基于逆反射系數衰減的隧道路面文字視認效果

尚婷, 游寶, 連冠, 唐鄒安

(1.重慶交通大學交通運輸學院, 重慶 400074; 2.重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074)

受地形、地質等因素的影響,山區高速公路特長隧道與前方主線凈距偏小的情況普遍存在。在此情況下,欲駛離主線的駕駛人需在有限的換道區域內經歷明適應、識讀指路標志、判斷換道條件、執行換道操作等復雜的過程[1]。道路標線通過傳遞特定的信息來規范和引導交通流,對于提高交通效率、保障交通安全將起到極大的推動作用。因此,曹永臣[2]提出采用“路面文字+指路標志”的方式對駕駛人進行誘導,其中路面文字屬于一種特殊的路面標線。在隧道內設置路面指示文字能為駕駛人提供一定的心理預期,提前做好換道準備,減少識讀指路標志和判斷換道條件等過程的時間[3]。然而隧道內的路面文字經過長時間的碾壓、磨損以及汽車尾氣、油漬的附著,致使路面文字模糊程度增大,極大地影響了駕駛人的視認水平。

車燈燈光被標線反射回司機視野的現象叫做“標線逆反射”,反射強度即為逆反射值。逆反射數值越大,顯現出標線的路段越長,司機的視距越遠,行車相對更安全。如何降低逆反射系數的衰減程度對駕駛人視認效果的影響成為行業內一直探討的熱點。國內外學者關于道路交通標志標線的逆反射性能以及駕駛人的視認特性進行了大量研究。在標志標線的逆反射性能方面,Khrapova[4]通過對交通標志反光膜逆反射系數的影響因素研究,建立了逆反射系數與時間的關系模型,結果表明交通標志設置的位置和標志板的角度對反光膜反光性能的衰減影響較小;郝曉燕等[5]通過構建基于指數函數的數學模型,量化了標志表面灰塵對于其逆反射系數的影響,揭示了標志標線可視性隨時間的衰減規律;陳艷艷等[6]研究發現不同顏色、不同類別反光膜的逆反射系數衰減規律存在顯著差異,但衰減程度均隨著設置時間的延長而逐漸減緩;蔣海峰等[7]研究了交通標志反光膜逆反射性能與視認水平的關系,結果表明交通標志的平均視認距離隨著反光膜逆反射系數的降低呈現非線性下降趨勢。在交通標志與駕駛人視認特性方面,Liu等[8]研究發現不同的交通標志組合與駕駛員的識別時間之間存在顯著的關系,隨著交通標志組合的增加,駕駛員的識別時間顯著增加;戚春華等[9]研究不同標志信息量對駕駛員視認行為的影響,得到隨著標志信息量的增加,駕駛員注視持續時間呈上升趨勢,掃視平均速度則呈下降趨勢;朱守林等[10]研究不同信息量和駕駛熟練程度對駕駛員視覺特性的影響,發現熟練駕駛員注視分布區域比非熟練駕駛員更遠也更分散,而非熟練駕駛員對近距離區域的關注程度高于熟練駕駛員;裴玉龍等[11]通過構建路面文字和指路標志協同設置的安全距離模型,得到了二者的最佳設置間距;梁波等[12]通過研究隧道出口處交通標志與駕駛人感知的關系,得到了特長隧道出口處駕駛人的明適應時間,結果表明交通標志與行車道位于同側時,駕駛人的反應時間較短。

綜合上述文獻發現,以往主要是針對交通標志的逆反射性能以及駕駛人的視認特性進行研究,而針對駕駛人對交通工程設施的視覺特性研究也大多側重于對交通標志的信息量閾值、有效性評價和交通標志的設置位置等方面,鮮見駕駛員對路面指示文字的視覺特性進行研究,特別是隧道內路面文字逆反射系數衰減程度對駕駛人視認效果影響的研究相對較少,且駕駛人對路況的熟悉程度顯著影響路面文字的視認水平?；诖吮尘?現以毗鄰互通的特長隧道路段為研究場景,采用模擬駕駛試驗的方式,采集駕駛人的視認數據和車輛運行數據,從而研究逆反射系數衰減的路面文字對駕駛人視認水平和行車特性的影響,以期為路面指示文字的設計與養護、提升隧道毗鄰互通出口路段的通行安全提供相關理論依據。

