草原公路交叉口指路标志信息量阈值研究

解松芳 ,杨锋,刘昱忻 ,李航天

(内蒙古农业大学 能源与交通工程学院,呼和浩特 010018)

0 引言

交叉口是影响道路通行效率和引发交通冲突的关键节点。交叉口路段的指路标志给驾驶人提供道路信息和引导服务,传递公路途经信息,有助于驾驶员精准快捷抵达目的地[1]。交叉口处的指路标志信息量设置不合理不仅影响驾驶员的视认性,降低路网的通行效率,甚至会引发交通事故[2]。前期通过对内蒙古地区草原公路交通标志进行实地勘察发现,草原公路交叉口处存在交通标志信息量不足和缺失的问题[3],而草原公路的交通事故50%发生在交叉口处[4]。由于驾驶人的认知能力具有一定的局限性,合理控制指路标志信息量,使驾驶人高效精准地获取信息,安全快速地到达目的地[5]。国内外学者对道路交叉口路段指路标志信息量进行了大量的研究。Huang等[6]研究汉英双语指示标志对的信息量阈值。陈肖欣[7]利用驾驶员视认指路标志认知模型研究城市公路指路标志信息量阈值。李俊衡[8]针对驾驶员识别道路交叉口指路标志的有效性进行研究。何文强[9]利用驾驶员脑电、眼动数据和驾驶行为指标研究指路标志信息量。黄麒隆[10]将驾驶疲劳和信息量作为自变量对不同车速下交通标志信息量阈值进行研究。朱守林等[11]、戚春华等[12]、李航天等[13]对草原公路交通标志适宜信息量进行相关研究。

综上,针对道路交叉口路段指路标志信息量研究取得了一定研究成果,而对草原公路交叉口指路标志信息量的研究尚处于起步阶段。草原公路具有线形简单、景观环境单一、交通量小、交通工程设施不完善和平面交叉口较多等特点[14-16],在此环境下行车驾驶员受到的视觉刺激少,注意力不集中,感知和处理信息的能力降低,常使驾驶员处于不合理的单调状态,易诱发驾驶员产生不同程度的疲劳,特别在交叉口这种需要变道和应对突发情况特殊路段,信息量不足或过载均会影响驾驶员行车安全。因此,针对草原公路交叉口路段指路标志信息量不足的问题,从驾驶员认知特性的角度出发,深入研究驾驶员认知不同指路标志信息量时大脑不同区域的变化规律,确定草原公路交叉口指路标志信息量阈值,以期为草原公路交叉口指路标志的优化设置提供理论依据和实践指导。

1 试验设计

1.1 试验设备

针对本研究的特点试验采用室内模拟试验,使用法国雷诺实车模拟驾驶系统及其附属设施,如图1(a)所示。脑电信号采集仪是由德国BrainProducts公司生产的64导联BrainAmp型脑电采集系统,如图1(b)所示,可连续采集驾驶员的各部位脑电信号,利用BrainVision Recorder软件采集驾驶员的相关脑电信号,采用BrainVision Analyzer 数据分析软件计算得到各项脑电指标。另外通过E-Prime程序中的E-Studio模块采集被试的反应时间和反应正确率。

图1 实验设备Fig.1 Experiment instruments

1.2 模拟场景设计

根据前期对草原公路实地调查可知,很多草原地区二级公路正在升级改造为一级公路,由于草原地区的一级公路交叉口较多,导致事故率较高。因此,本研究的试验路段设置为草原一级公路,双向四车道,行车道宽度为3.75 m,设计车速100 km/h。根据《道路交通标志和标线》(GB5768.2—2009)规定设置模拟场景中的指路标志牌。通过前期调查,草原公路交叉口指路标志大部分是3条,有的交叉口甚至没有指路标志。又由于指路标志版面篇幅有限,现实中指路标志路名条数不超过10条[17],因此本试验设置的指路标志信息条数为3～9条,以确定驾驶员认知信息极限。依据以往的学者研究,指路标志版面路名的字数对驾驶员视认性影响不大[18],因此选择三字路名(内蒙古地区的真实道路名)进行指路标志的绘制。通过调查典型草原公路车辆行驶速度85%分位的主流车速是80 km/h,因此试验车速设定为主流车速。由于本试验只研究指路标志不同信息条数对驾驶员认知特性的影响,为避免其他因素对实验结果的影响,模拟场景中不设置其他道路景观,依据《公路交通安全设施设计指导手册》的相关规定来指路标志牌的参数,场景搭建示意图如图2所示。

