山區(qū)高速公路道路主觀安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

宋子璇，白 雷，周小煥，滕 達(dá)

駕駛員在山區(qū)高速公路上行車(chē)時(shí)，以較高的速度經(jīng)過(guò)急彎陡坡、視距不良、線(xiàn)形組合不當(dāng)及長(zhǎng)大下坡等路段，心理會(huì)出現(xiàn)不同程度的緊張，不僅會(huì)引起身體各種生理變化，也會(huì)增加駕駛過(guò)程中思維和情緒等需求造成的腦力負(fù)荷，駕駛員主觀認(rèn)知道路安全性降低；相反，路況條件良好時(shí)，駕駛員較為放松，負(fù)荷減小，駕駛員主觀認(rèn)知道路安全性升高。根據(jù)車(chē)輛特性，貨車(chē)駕駛員對(duì)道路危險(xiǎn)的感知性比小客車(chē)駕駛員的感知性高。因此可以用貨車(chē)駕駛員負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)山區(qū)道路主觀安全性。駕駛員負(fù)荷包括生理負(fù)荷和腦力負(fù)荷。

在研究人的心理、生理變化時(shí)，采用6種主要的生理反應(yīng)（心率、血壓、血容量、皮膚電位、肌電及腦電波）和5種次要的生理變化（呼吸、體溫、唾液、瞳孔及胃動(dòng)）［1］。生理測(cè)量是一種客觀的實(shí)時(shí)性的負(fù)荷衡量方法，主觀評(píng)定方法采用內(nèi)省的方式評(píng)定腦力負(fù)荷，將操作者腦力負(fù)荷同思維和情緒等建立聯(lián)系，并準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)。典型的3種腦力負(fù)荷量表為主觀負(fù)荷評(píng)價(jià)技術(shù)（SWAT）量表、NASA－TLX 量表和庫(kù)柏 － 哈柏修正法（MCH）量表。姚永杰［2］以 NASA－TLX 量表代表飛行員腦力負(fù)荷的主觀評(píng)定方法對(duì)飛行作業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行了過(guò)程排序、質(zhì)的分類(lèi)和量的評(píng)估。

結(jié)合生理學(xué)知識(shí)和國(guó)內(nèi)、外研究發(fā)現(xiàn)，心率、脈搏和血壓是密切相關(guān)的3個(gè)生理參數(shù)，腦電波是一種微弱的電波，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易受到其他一些干擾因素的影響而失真。呼吸、皮電及肌電因受外界影響較大，通常作為附屬指標(biāo)選取。眼動(dòng)行為也能很好地反映人的緊張程度。腦力負(fù)荷3種方法中，NASA－TLX 負(fù)荷量表在航空和工程等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，能更細(xì)致地表達(dá)駕駛員的主觀負(fù)荷，且更便于駕駛員完成。因此選擇心率和眼動(dòng)行為以及TLX能客觀、直接、方便地測(cè)量山區(qū)高速公路貨車(chē)駕駛員在山區(qū)高速公路駕駛過(guò)程的生理負(fù)荷和腦力負(fù)荷指標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)路段為云南某山區(qū)高速公路，長(zhǎng)度10km，雙向六車(chē)道，瀝青混凝土路面，鋪裝質(zhì)量良好，標(biāo)線(xiàn)清晰，大車(chē)限速60km／h。實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)事故多發(fā)車(chē)輛—重型廂式貨車(chē)，正常載重。實(shí)驗(yàn)人員為身體健康、視力正常、休息良好且經(jīng)驗(yàn)豐富的男性貨車(chē)駕駛員。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)心率表、眼動(dòng)儀和GPS，全程監(jiān)測(cè)6位駕駛員生理變化信息和駕駛信息，并完成9個(gè)路段負(fù)荷量表實(shí)驗(yàn)。

郭忠?。?］等人綜合平縱橫各線(xiàn)形指標(biāo)，將公路線(xiàn)形綜合指標(biāo)表達(dá)式描述為道路線(xiàn)形綜合值f。f越大，路段相對(duì)越危險(xiǎn)。本研究采用道路線(xiàn)形綜合值（見(jiàn)表1）為依據(jù)，分析各指標(biāo)的敏感性。

式中：R 為平曲線(xiàn)半徑；1／R 為曲率；（1／R）′ 為曲率變化率；I為曲線(xiàn)轉(zhuǎn)角；i為縱斷面坡度；n為車(chē)道數(shù)；B為車(chē)道寬度；ξ為參數(shù)。

