城市地下道路LED自发光指路标志视认性研究

浦雅添;岳川;陈丰;夏之光;潘晓东

【摘 要】城市地下道路交通标志的视认性对交通安全有着十分重要的意义.为了提高交通标志的视认性,通过室内仿真实验和实车实验对 LED指路标志的版面设计进行了评估.首先,在 DIALUX 软件中建立模拟测试场景,并对24 种不同字体颜色、字体大小、笔画粗细的标志牌进行视认实验,记录驾驶员的视认距离.其次,制作20 种不同尺寸、高宽比、笔画粗细和发光形式的 LED标志牌,在同济大学校园、西藏南路隧道和上中路隧道进行实车实验.最后,根据实验结果,以视认距离为依据,提出对设计速度为 60 km/h 的城市地下道路指路标志版面设计的优化设计建议.%The legibility of traffic signs in urban tunnels is of great importance on traffic safety.To improve legibility of traffic signs,this paper attempts to assess the siting and layout of LED traffic guide signs by simulation and field tests.First,the test scenarios were built in DIALUX software,where driv-ers'legibility distance were recorded with regard to twenty-four signs with different colors,font sizes,and contrast ratios.Then,to confirm the results from simulation,twenty LED traffic guide signs with dif-ferent layouts are designed.Different layouts were set up with varying sign sizes,height-width ratios,thickness of stroke and light emitting forms.By setting up those traffic guide signs,field tests are conduc-ted on Tongji University campus,South Tibet road tunnel and Shangzhong tunnel in

Shanghai.Finally,according to the experimental results,the optimal design for urban tunnels with speed of 60 km/h is rec-ommended regarding legibility distance.

【期刊名称】《公路工程》 【年(卷),期】2018(043)003 【总页数】6页(P6-10,56)

【关键词】指路标志;城市地下道路;视认性;交通安全 【作 者】浦雅添;岳川;陈丰;夏之光;潘晓东

【作者单位】道路与交通工程教育部重点实验室,同济大学,上海 201804;嘉绍跨江大桥投资发展有限公司,浙江绍兴 312000;道路与交通工程教育部重点实验室,同济大学,上海 201804;道路与交通工程教育部重点实验室,同济大学,上海 201804;道路与交通工程教育部重点实验室,同济大学,上海 201804 【正文语种】中 文 【中图分类】U491.5+2 1 概述

随着城市化进程的不断加快，城市发展的矛盾日渐趋向于城市人口增长、城市化水平提高与以土地为主的资源拥有量的不断减少之间的矛盾。而城市地下空间是一种十分宝贵的资源，对其合理的开发和利用可以弥补城市用地不足，如修建地下道路可以缓解对城市道路的压力，减少交通拥堵，从而汽车尾气等污染排放也会相应减少，改善城市环境，其重要性不言而喻。同时，在地面道路上，驾驶员可以通过卫星进行导航，而在地下道路中因信号弱，没法利用卫星实时导航，在此情况下，交通指路标志成为驾驶员获取外界路况信息的主要渠道。此外，由于交通量较大、亮度条件较差，容易造成城市地下道路交通事故率的增长。因此，城市地下道路交通

标志的视认性对交通安全十分重要。

目前，在驾驶员视觉特性和交通指路标志方面已有许多研究。早在2006年，Said M.Easa等针对驾驶员的视觉需求做出一定的研究，他们利用建模软件，建立三维两车道道路模型，分析驾驶员横纵坐标方向上的视觉需求。2011年YAN Bin等对驾驶员在地下道路群的视觉特性进行研究，发现不同的年龄、不同的驾驶经验以及持续驾驶时间都与驾驶员的动态视觉特性有很大的关系。2013年杜志刚等人对驾驶员在长大地下道路中的视点分布特性进行研究，结果表明驾驶员的视点主要集中在水平线的下方位置且注视时间较长。2005 年 Paul G 等通过研究道路上的车速、道路等级与版面尺寸的关系，指出道路等级越高版面尺寸越大，车速越快对信息的接受能力就越弱。侯德藻等基于驾驶员认知特性对汉字指路标志字高模型进行研究，得到不同速度下的汉字高度，最终利用规范验证模型的适用性。姜军等以城市道路标志为研究对象，利用眼动仪和GPS采集了不同光照条件下驾驶人视认指路标志的特性数据，建立基于驾驶人视认特性的指路标志设置参数计算模型, 利用模型分析了标志信息量，设置仰角等参数。盛莉莉等针对自发光标志的亮度与对比度进行研究，发现标志亮度与环境对比度对于驾驶员视认距离有一定影响，标志亮度与环境对比度在一定的范围内可以使驾驶员获得最佳的视认距离。

