考虑驾驶人特性的指路标志视认反应时间研究

魏田正, 张 杰, 李晨新, 刘浩学,4, 朱 彤

(1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3.长安大学 运输工程学院，陕西 西安 710064;4.长安大学 汽车运输安全保障技术交通行业重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引言

指路标志是向道路使用者传递道路方向、地点和距离，或提供与之相交道路、著名地点、服务区等信息的重要交通标志，是为驾驶人提供重要交通信息的载体。指路标志的版面包含许多设计因素，现行《道路交通标志和标线》(GB5768.2—2009)对指路标志的颜色、形状、汉字高度、字体等有明确的规定，但对于指路标志是否需要中英对译、版面设计等的规定并未明确[1]，各地方标准规范中指路标志设计与使用的有关规定也不尽相同。作为道路视觉信息的一部分，指路标志影响驾驶人的视觉特性，进而影响驾驶人的视认反应时间[2]。因此，研究驾驶人对指路标志的视认反应时间对于保证驾驶人快速、安全的到达目的地具有重要意义。

已有研究多集中于探究信息量对指路标志视认反应时间的影响，Liu[3]、赵淑婷[4]、陈炎等[5]均研究了标志信息量与视认时间的关系，以路名数作为信息量来得出标志的信息阈值。杜志刚等[6]运用室内模拟试验分析了指路标志信息量与视认反应时间的定量关系。刘光辉等[7]分析了指路标志的汉字个数阈值、路名数阈值与极限认知时间的关系。除了基于路名、地名个数的信息量研究，有关学者还探究了基于信息理论的指路标志信息量。Chaurand等[8]基于信息论计算了每块标志牌的信息量以便后续开展指路标志影响下的驾驶行为研究。左淑霞等[9]基于信息理论进行了视认研究, 得出标志信息信息量阈值为286.3 bit。吕能超等[2, 10]基于信息理论成果定量计算了交通标志牌上每个元素的信息量，对每种元素赋权以最终得到整块标志牌的信息量。视认反应时间研究也包括对于指路标志版面设计及文字组合的问题。崔正虎[11]研究了指路标志上文字横向排列与纵向排列方式对驾驶人视认、理解特性的影响。许亚琛等[12]量化了信息量及信息量矩阵排列对视认时间的影响。李国芳等[13]通过对比改进版面和国标推荐版面，发现在搜索认知方面2种版面间无显著差异。杨曼娟等[14]发现在3条路名信息情况下，3种语言及以上对照的指路标志和单语指路标志之间的视认反应时间有显著差异。以上对于视认规律的探索研究多数为基于室内模拟试验，毫秒级心理学软件E-prime在探究指路标志视认反应时间的有关研究中得到了大量的使用，表明在对视认反应时间研究方面，利用E-prime软件进行室内的模拟具有相对有效性。

综上所述，已有研究多集中于指路标志设计因素对于驾驶人视认反应时间的影响，且较多地基于路名数量展开信息量研究，而且对于文字组合问题的研究是基于3条路名信息条件进行的，指路标志研究设计中较少关注驾驶人异质性对其视认反应时间的影响。因此，在文献综述的基础上，本研究遴选信息量、版面形式(简称版面)、文字组合、路名熟悉度、驾驶人特性指标等变量，搭建基于E-prime的试验仿真平台，探究标志设计及驾驶人特性因素对指路标志视认反应时间的影响，以期为指路标志的优化设计及驾驶人安全驾驶培训提供参考与借鉴。

1 试验

1.1 被试者招募

本试验共在西安市招募了34名被试驾驶人，其中男性16名，女性18名，所有被试者的裸眼视力或矫正视力均达到4.8及以上，试验前状态良好，无熬夜、饮酒等情况，且均未做过类似试验。

1.2 指路标志设计

根据《道路交通标志和标线 第2部分: 道路交通标志》(GB 5768.2—2009)[1]及地方标准的相关规定，利用AutoCAD软件设计了51块(3块用于练习，48块用于正式试验)城市道路不同交叉口的指路标志，路名条数从3条到6条，选择了2种常见版面并考虑了路名文字组合，指路标志中路名一部分为虚构，一部分源于被试驾驶人生活区域中的西安市路名。为保证试验结果的可靠性，在试验过程中，路名均不连续重复出现。每种相同特征的指路标志设置了3次试验以增加样本数据的可靠性，具体示例如图1所示。为消除路名汉字不同而可能产生的影响，文字组合对照组除了文字组合变量，其余变量均相同，且所有指路标志的汉字避免使用生僻字。

