基于自然駕駛試驗(yàn)的山區(qū)公路縱坡路段駕駛負(fù)荷分析

徐 進(jìn) 汪 旭 林 偉 王 燦 邵毅明

(1重慶交通大學(xué)重慶市交通運(yùn)輸工程重點(diǎn)試驗(yàn)室, 重慶 400074)(2重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院, 重慶 400074)

基于自然駕駛試驗(yàn)的山區(qū)公路縱坡路段駕駛負(fù)荷分析

徐 進(jìn)1,2汪 旭2林 偉2王 燦2邵毅明2

(1重慶交通大學(xué)重慶市交通運(yùn)輸工程重點(diǎn)試驗(yàn)室, 重慶 400074)(2重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院, 重慶 400074)

為得到駕駛?cè)嗽诳v坡路段上行車時(shí)的駕駛負(fù)荷及其影響因素,在山區(qū)復(fù)雜線形公路上開展了自然駕駛試驗(yàn),采集了真實(shí)駕駛習(xí)慣條件下的汽車行駛速度、軌跡、加速度等運(yùn)行參數(shù)和駕駛?cè)诵碾娦盘?hào),分析了公路縱面線形參數(shù)、汽車加(減)速度與駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率HRI之間的關(guān)系.結(jié)果表明,縱坡參數(shù)、加速度與HRI三者之間相互影響.坡長(zhǎng)與HRI之間存在較弱的正相關(guān)性;坡度與HRI之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,其中下坡路段的相關(guān)性強(qiáng)于上坡路段,并且坡長(zhǎng)越長(zhǎng),坡度增加導(dǎo)致HRI的增長(zhǎng)越明顯;HRI與加(減)速度正相關(guān),坡度越大,HRI對(duì)加(減)速度的變化越敏感,且下坡路段減速度與HRI的相關(guān)性較上坡路段加速度與HRI的相關(guān)性更顯著.

山區(qū)公路;駕駛負(fù)荷;縱斷面;坡度;坡長(zhǎng);心率增長(zhǎng)率

近年來,重特大交通事故頻繁發(fā)生,山區(qū)公路縱坡路段的行車安全問題亟待解決.在彎多坡陡的山區(qū)路段行車時(shí),駕駛?cè)艘S時(shí)操縱踏板以調(diào)整行車速度,避免速度增長(zhǎng)過快或是出現(xiàn)嚴(yán)重衰減,并使速度適應(yīng)不斷變化的道路線形,因此極易造成駕駛?cè)梭w力和精神負(fù)荷的累積,從而引起駕駛疲勞,增加發(fā)生交通事故的可能性.為此,基于駕駛?cè)艘暯?以生理/心理參數(shù)為中介,分析道路參數(shù)與駕駛負(fù)荷之間的關(guān)系,成為近年來研究和改善公路縱坡路段事故風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)有效途徑.現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,可以采用駕駛?cè)说闹w動(dòng)作變化來評(píng)價(jià)駕駛過程中的疲勞程度[1].與心率相關(guān)的指標(biāo)(如心率值、心率增長(zhǎng)率、心率變異性等)能夠有效描述駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)和精神壓力變化[2-4].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞道路縱面參數(shù)與駕駛?cè)诵穆手g的相關(guān)性開展了大量的研究工作,研究對(duì)象包括林區(qū)公路[5]、隧道路段[6]、草原公路[7]、山區(qū)雙車道公路[8]、高速公路[9]、高海拔公路[10-12]等,分析了駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率HRI對(duì)坡度、坡長(zhǎng)等參數(shù)的敏感性.除了直接使用心率指標(biāo)之外,研究人員還將心率變異率與運(yùn)行速度相結(jié)合,用于衡量駕駛?cè)说墓ぷ髫?fù)荷度[13],分析山區(qū)高速行駛環(huán)境下負(fù)荷度與坡度之間的相關(guān)性[14].