大多数与驾驶员视觉特性相关的研究集中在驾驶员的注视时间、注视范围以及外界环境对于驾驶员视觉特性的影响上，而对城市地下道路交通引导标志的视认性研究较少。

本文研究的内容则主要包括两方面: ①利用驾驶模拟软件建立城市地下道路驾驶场景，采集驾驶员视觉特性，对光电式LED标志进行视认性评价，探究不同版面设计参数下，驾驶员视认性最优的参数组合； ②利用城市地下道路进行自发光标志现场实验，测试一定速度下驾驶员视认距离，以验证模拟实验的成果。

首先，在DIALUX软件中建立模拟测试场景，在室内模拟实验中驾驶员需对24种

不同字体颜色、字体大小、笔画粗细的标志牌进行视认实验，并记录相应的视认距离。实验结果表明，在四种常用的标志牌字体颜色红、白、绿、黄中，红色字体视认性最好，白色次之。然而，红色字体可能会被误认为是警示标志，由此实车实验中采用白色字体。随后，为了进一步验证结论的可靠性，我们制作了20种不同尺寸、高宽比、笔画粗细和发光形式的LED标志牌，并在校园道路、西藏南路隧道和上中路隧道进行实车实验。利用Go-pro摄像头、秒表和写有数字编号的白纸等器材共同记录，使数据尽可能准确。最后，综合考虑安全性、经济性，针对设计速度为60 km/h的城市地下道路指路标志版面设计提出了最优化设计方案。 2 室内模拟实验 2.1 视认性影响因素

交通引导标志的视认性是指驾驶员在有限的时间内能对引导标志的内容正确认知并理解的能力。驾驶员在行驶过程中，需通过接收交通引导标志的信息，做出决策判断和相应的操作。为保证高速行驶的状态下驾驶员仍能顺利获取有用信息，需提高交通引导标志的视认性，并将其前置一定距离设置，确保驾驶员有充足的时间进行操作操作。驾驶行为由人、车、路、环境共同组成，交通引导标志的视认性也受驾驶员、车辆状态、环境和标志本身的设计等多方面影响，具体影响因素总结见表1。 表1 交通标志视认性主要影响因素Table 1 Main influencing factors of legibility of traffic signs驾驶员车辆状态环境标志牌年龄、性别、视力、驾龄和职业等车辆行驶状态如车速大小、加速度大小和车型光照强度交通流密度标志板的材料、形状、尺寸、背景颜色、信息内容的文字颜色、字宽、字高、间隔、笔画粗细以及信息量等 2.2 实验方案设计及过程

前文中提到的影响视认性的因素有很多，本文主要选取标志版面设计的文字颜色、字体大小和笔画粗细进行组合设计。

车辆状态方面因实验背景为城市地下通道，以正在建设中的北横通道为考虑对象，车型以小汽车为主，视点高度1.2 m。行驶车速以北横通道的设计车速为标准，即60 km/h。

版面设计组合总结见表2。

各设计参数具体意义举例说明如图1所示。

利用DIALUX制作视频，以投影仪放映的方式进行驾驶模拟实验见图2。地下道路全长500 m，

表2 室内模拟实验标志牌组合设计Table 2 Layout-designs of traffic signs for the simulation tests组合设计“小”组“中”组“大”组文字高度h/cm364554文字宽度/cm364554笔画粗细114h/cm 2.57 3.21 3.86110h/cm 3.6 4.5 5.4字间隔110h/cm 3.6 4.5 5.4距标志边缘距离110h/cm14.418 16.2字体颜色红,白,绿,黄

图1 设计参数代表意义Figure 1 The explanation of design factors

从一端起点处开始驾驶，标志设在距起点300 m处。每组实验选取8名实验人员，包括4名男性和4名女性，矫正视力均达到0.8以上，实验时精神状态良好。测试者能看到标志轮廓，分辨出是交通标志时记为发现标志点A，此时时间记为tA；能看到标志内容时记为开始认读点B，此时时间记为tB；完全掌握标志内容时记为认读完成点C，此时时间记为tC。

图2 驾驶模拟实验场景Figure 2 The experimental scenarios in simulation tests

2.3 数据处理及分析

驾驶员发现标志牌并开始认读的位置距标志牌的距离称为视认距离，当行车速度保持为60 km/h时，视认距离计算公式如下：

(1)

将8名驾驶员共192组数据作如上处理，通过认读距离和视认距离比较24种标志牌的视认性好坏程度。结果表明文字颜色方面视认性好坏程度为红>白>绿>黄，此外，字体大小越大则视认性越好，且在笔画较细时视认性更好。但考虑到红色字体可能会被误认为警示标志，由此在后续实车实验中，采用白色字体,见图3～图5。 图3 不同字体颜色对视认距离的影响Figure 3 Visual cognition distance under different font color