图1 指路标志示例

1.3 试验方案

本研究利用可采集毫秒级反应时的心理学软件E-prime2.0进行试验设计，标志显示屏幕分辨率设置为1 024×768，图片大小及像素均通过Photoshop进行一致性处理。虽然在动静态下视认反应时间有所不同，但许多研究表明，驾驶人对交通标志图片的静态视认反应时间可以作为交通标志的评价指标[15-17]。

本试验包含了51组视认反应试验，具体为3组练习试验和48组正式试验。视认反应试验流程如图2所示。当试验开始时，屏幕出现“+”持续800 ms 提示目标路名即将出现，随后在屏幕上呈现目标路名，被试者需要记住该目标路名，并在随后出现的指路标志上找到并确认其所处位置，指路标志的呈现不设置限定时间，直到被试者做出位置按键反应。试验会对被试者的每个判断进行正误反馈，以激励被试者认真试验，正误反馈后保留了1 000 ms的空白来掩蔽刺激。为避免指路标志中目标路名所处位置对视认反应时间的影响，设计过程中维持上、左、右3个方向的目标路名数量平衡，试验中各指路标志的顺序随机出现以抵消顺序效应的影响。

图2 视认反应试验流程

1.4 试验流程

试验在单独的实验室中进行，以确保被试者处于安静的试验环境，减少外界环境对被试者视认反应的干扰。具体试验流程如下：

(1)正式试验前，统计被试者人口学因素并要求其填写基于7级李克特评分法的目标路名熟悉度量表。该表将被试者对路名熟悉程度从“非常陌生”到“非常熟悉”分为7级，收集了被试者日常生活中对本试验所涉及全部目标路名的熟悉程度。

(2)工作人员讲解视认反应试验的测试步骤，确保每位被试者清楚试验的要求、内容及具体操作。

(3)在视认反应试验过程中，被试者坐于电脑前大约70 cm处[2]，确保被试者可清晰看见指路标志上的内容。试验流程如图2所示，被试者按照目标路名选择其在标志牌上对应的位置并按下相应的“↑”、“←”、“→”键。

(4)为缓解疲劳，每隔8组任务穿插1张风景图，被试者可稍作休息，试验结束后根据任务总体正确率，每名被试者获得一定的酬劳。

2 数据处理及分析

2.1 数据预处理

在试验中，软件采集了被试者视认反应时间及反应正误结果，被试者所给的按键反应结果与目标路名所在方位不一致的，视为反应错误数据，对该次视认反应任务对应的视认时间予以剔除。同时，由于被试者分心、状态不佳或随机性的影响，在试验过程中不可避免地会出现视认时间明显高于或低于其他值的情况，将这些视认时间作为异常数据剔除，可用统计学的方法加以处理。本研究选择基于SPSS箱形图的数据处理方法来剔除异常值，最终一共剔除了13组错误数据和53组异常数据，剩余有效数据为1 566组。将驾龄≤2 a的驾驶人定义为新手驾驶人，将驾龄>2 a的驾驶人定义为经验驾驶人[18]。

2.2 数据分析

2.2.1 指路标志设计因素对驾驶人视认反应时间的影响

(1)信息量

图3为不同信息量条数下视认反应时间均值的拟合曲线。可以看出，随着指路标志中信息量条数的增加，驾驶人视认反应时间也增加，且具有近似线性正相关关系。

图3 信息量条数与视认反应时间关系

(2)版面与文字组合

被试者对不同指路标志版面及文字组合的视认反应时间如图4所示。无论是在仅中文情况下还是中英对译情况下，驾驶人对于版面1和版面2的视认反应时间均随着信息量条数的增加而增加，在文字为仅中文的指路标志中，驾驶人对于版面1的平均视认反应时间低于版面2。在同一版面中，指路标志文字仅中文与中英互译的视认反应时间相互之间差别不大，且同样随着信息量条数的增加而增加。

