虚拟仿真视景的驾驶人注意的试验设计毕业设计

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1、SHANDONG 毕业设计 虚拟仿真视景的驾驶人注意的试验设计 学 院： 交通与车辆工程学院 专 业： 交通工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 6 月中文摘要 道路交通系统是由人、车、路、环境四要素组成的一个复杂大系统。驾驶人作为该系统中唯一一个拥有思维，能自我反馈修正个体行为的复杂能动主体，是系统中的核心要素，在控制和协调交通系统方面起着主导作用。驾驶人对注意的处理过程是经其感知和判断等心理过程作用的结果。我们根据认知心理学原理，从驾驶人感知觉、意识、记忆等特征出发，通过驾驶人的适应性分析，得出驾驶人的注意处理过程的概念模型。虚拟现实（Virtual Reality）是近年

2、来出现的高新技术，利用虚拟现实技术可以使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。道路行驶过程中影响驾驶人注意的因素主要包括行车环境、遮挡、炫光以及驾驶人自身因素等。本试验是通过设计山区隧道和山区转弯两路段的交通标志试验场景对驾驶人注意的影响因素进行系统问卷调查，分析结果表明用该仿真试验来研究驾驶人对交通标志注意这种方法是可行的。关键词：驾驶人注意，试验场景，交通标志，实验设计 AbstractRoad traffic system is made up of people, vehicles, roads, environment is a compl

3、icated large system composed of four elements. Driver as a unique thinking mode of the system, can be self feedback correction individual behavior of complex dynamic main body, is the core of the system elements, in the control and coordinated transportation system plays a leading role. Driving peop

4、le to pay attention to the process is with the mental processes of perception and judgment of the results. We according to the principle of cognitive psychology, from the drivers sense of perception, consciousness, memory, and other characteristics, by means of drivers adaptability analysis, conclud

5、ed that drivers pay attention to the concept of process model.Virtual Reality (Virtual Reality) is a high and new technology in recent years, the use of Virtual Reality technology can make the operator can enter a real interactive 3 d Virtual environment generated by computer, and the resulting inte

6、raction, for communication. Affect drivers pay attention to in the process of road factors mainly includes the driving environment, shade, dazzle light and driver itself factors, etc. This test is designed by two sections of the tunnel and turn in the mountainous area traffic signs for drivers to pa

7、y attention to the influence factors of test scenarios system questionnaire, analysis results show that the simulation test is used to study drivers on traffic sign note this method is feasible.Key words: The driver attention,test scenario, traffic signs,experimental desig目 录中文摘要IAbstractII目录III第一章

8、绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义21.3 国内外研究现状31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状51.3.3 国内外研究现状总结71.3.4 课题提出8第二章 驾驶人对交通标志的信息注意92.1 信息注意92.1.1 注意理论92.1.2 信息处理过程及影响因素102.2 驾驶人对交通标志的注意特性132.2.1 驾驶人对标志的警戒变化分析132.2.2 驾驶人定势分析152.3 驾驶人注意交通标志的过程分析152.3.1 交通标志颜色与形状172.3.2 图形符号与汉字19第三章 影响驾驶人注意交通标志的因素203.1交通标志自身属性对驾驶人注意的影响203.1.1

9、交通标志颜色203.1.2信息量203.1.3回归性全方位反射213.2外界条件对驾驶人注意交通标志的影响213.2.1行车环境213.2.2眩光213.2.3驾驶员自身因素22第四章 仿真试验设计234.1试验设计234.2 试验路段244.2.1 山区道路转弯处路段场景244.2.2 山区道路隧道场景264.3 试验调查问卷的设计284.3.1 试验者的选取284.3.2 试验调查问卷的设计294.4 交通标志仿真试验有效性试验数据统计分析31结论34参考文献35致谢37第一章 绪论1.1 研究背景 随着城市机动化水平的提高，我国交通安全问题日益严重。去年全国共发生道路交通事故 21081

10、2 起，造成 62387 人死亡。世界各国官方机构和组织公布的统计数据表明，在人、车、路和环境构成的交通系统中，驾驶员过失是交通事故发生的主要原因。在以往的交通事故分析中，更多的是注重事故后的事故率统计，关注的更多的是道路的设计、车辆的状况等外部因素，而驾驶员本身的原因则没有得到足够的重视。 公路交通标志作为一种常见的基础设施，通过向道路使用者传递道路交通状况等信息引导其合理有序地利用道路资源，并借此提高交通安全水平和道路运行效率。它直接影响着高速公路“快速、安全、舒适”功能的发挥以及经济效益的实现，对减轻事故的严重性、排除各种纵横向干扰、提供视线诱导、增强道路景观起着重要的作用。合理的标志信

11、息布设能使驾驶员在短时间内获取有效的出行信息，进而避免产生不当的驾驶行为，减少操作失误机率。公路交通标志的服务对象主要是不熟悉路线或所在路网、地区、并对行驶路线有一定规划的公路使用者。鉴于这一特点，公路标志的信息量布设就显得异常重要，特别在共线路段以及绕城高速上。 然而随着我国公路网的快速发展，交通标志应用环境的变化，标志在具体应用过程中出现了一系列的新问题：1）交通标志被遮挡问题。道路两侧行道树遮挡交通标志现象比较明显，影响行车视线，给行车安全埋下了隐患。 2）标志版设置位置不当的问题。在一些道路紧急路段，警示标志的设置位置对驾驶人的注意产生的影响，如提示物与提示标志同时出现在驾驶人视野中，

