交通指路标志字高与视认性关系研究

发布时间：2016-08-14 09:19

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第２６卷第７期２００９年７月

公路交通科技

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

Ｖ０１．２６Ｎｏ．７

Ｊｕｌ．２００９

文章编号：１（｝０２－０２６８（２００９）０７－０１１５－０６

交通指路标志字高与视认性关系研究

蒋海峰，韩文元，张智勇

（交通部公路科学研究院，北京１０００８８）

摘要：采取理论分析和大量现场试验相结合的研究方法，分析了指路标志汉字字高与视认性的定量关系。基于视觉生理学理论和非线性回归分析的方法，建立了交通标志汉字字高通用模型，该模型与实测数据之间具有较好的拟合性ｊ研究结果一方面验证了我国现有指路标志字高标准的合理性和科学性，另一方面为交通指路标志字高的科学设计提供了理论依据。

关键词：交通工程；交通标志；指路标志；字高；视认性；交通安全中图分类号：Ｕ４９１

文献标识码：Ａ

ＳｔｕｄｙｏｆＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＷｏｒｄＨｅｉｇｈｔａｎｄＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｆｏｒＴｒａｆｆｉｃＧｕｉｄｅＳｉｇｎｓ

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（Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｉｇｈｗａｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙｏｆ

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ

１０００８８，Ｃｈｉｎａ）

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ｓｉｇｎ；ｗｏｒｄ

ｈｅｉｇｈｔ；ｖｉｓｕａｌｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ；ｔｒａｆｆｉｃｓａｆｅｔｙ

０引言

指路标志是传递道路前进方向、地点和距离信息的标志，是帮助道路使用者快速、准确到达目的地和减少交通延误的重要交通设施，在现代道路交通管理

应加大字高，有一些地区的高速公路将指路标志上的汉字字高做到了８０ａｍ以上，再加上近年来，交通参与者对交通信息量需求的不断增加，交通标志需提供的信息量也越来越多，这直接导致指路标志版面越做越大。不仅造成不必要的经济浪费，而且占用了道路空间，影响了景观，对司机产生压抑感，甚至导致标志结构存在安全隐患，直接威胁交通安全。因此，有

中发挥着重要的作用。指路标志上的汉字作为信息交

换的第一要素，如何准确、快速地传递给快速移动的道路使用者，汉字本身的质量起决定因素。相关专家

必要对现代交通条件下，汉字的字高的适用性问题作

进一步的验证和分析，回答社会质疑，为科学设计道路交通标志提供理论依据。同时达到即保障交通安全，又节约交通资源投入的双重目的。

学者对汉字的结构与其视认性进行了深入研究，并取得了很多实用研究成果和结论¨“Ｊ。

当前在我国有一种观点认为，ＧＢ５７６８—１９９９中规定的汉字字高已不适应现代交通和道路发展的要求，

收稿日期：２１３０８—１２－０３

基金项目：交通部匹『部交通建设科技资助项目（２００４３１８２２３３３—１０）

作者简介：蒋海峰（１９７８一），男，河南永城人，助理研究员，博士，研究方向为交通安全、检测技术及标准化．（ｈｆ．ｊｉａｎｇ＠ｒｉｏｈ．饥）

万方数据

１１６

公路交通科技

第２６卷

１

国内外现有研究基础

国外很多国家都针对其使用的交通文字开展研

究，理论相对比较成熟和完善，并制定了本国交通标志使用文字的标准。前联邦德国学者研究认为：正常视力能看到７０ｍ处标准交通标志信息的驾驶员，其视认距离大小是字母高度的３００。５００倍，英国交通工程界学者普遍认为，这个倍数应等于６００。英国的相关研究成果表明：道路标志牌上字母的必要高度，高度表达式为…：

