機車司機感知能力綜合評價探討

唐優華，張 桐，喻 晴

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機車司機感知能力綜合評價探討

唐優華1,2，張 桐3，喻 晴1

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 610031； 2. 西南交通大學，綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室，成都 610031； 3. 北京交通大學，城市交通復雜系統理論與技術教育部重點實驗室，北京 100044）

針對機車司機感知特性進行分析, 從視覺感知能力、聽覺感知能力及體位平衡感知能力三個方面構建了機車司機感知能力綜合評價指標體系。對109位機車司機進行了11項相關指標測試, 引入熵權物元可拓模型對機車司機感知能力等級進行了有效識別。實驗結果表明：該模型可有效識別出待評價機車司機的綜合感知能力, 為機車司機感知能力的測評提供了一種科學有效的方法。

機車司機; 感知能力; 評價體系

0 引 言

感知能力作為駕駛員身心條件安全可靠性評價體系中的一個重要指標[1]，其科學有效的評價方法不僅可為鐵路機車司機的選拔提供有效的參考依據，同時在機車司機的安全培訓、差錯控制和疲勞預防中均可提供技術支持。駕駛員感知能力與行車安全的研究近年來已受到了國內外學者的廣泛關注，國外專家學者在20世紀90年代興起了對汽車駕駛員感知能力的系列研究，并取得了一定的研究成果，主要包括駕駛員的工作負荷[1-3]、駕駛行為[4]和駕駛員可靠性等[5-8,15]。國內張殿業等對駕駛員身心條件安全可靠性、機車乘務員安全可靠性評價、機車乘務員動視力判別等問題進行了系統研究[9-15]，提出了涵蓋機車司機可靠性的鐵路運輸安全理論與技術體系[12]，但既有研究針對機車駕駛員的感知和綜合反應能力研究較少。本文通過構建系統的測試指標體系，引入熵權物元可拓模型評價方法對機車司機的感知能力綜合評價方法進行了研究。機車司機感知能力評估研究的思路如圖1所示。

圖1 機車司機感知能力評估

1 機車司機感知能力綜合評價指標體系

機車司機感知能力用以反映駕駛員對外界物理刺激進行認知的水平，其能力的強弱取決于感官對刺激的敏感程度，以及知覺對信息處理的準確性。本文綜合考慮了駕駛環境中可引起駕駛員產生感知反應的因素，從動態視覺、聽覺、平衡覺三個方面選取了11個指標構建了機車司機感知能力綜合評價指標體系，如圖2所示。

1.1 動態視覺感知能力評價指標

動態視覺感知能力用以衡量駕駛員在復雜環境中對動態物象信息的處理能力。本文選取視立體覺、動視力、靜視力、動態視靈敏度、暗適應能力作為動態視覺感知能力的評價指標，這些指標的具體含義及采集分析方法如下：

（1）視立體覺：用以反映眼睛對駕駛環境中物體間距離、深度和體積的感知能力。本文采用EP503A深度知覺測試儀進行測試，儀器具有測定深度視銳的前后移動機構和移動速度調節裝置，通過移動比較刺激，使之與標準刺激三點成一直線。

圖2 機車司機感知能力綜合評價指標體系

（2）動、靜視力：駕駛員動視力用以反映眼睛在觀察移動目標過程中對影像的捕捉能力。動視力感知能力因個體差異性而存在不同的表現，故選取靜視力作為評價個體動態視覺能力的參考指標。本文采用動視力檢測軟件獲取指標數據，測試界面上呈現運動不斷變大的視標“E”，測試者識別出“E”字缺口方向后快速搖動搖柄至正確的方向，取識別的時間作為測試結果。

（3）暗適應：表現為駕駛員從明處進入暗處時，視覺適應性逐步提高的過程。本文采用暗適應儀測試駕駛員暗適應能力，實驗首先對人眼進行一定時間強光照射，然后依據測試者在暗環境下對數字板的識別程度判定暗適應能力。

