0 引言

驾驶人在城市路网中行驶时，在每个交叉口都会面临路径的抉择，指路标志就是设置在这些交叉口，用于帮助驾驶人进行抉择的信息载体。指路标志提供的信息包括去往目的地所要经过的道路、沿途相关城镇、重要公共设施、服务设施、地点、距离和行车方向等^[1]。指路标志传递这些信息的效率和正确性取决于指路标志设计的科学性和合理性^[2]，因而指路标志版式设计的可理解性至关重要。

目前，我国关于指路标志的设计标准并不统一，这使得现有的指路标志设置版式较多，差异较大。以《道路交通标志和标线》(GB 5768—2009)、《城市道路交通标志和标志布局规范》(GB 51038—2015)^[3]和北京地方标准《道路交通管理设施设置规范》(DB 11/T493.1—2007)^[4]为例，各个规范对于城市交叉口指路标志版式的规定各不相同。如图 1(a)所示，GB 51038—2015规定在箭头杆中设置前方最近交叉口横向道路路名信息，在箭头外标识交叉口及各相交道路所能通达的道路或地点名称，同向2条信息按左近右远或上近下远形式排列。GB 5768—2009规定的同向信息排列方式与GB 51038—2015相同。如图 1(b)所示，DB 11/T 493.1—2007规定指路标志的版面由指向信息单元、本地信息单元(本地名) 和指向图案构成。其中，指向信息单元由主要信息和辅助信息组成，主要信息用来指示前方将要进入的道路名称，位于指向信息单元的上方。辅助信息用来指示通过前方道路可到达的重要地点或道路名称，位于指向信息单元的下方或右侧，并加注括号。对全国31个省会及直辖市的十字交叉路口指路标志进行采集，选取同一城市中的常用版式进行统计，根据指路标志的指向图案中是否设置路名可归纳为2种，一种以上海版指路标志(图 1(c))为代表(简称上海版)，对应GB 51038—2015规范，另一种以北京版指路标志(图 1(d))为代表(简称北京版)，对应DB 11/T 493.1—2007规范，2种指路标志具有明显差异。

现有文献大多从指路标志的版式^[5]、信息量^[6]、位置设置^[7]和信息选取^[8]等角度进行研究，其中，版式作为指路标志信息的设计形式，从根本上影响着指路标志信息传递的正确率和效率，因此，对指路标志版式的研究尤为重要。指路标志版式多是从指向图案、路名位置关系和路名走向等角度进行研究。对于指路标志的指向图案，Stasi等^[9]通过E-prime试验发现指向箭头与信息图案一致时，反应时间最短，正确率最高；Jiang等^[10]和李洋等^[11]发现指向图案越复杂，其视认时间越长，越难视认；对于指路标志的路名位置关系，刘唐志等^[12]通过试验发现大多数人对指路标志的认知规律为“从左到右”或“自上而下”；胡梦^[13]和史配鸟^[14]发现现有典型版式的路名位置关系的认知效率均很低，优化后版式效果显著；许亚琛等^[15]发现指路标志的认知时间受布局影响；对于路名走向，崔正虎^[16]研究了不同版式(路名横排和竖排走向)和不同信息量对驾驶人路径走向判断、路径位置关系判断和认知时间的影响，结果表明竖排正确率更高，且竖排比横排极限信息量多3条。通过理论分析、问卷调查和台式试验等方法对上述文献选取标志的部分或全部设计要素，进行标志的认知理解研究。但这些研究一般都是关注几种指路标志版式或设计要素的比选，尚未从驾驶人认知的角度提出指路标志的合理版式设计规则。另外，Ou等^[17]在交通标志认知试验中考虑了学习的影响，发现驾驶人对交通标志的理解能力可以通过培训学习的方式得到极大的提高；Wang等^[18]发现标志理解正确率在训练后下降的速度较慢。上述研究表明指路标志的可学习性也是标志优化设计中需要考虑的一项重要因素。

综上所述，本研究综合考虑我国指路标志版式设置现状，归纳得出2种主要版式，结合符号传播理论提出符合驾驶人认知规律的指路标志版式并提出一种改进版式。搭建版式认知试验平台，开展认知试验并获取不同学习次数下驾驶人的认知时间、错误率及错误致因，探究驾驶人对3种不同指路标志版式的认知规律和学习次数的影响。从交叉口指向图案、路名走向和路名位置关系3个角度归纳出指路标志版式的合理编码规则，本研究提出的指路标志编码规则可为城市指路标志的设计和优化提供理论借鉴。

