高原公路不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響

朱興林， 高 超， 艾力·斯木吐拉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

不良天氣和惡劣天氣是高原公路行車安全的重要隱患,相比于晴朗的天氣,雨雪、大霧天氣光線較差,導(dǎo)致行車視野變小、能見(jiàn)度降低,昏暗的道路環(huán)境導(dǎo)致駕駛員視力有不同程度的下降,開(kāi)車視線變得較為模糊。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,高原公路建設(shè)也日趨完善。高原公路獨(dú)特的地理特性往往伴隨著雨雪大霧天氣的頻頻發(fā)生,造成路面產(chǎn)生積水和結(jié)冰,輪胎與地面的摩擦力降低,往往發(fā)生打滑的現(xiàn)象,在轉(zhuǎn)彎路段甚至?xí)l(fā)生汽車甩尾等危險(xiǎn)情況。給駕駛員帶來(lái)了心生理負(fù)擔(dān),加重了駕駛員的駕駛負(fù)荷。每年因惡劣天氣狀況引發(fā)的交通安全事故數(shù)呈直線上升。后視鏡因惡劣天氣,鏡面的清晰度和分辨度降低,導(dǎo)致駕駛員無(wú)法準(zhǔn)確地判斷后方車輛位置及其后方駕駛員的行車意圖,駕駛員超車和變道變得愈加猶豫和困難,引起駕駛員的心慌和不安,增加了駕駛員的工作負(fù)荷。負(fù)荷過(guò)高會(huì)造成駕駛員的反應(yīng)變慢、駕駛操作變形、判斷不準(zhǔn)確以及決策失誤增多,容易引發(fā)道路交通安全隱患,發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。中外大量的交通事故統(tǒng)計(jì)分析資料表明: 在強(qiáng)降雨、濃霧、冰雪、強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣條件下,交通事故發(fā)生率高[1-3]。

雖然對(duì)高原公路的研究成果較多[4-7],但大多限制在研究有關(guān)道路線形及海拔高度的駕駛負(fù)荷,未有研究高原公路不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響。因此,研究在高原公路不良天氣狀況下駕駛員駕駛負(fù)荷的差異，進(jìn)一步提高高原公路道路交通安全,最大程度地保障高原公路駕駛?cè)说娜松戆踩?/p>

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)道路

行車試驗(yàn)在高原公路國(guó)道G217獨(dú)庫(kù)公路K670+550-K692+000段,全長(zhǎng)約21.5 km。試驗(yàn)路段為哈希勒根隧道口至喬爾瑪烈士陵園。最高點(diǎn)哈希勒根隧道口海拔為3 500 m,最低點(diǎn)喬爾瑪烈士陵園海拔為2 500 m,如圖1所示，道路的限速為50 km/h。試驗(yàn)期間路段通行狀況良好,機(jī)動(dòng)車較少,車輛處于自由行駛狀態(tài),全程行車試驗(yàn)保持50 km/h勻速行駛,排除車速對(duì)駕駛員生理波動(dòng)的干擾。行車試驗(yàn)期間未受到其他車輛的干擾；同時(shí),未出現(xiàn)超車、會(huì)車的情況,避免了各種干擾所引起的生理指標(biāo)波動(dòng)。

圖1 高原公路海拔高度及道路線形Fig.1 Altitude and road alignment of plateau highway

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器選用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理儀采集心電參數(shù)，用探險(xiǎn)家GPS Receiver對(duì)行車的海拔高度和經(jīng)緯度進(jìn)行檢測(cè)和收集,德國(guó)Ergoneers公司的D-LAB心理人因同步研究系統(tǒng)同步采集相關(guān)心電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及GPS數(shù)據(jù),且設(shè)備連接狀況良好,數(shù)據(jù)傳輸正常,試驗(yàn)期間設(shè)備無(wú)異常反應(yīng)。用行車記錄儀進(jìn)行路況錄制,試驗(yàn)車輛為東風(fēng)日產(chǎn)奇駿2.0 L CVT自動(dòng)擋SUV。

1.3 試驗(yàn)人員

表1 被試駕駛員基本信息Table 1 Basic information of tested driver

1.4 試驗(yàn)環(huán)境

為研究高原公路不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響,試驗(yàn)環(huán)境選取高原公路不同天氣狀況(良好天氣和惡劣天氣),深度研究在高原低氧環(huán)境下晴天、雨天、雪天、雪天+大霧4種天氣(圖2)對(duì)駕駛?cè)笋{駛負(fù)荷變化規(guī)律的影響。

