橋隧群環境對駕駛人駕駛行為及生理反應的影響

朱敏清，李昕曄，崔洪軍，王玉帛

（1.河北工業大學 建筑與藝術學院，天津 300401；2.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401）

0 引言

高速公路橋隧群路段結合了隧道、橋梁和道路3種不同的構造物形式，橋隧群路段具有縮短出行時間、降低工程成本、發展地方經濟和良好經濟效益等優點。但橋隧群路段交通環境復雜多變，因此同樣也是發生交通事故的主要空間分布點。駕駛員在復雜的橋隧群環境中，將同時經歷光環境交替循環突變、視覺明暗適應快速轉換等過程，容易引起駕駛人的視覺障礙，從而嚴重影響駕駛人對環境信息的正確判斷和快速反應，導致駕駛行為不當，交通事故頻發[1]。由統計數據顯示，駕駛人駕駛行為決策失誤導致事故發生占事故總數的93%左右[2]。因此，有必要從駕駛人的角度入手，研究橋隧群環境對駕駛人駕駛行為和生理參數反應時間的影響，探索駕駛行為改變的內在機理。

近年來，國內外學者針對高速公路橋隧群路段對駕駛人駕駛行為和生理參數的影響做了一系列的研究，對駕駛行為影響方面Meng[3]通過采集駕駛人方向盤轉角等數據，進而量化了橋隧連接段橫向間隙與駕駛人方向盤轉角的關系。Domenichini L等[4]研究了單體隧道環境光照強度對駕駛人速度及車道偏移量的影響。對駕駛人生理影響方面，Healry等[5]通過采集自然駕駛中駕駛人心率和呼吸率等參數，得出心率指標和注視持續時間與駕駛人心理壓力呈正相關。郝瑞娜[6]通過測量駕駛員心率變化率，分析單體隧道環境特性、道路特性和交通特性對駕駛人心率變化的影響。崔洪軍等[7]通過采集駕駛員的瞳孔面積變化率，得到了單體長隧道入口滿足行車舒適性的合理照明動態閾值區間。

駕駛人反應時間與事故發生概率呈正相關[8]，因此駕駛人的反應時間也成為交通安全研究的熱點。王亞楠[9]通過采用隧道駕駛人識別障礙物的反應時間，確定了隧道光照強度對駕駛人反應時間的影響。Wang等[10]研究了沖突緊迫度對駕駛人制動反應時間的影響。張玉婷[11]通過采集緊急狀況下駕駛員制動速度及制動反應時間，建立了制動速度和反映時間的混合效應模型。然而目前國內外對高速公路橋隧連接段、單體隧道、隧道群的安全研究比較多，將三者作為相互影響的整體綜合考慮的研究工作還不夠[12]，且數據采集比較單一，僅從駕駛員的駕駛行為、生理參數或反應時間等單方面進行數據采集和分析，未能綜合考慮反映駕駛人橋隧路段駕駛行為改變的本質。

本文設計橋隧群實車實驗，通過對比橋隧群段與普通高速公路段駕駛人駕駛行為參數和生理參數的差異性，為高級駕駛輔助系統（ADAS）補充橋隧群道路環境下駕駛人駕駛行為和生理參數。同時通過分析橋隧群隧道內和橋隧連接段對駕駛人反應時間的影響，印證在橋隧群環境下駕駛人員的駕駛行為變化，為提升高速公路橋隧群的安全性提供了理論和實踐支撐。

1 實驗

1.1 橋隧群的定義

橋隧群是指同時存在2座或者2座以上橋梁和隧道（隧道和隧道，橋梁和橋梁）間隔一定距離且不規則排列的路段。根據有關研究成果[13]，其間隔距離參考隧道群定義，以1 000 m長度作為臨界值。

1.2 道路實車平臺的搭建

本文采用SMART EYE眼動儀，TLC5000動態心電圖儀，VBoxs數據采集盒，行車記錄儀等儀器搭建駕駛人心理、生理及駕駛行為特性分析道路實驗平臺。如圖1所示。

