基于背景环境和驾驶人年龄的交通标志理解性研究＊

■ 崔洪军 郝文佳 朱敏清 李霞 李保栓

1.河北工业大学土木与交通学院 天津 300401

2.河北工业大学建筑与艺术设计学院 天津 300401

3.中电建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄 050051

0 引言

交通标志能够为驾驶人提供重要的道路信息，是道路交通安全常用并且十分重要的手段。已有的研究发现，道路交通标志往往不能满足道路使用者的驾驶需求，虽然我国道路交通标志相关规范不断在改善交通标志的视认性，但仍然存在一些辨识性较差的交通标志，被误解的交通标志会给驾驶人带来危险甚至造成严重的交通事故。数据统计发现，驾驶人不遵守交通标志规则导致的交通事故百分比约为2.2%[1]，因此，有必要对交通标志的理解性进行深入研究。

国内外关于交通标志的认知理解性问题已经做了一系列的研究。2010年，陈阳等[2]利用实车实验和调查问卷的方法，分析了驾驶人对指定交通标志的理解情况，为研究驾驶人驾驶熟练程度与标志理解水平的关系奠定基础。随着视觉特征研究的不断深入，Shinar 等[3]于2013年率先发现交通标志的显示状况会影响驾驶人的理解力和响应时间，在标志上增加文本说明可以提高驾驶人的理解水平，并减少理解标志的所需时间。2015年，Yuan 等人[4]开创性的使用语义分析频率分布方法分析交通标志理解错误的具体原因，随后逐渐应用于标志的改进设计研究中[5,6]。2018年，Taamneh 等人[7]从驾驶人的性别、年龄、学历、驾驶经验、驾照等级、收入水平、违规次数等个体特征出发，首次分析了交通标志熟悉度与理解性之间的关系，并确定各因素对理解力水平的影响。随后学者主要从标志的设置位置[8,9]、分布量[10]、信息量[11,12]等角度研究标志对驾驶人认知负荷的影响规律，从而验证交通标志理解有效性。

随着年龄的增长，驾驶人的理解能力会显著下降。2010年，Carr 等[13]建立了驾驶行为与年龄之间的关系模型，发现老年驾驶人更容易出现认知、运动和知觉等方面的缺陷，因此需要更多的时间来识别交通标志。在此基础上，一些学者开始研究标志认知过程中各年龄段驾驶操纵特性[14]、视觉特性[15]、生理心理特性[16]等指标的变化情况。2019年郭凤香[17]在研究老年驾驶人的视觉特性变化规律时首次引入风险感知的思想，量化分析了老年驾驶人的驾驶行为特征。2020年Schulz 等[18]阐释了衰老引发的心理运动减慢是影响老年驾驶人反应速度的重要原因，并指出对于各种刺激的响应时间，尤其是对标志识别复杂任务的响应时间会随着年龄的增长而增加。

可能影响标志认知的另一个重要因素为标志在环境中的展现方式。Deward[19]和Ben-Bassat等[20]在研究交通标志理解性问题时，均以纯白色的背景展示交通标志。但是在现实生活中，驾驶人对交通标志的视认都是处于真实的道路环境下，而这种背景环境一方面有可能会干扰驾驶人对标志信息的提取，另一方面使驾驶人能够根据这种区域环境情况判断出标志的具体含义。在Silver[21]的研究中发现，交通标志背景环境对驾驶人理解标志含义具有积极影响，当在自然环境中展示标志时，驾驶人理解标志的可能性会显著增加。

综上所述，已有的研究多是通过问卷调查的方式对交通标志图片做理解性分析，忽略了交通标志所处真实道路环境对标志视认的影响，同时也缺少对交通标志认知理解时间的定量分析，而视认反应时间也是衡量标志理解有效性的重要指标。因此，在交通科技不断发展的影响下，针对道路交通标志的有效性研究是十分必要的，本文以真实道路环境中的交通标志为研究对象，采用E-Prime2.0 软件进行测试实验，探究标志背景环境和驾驶人年龄对标志理解水平和视认反应时间的影响，评估驾驶人对交通标志的认知理解程度，是城市交通系统规划的重要组成部分，对提升我国道路交通安全性具有深远意义。

