基于道路信息的动态特性分析

基于道路信息的动态特性分析

0dea模型下的驾驶人认知反应效率评价交通指南是连接地名、方向和距离信息的标志。在驾驶过程中，路障标志将合理地诱导出交通流，提高交通效率，降低死亡率。高速公路具有车速高，通行能力大的特点，高速公路指路标志设置的合理性对路网运行效率和行车安全的影响尤为显著高速公路是一个融合人、车、路、环境的复杂系统，驾驶人是系统中唯一一个能自我反馈修正个体行为的主体。国外相关研究发现，驾驶人的性别、年龄、教育背景、驾龄、以及收入水平等条件都会对交通标志的认知反应产生影响在以往从人因工程学角度对指路标志版面内容进行有效性评价时，学者们大都以驾驶人的视觉特性、认知负荷或驾驶行为中的某些要素出发，未将驾驶人的自身特性和其对指路标志认知反应的全过程进行结合，从驾驶人对指路标志认知反应效率的角度，构建综合性的指标体系，来评价指路标志版面内容的有效性。鉴于此，本文针对高速公路互通区出口不同地名数的指路标志，引入数据包络分析（DataEnvelopmentAnalysis,DEA）方法。该方法具有可计算多输入多输出决策单元的相对效率、无需确定指标权重、不必进行量纲归一化处理等优点本文从驾驶人的角度，构建了简洁且能直观表征驾驶人对不同信息量指路标志认知反应效率的评价指标体系。以不同场景下驾驶人认知反应的综合效率为评价目标，利用DEA方法中的BCC模型进行建模评价，通过模型求解得到驾驶人对不同信息量指路标志认知反应综合效率的评价结果。对试验结果进一步分析，讨论不同场景下导致决策单元DEA无效的原因，并根据标志版面的设计要求，提出高速公路互通区指路标志设置建议，为指路标志的版面设计提供参考。1评估方法1.1投入产出效率的评估数据包络分析由Charnes等人于1978年提出，该方法是采用数学规划模型评价具有多输入、多输出的部门或决策单元（DecisionMakingUnit,DMU）之间相对有效性的一种非参数的评估方法DMU的θ值越大，表示投入产出效率越高，即在现有的投入水平下获得的产出效率越大。θ=1，表示该决策单元DEA有效；θ≠1，称该决策单元为DEA无效。此外，DEA方法还可以通过对投入产出指标的相应调整来分析各个指标对系统效率的影响程度，识别导致系统效率相对无效的关键因素，从而针对性地加以改进对于相对无效的决策单元DMU1.2评估指标按照影响决策单元生产行为的因素为输入，决策单元形成的产物和利益为输出这一基本原则1.2.1．基于驾驶人自身本研究选取决定驾驶人认知反应水平的个体因素作为模型的输入指标。多数研究影响驾驶人认知反应能力的文献表明：年龄、驾驶经验和受教育程度三者对驾驶人的认知反应能力有较大的影响(1）年龄随着年龄的增加，驾驶人的身体素质、感知能力和认知能力都会发生变化，年长者的生理和认知能力均会下降(2）驾驶经验驾驶人从驾驶经验中获得的视觉扫描模式及理解能力使得其处理交通信息所花费的时间更少，有助于提高他们的认知反应效率(3）受教育程度高等教育培训可以提高驾驶人的认知能力，增加驾驶人工作记忆中的新信息元素，并有助于改善他们的驾驶行为1.2.2代表性指标及量化方法从驾驶人认知反应的角度对指路标志的有效性进行评价时，输出指标需要综合考虑驾驶人认读，理解和行为反应3个阶段在不同信息量指路标志诱导下的差异性。研究前人相关文献，大多学者以驾驶人的生理指标，行为操作或车辆运动状态来表征其认知反应。针对本文研究目的及数据包络分析模型要求指标直观、容易量化且各指标相关性不能太强的原则，分别从驾驶人对指路标志的认读、理解和行为反应3个阶段选取代表性指标即可表征其认知反应的全过程。