12、标志对驾驶人的影响不能起到警示作用，当改变标志设置位置提前提示驾驶人前方路况。 上述公路交通标志设置中暴露出来的新问题，在导致标志布设不合理的同时，增加了驾驶员的视认负担，分散了驾驶员注意力，进而影响到车辆的行驶安全。因此，有必要针对当前我国公路交通标志设置中所出现的问题，开展驾驶员注意交通标志的研究，探讨驾驶员由于注意交通标志产生安全隐患的形成机理，并对可能产生的行车安全问题进行研究。最后从保障驾驶员安全行车的角度提出公路交通标志信息量布设的建议，为我国公路标志设计和驾驶安全理论研究提供技术理论支持。1.2 研究目的与意义开展交通标志对驾驶人注意实验设计的目的在于通过驾驶模拟，利用动态仿真技

13、术分析驾驶员注意标志的过程和车辆运行状态的变化，找出公路指路标志信息量与驾驶员的注视行为和车辆运行状态变化关系，为交通标志的设计提供参考意见，为交通标志的安全性研究提供理论基础和基础性数据。采用动态仿真技术对交通标志注意的安全性进行研究意义主要有以下几点：1） 诊断交通标志设计所存在的问题，减少事故隐患，降低事故率交通标志布设以及在恶劣环境下驾驶员对标志的视认性较差等问题影响着驾驶员的行车安全性，增加了交通安全隐患。从安全的角度考虑标志的设计问题，为减少事故隐患，降低事故率提供科学决策依据。2） 为改善标志设计提供参考并为标志的安全性研究奠定理论基础通过仿真试验，得出在不同行车条件下，驾驶员注

14、意交通标志时其注意行为变化指标（识别时间、注视时间和注视次数）和车辆状态变化指标（加速度变化、汽车偏移变化）。据此分析由于驾驶员注视交通标志所产生的安全隐患，从提高驾驶员注意安全性的角度合理优化标志的布设，为标志的安全性研究提供理论基础。目前对于标志注意的安全性研究还有待深入，标志布设的好坏与驾驶员的行车安全有着密切的关系，因此，展开标志注意安全性的研究对于提高标志布设的安全性有着重要的意义。 3）提升虚拟仿真应用的有效性本论文是以文字类交通指路标志为研究对象，在正式开始标志注意试验之前对文字类信息在虚拟仿真中呈现的有效性进行了验证，确定了标志牌在虚拟仿真视景中的放大比例。此研究有利于利用驾驶

15、虚拟仿真来研究信息的传递，提高了虚拟仿真应用的有效性。 4）促进仿真技术在交通安全领域研究中的应用近几十年来，驾驶模拟仿真技术有了很大的突破，应用领域也越来越广泛。驾驶模拟器能够控制试验影响因素，从驾驶员的细微表现来分析交通事故机理。除此之外，仿真技术所需的成本较低并且能够根据需要随时对方案进行调整，方便灵活。本文利用驾驶模拟舱进行交通标志的视认仿真试验，推动仿真技术在交通安全领域中的应用。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外对交通标志的研究注重从人的角度出发，考虑人性化设计，具体的规范标准比较细致，主要研究可以划分为以下几个方面：1）从标志的技术标准角度分析，研究符合本国道路环

16、境特性的交通标志。2002 年 Brian Wolshon 等分析了影响道路标准性能的各种环境因素，现场采集了大量数据，建立了不同颜色道路标志的逆反射系数与道路标志设立时间和道路标志设置位置参数回归关系模型。2003 年美国的交通标志标准(MUTCD)，采用动态仿真试验，模拟不同交通条件下驾驶员的视认性对标志的设置位置、文字大小等的影响，研究出符合美国道路交通特性的交通标志，重点突出标志的各种技术参数、设置位置、设置的安全性能等。2）标志信息量过载研究学者 Namba(1983)通过被试者对图片、文字的记忆实验，得出了信息量与信息呈现时间之间的关系，即信息的呈现时间越长，被试者对信息的理解越全

17、面，但与此同时，随着信息呈现时间的增长，被试者的厌倦程度会加重。在 Bartmann (1991)的研究中，驾驶员在高速情况下比低速时单位时间内所处理的信息多。美国的 MUTCD 里对于高速公路指路标志字符数量有规定：指路预告和出口方向标志上的地点或街道名不能超过 2 个，城市名和街道名应避免出现在同一块标志上。同一个支撑上如果有 23 个标志，一块标志上的地点不超过 1 个，或同一个支撑上地点总数不超过 3 个。MUTCD 还特别指出：这里的标志字符包括符号、路线名、箭头、主要方向、出口指示等。美国NCHRP采用现场试验与室内试验相结合的办法对高速公路指路标志信息量对驾驶人产生的负荷进行了研

18、究，建立了标志群产生的信息量负荷与单块标志信息量大小的回归模型。然后通过实车试验，实时测量信息搜索与执行驾驶操作任务对驾驶人产生负荷的大小，利用试验结果建立实际交通环境下标志群产生的信息负荷回归模型。2009 年，美国学者 A.TYGANOV 将信息分为公路几何特征信息、交通控制信息、交通环境信息。为了探讨信息量与事故数之间的关系，将 8000 多次事故与事故地点对应的信息进行对比。接着在上述典型组合信息量条件下的城市高速公路路段上进行实车试验，基于速度方差、紧急制动的频率、制动热学特性、注视点运动轨迹、事故数的分析，确定了导致驾驶人误操作的信息种类。研究发现，过多与过少的信息量都容易导致事故

19、发生，存在一个最佳信息量使得事故数最少。3）交通标志对驾驶行为的影响研究一些学者通过车速的变化和紧迫的形式来研究驾驶员对于交通标志的反应和理解水平。而其他人员则直接研究驾驶员的反应时间（Ells&Dewar,1979）及对交通标志的辨认距离(Halpem,1984；Pignataro,1973)。 有一些研究发现（Dingus，1989)，在接收标志信息时，驾驶员会减少一次注视标志的时间而增加注视的次数。标志牌上过量的信息会使驾驶员无暇顾及，驾驶员需要通过多次注视来获取信息，而这对于行驶安全是不利的。 2004 年美国国家公路交通安全局研究了驾驶员在跟车时的眼睛注视行为，得出了驾驶员视线离开道