图4 不同字体大小对视认距离的影响Figure 4 Visual cognition distance under different font color

图5 不同笔画粗细对视认距离的影响Figure 5 Visual cognition distance under different font color 3 实车实验 3.1 标志牌方案设计

参考《国标》要求，字体采用黑体。版面颜色统一为蓝底白字，尺寸方面在现有标准的基础上进行研究。此外，考虑自发光标志牌的三种发光形式：点阵式、半透式和全透式。对字高30 cm，字宽1∶1和1∶0.75两种方案进行三种设计，其它组合设计则采用目前较多的半透式,见图6～图8。 具体设计方案如表3所示。 3.2 实验方案设计

考虑性别、驾龄及年龄层的影响，选取9男9女共18人。实验设备有移动电源、秒表、小汽车、激光测距仪、胶布、打印有数字编号的纸张、Go pro等(见图9)。三次试验分别在校园道路、西藏南路地下道路和上中路地下道路进行。 图6 点阵式自发光标志牌示例Figure 6 The matrix type of the self-luminous signs

图7 半透式自发光标志牌示例Figure 7 The semi-permeable type of the self-luminous signs

图8 全透式自发光标志牌示例Figure 8 The full penetration type of the self-luminous signs

表3 方案设计Table 3 Layout-designs of signs for the field tests字高h字宽汉字粗细h0.75 h1/10 h1/14 h20201521.5252519—2303022.5— 23535——2.5404030—34545——3505037.553.5“k”字高1/2 h“m”字高2/5 h数字高 h数字宽1/2 h数字粗细105201012.5102512.51512301517.5143517.5同汉字2016402022.5184522.525205025注:表中“—”代表没有该组合设计。

图9 实验仪器Figure 9 The experimental equipments 3.3 实验过程

实验准备：确定放置点位后安装标志，并在地下道路侧墙上每隔5 m贴一张数据编号纸，用于测距。将秒表准备好，并将小汽车停到距起点至少200 m处。如图10所示。

图10 数字编号Figure 10 The papers with number

在实验前，让测试者了解实验过程，告知并解释清楚何时需做出相应反应，并确认测试者正确理解规则，保证实验顺利进行,见图11。 图11 地下道路环境Figure 11 Tunnel environment

实验正式开始前，需由实验负责人进行预实验，确保实验过程正常，再由测试者进行正式实验，见图12。

由于地下道路实验时间受限，两次实验主要考虑字高的影响，共挑选四块标志牌进行实验。正式实验中，测试者需坐在驾驶位置，迅速加速至60 km/h并尽量保持该速度，副驾驶坐一名记录人员，当测试者看清标志内容时发出“啊”的声音，记

录人员记下地下道路侧墙的相应数字编号。

图12 实验过程Figure 12 The experimental procedure

待所有测试者测试完毕后进行下一块标志牌的视认实验，重复前述步骤。 3.4 数据分析

根据时间数据计算出视认距离后，除去最大值和最小值，得出平均视认距离如表4至表7。

由此可知，字高在20～50 cm范围内，字高越大标志牌视认性越好；发光形式上全透式好于半透式，点阵式最差；字宽方面1∶1好于1∶0.75；笔画粗细上可能由于细笔画线条间的光晕影响较小，细笔画视认性好于粗笔画，与室内模拟实验结果一致。因此，基于室内模拟和实车实验，实验结果可作为标志牌的设计依据。 表4 字高对视认距离的影响Table 4 Influence of height on signs’legibility内容亮度字体板面对比度平均距离/m除去最大最小值的平均距离/m20 cm 1∶1细1540.80192.5 70 70 25 cm 1∶1细153.50.75204.7 91 91 30 cm 1∶1细1501.1136.4 98 99 35 cm 1∶1细1580.6263.3 107 107 40 cm 1∶1细1550.46337.0 116 117 45 cm 1∶1细1250.6208.3 125 126 50 cm 1∶1细1300.6216.7 144 145

表5 发光形式对视认距离的影响Table 5 Influence of the light emitting forms on signs’legibility内容亮度字体板面对比度平均距离/m除去最大最小值的平均距离/m30 cm 1∶1细半透1501.1136.4989930 cm 1∶1细全透14010.313.610110330 cm 1∶1细点阵6900.8862.58988

表6 字宽对视认距离的影响Table 6 Influence of the light emitting forms on signs’legibility内容亮度字体板面对比度平均距离/m除去最大最小值的平均距离/m20 cm 1∶1细 1540.80192.5707020 cm 1∶0.75细

