史恭龍 譚海松 李紅霞

摘 要：交通標(biāo)志是交通安全的重要保障，其位置的不同對駕駛員有效獲取標(biāo)志信息具有重要影響。為研究交通標(biāo)志位置的有效性，選取駕駛員視角的高速公路和隧道交通標(biāo)志圖片制作模擬場景開展眼動實驗;將場景中交通標(biāo)志的區(qū)域劃為興趣區(qū)域;采集了30個被試的首個注視點的注視順序、首次進入時間、首個注視點的注視時間、總的注視時間等指標(biāo)數(shù)據(jù);運用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件和假設(shè)檢驗方法分析實驗采集的眼動數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在高速公路場景中交通標(biāo)志顯著有效位置為③（右上）和⑥（右中），在隧道內(nèi)場景中交通標(biāo)志顯著有效位置為⑥（右中）和④（左中）。實驗結(jié)果可以為高速公路、隧道等路段交通標(biāo)志位置的設(shè)置提供一定的科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：交通標(biāo)志;眼動實驗;位置有效性;模擬場景;興趣區(qū)域中圖分類號：U491.52

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）04-0708-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0417開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Eye-movement research on location effectiveness of

traffic signs in highways and tunnels

SHI Gonglong 1，3，TAN Haisong 1，3，LI Hongxia 2，3

（1.College of Management，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Graduate School，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Institute of Safety Management and Risk Control，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：

Traffic signs are? important for traffic safety，and? their positions have a decisive impact on drivers effective acquisition of sign information.In order to study the effectiveness of the

traffic signs location，in this paper? the highway and tunnel traffic annotation pictures from the drivers perspective were selected to make a simulation scenes to carry out eye movement experiments;the traffic signs areas in the traffic scenes were divided into the region of interest;Total Fixation Time，F(xiàn)irst Fixation Duration，F(xiàn)irst Fixation Order and Time to First Fixation of 30 subjects were collected.The eye movement data was analyzed by SPSS24.0 statistical software and hypothesis testing method.The results show that the significant effective positions of traffic signs in the highway scene are ③（upper right） and ⑥（middle right） in the expressway scene，and? are ⑥（middle right） and ④（middle left） in the tunnel scene.

The findings can provide a scientific reference for the location of traffic signs on highways，tunnels and other sections.Key words：traffic signs;eye-movement experiment;location effectiveness;scene simulation;regions of interest

0 引 言交通標(biāo)志的主要作用是給交通參與者必要的指示和警告，是汽車駕駛員獲取交通信息的主要依據(jù)，是道路交通安全的重要保障，在交通管理方面應(yīng)用廣泛。有研究表明人的各種感覺器官獲取的交通信息中，視覺占80%，聽覺占14%，其他占6%[1]?？梢?，對駕駛員而言，視覺系統(tǒng)是獲取外界信息最重要的通道。通過對駕駛員眼動軌跡的分析，可以深入了解駕駛員獲取視覺信息的過程，而這一過程很難從駕駛員自述中有意識地體現(xiàn)出來[2]。交通標(biāo)志作用的實質(zhì)就是標(biāo)志傳遞的信息與駕駛員感知信息效能的匹配，并且駕駛員在不同環(huán)境下對相同交通標(biāo)志的注意程度及反映交通狀態(tài)不同[3]。因此，對駕駛員視覺效能的研究能夠反映交通標(biāo)志的有效性。近年來，國外學(xué)者在駕駛員視覺效能方面已經(jīng)開展了廣泛的研究。ANTWARG等長期研究駕駛員視覺行為及注意力與駕駛技能之間的關(guān)系[4]。2003年美國交通標(biāo)志標(biāo)準（MUTCD）采用動態(tài)仿真實驗，模擬不同交通條件下標(biāo)志的設(shè)置位置、文字大小對駕駛員的視認性的影響，研究出符合美國道路交通特性和美國人駕駛視覺特性的交通標(biāo)志，重點突出標(biāo)志的設(shè)置位置、各種技術(shù)參數(shù)、設(shè)置的安全性能等[5]。MADANI通過實驗對不同年齡人的駕駛行為進行了比較，發(fā)現(xiàn)年長的駕駛員（35～44歲以及44歲以上）對交通標(biāo)志的理解明顯強于較年輕的駕駛員（16～24歲）[6]。國內(nèi)學(xué)者也對駕駛員眼動軌跡與視覺特性開展了研究。劉浩學(xué)依據(jù)信息加工規(guī)律從工效學(xué)角度對公路交叉口交通標(biāo)志的設(shè)置進行理論分析[7]。陸建等根據(jù)駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志到完成減速操作所需的最小時間，建立了最小前置距離計算模型;并根據(jù)短時記憶特性，建立了最大前置距離計算模型，進而確定了路側(cè)限速標(biāo)志的最佳設(shè)置位置，并通過算例對模型進行了驗證[8]。李紅霞等構(gòu)建了旅游景區(qū)應(yīng)急標(biāo)識有效性的評價指標(biāo)體系，發(fā)現(xiàn)顯著性影響最大[9]。李首位等以眼動實驗的方式研究了交通警告標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)有動線的警告標(biāo)志能更快地獲得視覺注意[10]。楊艷群等利用眼動儀和腦電儀對指路標(biāo)志進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在6種場景下駕駛?cè)藢χ嘎窐?biāo)志認知反應(yīng)效率存在差異[11]。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在交通標(biāo)志的視認性及駕駛員視覺特性等方面的研究較為成熟，但鮮有利用實驗從駕駛員平面視角對高速公路交通標(biāo)志位置有效性開展相關(guān)研究，文中選取高速公路和隧道上常見的2個駕駛場景進行眼動實驗，分析眼動數(shù)據(jù)，評價交通標(biāo)志放置位置的有效性。

