基于駕駛員生理負荷的高原公路轉角值安全風險評價

王進州, 艾力·斯木吐拉

(新疆農業大學交通與物流工程學院，烏魯木齊 830052)

道路安全是由人、車、路、環境四者的協調決定的，若四者不協調將增加交通風險，并且發生交通事故的主要是由人因素導致[1]。隨著高原公路海拔的升高，壓強減小，空氣中氧氣含量減小，駕駛環境越來越差，在道路線形和高原低氧環境的雙重影響下，駕駛員心率變化顯著[2-3]。潘曉東等[4]分析了在山區公路行駛過程中平曲線半徑與駕駛員心率變化規律。喬建剛[5]分析了心率變化與駕駛員緊張度的關系，提出駕駛員緊張和恐懼心理狀態下對應的心率增長率閾值分別為30%和40%。李巖巖等[6]研究了高原公路駕駛員β頻段腦電波隨海拔與道路線形組合值的變化規律。張娟等[7]研究了心率增長率隨著上下坡的平曲線半徑的變化規律，并給出合理取值范圍。夏可等[3]研究了心率變化在高原低氧環境和彎道的雙重影響下，隨著平曲線所處海拔越高、半徑越小，駕駛員心理緊張度變化越明顯。李鑫磊[8]在軟件仿真的基礎上，通過重點對駕駛員方向控制的研究，建立綜合仿真模型，并進行了直角轉彎試驗，通過對方向盤轉角等指標的分析驗證了仿真結果的合理性。Godley等[9]對車道寬度的研究發現較窄車道容易導致駕駛負荷的增加。Ronen等[10]通過對直線段行車過程中的心率變異率研究，發現在直線段行車時駕駛員更容易放松警惕。Spacek[11]研究發現在彎道上行車，不同駕駛員的車輛軌跡保持行為是不同的。但很少有學者研究在道路線形設計的轉角值大小對駕駛員生理負荷變化的影響。故選取K作為駕駛員生理負荷的評價指標，分析平曲線轉角與K的變化規律，以期為高原公路線形寬容性設計提供理論依據。

1 駕駛試驗

1.1 試驗段道路簡介

行車試驗路段選取國道314線，二級公路，起點為奧依塔格一橋，終點為蘇巴士六、七橋，全程73 km。該路段的最低點高程約3 000 m，最高點高程約4 030 m。雙向兩車道，無護欄，無中央分隔帶，車流較少，其他車輛的影響較小，路基寬度為12 m和8.5 m。該路段包含約80個轉角值，可以較好地反映出駕駛員心生理隨著道路線形轉角值和海拔的變化規律。

1.2 試驗人員及試驗車輛

本試驗選取3名無高原公路駕駛經驗的駕駛員和1名經常在高原公路行車的駕駛員，4名駕駛員年齡在23～56歲不等；試驗車輛為中型運動型實用汽車(sport utility vehicle, SUV)。

1.3 試驗設備及數據獲取

采用biofeedback 2000 X-pert 型生物反饋儀測取駕駛員行車過程中心率變化、脈搏血容等生理數據；采樣率為200 Hz[12]；用全球定位系統(global positioning system, GPS)記錄車輛行駛的實時位置。

1.4 天氣及駕駛員健康狀況

本次試驗在夏季進行，行車試驗當天天氣晴朗、微風。4名駕駛員身體健康狀況良好，測試前一天睡眠質量良好，無較大情緒波動。

2 評價指標的選取

2.1 駕駛負荷評價指標的選取

2.1.1 心率增長率

心率增長率是業界公認的可以表征人體生理狀態的評價指標，是某一段時間內的心率變化率；心率會受個體差異影響，大小不一，但心率增長率可以反映心率的變化幅度[13]。在行車過程中駕駛員面對外界環境、道路線形的變化顯示出不同的變化幅度，通過變化幅度來判斷駕駛員的生理變化。將心率數據通過式(1)轉化為心率增長率。

N=100(n2-n1)/n1

(1)

式(1)中:N為駕駛員心率增長率，%；n1為各駕駛員靜態平均心率，次/min；n2為各駕駛員動態平均心率，次/min。

2.1.2 脈搏血容 (BVP)

脈搏血容是反應駕駛員心跳強度的評價指標，當心臟收縮時，體表的毛細血管充盈，此時其透光率增加；當心臟舒張時，體表毛細血管處于收縮狀態，透光性能降低，它反映的是駕駛員心搏力量的大小[14]。

2.1.3 駕駛員生理負荷(K)

在高原公路行車過程中，駕駛員生理心理指標同時發生變化，各指標側重點不同，心率增長率表征心率變化的快慢，BVP表征駕駛員心跳的強度，通過MATLAB編程給心率增長率和BVP分配權重，得到K，K可以更全面地表征駕駛員生理負荷變化。

2.2 道路平曲線轉角值

平曲線轉角值是平面曲線切線旋轉的角度；平曲線轉角值與曲線長度、緩和曲線長度和半徑均有密切聯系；駕駛員在高原公路上行車時，隨著平曲線轉角值的增加，在通過曲線段時方向盤轉動幅度會不斷增加，并且需要保持的時間也會增加，所以選擇道路平曲線轉角值作為道路線形評價指標。道路轉角與曲線長度、緩和曲線長度、平曲線半徑的關系見式(2)。

α=180(L-Ls)/Rπ

(2)