表1 道路線(xiàn)形參數(shù)Table 1 Road alignment factors

2 心率指標(biāo)

2.1 心率生理特性

心率是指單位時(shí)間內(nèi)心臟把血液送往全身時(shí)的搏動(dòng)次數(shù)。心率是反映作業(yè)強(qiáng)度和生理負(fù)荷的重要指標(biāo)。

心跳每搏之間的時(shí)間（R－R間期）不一致，逐次心搏間期之間的微小差異稱(chēng)作心率變異性（Heart Rate Variability，簡(jiǎn)稱(chēng)為 HRV）。它是正常心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的重要機(jī)制，反映了心臟交感、副交感神經(jīng)活動(dòng)的緊張性和均衡性。心率變異性常用的分析方法為時(shí)域分析法和頻域分析法。

時(shí)域分析法通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)離散趨勢(shì)分析法計(jì)算R－R間 期 的 變 化，可 用 均 值 （MR－R）、標(biāo) 準(zhǔn) 差（SDNN）、均方根（RMSSD）及變異系數(shù)（RRCV）等指標(biāo)來(lái)表達(dá)。

頻域分析法也是一種數(shù)學(xué)工具，常用的頻域指標(biāo)為VLF（極低頻0.003～0.04Hz）、LF（低頻0.04～0.15Hz）、HF （高頻0.15～0.4Hz）。

2.2 心率變異性指標(biāo)敏感性分析

1）均值MR－R

如圖1所示駕駛員MR－R變化與道路線(xiàn)形綜合值的變化無(wú)顯著關(guān)聯(lián)。

2）標(biāo)準(zhǔn)差SDNN

圖1 駕駛員MR－R與道路線(xiàn)形綜合值間關(guān)系Fig.1 The relationship between the drivers’MR－R and the road alignment composite value

圖2 駕駛員SDNN與道路線(xiàn)形綜合值間關(guān)系Fig.2 The relationship between the drivers’SDNNand the road alignment composite value

駕駛員處于駕駛狀態(tài)時(shí)比處于非駕駛狀態(tài)時(shí)的SDNN有明顯降低［4］。如圖2所示，駕駛員SDNN在曲線(xiàn)路段隨著道路綜合線(xiàn)形值的增大而降低。這說(shuō)明線(xiàn)形綜合值越大，駕駛員交感神經(jīng)活性越強(qiáng)，負(fù)荷越大。

3）均方根RMSSD

吉林大學(xué)李平凡［5］的研究表明：RMSSD 適合作為城市道路環(huán)境中駕駛員工作負(fù)荷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。而在本次實(shí)驗(yàn)中（如圖3所示），駕駛員RMSSD與道路線(xiàn)形綜合值無(wú)顯著關(guān)聯(lián)，因此RMSSD并不能很好地反映山區(qū)高速公路貨車(chē)駕駛員的負(fù)荷。

圖3 駕駛員RMSSD與道路線(xiàn)形綜合值間關(guān)系Fig.3 The relationship between the drivers’RMSSD and the road alignment composite value

4）心率變異系數(shù)RRCV

心率變異系數(shù)RRCV由標(biāo)準(zhǔn)差SDNN（亦有用均方根RMSSD）除以平均值MR－R得到。

如圖4所示，駕駛員的RRCV隨著道路線(xiàn)形綜合值的增大而減小，即駕駛員負(fù)荷越大，其RRCV越小。張殿業(yè)［6］等人研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員在夜間行駛時(shí)比在白天行駛時(shí)的其負(fù)荷較高，RRCV較低。

圖4 駕駛員RRCV與道路線(xiàn)形綜合值間關(guān)系Fig.4 The relationship between the drivers’RRCV and the road alignment composite value

5）LF，HF 和LF／HF

低頻LF可用于表征交感神經(jīng)的興奮程度，高頻HF則用于表征副交感神經(jīng)／迷走神經(jīng)的興奮程度，LF／HF反映交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)張力平衡程度［7－8］。

如圖5所示，隨著線(xiàn)形綜合值的增加，駕駛員的LF和HF同時(shí)下降，即交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)活性同時(shí)降低，與生理規(guī)律相近。圖5中LF／HF呈水平直線(xiàn)。