20、路前方的时间分布和注视位置分布。与此同时还发现在跟车情况下驾驶员视线离开道路前方的注视持续时间比不跟车时要短，这是因为驾驶员要时刻关注前方车辆以防其改变行驶状态。驾驶员在驾车过程中，其对特定物体的注视时间一般不超过 1.62.0s。 英国利兹大学交通运输研究学会的 S.L.JAMSON 利用驾驶模拟实验，分析了双语交通标志对于驾驶员行为和安全的影响评价。1.3.2 国内研究现状我国对于交通标志的研究起步比较晚，20 世纪 80 年代初交通部制定了公路标志及路面标线，各大城市分别制定了道路交通管理暂行规定，1986 年第一次颁布我国统一的标志标线的标准道路交通标志和标线（GB 5768-1986

21、）。该标准在 1999 年完成了第一次修订工作，并于 1999 年 4 月 5 日发布，同年 6 月 1日实施。2009 年针对道路交通标志和标线的基础部分进行了第二次修订，2009年 7 月 1 日实施。该标准在结合我国实际情况的基础上，积极采用国际标准，向国际标准靠拢。除了标准之外，国内学者也针对标志的设计与设置问题展开了广泛的研究，取得了一定的成果，主要有以下几个方面：1）标志设计的技术参数研究1993 年张伯明从人的视觉因素考虑，提出了利用标准视标 E 与汉字两者认读之间的相互转换关系来计算标志中汉字的字高公式;通过测定认读时间来确定最小认读距离，为高速公路交通标志中的汉字设计提供理论

22、依据；1996 年赵炳强也从人的视觉因素角度研究了标志上图形符号、文字和数字的具体设计原则，保证标志在不良的视觉环境条件下能被驾驶员发现并迅速认读，以确保行车安全。1999 年杨久龄年对国标 GB 5768-1999道路交通标志和标线进行了详细的分析和介绍，重点分析了标志的三要素和汉字视认性，标志的设计、设置、制作、安装等等。2）标志的视认性研究2005 年初秀民等探讨利用虚拟现实 VR（Virtual Reality）技术进行车辆运行时各种动态道路交通环境场景生成关键技术，提出了动态道路场景生成控制参数车辆运行速度和驾驶员视角的建模方法，论述了测试系统试验管理软件应具有的功能，展望了道路交通

23、标志标线视认性主观评价方法和基于驾驶行为的道路交通标志标线视认性建模等内容。同济大学的潘晓东、林雨等，从影响交通标志视认性的外部因素出发，将眼动仪应用到交通安全研究领域中，以大量的现场行车实验为研究手段，探讨了在不同行车速度下，光线条件对交通标志可视距离的影响。结果表明，交通标志的可视距离随车速的提高而降低；同一实验车速，顺光条件下标志的视认性最佳，其次为夜间反光标志，逆光条件下的标志视认性较差。交通运输部北京公路科学研究院在西部交通科技建设项目公路交通标志视认性及设置有效性研究中，基于认知心理学、生理学及人机工效学的角度，系统总结了交通标志的认知规律，对影响交通标志视认性的相关因素进行了试验

24、研究。 3）标志信息量的研究 2003 年中国科学院心理研究所刘西将对标志信息获取过程与广义通信系统模型相类比，建立了道路交通标志的信息传输模型。2006 年吉林大学曹鹏利用信息论也建立了交通标志的信息传输模型，并运用信息熵方法将标志信息量进行量化，该信息度量方法可以有效的衡量标志的设计质量，有助于设计人员从认知角度出发，改善交通标志的工效性。 交通部公路科学研究院交通标志视认性课题组使用 DMDX 软件平台，对路名数、汉字数与视认时间的关系进行了研究，并使用遮挡架进行了实际道路环境中的验证。研究结果为：指路标志的推荐最大路名数位 6 条，在每个路名汉字数不超过 3 个时，视认时间与汉字数量关

25、系不显著。 2008 年武汉理工大学的杜志刚运用眼动仪，在室内静态模拟实验的基础上分析了交通指路标志信息量与视认反应时间的定量关系，对比了目标路名指路标志与非目标路名指路标志视认性。结果发现：指路标志的路名数与视认反应时间呈显著线形正相关，目标路名标志视认时间明显小于非目标路名，指路标志路名数以不超过 5 个为宜。 北京工业大学的陈炎通过使用眼动仪测量时间和改变电脑分辨率模拟天气的方法，对指路标志路名数，汉字数与视认时间的关系进行研究。研究结论为：指路标志信息量（路名数、汉字数）与视认时间之间存在一定相关性，但地名数与视认时间之间的相关性比汉字字数与视认时间的相关性更好；在指路标志版面设计方面

26、，对于常规天气、光线条件而言，指路标志的信息量不应多于 5 个；不良天气、光线条件下，指路标志的视认时间要比正常条件下的视认时间长 20%，相应信息量应适当减少。 2009 年长安大学的王建军从信息论和驾驶员视认心理角度出发，通过静态标志视认实验的方法得出了标志信息量过载阈值为 6 条，信息密度过载阈值为18 条/km 的结论。1.3.3 国内外研究现状总结国内外学者对于标志的研究主要是从驾驶员的生理、心理角度出发并结合标志的视认性等指标对标志设计的技术参数进行研究，包括文字的大小和字体、标志版面的布设、标志的颜色、图形符号、标志设置位置等。然而，已有研究仍然存在以下不足：1）由于国外标志牌上