圖2 高原公路4種天氣狀況Fig.2 Four weather conditions of plateau road

2 心電指標(biāo)

選用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理檢測(cè)儀,采集用于評(píng)價(jià)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的指標(biāo),其中包括心率增長(zhǎng)率，心率變異性時(shí)域指標(biāo)相鄰心跳間期之差的均方根值(root-mean-square of difference-value of adjacent RR interval,RMSSD)、全部竇性心博RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation of RR interval,SDNN)、相鄰NN間期差值>50 ms的百分?jǐn)?shù)(percentage of R-R intervals at least 50 ms different from the previous interval,PNN50)。其中,心率增長(zhǎng)率可以實(shí)時(shí)、有效地反映被試駕駛?cè)诵呐K跳動(dòng)及心率波動(dòng)的規(guī)律,故心率是表征駕駛?cè)素?fù)荷變化的敏感指標(biāo)。心率增長(zhǎng)率越大,駕駛負(fù)荷相應(yīng)的也就越大。用被試駕駛?cè)嗽谛熊嚽捌届o坐姿狀態(tài)下的平均心率作為基準(zhǔn)心率,用駕駛員行車過(guò)程中某一時(shí)刻的心率值作為實(shí)測(cè)值,進(jìn)行心率增長(zhǎng)率的計(jì)算,其計(jì)算公式為

(1)

心率變異性(HRV)指的是心率變化幅度快慢的差異[8-12],并用于分析逐個(gè)心跳周期細(xì)微變化及其規(guī)律,由心電圖(ECG)信號(hào)提取而來(lái),通過(guò)識(shí)別逐次心博的QRS波,檢測(cè)每一個(gè)R波的發(fā)生時(shí)刻,計(jì)算逐次心博的RR間期,最后通過(guò)不同的序列轉(zhuǎn)換方法得到HRV信號(hào)。相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)駕駛負(fù)荷增加時(shí),心率增大,而心率變異性減小。因此,常用RMSSD、SDNN和PNN50這3個(gè)指標(biāo)。

RMSSSD指的是相鄰RR間期差值的均方根,表示正常竇性心搏間期的離散程度,其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:RRj+1表示第j+1個(gè)RR間期,ms；RRj表示第j個(gè)RR間期,ms；RRj+1-RRj表示相鄰RR間期差值,ms。其中,j=1,2,…,N-1。

SDNN指的是全部竇性心搏RR間期(簡(jiǎn)稱NN間期)的標(biāo)準(zhǔn)差,反映正常竇性心搏間期的快速變化,計(jì)算公式為

(3)

養(yǎng)分表觀消化率：測(cè)定飼料樣及糞樣中干物質(zhì)含量、粗蛋白含量、中性洗滌纖維含量、酸性洗滌纖維含量，計(jì)算養(yǎng)分表觀消化率，其公式為：

PNN50指的是相鄰NN之差大于50 ms的個(gè)數(shù)占總竇性心搏合數(shù)的百分比,計(jì)算公式為

PNN50=[NN50/Total(NN)]×100%

(4)

式(4)中:NN50表示相鄰NN間期差值>50 ms的個(gè)數(shù),ms；Total(NN)表示總竇性心搏合數(shù),ms。

3 不同海拔高度下駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的差異

對(duì)駕駛員的心電指標(biāo)進(jìn)行采集,在車速(50 km/h)恒定的情況下,對(duì)比駕駛?cè)嗽诓煌０胃叨?2 500～3 000 m和3 000～3 500 m)下行車過(guò)程中心率增長(zhǎng)率、心率變異性時(shí)域指標(biāo)(RMSSD、SDNN、PNN50)的變化情況,進(jìn)一步通過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析海拔高度對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響,并通過(guò)箱線圖深度對(duì)比本地駕駛?cè)撕屯獾伛{駛?cè)笋{駛負(fù)荷的差異,箱線圖中位數(shù)代表駕駛負(fù)荷的整體水平,最終進(jìn)行t檢驗(yàn),分析其影響效果的顯著性。