1 實驗準備

1.1 設(shè)備選擇本實驗使用的設(shè)備是德國SMI Red-mobile 250眼動追蹤系統(tǒng)，其采樣頻率高達250 Hz;實驗材料呈現(xiàn)于23英寸的液晶顯示器上，顯示器的刷新頻率為75 Hz，分辨率為1 920*1 080;1張符合人機工效設(shè)計的桌子和2把椅子;實驗室光線良好，安靜封閉，無外界干擾。

1.2 眼動參數(shù)的選取在查閱文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合Red-mobile 250眼動儀的具體參數(shù)，并根據(jù)駕駛場景的實際情況確定選取的眼動參數(shù)主要有首次進入時間（Time to First Fixation）、首個注視點的注視時間（First Fixation Duration）、首個注視點的注視順序（First Fixation Order）、總的注視時間（Total Fixation Time）等。

1.3 實驗材料選取在高速公路上和隧道內(nèi)駕駛時常見的道路場景作為實驗材料，照片由駕駛員車內(nèi)視角拍攝，采用圖片方式呈現(xiàn)，構(gòu)建駕駛汽車在高速公路和隧道內(nèi)看到交通標(biāo)志時呈現(xiàn)的畫面為場景，如圖1和圖2所示，并運用PS對圖片進行修改，將標(biāo)志放在不同位置，從而生成實驗材料。將交通標(biāo)志作為興趣區(qū)域，記錄被試眼動數(shù)據(jù)。

1.4 被試選擇為盡可能接近現(xiàn)實情況，選擇已獲得C1駕照且至少有一年上路駕車經(jīng)驗、年齡在25～45歲之間、裸眼視力或矯正視力達到1.0以上的人員作為被試，一共招募了30名合格被試，男女各半，均為右利手。

2 實驗過程在實驗開始前先端正被試坐姿，調(diào)整被試與屏幕之間的距離約為65 cm，眼睛平視即可。實驗采用5點校準，校準時被試的校準數(shù)據(jù)偏差X，Y都小于1方為合格。在宣讀實驗指導(dǎo)語“下面的實驗場景是您正開車行駛在高速公路上或高速隧道中，請注意道路兩旁的交通標(biāo)志信息”后正式開始。為了消除因首注視點的不同而造成的實驗誤差，在每一個目標(biāo)刺激圖片呈現(xiàn)前先播放一段1 min高速公路和隧道內(nèi)行車記錄儀拍攝相同場景的視頻，之后直接呈現(xiàn)刺激圖片;每張實驗圖片的呈現(xiàn)時間為5 s。為了減少主觀因素對實驗的干擾，在實驗前不告訴被試實驗?zāi)康?。整個實驗過程控制在3 min以內(nèi)。眼動儀自動記錄每個被試的眼動數(shù)據(jù);個別被試由于眨眼、眼疲勞等原因使眼動儀無法記錄到眼動軌跡，這些數(shù)據(jù)在分析時將被刪除。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理

3.1.1 區(qū)域劃分將實驗場景圖片按照圖3所示劃分為9個區(qū)域[12]，在駕駛員有效視認交通標(biāo)志的距離及范圍內(nèi)，因為⑤、⑦、⑧、⑨無法安裝交通標(biāo)志牌，并且路面交通標(biāo)志線并非文中研究場景，所以⑤、⑦、⑧、⑨4個區(qū)域予以剔除，適合本實驗研究的5個區(qū)域為①、②、③、④、⑥。