1.1 駕駛人視認過程

根據駕駛人在隧道內行駛過程中視認路面文字的行為特性可將路面文字識讀過程遵循“發現-視認-理解-響應”四個過程,如圖1所示。車輛行駛至A點發現E點路面文字,經過一定的反應時間后在B點開始識讀路面文字,在C點讀完并理解路面文字信息,到達D點時受到視域范圍影響,路面文字在視野中消失,其中A點與D點之間的距離即為視認距離,二者的時間差則為視認時間。在駕駛人行駛過程中,完成信息的視認,根據自身需求進行路徑決策。

圖1 路面文字視認過程Fig.1 Road surface indication recognition process

1.2 路面文字設計

本次試驗采用Auto CAD軟件按照1∶1的比例繪制路面指示文字,具體細節如下。

1.2.1 字體的高寬選擇

字體的高度以及寬度在一定程度上影響著駕駛人的視認水平,理論上為字體高度越大駕駛人視認距離越遠。但在實際設計過程中,受道路路幅寬度限制,路面文字尺寸不可能無限大。文獻[13]針對漢字高度和車輛運行速度的關系,規定了不同速度下漢字高度的推薦值,如表1所示。

表1 漢字高度與運行速度對照表

試驗采用高速公路隧道路段規定的運行速度(60～80 km/h),此運行速度下的最大字高為 600 cm,字寬為200 cm,縱向間距為400 cm。

1.2.2 地名選擇

常見地名有二字地名與三字地名,根據統計,二字地名相對三字地名更普遍,為控制變量,本文中均選取二字地名。且為避免熟悉效應,本試驗從重慶市及貴州省的周邊區縣選取二字地名為實驗對象,選取地名時避開選取生僻字,同時為避免順序效應,對其進行隨機組合。

1.2.3 路面指示文字模糊化處理

實際路面指示文字逆反射系數衰減過程可類比文字圖像逐漸模糊化的過程,張濤等[14]指出圖像的模糊程度與其稀疏表示系數之間有著緊密的關系,提出了基于稀疏表示的圖像模糊度函數,表達式為

(1)

式(1)中:Mblur∈(0,1],為圖像模糊度;A為歸一化因子,取1;b取值1或-1,用于保證模糊度函數隨著圖像污損程度的增加,函數值遞增;Ln(a)為圖像模糊度參數;γ和σ為靈敏度調整因子,γ可取1或 2。

依據自然圖像具有局部相似的特點,將圖像分成互不重疊的圖像塊,每一個圖像塊進行稀疏分解的向量構成了整幅圖像的稀疏表示,即

(2)

式(2)中:ai,j(k)表示圖像中第(i,j)塊分解系數的第k個分量;r表示行總數;c表示列總數。

由于人眼對圖像中的各區域及其特征的關注度是不一樣的,故引入關注度系數矩陣w表示該特性,表達式為

(3)

(4)

式(4)中:(m,n)為焦點塊坐標;σa決定關注度系數的下降速度。

圖像模糊度參數Ln(a)表達式為

(5)

基于稀疏表示的圖像模糊度函數,計算不同圖像稀疏度下路面指示文字逆反射系數衰減程度,根據董凱[15]統計城市道路導向箭頭使用一年后的逆反射系數衰減特性規律,本文中將路面指示文字可視性衰減程度分為四級:第一級為路面文字逆反射系數無衰減,此程度下駕駛人能輕易辨識文字信息;第二級逆反射系數衰減程度為20%,此程度下路面文字稍有模糊,駕駛人需稍加注視才能辨識路面文字;第三級衰減程度為40%,逆反射系數衰減嚴重,此程度下駕駛人根據路面文字殘留信息大體了解文字內容;第四級衰減程度為70%,文字信息非常模糊,此程度下駕駛人全程高度注意也難以獲取有效信息。以“彭水直行”+“黔江右行”為例,不同逆反射系數衰減程度的路面文字如圖2所示。