（4）視野敏感度：用以反映駕駛員辨認運動物體的敏銳程度。本文采用在黑色背景上呈現1 200個移動的白點，每個點4個像素，如圖3所示，整個顯示的視角為15。*15。，邊界內數字視角為7。*7。。內外框邊界的點是以相同的速度向相反的方向移動，每次運動的方向是隨機的，試驗的邊框是從9個數字（1~9）中隨機選擇的，測試者識別數字邊框為后按響應鍵次。

注：邊界內外的點以相同的速度按不同方向移動，1的白色邊框在實際測試中不可見

測試采用階段極大適然方法（ML-PEST）調整每個試驗的點移動速度，正確地識別導致速度降低而不正確的識別導致速度增加。測試時點的初始速度為1。/s，變化值為0.2。/s（變化值在最初的兩次速度逆轉后減半）。測試經過6逆轉后得出結論，結論采用后四次逆轉的點移動平均速度。

1.2 平衡覺感知能力評價指標

駕駛員平衡覺感知能力是指因路面坡度變化致使駕駛員身體重力方向產生偏移，從而引起的感官反應。為有效分析駕駛員的體位穩定度，分別對受試者進行了閉目體位平衡測試、15度體位平衡測試以及30度體位平衡測試。本文采用平衡測試儀對試驗者進行測試，依據受力點的受力變化幅度來判別受試者的體位穩定程度。

1.3 聽覺感知能力評價指標

聽覺感知能力是指機車司機對駕駛環境中所產生的聲音進行判斷處理的能力。本文采用聽覺實驗儀分別對受試者進行低頻聽覺能力測試、中頻聽覺能力測試以及高頻聽覺能力測試。

2 機車司機感知能力的熵權物元模型

要對機車司機的感知能力進行綜合評價，11個指標如何確定合理的權重是本問題的關鍵。指標權重確定常用的方法是模糊評判法，其雖然考慮到機車司機的各方面感知能力評價的模糊性和不確定性，然而在處理司機不同感知特性內部差異、白化信息和確定權重方面卻存在不足，而物元分析理論以促進事物轉化、解決不相容問題為核心，適用于多因子評價問題，有效避免評價標準不確定性帶來的影響，全面、客觀地評價機車司機感知能力的級別[13]。

2.1 確定機車司機感知能力分級物元

假定機車司機有個，機車司機感知能力分級特征和特征量值構成機車司機感知能力分級物元，用有序三元組=(,,)來表示，稱為物元的三要素。機車司機感知能力若可用多個特征指標進行描述，以個特征1,2, …,c及相應值域范圍1,2, …,x來表示，那么稱為的維物元：

2.2 確定經典域與節域物元矩陣

取機車司機感知能力評價指標在全體級別中所對應的取值范圍作為節域，節域物元R=(N, C, X)表達式為：

2.3 確定待評物元域

確定待評機車司機感知能力物元R，假設待評價的機車司機有個，則第個待評機車司機感知能力物元可表示為：

2.4 確定關聯函數及關聯度

2.5 熵權法確定權重系數

熵權法為客觀賦權法，采用熵權法確定指標權重可有效避免主觀因素引起的評價結果偏差，具體計算過程如下：

（1）指標無量綱化處理：

（要求指標越大越好） （8）

（要求指標越小越好） （9）

（2）對無量綱化后的指標數據進行歸一化處理：

（3）第項指標的熵值表示為：

（4）第項指標差異性系數為：

（5）第項指標權重為：

采用以上公式得到客觀權重向量為：

2.6 計算綜合關聯度并確定評價等級

3 實驗分析

本文選取109名機車司機進行測試，測試樣本均為健康男性，年齡分布在23歲至49歲之間。針對各駕駛員動態視覺、聽覺、平衡覺三方面進行相關指標測試，并依據量化結果進行分級處理，所得機車司機感知能力等級標準如表1所示。