3.1 心率增長(zhǎng)率和PNN50在不同海拔高度下的變化

駕駛?cè)诵穆手笜?biāo)心率增長(zhǎng)率和心率變異性指標(biāo)PNN50在不同海拔高度下的總體水平是不同的,隨著海拔高度的逐漸增加,駕駛?cè)嗽? 500～3 000 m行車的心率增長(zhǎng)率明顯低于3 000～3 500 m的心率增長(zhǎng)率；駕駛?cè)嗽? 500～3 000 m行車的PNN50明顯高于3 000～3 500 m的PNN50。PNN50越小,表明心跳間隔時(shí)間越短,駕駛?cè)诵睦镌骄o張,駕駛負(fù)荷越大。在同樣的晴天天氣狀況下,3 000～3 500 m的心率增長(zhǎng)率總體水平比2 500～3 000 m的總體水平升高78%,心率增長(zhǎng)率上升尤為顯著；3 000～3 500 m的PNN50總體水平比2 500～3 000 m的總體水平降低40.89%,PNN50下降是顯著的。對(duì)不同海拔高度下心率指標(biāo)心率增長(zhǎng)率和心率變異性指標(biāo)PNN50實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),表明海拔高度對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響結(jié)果顯著(P<0. 05)。

3.2 RMSSD和SDNN在不同海拔高度下的變化

駕駛?cè)说男穆首儺愋灾笜?biāo)RMSSD和SDNN在不同海拔高度下的總體水平是不同的,隨著海拔高度的逐漸增加,駕駛?cè)嗽诤０? 500～3 000 m行車時(shí),RMSSD和SDNN明顯高于3 000～3 500 m。RMSSD和SDNN的值越小,即HRV值越低,表明心跳間隔時(shí)間越短,駕駛?cè)诵睦镌骄o張,駕駛負(fù)荷越大。在同樣的晴天天氣狀況下,海拔3 000～3 500 m的RMSSD和SDNN總體水平分別比海拔2 500～3 000 m的總體水平降低42.86%和23.23%,RMSSD和SDNN的下降是顯著的。對(duì)不同海拔高度下心率變異性時(shí)域指標(biāo)RMSSD和SDNN實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),表明海拔高度對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響結(jié)果顯著(P<0. 05)。

3.3 本地與外地駕駛?cè)笋{駛負(fù)荷對(duì)比

本地駕駛?cè)顺Ｄ晟钤诟咴貐^(qū),已經(jīng)適應(yīng)高原反應(yīng)和低氧環(huán)境;而外地駕駛?cè)顺醮芜M(jìn)入高海拔地區(qū),由于對(duì)高原低氧環(huán)境的不適應(yīng)性和陌生性,在相同的晴天天氣狀況和海拔高度下,在3 000～3 500 m高海拔試驗(yàn)路段行車時(shí),外地駕駛?cè)说男穆试鲩L(zhǎng)率比本地人高50.75%,心率變異性指標(biāo)RMSSM、SDNN、PNN50分別比本地人低19.97%、16.38%和31.03%,對(duì)比尤為顯著,表明外地駕駛?cè)说墓ぷ髫?fù)荷在晴天3 000～3 500 m高原地區(qū)試驗(yàn)路段高于本地駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷，如圖3和表2所示。

圖3 本地與外地駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷Fig.3 Workload of local and foreign driver

表2 高原公路駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷總體水平Table 2 Overall working load level of plateau highway drivers

4 不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響

由于國(guó)道G217獨(dú)庫(kù)公路獨(dú)特的地理位置,在山下喬爾瑪烈士陵園2 500 m處至半山腰3 000 m處下雨,半山腰3 000 m處至山頂哈希勒根隧道口3 500 m處下雪,形成了不同海拔高度的不同惡劣天氣狀況。在海拔2 500～3 000 m的行車試驗(yàn)路段,在不同海拔高度下駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率和心率變異性時(shí)域指標(biāo)的總體水平是不同的,隨著天氣狀況不斷惡化,雨天造成路面積水,導(dǎo)致路面濕滑,輪胎與地面的摩擦系數(shù)降低,雨天汽車兩側(cè)后視鏡產(chǎn)生積水,造成周圍視線模糊,影響駕駛?cè)说呐袛嗪筒僮?甚至造成駕駛?cè)笋{駛行為變形,引起駕駛?cè)藘?nèi)心恐慌。在雨天駕駛?cè)说男穆试鲩L(zhǎng)率明顯高于晴天的心率增長(zhǎng)率；下雨天的心率增長(zhǎng)率總體水平比晴天的總體水平升高49.34%,心率增長(zhǎng)率上升尤為顯著；心率變異性的值越小,表明心跳間隔時(shí)間越短,駕駛?cè)诵睦镌骄o張,駕駛負(fù)荷越大。在同樣的海拔高度行車試驗(yàn)路段下,下雨天的心率變異性時(shí)域指標(biāo)RMSSM、SDNN、PNN50分別比晴天下降37.5%、9.22%和25.64%,表明隨著天氣狀況的惡化駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的增加是顯著的。對(duì)相同海拔高度下不同天氣狀況的心率增長(zhǎng)率和心率變異性時(shí)域指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),表明不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響結(jié)果顯著(P<0. 05)，如表3、圖4所示。

