導航播報措辭對駕駛行為的綜合影響研究

邊揚 俞潔 趙曉華 楊麗平

(北京工業(yè)大學 城市交通學院，北京 100124)

移動通訊技術(shù)和地理信息技術(shù)的發(fā)展使得人們通過導航獲取出行信息成為可能，目前導航被人們廣泛應用于日常出行。艾媒咨詢[1]數(shù)據(jù)顯示，2019年中國手機地圖用戶規(guī)模達到7.55億人，用戶群體龐大，其中高德與百度地圖月活躍用戶量遙遙領(lǐng)先。在查詢目的地功能和對駕駛行為作用兩個層面，手機等便攜式導航的表現(xiàn)均優(yōu)于紙質(zhì)地圖，且在陌生路況使用便攜式導航形式可節(jié)省時間并降低油耗[2]。然而導航在給人們出行帶來便捷的同時也會對駕駛行為產(chǎn)生一些負面影響。王穎等[3]研究發(fā)現(xiàn)使用車載信息系統(tǒng)時駕駛?cè)藢ζ渥⒁暣螖?shù)和注視時間與汽車的碰撞危險有直接關(guān)系，車載系統(tǒng)的存在降低了駕駛?cè)藢﹃P(guān)鍵交通事件的探測識別能力和對車輛的控制能力。田偉[4]通過對比駕駛?cè)耸褂檬謾C導航和自由駕駛情況，分析視覺及車輛穩(wěn)定性特征的差異，得到使用手機導航會導致駕駛?cè)藢η胺絽^(qū)域和左側(cè)區(qū)域的關(guān)注水平下降，減弱對車輛的控制能力；Robert等[5]對導航設備中大量冗余的功能與選項進行了研究，認為一些不必要的功能會分散駕駛?cè)俗⒁饬Γ自斐神{駛?cè)朔中?，從而帶來潛在風險；Kaber等對20名被試者進行了駕駛模擬實驗測試，分析駕駛?cè)说囊曈X和認知通道資源被車載信息占用時，駕駛?cè)瞬僮餮娱L時間和操作錯誤次數(shù)[6]。以上研究發(fā)現(xiàn)導航的存在可能會對駕駛?cè)诵袨楸憩F(xiàn)產(chǎn)生不良影響，但實際上導航不僅僅影響注視行為，其對駕駛?cè)瞬倏匦袨楹瓦\行狀態(tài)方面的影響也不容忽視。