圖1 道路實車實驗平臺的搭建Fig.1 The construction of road vehicle test platform

駕駛行為的數據由VBoxs數據采集盒采集，數據記錄在軟件中，采樣頻率為10 Hz，生理數據的采集采用TLC5000動態心電圖儀和SMART EYE公司生產的ETG 2W型便攜眼鏡式眼動儀。心電模塊采用ECG100C心電放大器，數據儲存在ACQ Knowledge軟件中，采樣頻率為250 Hz。注視持續時間數據存儲在SMI眼動儀自帶的軟件SMI Pro中，采集頻率為60 Hz。為去除運動偽影與心跳的影響，采用頻率為0.5 Hz的高通濾波過濾無效數據。最后，為保證生理參數與駕駛行為參數的同步性，將編輯后的生理數據保存，采樣率降低為10 Hz。

1.3 實驗時間與地點安排

參考榮烏高速保定段日落時間表，本次調查分為白天和晚上2個時間段，調查時間為2019年12月21和12月22日，每日9：30—12：30，14：00—17：00為調查的白天時段。18：00—21：00為調查的傍晚時段。

為確保實驗結果的代表性和準確性擬選取特長隧道營爾嶺隧道和寨頭隧道群兩條具有代表性的橋隧群路段，分別對高速公路段和每條隧道的隧道入口段、過渡段、中間段、出口段、路基連接段進行調查，實驗路段中隧道均為分離式隧道，車道形式為單向雙車道，各隧道線形、路面條件及亮度設施均完好，實驗路線圖如圖2和圖3所示，實驗車輛行駛狀態如圖4所示，部分隧道基本參數如表1所示。

圖2 營爾嶺特長隧道Fig.2 Ying′er ling long tunnel

圖3 寨頭隧道群Fig.3 Zhaitou tunnel group

圖4 實驗車輛行駛狀態圖Fig.4 Test vehicle driving state diagram

表1 部分隧道基本參數Tab.1 Part of the tunnel basic parameters

圖5 駕駛人障礙物識別Fig.5 Driver obstacle recognition

1.4 被試人反應時間的測量

被試人反應時間測量作為本次實驗的重點和難點對實驗的成功與否尤為重要，為了完成駕駛人反應時間的測量，在開始實驗之前，由主試人員提前在實驗路段的隧道內和隧道連接段中擺放好安全警示錐。為不影響駕駛人行為，要求主試人員將警示錐擺放到隧道內的檢修便道上或連接段的應急車道外，以此來模擬行車過程中障礙物。同時搭配VBOX中的制動模塊，測量駕駛人看見障礙物時的制動時間。本次實驗的駕駛人反應時間定義為駕駛人看到警示墩（障礙物）的時間到駕駛人采取制動的時間，即駕駛人注視點落在目標警示墩上的時間開始到VBOX數據軟件采集到駕駛人的制動時間為止。如圖5所示為被試駕駛人識別到障礙物目標的情況，其中紅色標記為駕駛人的注視點位置。反應時間的測量通過軟件的AOI功能實現，在軟件中通過標定障礙物區域可計算其總持續時間、掃視時間和注視持續時間，通過數據采集盒采集車輛瞬時速度及區間速度。

1.5 被試選擇與實驗流程

為滿足實驗中樣本量的人群代表性，共招募不同年齡、性別和駕駛里程的63名被試人參與本實驗，且被試人需滿足視力情況在矯正后都保持良好且駕駛技術嫻熟，無生理缺陷和交通事故經歷，所有駕駛人在實驗前對實驗路段均不了解，以此剔除熟悉路段對駕駛人駕駛行為的影響。在正式實驗前，需要篩除出與設備不匹配的實驗人員：所有被試人員佩戴設備在實驗路段進行短距離的預實驗，若預實驗中被試人員的樣本數據異常，則剔除無效樣本。經預實驗篩選出的剩余51個樣本進行正式實驗，其中男生34名，女生17名。被試人在過去一年的駕駛里程范圍為0～15 000 km，均值（M）為8 760.46 km，標準差（SD）為3 348.65 km。所有參與者持有中國正式駕駛執照，并持有駕駛執照最少一年（M：3.46，SD：1.53）。實驗開始前主試人員應確保駕駛員保持清醒、休息充足、精神飽滿，無飲酒和引用咖啡。并告知駕駛員測試路段，為實驗駕駛員講解實驗目的和實驗注意事項，消除駕駛員的緊張感。驅車抵達實驗路段后，由主試人員進行實驗設備調試工作。即安裝VOBX數據采集盒，調試心電圖儀各項系數，并固定連接線。打開眼動儀，進行眼動儀的校準工作。眼動儀的校準采用精度較高的三點校準，以保證眼動儀能準確捕捉到注視點位置的變化。完成校準工作后，需將眼動儀后方頭部固定線拉緊，以確保后期實驗過程眼動儀不會隧車輛抖動而偏離。打開VBOX數據采集盒，完成速度、位移和制動時間等數據的校準。開始實驗，要求被試人按照自己駕駛習慣完成實驗。實驗結束后，將實驗數據保存相應人員的文件夾，完成數據的第2次同步。當被試駕駛員完成實驗段的駕駛實驗時，更換駕駛員重新開始實驗，重新開始實驗前，需要對新的駕駛人進行眼動儀校準。

