彭金栓,趙劉昌,楊歡歡
(重慶交通大學(xué),交通運(yùn)輸學(xué)院,重慶 400074)
行人是城市交通系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分,是交通參與者中的弱勢群體,全球1/3 的交通事故與行人有關(guān)[1]。行人過街作為慢行交通的重要研究內(nèi)容,可以為過街設(shè)施的設(shè)計(jì)及優(yōu)化,車路沖突形成與消散機(jī)理等提供重要的理論支撐。針對行人過街行為特性研究,國內(nèi)外已有較多成果。眾多學(xué)者研究行人進(jìn)入交叉口不同階段的過街速度與心理特征,行人在綠燈亮起后,不同階段進(jìn)入交叉口的過街速度存在顯著差異[2],綠燈階段進(jìn)入交叉口的行人過街速度隨時間推移而增大[3],而在綠燈閃爍階段進(jìn)入交叉口的行人通常表現(xiàn)得更匆忙,進(jìn)入交叉口后速度又顯著減小[4]。因此,信號燈所處不同階段對過街行人進(jìn)入交叉口后的行為具有重要影響??紤]到行人過街行為具有異質(zhì)性,為了更科學(xué)合理地研究行人過街行為特性,需要結(jié)合過街特性對行人進(jìn)行更加細(xì)致的劃分。CHOI 等[5]指出老年行人相比年輕行人過街的啟動延時更短,穿越階段老年行人較少回頭,且老年行人對駛近車輛距離估計(jì)可靠性較差。BIASSONI等[6]通過觀察交叉口人行橫道情景圖發(fā)現(xiàn),成年人過街時對視野中不同興趣區(qū)域掃視次數(shù)更多,注視時間更長。JIANG 等[7]使用掃視次數(shù)比衡量行人對交通環(huán)境的警覺性,通過注視時間等參數(shù)評估行人過街時在不同興趣區(qū)域的注意力分布及視覺維持情況。NICHOLLS等[8]通過分析行人注視次數(shù),研究得出:兒童過街時更傾向于關(guān)注人行橫道及其附近區(qū)域,成年人注視集中分布于較遠(yuǎn)的車輛行駛區(qū)域。丁袁等[9]通過眨眼次數(shù)、掃視和注視時間分析行人在有無信號控制路口的視負(fù)荷、視覺受壓迫程度與興趣區(qū)域,結(jié)果顯示,在無信號控制路口行人的視負(fù)荷更大,并且對機(jī)動車關(guān)注更多。PAPADIMITRIOU 等[10]研究指出,男性行人違章率大于女性,且成年行人的違章率比老年行人更高。
綜上,已有相關(guān)研究主要結(jié)合速度、生理及心理等單一因素對行人的過街行為進(jìn)行研究,存在以下兩個方面的缺失:缺乏影響因素之間的耦合分析,不利于對行人過街行為進(jìn)行深度解析;行為特征分析尚未上升到風(fēng)格識別層面,無法為行人的過街行為提供系統(tǒng)性和綜合性的評價結(jié)果。本文考慮心理臨界過街狀態(tài)下,行人進(jìn)入交叉口的過街心理和行為特性,對行人風(fēng)險感知因子與臨界安全系數(shù)進(jìn)行聚類,得到行人過街風(fēng)格,并討論其過街成功率。為提高行人過街安全、效率及過街設(shè)施的設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供重要的理論支持。
將重慶市南岸區(qū)回龍路與雙龍路有完整倒計(jì)時顯示的信號控制交叉口作為本次試驗(yàn)地點(diǎn),選取該交叉口原因如下:(1)平峰時段行人過街時受其他過街行人影響較小,可盡量避免試驗(yàn)被試者在執(zhí)行過街任務(wù)時與其他同行行人產(chǎn)生自組織現(xiàn)象[11];(2)通過離線的視頻觀測,行人綠燈信號周期能滿足85%的行人順利完成過街任務(wù);(3)交叉口的人行橫道長度能保證被試者在執(zhí)行過街任務(wù)時眼動等行為數(shù)據(jù)的樣本量滿足研究需求。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時間為工作日9:00-11:00 和14:00-18:00。平峰時段行人信號周期為91 s,綠燈時長27 s,紅燈時長64 s。試驗(yàn)交叉口人行橫道有效長度為26.4 m。