由于駕駛行為是影響交通安全和順暢的重要因素，許多國內(nèi)外學者針對導航對駕駛行為的影響開展了大量研究，主要集中在不同的導航模式對駕駛行為的影響，包括導航信息給予形式(導航信息由何種形式傳達給駕駛?cè)?、提示時間和提示內(nèi)容。導航信息給予形式方面，目前主要有結(jié)合視覺和聽覺給予、聽覺使用、視覺使用3種類型，胡琳[7]研究發(fā)現(xiàn)這3種方式對駕駛行為的影響從大到小排序為：視聽結(jié)合<聽覺使用<視覺使用。導航的擺放位置和大小尺寸也會影響駕駛行為，Zheng等[8]將兩個大小不同(分別為7英寸和4.3英寸)的車載導航擺放在不同位置進行多組實驗，發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)俗⒁暢叽绱蟮能囕d導航頻率高于尺寸小的。Lee等[2]比較了駕駛?cè)嗽谑謾C導航和車載導航下的駕駛表現(xiàn)和車輛控制行為，結(jié)果表明盡管手機屏幕尺寸小于車載導航，但由于手機導航的便捷性和時效性等優(yōu)點，無論是城市道路還是郊區(qū)道路，手機導航下的行為表現(xiàn)均優(yōu)于車載導航。提示時間會影響導航有效性，若導航提示時間過早，駕駛?cè)丝赡軙泴Ш叫畔ⅲ蝗魧Ш叫畔⑻崾緯r間過遲，駕駛員可能沒有足夠的時間執(zhí)行相關(guān)操作。因此，部分學者致力于研究導航信息提示時機，旨在確定恰當?shù)膶Ш叫畔⑻崾緯r機,以提升駕駛安全和效率。例如Sabders等[9]研究了導航提示時間和交通流密度對駕駛?cè)嗽诟咚俟烦隹谠训佬袨榈挠绊?，發(fā)現(xiàn)導航的存在對中高密度條件下的換道安全性存在積極影響。此外，Wu等[10]為了尋找當前車載導航系統(tǒng)語音提示功能的設計盲點，采用駕駛模擬實驗來比較現(xiàn)有導航播報模式(提示時間由距離確定)和新型導航播報模式(提示時間由速度確定)兩種情形下駕駛?cè)说男袨楸憩F(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型導航播報模式能顯著優(yōu)化駕駛表現(xiàn)并減少駕駛?cè)诵睦碡摀?。導航提示?nèi)容關(guān)系到駕駛?cè)四芊窭斫鈱Ш叫畔⒉⒆龀稣_決策，是特別值得關(guān)注的內(nèi)容。Rasker等[11]研究發(fā)現(xiàn)，如果駕駛?cè)嗽诮邮諏Ш秸Z音播報時受到其他聲音的干擾導致信息內(nèi)容重疊，會使駕駛?cè)烁械矫曰蟛е率鹿?。且作者認為導航系統(tǒng)中的語音提示內(nèi)容不需要提供道路名稱，因為駕駛?cè)瞬荒芰⒓蠢斫膺@些路名。Uang等[12]采用駕駛模擬實驗研究發(fā)現(xiàn)不同信息量和規(guī)模的電子地圖對駕駛?cè)顺鲂袝r間的影響程度不同，擁堵信息的使用對尋路有積極作用?？紤]到不同駕駛?cè)藢π畔⑿枨蟠嬖诓町悾槍ζ淅淆g化嚴重這一社會現(xiàn)象，專門研究老年人對導航的需求，結(jié)果發(fā)現(xiàn)車載導航系統(tǒng)的使用為老年駕駛員提供更好的道路信息，同時也需要進一步改善導航的設計以提升對老年駕駛?cè)说姆掌焚|(zhì)[13]。朱彤等[14]通過實車道路實驗采集駕駛?cè)苏Ｑ蹠r間和頻率數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用車載導航情況下駕駛?cè)诵熊嚫环€(wěn)定，但是在車載導航語音提示模式下，駕駛?cè)诵熊囅鄬Ψ€(wěn)定安全。

綜上所述，目前國內(nèi)大部分研究集中在導航信息給予形式和提示時間，國外在導航提示內(nèi)容對駕駛行為影響方面的研究相對較多，但目前的研究并不充分。實際上導航提示內(nèi)容(主要指導航播報措辭)直接影響駕駛?cè)藢Ш叫畔⒌睦斫猓M而影響駕駛?cè)藳Q策行為，因此深入探究導航播報措辭對駕駛?cè)诵袨榈挠绊懯直匾４送?，與航海、航空領(lǐng)域不同，陸地導航語音播報尚未形成統(tǒng)一標準，缺乏對駕駛?cè)说挠行е笇?，且目前在用的導航語音播報措辭的合理性有待進一步驗證。因此文中以道路情況較為復雜導致駕駛?cè)嗣悦３潭容^高的城市快速路五岔路為例，依據(jù)導航產(chǎn)品市場調(diào)研設計4種播報措辭，通過駕駛模擬平臺獲取駕駛行為數(shù)據(jù)，并基于駕駛行為表現(xiàn)甄選快速路五岔路出口的最優(yōu)播報措辭。論文對城市快速路導航語音播報措辭的設置優(yōu)化具有指導作用，并為陸地車輛導航語音標準制定提供理論支撐。

1 實驗方法

1.1 被試人員篩選

實驗招募37名被試人員，有效樣本36人，年齡為21～55歲，平均年齡為37.6±12.1歲，其中男性駕駛員24名，女性12名，男女被試比例符合我國現(xiàn)有駕駛?cè)朔植记闆r[15]。被試的駕齡為2～35年，平均駕齡為12.91±9.56年，均具有實際城市道路快速路五岔路駕駛經(jīng)驗，能熟練操縱自動擋汽車。實驗開始時，通過指導語告知駕駛員相關(guān)實驗要求，指導語包括道路限速，駕駛要求以及駕駛失誤處理方法等。被試人員基礎信息如表1所示。