27、的英文字母与汉字存在差异，国外的主要分析结论难以直接借鉴；2）目前的多数研究都采用静态试验方法，缺乏对驾驶员动视力与静视力差别的考虑；3）少数实验采用了动态实验方法，但缺乏行车速度和标志信息量对驾驶员注视行为和行车状态的影响分析；4）已有的多数标志信息量研究主要以指路标志为研究对象，少有对警告警示标志等非指路标志的研究。1.3.4 课题提出交通标志作为道路信息、交通管理信息发布的重要载体,对交通运行状态起着至关重要的影响作用。由于中国现有经济基础的快速发展，许多省市的都开始大规模的道路建设，地形复杂，路线平纵面指标变化明显，桥隧结构物比例较大，这些都增加了道路基础设施设计的难度，因此道路在交通

28、标志的设计上要尤为重视。但是我国缺乏对交通标志设置方面的基础研究,部分标准和规范直接引用国外的成熟经验,导致工程设计人员只是依据规范来设计交通标志，不能完全掌握交通标志在交通系统运行过程中的作用机理,在部分特殊路段或特殊环境下不能灵活运用,不能有效地进行交通安全设施设计。且我国 1999年推出的 GB5768道路交通标志和标线规范只是一个总体设计标准，对于具体的交通标志设计问题没有明确规定，如 4070km/h 的道路上，规范中只规定标志离危险点的距离为 50100 米。目前交通标志设置有效性的研究大部分都是通过实地观测与调查，这样往往需要花费大量的人力、物力和财力，在有些情形下是危险的甚至是

29、不能的。这是当前研究中的阻碍。因此，如何创造出安全、简单、科学、实用的方法来研究交通标志设置有效性是亟待解决的问题。本文在吸收国内外相关研究成果和经验的基础上,模拟驾驶人在实路上的驾驶，同时软件系统与驾驶模拟器以及计算机建立友好连接，使之能够完成交互，实现较为理想的仿真试验系统，从而为研究交通标志设置的有效性创造条件。 第二章 驾驶人对交通标志的信息注意道路交通系统是由人、车、路、环境四要素组成的一个复杂大系统。驾驶人作为该系统中唯一一个拥有思维，能自我反馈修正个体行为的复杂能动主体，是系统中的核心要素，在控制和协调交通系统方面起着主导作用。驾驶人通过分析处理环境中的信息、准确安全地驾驶车辆在

30、道路上行驶，完成货物或人员在空间上的移动，以此实现道路交通的功能。2.1 信息注意2.1.1 注意理论对人类的注意活动，现在普遍采用注意心理学的方法来研究。注意心理学是以信息加工观点为核心的心理学，又称为信息加工心理学。注意心理学是运用信息加工观点来研究注意活动，其研究范围主要包括知觉、表象、学习记忆、思维和语言等心理过程和注意过程。注意模型则是描述人的注意过程即人的信息获取、存储、处理及输出等过程的理论模型，根据对注意系统描述的难易程度可分为早期的生理性模型、注意风格理论模型，现在的动态注意模型、基于系统工程的信息处理模型等。这些模型出于不同的目的，从不同角度，对人的注意过程进行了大量较为成

31、功的探讨。人类的信息处理方式是注意心理学争论的一个问题，它与计算机的信息处理方式存在着本质的区别。传统的注意心理学把人的心理过程看作是一系列串行的信息处理过程，即前一阶段的信息处理完成后就进入下一阶段，也就是只受刺激影响的处理方式；现代一些心理学家对此怀疑并提出一种新的信息处理方式，即人的信息处理不仅受刺激的影响，还受过去经验和知识的影响，甚至有人认为这些处理是同时进行或者是部分重叠的，存在着并行处理。后者的观点目前已得到诸多心理学家的赞成和验证。由于上述争论点的存在，知觉过程对应地也存在“自上而下”和“自下而上”两种相互联系的分析方法。“自下而上”是指由外部刺激开始的加工，是先对较小的知觉单

32、元进行分析，然后是较大的知觉单元，经过一系列连续阶段的加工而达到对感觉刺激的解释；与此相反，“自上而下”是由有关知觉对象的一般知识开始的处理，由此可以形成期望或对知觉对象的假设，这种期望或假设制约着处理的所有阶段或水平，从调整对特征的觉察到引导对细节的注意等。传统的驾驶人认知模型往往只是采取“自上而下”的分析方式，缺乏“自下而上”的处理方式。也就是说这些模型都是擅长分析、推理的一系列的串行的信息处理方式，而无法清晰的描述经验、直觉的作用。注意由三个基本要素组成：发现、记忆和意识。在注意要素中有两种注意选择模型的存在，即反应选择模型和知觉选择模型，其本质区别是注意机制所处的位置不同，见图 2.1

33、。目前诸多研究为前者提供了确切依据，而缺乏对后者的证实。工作记忆机制是依据人脑复杂的认知过程，在完成当前的信息加工步骤的同时，还要储存一定的信息为随后的认知加工能顺利完成提供保障。工作记忆对人类行为活动的连续性起了重要作用。 图 2.1 两种选择性注意机制的区别2.1.2 信息处理过程及影响因素驾驶人对交通标志的信息处理过程是经其感知和判断等心理过程作用的结果。我们根据认知心理学原理，从驾驶人感知觉、意识、记忆等特征出发，通过驾驶人的适应性分析，得出驾驶人的信息处理过程的概念模型。见图 2.2： 图 2.2 驾驶人信息处理过程的概念模型人脑对信息处理的模型研究已越来越被人们所关注。除上述建立在

34、人行为的刺激机体反应基础之上的经典模式外，有些模型更是综合运用认知心理学、人机工程学、社会学等知识对驾驶人的危险感知心理形成过程进行了研究。现介绍一个由Wogalter and Laughery(1997),Trumbo(1999)和 Wogalter et al.(1999)等人提出的人脑信息传递模型（C-HIP），该模型结构如图 2.3 所示。 图 2.3 人脑信息传递模型（C-HIP）该模型描述信息传递过程由信源、信息传递通道以及信息接收者即驾驶人三要素组成。在道路系统中，交通标志用各种图形、符号、文字以及各种颜色，通过编码变成信号与道路中其他信源共同向驾驶人预报道路信息状况。此外，模型