在試驗(yàn)交叉口現(xiàn)場隨機(jī)招募行人作為被試者,保證被試者身體健康狀況良好,且視聽覺系統(tǒng)均正常。試驗(yàn)共招募282 位被試者,結(jié)合眼動儀第1 視角記錄的視頻與固定機(jī)位拍攝的試驗(yàn)視頻,篩選被試者過街時附近行人密度,選取被試者過街密度≤3 人·m-2的樣本納入研究范圍[12],最終得到研究樣本81個,其中,男性45人,女性36人。被試者平均年齡為33.69 歲,其中,少年([10,18)歲)26 人,中青年([18,60)歲)35人,老年([60,75]歲)20人。
試驗(yàn)采用Tobii Glasses 2 可穿戴式眼動儀,采樣頻率50 Hz。該設(shè)備輕便小巧,佩戴舒適度高。由于行人具有高自由度和寬闊視野范圍,佩戴該設(shè)備可精確追蹤行人注視和掃視等眼動行為。采用SONY HDR-PJ820圖像采集設(shè)備,通過回放圖像確定被試者過街時間及過街狀態(tài)等,為后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及處理提供支持。
(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)包含兩次過街過程:第1 次為正常過街,待綠燈亮起后,行人按照自己正常反應(yīng)和習(xí)慣完成過街,完成首次過街后,行人自行返回試驗(yàn)起點(diǎn),并等待綠燈亮起后的第2 次過街;與第1 次過街的不同在于,試驗(yàn)組織人員需告知被試者選擇心理認(rèn)知中能保證自己安全過街的最遲時刻作為此次過街的起始時間;待第2 次過街完成后,被試者在保證安全的前提下回到試驗(yàn)起點(diǎn),并完成人口學(xué)問卷的相關(guān)調(diào)查,兩次過街過程完成。本文將行人第1次過街記為自由過街狀態(tài)(Free Crossing State,F(xiàn)CS),第2 次過街記為心理臨界過街狀態(tài)(Psychological Critical Crossing State,PCCS)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Experiment design
(2)興趣區(qū)域劃分
注視區(qū)域的合理劃分有助于快速和有效地將注視點(diǎn)沿點(diǎn)、線及面依次展開,從而精確提取行人過街的視覺搜索規(guī)律。行人在過街時需要關(guān)注車輛、非機(jī)動車及行人等多種目標(biāo),以獲取足夠的環(huán)境信息,保證過街安全及通行效率。通過回看眼動視頻,將行人過街興趣區(qū)域(Area Of Interest,AOI)劃分為4 類:車行區(qū)域(Car Area,CA)、信號燈區(qū)域(Signal Area,SA)、行人區(qū)域(Pedestrian Area,PA)及人行橫道區(qū)域(Zebra Crossing Area,ZCA),如圖2所示。
圖2 興趣區(qū)域Fig.2 AOI
為研究不同過街狀態(tài)下行人過街行為特性,對被試者樣本的過街速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1和圖3所示。
表1 不同狀態(tài)過街速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of crossing speed in different crossing states
相較于FCS,PCCS 下過街速度與標(biāo)準(zhǔn)差更大。進(jìn)一步對不同過街狀態(tài)速度進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn),結(jié)果顯示:不同過街狀態(tài)對行人過街速度具有顯著影響(P=0<0.05),由于PCCS 下過街時間更為緊迫,導(dǎo)致過街時被試者的風(fēng)險感受增加,行人為盡快到達(dá)安全區(qū)域,通常會加快步伐以彌補(bǔ)時間上的不足,導(dǎo)致PPCS下過街速度顯著大于FCS。