表1 被試人員基礎信息表

1.2 實驗設備

為消除導航任務外其他變量對實驗的干擾，論文采用駕駛模擬器進行試驗，設備為北京工業(yè)大學AutoSimAS駕駛模擬系統(tǒng)，能夠以0～10 Hz的頻率產(chǎn)生振動感，水平和垂直視野范圍分別是130°和40°，可以為駕駛?cè)颂峁└哒鎸嵍鹊牡缆翻h(huán)境和交通環(huán)境。駕駛模擬系統(tǒng)由實車、中控設備、影音系統(tǒng)及投影裝置4部分組成，可動態(tài)采集坐標、速度、加速度、橫向偏移、剎車、油門等車輛運行和操控數(shù)據(jù)[6]，如圖1所示。同時，該系統(tǒng)具有音效模擬效果，包括發(fā)動機、車輛制動、車輛振動、轉(zhuǎn)彎側(cè)滑等常見音效，實驗導航播報語音文件通過接口函數(shù)導入駕駛模擬平臺，以語音播報的時長和道路限速的乘積確定導航語音的觸發(fā)點，并進一步設定語音播報控制程序，為駕駛員提供真實的導航環(huán)境。

(a)模擬艙實驗過程示意圖

(b)模擬艙設備示意

1.3 場景設計

場景以城市快速路五岔路為案例，為不干擾駕駛員的正常駕駛，場景內(nèi)不設置其他交通量，且除措辭外，導航其他因素設置參數(shù)均相同。直線路段限速80 km/h，轉(zhuǎn)彎匝道限速40 km/h，實驗場景中交通標志標線的設置符合國家標準(GB5768—2009)。

為了研究駕駛員在不同播報措辭下的駕駛行為，實驗岔路按照隨機原則分配在不同路徑中，如圖2所示，F(xiàn)G段為本次實驗研究的岔路之一，其余路段用于其他研究，其他實驗岔路隨機分布在不同的路徑中，形式和圖2一致。圖2中1-5表示導航語音的播報時機點位，根據(jù)快速路導航現(xiàn)狀播報確定，共播報5次，分別距離岔路2 000、1 500、1 000、500和50 m。不同路段根據(jù)設計播報不同類型措辭，本示例路段播報A措辭。圖3為局部設計圖，為實驗路段的五岔路出口。實驗共設計了類似于圖2形式的3條測試路徑，每條路徑包含7條路段。A措辭分布在路徑1的第6條路段，B措辭分布在路徑2的第4條路段，C措辭和D措辭分別分布在路徑3的第3和第7條路段。每位被試人員隨機選擇3條路徑進行實驗，且4種措辭在不同路徑上不連續(xù)分布，并在非實驗路段設置其他事件(用于導航其他研究)，以降低學習效應對實驗結(jié)果的影響。

圖2 實驗路段場景設計

圖3 實驗路段局部設計

1.4 導航語音設計

由于目前缺乏陸地車輛導航語音信息服務用語的相關(guān)標準和規(guī)范，為提升評估結(jié)果的普適性，論文對導航行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)公司(高德、百度、四維等)開展調(diào)研，與相關(guān)專家訪談并對出租車司機及其他導航用戶開展了充分的調(diào)研和討論，得出一條完整的導航語音措辭由“‘前方’+距離+指示類+輔助類”這幾部分組成。論文根據(jù)行業(yè)調(diào)研和實際應用情況對語音信息進行提煉，最終給出4種措辭的設計?？紤]是否告知前方道路情況以及是否增加輔助語分為A/B/C/D 4種措辭，播報措辭如表2所示，在路段上的呈現(xiàn)形式如圖2所示。