日：盟掣＋寻ｓ

阱

斗

（１）

其中，Ⅳ为标志板字母高度；Ｎ为标志牌上的单词数；ｙ为行车速度；Ｓ为汽车距离标志设置地点的距离。

Ｆｏｒｂｅｓ和Ｍｏｓｃｏｗｉｕ（１９３９）进行了交通标志大小写英文字母视认性的对比研究，发现宽度固定时小写字母更易读；Ｋ叩ｔｚ（１９５０）针对数字的视认性开展了研究，得出视认效果最佳时汉字字高与笔划宽度比应该为５：ｌ的结论；加拿大、德国等从人的视觉生理学角度考虑，，构建了标志文字设置高度的数学模ｆｆ型［２Ｊ。日本标志文字基本尺寸规定如表ｌ。

表１日本交通标志文字高度

‘Ｔａｂ．１

Ｃｈａｒｌｌｃｔｔｅｒｈｅｉｇｈｔｓｏｆ

Ｊａｐｍａｅｓｅ

ｔｒａ币ｃ蛐

设计车速／（ｋｉｎ?ｈ。１）

文宁大小／锄

车速≤３０１０加≤车速≤∞２０车速３７０

３０

以上国外的研究成果除日本的研究外，大都基于拉丁字母和阿拉伯数字体系，对我国指路标志字高的研究没有实质性的参考价值，更不能直接引用。可借鉴的只是一些科学、合理和有效的研究方法和手段。

汉字体系很复杂，不同字高、不同笔画和不同字体结构的指路标志，其视认性有明显差异。我国对指路标志字高模型的研究成果具有代表性的有：华中科技大学交通科学与工程学院的胡光明教授（２００６）研究了指路标志牌的版面设计方法，通过与驾驶员视认距离有关的因素来确定指路标志的文字高度和尺寸。对交通标志内容的规范化也提出了一些建议，同时探讨了不同层次路网结构下驾驶员对指路标志信息的需求【３Ｊ。文献［３］给出的已有研究成果表明，黑体汉字的视认效果最好，汉字的笔画多少、汉字结构等对其视认性都有显著的影响；笔画越多、结构越复杂就越难辨认，反之则越容易辨认［３］３。但是，该研究成果只对指路标志的设计设置进行了简单的论述，没有相关的试验数据给以支持和验证。在实际中还有许多问

万方数据

题需要研究验证。

文献［４］研究了研究了影响标志汉字视认性的因素，主要包括：字体的影响、汉字使用频率对辨认的影响、汉字笔画数对辨认的影响、汉字高度的确定、汉字高度与视认距离的定量关系等。文中给出驾驶员视认距离与汉字字高的关系式【４Ｊ：

Ｄ＝６８７．６?ｈ?Ａ绝对／Ｃ，

（２）

其中，Ｄ为驾驶员的视认距离；Ａ绝对为驾驶员的视力；Ｃ为汉字与字标的换算系数；ｈ为汉字高度。

１９９８年，交通部公路科学研究院承担国家“七五”

攻关项目“高速公路标志汉字视认性及标志形式的研究”，但主要是从技术角度，位置设计和结构设计，针对我国道路交通条件和驾驶员的实际水平，采用室内试验和室外道路试验相结合的方法，对交通标志的颜色、汉字结构、版面大小进行了较为系统的研究，包括与司机视力有关的试验与汉字本身结构特征有关的试验与标志板面布设有关的试验。研究了汉字的字体、字高、笔划粗、高宽比、字间距、行间距等对标志的易读性和可见性的影响。其中完成的最重要的研究内容是根据几何原理建立了字高计算模型为：

Ｌ一

垡：量￡．

！

，¨、。７

”一Ａ绝列Ａ相对（５７．３×６０）ｐｌｐ２Ｐ３Ｐ４’