1 指路标志版式优化

指路标志版式信息传递过程实际上是符号的传递过程，而符号传播作为研究符号及其传播过程的理论能够很好地指导指路标志版式信息的传播机理分析。为了优化指路标志版式设计，运用符号传播理论分析指路标志的信息传递过程和驾驶人的符号认知规律，在分析现有指路标志特征的基础上提出一种优化的指路标志方案。

1.1 指路标志的符号表征和理解需求

指路标志的本质是对部分路网信息的符号化标注。“蓝底白字的标志牌”是指路标志的“符号形式”或“符号表现”，即“能指”，指代的对象是指路标志的“符号内容”，即“所指”^[19]。从符号传播理论的角度解析指路标志的信息传递过程，如图 2所示。交通管理者(发信人)将需要传达的路网信息设计(编码)成指路标志(信文)，使用承载指路标志信息的标牌作为中介，通过视觉通道(信道)传达给道路使用者(收信人)，指路标志在传递过程中可能会受到障碍物遮挡、能见度低等噪声源干扰。指路标志须是通过交通管理者与道路使用者双方共同明了的符号和符号编码规则进行编制。

结合符号传播学与寻路行为可以得到指路标志的信息表达需求及编码规则。为了帮助驾驶人完成寻路任务，指路标志的信息表达需传递定位、导向和指路信息，需要遵循统一的符号编码规则对交叉口道路线形、路径走向和路径位置关系等信息进行编码，进一步对指路标志的版式信息提出基本表达。首先，根据交叉口实际道路线形复杂程度示意出交叉口的指向图案，并配合图案指示交叉口相交道路；其次，应以简洁统一的规则对路径走向进行表征，同一版式中同侧的路名排列方式(横列或竖列)应保持一致；最后，应通过路名排列的相对位置表现出路网中各路径之间的位置关系。

1.2 版面形式优化 1.2.1 指路标志表征的路网信息描述

为了方便描述指路标志牌常设信息，对指路标志表征出的路网关系进行定义。设定交叉口相交的道路信息为Ⅰ层指路标志信息(简称Ⅰ层信息)，当前所在道路为Ⅰ层信息a(Ⅰ_a)，与之相交的道路为Ⅰ层信息b(Ⅰ_b)。经过交叉口后沿Ⅰ层信息前行，相交的表征出的第1条道路信息定义为Ⅱ层指路标志信息，相交的表征出的第2条定义为Ⅲ层指路标志信息，相交的表征出的第3条定义为Ⅳ层指路标志信息，以此类推。以顺时针方向依次编号道路a，b，c(如图 3所示)，若同一条道路在交叉路口的两端路名不一样，可根据行驶方向将相应道路名信息细分为左右或前后。

1.2.2 版式信息设计及现状

根据上述信息定义，可描述出我国城市指路标志常见的2种版式，版式1对应北京版指路标志，见图 4(a)，版式2对应上海版指路标志，见图 4(b)。从这2种指路标志版式信息中可以看出版式信息选取范围和版式设计存在差异和不足，主要表现为：(1)版式1中交叉口指向图案与Ⅰ层信息关系不明确；(2)版式1的Ⅰ层和Ⅱ层信息的位置关系不显著；(3)版式1和版式2中，不论路径走向是否相同，指路标志所有路名文字均水平排列，这与所表征的实际路径走向存在差别。综合来看，当前的设计并不能满足驾驶人寻路行为的信息需求，因此信息选取及版面设计有待优化。

1.2.3 指路标志版式优化

基于符号传播和寻路理论对指路标志的信息需求及符号表征提出的基本规则，同时考虑到目前城市道路指路标志的应用现状及不足，从以下4个方面提出指路标志版面形式优化方法及步骤：

(1) 信息选取。根据调研，几乎所有指路标志都选取了Ⅰ层信息b和Ⅱ层信息。在起预告作用的标志牌上设置出起确认作用的Ⅰ层信息a并不合理，但当Ⅰ层信息a的前后路名不一致时，即所行驶的道路经过路口后路名变更的情况，则需要提供Ⅰ层信息a前进行预告。对于Ⅲ层及以外层数信息，需要根据驾驶人对指路标志的认知特性来确定信息层数。

(2) 交叉口指向图案。本研究中十字交叉口的指路标志道路线形简单，均可简化为横平竖直的指向图案。Ⅰ层信息与指向图案传递信息一致，可将Ⅰ层信息与交叉口指向图案结合设计。