1.5 實驗流程

實驗包括5個階段：實驗準備、適應性駕駛、試前問卷、正式實驗、試后問卷。

表2 導航措辭內(nèi)容設計

(1)實驗準備 實驗管理人員告知駕駛員本實驗相關(guān)注意事項。

(2)適應性駕駛 駕駛員需要熟悉模擬駕駛車輛，進行3～5 min試駕，以確認駕駛員熟悉駕駛模擬的操作，并沒有眩暈等不適癥狀發(fā)生。

(3)試前問卷 適應性駕駛實驗后，實驗管理人員對駕駛員進行試前問卷的提問，了解駕駛員在實驗前的生理狀態(tài)以及主觀感受。

(4)正式實驗 閱讀實驗指導語——告知道路類型、目的地、限速以及導航語音播報和平時使用一致等信息。36名駕駛員被隨機安排完成尋路任務以消除駕駛員操作過程的偶然性，駕駛員每隔20 min強制休息，以防止駕駛時間過長對駕駛員產(chǎn)生影響從而導致數(shù)據(jù)不準確。

(5)試后問卷 詢問駕駛員對于模擬駕駛的真實感，并通過詢問駕駛員的疲勞狀況等級判定駕駛員在操作過程中數(shù)據(jù)的有效性。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)預處理

實驗過程均要求被試人員填寫試前、試后基本狀態(tài)和疲勞程度等生理和心理信息，試后同時填寫模擬器真實程度以及場景真實程度的反饋情況。結(jié)果顯示，所有駕駛員駕駛前、后均處于清醒不疲勞狀態(tài)，對模擬器和場景真實度的評價打分均在8分以上(即≥8分，評價等級為0～10分，分數(shù)越高感受越真實)，這些結(jié)果均確保了實驗測試數(shù)據(jù)的有效性。實驗共獲取148(4×37)段數(shù)據(jù)，去除異常、不完整等無效數(shù)據(jù)，最終獲得144段(4組×36人)有效數(shù)據(jù)，包括駕駛員在4種播報措辭下的行為表現(xiàn)(速度、加速度、剎車、油門、方向盤等)。針對論文所選擇的指標參數(shù)，以5 m為間隔截取路段數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果分析

以駕駛行為為導向，從運行效率和穩(wěn)定兩方面展開分析，選取運行速度、運行時間、速度標準差、加速度均值、加速度標準差、橫向偏移6個指標，指標體系如圖4所示。論文選取距離岔路口2 000 m到出岔路50 m為數(shù)據(jù)分析范圍，在總體趨勢分析基礎上，對駕駛?cè)嗽?種導航措辭下駕駛行為進行顯著性分析，最后利用TOPSIS單目標評估方法選擇在城市快速路五岔路條件下的最優(yōu)播報措辭。

圖4 指標體系

2.2.1 運行效率指標

選用速度和運行時間來表征車輛運行效率，在不考慮安全穩(wěn)定性的情況下，速度越快運行時間越短，說明運行效率越高。

(1)運行速度

速度V(km/h)是交通狀態(tài)最直觀的反映，速度越快說明駕駛員的風險感知能力較低效率較高。如圖5所示，D措辭下運行速度均值最大，為78.83 km/h。重復測量方差分析結(jié)果顯示，4種措辭速度均值存在差異(F=4.996，P=0.006<0.05)；成對比較結(jié)果顯示，A措辭和D措辭、B措辭和D措辭之間均存在顯著性差異。

圖5 運行速度均值

(2)運行時間

運行時間t(s)也是衡量駕駛員行駛效率的指標，時間越短說明效率越高。如圖6所示，D措辭下運行時間最短，為85.39 s；B措辭下運行時間最長，為88.21 s。重復測量方差分析結(jié)果顯示，4種措辭下運行時間存在差異(F(3，105)=4.692，P=0.004<0.05)；成對比較結(jié)果顯示，D措辭和其他三個措辭之間均存在顯著性差異，和B措辭之間最為顯著。

圖6 總運行時間

2.2.2 運行穩(wěn)定性指標

選用速度標準差、加速度均值、加速度標準差和橫向偏移LP來表征車輛運行的穩(wěn)定性，在不考慮其他因素的情況下，這些指標數(shù)值越小，說明車輛運行的穩(wěn)定性越好行車越安全。