圖2 不同逆反射系數衰減程度的路面指示文字Fig.2 Road surface indication with different retro reflection coefficient attenuation

1.3 試驗儀器

試驗采用基于UC-win/Road 的駕駛模擬器,模擬器以30 Hz的頻率記錄駕駛績效指標,并在一次試驗結束后將試驗數據自動保存,駕駛模擬器如圖3 所示。

圖3 駕駛模擬器Fig.3 Driving simulator

德國眼動追蹤公司(senso motoric instruments,SMI)的SMI2.1眼鏡式眼動儀,采樣頻率為 60 Hz,追蹤精度為0.1°,攝像頭在水平和垂直方向的追蹤范圍分別是60°和46°。

1.4 被試選取

選取被試時樣本量需滿足最少樣本量需求,最小樣本量n的公式為

(6)

式(6)中:n為樣本量;k為置信度水平系數;σ為樣本標準偏差;E為允許誤差。通常,選擇10%的顯著性水平來反映未知參數的90%置信水平。當置信水平為 90%時,k=1.25;σ取值為 0.25～0.5,由于試驗人數限制,σ取為 0.40;E=10%,計算所需最小樣本量為25。在滿足最小樣本量的基礎上進一步提高精度,同時為保證一定的冗余,本次試驗選取32名被試,年齡為24～55歲,平均年齡為34歲;駕齡均超過2年;女性駕駛10名,男性駕駛員22名,符合中國機動車駕駛員的年齡、性別比例。被試人員的視力或矯正視力均在4.8及以上,無色盲、色弱現象。

為研究路面指示文字可視性衰減對駕駛人視認特性的影響,將被試隨機分成兩組,一組被試提前在模擬試驗路段上進行訓練,熟悉路段中的行車環境以及不同組合的路面指示文字信息,并對此組被試進行路名方向判斷測試,當正確率達到90%且全程安全通過試驗路段,可認定被試熟悉路況,將其定義為熟悉路況組。另一組被試在不參與正式試驗的模擬路段中練習,僅熟悉試驗儀器以及駕駛模擬器的使用方法,并安全通過試驗路段即可,此組定義為不熟悉路況組。為下文便于敘述,將熟悉路況組定義為a組,不熟悉路況組為b組。

1.5 試驗流程

1.5.1 預試驗

正式試驗前先進行預試驗,可發現試驗的不足,后期加以改進,預試驗也能提前讓被試熟悉試驗流程。被試分為a組和b組,兩組被試在駕駛模擬器上模擬行駛,對隧道出口路面指示文字進行視認,根據試驗前輔助人員告知的地名信息進行決策,駛離隧道后需直行或駛離匝道,并確保全程安全通過試驗路段。

1.5.2 正式試驗

將路面指示文字可視性衰減程度分為四級,被試隨機抽取一個模型進行模擬試驗,告知被試從抽取模型中的地名信息駛離,并注意視認隧道出口的路面文字信息,當識別到目的地前的隧道出口路面文字信息并最終安全駛離匝道出口,此次試驗才算成功。為避免試驗過程中被試行駛路徑的差異對路面文字視認結果產生影響,10組地名模型中的路面指示文字均設置在隧道較為平直的區域,主要改變路面指示文字的模糊程度、排列組合以及放置位置。為滿足試驗分析對數據的要求,每個被試進行4次實驗,每次試驗后休息15 min繼續試驗,試驗過程如圖4所示。

圖4 仿真試驗過程圖Fig.4 Simulation test process diagram

對32名被試分別進行4次試驗,得到共計128組試驗數據,剔除12組無效數據,得到116組有效數據,數據有效率為90.6%。

2.1 平均視認次數

駕駛人獲取信息的方式主要依靠視覺,視認次數能在一定程度上反映駕駛人在視認過程中的駕駛狀態以及獲取信息的難易程度。對于熟悉與不熟悉路況駕駛人在隧道中識讀路面指示文字,視認次數能較好地反映兩組被試的差別,視認次數越多,駕駛人獲取信息的難度相對越大。