图2 模拟场景实验示意图Fig.2 Simulation scene experiment diagram

1.3 试验人员

驾驶员识别交通信息时的能力受年龄、驾驶经验和个性等因素的影响很大[19]。通过调查草原公路行驶车辆的驾驶员大部分为男性,为了控制性别因素对试验结果的影响,本试验均选择男性驾驶员。根据对交通事故责任者的大量调查统计显示,18～35岁为交通事故高发年龄,其中18～25岁的驾驶员,最容易造成交通事故[20],因此本试验最终选择男性青年作为试验对象。根据中心极限定理[21],利用统计分析的方法计算出被试数量至少需要25名,为了防止个体差异造成试验误差,最终选取30名男性青年作为研究对象。要求被试人员矫正后视力均在5.0以上,驾龄(2.42±1.05) a,驾驶里程(2.34±0.68)×104km,身体状况良好且均拥有C类驾驶证。

2 研究指标的选择

试验的脑电采集仪可以同时采集到被试的自发脑电信号和诱发脑电信号2种。自发脑电信号(Electroencephalogram ,EEG)包括β波、α波、θ波、δ波和γ波5个信号频带,其中β波主要代表大脑唤起后的兴奋状态,与人的精神状态有关,当处于精神紧张以及情绪激动或者处于警觉状态时,β波的成分较高。指标α/β主要代表驾驶员在行车中轻松和警觉情绪之间的较量,当α/β值较低时,被试的警觉性水平较高,行车状态较理想[22]。结合不同脑电波的意义和学者的大量研究,考虑到草原公路交叉口路段的独特性景观,最终选取指标β、α/β作为评价驾驶员认知指路标志的指标。诱发脑电信号即事件相关电位(Event-Related Potentials,ERP)主要是代表信息加工过程中的敏感指标,被大量应用在认知心理学和交通标志认知等方面[23]。其中事件相关电位成分P300反映人对信息的认知加工和决策过程,P300在大脑各个区域的电极点分布越平稳,说明对信息认知加工速度越快,反之对信息认知加工速度越慢。事件相关电位成分(Mismatchnegativity,MMN)主要是形容大脑对刺激信息加工进程的活动,用于反映大脑对刺激差异的无意识层面的加工状态的重要指标[24]。人类大脑对信息自动加工时,确保有效信息进入意识,将其他无用信息剔除,增加了大脑对信息加工的效率,MMN成分是评价大脑对信息自动加工的宝贵指标[25]。因此,本研究选择MMN、P300这2个ERP成分作为评价被试在认知草原公路交叉口指路标志的指标。

3 试验数据分析

3.1 基于驾驶员脑电指标变化规律的指路标志信息量阈值分析

3.1.1β波的指路标志信息量阈值分析

由图3可知,驾驶员的β波随着指路标志信息条数的增加呈现先增加后下降的趋势。当指路标志信息条数从3条增加到5条时,β波呈缓慢增加的趋势,其平均变化率为4.5%,说明指路标志信息条数少量增加时,驾驶员行车警觉性影响较小,其注意力不够集中;当指路标志信息条数从5条增加到7条时,β波快速增加,其增长率为15.6%,说明此时驾驶员注意力较集中,行车警觉性增加,对道路信息的识别和判断的能力提高;当指路标志信息条数增到8,9条时,β波开始降低,说明指路标志信息过载,对驾驶员产生了认知负荷,不利于驾驶员有效地获取信息,导致对指路标志的识别效率降低。由此可以看出,驾驶员的β波在交叉口指路标志信息量过低和信息量过高时的平均功率值均相对较低,这是由于草原公路普遍存在交通标志信息量不足,交通环境过于简单,驾驶员在该条件下行车时受到的视觉刺激较少,警觉性较低,注意力不集中,感知和获取信息的能力降低,从而影响行车安全;当交叉口指路标志信息量过高时,驾驶员获取有用的信息的难度增加,导致驾驶员认知能力降低,同样不利于驾驶员的安全行车。为了提高驾驶员的警觉性,使驾驶员能够准确地获取交叉口处交通信息,保证行车安全。建议草原公路交叉口指路标志信息条数6,7条。