(3) 路名走向。路名走向应与所表征的路径走向相同，这不仅能很好地传递路径走向信息，还有利于根据实际道路位置关系分布路名信息。

(4) 路名位置关系。将Ⅱ层及以外层数信息根据实际道路相对交叉口的空间位置关系进行分布。

综上所述，本研究提出了一款改进的指路标志优化版式，如图 5所示，将Ⅰ层信息与交叉口指向图案结合设计。版式中路名走向与所表征的路径走向相同，同侧Ⅱ层及以外层数信息位置关系与所表征的路径位置关系相同。当Ⅰ层信息a所表征的路名在交叉口前后一致时，不设置Ⅰ层信息a，不一致时则需设置Ⅰ层信息a前。当Ⅰ层信息b所表征的路名在交叉口左右一致时，只需设置Ⅰ层信息b，不一致时则需左右分别设置Ⅰ层信息b左和b右。当设置Ⅲ层及以外层数信息时，以交叉口为中心，设置在同侧Ⅱ层信息的外侧。

2 试验设计

为了研究驾驶人对不同指路标志版式的认知理解，以版式和学习次数为自变量，以认知时间和认知错误率为因变量，获取认知时间、错误率和错误致因数据，探讨不同学习次数下驾驶人对不同版式的认知情况。

2.1 试验设备

采用2台相同配置的台式电脑完成试验，一台为控制计算机，另一台为测试计算机。

2.2 试验平台设计与搭建

试验平台运用eclipse软件开发，从左至右依次由控制界面、测试界面和学习界面组成(见图 6)，具备试验的控制、测试和学习等功能。其中，控制界面呈现在控制计算机上，主要控制试验的流程，包括连接、登录、测试、学习和保存等。测试界面和学习界面呈现在测试计算机上，主要供受试者进行试验测试。

测试界面呈左右分布，左侧为指路标志版式试验样本，右侧为试验路网，路网正上方以蓝色字体呈现搜寻目标路名，界面中间正上方呈现测试时长。试验过程中，受试者完成对当前目标路名的认知后，会随机呈现下一个目标路名，直到遍历完指路标志上所有的路名。

学习界面中左侧呈现指路标志学习版式，右侧呈现标有路名的路网。学习过程中，指路标志信息和对应路网中实际道路路名会逐条同时变为红色突显，直到遍历完指路标志上所有信息，供受试者学习对应关系，每条信息学习时长为2 s。

为了减少受试者选择反应时间对试验结果的影响，试验过程中将鼠标的光标点加大为直径50像素的圆点，当鼠标移动到试验路网中时，会根据计算自动判断距离光标点最近的路段，并将路段颜色由黑色变为蓝色。

2.3 试验材料

试验材料包括3种指路标志版式，每种版式有15个不同测试样本和1个学习样本，共计48个指路标志样本，所有样本的路名均不相同，同一样本所有路名的2个文字均没有重复或同音。为避免其他因素影响，试验选取城市常设十字交叉口指路标志，上面所有路名均为3字常见路名，不设置英文路名，不设置方向等其他信息。为更大程度地展示不同版式的诱导功能，指路标志所表征的十字路口4个方向的路名均不相同，所表征的路网信息包括Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ层信息。

2.4 受试者

28名受试者(11名男性和17名女性)参与了本次试验，年龄在19~28岁之间，平均年龄为21.179岁, 驾龄在0~3 a之间，平均驾龄为0.5 a。为确保试验的可靠性，要求受试者在试验当天保证精神状态良好，无饮茶饮酒等行为，且未参与过类似学习和试验以避免其他因素影响。

2.5 试验过程

为了减少试验顺序的影响，采用拉丁方设计构建3种版式试验顺序的矩阵^[20]。

(1) 测试过程。首先，受试者阅读测试提示，进入测试界面；然后，视认目标路名并搜寻其在左侧指路标志中的位置；接着，根据目标路名在指路标志上的位置，理解并单击鼠标选择对应路网中的道路；最后，系统自动切换到下一个目标路名，直到遍历完指路标志上的所有目标路名。

(2) 学习过程。受试者阅读学习提示，进入学习界面后跟随系统展示遍历学习指路标志的路名和所表征路网中道路的对应关系。

(3) 预试验。受试者先熟悉测试界面和学习界面，以及测试界面的目标路名搜寻和路网中道路线选取操作，待受试者熟悉后进行正式试验。

(4) 正式试验。由受试者选取1种版式试验顺序，按照顺序依次测试3种版式，每种版式遵循先测试后学习的顺序，共经过5次测试和4次学习。单个版式的试验顺序为：测试第1次→学习第1次→测试第2次→学习第2次→测试第3次→学习第3次→测试第4次→学习第4次→测试第5次。