根據此次試驗統計,最優條件下駕駛人視認路面指示文字的最遠距離約為150 m,即在路面指示文字清晰時,駕駛人在約150 m處能視認路面指示文字。故此次試驗統計了a組與b組被試在四種逆反射系數衰減程度下距路面指示文字150～0 m過程中的視認次數,此次試驗取30 m為一個單元進行數值統計,統計數據如圖5所示。

圖5 不同逆反射系數衰減程度下平均視認次數Fig.5 Average visual recognition times under different attenuation degrees of retro reflection coefficient

當路面指示文字逆反射系數衰減程度為0時,a組被試在距路面指示文字150～120 m內,視認次數最多,平均為4次,隨著路面文字靠近,視認次數逐漸減少,穩定在2次。而對于不熟悉路況的b組被試,在150～60 m內,駕駛人的視認次數逐漸增多,最高視認次數平均為5次,在60～0 m這段過程,視認次數逐漸降低,平均為 3次。a組被試在較遠處視認次數多主要是駕駛人對路況環境熟悉,注意力集中在道路前方,比不熟悉路況的b組被試更早注意到前方的路面文字信息,說明a組被試相對b組具備更優的前瞻性。而隨著距離逐漸變近,兩組被試的視認次數相應減少,但b組被試需要明確前方路面文字的具體信息,后期的視認次數比a組駕駛人多。

當逆反射系數衰減程度為20%以及40%時,由于路面指示文字變模糊,故被試在較遠處難以發現指示信息,只有當距離較近時,才能發現路面指示文字,相應的注視次數較清晰時有所減少。a組被試相對b組能在較遠位置發現路面文字信息,主要由于a組被試對路況、環境熟悉,明確路面文字信息位置,而對于b組被試,需集中注意力熟悉行車環境以保證安全,同時未知路面指示文字的具體方位?？傊?b組被試平均視認次數相對a組更多,說明不熟悉路況的駕駛人更難獲取位置信息,需投入更多注意力才能獲取有效信息,以確保路徑決策的正確性以及行車的安全性。

當衰減程度為70%時,a組被試與b組視認距離差別較小,在0～10 m范圍內波動。由于路面文字逆反射系數衰減嚴重,兩組被試在距路面指示文字5～10 m才發現路面文字信息,故視認次數較少,平均視認次數為2次。即使對路況熟悉的a組被試,也需距路面指示文字非常近才能視認。說明逆反射系數衰減較大時,a組被試相對b組在視認路面文字過程中的優勢不顯著。對于部分b組駕駛人,由于模糊程度過大,甚至未注意到路面文字信息。

利用SPSS軟件對平均視認次數數據進行方差分析,所得結果如表2所示。

表2 平均視認次數的方差分析結果

由表2可知,以0.05為顯著性水平,是否熟悉路況以及路面文字的衰減程度對駕駛人平均視認次數的影響顯著。

總之,b組被試平均視認次數相比a組多,說明在相同場景中,b組駕駛人獲取信息的難度大于a組駕駛人。但隨著路面標線逆反射系數衰減程度增大,兩組被試的視認次數都在減少且二者視認次數差值也在相應減少,可以理解為由于路面指示文字可視性降低,駕駛人的視認距離相應縮短,視認次數相應減少。而在逆反射系數衰減程度為70%時,熟悉路況的a組被試相對b組的視認優勢顯著降低。