不同年齡人的性格、反應(yīng)力及判斷力均有所差異,年長者由于身體機(jī)能逐步退化,心理和生理各方面素質(zhì)會出現(xiàn)增齡性衰退,文獻(xiàn)[13]表明,年長者的反應(yīng)時間較年幼者更長,中年人在認(rèn)知和判斷等方面更為成熟穩(wěn)重,青少年活潑好動,反應(yīng)速度相對較快。分析不同過街狀態(tài)下,不同年齡行人過街速度差異,結(jié)果如圖3(b)所示。中青年過街速度(PCCS 中M=1.638 m·s-1,SD=0.100 m·s-1;FCS中M=1.414 m·s-1,SD=0.115 m·s-1)略高于少年(PCCS 中M=1.621 m·s-1,SD=0.146 m·s-1;FCS中M=1.398 m·s-1,SD=0.138 m·s-1),且顯著高于老年(PCCS 中M=1.301 m·s-1,SD=0.207 m·s-1;FCS 中M=1.293 m·s-1,SD=0.105 m·s-1),其中,M為均值,SD 為標(biāo)準(zhǔn)差。少年行人在兩種過街狀態(tài)下的過街速度分布均較為離散,原因可能是少年行人心智發(fā)育尚未成熟,導(dǎo)致個體間差異較大;中青年行人在兩種過街狀態(tài)下的速度分布均較為穩(wěn)定;老年行人過街速度在各年齡段中最低。分析兩種過街狀態(tài)下不同年齡行人過街速度,發(fā)現(xiàn)不同年齡行人在PCCS (P=0<0.05) 和FCS(P=0.002<0.05)過街速度均有顯著性差異。
圖3 過街速度分布Fig.3 Crossing speed distribution
法國哲學(xué)家柏格森[14]提出空間時間與心理時間概念,將通過鐘表度量的時間稱為空間時間或客觀時間,將通過個人直覺感受的時間稱為心理時間或主觀時間。人在進(jìn)入意識深處時,心理時間相對空間時間更具度量意義。本文定義的心理臨界時窗(Psychological Critical Time Window,PCTW)是基于心理時間和臨界過街狀態(tài)提出的行人依據(jù)自我心理認(rèn)知和體能水平評估自身完成過街任務(wù)所需的時間長度,具體表現(xiàn)為行人在PCCS 下過街時刻綠燈剩余時間。
分析不同年齡行人的PCTW,少年(M=16.83 s,SD=2.62 s)和中青年(M=16.41 s,SD=2.78 s)PCTW 接近,均低于老年行人(M=21.51 s,SD=3.13 s)。對不同年齡PCTW進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),結(jié)果顯示年齡對PCTW 具有顯著性影響(P=0<0.05),即老年行人普遍認(rèn)為自身需要比年輕行人預(yù)留更多的時間,保證過街安全,反映出老年行人為彌補(bǔ)自身身體機(jī)能衰退而采取提高PCTW這一補(bǔ)償行為的過街策略,結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同年齡心理臨界時窗分布Fig.4 Psychological critical time window distribution for different ages
統(tǒng)計(jì)各被試者心理臨界時窗和平均過街速度的關(guān)系,結(jié)果如圖5所示。
圖5 心理臨界時窗對過街速度的影響Fig.5 Effect of psychological critical time window on crossing speed
隨著PCTW 增加,行人過街速度呈下降趨勢。相比線形擬合,ExpDec2擬合曲線的擬合效果相對較好,其切線L1與之交于Q點(diǎn),Q點(diǎn)對應(yīng)的PCTW為19 s,當(dāng)PCTW 大于該值時,過街速度下降幅度加快;當(dāng)PCTW較大時,行人過街時間充裕,緊迫感降低,過街速度隨之下降。