其中，ｈ为汉字高度；ｔ，为车速；ｃ为汉字与视标的转换常数；ｔ为对汉字感知、理解时间；Ｐ１一Ｐ４为汉字宽高比、汉字字高笔划粗比、汉字使用频率、汉字笔画数的相对正确辨认率；Ａ绝对为绝对视力即人的生理视力；以相对为相对视力呈现时间为０．２ｓ，偏角为酽时的相对视力。

式（３）中汉字与视标的转换常数是由实验与理论推导得出，汉字感知、理解时间通过室内静态试验标定约为２．６ｓ。通过此公式可以计算不同设计速度下汉字字高，然后根据消失距离大小确定最终字高。该研究成果为ＧＢ５７６８一１９９９《道路交通标志标线》的制订提供了依据。

文献［６］论述影响交通标志中汉字认读的一些主要因素：汉字字体、高宽比、笔画数、字频、字间距及行

间距等，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依据怕Ｊ。

国内其他相关研究成果普遍认为视力为０．９的驾驶员认读标志上汉字内容所需距离Ｓ约为汉字高度ｈ的２００倍，即：

Ｓ＝２００?ｈ．

（４）

第７期蒋海峰，等：交通指路标志字高与视认性关系研究

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其中，ｈ为标志板字母高度；Ｓ为驾驶员的视认距离。

我国在１９８６年颁布实施的《道路交通标志和标线》（ＧＢ５７６８－１９６８）中指路标志所采用的汉字高度是参

考日本标准制定的，实际使用过程中普遍反映汉字偏

小【７】。为此，在“七五”科技攻关项目中列入了关于汉字视认性的研究课题，并于１９９９年颁布实施了国标《道路交通标志和标线》（ＧＢ５７６８—１９９９），对指路标志字高进行了详细的规定，如表２。

表２车速与交通标志汉字高度关系

Ｔａｂ．２

Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｅｈｉｄｅ

ｓｐｅｅｄ锄ｄ

ｗｏｒｄ

ｈｅｉｇｈｔ

ｏｆ●：ｈｈ●曩辩ｄ艋旺ａｃｔｅ玮伽ｔｌ＇ｌ桶Ｃ

ｓｉｇｎｓ

２研究方法及理论依据

标志的视认性不仅与标志汉字字高有关，而且与汉字的笔画粗细、字体、结构、笔画多少和使用频率等因素有关。文献［８］给出了标志视认性与汉字笔画粗细的研究成果和结论，其他相关文献已对汉字字体、结构和使用频率等给出了较为详细的研究结论，这里就不再研究［８Ｊ８。本次试验是在笔画粗细、字体、结构、笔画多少等因素确定后进行的单因素多水平试验，即驾驶员视认距离由字高唯一确定，二者是一一对应的函数关系。２．１试验假设

交通部西部交通建设科技项目（２００４３１８２２３３３—１０）的研究成果表明，当车速在１２０ｋｍ／ｈ以内时，运动对驾驶员的视认距离没有显著影响，即动视力可近似认为与静视力相同。因此，以驾驶员的静态视认距离为基础，以静态试验代替动态试验，以静视力代替动视力来研究指路标志汉字字高与视认性之间的数理关系，可节约试验时间和成本。２．２试验方案

ｌ

本次试验汉字字体为黑体，笔画粗细为古ｈ（ｈ

是字高），试验变量因素暂定为：汉字的选取（考虑到我国地名汉字的使用频率、笔画繁简、字体结构

等）、字高和驾驶员静态视认距离。结合我国县、地、

市名和现有交通标志字库，试验选取“鼓楼”、“华硕”、“青莲”、“南阳”、“紫霞”和“国家”６组指路标志信息组合，将指路标志汉字信息分为６个试验水平。同时参考现有国标ＧＢ５７６８—１９９９，将每一组试验

标志汉字组合的字高分为７个试验水平。汉字选取和

汉字字高试验水平如表３所示。

万方数据

表３因素及水平

Ｔａｂ．３

ＦａｃｔｏｒｓａｎｄＩｅｖｅｌｓ

冈素水平

标志用汉字

“国家”、“华硕”、“紫霞”、“鼓楼”、“南阳”、“青莲”

