基于心率變異的道路線形評(píng)估模型問(wèn)題研究

趙浩鵬 趙光輝 朱文文

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

基于心率變異的道路線形評(píng)估模型問(wèn)題研究

趙浩鵬 趙光輝 朱文文

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

本文從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，分析駕駛員在各種道路線形下的主要生理反應(yīng)之一——心率變異，通過(guò)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的處理可以總結(jié)出各道路線形評(píng)估模型，對(duì)道路的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

人機(jī)工程；客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)；道路線形評(píng)估模型

引言

以往的研究大都集中在普通的人機(jī)關(guān)系，如駕駛員與汽車內(nèi)部構(gòu)造的協(xié)調(diào)關(guān)系，而忽略了道路這一人人都要使用的“機(jī)器”，本課題正是發(fā)現(xiàn)這一不足，從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，探討道路線形設(shè)計(jì)的評(píng)估模型的建立問(wèn)題，利用心率這一普遍生理特征作為切入口，降低了測(cè)量難度；再運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)方法即可得到數(shù)學(xué)模型。

一、評(píng)價(jià)指標(biāo)的制定

用心率的變化量衡量駕駛員的緊張程度是符合實(shí)際的，因?yàn)槊總€(gè)人的身體素質(zhì)不一樣，因此初始的心率值也有差別；如果用心率的增量來(lái)描述人的緊張程度就能很好的避免上述問(wèn)題，我們將駕駛員的心率增量區(qū)間進(jìn)行劃分，與之對(duì)應(yīng)的是駕駛員的緊張程度。

表1 駕駛員緊張程度劃分

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(一)實(shí)驗(yàn)人員與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選取。為了使實(shí)驗(yàn)具有代表性，選取了不同年齡階段的試驗(yàn)者，兩名在校大學(xué)生，兩名新司機(jī)，兩名老司機(jī)參與了實(shí)驗(yàn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)汽車租賃市場(chǎng)，租用了一輛各項(xiàng)性能正常的邁騰用于駕駛用車。針對(duì)這次實(shí)驗(yàn)用的心率記錄與傳輸設(shè)備，購(gòu)買了一塊迪卡儂心率表用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的心率，為了使心率增量更具有可信度，實(shí)驗(yàn)后將六名測(cè)試者的數(shù)據(jù)取平均值。

(二)實(shí)驗(yàn)路段的選擇。平曲線是道路線形最為豐富的組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，道路上相當(dāng)比例的交通事故發(fā)生在平曲線上；平曲線的曲率半徑越小，發(fā)生事故的概率越大；因此，重點(diǎn)研究了平曲線上行車駕駛員的心率變化與曲率半徑關(guān)系。

(三)實(shí)驗(yàn)方法

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。將道路線形劃分為四類：平曲線、縱坡、超高和彎坡，研究不同路況下駕駛員心率增量和車速，曲率半徑的關(guān)系并以同樣的思路研究心率增量與縱坡、超高、彎坡值的關(guān)系。

2.實(shí)驗(yàn)條件。(1)確保行駛過(guò)程中駕駛員盡可能的少受到超車，被超車和跟車的影響，因此選擇的路段車流量要盡可能的少；(2)找到每個(gè)平曲線的曲中點(diǎn)；(3)計(jì)算在每個(gè)曲中點(diǎn)3-4秒內(nèi)的行車速度和駕駛員的心率增量然后對(duì)兩者各取平均值。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理。通過(guò)上述方法可以采集到各個(gè)駕駛員沿途行車時(shí)在每個(gè)對(duì)應(yīng)的平曲線上三參數(shù)相應(yīng)的總樣本數(shù)據(jù)。對(duì)總的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同一個(gè)平曲線半徑R上對(duì)應(yīng)有許多個(gè)速度值和心率值。在半徑小于2000m內(nèi)平曲線求同一半徑R所對(duì)應(yīng)的多個(gè)車速和心率求平均值，按置信度為95%的置信區(qū)間除去區(qū)間外的車速和心率值，再對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求平均值得到最終結(jié)果。

表2 車輛在平曲線上行駛時(shí)三變量——心率增量、曲率半徑和行車速度對(duì)應(yīng)值

針對(duì)表2的數(shù)據(jù)可以得到心率增量、車速、平曲線半徑兩兩之間的關(guān)系，先作出數(shù)據(jù)之間的散點(diǎn)圖，再用合適的函數(shù)關(guān)系式去擬合，最后便得到關(guān)系模型。

圖1 心率增量與平曲線半徑關(guān)系(橫軸為半徑值，單位m)

圖2 心率增量與行車速度關(guān)系(橫軸為速度值，單位km/h)

通過(guò)對(duì)以上參數(shù)的分析，可以認(rèn)為R-Z間負(fù)冪函數(shù)關(guān)系變化的，V-Z之間呈近似線性的正冪函數(shù)變化，綜合一下便可得到三者之間的關(guān)系是二元非線性的。推出關(guān)系模型為

式中：Z——心率增量，次/min;V——車速，km/h；R——平曲線半徑，m；μi——待定系數(shù)。

針對(duì)上述方程，兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)就得到一個(gè)二元線性方程，在利用表2的數(shù)據(jù)，按最小二乘法求出回歸系數(shù)大致為μ0=2.5、μ1=0.8、μ2=0.2。

這樣就得到了三個(gè)參數(shù)的具體關(guān)系式，可以用變量控制方法將其應(yīng)用于實(shí)際的道路線形評(píng)估中。對(duì)于設(shè)計(jì)速度一定的道路，如設(shè)計(jì)速度V=120km/h，帶入模型就可以得到該條件下的R和Z的關(guān)系式為：

Z=115.2×R-0.2

這樣便可以作出心率增量與平曲線半徑關(guān)系圖，可以用于道路設(shè)計(jì)參考指標(biāo)，因?yàn)榈缆肪€性的設(shè)計(jì)要盡可能的使駕駛員在駕駛時(shí)感到舒適，也就是Z值盡量不要超過(guò)駕駛員正常心率的20%。

圖3 當(dāng)速度為120km/h時(shí)心率增量與平曲線半徑的關(guān)系

同理，類似的方法用于研究駕駛員在坡道上行駛時(shí)，縱坡度、車速和心率增量三參數(shù)的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)可以得到下縱坡與車速和心率增量的回歸曲線。在道路線形設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)兩個(gè)可以查出舒適的縱坡數(shù)值，在工程設(shè)計(jì)中有很好的參考價(jià)值。

三、結(jié)語(yǔ)

道路交通是由人、機(jī)、環(huán)境組成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)，而道路和環(huán)境就是“機(jī)”中動(dòng)態(tài)變化的；將此模型應(yīng)用于道路線形設(shè)計(jì)中，使修建出來(lái)的道路更加具有舒適性，對(duì)已經(jīng)修建的道路進(jìn)行評(píng)估，提供適于駕駛員的參考最高速度，，對(duì)預(yù)防交通事故發(fā)生有積極作用。

[1]張俊霞,王新亭.人機(jī)工程學(xué)與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.

[2]李增勇,王成燾.駕駛疲勞與汽車人機(jī)工程學(xué)初探.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程.2001,30(5):12-14.

[3]張鄂,洪軍,吳文武,梁建.汽車乘駕體位生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)分析.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2006,40(5):531-535.