1 实验方法

1.1 被试人员

本实验共招募两个年龄段共80名被试人员（男生45名，女生35 名），其中42 名为青年参与者，年龄为20～40岁（平均值=27.5，标准差=2.4）；38名为老年参与者，年龄为41～60 岁（平均值=51.1，标准差=2.6）。所有参与人员的正常视力或矫正视力都在4.8 以上，满足实验要求，所有人员均具有中国正式机动车驾驶证，并且驾驶年龄都在3年以上。

1.2 实验装置

本实验采用心理学操作平台E-prime2.0 软件，该软件可按照设计程序显示预先制作的交通标志图片，并可采集被试人员的键盘操作来计算反应时间，时间精度为10毫秒。

本实验研究对象为我国《道路交通标志和标线》[22]规范中常见的交通标志，实验材料选取了13 张警告标志、9 张禁令标志、4 张指示标志、4 张指路标志，共30 张交通标志。实验使用的标志采用AutoCAD 软件设计并用Photoshop软件处理，设计满足规范要求。表1所示为本实验选取的交通标志图片及其含义。

表1 本实验使用的30个交通标志及其含义

1.3 实验方案设计

采用E-Prime2.0 软件进行交通标志认知实验，数据结果采用SPSS19.0 软件统计和分析参与人员的回答准确率和反应时间。在实验过程中，参与者坐在电脑前，眼睛和屏幕中心保持约70cm 的距离，实验开始时屏幕中央出现一个“+”，以吸引参与者的注意持续1000ms。此后，屏幕中心出现交通标志，要求参与者完成视认并做出反应，然后向工作人员说明自己对交通标志含义的理解。参与者做出反应后通过按键进入下一个交通标志前屏幕会变成白色，持续1000ms。实验的详细演示顺序如图1所示。

图1 实验刺激流程图

为研究交通标志所处的真实背景环境对标志认知理解的影响，本实验对30张交通标志进行了两种条件下的实验：一种是标志背景为白色，不包含交通标志所处的背景环境，称为“无背景环境组”，如图2 所示；另一种交通标志背景包含标志所处的真实驾驶环境，称为“背景环境组”，如图3所示。两组实验的交通标志位置尺寸大小一致，并且以随机的顺序向参与者展示。

图2 无背景环境下连续弯路标志测试界面

图3 有背景环境下连续弯路标志测试界面

1.4 实验流程

（1）实验开始前，被试人员填写一份有关年龄，性别，驾驶经验以及平均每月行驶公里数的调查问卷。

（2）工作人员向被试人讲述实验流程和注意事项，保证被试人在实验前了解实验要求和内容。

（3）实验前，工作人员为被试人员调整好座椅、电脑与被试人之间的距离，提醒被试人员选择舒适的姿势，并放松心态。要求被试人员左手指放在电脑的“f”按键上，右手指放在“j”按键上。

（4）实验开始前屏幕上显示“交通标志理解测试即将开始”，被试人员按下“j“键后实验开始，屏幕随机展示交通标志图片，图片上方为“该标志的含义为？”的问题描述。被试人员理解标志后按下电脑“f“键，然后将理解的标志含义口述给工作人员，工作人员记录下被试人员的交通标志含义描述。

（5）被试人员完成1 组实验后，休息5 分钟缓解视觉疲劳，然后再进行下一组实验。

2 研究结果

2.1 交通标志理解准确性分析

为获得每个交通标志的理解准确性水平，对参与人员的理解测试回答内容进行了汇总分析。根据Ben-Bassat 等[23]对交通标志理解水平的量化研究，本实验选择4 个等级的理解水平，等级（+2）表示理解正确并且含义完整；等级（+1）表示理解的含义部分正确；等级（0）表示为理解不正确；等级（-1）表示为理解含义与交通标志真实含义截然相反。已有的研究[6]发现，驾驶人对交通标志达到基本的认知理解即可满足安全驾驶要求，将等级（+2）和等级（+1）归纳为理解正确类，等级（0）和等级（-1）归纳为理解错误类，在计算理解水平时，只考虑交通标志的正确回答次数。