堡主主妾！塑垫箜塑箜丝鲤箜

试验前制作的指路标志实物如图１所示。现场试验时的效果如图２所示。

图１试验现场

图２结果试验验证现场

ｎｇ．１

Ｔｅｓｔ

ｆｉｅｌｄ№．２

Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｆｏｒｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔ

２．３试验设备

ＰＶＣ标志底板，模仿铝板作为交通标志底板；定滑轮，升降标志板用；全站仪１套，测量驾驶员的静态视认距离；机动车辆（桑塔纳２０００），模拟驾驶员行车时的视角和视高。２．４试验人员

视觉生理学研究成果表明：年龄、性别及裸视力等因素对驾驶员的视认性有显著的关系。根据影响标志视认性的主要生理指标对驾驶员的选取进行了分类，分类的主要依据是年龄与性别。原则上要求被试人员具有一定的代表性，以确保试验的真实性和有效性。本次试验被试驾驶员２０名：老年（５０岁以上）５人，中年（３５至５０岁）１０人，青年（２０至３５岁）５人；女性驾驶员６人，其中青年２人、中年３人，老年１人；所有被试者的矫正视力均在１．０以上（与Ａ绝对取１．０一致），另外，所有被试者没有在视觉生理卜有明显个体差异的情况；试验车驾驶员１名，驾龄１０年左右。２．５理论依据

人类视角的大小取决于物体的大小及物体与眼睛的距离。人眼的视敏度（或视力）的定义：人在５ｎｌ距离处能辨认视角１分细节的视敏度定为１．０；若１个人在５ｍ处能辨认出视角为０．５分的细节，其视敏度就是２．０。也就说，当视角ａ＝１分时，视力为１．Ｏ；视角１２＝０．６７分时，视力为１．５；视角口＝１．４３分时，视力为０．５。一般把０．７、１．０和１．５称为绝对视力【９｜。一般人

眼睛视网膜分辨力为５０胛，如网３所示，人眼的视认

距离ｓ与视角和物体高度日存在关系：

，ｖ

＾１

Ｈ＝２?｜ｓ。ｔｇ号＝２培号‘５＝矗’５等Ｓ＝专‘日，

厶

‘Ｉ¨，

在视角口不变的情况下，Ｉ｜｝＝２ｔｇ詈是一常数，即视认

１１８

公路交通科技

第２６卷

距离Ｓ与物体高度日是成正比的，理论上，物体高度

日增加时，人眼的视认距离Ｓ是逐渐增加的。也就是说在车型不变、驾驶员视角口不变的情况下，指路标志信息的视认距离与信息汉字字高是成正比的。本试验设计方案正是基于人眼视觉生理学的这一理论。

图３视觉过程简图

ｔ３９．３

Ｓｃｈｅｎｌａｔｋ

ｄｉａｇｒａｍｏｆｖｉｄｏｎｐｒｏｃｅｓｓ

３数据分析

数据分析的目是根据试验数据确定自变量与因变量之间的数理关系及其关联程度，并探索出其内在的规律性。标志的视认性不仅与标志汉字字高有关，而且与汉字的笔画粗细、字体结构、笔画多少和使用频率等因素有关。本次试验是在笔画粗细、字体结构、笔画多少等因素确定后进行的单因素多水平试验，驾驶员的静态视认距离可由字高唯一确定，二者存在一一对应的函数关系。数据分析时，并不需要对所有试验数据都进行分析处理。在考虑到试验数据的完整性、代表性及数据分析的简洁性的情况下，从以上６组试验数据中随机选取３组不同汉字的实测数据进行分析。如表４、表５和表６。

表４

“鼓楼”试验数据

Ｔａｂ．４

Ｔｅｓｔｄａｔａｏｆｃｈａｒａｇｔｅｒｓ“ＧＩｌＬ００７’