2.2 視認準確率

當駕駛人在高速公路隧道中行駛時,由于車速較快以及路面指示文字逆反射系數衰減嚴重,駕駛人在視認過程中可能存在誤判、看不清、未注意到路面文字信息等情況,若隧道出口距離互通匝道較近,導致駕駛人不能及時明確自身位置導致駛過匝道,錯過出口位置。在視認逆反射系數衰減較嚴重的文字信息過程中,駕駛人可能誤判路面存在障礙物,分散其注意力,在高速行車狀況下極易引發安全事故。視認準確率能反映駕駛人的行車狀況以及視認過程中的準確程度,特別能反映a組與b組被試在不同可視性衰減程度下的視認效果。準確率越高,視認效果越好,反之則較差。兩組被試視認準確率如圖6所示。視認準確率定義為

圖6 不同逆反射系數衰減程度下的視認準確率Fig.6 Visual accuracy of road surface indication under different attenuation degree of retro reflection coefficient

(7)

式(7)中:M為視認準確率;Xij為ij條件下視認總次數,i為熟悉以及不熟悉路況駕駛人;j為路面指示文字逆反射系數衰減程度;Xc,ij為ij條件下視認正確次數。

路面指示文字逆反射系數衰減程度為0時,兩組被試的視認準確率均為100%;當衰減程度為20%,兩組被試的視認準確率分別為97.2%和95.6%,二者的視認準確率都較高。原因在于駕駛人視認過程中受到干擾因素較小,兩組被試都能清晰地看清路面文字信息從而進行有效決策。

當逆反射系數衰減程度為40%,兩組被試的視認準確率下降趨勢明顯,分別為83.3%以及71.4%,下降幅度分別為13.9%和24.2%。由于較快的車速以及逆反射系數衰減的影響,盡管是熟悉路況的a組被試,依然會受到干擾且做出錯誤判斷,但由于a組被試熟悉復雜的行車環境,有較充足的時間觀察前方,影響程度相對較小。而對于b組被試,主要精力在于觀察行駛的車況,由于路面文字污損程度較大,駕駛人難以視認,故視認準確率降低程度大。在逆反射系數衰減程度為40%時,a組被試相對b組在視認過程中優勢更大,此階段熟悉道路狀況、行車環境對駕駛人安全行車及有效視認有顯著積極作用。

當逆反射系數衰減程度達70%時, a組被試視認準確率降低,為67.1%,但大多數被試仍能從正確路線駛離,說明對于熟悉路況的駕駛人而言,路面指示文字對駕駛人的提醒作用較小,即使沒有路面指示文字提示,駕駛人仍能正確判斷位置從而有效決策。但對于不熟悉路況的b組駕駛人,視認準確率僅為54.7%,且在視認準確率正確的某些組,盡管正確識別但由于反應時間短而未能從正確的方向駛離。這在于衰減程度較大以及車速較快的綜合影響導致b組被試需要消耗更多的精力注意周圍的陌生環境,特別是在復雜的山區隧道環境,以保障行車安全,其中逆反射系數衰減程度的影響相對車速的影響更為顯著,路面文字逆反射系數衰減程度越大,對b 組駕駛人視認效果越不利。

對駕駛人的平均視認準確率進行方差分析,所得結果如表3所示。

表3 平均視認準確率的方差分析結果

由表3可知,以0.05為顯著性水平,是否熟悉路況以及路面文字的衰減程度對駕駛人平均視認準確率的影響顯著。

總之,隨著路面指示文字逆反射系數衰減程度加大,兩組被試的視認準確率均以不同程度降低。但總體a 組駕駛人由于熟悉效應,其視認準確率較b 組更大,在污損程度40% 時,熟悉路況的a 組被試視認準確率顯著高于b組。

2.3 速度變化率

速度變化率一定程度上能反映駕駛人的行車穩定性,速度變化率越小,說明駕駛人在視認過程中車輛穩定性越好,相對更安全。兩組被試在行駛過程中視認路面指示文字,其車輛的速度變化率存在一定差別,兩組被試在4種逆反射系數衰減程度下的加速度變化如圖7、圖8所示。在最優條件下,駕駛人視認路面指示文字的最遠距離約為150 m,故此次以距離標線150 m坐標位置為起始點。

圖7 不同衰減程度對加速度的影響Fig.7 Acceleration variation of road surface indication under different attenuation degrees