式(2)中:α為平曲線轉角值，(°)；L為曲線長度，m；Ls為緩和曲線長度，m；R為曲線半徑，m。

3 數據處理及分析

本試驗儀器數據采集的頻率為200 Hz，通過取200個數據的平均值合并為1個數據/s；取前10 min數據的平均值作為駕駛員靜態數據(n1)，(通過MATLAB短時傅里葉變換FFT)變換對數據進行降噪處理，將動態數據中誤差較大的數據剔除，通過MATLAB數據編程對心率增長率和BVP進行權重分配，心率增長率分配系數為0.578 8，BVP分配系數為0.421 2，得到駕駛員生理負荷K，見式(3)，進一步分析轉角與K得關系。部分數據見表1。

K=0.578 8N+0.421 2B

(3)

式(3)中：K為駕駛員生理負荷值；B為BVP值，μV。

表1 部分轉角值分析數據Table 1 Partial corner value analysis data

4 轉角值對駕駛負荷的影響分析

4.1 偏相關性分析

利用SPSS軟件對數據進行偏向關分析，控制海拔因素，分別對心率增長率、BVP、K與轉角的偏相關分析，由表2可以明顯看到，駕駛員在高原公路上行駛時，控制海拔因素的影響條件下，心率增長率和BVP與轉角的相關系數分別為-0.492和-0.517，說明相關性顯著，經過MATLAB分配給兩個指標權重后的K相關系數為-0.503。

4.2 轉角值單因素影響下駕駛員心理生理變化關系分析

4.2.1 心率增長率與轉角的關系

利用SPSS建立平曲線轉角值與心率增長率的關系模型，見式(4)。

N=-2.211lnα+37.126

(4)

式(4)中：α為轉角，(°)。相關系數為-0.492，相關性顯著，R2=0.469，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖1 心率增長率與轉角關系Fig.1 The relationship between heart rate growth rate and corner

4.2.2BVP與轉角的關系

圖2為高原公路上行車時BVP與轉角的曲線關系圖，在海拔3 000～4 030 m內，轉角0°～168°

內，BVP在49.6～48.8內。BVP隨著轉角值的增大而減小，轉角值在0°～10°內，BVP較高，心跳強度較大，不利于行車安全，且隨轉角值的增加快速減小，在轉角值增加到10°以上時BVP增加越來越慢。

利用SPSS建立平曲線轉角值與BVP的關系模型，見式(5)。

1906年5月31日該委員會發表了一份17頁的初步報告。他們的主報告，《州地震調查委員會報告，第一卷》，由Lawson編輯并于1908年出版。該報告包括對斷層作用的地質和形態的大量描述、振動強度的詳細報告，以及包括40幅超大尺寸圖和對折紙的令人印象深刻的地圖集。第二卷，由Henry Fielding Reid編輯并于1910年出版，主要描述此地震的地震學和機制方面。在本文后面的敘述中，將 《州地震調查委員會報告》（兩卷：Ⅰ卷，Lawson，1908，和Ⅱ卷，Reid，1910；共643頁）統稱委員會報告，適時標出相應的卷號。今天該報告仍可通過購買或在線獲得（見參考文獻）。

B=49.474α-0.002

(5)

相關系數為-0.517，相關性顯著，R2=0.350 4，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖2 BVP與轉角關系Fig.2 Relationship between BVP and corner

4.2.3K值與轉角值的關系

圖3為高原公路上行車時K與轉角的曲線關系圖，在海拔3 000～4 030 m內，轉角0°～168°內，K在35～44內。K隨轉角的增加而減小，當轉角在0°～10°時，K較高，說明此時駕駛員生理負荷較高，不利于行車安全。

利用SPSS建立平曲線轉角值與K的關系模型，見式(6)。

K=-1.324lnα+42.327

(6)

表2 在控制海拔因素下轉角值與駕駛員生理負荷的偏相關分析Table 2 Analysis of the partial correlation between the corner value and the driver’s physiological load under the control of altitude factors

相關系數為-0.503，相關性顯著，R2=0.482 8，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖3 K值與轉角值關系Fig.3 Relationship between K value and corner value

4.3 轉角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員駕駛負荷變化關系分析

通過以上分析得出，相比于心率增長率和BVP單一指標來說，駕駛員生理負荷K與轉角的關系表現出明顯的相關性和擬合度，故本節重點分析在轉角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員生理負荷K值的變化規律，鑒于夏可等[3]、李巖巖等[12]已經充分研究了駕駛員心理生理指標與海拔的關系，故不再贅述。利用MATLAB軟件建立轉角值、海拔和K的三維圖，見圖4。由圖4可以明顯看出，在轉角值和海拔的雙重影響下，K的變化更加顯著。

利用SPSS建立平曲線轉角、海拔和K的關系模型，見式(7)。

K=42.336+4.822×10-19exp(H/100)-1.338lnα

(7)

R2=0.484，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖4 轉角值和海拔與K值的關系Fig.4 Relationship between the angle value and altitude and K value

5 結論

通過對高原公路道路平曲線轉角值與駕駛員生理負荷關系的分析，得出以下結論。

(1)道路平曲線轉角值對駕駛員心率增長率、BVP及K的影響顯著，相關性顯著。

(2)高原公路行車過程中，駕駛員心率增長率和脈搏血容隨轉角的增加而減小，且減小趨勢由快到慢。

(3)高原公路行車過程中，轉角值在0°～10°內，K較高，駕駛員生理負荷較高，不利于行車安全。

(4)從轉角值和海拔與駕駛員生理負荷K的三維關系模型中發現，在海拔與轉角值的雙重影響下，隨著轉角越小，海拔越高，K越大，駕駛員生理負荷越高，交通風險越高。