(1)速度標準差

速度標準差Vsd用于表征駕駛?cè)丝v向操作的不穩(wěn)定性，標準差越大說明駕駛?cè)瞬僮髟讲环€(wěn)定。如圖7所示，4種措辭下速度標準差由小到大排序為A措辭

圖7 速度標準差

(2)加速度均值

加速度A(m2/s)一定程度上可表征駕駛員心理緊張程度，值越大反映駕駛員心理越緊張從而導致行車不穩(wěn)。如圖8所示，A措辭下加速度均值最小，為0.17 m2/s；C措辭下加速度均值最大，為0.19 m2/s。重復測量方差分析結(jié)果顯示，4種措辭的加速度不存在差異(F=2.182，P=0.109>0.05)。

圖8 加速度均值

(3)加速度標準差

加速度標準差Asd反映駕駛?cè)祟l繁的操控情況，標準差越大說明駕駛?cè)瞬僮髟讲环€(wěn)定。如圖9所示，4種措辭下加速度標準差由小到大排序為A措辭

圖9 加速度標準差

(4)橫向偏移

橫向偏移(LP)(m)指車輛偏離道路中心線的位置大小，可表征駕駛?cè)藱M向操作的穩(wěn)定性，值越大說明偏移越大，反映車輛操作越不安全穩(wěn)定。如圖10所示，B措辭下橫向偏移最小，C措辭下橫向偏移最大。重復測量方差分析結(jié)果顯示，4種措辭下橫向偏移存在差異(F(3，96)=14.450，P=0.000<0.05)；成對比較結(jié)果顯示，除了A措辭和D措辭之間不存在顯著性差異，其他措辭兩兩之間均存在顯著性差異，其中B措辭和C措辭之間呈強顯著性差異。

圖10 橫向偏移LP

根據(jù)以上分析可知，針對不同的指標，4種導航措辭的優(yōu)劣性沒有一致性結(jié)果，無法得到最優(yōu)播報措辭。由此文中選擇指標體系中所有指標采用綜合評估方法實現(xiàn)導航播報措辭的綜合效能的評價和比選，從運行效率性和穩(wěn)定性考慮確定哪種類型的措辭為城市快速路五岔路條件下的最優(yōu)播報措辭。綜合評價是當一個復雜系統(tǒng)同時受到多種因素影響時，依據(jù)多個有關(guān)指標對系統(tǒng)綜合性能進行評價。典型的評價方法有層次分析法(AHP)、模糊評價法(FCE)、TOPSIS方法等。層次分析法比一般的定量方法更講求定性的分析和判斷，且運算較為簡單，但是定性成分多不易實現(xiàn)精準綜合評估；模糊評價法能通過精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，但其主觀性較強，使評價結(jié)果不夠全面；TOPSIS法對數(shù)據(jù)樣本無特殊要求，可以充分利用原有數(shù)據(jù)信息，更主要的是可對評價對象的優(yōu)劣程度進行排序。本研究實驗被試樣本量不大，且論文的目標是為了得到更優(yōu)的導航播報措辭，因此期望對不同措辭的作用效果進行優(yōu)劣程度排序，基于此論文選用TOPSIS方法實現(xiàn)綜合作用評價。

2.2.3 TOPSIS單目標評估

1)基本原理

該方法是一種根據(jù)測評方案判斷與最優(yōu)方案及最劣方案的距離進行優(yōu)劣排序的綜合評估方法，通過計算某一評估方案與最優(yōu)方案和最劣方案之間的加權(quán)值，假如某個評估方案的加權(quán)值最靠近最優(yōu)解且同時遠離最劣解，則這個方案效果最理想[17]。論文需在4種導航播報措辭中找出最優(yōu)措辭，即何種措辭距理想解的距離最近，距負理想解的距離最遠。

2)計算步驟

(1)構(gòu)建評估矩陣

設有n個評估方案，每個方案共有m個評估指標，在實驗數(shù)據(jù)的基礎上構(gòu)成初始化判斷矩陣X=Xij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；)，文中有4個評估方案，6個評估指標，所以X=X46(i=1，2，…，4；j=1，2，…，6；)。