1.6 因變量

本研究的因變量可以分為駕駛行為、生理測量和反應時間3個部分，駕駛行為指標包括：速度與限速比、車道位置標準差、油門踏板下壓及制動踏板下壓等指標，其中速度與限速比指標為車輛運行速度與路段限速的比值，分別取平均值（Av）、標準差（SD）和最大值（Max）等統計參數；車道位置改變量是指對應車輛從當前車道中心線處的車道位置偏移量，當偏移量在右邊時為正，當偏移量在左邊時為負，分別取標準差和最大值等統計參數；油門踏板和制動踏板的下壓指標由VBOX數據采集盒采集，取值在0～1之間，分別取標準差和最大值等統計參數。生理參數的指標包括心率和注視持續時間等相關參數，各項指標取平均值、標準差、最小值（Min）和最大值等統計參數。駕駛人制動反應時間測量中取平均值和標準差統計指標。

2 實驗結果分析

為研究駕駛環境對駕駛人生理反應和駕駛行為影響的顯著程度，首先使用夏皮洛-威爾克檢驗（Shapiro-Wilk）檢測數據的正態性。在95%置信度水平上有部分數據向量不符合（sig.＜0.05），如駕駛人在橋隧群路段的平均速度（sig.=0.012）和最大心率（sig.=0.036）。因此本文數據采用非參數檢驗。在普通路段和橋隧群路段進行被試人配對分析，以測試橋隧群對駕駛人駕駛行為及生理參數的影響。

2.1 駕駛行為分析

使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢測橋隧群路段和普通高速公路段間駕駛人駕駛行為的差異。其中，橋隧群路段和普通高速公路段駕駛行為參數因變量的中位數（M）和四分位數區間（IQR）及其結果的p值描述統計如表2所示。

表2 不同路段駕駛人駕駛行為Tab.2 Driving Performance of Drivers in Different Sections

如表2所示，駕駛行為指標中在95%置信度水平上，有顯著性差異的指標為：速度限速比平均值（p=0.007），速度限速比最大值（p=0.022）、制動踏板的最大值（p=0.000）。

同普通路段相比，復雜的橋隧群環境，會引起駕駛人額外的心理負荷，進而引起駕駛員駕駛行為的下降。在縱向控制行為上，駕駛行為的下降主要體現在：平均速度比、最大速度比、油門踏板標準差的下降和制動踏板最大值的增加。這是因為同普通路段相比，駕駛人在橋隧群環境中需經歷頻繁的光暗適應度轉換，進而增加駕駛人額外的心理負荷。駕駛人為應對額外心理負荷，采取了一系列降低駕駛績效的補償行為。如：與普通路段相比，橋隧群速度比限速的中值降低了7.32，制動踏板最大值增加了0.25。

相關研究表明，高負荷下駕駛人的補償行為會隨著時間的推移而耗盡，因此，橋隧群駕駛人平均速度比的降低和最大制動值的增加作為一種補償行為，雖然在一起定程度對駕駛安全起到了改善作用，但同時存在隨時間推移而耗盡的風險，不容忽視。

2.2 生理參數分析

使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢測橋隧群路段與普通高速公路段間駕駛人生理參數的差異顯著性如表3所示。