3.1.2 創(chuàng)建興趣區(qū)域?qū)嶒炌瓿珊?，將實驗?shù)據(jù)導(dǎo)入到BeGaze軟件中，點開興趣區(qū)域編輯按鈕，選擇編輯矩形興趣區(qū)域的按鈕，將每張圖片的交通標(biāo)志標(biāo)記為興趣區(qū)域。

3.1.3 數(shù)據(jù)可視化劃定興趣區(qū)域后可以得到興趣區(qū)域內(nèi)的總的注視時間、

首個注視點的注視時間、首個注視點的注視順序、

首次進入時間;然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)使用SPSS 24.0進行統(tǒng)計分析，檢驗上述4個眼動指標(biāo)針對的交通標(biāo)志在不同位置是否有顯著變化。

3.2 興趣區(qū)域總的注視時間分析根據(jù)高速公路模擬場景的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算出每個被試在每個興趣區(qū)域總的注視時間;用SPSS 24.0畫出箱線圖，根據(jù)箱線圖刪除異常值，然后進行正態(tài)性檢驗，其檢驗結(jié)果見表1。

由表1可知，興趣區(qū)域②和⑥的P值都小于0.05，因此每個被試在興趣區(qū)域②、⑥的總注視時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗，其檢驗結(jié)果見表2。

由表2可知P>0.05，未達到顯著水平。因此，在高速公路中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員總的注視時間并無顯著影響。

根據(jù)隧道內(nèi)模擬場景的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算出每個被試在每個興趣區(qū)域總的注視時間，剔除異常值，其正態(tài)檢驗結(jié)果見表3。

由表3可知，興趣區(qū)域①和④的P值都小于0.05。因此，每個被試在興趣區(qū)域①、④的總注視時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗，其檢驗結(jié)果見表4。由表4可知P>0.05，未達到顯著水平。因此，在隧道中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員總的注視時間并無顯著影響。

3.3 首個注視點的注視時間分析同理可以得到高速公路模擬場景的首個注的視點注視時間的正態(tài)性分析，由其分析結(jié)果可知興趣區(qū)域②、③、④、⑥的P值分別為0.006，0.001，0.003，0都小于0.05。因此，每個被試在興趣區(qū)域②、③、④、⑥的首個注視點的注視時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。由其檢驗結(jié)果可知P值為0.096大于0.05，未達到顯著水平，因此在高速公路的模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員首個注視點的注視時間并無顯著影響。

同理根據(jù)隧道內(nèi)模擬場景的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算出每個被試在每個興趣區(qū)域的首個注視點的注視時間，剔除異常值。由其正態(tài)性檢驗結(jié)果可知興趣區(qū)域①、②、④、⑥的P值分別為0.017，0.012，0.004，0.007都小于0.05，因此每個人在興趣區(qū)域①、②、④、⑥的首個注視點的注視時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。由其檢驗結(jié)果可知P值為0.392大于0.05，未達到顯著水平，因此在隧道內(nèi)的模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員首個注視點的注視時間并無顯著影響。

3.4 首個注視點的注視順序同理可以得到高速公路模擬場景首個注視點的注視順序的正態(tài)性分析，由其分析結(jié)果可知興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的P值分別為0.001，0，0，0，0都小于0.05，因此每個被試在興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的首個注視點的注視順序并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。由其檢驗結(jié)果可知P值為0.031，小于0.05，達到顯著水平。因此，在高速公路模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員注視興趣區(qū)域首個注視點的注視順序有顯著影響。每個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序的均值如圖4所示。由圖4可知，5個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序的均值排序為①>②>③>④>⑥。

根據(jù)隧道內(nèi)模擬場景的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算出每個被試在每個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序，剔除異常值。由其正態(tài)檢驗結(jié)果可知興趣區(qū)域

①、②、③、④、⑥

的P值分別為0，0，0，0，0，都小于0.05。因此，每個被試在興趣區(qū)域①、②、③、④、⑥的首個注視點的注視順序并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。其檢驗結(jié)果可知P值為0.003，小于0.05，達到顯著水平。因此，在隧道內(nèi)模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員注視興趣區(qū)域首個注視點的注視順序有顯著影響。每個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序的均值如圖5所示。

由圖5可知，5個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序的均值排序為

①>③>⑥>②>④。

3.5 首次進入時間的數(shù)據(jù)分析同理可以得到高速公路模擬場景首次進入時間的正態(tài)性分析，由其分析結(jié)果可知，興趣區(qū)域

③、④、⑥

的P值分別為0.040，0，0.002，都小于0.05。因此每個被試在興趣區(qū)域③、④、⑥的首次進入時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。由其檢驗結(jié)果可知P值為0.022，小于0.05，達到顯著水平。因此，在高速公路模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員注視興趣區(qū)域首次進入時間有顯著影響。每個興趣區(qū)域的首次進入時間的均值如圖6所示。