3 试验结果

本研究获取了驾驶人认知3种指路标志版式的时间、错误率和错误致因以实现针对不同版式设计的全面分析，指标的具体含义及算法如下：

3.1 指标选取

(1) 认知时间。指路标志认知时间的长短可以量化受试者对指路标志编码规则的认知难度。单条路名的认知时间记录了从目标路名呈现到受试者单击选取对应路网中目标道路的过程的时间。指路标志上所有路名的认知时间之和即为整个指路标志的认知时间。

(2) 认知错误率。指路标志的认知错误率代表指路标志的认知理解难度。单个指路标志样本中所有路名错误认知数占路名总数的比例即为该指路标志的认知错误率。

(3) 错误致因。错误致因分析可以找到引起认知错误的编码原因，从而总结出合理的指路标志编码规则。单次测试3个指路标志样本，因此指路标志每条信息均测试84次。为了方便对比不同错误原因引起的错误情况，通过式(1)~(2)计算出同一版式相同学习次数下不同错误原因引起的概率。

(1)

(2)

式中，D_ik为错误原因k引起的指路标志信息i的错误总数；n为单个指路标志信息总数；d_ik为指路标志信息i中错误原因k引起的一种案例错误数(只统计3次及以上错误)；S_k为错误原因k导致指路标志认知错误的概率；n_k为指路标志中可能出现错误原因k的信息条数。

3.2 认知时间和认知错误率

(1) 描述性统计

表 1给出了在不同学习状态下(学习0~4次)，受试者对3种指路标志版式的认知时间和错误率的均值和标准差，并绘制了3种指路标志版式的认知时间和认知错误率随学习次数变化的曲线图，如图 7所示。

由图 7(a)可知，3种版式的认知时间随学习次数增加先显著减少后保持稳定，心理学中这种现象被称为“高原现象”^[21]，其中，版式1的认知时间显著高于其他2种版式。从细节来看，当学习次数≤3时，版式1的认知时间随学习次数的减少而显著减少，当学习次数≤2时，版式2和版式3的认知时间随着学习次数的减少而减少。建立3种版式的认知时间随学习次数变化的经验公式：

(3)

(4)

(5)

由图 7(b)和经验公式的斜率可知，版式1的减少速度最大，版式3次之，学习次数对版式1的认知时间影响最大。根据出现的平衡对应的最短认知时间可知，版式1最长，版式3最短。

由图 7(c)可知，3种版式的认知错误率均随着学习次数的增加而降低。其中，版式1在4种学习状态下始终显著高于其他版式，可知其编码规则与人的认知规则差异较大。版式2受学习次数影响效果较为显著，经过4次学习后，其错误率接近版式3的低水平，仍存在一定的错误。版式3的初始认知错误率显著低于其他2种版式，表明其编码规则更接近人的认知规则，在经过3次学习后降至较低错误水平。整体来看，在指路标志版式编码规则对比上，版式3最优，在编码规则易学程度上，版式2最好。

(2) 重复测量方差分析

认知时间和错误率是多次重复测量数值型数据，因此选择一般线性模型中的重复测量方差进行分析。通过主效应分析可知，版式和学习次数均会显著影响认知时间(版式：F_(4，78)=32.317，P<0.05；学习次数：F_(4，78)=68.015，P<0.05)和错误率(版式：F_(2，81)=88.416，P=<0.05；学习次数：F_(2，81)=25.399，P<0.05)。进一步分析表明，学习次数和版式之间存在显著的交互效应，认知时间和错误率随学习次数的变化会因为版式的不同而不同(认知时间：F_(4，79)=5.683，P<0.05；认知错误率F_(4，79)=12.893，P<0.05)。

3.3 错误致因分析

通过分析将指路标志错误总结为：(1)将Ⅰ层信息误判断为Ⅱ层及以外层数信息；(2)将Ⅱ层及以外层数信息误判断为Ⅰ层信息；(3)根据路名文字排列走向误判道路路径走向；(4)根据路名在指路标志中位置和排序误判对应路网中的位置，例如：指路标志牌中从下至上的第3个路名，即认为是对应路网中从下至上的第3条道路；(5)可以根据路名与交叉口指向图案的位置关系判断道路方位和走向，但不能确定同侧两条道路的位置关系。3种指路标志版式各自认知错误的平均概率随学习次数变化的趋势走向如图 8所示。整体而言，各错误致因的概率随着学习次数的增加而减少。