為探究行人過街時,對不同區(qū)域的關(guān)注度,引入注視概率指標(biāo)。本文定義的注視概率指行人執(zhí)行過街任務(wù)時,對某定義區(qū)域(例如SA和CA等)的注視時間占總注視時間的比值,對不同興趣區(qū)域的注視概率可反映行人的風(fēng)險意識。行人對CA/SA注視概率與PCTW的關(guān)系如圖6所示。
圖6 心理臨界時窗對注視概率的影響Fig.6 Effect of psychological critical time window on fixation probability
隨著PCTW 增大,行人對CA 注視概率總體呈上升趨勢,對SA 注視概率總體呈下降趨勢。PCTW 越小,意味著行人完成過街任務(wù)越緊迫,為保證在綠燈周期內(nèi)順利過街,行人會加大對SA 的注視強(qiáng)度。反復(fù)確認(rèn)綠燈剩余時間是否充足,而減少了對CA 的關(guān)注時間。相反地,隨著PCTW 不斷增大,行人過街緊迫性亦隨之降低,對SA關(guān)注時間逐漸減少,同時,將更多視覺資源轉(zhuǎn)移至CA。分別對PCTW 與CA 及SA 注視概率進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,結(jié)果顯示:兩兩因素間均具有較好線性關(guān)系(CA 中P=0<0.05,SA中P=0<0.05)。
參考文獻(xiàn)[15]駕駛風(fēng)格的相關(guān)概念,本文定義過街風(fēng)格是考慮行人視覺搜索、決策質(zhì)量以及運(yùn)動能力等多維特征,綜合度量行人過街行為謹(jǐn)慎程度,將行人風(fēng)格分為謹(jǐn)慎型、普通型和冒險型。過街風(fēng)格識別作為現(xiàn)代慢行交通行人特征評估的一部分,可以為過街設(shè)施的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供必要的理論支撐。本文融合視覺、運(yùn)動特性及決策心理等多源參數(shù)識別行人過街風(fēng)格。考慮FCS 和PCCS 兩種狀態(tài)下行人的特征差異,重點(diǎn)遴選PCCS 下的特征參數(shù)融合辨識行人的過街風(fēng)格。
3.1.1 風(fēng)險感知因子
行人過街時,對興趣區(qū)域的關(guān)注度差異與不同行人的心理及生理特點(diǎn)有關(guān)[16]。依據(jù)劃分的興趣區(qū)域,提取對行人過街安全影響較大的CA及SA注視概率,將其作為PCCS 下衡量行人風(fēng)險感知態(tài)勢的參數(shù)。本文引入風(fēng)險感知因子(Risk Perception Factors,RPF)概念描述過街過程中行人對關(guān)鍵興趣區(qū)域的關(guān)注強(qiáng)度和風(fēng)險感知能力,定義為
式中:PCA為車行區(qū)域注視概率;PSA為信號燈區(qū)域注視概率;TCA為車行區(qū)域注視時間;TSA為信號燈區(qū)域注視時間;TPA為行人區(qū)域注視時間;TZCA為人行橫道區(qū)域注視時間。當(dāng)行人對CA 或SA 注視概率較大時,RPF 則越大,表明行人在過街過程中對關(guān)鍵目標(biāo)的視覺搜索效率越高,對潛在危險的感知能力更強(qiáng)。
3.1.2 臨界安全系數(shù)
PCTW 反映行人過街時間的緊迫程度,PCTW越大,且過街速度越快時,過街成功率則越高。基于此,引入臨界安全系數(shù)(Criticality Safety Factor,CSF)指標(biāo)評估行人過街的安全性,定義為
式中:SCSF為臨界安全系數(shù);為行人過街平均速度(m·s-1);Tpc為心理臨界時窗(s);L為人行橫道長度(m)。由定義可知,臨界安全系數(shù)融合自我評估和運(yùn)動能力兩個維度,協(xié)同評價行人過街的安全性和過街成功率。SCSF≥1 時,表明行人理論上可以在綠燈周期內(nèi)安全過街;當(dāng)0<SCSF<1,則意味著綜合行人的自我評估和運(yùn)動能力特征存在時間違章的風(fēng)險。