35、还对影响驾驶人对信息接受效果的多种因素进行了分析。例如驾驶人的年龄、婚姻状况、事故数与驾驶经历等。对于这些因素的研究，巴林大学的研究人员运用问卷调查的方法对 28 个交通标志进行了视认性的评价。其研究结果表明，驾驶人能正确识别的交通标志只占总标志的 5060左右。其中，驾驶人的受教育程度、性别及月收入等都是导致识别差异的因素之一。并且，将驾驶人按照驾驶经验分类，那些年轻的没有受过较好的教育并且收入较低的驾驶人，与那些中等年龄或是年龄较大的受过高等教育且收入高的驾驶人相比对标志的理解能力较差。研究数据表明，年龄在 3544 岁之间的驾驶人对交通标志的识别与其驾驶经验有密切的联系。而对女性驾驶人，

36、其驾驶经验的不同与她们对标志的理解没有明显的相互作用。男性驾驶人，如果其驾驶经验在十年以上，那么对交通标志的理解明显优于驾驶经验少的驾驶人。在性别方面，男性驾驶人比女性能更好的理解交通标志。除此之外，驾驶人的社会因素，比如其对交通标志所持有的态度和信任度；驾驶人的认知情感因素，比如对他人的责任心和行为动机等都影响着驾驶人的行为。此外，行驶在道路系统中的驾驶人还接受着来自外界各种信息的干扰，其中包括道路信息（道路状况）、其他车辆信息（如前车或后车的行驶状态）、也包括环境信息（如能见度、环境污染）等。驾驶人就是在上述多因素共同作用下完成对交通标志的信息处理过程。2.2 驾驶人对交通标志的注意特性2

37、.2.1 驾驶人对标志的警戒变化分析驾驶人的行车任务要求驾驶人能够在一段比较长的时间内对连续重复的信息加工任务保持注意力。注意是心理活动对一定事物的指向和集中，是认识选择性的高度表现。它是心理活动的一种积极状态，使心理活动具有一定的方向，也是保证人能够及时地反映客观事物及其变化，以便更好地适应环境。注意可以由客观事物的物理特点引起，也可以由内部变量引起，甚至个体的习惯、兴趣、情绪状态都可以影响注意。驾驶人对道路标志的注意是一个长时间的视觉搜索过程，但交通标志的出现存在着特定性，但是却难以预测其出现的时间和位置，因此驾驶人时刻保持着准备状态，心理学称这种连续性注意状态为警戒。注意的警戒性主要以监

38、视、检测、搜索等任务形式,出现在交通管理、工业质量控制、自动化作业、核电站中央控制室、机动车辆驾驶等人机界面中。众多试验研究对注意的各种品质进行了多方面探讨，取得了大量意义重大的成果。但是，直接对注意的警戒性进行的研究则相对比较少。依据 Mackworth 的研究结果：长时间的视觉搜查作业将出现警戒下降。为解释其原因，不同的研究者对其进行了研究，由于研究方法、具体操作步骤，以及选择的变量等方面不完全相同，于是在解释警戒下降时，各种理论也就应运而生，包括抑制理论、过滤理论、期望理论以及唤醒理论以及随后出现的决断理论。但这些理论在解释已有的实验数据时都存在一些困难，没有一种理论在排除其他理论情况下

39、能完满地解释警戒下降现象。为解释驾驶人对警告标志警戒的下降我们采用过滤理论来解释。过滤理论，又称为注意理论、疲劳论。Broadbent 在 1953 年根据她的听觉性实验提出：到达感官的所有刺激信息都要通过一个过滤装置才能到达大脑中枢，得到进一步加工，这种装置有利于作业任务相关的信息或新异刺激信息通过。在警戒作业过程中作业任务的新异性随着时间的延续并多次呈现而减小，作业人员渐渐产生疲劳，对作业任务本身的注意力也渐渐下降，容易受其他刺激的影响而注意力不能完全集中，偶尔无关刺激也能通过过滤装置，而信号刺激未能通过或延迟一段时间通过。同样从感受性偏移的角度分析，Parasuraman(1979)提出

40、了与过滤理论不同的看法。认为在某些特定条件下，无论在听觉和视觉警戒任务中，都可以发现感受性下降现象。例如，当任务中的事件率很高，且需要将目标信号刺激与保存在记忆中的标准作比较时，由于加重了记忆的负担而导致感受性下降。如果在信号呈现的同时，直接呈现作比较的标准，就不会发生这种感受性下降现象。将该理论应用于对驾驶人的分析，则在行车过程中，驾驶人并非能够对每个出现的交通标志表现出警戒，而是随着时间的推移，交通标志设置数量的增加，驾驶人对标志的感知也发生着相应的变化。对于初次行驶在某一道路上的驾驶人来说，交通标志对其的帮助最为显著。随着标志出现频率的增加，交通标志的新颖程度降低，驾驶人对标志的警戒性也

41、随着疲劳度的产生而下降。此外，假使频繁的在路段上设置交通标志，驾驶人对危险点程度的判断标准会反复的与记忆中的标准作比较，导致判断标准的不断修改，容易造成驾驶人对危险点的判断偏移，或者造成驾驶人感觉的麻木性，由此造成的驾驶人决策的失误并对驾驶人行车安全带来的影响值得引起重视。由此可见，驾驶人的警戒性会随着标志设置数量的增加而下降，交通标志应该控制在一定的范围之内，以使得驾驶人能够保持最佳的警戒性。此外，过滤理论也指出，当驾驶人在行车环境较为单调的道路中行驶，尤其是高速道路和城郊线路，驾驶人注意力不集中，好打瞌睡，道路医学中诊断为驾驶人人体功能“丧失警觉性”状态。则多次交通标志的出现能避免驾驶人疲