(2)數(shù)據(jù)標準化

(3)確定各指標權(quán)重

(4)計算評估方案與最優(yōu)及最劣解的歐氏距離

(5)確定各評估方案與最優(yōu)解的相對接近度

3)評估結(jié)果

綜合6項指標，TOPSISI評估結(jié)果如下：A措辭離理想解的接近度為0.213，B措辭和D措辭的接近度分別為0.606和0.520，C措辭和理想解最接近，為0.945。從上述結(jié)果可得出：導航播報措辭信息量適中對駕駛行為有更好的效果，在較迷茫的道路條件下，有輔助語更有利于駕駛穩(wěn)定高效(C措辭)，既有前方道路情況又有輔助語的措辭由于信息過多對駕駛員造成一定的負荷(D措辭)，只告知距離和方向的措辭(A措辭)由于信息量太少不利于決策。措辭類型和評估結(jié)果關(guān)系如圖11所示。

圖11 措辭類型和評估結(jié)果關(guān)系

3 結(jié)語

論文以偏航率頻發(fā)的城市快速路五岔路出口為研究對象，從導航語音播報措辭著手，基于駕駛模擬技術(shù)獲取駕駛行為數(shù)據(jù)，對比不同導航措辭影響下駕駛行為表現(xiàn)，并選用TOPSIS進行綜合評估。揭示了不同導航播報措辭作用下駕駛行為規(guī)律，進而甄選城市快速路五岔路最優(yōu)播報措辭，為陸地車輛導航語音標準制定提供理論研究支持。主要研究結(jié)論如下：

(1)論文從運行效率和穩(wěn)定性兩個層面，分析了駕駛行為方面的6項指標。從運行效率看，D措辭下運行速度最大，與A措辭和B措辭之間存在顯著性差異；運行時間在D措辭下最短，且與B措辭之間存在顯著性差異；從運行穩(wěn)定性看，速度標準差、加速度均值和加速度標準差在A措辭下的值最小，B措辭下橫向偏移值最小。

(2)采用TOPSIS從運行效率和運行穩(wěn)定性兩方面對導航播報措辭進行綜合評估，結(jié)果顯示C措辭離理想解最接近，說明C措辭引導下駕駛效率和安全性均表現(xiàn)為最優(yōu)，而A措辭離理想解最遠，即A措辭下駕駛行為表現(xiàn)較差。

(3)研究結(jié)果表明在城市快速路五岔路出口，不同導航播報措辭會對駕駛行為產(chǎn)生不同的影響，且導航措辭并不是信息量越多越有利于駕駛高效和穩(wěn)定(如圖11所示)。城市道路導航播報措辭組織結(jié)構(gòu)為“‘前方’+距離+指示類+輔助類”，對于城市快速路五岔路，增加輔助類信息“前方有五岔路”和“不要走××”可確保駕駛過程的高效性與安全性。以此類推至其他特殊迷茫路段的導航播報措辭設計問題，措辭中體現(xiàn)特殊路段的相關(guān)信息以輔助提示駕駛員，可能將對駕駛過程產(chǎn)生積極影響。

論文研究思路為甄選特定道路條件下最優(yōu)播報措辭提供方法指導，為進一步挖掘?qū)Ш讲髢?nèi)容對駕駛行為的作用機理奠定理論基礎，同時對陸地車輛出行語音導航信息服務用語的標準制定具有重要參考價值。論文選擇駕駛?cè)嗽诳焖俾烦隹陔S機選擇岔路這種情景作為實驗測試場景，但駕駛?cè)颂幵诓砺返牟煌臻g位置(如：最左側(cè)岔路和左側(cè)第二岔路等)對語音播報措辭的需求可能存在差異，從而對駕駛?cè)诵纬刹煌潭鹊鸟{駛負荷。因此，未來的研究將根據(jù)駕駛?cè)说恼J知負荷對道路條件進行分類，深入研究駕駛負荷和導航播報措辭兩者耦合作用下的駕駛行為作用規(guī)律，為進一步優(yōu)化導航播報模式奠定基礎。