表1 機車司機感知能力等級標準

Tab.1 Standards for locomotive driver perception level

依據表1，取機車司機感知能力指標等級分類的域值范圍作為經典域，構建經典域物元如下：

依據機車司機感知能力評價指標的取值范圍構建節域物元，隨機抽取109位機車司機中的一位作為示例，構建物元矩陣：

由式（8）~（13）計算各特征指標權重為：

依據權重計算可知，機車司機感知能力中動態視敏度綜合權重為0.605 4，體位穩定度綜合權重為0.245 3，聽覺能力綜合權重為0.149 3。由此可見，在感知能力綜合測試中，動態視敏度變異程度較高，提供的信息量較大。權重測試結果同時符合主觀分析中駕駛員視覺感知能力最為重要這一特征。

由式（5）~（7）計算各指標與感知能力等級關聯度，由式（14）對待評對象進行感知能力綜合評定，結果如表2所示。

依據式（14）對待評對象進行感知能力綜合評定，計算結果如表3所示。

表2 各評價指標與感知能力等級關聯度

Tab.2 Correlation between each evaluation index and perception level

續表2

等級評價指標 Ⅲ-0.22-0.3330.5-0.3-0.50.333-0.50.333-0.5-0.50.333 Ⅳ-0.11-0.167-0.5-0.15-0.143-0.33-0.2-0.50.3330.333-0.5 Ⅴ-0.073-0.111-0.25-0.1-0.083-0.167-0.125-0.2-0.333-0.333-0.2

表3 測試樣本加權關聯度計算結果

Tab.3 Test sample weighted association degree calculation results

由加權關聯度可知，所抽取的示例機車駕駛員綜合感知能力為II級。同理，對剩余108位機車司機進行綜合感知能力測試，實驗結果表明：感知能力極強I級占32%，強II級占41%，較強III級占22%，較弱IV級占4%，弱V級占1%。

4 結束語

機車司機作為鐵路運輸中諸多參與者的主體，其操作行為會對鐵路運輸安全產生不同程度的影響。機車司機感知能力檢測是對機車操作行為主體的客觀評價，關系到鐵路運輸安全的控制效果，是鐵路運輸安全管理工作的一個重要環節。本文基于大量機車司機檢測數據，構建了機車司機感知能力綜合評價指標體系，并在此基礎上建立了熵權物元可拓模型，實現了對機車司機感知能力的等級判定，發現經過實證評價結果與實際情況存在很高的擬和度，確定了109名機車司機的綜合感知能力，為進一步研究提供了參考依據。

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（中文編輯：劉娉婷）

Psycho-physiological Perception Evaluation of Locomotive Drivers

TANG You-hua1,3，ZHANG Tong2，YU Qing1

( 1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Laboratory for Urban Transportation Complex Systems Theory and Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

Many factors affect psycho-physiological perception of locomotive driver. Aiming at characteristics of locomotive drivers’ perceptual features, a psycho-physiological perception evaluation system of locomotive drivers is constructed based on visual perception, auditory perception and balance perception. 109 locomotive drivers have been selected to test for 11 index. The psycho-physiological perception of locomotive drivers can be evaluated effectively. The experiment results show that the method can evaluate the perception levels of different locomotive drivers feasibly. It provides a scientific and efficient way to evaluate the psycho-physiological perception of locomotive drivers.

locomotive driver; perception; psycho-physiological evaluation

1672-4747（2018）03-0021-07

U471.3

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.03.004

2017-06-05

唐優華（1977—），男，浙江常山人，高級工程師，研究方向：交通安全技術、智能交通技術。

張桐（1989—），男，遼寧鞍山人，北京交通大學博士生，研究方向：城市交通工程理論與技術。

唐優華，張桐，喻晴. 機車司機感知能力綜合評價探討[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2018, 16(3): 21-27.