42、劳的产生，当然应将数量控制在一定范围内，过频繁的设置会影响驾驶人对必要标志的警觉，更容易影响行车的安全性。2.2.2 驾驶人定势分析定势的概念最初是由心理学家 G.E 缪勒和舒曼（F.Schumann）于 1889 年概括重量错觉实验而提出来的。后来又由德国符兹堡学派心理学家阿赫（N.Ach）、瓦特（H.J.Watt）等在动作与思维领域里做了研究，提出决定性趋势（determining tendeney）的名称。苏联心理学家乌兹纳捷采用多种感觉实验反复研究，对这一理论加以改造发展而创立了定势理论，并形成苏联定势心理学派。定势理论认为：一定的心理活动所形成的准备状态影响或决定着同类后继心理活动的

43、趋势，也就是说人的心理活动的倾向性是由预先的准备状态即定势所决定的。目前定势一词广泛地运用于各种心理活动，在日常活动中定势有时起促进作用，使心理活动完成既快又好，有时却阻碍了人的正常发挥，影响人心理活动的加工效率，甚至引起“定势错觉”。例如人在重复感知 1015 次两个不同大小的球后，对两个大小相同的球也会感知为不同，这就是过去的感知对当前事物的感知所产生的定势影响。相似地，驾驶人对交通标志的设置点处的危险性感知也同样受到了驾驶人定势的影响。与设置交通标志处相比，未设置标志处驾驶人会依据其直观的判断认为此处的危险性较低，驾车较为安全。且依据定势论，在未设置标志处驾驶人对其危险性的判断通常会建立

44、在与前一个设置标志的危险点的危险性进行比较的基础之上。因此随着危险点处标志设置数量的增加，驾驶人对标志设置处的危险性的警戒下降，同样的结果也会发生在未设置标志的路段。由此可见，科学合理的交通标志设置，不仅应结合道路线形特征，更应该从人机工程学、交通安全心理学的角度出发，研究驾驶人对标志的反应，评价标志的设置位置是否有效，从而使标志充分发挥管理和服务功能，达到既预防和减少交通事故、保障行车安全，又使道路利用者感到舒适、心情愉快的目的。2.3 驾驶人注意交通标志的过程分析根据驾驶人对交通标志注意机制分析，驾驶人注意交通标志信息完整的过程应包括发现标志、识读标志信息、信息处理与决策、反应操作四个步骤

45、，具体过程如图 2.4。 图 2.4 驾驶人接近交通标志的注意心理及相应驾驶操作过程在图中，A 点为驾驶人发现标志的地点，B 点为完成标志识读点，AB 段为从发现标志到识读完毕的阶段；C 点是驾驶人完成信息处理与决策点，BC 段为标志识别完毕之后的信息处理与决策阶段；D 点为反应结束点，CD 段为驾驶人决策完毕至具体操作之间的反应时间阶段；E 点为交通标志从驾驶人视野中消逝的点，E 点必须出现在 B 点之后，而不一定出现在 C、D 点之后；F 点为标志设置的位置；G 点为与标志信息相关的地点，即需要前置交通标志给驾驶人提供信息的地点，DG 阶段是驾驶人为通过 G 点所进行的操作序列阶段。在上图

46、中，交通标志的设置位置须满足以下两个前提条件：1B 点在 E 点之前，即消逝点出现在标志识读完毕之后，使得驾驶人能够发现和有足够时间识读标志。2DG 段距离应足够驾驶人完成准备操作，即标志相关地点出现在驾驶人准备操作完成之后，使得驾驶人有足够时间进行决策及相应的驾驶操作。上述两个条件可以用下面两个式子来表达： （21） 式中：BF驾驶人识读标志信息完毕地点 B 与标志地点 F 之间的距离；d驾驶人眼睛与交通标志侧向水平距离；驾驶人眼睛与交通标志水平方向夹角的视野消逝角度；h驾驶人眼睛与交通标志竖向垂直距离；驾驶人眼睛与交通标志竖直方向夹角的视野消逝角度；DG驾驶人经决策与反应后，开始具体驾驶操

47、作行为的地点 D 与标志相关地点G（如交叉口）之间的距离；n车辆为通过 G 点，需要在 DG 阶段完成换道的车道数量；为完成一次换道，车辆沿道路纵向行驶的距离；V1车辆在开始行动的 D 点的初始速度；V2驾驶人完成操作，车辆做好通过 G 点的准备状态时的速度。在驾驶人发现标志和识读标志信息阶段，即图中的 AB 段，主要研究交通标志的三要素：颜色、形状与符号设计对驾驶人的适应性。包括分析驾驶人在一定工作负荷下以及在不同车速下对交通标志的识读能力；从道路环境角度研究，主要分析干扰信息、经验知识对驾驶人接收标志信息的影响等。2.3.1 交通标志颜色与形状物体不同波段光的反射造成驾驶人的色彩感。颜色分

48、为两大类：非彩色和彩色。非彩色为无色，黑色、白色和二者之间的灰色系列；彩色指除了非彩色之外的各种颜色。颜色有三个基本属性，即色调、饱和度和明度，这三者在视觉中组成统一的视觉效果。色调为物体反射光线中占优势的波长，是对物体的颜色感觉；颜色饱和度指一种颜色的鲜明程度；明度指光线作用于眼睛引起效应的强度。实验证明，同尺寸大小不同颜色的物体人眼察觉的距离不同，依次升序排列为：黑、绿、蓝、红、白和黄。形状知觉是复杂的视觉现象，轮廓是形状知觉中最基本的因素，其次还有形状的大小。根据交通标志形状视认性的研究，在等同面积条件下，三角形的辨认效果最好，其次为菱形、正方形、圆形、六角形等。通过上述分析，驾驶人发现