本文結(jié)合RPF 和CSF 兩項(xiàng)指標(biāo)對行人過街性格進(jìn)行離線識別,其中,RPF 表征行人的風(fēng)險感知能力,CSF 重點(diǎn)刻畫行人自我評估能力與運(yùn)動能力。為消除兩項(xiàng)指標(biāo)量級差異過大對識別結(jié)果造成的消極影響,分別對RPF 和CSF 進(jìn)行0-1 標(biāo)準(zhǔn)化處理,將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 中進(jìn)行K-Means聚類分析。結(jié)果表明,RPF 和CSF 作為聚類參數(shù)均具有顯著差異(RRPF中P=0<0.05,SCSF中P=0<0.05),該聚類模型對行人過街風(fēng)格區(qū)分度較高。其中,冒險型行人占比28.40%,普通型行人占比39.50%,謹(jǐn)慎型行人占比32.10%,分類結(jié)果如圖7所示。
圖7 聚類結(jié)果Fig.7 K-Means clustering results
冒險型位于分布的左下側(cè),具有較小的RRPF與SCSF,意味著冒險型行人過街時風(fēng)險感知能力較差且時間違章的風(fēng)險較高;謹(jǐn)慎型位于分布的右上側(cè),具有較高的RRPF與SCSF,即謹(jǐn)慎型行人過街時風(fēng)險感知能力較好,過街環(huán)境搜索效率高,同時,其過街違章風(fēng)險較低;普通型行人介于兩者之間。
基于聚類結(jié)果分析年齡和性別對過街風(fēng)格的影響。少年謹(jǐn)慎型風(fēng)格行人占比最大(38.46%),其次是普通型(38.5%)和冒險型(26.92%);中青年普通型風(fēng)格占比超一半(51.4%);老年行人中占比最大為謹(jǐn)慎型(40%),其次是冒險型(35%)和普通型(25%),表明老年行人過街行為區(qū)別于另外兩個群體,分化更為嚴(yán)重。其中,謹(jǐn)慎型老年人伴隨身體機(jī)能的下降,往往采取更為穩(wěn)妥和謹(jǐn)慎的視覺搜索方式和過街策略,冒險型老年人在PCCS 下過街速度有所提高,但對周圍環(huán)境的視覺搜索能力有所下降。女性行人中,冒險型風(fēng)格比例較男性大,同時,謹(jǐn)慎型風(fēng)格占比也更少,因此,女性在過街時的性格表現(xiàn)比男性更加冒險。過街風(fēng)格分布如圖8所示。
圖8 過街風(fēng)格分布Fig.8 Distribution of crossing style
統(tǒng)計(jì)PCCS 下行人能否在綠閃信號結(jié)束前順利完成過街。結(jié)合行人風(fēng)格分類結(jié)果,分析不同風(fēng)格行人過街成功率,總體上,謹(jǐn)慎型行人的過街成功率最高(65.38%),普通型次之(46.88%),冒險型行人過街成功率最低(34.78%)?!度诵袡M道信號燈控制設(shè)置規(guī)范》(GA/T851-2009)對人行橫道信號燈綠燈總時長的設(shè)置中,僅保證紅燈期間等待過街的全部行人安全過街,而未考慮在綠燈期間進(jìn)入人行橫道的行人能否順利過街。因此,在綠燈中后期,對冒險型風(fēng)格行人進(jìn)行一定的技術(shù)干預(yù)和安全教育,可以極大程度上減少人車沖突發(fā)生的可能性。
PCCS下過街成功率數(shù)據(jù)反映了不同風(fēng)格行人在其可接受過街時間內(nèi)的過街違章情況。結(jié)合不同年齡分析3種風(fēng)格對行人過街成功率的影響,發(fā)現(xiàn)各年齡段中冒險型行人過街成功率均最低,謹(jǐn)慎型行人成功率最高,與總體趨勢保持較強(qiáng)的一致性,年齡對過街成功率的影響如圖9所示。
結(jié)合圖9發(fā)現(xiàn),冒險型老年人過街成功率僅為14.29%,而謹(jǐn)慎型少年與中青年過街成功率較高。因此,將冒險型老年人作為重點(diǎn)干預(yù)對象(干預(yù)組),選擇謹(jǐn)慎型少年和中青年作為對照組,借助過街行為的對比分析,診斷重點(diǎn)干預(yù)人群的過街行為,為未來干預(yù)策略的制定和實(shí)施提供理論依據(jù)。