图4 驾驶人视认反应时间变化曲线

(3)标志设计因素对视认反应时间的影响

为进一步分析指路标志设计因素对驾驶人视认反应时间的影响，对被试者视认反应时间使用SPSS进行2×2×4的多因素方差分析。表1为三因素方差分析的结果。可以看出，版面、文字组合和信息量条数三者之间的交互作用对于驾驶人视认反应时间的影响不具有统计学意义(显著性p=0.105)。信息量条数对因变量具有显著性作用(p<0.05)，随着指路标志中信息量条数的不断增加，驾驶人的视认反应时间也增加，说明驾驶人在指路标志中发现目标道路的难度逐渐增大。版面和信息量条数二者之间具有交互作用(p=0.016<0.05)。进一步地通过对信息量条数的简单主效应分析得，随着指路标志信息量条数的增加，驾驶人对于目标道路的视认反应时间估算边际平均值显著增加。通过对版面的简单主效应分析发现，通过优化指路标志的版面，可降低驾驶人对于指路标志中目标道路的视认反应时间。

表1 三因素方差分析结果

2.2.2 驾驶人特性指标对其视认反应时间的影响

(1)目标路名熟悉度

运用k-means聚类分析法将熟悉度分为熟悉与陌生2类，对于各组数据中存在异常值的情况，采用第二极值法进行修正。图5为在不同指路标志下驾驶人对目标路名平均反应时间的对比，其中0表示指路标志文字仅为中文，1表示路名文字为中英对译。由图5可得，指路标志下驾驶人视认反应时间在不同路名熟悉度间具有差异，相对于陌生目标路名，驾驶人在熟悉目标路名时的视认反应时间较短。驾驶人对不同路名熟悉度的视认反应时间随着指路标志信息量的增加而增加。随着指路标志信息量的增加，与版面2相比，不同路名熟悉度在版面1间的平均视认反应时间差异较小。文字组合在不同路名熟悉度间的差异不明显。

图5 路名熟悉度的视认反应时间比较

(2)人口学因素对视认反应时间的影响

驾驶人人口学因素的描述性统计如表2所示，在新手驾驶人中，性别之间的平均视认反应时间基本相同，而在经验驾驶人中，男性的平均视认反应时间低于女性，表明对于相同的指路标志，男性驾驶人可能会比女性驾驶人更快地视认出目标路名所在位置。

表2 人口学因素描述性统计

(3)驾驶人特性对其视认反应时间的影响

为探究驾驶人特性对指路标志视认反应时间的影响，遴选驾驶人的性别、驾龄及目标路名熟悉度，对被试者的视认反应时间使用SPSS进行2×2×2的多因素方差分析。表3为三因素方差分析结果。可以看出，性别、驾龄和目标路名熟悉度三者之间的交互作用对于驾驶人视认反应时间的影响不具有统计学意义(p=0.619)。性别(p<0.05)和路名熟悉度(p<0.05)对驾驶人视认反应时间具有显著性影响，男性驾驶人的视认反应时间小于女性驾驶人。性别和驾龄(p=0.001<0.05)、驾龄和目标路名熟悉度(p=0.02<0.05)二因素之间均存在显著交互作用。进一步通过简单主效应分析得，男性经验驾驶人的视认反应时间显著低于女性经验驾驶人(p<0.01)，新手男性驾驶人视认反应时间显著大于有经验的男性驾驶人(p=0.048<0.05)，而新手女性驾驶人视认反应时间却显著低于有经验的女性驾驶人(p=0.009<0.05)，可能是因为女性随着驾驶经验的增加，对待驾驶会更加谨慎从而导致视认反应时间变长。总体上，经验驾驶人比新手驾驶人视认反应时间短。对于陌生目标路名，新手驾驶人的视认反应时间显著高于经验驾驶人(p=0.042<0.05)，且在新手驾驶人(p<0.01)与经验驾驶人(p=0.015<0.05)中，熟悉目标路名时驾驶人的视认反应时间显著低于陌生目标路名时的视认反应时间。