49、标志位置（图 2.4 中的 A 点）可以通过下式确定。 （22） 式中：AF驾驶人发现交通标志时驾驶人与交通标志的距离；X交通标志在驾驶人视野中的信号强度；Xc驾驶人察觉交通标志信号的强度阈值；C调整系数；a标志视敏度；b标志面积大小；s标志形状类型；( s)标志形状 s 对于标志信号强度 X 的影响函数；d驾驶人与交通标志的距离；v车辆即时速度；l人眼识别距离最远的黄色对应波长，取 550600mm 之间；c标志颜色对应波长。2.3.2 图形符号与汉字图形符号的交通标志具有形象、直观的特点，适合不同国家、不同语言文字的驾驶人，欧洲的图形符号交通标志受到联合国的推荐。图形符号有三个要素，即直观

50、性、大小、重要细节最小尺寸。对于交通标志中的汉字，根据几何原理，其大小可根据公式计算，式中a为视角，D为从开始发现地点到标志所在地的距离，称作视距。视距，式中v是汽车速度，t为标志汉字认读的感知时间，为 2.6 秒。视角a用绝对视力和相对视力乘积的倒数即 （以分表示）。汉字高度的计算公式可写： （23）式中：h汉字高度；v车速；c汉字与视标的转换常数；t对汉字感知、理解的时间；汉字特点对视认影响的相对正确辨认率，均为 1.0；绝对视力（即人的生理视力）；相对视力（呈现时间为 0.2 秒，偏角为 0 度时的相对视力）。整理上式，得到如下公式： 第三章 影响驾驶人注意交通标志的因素影响驾驶人注意交

51、通标志的因素从两个方面考虑：交通标志标线自身属性和外界条件影响。3.1交通标志自身属性对驾驶人注意的影响3.1.1交通标志颜色交通标志的颜色是影响驾驶人的一个重要方面，不同的颜色在人们心理代表着不同的意义，如看到红色人们就会想起热情、活力、甚至血液。看到绿色，人们就会联想到生机、希望。交通标志应具备可读性、诱目性、识别性。国际上关于交通色彩的安全色一书中规定：安全色是表达安全信息含义的颜色，表示禁止、警告、指令、提示等。安全色为红、黄、蓝、绿四种颜色，对比色是使安全色更加醒目的反衬色。对比色为黑白两种颜色，黄色的对比色为黑色，其余三种安全色的对比色均为白色，黑白色互为对比色。因此我国道路交通的

52、颜色便是以安全色红、蓝、黄、绿和对比色黑色、白色这六种颜色中的若干种组成。这样既考虑了标志的视觉清晰度，又考虑了颜色所能表达的抽象意义和产生的直观联想作用，即颜色使人产生了心理作用。从人的心理习惯看，红色对人的视觉刺激较强，容易联想到危险，从而产生危险感。因此，红色一般用于禁令标志：黄色比较醒目，在心理上产生警戒的感觉，易引起人们的注意，一般用于警告标志；绿色给人以和平安宁的感觉，一般用于指路标志。白色有明亮、洁净之意，黑色有沉重厚实之感，黑色与白色色彩的搭配能增强标志的鲜明感。绿色和白色配合使用使人产生舒适、恬静、和平、安全的感觉。3.1.2信息量在现实中交通标志是道路信息的载体，以图形、文

53、字和符号的形式向驾驶员传达着信息瞄。其设置的目的是为了满足驾驶员行车中对信息的需求，消除疑惑，使其能够安全有效地完成行车任务。然而，交通标志并不能完全被驾驶员所理解。驾驶员或误解标志含义，或是与其他标志混淆，有些国标中的标志驾驶员反映根本就没见过。可见我们不仅应该加强对驾驶员的教育和管理，更应该加强对标志语意表达能力的改善。因而在虚拟视景中更加应该对交通标志的信息量进行合理化设计。3.1.3回归性全方位反射夜间驾驶人对交通标志标牌的注意主要靠的是其在夜间的光线反射效果，以达到驾驶员在夜间对标志标牌的注意效果，反射程度过低会导致夜间视认性不好，反射程度过高会导致出现眩光，更加危害行车的安全性。现

54、在的标志标牌的反射既不是镜面反射也不是漫反射，而是回归性定向反射，因为它能反射从各个角度的灯光，让司机看到很亮的标志牌。如果是镜面反射,很多角度的灯光照上去,司机都看不到反光,交通牌看起来是黑的。如果是漫反射，司机就不会觉得标志牌特别亮。它的内部结构很复杂,有很多微小的玻璃球，可以使得大多数光线按原路返回。3.2外界条件对驾驶人注意交通标志的影响3.2.1行车环境 夜间与白天的行车环境导致驾驶员视野便会不同，白天视野开阔，交通标志视认性好；夜间视野受阻，驾驶员易产生疲劳。晴天光照充足，反光较好；雨天驾驶员视线受阻，光线变暗变得模糊。夜间和雨天都会间接的导致交通标志的视认性降低。3.2.2眩光城

55、市道路环境中各种形式的路灯、霓虹灯和夜景照明设施的使用，在点亮了城市夜空的同时，也带来了直接的道路交通安全隐患。非标志照射用光源的出现，导致交通标志和周边环境的对比度大幅度下降，使驾驶人在自己车灯的照射范围之外，又发现了道路周边的很多亮点。这些光源的存在，增大了夜晚城市道路环境的复杂性，使得驾驶人对交通标志的视认能力受到影响。这种影响主要表现在两个方面：第一，由于环境的复杂性，驾驶人不易迅速发现交通标志，搜索时间加长：第二，靠近交通标志的光源在驾驶人眼中形成眩光，对驾驶人阅读交通标志内容造成干扰，交通标志的视认距离受到影响。复杂环境下的交通标志视认性因环境中广告灯箱、建筑照明等设施的影响，视认