各个交通标志在有无背景环境条件下的理解正确率分布情况如图4 所示，由图可知交通标志之间的理解水平存在很大差异，大多数交通标志在两种条件下的理解水平都达到了90%以上（标志5、11、16、18、19、20、22、24、26、28），而部分交通标志理解水平较低（标志1、9、25、27），未达到国际标准化组织ⅠSO3846 中67%理解正确率的要求，认为该类标志在使用过程中无法发挥有效传递道路信息的作用。

图4 交通标志在有无背景条件下理解正确率分布图

表2所示为有无背景条件下青年组和老年组在四类等级中回答准确率情况，由表格数据可以看出，交通标志背景环境对参与者理解标志影响不大，标志的理解水平与参与者年龄有关。采用皮尔逊卡方检验分析每个交通标志在有无背景环境下理解情况差异，结果表明只有标志23 存在显著性（χ2=3.95，p＜0.05），且有背景环境组正确率高于无背景环境组。对有背景环境组和无背景环境组的30 组标志回答正确率做配对t 检验，判断背景环境对理解准确性的影响，结果显示有背景环境组的回答正确率平均值为82.5%，无背景环境组的回答正确率为81.6%，交通标志的背景有无对驾驶人理解其含义准确性在0.05 显著性水平下没有差异（t（29）=1.328，p＞0.05）。

表2 青年组和老年组在四类等级中的回答准确率分布情况

研究采用独立样本t 检验判断青年组和老年组在回答正确率方面的差异性，结果显示青年组回答正确率（平均值=84.9%，标准差=12.1）明显高于老年组的回答正确率（平均值=79.2%，标准差=16.4），青年组和老年组在正确识别交通标志百分数方面存在显著性差异（t（58）=2.16，p＜0.05）。

2.2 交通标志理解反应时间分析

图5、图6分别为青年组与老年组在有无背景环境下理解交通标志的反应时间分布，即被试参与人员由开始看到交通标志到按下“f”键所花费的时间。理解认知时间衡量了参与人员理解交通标志的难度，花费的时间越长则表示该标志的认知难度越大，反之亦然。由图5、图6 可以看出，青年组与老年组的反应时间存在较大的差异。对于平均反应时间而言，青年组的反应速度明显快于老年组，分别为2.02s（标准差=0.49）和3.27s（标准差=0.74）（配对t（59）=18.17，p＜0.01）。

图5 青年组有无背景条件反应时间分布图

图6 老年组有无背景条件反应时间分布图

表3所示为有无背景条件下青年组和老年组反应时间在四类等级中的分布情况，可以看出在有背景环境下的平均反应时间（青年组=2.10s，老年组=3.57s）都明显高于无背景环境组（青年组=1.95s，老年组=2.97s）的平均反应时间。研究采用配对t检验判断实验过程中有无背景环境对反应时间的影响，结果显示有无背景环境对青年组（t（29）=5.62，p＜0.01）和老年组（t（29）=9.38，p＜0.01）都有显著性影响。老年驾驶人反应时间的标准差明显大于青年组，表明老年驾驶人在标志认知运动中表现出更大的差异性。

表3 青年组和老年组反应时间（和标准差）在四类等级中的分布情况

2.3年龄和背景条件下反应时间模型

对不同年龄和背景条件下驾驶人反应时间建模，以年龄以及交通标志背景作为自变量，以反应时间为因变量，由于年龄和标志背景之间相互独立且不存在多重共线性，因此建立多元线性回归模型，模型表达式如下：式中：y为因变量；β0为常数项，也称截距；β1为偏回归系数，表示当方程中其他自变量保持不变时，自变量Xi变化一个计量单位，因变量Y的平均值变化βi个单位；ε为随机误差，且ε～N（0，σ2）。