标志汉字“鼓楼”

字高／ｃｍ３０３５４０４５

５０６０６５视认距离／ｍ

７２．３

８４．４

９２．６

１０２．１

１１０．９

１２０．１

１２２．３

表５

“紫霞”试验数据

１’曲．５

Ｔｅｓｔｄａｔａｏｆ

ｄｌｌａ憎ｃｔｅｌ［＇Ｓ“ＺｉＸｉａ”

表６“华硕”试验数据

１曲．６

Ｔｅｓｔｄａｔａｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｓ“ＨｕａＳｈｕｏ”

采用一元非线性回归分析方法对数据进行分析处理，定量分析汉字字高的变化对驾驶员视认距离的影响。非线性回归分析方法是从一组试验样本数据出发，确定出变量之间的数学关系模型，描述一个或几

万方数据

个变量（自变量）的变化对另一个特定变量（因变量）的影响程度。

表４、表５和表６的数据散点趋势图分别如图４、图５和图６所示。

１４０

鑫：。。２０

盟８０

蓁加６０

＊

２００

图４“鼓楼”数据分析结果

隐．４

Ｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｓ“ＧｕＬｏｌｌ”

１４０Ｅ

１２０

最１００

鞋８０

垂６∞０

牛２０

０

图５

“紫霞”数据分析结果

毽

Ｄａｔａａｎ蚰ｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｏｆ

ｄＩａ瑚啪“Ｚｉ

Ｘｉａ”

量犍暇矗霉露牛

呦…啪啪∞∞加加。

图６

“华硕”数据分析结果

ｎｇ．６

Ｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｏｆ

ｄｉａｌｅｒｓ“弛岫Ｓｌａｍ”

对“鼓楼”的实测数据进行回归分析结果如图４所示。可以明显看出，二次非线性拟合优度（虚线）要大于一次线性拟合优度（实线）。图４中的二次非线性表达式为：

Ｓ＝一２９２．６１ｈ２＋４２２．３ｈ一２８．２０，

（５）

其中，Ｓ为驾驶员的平均视认距离；ｈ∈（０，１］为字高：

对回归拟合效果进行方差分析和统计分析，结果如表７和表８。表７中：ＭｕｌｔｉｐｌｅＲ是相关系数；ＲＳｑｕａＩｅ是判定系数；Ａｄｊｕｓｔｅｄ

Ｒ

Ｓｑｕａｒｅ是调整的判定系

数。表８中的矽是自由度；ＳＳ是总平方和；ＭＳ是回

归和参差的均方；Ｆ是检验统计量；ＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅＦ是Ｆ检验的显著性水平。方差分析的主要作用是对回归方程的线性关系进行显著性检验。其中，表７中的判定系数ＲＳｑｕａｒｅ（简称尺２）测度了回归直线对观测数据的

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拟合优度。Ｒ２数值越大表明回归方程拟合实际数据的性能越好。如图４～图６中所示，Ｒ２＝０．９６，表明字高与驾驶员静态视认距离之间有９６％可以由线性关系来解释。也就是说该回归模型能很好地表示字高与驾驶员视认距离之间的数理关系。

表７回归统计分析

Ｔａｂ．７Ｒｅｇｒｅｓ商ｏｎｓｔａｇｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ

Ｍｕｌｔｉｐｌｅ

Ｒ

０．９７８７５０３８４

ＲＳｑｕａ”