56、性会产生显著下降其受影响的程度与光源亮度和交通标志之间的相对距离、交通标志反光膜材料有关。眩光对于交通标志视认性的影响随距离衰减，在交通标志前后30m以内的范围内，眩光的影响尤其明显，应当避免在交通标志此距离范围内出现强光源，特别是在道路转弯处应避免有强光源出现在驾驶员视线内。3.2.3驾驶员自身因素驾驶员具有不同的年龄，性别，驾驶经验，视力等等，这些也是在驾驶人在注意交通标志时很重要的因素之一，不同的人对交通标志有着不同的视认能力：年龄稍大的驾驶员比年领稍小的驾驶员对交通标志的视认性较好；男性比女性对交通标志标线的视认性较好；驾驶经验多的驾驶员比驾驶经验少的驾驶员对交通标志标线的视认性较好。

57、第四章 仿真试验设计4.1试验设计 试验场景的选取应具有典型性，以便为探讨交通标志对驾驶人注意的影响提供较为理想的素材。所以，场景的选取原则应是我国现行道路交通条件下，以驾驶人所遇到的情况状态为基础，选取在相关道路环境中较易发生的一些实际典型场面。 在我国现行道路条件下，山区道路地形复杂，路线平纵面指标变化明显，桥隧结构物比例较大，这些增加了山区道路基础设施设计的难度。本系统共选取 2 组具有代表性的场景，一组为山区道路转弯路段如图 4.1，另一组为山区道路隧道路段如图 4.2。 图 4.1 山区道路转弯处试验路段 图 4.2 隧道试验路段 为了较准确的分析山区道路转弯和隧道两典型路段交通标志

58、对驾驶人的影响以及更好评价用交通标志虚拟仿真试验来研究驾驶人对交通标志注意的影响因素这种方法是否可行。本文设计了 5 个试验场景的方案，见表 4.1 所示： 表 4.1 试验方案试验路段试验参数试验名称离危险点的试验距离限速（km/h）交通标志山区道路转弯处路段15部分遮挡A场景15无遮挡B场景15炫光C场景山区道路隧道口路段40危险点交通标志D场景90米40危险点交通标志E场景150米4.2 试验路段 试验路段场景录像是从数码摄像机所拍的实地场景录像中截取，设置场景来显示各种因素对驾驶人注意交通标志的影响，场景基本与现实相符合。这种方法与用计算机绘三维图形相比更具有逼真感，更能对驾驶人造成刺

59、激，以达到通过测驾驶人的反应来研究驾驶人对交通标志注意的效果。4.2.1 山区道路转弯处路段场景 车辆在普通山区路段行驶时，经常出现用于转弯处视野被山体遮挡从而限速的警示标志。虽然目前限速交通标志的应用效果不错，但是驾驶人在道路上行驶时，如果车速过快且前方道路上的标志牌因数目遮挡、炫光、驾驶人自身条件等原因未能被驾驶人及时发现，不能使车辆达到减速的目的，从而造成交通事故。因此我们需要调查分析什么原因是影响驾驶人注意的主要因素，来进行改善。 （1）山区道路路段场景（A）的运行车速为 25 千米/小时，该路段上转弯处视野不足以达到安全视距，设置交通标志限速15千米/小时，在转弯处前方用于提示驾驶人

60、前方限速的交通标志被部分遮挡。用来调查驾驶人是否注意到该交通标志，是否因标志牌被遮挡而去特别注意标志牌的内容还是直接忽视。如图 4.3 所示： 图 4.3 A 场景（2）山区道路路段场景（B）是在 A 场景的基础上清理交通标志遮挡物，使驾驶人可以清楚看清标志牌的全部内容，用来调查驾驶人在无遮挡情况下是否因自身疲倦等原因注意到该标志。如图 4.4 所示： 图 4.4 B 场景（3）山区道路路段场景（C）是炫光对驾驶人注意交通标志的影响。如图 4.5 所示 图 4.5 C 场景4.2.2 山区道路隧道场景 在山区隧道路段行驶时，经常出现用于提示驾驶人前方有隧道的标志。虽然目前隧道预告标志广泛应用与

61、隧道较长、视线不良、照明不好的隧道口前，以提示驾驶前方隧道注意安全。但是驾驶人在道路上行驶时，尤其是前方道路是弯道加隧道，视线不良，隧道预告标志未能被驾驶人及时发现，不仅不能达到提示的作用，反而因仓促采取措施而造成交通事故。对于隧道交通，如果到隧道口的车速过快，容易使驾驶人产生空间压抑感，使得驾驶人员的反应特性、视觉特性、心理特性等相对下降，导致驾驶人的操作可靠度降低，更易发生在相对封闭的空间诱发严重的交通事故。特别是车辆高速驶入隧道的过程中，易发生黑洞效应。在刚进入隧道时，驾驶人对光线的突变在短时间内很难适应，容易产生视觉障碍，危急行车安全。所以我们需要在道路旁合适的位置设置隧道预告标志，使标志能及时被驾驶人发现并在车辆驶入隧道口时将车速控制在合理范围之内。本文采用了一个悬臂式隧道预告标志，如图 4.6 所示： 图 4.6 隧道预告标志（1）山区道路隧道路段场景（D）的运行车速为 45千米/小时，该路段上有一隧道，已有隧道预告标志距隧道口为 90 米。，用来调查驾驶人在看到隧道口后是否还会注意交通标志。如图 4.7 所示： 图 4.7 D 场景（3）山区道路隧道路段场景（E）是在 D 场景的基础上，将路段上距隧道口 90 米处的隧道预告标志移动 150 米处。来调查驾驶人在视野遮挡下未看到隧道前对隧道提示标志的注意。如图 4.8 所示： 图