表3 三因素方差分析结果

3 视认反应时间影响因子计量模型

为定量研究变量间关系，引入多元回归法构建视认反应时间影响因子计量模型，模型表达式为：

y=B0+B1x1+B2x2+…+Bkxk+ε，

(1)

式中，B0为常数项；B1，B2，…，Bk为偏回归系数；ε为误差项。

利用SPSS软件和逐步法对标准化后的自变量进行筛选，最终得到了3个模型，拟合情况如表4所示。R2(R为相关系数)与校正决定系数(AdjustedR2)是衡量所建模型妤坏的重要指标。AdjustedR2与R2不同的是，当模型中增加的变量没有统计学意义时，校正决定系数会减小，因此，采用AdjustedR2来衡量所建模型的好坏。该值越大，模型拟合得越好。结合表4～表5，模型3能较好地解释因变量的变化(AdjustedR2=0.583，F=59.186，p<0.05)，一般采用Durbin-Watson(DW)值检验测量残差项之间的相关性，DW值越接近2，残差项相关性越弱。该多元线性回归模型的DW值为1.721，说明残差序列之间相互独立。故选用模型3进一步分析，得到回归参数信息，如表5所示，且自变量的容差均大于0.1, 方差膨胀因子VIF均小于10，说明各自变量与因变量之间不存在多重共线性。基于以上分析，得到如视认反应时间影响因子计量模型：

表4 模型拟合情况

表5 多元回归模型参数

y=23.62+151.989X1+155.845X2+69.045X3，

(2)

式中，y为视认反应时间；X1为信息量；X2为性别(X2=1，男性；X2=2，女性)；X3为路名熟悉度(X3=1,熟悉；X3=2，陌生)。

偏回归系数是在消除其他变量影响的条件下，计算该自变量与因变量之间的相关系数。从式(2)中的偏回归系数来看，男性的易读时间比女性少155.845 ms；在熟悉目标路名情况下比陌生目标路名少69.045 ms；增加1条路名则易读时间相应增加151.989 ms。通常以标准回归系数来比较变量之间的重要性。由表5可得，3个变量的重要度由大到小排序为：信息量>性别>路名熟悉度。

因此，降低指路标志易读时间最有效的手段是减少标志牌的信息量，这与“标志牌尽可能多地传递交通信息”的功能相矛盾，因此，需对指路标志信息量的阈值进行探究。已有研究表明指路标志的视认时间极限为1 610 ms[4]，以视认反应时间影响因子计量模型进行计算，结果为指路标志信息量不超过7条，故指路标志的信息量阈值为7条。

4 结论

本研究基于城市道路交叉口指路标志，从指路标志设计指标及驾驶人特性指标2方面，在文献综述的基础上遴选版面、文字组合、信息量条数、驾驶人性别、驾龄、目标路名熟悉度等指标进行了相关分析，探究了各指标对驾驶人视认反应时间的影响。基于逐步回归法建立了视认反应时间影响因子计量模型，结论如下：

(1)指路标志版面和信息量之间对驾驶人的视认反应时间存在交互作用。文字组合对视认反应时间无显著影响，此结论与以往研究相同。路名条数与视认反应时间呈正相关关系。

(2)相比于陌生目标路名，驾驶人对于熟悉目标路名的指路标志视认反应时间较短；男性驾驶人对指路标志的视认反应时间小于女性。

(3)视认反应时间影响因子计量模型的AdjusedR2达到了0.583，能对变量引起的视认反应时间变化进行有效解释。

(4)版面与信息量之间存在交互作用。

(5)降低指路标志易读时间最有效的手段是减少标志牌的信息量，指路标志的信息量阈值为7条。

基于以上研究结果对未来的研究和指路标志设计提出以下建议：

(1)中英对译的指路标志不会使视认反应时间显著增加，故为了给驾驶人更多的信息，可推荐指路标志选用中英对译。

(2)在对城市道路进行命名时，可在城市间共用相同路名，以提高驾驶人的路名熟悉度，降低视认反应时间；可将性别等驾驶人特性因素考虑在内，针对性地进行安全培训，以提高驾驶人视认指路标志时的安全驾驶能力。