圖9 年齡對過街成功率的影響Fig.9 Influence of age on crossing success rate
圖10表明,干預(yù)組SCSF(M=0.908)顯著低于對照組(M=1.205),表明干預(yù)組在過街速度較低的同時未增加PCTW以保證過街安全,高估自身過街能力是該人群時空違章率高的主要致因,因此,加強(qiáng)干預(yù)組對自身運(yùn)動機(jī)能的正確評估是提升其過街安全性的重要措施。
眼動行為反映過街行人的認(rèn)知規(guī)律與心理狀態(tài),圖10表明,F(xiàn)CS與PCCS下,干預(yù)組的掃視時間占比均顯著低于對照組(FCS中P=0.002,PCCS中P=0.001),表明冒險型老年人在過街過程中視覺搜索不夠靈活寬泛,是該人群過街風(fēng)險偏高的重要致因;PCCS 下,干預(yù)組對CA 與SA 注視概率均顯著低于對照組(CA 中P=0.000,SA 中P=0.027),表明在過街起始時刻相對滯后的前提下,干預(yù)組對信號燈和車行區(qū)域關(guān)注不足;此外,F(xiàn)CS下,干預(yù)組的掃視速度顯著低于對照組(P=0.011),表明干預(yù)組在自由過街模式下視覺搜索效率較低,對外界剌激信息的提取能力有待加強(qiáng)。
因此,需要重點(diǎn)防范該類人群在信號控制交叉口所表現(xiàn)出的危險過街行為。老年人日常應(yīng)加強(qiáng)身體協(xié)調(diào)性訓(xùn)練,外出時佩戴反光帽,身著飽和度高的服裝,增強(qiáng)過街安全意識,提高對自身身體機(jī)能的認(rèn)知能力。倡議有條件的社區(qū)組織干預(yù)對象進(jìn)行過街風(fēng)險感知能力相關(guān)的安全教育和模擬訓(xùn)練。交通工程設(shè)計(jì)尤其需要關(guān)注老年群體,依據(jù)區(qū)域內(nèi)老年人的比例合理優(yōu)化信號配時,在老年人聚集區(qū)域增加交通安全教育類標(biāo)語。在信號燈末期增加語音以及視覺輔助提示的方式,以提高冒險型老年行人過街喚醒水平。另外,向社會招募交通協(xié)管志愿者,必要時,對綠燈中后期試圖過街的老年人進(jìn)行合理干預(yù)或安全引導(dǎo),協(xié)調(diào)老年人與過街系統(tǒng)其他要素之間的內(nèi)在聯(lián)系,有效保證其過街安全性。
(1)不同場景狀態(tài)下的行人過街速度具有顯著性差異,PCCS下的行人過街速度(1.549 m·s-1)顯著高于FCS 下的行人過街速度(1.379 m·s-1);老年人PCTW(21.510 s)顯著大于中青年(16.410 s)與少年(16.833 s)。
(2)對PCTW 與過街速度/注視概率擬合,PCTW 增加時伴隨過街速度的降低,對CA 注視概率增大,SA注視概率下降,反映行人過街安全與效率間的關(guān)系。
(3)提出RPF與CSF作為行人風(fēng)格識別模型指標(biāo),過街行人中冒險型、普通型及謹(jǐn)慎型占比分別為28.40%,39.50%與32.10%。冒險型行人風(fēng)險感知能力最差,而謹(jǐn)慎型行人風(fēng)險感知能力最強(qiáng)。女性過街時比男性更加冒險,老年人過街風(fēng)格兩極分化嚴(yán)重。
(4)謹(jǐn)慎型風(fēng)格行人過街成功率最高(65.38%),冒險型風(fēng)格成功率最低(34.78%)。冒險型老年人在運(yùn)動機(jī)能較差的同時易高估其自身的過街能力,此外,對外界環(huán)境的視覺搜索效率不足。該群體自身與社會各界應(yīng)共同采取相應(yīng)措施以減少危險過街行為導(dǎo)致的交通事故。
本文通過開展心理臨界狀態(tài)過街試驗(yàn)識別行人過街風(fēng)格,闡明不同風(fēng)格行人過街風(fēng)險感知機(jī)制及行為差異,豐富了慢行交通領(lǐng)域的研究內(nèi)容,可為人行橫道信號燈配時、過街輔助設(shè)施設(shè)計(jì)及行人過街培訓(xùn)策略提供參考依據(jù)。