現(xiàn)有研究都是針對(duì)技術(shù)等級(jí)較高的2級(jí)及以上公路,而在中國(guó)的西南山區(qū),3級(jí)、4級(jí)雙車道公路線形組合復(fù)雜,極限值標(biāo)使用頻繁,路側(cè)危險(xiǎn)度大,駕駛負(fù)荷度顯然更高.此外,現(xiàn)有研究及建立的模型都無法反映出汽車運(yùn)行狀態(tài)(如速度、加速度)對(duì)駕駛負(fù)荷的影響.為此,本文以3級(jí)公路為對(duì)象,分析了坡度、坡長(zhǎng)、加速度、減速度與駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率之間的相關(guān)性,并建立了關(guān)系模型,進(jìn)而為駕駛負(fù)荷分析與評(píng)價(jià)、駕駛疲勞形成機(jī)制、道路參數(shù)設(shè)計(jì)控制等提供數(shù)據(jù)支撐和分析方法.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)道路

于重慶市轄域奉節(jié)、巫溪、云陽等縣高山區(qū)內(nèi)選擇3條具有復(fù)雜線形的雙車道公路作為試驗(yàn)道路(見表1).由表可知,試驗(yàn)道路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為3級(jí)(極個(gè)別位置由于受地形條件的嚴(yán)格限制采用了4級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的線形指標(biāo)),具有縱面高差劇烈起伏、路側(cè)危險(xiǎn)度大、事故高發(fā)且程度嚴(yán)重的特征.道路2和道路3的交通量較低,車輛在絕大部分區(qū)段都處于自由行使?fàn)顟B(tài);道路1在接近或途徑集市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)處的位置交通量較大,行人和非機(jī)動(dòng)車較多,行駛會(huì)受到一定程度的干擾,在后期的數(shù)據(jù)分析中,已將這些位置的數(shù)據(jù)剔除.同時(shí),對(duì)超車、會(huì)車等行駛工況也進(jìn)行了排除,避免了各種干擾所引起的生理指標(biāo)波動(dòng).

表1 試驗(yàn)道路的主要技術(shù)參數(shù)

本文分析的是單縱坡路段,即路段的平面為直線或大半徑曲線.不同行駛環(huán)境下駕駛?cè)说乃俣冗x擇行為不同,因此需要界定大半徑曲線的標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)平曲線的運(yùn)行速度值等于或者超過直線路段的期望速度值時(shí),可認(rèn)為該彎道為大半徑曲線.根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的模型,可以計(jì)算出本試驗(yàn)道路的期望速度值,根據(jù)該值反算出臨界半徑.道路1～道路3的臨界半徑為405～437 m,取整后本文統(tǒng)一取值為440 m,即半徑超過440 m的大半徑彎道可視為直線路段.

1.2 被試駕駛員

選擇7名技術(shù)熟練的男性駕駛?cè)俗鳛楸辉?年齡為26～59歲,平均年齡為41.5歲;實(shí)際駕齡為5～31 a,平均駕齡為17.5 a.試驗(yàn)過程中不對(duì)駕駛?cè)颂岢鋈魏晤~外要求,讓其維持平日的駕駛習(xí)慣,即保持自然駕駛狀態(tài).道路1和道路2為同一條道路的2個(gè)路段,被試駕駛?cè)讼嗤?共計(jì)4名;道路3上有3名被試,試驗(yàn)時(shí)每名被試沿道路往返行駛1次.

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)車型為豐田海獅的改裝版,利用整車性能測(cè)試系統(tǒng)VBOX采集汽車的連續(xù)行駛軌跡和行駛速度,對(duì)VBOX系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可得到試驗(yàn)道路的縱面相對(duì)高程和坡度值.利用Forsentek踏板力傳感器測(cè)量汽車油門和制動(dòng)踏板的作用力.采用力康Prince180D心電檢測(cè)儀記錄被試駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中的心電信號(hào).利用LPMS微機(jī)械式航姿參考系統(tǒng)采集汽車橫向、軸向和豎向的加速度以及行駛姿態(tài).

1.4 評(píng)價(jià)方法

本文采用駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率來衡量駕駛負(fù)荷水平.首先,需要設(shè)定一個(gè)心率的基準(zhǔn)值.以往研究中大都選用駕駛?cè)似届o狀態(tài)下的心率值、試驗(yàn)過程中的心率平均值或直線路段的心率值作為基準(zhǔn).但筆者在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),汽車在山區(qū)復(fù)雜道路上行駛是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)化的過程,動(dòng)態(tài)的心率增長(zhǎng)率更能反映駕駛?cè)松頎顟B(tài)的瞬變性和累積性,因此將其作為駕駛負(fù)荷主要表征指標(biāo).圖1給出了駕駛?cè)嗽谝粋€(gè)下坡路段上行駛時(shí)的心率變化曲線.心率增長(zhǎng)率的計(jì)算公式為

圖1 駕駛?cè)诵穆首兓€

(1)

式中,HRmax為駕駛?cè)嗽谀晨v坡路段上的心率最大值;HRo為駕駛?cè)笋側(cè)肟v坡路段前的心率初始值.

