差异性。

2.3.1 兴趣区域划分

研究草原公路平曲线段驾驶人注意力分配特性和注视转移模式需要先划分注视兴趣区域(areas of interest, AOI)。兴趣区域划分的方法有机械划分法、逐帧统计法、动态聚类法等多种[21]。参考韩磊等[20]、赵晓华等[22]注视点兴趣区域的划分方法，将驾驶人的注视区域划分为左侧及景观区域(left area, LA)、道路远处区域(far lane, FL)、道路近处区域(near lane, NL)、右侧及景观区域(right area, RA)4个兴趣区域，驾驶人注视兴趣区域的划分如图5所示，各区域名称缩写及坐标范围如表4所示。

图5 AOI的划分Fig.5 Division of AOI

表4 各兴趣区域名称缩写及坐标范围Table 4 Abbreviations and coordinate range of AOI

2.3.2 各兴趣区域注视点转移概率及特征

在驾驶过程中，为了全面获取道路交通信息，驾驶人的注视点会在不同的兴趣区域之间转移，定义Pij为驾驶人注视点由兴趣区域i转移到j的概率，则Pij的计算公式为

(3)

根据上述兴趣区域的划分及注视转移概率的计算方法，对驾驶人行经不同类别交通标志平曲线段的注视区域转移概率进行统计计算并绘制注视转移概率热点图(图6)。

从图6可以看出，在无交通标志的平曲线段，驾驶人的注视点范围较窄，注视转移路径相对单一，主要集中在道路前方近处NL、道路前方远处FL及右侧区域RA。其中，对道路前方近处NL内部注视转移比例最多，占比25.8%；其次为道路前方远处FL，占比16.2%。驾驶人的注视点在道路前方近处与道路前方远处FL、右侧区域之间的注视转移比例相近，均在约11%，同时，驾驶人的视点在右侧区域与其他区域之间均有一定的转移概率，说明在无标志的平曲线段，由于行车环境信息量不足且平曲线转向为右转，使得驾驶人将注视点集中在道路前方与右侧区域的比例较大，时刻关注道路线形的变化。

在设置线形诱导标的平曲线段，驾驶人的视点分布范围较广，在道路前方远处F)、近处NL，左侧LA、右侧区域RA均有一定的视点转移。其中，在道路前方近处NL内部转移的概率较大，占比23.1%，其次是在道路前方远处FL的内部转移，占比为17.16%。驾驶人视点在道路前方近处NL与道路前方远处FL、右侧区域RA之间的注视转移概率相近，集中在8.6%～11.3%。说明平曲线段线形诱导标的设置对驾驶人的视线有很好的诱导作用，驾驶人除了对重点区域(道路前方)有较多关注外，其注视点在各不同注视区域之间均有一定的转移，以便及时、全面获取道路交通信息。这与韩磊等[20]在模拟驾驶条件下的研究结果有一定相似处，其研究表明在Q2条件(6个线形诱导标)下，被试行车时获取交通信息的注意分配较为全面，在较多的注意资源分配给获取信息的重要区域的同时，为避免潜在威胁而对其他非重点区域予以适当关注，此时被试的认知过程和视觉搜索策略更为灵活，但其平曲线段转向为左转，因而驾驶人在左侧区域(A区域)与道路前方之间的注视转移概率要大于右侧区域[20]，而试验路段为右转平曲线段，线形诱导标设置在道路左侧，驾驶人的视点在左侧区域与道路前方近处与远处之间也有一定的转移，但转移概率较小。

在设置线形诱导标+减速带的平曲线段，驾驶人注视点范围相较于无交通标志较为分散，注视转移路径较多，主要转移发生在道路前方近处NL、道路前方远处FL及右侧区域RA之间，其中对于道路前方近处NL的关注程度最强，占比达31.8%，而对

图6 不同标志下驾驶人注视转移概率热点图Fig.6 Heat map of gaze transition probability on horizontal curves with different traffic signs

道路前方远处区域FL的关注程度下降(8.2%)，这是因为减速带的设置引起驾驶人的警觉，使其需要时刻关注道路前方近处减速带的位置，以便控制行车速度。其次，驾驶人的视点在道路前方近处NL与道路前方远处FL、右侧区域RA之间的转移概率相近，说明驾驶人除了关注道路前方近处区域获信息外，还需要留意道路前方远处及右侧区域，以便实时获取道路及行车环境信息。另外，因为平曲线段转向为右转，驾驶人将部分视点转移向右侧区域，关注道路线形的变化，以便合理调整方向。可见，与单纯的线形诱导标设置条件相比，增加了减速带后，驾驶人的注视点转移规律会出现较大的变化，且变化主要是集中在道路前方远处与道路前方近处之间，说明线形诱导标+减速带的设置除了对驾驶人有一定的引导作用外，还会对驾驶人有一定的警示，使其驾驶行为出现变化，因此有必要在视觉特性的基础上进一步分析不同交通标志设置条件下驾驶人驾驶行为，尤其是行车速度及转向操作的变化规律[25]。

在设置双侧示警桩的平曲线段，驾驶人注视点范围分布最为分散，除了有较大的比例集中于道路前方近处NL外(占比27.4%)，在道路前方近处NL与道路前方远处FL、右侧区域RA、左侧区域LA均有一定比例的注视转移。其中，注视点在左侧区域LA、道路前方近处NL、右侧区域RA之间的转移概率明显增加，且对右侧区域的关注程度要大于左侧。说明双侧示警桩对驾驶人产生的警示作用很强，除了关注道路前方区域外，驾驶人需要将较多的视点转移向左侧区域，右侧区域，以便及时调整车辆方向，因此双侧示警桩的设置导致驾驶人的注视强度较大，与示警桩设置条件下驾驶人注视强度的规律一致。可见，与线形诱导标及线形诱导标+减速带的引导与警示功能对比，示警桩的设置对驾驶人而言具有更大的警示意义，因此有必要在研究基础上对比分析线形诱导标与示警桩对驾驶人生心理及驾驶行为的影响。

3 结论

通过对比分析草原公路平曲线段不同交通标志设置类型下驾驶人注视强度的变化规律及动态视觉转移规律，得出如下结论。

(1)在设置线形诱导标及线形诱导标+减速带的平曲线段，驾驶人的平均注视时长与注视频率均较小，而在无标志及设置示警桩的平曲线平均注视时长与注视频率均较大。平曲线不同段驾驶人的注视强度均呈现先下降后略微上升的趋势。

(2)不同交通标志设置下，平曲线段驾驶人的注视转移特性规律存在显著差异。无标志条件下驾驶人的注视点最为集中，而设置示警桩的条件下视点最为分散，在设置线形诱导标及线形诱导标+减速带的平曲线段驾驶人的注视点范围较广，转移概率分布变化相对均匀。

(3)根据注视强度及注视点转移概率的变化规律，线形诱导标及线形诱导标+减速标志的设置能引起驾驶人的注意，但不至于对其造成较大的视觉负荷，因此从驾驶人感知角度出发，在草原公路平曲线段设置线形诱导标或线形诱导标+减速带能对驾驶人起到较好的引导与警示作用。

(4)从交通标志设置类别对驾驶员视觉特性方面进行了研究，尚未考虑各类交通标志设置数量、间距及平曲线半径、转向等因素对视觉特性的影响，有待做进一步的深入细化研究。同时，依据驾驶人反应操作过程，还需对驾驶人在草原公路平曲线不同类别标志设置下生心理及驾驶行为的变化规律进行对比分析，以便为草原公路平曲线段交通标志的优化设计与设置提供充分的理论依据。