如图 8(a)所示，版式1包含的错误种类最多。进一步分析表明，即使经过4次学习，错误1和2仍然普遍存在于Ⅰ~Ⅲ层的多数信息认知中。错误3仍发生在指路标志文字排列形式和表征路径走向不一致的情况下。错误4存在于Ⅰ层信息认知中，错误5为Ⅱ和Ⅲ层信息中的主要错误。如图 8(b)所示，对于版式2，错误2~4经过多次学习后可消除，但难易程度不一，错误3相对最容易被消除，错误2相对最难被消除。错误5经过4次学习仍然存在于Ⅱ和Ⅲ层信息的认知中。如图 8(c)所示，版式3包含的错误种类最少。错误2和4分别经过2次和1次学习后消除。错误5经过1~2次学习后，错误率因学习困扰随学习次数增加而增加，但经过3次学习后该错误被消除。

4 讨论

结合指路标志的认知时间、错误率和错误致因，从交叉口指向图案、路名走向和路名位置关系3个方面分析指路标志的版式编码规则。

(1) 交叉口指向图案。对比版式1和版式2的认知时间和错误率可发现，将Ⅰ和Ⅱ层及以外层数信息分开设置，能显著提高指路标志版式的解码效率和正确率；分开设置的同时，若将Ⅰ层信息置入交叉口指向图案中，可以消除误判断Ⅰ层信息为Ⅱ层及以外层数信息的错误。而通过分析发现，交叉口指向图案和Ⅰ层信息表征的路径相同，Ⅰ层信息和Ⅱ层及以外层数信息所表征的路径走向不同。因此，Ⅰ层信息应与交叉口指向图案结合进行设计。

(2) 路名走向。对比3种版式的认知错误率可发现，路名文字排列走向与所表征道路路径走向是否一致对Ⅰ层信息和Ⅱ层及以外层数信息区分不显著的指路标志版式影响较大(版式1)，对区分显著的指路标志版式影响较小(版式2)。当路名文字排列走向和道路路径走向一致时(版式3)，不存在错误判断路径走向的情况，且易于将指路标志Ⅱ层及以外层数信息a和c设计成信息位置排列顺序与路网中对应道路位置排列顺序一致。因此，指路标志信息中的路名文字排列走向应与所表征的道路路径走向一致。

(3) 路名位置关系。根据现有2种版式可知，Ⅱ和Ⅲ层预告信息是按上近下远(或左近右远)关系设置，而指路标志Ⅱ和Ⅲ层信息所表征的实际道路与交叉口之间的关系却是左侧为左远右近，前侧为上远下近，右侧为左近右远。1种编码方式需根据位置进行3种不同解码，显然会影响指路标志的解码效率和正确率。对比版式2和3的认知时间和错误率可发现，指路标志信息的位置排列顺序和所表征道路的位置排列顺序相一致时，能显著提高指路标志版式的解码效率和正确率。因此，同侧多个Ⅱ层及以外层数预告信息的排列应与路网中对应道路排列位置关系一致。

5 结论

本研究通过分析指路标志标准和调研获取的全国31个省会及直辖市的城市道路指路标志，总结出了现有城市使用的2种主要指路标志版式，并基于符号传播理论提出了一种改进的指路标志版式。根据试验需求设计并建立了版式认知测试平台，对3种指路标志版式进行了认知试验并对比分析了认知时间、认知错误率和错误致因。结合试验分析，建立了不同版式指路标志的认知时间经验公式并从交叉口指向图案、路名走向和路名位置关系3个方面，提取了满足驾驶人认知需求的合理版式编码规则，得到以下结论：

(1) 不同版式的指路标志的认知时间随学习次数增加显著降低后保持稳定，认知错误率和各错误致因的概率则随学习次数增加而降低。

(2) 基于符号传播理论提出的改进版式认知性更高，其认知时间需求最小，初始状态错误率低，错误类型少，经过学习可完全消除错误。

(3) 根据指路标志认知分析，从交叉口指向图案、路名走向和路名位置关系3个方面得出符合驾驶人认知需求的指路标志编码规则：Ⅰ层指路标志信息应与交叉口指向图案结合进行设计；指路标志信息路名文字排列走向应与所表征的道路路径走向一致；同侧多个Ⅱ层及以外层数的指路标志预告信息的排列应与路网中对应道路排列位置关系一致。

本研究从驾驶人对指路标志版式的认知需求出发，以城市中最常见的十字交叉口指路标志为研究对象，通过研究提出了合理的版式编码规则。未来可考虑针对实际路网中存在的多形式交叉口提出广泛适用的指路标志版式综合编码规则。本研究可为城市道路指路标志的设计及优化提供理论参考，具有工程应用与实践意义。