圖8 路況熟悉程度對加速度的影響Fig.8 The influence of road familiarity on acceleration

2.3.1 加速度波動位置

當路面指示文字逆反射系數衰減程度為0時,兩組被試加速度波動的初位置在-141 m及 -128 m;當衰減程度為20%時,兩組被試加速度波動的初位置在-114 m以及-95 m。此階段,路面文字清晰可見,道路環境熟悉程度對駕駛人影響較小,兩組被試均能在較遠處視認路面指示文字,故此階段最初加速度波動位置相對更早。

當逆反射系數衰減程度為40%時,兩組被試加速度波動的初位置在-75 m以及-62 m;當衰減程

度為70%時,加速度波動的最初位置在-12 m以及-5 m。此階段,隨著路面指示文字逆反射系數衰減程度加大,被試只能在較近處才能發現路面指示文字,故此時兩組被試加速度最初波動的位置相對更晚。

在視認路面指示文字信息時,隨著逆反射系數衰減程度增加,兩組被試加速度首次波動的位置距路面指示文字越近。當衰減程度較低,即文字信息可視性較好時,駕駛人在較遠處視認路面指示文字,視認過程中速度變化率波動相對更早?？傮w而言,a組被試相比b組被試的最初加速度波動更早。但當逆反射系數衰減程度為70%時,此刻路面文字異常模糊,兩組被試的加速度首次出現波動的位置非常相近,即使是a組被試也只能在距標線10 m的范圍視認,對于不熟悉路況的b組被試,由于過于模糊,視認難度更大。

2.3.2 加速度波動程度

在距標線150～0 m視認過程中,兩組被試的加速度大致在[-3,2]范圍內波動。其中a組被試加速度主要分布在[-2,2]區間,b組被試加速度主要分布在[-3,2]區間。由圖8可知,a組被試行駛時加速度變化程度相對b組被試小,即在視認過程中,a組被試對車輛的操縱穩定性相對b組被試更優,道路環境熟悉程度對行車安全產生積極影響。

駕駛人行駛過程中,速度盡量平穩以保持行車穩定性。隨著路面指示文字逆反射系數衰減程度加大,駕駛人的加速度波動頻率逐漸降低。說明在路面文字較為清晰時,駕駛人較早注意到前方路面指示文字,但完成識讀需要在行駛過程中不斷視認,故此階段加速度變化較為頻繁且加速度主要為負值以及在0上下浮動,在視認過程中駕駛人分散部分精力從而導致車輛減速,在一定程度上有利于駕駛人視認路面文字信息。當路面文字過于模糊時,駕駛人在較遠處未發現路面指示文字,故前期行駛時車速較為平穩,加速度波動小,當發現路面指示文字時加速度才有較大波動,且在視認過程中距離路面指示文字較近,駕駛人在更短的距離內其加速度波動頻率相對較低。

(1)隧道內路面指示文字逆反射系數相同衰減程度下,視認過程中不熟悉路況駕駛人的視認次數相比熟悉路況的駕駛人多;駕駛人的視認次數與路面指示文字的逆反射系數衰減程度呈反比,且熟悉與不熟悉路況駕駛人的視認次數差值也在相應減少。

(2)隨著路面指示文字逆反射系數衰減程度增加,熟悉與不熟悉路況駕駛人的視認準確率均有所降低,且在逆反射系數衰減程度為40%時,視認準確率較20%時下降幅度大,分別為13.9%和24.2%,建議在逆反射系數衰減程度為40%時對路面指示文字進行重新修復,有助于駕駛人視認,保障行車安全。

(3)視認路面指示文字過程中,熟悉路況駕駛人的最初加速度波動位置比不熟悉路況的駕駛人更早;加速度的波動頻率與逆反射系數的衰減程度呈反比,且不熟悉路況駕駛人的加速度波動幅度值較熟悉路況駕駛人的值大。

(4)由于條件所限,本次試驗未綜合考慮車輛速度和照度對視認效果的影響,下一步將詳細考慮此因素并結合實車試驗進行相互驗證。