城際道路直坡坡度與駕駛員瞳孔面積關系研究

溫井雨，吳立新，潘鴻飛

（吉林建筑大學 交通科學與工程學院，吉林 長春 130000）

引言

隨著道路干線網絡的不斷完善，城市間的交流越來越多，城際道路的重要性越來越突出。國內外學者對城際道路的路徑規劃、路網形態和客運班車時刻表等進行了研究［1-3］，對事故影響因素、事故成本進行了深入分析［4-5］。學者們對駕駛員眼動特性與道路線形之間的關系也展開了大量探索。高建平等［6］在連續長下坡路段開展實車試驗，以駕駛員注視持續時間、注視次數與眨眼次數的比值等參數建立了視覺負荷強度模型，發現相鄰坡段的坡度極限差應控制在2.3%內；朱守林等［7］通過仿真模擬試驗，獲取熟練與非熟練駕駛員在草原公路不同線形誘導設施的彎道路段行車時注視、掃視等參數，建立了視覺負荷回歸模型；李旭彪等［8］在山地城市快速路彎坡組合路段開展實車試驗，對駕駛員注視持續時間、瞳孔直徑等參數的變化規律展開了分析；薛強［9］通過采集駕駛員在山區高速公路行車時瞳孔面積、注視持續時間參數，與坡度值相結合建立了回歸模型。

1 試驗設計

1.1 試驗路段

以長春市長清公路K6+000—K23+000 路段作為試驗道路，長清公路始于長春市凈月區，止于長春市雙陽區，沿線坐落山林、村落與學校，雙向四車道，無中央分隔帶，道路橫斷面見圖1。

圖1 長清公路道路橫斷面

基于長清公路設計圖紙和實地調研數據，以平面半徑R ≥1 000 m，直坡坡度i ≥3%，坡長L ≥200 m［10］為標準，選取6 處直坡路段，見表1。

表1 試驗路段

1.2 試驗駕駛人

選取6 名視覺系統正常且持有C 照駕駛證的駕駛員進行多次試驗。4 名駕駛員駕齡均在5 a 以上。

1.3 試驗車輛及儀器

試驗車輛選用五座小轎車，車況良好；儀器主要包括Dikablis 眼動儀、正弦逆變器、筆記本電腦及D-Lab 軟件。

1.4 試驗過程

（1）試驗選擇天氣和路面條件良好的上午08 ∶30—10 ∶30 時間段進行；（2）試驗開始前告知駕駛員實驗目的和基本要求，駕駛員佩戴Dikablis眼動儀對試驗路段進行試駕，熟悉車輛性能及道路情況；（3）為方便試驗數據獲取及保證數據真實性，試驗采集駕駛員在K6+000—K23+000 整個路段行車時的眼動數據，數據處理時截取相應樁號路段的眼動數據即可，即駕駛員佩戴Dikablis 眼動儀從長清公路K6+000 連續行駛至K23+000 路段，駕駛員休息10～15 min；（4）駕駛員佩戴Dikablis 眼動儀從長清公路K23+000 處返回，連續行駛至K6+000 路段，為一次完整試驗。

2 數據分析方法

2.1 Pearson 相關系數

Pearson 相關系數用于反映兩個或多個隨機變量之間是否存在相關性及其相關程度，隨機變量數據符合正態分布是Pearson 相關系數應用的前提。

2.2 Pearson 相關系數原理

線性相關系數定義為兩變量X 和Y 總體的協方差和標準差積的商，通常用p表示：

實際應用中采用樣本相關系數來反映變量間的相關性，即Pearson 相關系數，通常用r 表示［11］。假設變量X 和Y 的樣本觀測值分別為x1，x2，…，xn與y1，y2，…，yn，則Pearson 相關系數定義為：

Pearson 相關性系數是介于［-1，1］之間的實數，當其值在［-1，0）區間時，變量之間存在負相關關系；當其值在（0，1］區間時，變量之間存在正相關關系；當其值等于0 時，變量之間不存在相關性。相關性系數的大小所對應的相關性強度見表2［11］。

表2 相關系數與對應強度

3 城際道路直坡坡度與瞳孔面積的關系

視覺是駕駛員行車時獲取外界道路交通環境信息最主要的途徑［12］，瞳孔面積的變化與駕駛員心理狀態有不可分割的聯系［13］。駕駛員緊張時，心理負荷增加，瞳孔面積會變大，反之，瞳孔面積會縮小。通過實車試驗獲取6 名駕駛員在城際道路不同直坡路段行車時的瞳孔面積數值，分析城際道路直坡坡度與其之間的關系。

3.1 上坡行車

運用S-W 正態檢驗對駕駛員在城際道路6 處直坡路段上坡行車時的平均瞳孔面積正態分布進行驗證，檢驗結果見表3。

表3 坡度值與上坡平均瞳孔面積正態檢驗

由表3 可知，駕駛員在城際道路直坡路段上坡時的平均瞳孔面積概率P 值為0.226，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現正態分布。