1700.46369.6585925 cm 1∶1细 153.50.75204.7919125 cm 1∶0.75细2300.5460.0848430 cm 1∶1细 1501.1136.4989930 cm 1∶0.75细1700.6283.3706940 cm 1∶1细 1550.46337.011611740 cm 1∶0.75细1680.768218.811011150 cm 1∶1细 1300.6216.714414550 cm 1∶0.75细1470.35420.0127131

表7 笔画粗细对视认距离的影响Table 7 Influence of stroke on

signs’legibility内容亮度字体板面对比度平均距离/m除去最大最小值的平均距离/m20 cm 1∶1细 1540.8192.5707020 cm 1∶1粗 1600.7228.6676720 cm 1∶0.75细1700.46369.6585920 cm 1∶0.75粗1760.47374.5232450 cm 1∶1细 1300.6216.714414550 cm 1∶1粗 1760.8220.013513450 cm 1∶0.75粗1390.47295.713113350 cm 1∶0.75细1470.35420.0127131 4 结论

城市地下道路具有视觉环境突然变换，交通流量大以及合流分流节点多等特点，这些特点使得城市地下道路成为交通事故高发区。此外，城市地下道路进出口匝道较多，需要交通标志对驾驶员做出及时准确的引导。不同于地面道路引导标志，城市地下道路中采用LED自发光标志牌，而以地下道路内驾驶员视觉特性为基础，针对城市地下道路LED自发光交通标志视认性的研究比较少。与以往研究不同之处在于，针对该问题，本文不仅进行了驾驶模拟实验，还进行了实车实验作为进一步验证，补充相关研究空白。此外，通过对指示标志版面设计参数的研究，为城市地下道路相关规范的制定提供了依据。我们对比了20种不同版面设计的标志牌在60 km/h速度下的视认性，四个关键的影响因素包括字体颜色、字高、笔画粗细和发光形式。

通过室内模拟实验的数据分析，我们有如下发现：①在一定范围内，四种标志牌常用字体颜色(红，白，绿，黄)中，红色字体视认性最佳；②字体越大，视认性越好；

③笔画粗细方面，细笔画视认性更好。但是考虑到红色字体可能会被误认为警示标志，在实车实验中采用白色字体。

实车实验中我们还考虑了不同发光形式的LED自发光标志牌视认性区别，结果表明全透式好于半透式，点阵式视认性最差。字高和笔画粗细的结论与室内模拟实验一致。因此，综合考虑安全性和经济性，针对设计速度为60 km/h的城市地下道路，本文建议的视认性最优化设计为字高45 cm，高宽比 1∶1，全透式，笔画粗细为3 cm。 [参考文献]

[1] Said.M.Easa and W.He.Modeling Driver Visual Demand on Three-Dimensional Highway Alignment[J].Journal of Transportation Engineering:vol.5,pp.357-365,2006.

[2] B.Yan and H.Chen.Visual Characteristics of the Driver to the Tunnel Group Traffic Safety[J].ICTE:pp.3009-3014,2011.

[3] Z.Du and F.Huang.Analysis on Fixation Distribution Characteristics of Drivers in Long Freeway Tunnels[J].ICTIS: pp.1252-1262,2013.

[4] G.Paul,Michael,C.Frank,Leeming,William,O.,Dwyer.Headway on urban streets:observational data and an intervention to decrease tailgating[J].Transportation Research Part F:vol.3,pp.55-64,2005.

[5] 侯德藻,黄凯.基于驾驶员认知特性的汉字指路标志字高模型研究[J].公路交通科技.2010(3):142-146.

[6] 姜军,陆建.基于驾驶人视认特性的城市道路指路标志设置[J].东南大学学报.2010(5):1089-1092.

[7] 盛莉莉,郭敏.自发光式交通标志亮度与对比度的研究[J].浙江交通职业技术学院学报,2008.9(3).

[8] GB5768-2009,道路交通标志和标线[S] .

[9] T.W.Victor,J.A.Engstrom.Sensitivity of eye-movement measures to in-vehicle task difficulty[J].Transportation Research Part F:vol.8(2),pp.167-190,2005.

[10] T.W.Forbes,B.B.Saari,W.H.Greenwood,J.G.Goldblatt,T.E.Hill.Luminance and Contrast Requirements for legibility and Visibility of Highway Signs[J].Transportation Research Record:vol.12 (562),pp.59-72,1976. [11] R.Jurado-Pia, J.M.Pardillo-Mayora,R.Jiménez.Methodology to Analyze Sun Glare Related Safety Problems at Highway Tunnel Exits[J].Journal of Transportation Engineering:pp.545-553,2010.

[12] Blumentrath and Christina.Visual characteristics of roads:A literature review of people's perception and Norwegian design

practice[J].Transportation Research Part A:Policy and Practice:vol.1,pp.5-71,2014.