2 坡長(zhǎng)與HRI的相關(guān)性

坡道行車時(shí),駕駛?cè)思纫刂栖囕v行駛方向,又要控制車速,操作動(dòng)作和操作量較平直路段明顯增加.因此,理論上坡長(zhǎng)的增加可能會(huì)導(dǎo)致駕駛負(fù)荷增加.試驗(yàn)道路的坡度G分布在2%～10%范圍內(nèi).為了控制坡度對(duì)駕駛負(fù)荷的耦合影響,將單縱坡路段分為小于6%和大于6%(陡坡)兩組.圖2給出了坡長(zhǎng)與HRI的散點(diǎn)圖.由圖可知,當(dāng)G<6%時(shí),無論上坡或下坡,坡長(zhǎng)與HRI之間的關(guān)系雖然較離散,但依然存在弱相關(guān)性,即隨著坡長(zhǎng)的增加,HRI呈增大趨勢(shì);當(dāng)G>6%時(shí),坡度的增加導(dǎo)致HRI較快增長(zhǎng),即HRI對(duì)坡度的變化更加敏感.此外,縱坡坡長(zhǎng)大都集中在100～250 m范圍內(nèi).

(a) 上坡,G<6%

(b) 下坡,G<6%

(c) 上坡,G>6%

(d) 下坡,G>6%

圖3給出了S102尖山-沙市段(連續(xù)下坡約19 km)3位被試的心率值連續(xù)變化曲線.由圖可知,被試1的心率值總體上呈下降趨勢(shì);被試2的心率值在前20 min微降,后10 min則呈上升趨勢(shì);被試3心率值變化趨勢(shì)則基本保持恒定.由于不同被試的實(shí)測(cè)結(jié)果存在明顯差別,因此無法得到明確的結(jié)論,還需開展進(jìn)一步的實(shí)測(cè)論證.需要說明的是,被試1的心率值在圖3中位置A處突然增加,是因?yàn)樵摃r(shí)刻汽車右側(cè)車身與路側(cè)護(hù)欄發(fā)生剮蹭;被試3的心率值在位置B處急劇上升是因?yàn)樵擇{駛員在狹窄路面上從右側(cè)超越了前方的一輛小貨車.因此,心率值的驟然上升是駕駛?cè)诵睦砭o張所致.

圖3 駕駛?cè)嗽谙缕侣范蔚男穆手底兓?/p>

3 縱坡坡度與HRI的相關(guān)性

根據(jù)縱坡的長(zhǎng)度值(即坡長(zhǎng)LG),將上坡路段分為4組:LG<100 m,100 m≤LG<150 m,150 m≤LG<200 m和LG≥200 m,然后對(duì)同一坡長(zhǎng)范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類,從而在最大程度上減少坡長(zhǎng)的耦合影響.

3.1 上坡路段

圖4為上坡路段的G-HRI散點(diǎn)圖.圖中,h為線性趨勢(shì)線的斜率值,表示HRI對(duì)坡度變化的敏感性;趨勢(shì)線1，2分別為線性和非線性趨勢(shì)線.由圖可知,在2%～10%的坡度范圍內(nèi),隨著坡度的增加,HRI明顯增長(zhǎng),即HRI對(duì)坡度變化敏感.究其原因在于,坡度越大,上坡時(shí)的行駛阻力越大,為了避免行駛速度發(fā)生衰減,駕駛?cè)诵枰┘痈蟮哪_操縱量來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率,體力負(fù)荷增加;與此同時(shí),陡峭的縱坡會(huì)給駕駛?cè)嗽斐梢曈X上的壓力,加重駕駛?cè)说木褙?fù)荷.此外,由圖4(a)和(b)還可發(fā)現(xiàn),當(dāng)坡度大于5%時(shí),HRI的增長(zhǎng)變得更為顯著.