運用Pearson 相關系數將城際道路直坡路段的坡度值與駕駛員上坡平均瞳孔面積做相關性檢驗，檢驗結果見表4。

表4 坡度值與上坡平均瞳孔面積相關性檢驗

由表4 可知，城際道路直坡路段的坡度值與駕駛員上坡行車時平均瞳孔面積的Sig 值為0.028，小于顯著性水平0.05，說明兩者存在顯著相關性，Pearson 相關系數為0.895，說明相關程度為顯著相關。

坡度與上坡平均瞳孔面積關系見圖2。

圖2 坡度與上坡平均瞳孔面積關系

由圖2 可知，城際道路直坡路段坡度值與駕駛員上坡時平均瞳孔面積呈正相關，隨著坡度的不斷增大，駕駛員平均瞳孔面積亦逐漸增大。直坡坡度值為3.5% 時的平均瞳孔面積較4.4% 坡度值時下降了8.6%，較5.5% 坡度值時下降高達27.6%，充分說明了在上坡時，駕駛員對坡度值敏感，較大的坡度會令駕駛員更緊張，瞳孔面積更大。

為進一步分析駕駛員在城際道路直坡路段上坡時坡度值與瞳孔面積變化之間的關系，對駕駛員每5 s 的瞳孔面積取平均值，繪制6 處直坡路段駕駛員瞳孔面積散點圖見圖3。

圖3 上坡駕駛員瞳孔面積關系

由圖3 可知，各直坡路段坡長的不同使駕駛員行車時間有所差異，但瞳孔面積變化特點存在增大后減小的共性，擬合曲線拐點大致位于直坡段行車時間的中部及尾部，即直坡路段中間位置和坡頂位置；瞳孔面積分布存在一定離散性，說明駕駛員在上坡時持續緊張，瞳孔面積產生波動。當駕駛員駕車進入直坡段上坡時，道路直坡豎曲線線形的改變使行車視野變小，行車舒適感下降，引起駕駛員緊張，瞳孔面積變大；當行駛到直坡中段時，駕駛員已相對適應直坡段的行車視野，且豎曲線帶來的視覺沖擊亦相對變弱，瞳孔面積逐漸下降；當行駛到直坡坡頂段時，道路線形的再次改變使駕駛員警覺，瞳孔面積小幅升高。

3.2 下坡行車

運用S-W 正態檢驗對駕駛員在城際道路6 處直坡路段下坡行車時平均瞳孔面積正態分布進行驗證，檢驗結果見表5。

表5 坡度值與下坡平均瞳孔面積正態檢驗

由表5 可知，駕駛員在城際道路直坡路段下坡時的平均瞳孔面積概率P 值為0.530，大于顯著性水平0.05，說明總體呈現正態分布。

運用Pearson 相關系數將城際道路直坡路段的坡度值與駕駛員下坡平均瞳孔面積做相關性檢驗，檢驗結果見表6。

表6 坡度值與下坡平均瞳孔面積相關性檢驗

由表6 可知，城際道路直坡路段的坡度值與駕駛員下坡行車時平均瞳孔面積的Sig 值為0.026，大于顯著性水平0.05，說明兩者存在顯著相關性，Pearson 相關系數為0.901，說明相關程度為顯著相關。

繪制坡度與下坡平均瞳孔面積關系散點圖，見圖4。

圖4 坡度與下坡平均瞳孔面積關系

由圖4 可知，隨著坡度的不斷增大，駕駛員下坡行車平均瞳孔面積亦不斷增大，與上坡時變化趨勢相同。直坡坡度值為3.5%時的平均瞳孔面積較4.4%坡度值時下降了7.6%，較5.5%坡度值時下降了16.1%，說明駕駛員下坡時對坡度值較為敏感，但下降幅度低于上坡時的8.6%和27.6%，說明駕駛員上坡時的心理負荷度要高于下坡，主要原因在于上坡行車的操作難度，如行車視野受限、車速和檔位的選擇等，要高于下坡行車的操作難度。

對駕駛員每5 s 的瞳孔面積取平均值，繪制6 處直坡路段駕駛員瞳孔面積散點圖見圖5。可知，下坡時駕駛員瞳孔面積呈先增大后減小再增大的趨勢，擬合曲線拐點大致位于直坡段行車時間的中部及尾部，即直坡段中間位置和坡底位置；瞳孔面積分布存在一定離散性，駕駛員在下坡時持續緊張，這兩點與上坡時特點相近。

圖5 下坡駕駛員瞳孔面積關系

4 結語

（1）駕駛員在城際道路直坡路段行車時平均瞳孔面積與坡度存在相關性，二者呈正相關關系，平均瞳孔面積隨著直坡路段坡度值的增加呈上升趨勢，且上坡時平均瞳孔面積高于下坡，說明上坡時駕駛員負荷度高于下坡。（2）駕駛員在城際道路不同坡度的直坡路段上坡、下坡行車時瞳孔面積變化趨勢大致相同，呈先增大后減小再增大的特點，拐點分別位于直坡中部、坡頂和直坡中部、坡底。（3）駕駛員在城際道路不同坡度的直坡路段上坡行車和下坡行車時瞳孔面積分布存在一定離散性，說明駕駛員為持續緊張狀態。