图3 驾驶员认知指路标志不同信息条数的β变化Fig.3 The β variation diagram of drivers' cognition of different number of guide signs

3.1.2α/β指标的指路标志信息量阈值分析

由图4可知,驾驶员的脑电指标α/β随着指路标志信息条数的增加呈现先下降后上升的趋势。当指路标志信息条数从3条增加到7条时,指标α/β呈下降趋势,说明此时驾驶员的警觉性逐渐加强,注意力越来越集中,对指路标志信息的认知能力增加;当指路标志信息条数增加到8,9条时,指标α/β开始呈增加的趋势,平均增长率为5.3%,说明当指路标志信息量过载时,驾驶员对信息认知负荷增加,获取有效信息的能力降低。由于草原公路交通工程设施不完善,交叉口指路标志信息量不足,若长时间在低信息量条件下行车,驾驶员注意力下降,易产生驾驶疲劳引发交通事故;当交叉口指路标志信息量过载时,将会给驾驶员带来过大的认知负荷,使驾驶员大脑不能准确地处理道路信息,从而引起交通事故的发生。因此草原公路交叉口指路标志信息条数阈值6,7条,有利于吸引驾驶员注意力提高行车安全。

图4 驾驶员认知指路标志不同信息条数的α/β变化Fig.4 The α/β variation diagram of drivers' cognition of different number of guide signs

以上通过对驾驶员脑电指标的分析得出,草原公路交叉口指路标志适宜信息条数阈值6,7条。下面通过对驾驶员诱发脑电信号中MMN、P300成分脑地形图进一步分析。

3.2 基于驾驶员MMN、P300成分脑地形图变化规律的指路标志信息量阈值分析

3.2.1 MMN成分脑地形图的指路标志信息量阈值分析

由图5可知,当指路标志信息条数为4条时,大脑各个区域的电极点分布较为平稳;当指路标志信息条数为5、6条时,驾驶员大脑区域开始表现出明显的信号变化,顶叶区和额叶区信号变化最明显,当指路标志信息条数为7条时,被试大脑区域变化更明显,覆盖面较广。说明驾驶员在刺激任务难度较小时,能够轻松完成对指路信息的认知,准确地选择有效信息进行识别,处理目标地名信息效率较高。随着刺激任务难度的增加,驾驶员开始出现认知负荷,对于有效的地名信息识别能力降低,大脑处理目标地名信息的速度下降,需要大脑各个脑区相互配合才能完成任务。由于草原公路线形简单,以长直线和大半径曲线为主,交通标志信息量不足,驾驶员的视觉刺激少,注意力下降,容易产生交通事故。相反当交叉口指路标志信息量过大时,驾驶员需要花费更多的精力来处理标志信息,导致驾驶员产生认知负荷,识别有效信息的能力下降,影响行车安全。因此指路标志信息量处于5,6条时,驾驶员对信息处理速度快,行车心理负荷小。

图5 指路标志信息条数为4～7刺激下的MMN成分脑地形图Fig.5 Brain topographic map of MMN components under stimulation of 4～7 direction sign information

3.2.2 P300成分脑地形图的指路标志信息量阈值分析

由图6可知,当指路标志信息条数为4时,大脑的各个电位脑电信号分布较稳定,未出现过多的信号变化;当指路标志信息条数增加到5,6条时,大脑有些电极点的脑电信号出现明显变化;当在指路标志信息条数增加到7条时,大脑的脑电信号变化最大,覆盖面最大。说明随着指路标志信息条数的增加需要被试大脑的不同区域共同作用才能完成对信息的认知;当认知指路信息量较低时,驾驶员不需要投入过多的脑力资源就可以对目标信息进行准确的判断;随着指路标志信息量的逐渐增加,即刺激任务难度的增加,脑电信号变强,信号覆盖面变大。由此可以看出在草原公路单调的行车环境下,增加指路标志信息量可以引发驾驶员大脑不同区域电位的变化,所覆盖的面积也逐渐增加,提醒驾驶员较早做出反应,对信息的认知能力提高。但当信息量过高时,驾驶员需要花费大量脑力资源来识别信息,导致驾驶员对道路其他区域的关注程度下降,在应对突发事件时的处理能力降低。因此建议草原公路交叉口指路标志信息条数为5,6条,既可以提高驾驶员的注意力,又不会增加驾驶员的认知负荷,有利于行车安全。