(a) LG<100 m,h=0.546

(b) 100 m≤LG<150 m,h=0.465

(c) 150 m≤LG<200 m,h=0.406

(d) LG≥200 m,h=0.809

3.2 下坡路段

圖5為下坡路段的G-HRI散點(diǎn)圖.由圖可知,在整個(gè)坡度區(qū)間內(nèi),G與HRI之間存在強(qiáng)的正相關(guān)性,即坡度的增加會(huì)導(dǎo)致HRI增長(zhǎng).同時(shí),這種增長(zhǎng)趨勢(shì)還受到坡長(zhǎng)的影響.整體而言,坡長(zhǎng)越長(zhǎng),HRI對(duì)坡度變化越敏感.圖5(a)中G-HRI線性趨勢(shì)線的斜率值最小,而當(dāng)坡長(zhǎng)大于100 m且坡度超過-5%時(shí),趨勢(shì)線的斜率值明顯提高.坡度與HRI正相關(guān),故可認(rèn)為坡度的增加會(huì)導(dǎo)致駕駛負(fù)荷增加,即陡坡路段的駕駛負(fù)荷水平更高,更應(yīng)注意行車安全.在下坡路段(尤其是陡坡),駕駛?cè)诵枰粩嗖戎苿?dòng)踏板來控制車速,同時(shí)還需要操縱轉(zhuǎn)向盤對(duì)行駛方向進(jìn)行修正,這些都加大了駕駛?cè)说鸟{車過程中的工作量.

(a) LG<100 m,h=-0.31

(b) 100 m≤LG<150 m,h=-0.46

(c) 150 m≤LG<200 m,h=-1.03

(d) LG≥200 m,h=-0.71

4 加(減)速度與HRI的相關(guān)性

4.1 上坡路段

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出上坡路段的連續(xù)行駛速度,觀察其變化特征.可以發(fā)現(xiàn),在絕大多數(shù)情況下,駕駛?cè)藭?huì)更傾向于加速上坡,即在坡底有沖坡行為.圖6給出了3個(gè)上坡路段的速度連續(xù)變化曲線.由圖可知,3個(gè)上坡路段上都出現(xiàn)了加速?zèng)_坡現(xiàn)象.

(a) 上坡路段Ⅰ

(b) 上坡路段Ⅱ

(c) 上坡路段Ⅲ

圖7為上坡路段不同坡度范圍內(nèi)的HRI-ac散點(diǎn)圖.由圖可知,即使是緩坡路段,HRI與ac之間也存在正相關(guān)性.隨著坡度的增加,HRI對(duì)ac的變化更加敏感(線性趨勢(shì)線的斜率值增加),HRI-ac散點(diǎn)圖的離散性減弱,即二者之間的關(guān)系更明顯,這表明在陡坡上HRI與加速度之間的相關(guān)性更強(qiáng).此外,坡度越大,加速度值的分布區(qū)間越寬,上坡時(shí)出現(xiàn)的最大加速度值越大,即沖坡行為越明顯.

(a) G≤2%,h=0.70

(b) 2%

(c) 4%

(d) G>6%,h=5.56

HRI與ac之間的正相關(guān)性可以從以下2個(gè)方面來解釋:① 加速時(shí),縱向力和縱向震蕩會(huì)導(dǎo)致駕駛員生理不適,進(jìn)而引起駕駛員心跳加快(即HRI增加);② 駕駛員在陡坡上的速度控制難度加大,調(diào)整后的速度與預(yù)期值之間難以一致,即操縱車輛的難度加大,導(dǎo)致駕駛?cè)司窬o張.

4.2 下坡路段

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出下坡路段的汽車連續(xù)變化數(shù)據(jù),分析其變化特征以及模式.可以發(fā)現(xiàn),駕駛?cè)擞谙缕虑巴ǔ?huì)在坡頂位置采取制動(dòng)行為以降低行駛速度,增加車輛的可控性.圖8為隨機(jī)選取的3個(gè)下坡路段速度變化曲線.由圖可知,車輛在剛下坡時(shí)會(huì)減速,進(jìn)而產(chǎn)生行車減速度.

(a) 下坡路段Ⅰ

(b) 下坡路段Ⅱ

圖9為下坡路段的HRI-ab散點(diǎn)圖.由圖可知,無論是在哪一個(gè)坡度范圍內(nèi),HRI與減速度之間均存在明顯的正相關(guān)性,表明減速度增加時(shí)駕駛?cè)诵奶涌?即駕駛負(fù)荷增加.基于此,可以認(rèn)為下坡行駛時(shí)坡度與減速度共同影響著駕駛?cè)说墓ぷ髫?fù)荷.究其原因在于,下坡路段行駛時(shí),車輛重力在坡向上的分力導(dǎo)致車速增加,駕駛?cè)藶榱丝刂菩旭偡€(wěn)定性會(huì)踩制動(dòng)踏板使車輛減速,較大的坡度導(dǎo)致對(duì)踏板力的需求增加,同時(shí),產(chǎn)生的制動(dòng)減速度會(huì)引發(fā)駕駛?cè)松聿贿m,這些因素都會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)说男睦韷毫υ龃?進(jìn)而使得駕駛負(fù)荷增加.