因此，本研究所选取的代表性指标及其量化方法如下：(1）注视时间人眼运动时注视被定义为在至少150ms的时间段内，视觉弧度小于1°的兴趣区上的任何眼部运动(2）脑电波β/α值大量针对α和β节律的分析结果表明：被试的认知负荷与其脑电β/α成正比，比值大于1表示被试的认知负荷比较大；相反，比值小于1则表明认知负荷比较小(3）车辆速度标准差σ（v)在车辆行驶的过程中，驾驶人对交通标志的注意会导致车辆减速，同时，复杂的视觉环境也会导致较高的认知负荷和较低的行驶速度(4）车辆加速度标准差σ（a)车辆在行驶过程中，驾驶人对速度的调整是常态的、正常的，单纯的速度指标无法体现驾驶人在运行过程中的速度选择的合理与否，而加速度的变化可以充分地体现当前道路环境对驾驶人所产生的影响，还可以反映车辆操控行为的结果1.3评价指标体系在运用数据包络分析方法进行决策单元有效性评价时，要求输入和输出指标具有同向性，即系统的投入越少，产出越大则意味着当前决策单元的有效性越高根据上述理论分析及DEA建模要求，从驾驶人认知反应的角度，对高速公路互通区指路标志有效性进行评价时，通过输入、输出2个角度的选定和筛选，确定了最终的评价指标体系，如图1所示。2试验设计2.1．性别、年龄及受试情况本试验共招募40名持有C1驾驶证的驾驶人，包含老年驾驶人6名，中年驾驶人18名，青年驾驶人16名；其中新手驾驶人10名，中等水平驾驶人16名，熟练驾驶人14名；受教育程度为初中学历8人，高中学历12人，大学及以上学历20人。所有类型被试中，男女被试各半。要求所有被试矫正后的视力不低于1.0且健康状况良好，同时所有被试均有高速公路驾驶经历且对驾驶模拟的场景都并不熟悉。试验当天被试者精神状态良好，未饮用茶或咖啡等刺激性饮品，以减少其他因素对被试者造成的影响。2.2自动驾驶控制器(1)DSR-1000TS2.0型驾驶模拟系统DSR-1000TS2.0驾驶模拟系统包括3个主要部分：0自由度的驾驶舱、控制台以及有一个由3个60英寸4K液晶显示器组成的显示系统。为减少对试验的干扰，系统驾驶舱与控制台部分相互分离。驾驶舱部分装有3个场景摄像头，可在控制台实时查看试验过程。该系统可用于收集试验信息，包括驾驶行为参数和车辆动态特征，如方向盘转角、制动踏板深度、车辆速度等。(2)Dikablis眼动仪DikablisGlasses眼动仪用于跟踪和测量参与者的眼动特征。其采样频率为60Hz，精度范围为0.1°～0.3°，可实时记录驾驶人的多项眼动参数，如瞳孔面积、注视时间、注视次数等。(3)32通道NE无线脑电仪32通道NE无线脑电仪是一套可穿戴的无线脑电系统，具有24比特的高分辨率，可以实时检测人的脑电波。通过前期脑电数据的采集，在数据处理阶段，对脑电数据在MATLAB中进行脑电数据的时频、ERP分析等，可以得到脑电波的5种波形能量值以及组合指标的比值。2.3双向八车道高速公路匝道本试验设置6个试验场景，每个场景均包含约5km的双向八车道高速公路基本路段（车道宽3.75m）和一个互通式立交桥。道路线形良好，限速为120km·h2.4速度进行试验并获得报酬本试验利用驾驶模拟系统进行试验，试验之前先让被试填写个人信息调查表以采集被试的年龄，驾驶经验及受教育程度信息。接着让被试在非试验场景的路段上行驶几分钟，待其熟悉驾驶模拟器的操作后正式开始试验。正式试验开始后，试验人员先给被试佩戴试验仪器（图3），然后告诉被试要前往的地点。试验人员将第1个试验场景和试验车流导入三屏显示器后，告知被试启动车辆开始试验（图4），并根据指路标志选择行驶的方向。