由圖6可知，5個興趣區(qū)域首次進入時間的均值排序為④>①>⑥>②>③。根據(jù)隧道內(nèi)模擬場景的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計算出每個被試在每個興趣區(qū)域的首次進入時間，剔除異常值。由其正態(tài)檢驗結(jié)果可知，興趣區(qū)域

③、④、⑥

的P值分別為0.001，0.002，0.031，都小于0.05。因此每個被試在興趣區(qū)域③、④、⑥的首次進入時間并不服從正態(tài)分布，所以采用非參數(shù)假設(shè)檢驗。由其檢驗結(jié)果可知P值為0.045小于0.05，達到顯著水平。因此，隧道內(nèi)模擬場景中交通標(biāo)志的位置放置對駕駛員注視興趣區(qū)域的首次進入時間有顯著影響。每個興趣區(qū)域首次進入時間均值如圖7所示。

由圖7可知，5個興趣區(qū)域首次進入時間的均值排序為③>②>④>①>⑥。

3.6 熱點圖分析由圖8和圖9的熱點圖可知：駕駛員的注視點主要集中在道路中間和交通標(biāo)志上，這符合駕駛員的視認特性，因此整個實驗的設(shè)計是合理的?？赡苡捎谒淼纼?nèi)視覺范圍較小，車速較慢，因此駕駛員會將注意力更多集中在交通標(biāo)志上。而在高速公路上視覺范圍較大，車速較快，因此駕駛員在提取完交通標(biāo)志的信息后會將更多的注意力集中在行車路面上。

4 結(jié)果討論由以上實驗數(shù)據(jù)分析可知：2個模擬場景中交通標(biāo)志的位置對總的注視時間、首個注視點的注視時間2個指標(biāo)并無顯著性影響，而對首個注視點的注視順序、首次進入時間這2個指標(biāo)有顯著性影響。因此交通標(biāo)志的位置對駕駛員提取標(biāo)志信息并無顯著影響。在高速公路模擬場景中5個區(qū)域首個注視點的注視順序的均值，由小到大興趣排列順序為⑥<④<③<②<①，首次進入時間的均值由小到大的排列順序為③<②<⑥<①<④。由這2個排列順序可知在高速公路模擬場景中駕駛員發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)域①的時間和順序都比較晚，而興趣區(qū)域③和⑥被駕駛員發(fā)現(xiàn)的時間都比較短。因此，在高速公路模擬場景中，交通標(biāo)志放在③和⑥的位置更為顯著。通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這樣的實驗結(jié)果是因為人眼的右效應(yīng)[13]。而在隧道內(nèi)模擬場景中5個興趣區(qū)域首個注視點的注視順序的均值由小到大的排列順序為④<②<⑥<③<①，首次進入時間的均值由小到大的排列順序為⑥<①<④<②<③。由這2個排列順序可知在隧道內(nèi)模擬場景中駕駛員發(fā)現(xiàn)興趣區(qū)域③的時間和順序都比較晚，而興趣區(qū)域⑥和④被駕駛員發(fā)現(xiàn)的時間都比較短。因此在隧道內(nèi)模擬場景中，交通標(biāo)志放在④和⑥的位置更為顯著。

通過對比和分析2個場景的實驗材料和實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致隧道內(nèi)與高速公路上實驗結(jié)果不一致的主要原因是由于為確保隧道內(nèi)的能見度在隧道頂上安裝了光照強度較高的光源，抑制了駕駛員對①、②、③區(qū)域的視覺搜索，因此駕駛員會下意識地加強對左右兩邊視覺區(qū)域的搜索。

5 結(jié) 論1）交通標(biāo)志位置對駕駛員提取交通信息的難易程度并無顯著影響，但卻對駕駛員發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志的時間有顯著影響。

2）在高速公路模擬場景中交通標(biāo)志在③（右上）和⑥（右中）的位置更為顯著，將交通標(biāo)志放置在道路右側(cè)具有科學(xué)性，并且造價低、逆反射亮度高、視認效果好。3）在隧道內(nèi)模擬場景中交通標(biāo)志在④（左中）和⑥（右中）的位置更為顯著。4）為了使交通標(biāo)志設(shè)置更為有效，在高速公路中應(yīng)將交通標(biāo)志放置在③（右上）或者⑥（右中），在隧道內(nèi)應(yīng)該將交通標(biāo)志放置在④（左中）或者⑥（右中）。當(dāng)然，真實環(huán)境中駕駛員讀取交通標(biāo)志信息還會受到天氣狀況、車輛流量、標(biāo)志本身特性等因素影響，后期可以采取VR眼動儀或者眼鏡式眼動儀進一步開展真實場景的實驗研究。參考文獻（References）：

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