回归模型系数表列于表4。结果表明：自变量年龄（p＜0.01）以及标志背景（p＜0.01）均对因变量反应时间有显著影响，模型拟合度R2=0.735，“F 统计量”的概率值为69.415，显著性p＜0.05，说明自变量年龄以及交通标志有无背景与因变量反应时间之间存在着一定的线性关系，故最终的模型具体公式如公式（2）所示。式中：y为驾驶人反应时间，xn为年龄变量（青年组取0，老年组取1），xb为背景环境变量（无背景环境取0，有背景环境取1）

表4 回归模型系数表

3 结论与建议

3.1 结论

本文通过室内模拟实验，建立了驾驶人年龄、标志背景与视认反应时间的模型，量化了交通标志使用过程中驾驶人年龄和标志背景环境的影响，得到了交通标志的辨识度水平。主要结论如下：

（1）交通标志的认知准确率和反应时间与驾驶人的年龄水平显著相关。青年驾驶人与老年驾驶人对交通标志的理解和视认时间存在很大的差异性，青年驾驶人更容易理解交通标志的含义，而随着年龄的增长，老年驾驶人的认知理解能力下降，对交通标志的认知反应时间更长。

（2）交通标志的真实背景环境对标志的理解水平没有显著影响。两组参与者在有无交通标志背景环境下的理解准确率相似，说明交通标志背景环境的存在与否不会对驾驶人理解标志产生积极或负面的影响。对于一些交通标志，真实的背景环境提高了其理解准确率，但是对于某些交通标志，在白色背景下的视认准确率更高，证实了真实的背景环境一方面能够传递与标志相关的道路环境信息，另一方面也会因为所含信息复杂而干扰驾驶人对其含义的理解。因此，在做室内模拟研究交通标志理解性的问题时，为了减少不同背景环境对被试人员反应时间的差异，可以选择空白背景的标志进行实验研究，减少因特定环境对实验误差的影响。

（3）交通标志的真实背景环境显著增加了驾驶人理解标志的反应时间。在视认过程中，交通标志的自然环境背景元素分散了参与者的注意力，进而影响了参与者对交通标志信息的提取速度。并且自然环境背景元素对老年组驾驶人的反应时间影响更大，由于老年驾驶人认知灵活能力和信息处理能力表现较差，导致他们从具有背景环境的交通标志中提取信息的难度就更大，需要更久的时间来理解认知交通标志。

3.2 建议

针对我国道路交通标志存在的辨识度差、使用效果不佳等问题，在此做了一些改善交通标志有效性的建议，如下：

（1）加大交通标志的宣传力度，加强驾驶人对交通标志准确含义的认知，提高标志的理解水平和理解速度。可以通过媒体广告和教育宣传等活动，提醒驾驶人注意交通标志的具体意义。采取定期交通标志考核培训的方式，将交通标志含义的考核视为驾驶人重新获得驾照和驾照更新过程的一部分，一年内可为驾驶人组织至少一次的短期培训考核，使其重新熟悉标志，增强其对交通标志的记忆理解。

（2）道路监管部门应加强对交通标志实际使用效果的评估，筛选出驾驶人识别和理解不足的交通标志，将部分视认效果较差的交通标志加入到驾照考核培训内容中。根据人体工程学的指导原则，对现有的标志做进一步的改进设计，如在较难理解的标志上方或下方添加相关含义文字，使交通标志能够有效发挥其使用功能，保证驾驶人的行车安全性。

（3）在交通标志的设置位置上，要着重考虑老年人认知反应较慢的因素，并要充分考虑驾驶人的心理接受距离与反应、行动距离，合理安排交通标志的前置距离。同时，交通标志所设位置要减少环境因素的干扰，避免光线、植被、广告牌等外部环境对驾驶人的分心影响，保证交通标志良好的视认环境。