圖4 海拔3 000 m不同天氣狀況駕駛負(fù)荷Fig.4 Driving load under different weather conditions at an altitude of 3 000 m

表3 不同天氣狀況下海拔高度3 000 m駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷總體水平Table 3 Overall working load level of 3 000 m drivers under different weather conditions

從半山腰3 000 m處到山頂哈希勒根隧道口3 500 m處高海拔地區(qū),逐漸開(kāi)始飄起雪花,路面產(chǎn)生積雪,甚至造成路面結(jié)冰,駕駛車輛沒(méi)有換雪地胎,造成輕微打滑,轉(zhuǎn)彎處更容易由于打滑造成汽車甩尾現(xiàn)象。由于氣溫降低和降雪路面濕滑結(jié)冰,產(chǎn)生了濃霧,能見(jiàn)度不足5 m,進(jìn)一步影響駕駛?cè)说囊暰€,引起駕駛?cè)梭@慌,加劇了駕駛?cè)说墓ぷ髫?fù)荷。因此,雪天+大霧(能見(jiàn)度不足5 m)惡劣天氣的駕駛負(fù)荷最高,其心率增長(zhǎng)率達(dá)到最大17.32%,心率變異性值降到最低,其中RMSSD、SDNN、PNN50分別降到7.81 ms、37.57 ms和1%。表明雪天+大霧天氣對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響高于雪天和晴天,且雪天對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響也極其顯著，如表4、圖5所示。

圖5 海拔3 500 m不同天氣狀況駕駛負(fù)荷Fig.5 Driving load under different weather conditions at an altitude of 3 500 m

表4 不同天氣狀況下海拔高度3 500 m駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷總體水平Table 4 Overall working load level of 3 500 m drivers at different weather conditions

如圖6、圖7所示,隨著天氣狀況的不斷惡化和駕駛視線的模糊,心率增長(zhǎng)率隨著天氣條件的惡化和海拔高度的增加而上升,心率變異性值降低,增加了駕駛?cè)伺袛唷⒁庾R(shí)、操作和決策的失誤,加劇了駕駛負(fù)荷,造成高原地區(qū)道路交通事故危險(xiǎn)性的增加,引發(fā)高原地區(qū)道路交通安全隱患。

圖6 不同天氣狀況RMSSD和SDNN的總體水平Fig.6 Overall level of RMSSD and SDNN under different weather conditions

圖7 不同天氣狀況PNN50和心率增長(zhǎng)率的總體水平Fig.7 Total level of pNN50 and heart rate growth rate under different weather conditions

5 結(jié)論

(1)在同樣的海拔高度行車試驗(yàn)路段下,在雨天駕駛?cè)说男穆试鲩L(zhǎng)率明顯高于晴天的心率增長(zhǎng)率；下雨天的心率增長(zhǎng)率總體水平比晴天的總體水平升高49.34%,心率增長(zhǎng)率上升尤為顯著；下雨天的心率變異性時(shí)域指標(biāo)RMSSM、SDNN、PNN50分別比晴天下降37.5%、9.22%、25.64%,表明隨著天氣狀況的惡化駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的增加是顯著的。

(2)心率增長(zhǎng)率和心率變異性時(shí)域指標(biāo)均能有效地表征高原公路駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷,不同的海拔高度和天氣狀況均對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷產(chǎn)生較大的影響,道路的天氣狀況、能見(jiàn)度及海拔高度的共同作用對(duì)駕駛員駕駛工作負(fù)荷影響最大。

(3)雪天+大霧(能見(jiàn)度不足5 m)惡劣天氣的駕駛負(fù)荷最高,其心率增長(zhǎng)率達(dá)到最大17.32%,心率變異性值降到最低,其中RMSSD、SDNN、PNN50分別降到7.81 ms、37.57 ms和1%。表明雪天+大霧天氣對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響高于雪天和晴天,且雪天對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響也極其顯著。

本文僅僅考慮在相同路段不同天氣狀況對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響,忽略了縱斷面和平面線形對(duì)駕駛?cè)斯ぷ髫?fù)荷的影響,后續(xù)研究有待開(kāi)展。