圖5 駕駛員LF，HF和LF／HF與道路線(xiàn)形綜合值間關(guān)系Fig.5 The relationship between the drivers’LF，HF，LF／HFand the road alignment composite value

事實(shí)上，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在LF，HF和LF／HF應(yīng)用于解釋人類(lèi)神經(jīng)活動(dòng)的嘗試中亦有類(lèi)似的矛盾現(xiàn)象，至今缺乏科學(xué)有力的論證，因此現(xiàn)階段提出關(guān)于LF，HF和LF／HF的指標(biāo)，仍面臨很多亟待解決的問(wèn)題。

2.3 心率變異性指標(biāo)比較與選取

通過(guò)對(duì)心 率變異性 時(shí)域 指 標(biāo) （MR－R，SDNN，RMSSD和RRCV）的分析，可知時(shí)域指標(biāo)（如：MR－R，SDNN 和RMSSD）丟失了數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的時(shí)間順序，它們所反映出的心率變化的漲落機(jī)制十分有限。MR－R與道路線(xiàn)形綜合值相關(guān)性不顯著，SDNN和RMSSD未考慮駕駛員的MR－R，表達(dá)的意義不夠充分。同時(shí)，頻域分析指標(biāo)的生理意義還有待進(jìn)一步研究。因此心率變異系數(shù)RRCV能比較科學(xué)全面地表征駕駛員生理負(fù)荷。

3 眼動(dòng)行為指標(biāo)

3.1 眼動(dòng)行為特性

人在“看”的過(guò)程中，眼睛并非有秩序地移動(dòng)，而是在畫(huà)面的某個(gè)位置短暫停留，并攝取必要的知覺(jué)信息，然后快速地移動(dòng)到下個(gè)停留位置。眼動(dòng)行為主要分為注視行為、掃視行為和眨眼行為。掃視行為是對(duì)信息的復(fù)雜度和深度的反應(yīng)，而駕駛員負(fù)荷主要來(lái)自于注視行為。

注視持續(xù)時(shí)間［9］（簡(jiǎn)稱(chēng)為注視時(shí)間）是指在注視時(shí)，視軸中心位置保持不變的持續(xù)時(shí)間。注視時(shí)間代表著處理與危險(xiǎn)相關(guān)的信息所花費(fèi)的時(shí)間，反映的是提取信息的難易程度，也就是從所注視的目標(biāo)上提取信息所用的時(shí)間，同時(shí)也是注視區(qū)域信息內(nèi)容和主觀信息處理策略的度量標(biāo)準(zhǔn)。較長(zhǎng)的注視時(shí)間有兩種可能：①信息難以提取，需要較大的認(rèn)知努力；②信息源信息豐富，需要較多的時(shí)間去讀取。注視時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致負(fù)荷的增加，注視時(shí)間的長(zhǎng)短可以判別負(fù)荷的變化。對(duì)注視時(shí)間的定義，學(xué)者多采用0.1，0.165［10］和0.2s為最小界值，出于眼動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的考慮，作者認(rèn)為注視時(shí)間最小界值為0.1s。

3.2 注視時(shí)間指標(biāo)敏感性分析

實(shí)驗(yàn)路段的注視時(shí)間指標(biāo)（累積注視時(shí)間、注視次數(shù)以及平均注視時(shí)間）統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。以此建立注視時(shí)間指標(biāo)與道路線(xiàn)形綜合值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，如圖6所示?？梢?jiàn)，累積注視時(shí)間線(xiàn)與注視次數(shù)線(xiàn)趨勢(shì)相似，但不易歸納出與道路線(xiàn)形綜合值的相關(guān)關(guān)系，而平均注視時(shí)間線(xiàn)總體呈現(xiàn)與道路線(xiàn)形綜合值的正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)槔鄯e注視時(shí)間與注視次數(shù)較易受路段長(zhǎng)度和路段行駛時(shí)間的影響。因此規(guī)則變化的平均注視時(shí)間（簡(jiǎn)稱(chēng)為MFT）指標(biāo)更能客觀地反映路段的危險(xiǎn)程度。

表2 駕駛員注視時(shí)間統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of the drivers’fixtime

圖6 駕駛員注視時(shí)間與道路線(xiàn)形綜合值關(guān)系Fig.6 The relationship between the drivers’fixtime and the road alignment composite value