图6 指路标志信息条数为4～7刺激下的P300成分脑地形图Fig.6 Brain topographic map of P300 components under stimulation of 4～7 direction sign information

3.3 基于驾驶员反应时间和反应正确率的指路标志信息量阈值分析

为了进一步验证上文的研究结果,采集驾驶员视认交叉口指路标志时的反应时间和反应正确率并分析其变化规律,如图7和图8所示。

图8 驾驶员的认知反应时间Fig.8 The reaction time of drivers' recognition

由图7和图8可知,随着草原公路交叉口指路标志信息条数的增加,驾驶员的反应正确率呈下降趋势而反应时间呈上升趋势,当指路标志3～5条时,被试反应正确率均在90%以上,反应时间也较短,说明在指路标志信息量较低时,驾驶员识别指路标志较容易,可以快速准确地做出反应;当指路标志增加到6,7条时,被试反应正确率均在80%左右,反应时间也在增加,说明由于指路标志信息量的增加,驾驶员出现一定的认知错误;当指路标志增加到8,9条时,被试反应正确率下降到70%左右,反应时间快速增加,说明指路标志信息过多时驾驶员的视认错误率增加,视认反应时间过长。此时驾驶员所有的精力都用于对指路标志信息的认知上,对周围行车环境的注意力下降,尤其是在草原公路行车速度较高情况下不利于行车安全。

以上针对驾驶员的反应时间和反应正确率分析很难确定指路标志信息量阈值,需要对反应时间和反应正确率2组数据进行无量纲处理,采用归一化方法处理数据结果如图9所示。由图9 可以看出驾驶员的视认反应时间和反应正确率耦合作用的交点落在指路标志5,6条之间,此时驾驶员反应正确率在85%以上,反应时间适宜不会给驾驶员造成认知的困难。因此基于驾驶员反应时间和反应正确率耦合作用的指路标志信息量阈值为5,6条,此信息量能够提高驾驶员的注意力,保证行车安全。验证了上文对脑电信号的研究结果。

图9 驾驶员的认知反应正确率和反应时间归一化图Fig.9 The visual accuracy and reaction time of drivers' cognition of normalization

4 结论与讨论

通过对内蒙古草原典型公路进行室内模试验,研究驾驶员认知不同指路标志信息量时的脑电指标、脑地形图以及变化规律,确定草原公路交叉口指路标志信息量阈值。主要结论如下。

1)对驾驶员的脑电指标β、α/β分析可知,当指路标志信息条数6,7时,驾驶员对周围环境的注意力较高,使驾驶员能够准确地获取交叉口处的交通信息,有利于驾驶员行车安全。

2)对驾驶员MMN、P3成分的脑地形图分析,当指路标志信息条数为5,6条时,大脑区域开始表现出明显的信号变化,覆盖的面积增加;说明驾驶员的注意力较集中,驾驶员需要投入较多脑力资源才能完成对指路信息的识别判断。

3)对驾驶员的反应正确率和反应时间耦合情况的分析可知,当指路标志信息条数为5,6条时,驾驶员的反应时间适宜,反应正确率85%以上。

综合以上分析,结合草原公路线形简单、景观单一、视觉刺激较少等特点,为提高驾驶员的警觉性和注意力,建议在草原公路交叉口路段指路标志信息阈值为5,6条,能够保证驾驶员准确地识别有效信息,提高通行效率和行车安全。

此研究结果是在特定的车速和草原公路特殊交通环境下通过室内模拟试验得出的,仅研究交叉口指路标志这个单一因素的影响,因此结论仅适合类似草原公路这样景观比较单一,视觉刺激比较少的道路。如果在交通环境复杂的其他道路上应在此基础上适当减少交叉口指路标志的信息量,避免因信息过载增加驾驶员的认知负荷。另外,将来应将室内模拟试验与实驾试验相结合,同时增加其他影响因素及其他生理指标的分析,从而更科学合理地确定草原公路交叉口指路标志信息量的最佳阈值,为草原公路交叉口路段指路标志优化设计和设置提供理论依据和实践指导。