(a) G≥-2%

(b) -4%≤G<-2%

(c) -6%≤G<-4%

(d) G<-6%

5 坡度、加(減)速度與HRI的關(guān)系模型

根據(jù)以上分析可知,在各因素中,縱坡坡度(屬道路因素)和加(減)速度(屬汽車運(yùn)行狀態(tài)因素,為人車路協(xié)同作用的結(jié)果)對(duì)駕駛負(fù)荷的影響較大,而坡長(zhǎng)對(duì)駕駛負(fù)荷的影響較小,可以忽略不計(jì).下面將分別建立上、下坡路段行車時(shí)HRI,ax,ab,G之間的關(guān)系模型.

5.1 上坡模型

HRI=0.281G+3.39ac+0.313R2=0.672

(2)

根據(jù)本文試驗(yàn)道路的線形條件,該模型的適用范圍為G∈[0.5%, 12.0%].

5.2 下坡模型

采用SPSS軟件對(duì)下坡路段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)分析,ab,G與HRI之間偏相關(guān)系數(shù)等于0的概率分別為 0.002和0,均遠(yuǎn)低于0.05,通過了相關(guān)性檢驗(yàn),下坡數(shù)據(jù)的樣本量N=48.比較不同函數(shù)形式的擬合精度后,選擇擬合精度較高且形式簡(jiǎn)潔的線性表達(dá)式作為最終的模型形式,即

R2=0.782

(3)

該模型的適用范圍為G∈[-12.0%,-0.5%].

6 結(jié)論

1) 單縱坡路段的坡長(zhǎng)與心率增長(zhǎng)率HRI之間存在較弱的正相關(guān)性,坡度超過 6%(陡坡)時(shí),HRI對(duì)坡度的敏感性增加.連續(xù)下坡行駛時(shí),不同駕駛?cè)说男穆手底兓厔?shì)存在明顯差別.

2) 坡度與心率增長(zhǎng)率存在較強(qiáng)的相關(guān)性,其中下坡路段的相關(guān)性高于上坡路段.坡度大于5%時(shí),HRI對(duì)坡度的變化更敏感,且坡長(zhǎng)越長(zhǎng),坡度導(dǎo)致HRI的增長(zhǎng)越明顯.

3)HRI與加(減)速度之間存在正相關(guān)性,并且隨著坡度的增加,HRI對(duì)加(減)速度的變化敏感度增加.下坡路段減速度與HRI的相關(guān)性較上坡路段加速度與HRI的相關(guān)性顯著,表明駕駛?cè)嗽谙缕侣范蔚木o張感高于上坡路段.

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Analysis of driver workload on slopes of mountain highways based on naturally driving tests

Xu Jin1,2Wang Xu2Lin Wei2Wang Can2Shao Yimin2

(1Chongqing Key Laboratory of Transportation Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)(2College of Traffic and Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To obtain the driver workload during travelling on slopes and the corresponding influencing factors, the field driving tests on mountain roads with complex alignment with the drivers’ natural behaviors were conducted, and the operating parameters of the cars such as the vehicle running speed, the track, the acceleration,and the electrocardiograph (ECG) signal of the drivers were collected. The relationship among the vertical alignment parameters, the acceleration/deceleration rate and the heart rate increaseHRIof the drivers was analyzed. The results show that there exists an interaction among the slope parameters, the acceleration rate andHRI. A weak positive correlation between the slope length andHRIexists. There is a strong correlation betweenHRIand the gradient, and the correlation of the downhill is stronger than that of the uphill. The longer the slope length, the higherHRIcaused by an increase in the gradient. A positive correlation betweenHRIand the acceleration/deceleration exists. With the increase of the slope gradient,HRIis more sensitive to the changes in the acceleration/deceleration. The correlation betweenHRIand the deceleration of the downhills is more significant than that betweenHRIand the deceleration of the uphills.

mountain road; driver workload; vertical alignment; grade; slope length; heart rate increase

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.033

2016-08-14. 作者簡(jiǎn)介: 徐進(jìn)(1977—),男,博士,教授,yhnl_996699@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278514,51678099)、交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2015319814050)、重慶市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2014jcyjA30024).

徐進(jìn)，汪旭，林偉,等.基于自然駕駛試驗(yàn)的山區(qū)公路縱坡路段駕駛負(fù)荷分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(3):619-625.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.033.

U491.254;U412.33

A

1001-0505(2017)03-0619-07