3.3 眼動(dòng)行為指標(biāo)比較與選取

但MFT是整個(gè)路段的平均注視時(shí)間，有可能受部分路段產(chǎn)生的極值影響而不能真實(shí)地反映該路段的危險(xiǎn)程度。故本研究提出85%位注視時(shí)間（簡(jiǎn)稱(chēng)85FT）的概念，即駕駛員在某一路段內(nèi)所有注視行為中，85%的注視時(shí)間不會(huì)超過(guò)的時(shí)間。如圖7所示，隨著線(xiàn)形綜合值升高，85FT 相比MFT更顯著增加，更貼切地反映駕駛員信息負(fù)荷增大。故85FT能科學(xué)地表征駕駛員負(fù)荷。

圖7 駕駛員MFT和85FT與道路線(xiàn)形綜合值關(guān)系Fig.7 The relationship between the drivers’MFT，85FTand the road alignment composite value

4 腦力負(fù)荷

4.1 NASA－TLX 量表

NASA－TLX （Task Load Index）量表評(píng)價(jià)法是美國(guó)宇航局提出的一項(xiàng)主觀負(fù)荷評(píng)估技術(shù)，是一種多維腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)量表，涉及到6個(gè)負(fù)荷因素（維度），即心理需求、體力需求、時(shí)間需求、操作業(yè)績(jī)、努力程度和挫折程度。腦力負(fù)荷為6個(gè)維度的加權(quán)平均值。分值越大，表示腦力負(fù)荷越大。

考慮到NASA－TLX 量表從未在道路中應(yīng)用，為使其更加通俗易懂，貼近實(shí)際駕駛情況，便于駕駛員回答，對(duì)其進(jìn)行了改編，見(jiàn)表3。

表3 駕駛員TLX量表負(fù)荷因素描述Table 3 The description of drivers’TLX

4.2 TLX計(jì)算

駕駛員每完成一個(gè)曲線(xiàn)段任務(wù)，停車(chē)填寫(xiě)TLX負(fù)荷量表，量表分兩部分，負(fù)荷來(lái)源對(duì)比卡和負(fù)荷等級(jí)卡，分別可以計(jì)算負(fù)荷因素的權(quán)重（見(jiàn)表4）和負(fù)荷評(píng)估值（見(jiàn)表5），從而可以得出駕駛員的腦力負(fù)荷。

1）負(fù)荷因素權(quán)重

2）負(fù)荷評(píng)估值

負(fù)荷評(píng)估值為駕駛員對(duì)自身各負(fù)荷因素的評(píng)估主觀分值γi（i＝1，2，…，6）。

3）腦力負(fù)荷

對(duì)各因素評(píng)估值進(jìn)行加權(quán)求和，即可得出該項(xiàng)駕駛?cè)蝿?wù)的腦力負(fù)荷。

同理，駕駛員其他曲線(xiàn)路段腦力負(fù)荷TLX的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 負(fù)荷因素權(quán)重計(jì)算Table 4 The calculation of weight coefficient of workloads

表5 負(fù)荷評(píng)估值Table 5 Workload evaluated values

表6 TLX計(jì)算值Table 6 TLXcalculated values

從圖8中可以看出，腦力負(fù)荷TLX隨著線(xiàn)形值的增大而增大。較好地反映了駕駛員的腦力負(fù)荷。

圖8 駕駛員MFT和85FT與道路線(xiàn)形綜合值關(guān)系Fig.8 The relationship between the drivers’MFT，85FTand the road alignment composite value

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)駕駛員心率、眼動(dòng)行為生理負(fù)荷和腦力負(fù)荷TLX 特性分析，確定了心率變異系數(shù)RRCV作為心率分析指標(biāo)以及85FT作為代表眼動(dòng)行為指標(biāo)來(lái)評(píng)估駕駛員生理負(fù)荷，TLX可評(píng)估駕駛員腦力負(fù)荷。這幾個(gè)指標(biāo)由道路客觀環(huán)境產(chǎn)生的影響出發(fā)，同時(shí)相較于傳統(tǒng)基于道路本身客觀環(huán)境的指標(biāo)，更強(qiáng)調(diào)了駕駛?cè)俗陨淼臓顟B(tài)與特性。相信在進(jìn)一步的研究分析中，將這兩者有機(jī)的結(jié)合，能夠更好地反映實(shí)際行駛過(guò)程中的安全狀態(tài)及特性。

（

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