表3 不同路段駕駛人生理參數表Tab.3 Physiological measures of drivers in different sections

在普通路段和橋隧群路段駕駛人心理生理指標中在95%的置信水平上有顯著性差異的指標為：心率平均值（p=0.000）、最大值（p=0.000）和最小值（p=0.009）與注視持續時間的平均值（p=0.000）、標準差（p=0.000）和最大值（p=0.000）。

與普通路段相比其中駕駛人在隧道群路段中心率平均值、最大值、最小值和注視持續時間的平均值、標準差和最大值的中值更高，這表明與普通路段相比，隧道群駕駛員心率和注視持續時間均顯著性增加。而心率和注視持續時間的增加，表示駕駛人處于一個更高層次的壓力階段，視覺和心理負荷更大。圖3為普通路段駕駛人和橋隧群路段駕駛人平均心率箱型圖，如圖6所示，與普通路段想比，橋隧群路段駕駛員平均心率中值大約增加13次/min。

2.3 橋隧群環境對反應時間的影響

圖6 不同路段駕駛人平均心率箱型圖Fig.6 Average Heart Rate Boxplot of Drivers in Different Sections

研究橋隧群不同環境對駕駛人反映時間的影響，使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢驗普通高速公路段、橋隧群隧道內與橋隧連接段駕駛人反應時間的差異性。給定顯著性水平P為0.05，在95%置信度水平上，駕駛人橋隧群隧道內（p=0.037）、橋隧連接段（p=0.000）與普通路段反應時間相比存在顯著差異。

如圖7所示，與普通高速段相比，駕駛人在橋隧群段隧道內反應時間中值低了0.22 s，這表明駕駛人在橋隧群段隧道內比在普通高速段遇到突發事件，能更快的做減速反應。這可能是兩方面造成的，一方面隧道內限速調控，駕駛人行駛速度較低，更容易發現危險的發生。另一方面，同普通路段相比，隧道內駕駛人處于高度緊張的心理狀態，因此精神和注意力高度集中，進而對突發狀況表現出更高的警惕性和更快的反應時間。

與普通高速段相比，駕駛人在橋隧群橋隧連接段反應時間中值高出了0.47 s，表明駕駛人在橋隧群橋隧連接段表現出更長的反應時間，更容易發生交通事故。這可能是因為，一方面駕駛人在隧道內高負荷，因而保持加速駛出隧道，相對運行速度較高，因此，表現出更長的反應時間。另一方面可能是因為駕駛人在經歷了隧道內高負荷路段，進入橋隧連接段后，相對放松了警惕，從而在突發狀況出現時，表現出了更長的反應時間。

橋隧段隧道內駕駛人反應時間的降低，可以認為是高負荷下補償行為效應力的發揮，一定程度上起到駕駛安全的改善作用，但更長的橋隧連接段反映時間，印證了持續時間高負荷下的調節行為會使調節行為的下降，從而大大的增加了駕駛人行車風險，這也證明了補償行為的降低會對駕駛安全造成更大危害。

圖7 不同路段駕駛人反應時間箱型圖Fig.7 Reaction time Boxplot of Drivers in Different Sections

3 結論

本文基于符號秩檢驗方法對駕駛人在普通高速公路段與橋隧群路段的駕駛行為、生理參數及反應時間進行了差異性分析，結果表明，橋隧群環境對駕駛人駕駛行為和駕駛人生理參數具有顯著性影響。

1）與普通路段相比，駕駛人在橋隧群路段駕駛行為顯著下降。如反映在縱向控制上的平均限速比、最大限速比、油門標準差的下降和制動踏板最大值的增加；反映在橫向控制行為上的車道位置標準差降低。

2）與普通路段相比，駕駛人在橋隧群行駛過程中表現出更高的心理負荷，具體表現在心率平均值、最小值、最大值和注視持續時間平均值、標準差和最大值的增加，過高的心理負荷容易引起駕駛人的失誤，危害駕駛安全。

3）不同于以往研究，與普通高速段相比，在橋隧群環境中隧道內表現出較短的反應時間，這表明：駕駛行為的下降作為高心理負荷的補償行為一定程度上改進了駕駛的風險。而更長的橋隧連接段反映時間表明，緊張情緒的釋放和補償行為的降低對駕駛安全具有抑制性影響。