待被试完成第1次试验后，让其休息5min以消除眼睛疲劳感，再重复上诉试验流程直至被试完成6个场景的试验。每名被试在完成试验后均可获取一定的报酬。各被试试验场景顺序随机，以消除任何试验顺序效应带来的数据误差。2.5速度及加速度数据处理本试验路段限速为120km·h本研究通过驾驶模拟器采集被试的速度及加速度数据，通过D-Lab平台采集被试的注视时间数据，采用NE无线脑电仪采集被试的脑电数据并使用MATLAB进行预处理。再根据输入输出指标的量化标准，对试验数据进行汇总整理。3土壤综合效率评价在试验进行过程中，有4名被试因为操作驾驶模拟器而引起身体不适，导致最终无法顺利完成试验，不得不提前终止试验，除去这4名被试，最终汇总得到有效被试36名。将36个DMU在5种试验的场景下场输入指标值和输出指标值汇总，代入BCC模型，计算得到的综合效率值结果如表1所示。继续运用MaxDEA软件分别对不同指标集下的综合效率值进行求解，并对6种场景下所有被试认知反应的综合效率指数S3.1趋势外推断法制备dea根据图6，比较指路标志地名数分别为4,5,6,7,8,9的6种场景可以看出，所有被试对指路标志认知反应的总体效率分别为0.983,0.956,0.902,0.796,0.699和0.617，呈现逐渐降低的趋势；同时，6种场景下DEA的有效DMU的数量也呈现出大致减少的趋势，分别为20,15,7,0,1,0。结果表明，在指路标志地名数增加时，驾驶人的注视时间、脑电波α/β值，速度以及加速度4项指标在模型中的相关量化值都逐渐减小，从而导致决策单元的有效性降低。即随着指路标志地名数增加，其易读性会降低，导致驾驶人对标志的注视时间和额外的认知负荷逐渐增大此外，面对不同信息量的指路标志，不同驾驶人的认知反应效率存在较大差异总的来说，随着指路标志信息量的增多，驾驶人认知反应的效率逐渐降低，在周围环境中获取所需要信息的难度增大，越不利于安全行驶。3.2标志易读性较高由表2可知，从指路标志有效性评价体系的产出指标看，当地名数不大于6时，指标[4-t]的综合效率指数最大，这表明，当地名数不大于6时，标志易读性较高，驾驶人能够在较短的时间从标志版面中获取自己所需的信息；当地名数大于6时，指标α/β的综合效率指数最大，这表明在此类场景下，尽管驾驶人的认知负荷随着信息量的增多而逐渐增大，但归根结底较高的认知负荷并不是导致驾驶人认知反应有效性降低的主要原因。当地名数不大于8时，指标1/σ（v）的综合效率指数最小，其次为1/σ（a），这表明在认知理解指路标志信息时，驾驶人需要降低行驶速度以获取信息3.3进行血清敏感性分析从驾驶人认知反应的角度出发，过多的信息量会带来较大的认知负荷，增加驾驶人对指路标志的注视时间根据指标敏感性分析结果，当地名数为7或8条时，应该从改善驾驶人对车辆操控的角度，提高决策单元的有效性。在该类场景下，可能是双语标志产生的额外信息量占据了驾驶人的部分注意力资源，增加了驾驶人的视觉干扰4研究结论及展望(1）随着地名数的增多，驾驶人对指路标志认知反应的综合效率均值呈现下降趋势，当信息量超过其认知阈值时，系统综合效率值会迅速下降。(2）地名数不大于8时，可从减少视觉干扰的角度提高驾驶人对车辆的操控能力；地名数大于8时，可从减少信息密度的角度减少驾驶人对信息的搜索时间，提高驾驶绩效。(3）不同驾驶人对指路标志的认知反应效率具有差异性，所对应的指路标志地名数合理阈值也有轻微差异，但总体上从驾驶人对指路标志认知反应效率的角度出发，高速公路互通区指路标志地名数阈值为6条，当超过阈值范围时，驾驶人对指路标志认知反应的综合效率均值会急剧下降，不利于交通安全。(4）本文仅