Ｏ．９５７９５２３１５

Ａｄｊｕｓｔｅｄ

Ｒ洳

一１．４

标准误差４．１８９３１０４９１

观测值

７

表８回归方差分析

Ｔａｂ．８

ａｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆＶｌｌｌ＇ｉｌｕＩ（卫母

ｓｓ

ＭＳ

Ｆ

ＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅＩ

残差

５

８７．７５１６１

１７．５５０３２

整盐垒

！咝：！堑

同理图５中的非线性表达式为：

５＝一２６２．０３ｈ２＋３９５．０３ｈ一２６．９２。

（６）

图６中的非线性表达式为：

Ｓ＝一２６２．３５ｈ２＋４０７．６１ｈ一２２．０３。

（７）

以上试验数据分析结果表明：不同结构、不同笔画数目的汉字在以上７种字高情况下，其视认距离的远近和关系模型表达式是不同的，这一方面说明ｒ选取不同字体结构、不｜一Ｊ笔画数目的汉字进行试验是非常有必要的。但是以上３组汉字的关系模型的类型是一致的，都为二次非线性多项式。

由于汉字体系比较复杂，无法根据字体结构、笔画多少等影响因素进行一一区分和试验分析。所以在有限的试验数据基础上，建立一个能够统一描述汉字字高与其视认距离关系的通用关系模型是本次试验的主要研究内容。由于式（５）、式（６）和式（７）都含有非线性二次项，不能进行简单的叠加来得到通用关系模型，需要从原始试验数据人手，建立一个通用的模型关系式。

首先，将以上３个标志汉字的试验数据（视认距离）按同一字高相加，然后取均值，得到的数据如表９所示。数据回归分析结果如图７所示。

表９通用试验数据Ｔａｂ．９

Ｇｅｎｅｒａｌ

ｔｅｓｔ

ｄａｔａ

！立！竺垫堑

竺箜竺

竺箜

垫坠丝璺！竺：！：！

墅：！

丝：！

！塑：！！！！：兰

！丝：！

！丝：！

从表９中可以看出，现行国家标准规定在１２０ｋｍ／ｈ条件下，交通标志汉字字高６０～７０ｅｎｌ的视认距离为１２０．４ｍ。对表中的数据作回归分析后，汉字

万方数据

字高与驾驶员视认距离之间的通用关系模型表达式如式（８）所示。Ｒ２＝０．９９８，表明该通用模型关系式的拟合效果还是比较令人满意的。

１４０ｇ

１２０

褪１００

甚

８０

萎４６。０

．牛

２００

图７综合数据分析结果

ｎｇ．７

Ｄａｔａ

ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔ

将图７中的非线性表达式中的字母表示为：

５＝一２７２．３３ｈ２＋４０８．３１ｈ一２５．７２＋￡，

（８）

式中，ｅ是根据具体的汉字笔画繁简和字体结构进行

相应变化的修正系数。

相关的试验研究成果表明：汉字的组成结构和笔画多少是影响驾驶员视认距离的两个显著性因素。

ｅ的具体修正原则是：如果标志汉字的笔画简单、

结构易视性强，如简单的上下结构、左右结构和独体字等，ｅ取正值，并相应增大ｅ的取值范围；如果标志汉字的笔画复杂、结构不容易视认，如上中下结构、左中右结构和半包围结构等，取正值时可相应减小￡的取值范围，甚至把ｅ取为负值，以减少设计误差，达到与实际视认效果一致的目的。

在参考《中国国家地理》２００７年第１０期给出的中国地名的基础上，本课题组针对同一字高、不同笔画多少、不同字体结构的标志常用汉字地名进行了室内和室外试验，总结出￡的参考取值范围，见表１０。

表１０参考取值范围

Ｔａｂ．１０

ＲｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅＩ＇ａｌｌｇｅｏｆ

８

制作“高速”标志板（字高６０｛３１１１

Ｘ

６０

ｃｍ），对

研究成果进行试验验证。取值介于１０。２０ｍ，按式（８）计算出的理论视认距离为：１３１．２３２

２—１４１．２３２

２

ｍ，６个不同试验人员的实测平均距离为１４６．８

ｍ。

最小相对误差为：

趔』婴删×１０：３．７９％．１４６

，、

＇

．

８

Ⅶ

即该模型产生的相对误差很小在４ｎｌ以内。

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