影響駕駛員心生理變化的高速公路路側(cè)植物的選擇原則

喬建剛, 李士宣, 王偉, 孫建斌

(1. 河北工業(yè)大學 土木與交通學院, 天津 300401； 2. 河北工業(yè)大學 天津市交通工程綠色材料技術研究中心, 天津 300401；3. 山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250000)

隨著我國經(jīng)濟實力的增強,高速公路的路側(cè)景觀日益受到重視[1-3],其設計逐漸與當?shù)氐奈幕?、歷史特點相結(jié)合[4].在高速公路上,駕駛員的心生理隨著不同的路側(cè)景觀而變化.例如，路側(cè)灰色的水泥結(jié)構(gòu)物會給駕駛員帶來沉悶和孤獨等負面效果,而設置合理的植物則會給駕駛員帶來舒適的感覺,降低駕駛過程中的疲勞程度,增強行車的安全性[5-7].朱菲[8]以色彩效應、路側(cè)景觀尺度及駕駛員的視覺敏感度分級為切入點,論述高速公路路側(cè)景觀要素的設計原則和方法.李亞云[9]以長興島潘園公路路側(cè)景觀為例,將生態(tài)美學和植物配置融入景觀設計中.目前,路側(cè)植物的景觀設計大多與美學、地域文化相結(jié)合,較少結(jié)合駕駛員的視覺特點.為了使高速公路路側(cè)植物的選擇更具人性化與安全性,本文對駕駛員在駕駛過程中不同視點區(qū)域的心生理數(shù)據(jù)進行研究,提出高速公路路側(cè)植物的選擇原則.

1 實驗設計

1.1 實驗地點和儀器

通過實驗研究駕駛過程中，駕駛員在公路可見范圍內(nèi)的不同視點對駕駛員心率、瞳孔面積變化的影響.實驗地點為曲港高速;實驗儀器為心電儀、眼動儀;實驗車輛為小型車輛皮卡.為了避免道路線形及行車速度對實驗結(jié)果的影響,選擇的實驗路段接近于直線路段,行車速度為80～90 km·h-1.

表1 駕駛員的基本信息Tab.1 Basic information of drivers

1.2 實驗人員

為了避免實驗結(jié)果的偶然性,選擇3名男性駕駛員進行測試.駕駛員的基本信息，如表1所示.表1中：x為年齡;y為駕齡.心電儀的安裝及眼動儀的配戴，如圖1,2所示.

圖1 心電儀的安裝 圖2 眼動儀的配戴Fig.1 Electrocardiograph installation Fig.2 Eye tracker wear

2 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

圖3 明暗程度等級的劃分Fig.3 Classification of light and dark degree

2.1 分析方法

為便于分析駕駛員的不同視點及其明暗程度對駕駛員心生理的影響,對測試圖片進行灰度處理,并將視點的明暗程度劃分為10個等級.明暗程度等級的劃分，如圖3所示.

當身體處于緊張狀態(tài)時,體內(nèi)交感神經(jīng)的活動使心跳加速、瞳孔散大；反之,當身體處于放松狀態(tài)時,相較于緊張狀態(tài)，交感神經(jīng)的活動使心跳變得相對緩慢、瞳孔縮小.

駕駛員的心率變化率δ1及瞳孔面積變化率δ2的計算公式分別為

(1)

式(1)中:n1,S1分別為駕駛員處于平靜狀態(tài)時的心率和瞳孔面積;n2，S2分別為駕駛員處于動態(tài)時的心率和瞳孔面積.

2.2 確定視點

確定3個不同的視點,并對其進行灰度處理.駕駛員的視點，如圖4所示.圖4中：視點A～C的明暗程度等級分別為5～6，3～4，4～5.

(a) 視點A (b) 視點B (c) 視點C圖4 駕駛員的視點Fig.4 Driver′s viewpoints

2.3 駕駛員的心率及瞳孔直徑的變化

通過心電儀和眼動儀采集駕駛員在駕駛過程中的心率和瞳孔直徑,并找到與視點A～C類似的視點,分別取心率和瞳孔直徑的平均值,計算出駕駛員心率和瞳孔面積的變化率.不同視點的駕駛員心生理變化,如圖5所示.由圖5可知：不同的視點對應的駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率有所差別.

喬建剛等[10-11]提出駕駛員的心率變化率與其緊張程度的關系,得出駕駛員心理舒適、緊張及恐懼3 種狀態(tài)下對應的心率變化率閾值分別為18%,27%和39%.尚婷等[12]提出當瞳孔面積的變化率超過20%，駕駛員開始處于緊張狀態(tài).因此，視點A的駕駛員處于緊張狀態(tài)，視點B，C的駕駛員則處于舒適狀態(tài),這說明植物可以有效地改善駕駛員的心理狀態(tài),增強行車的安全性.雖然視點B，C的駕駛員處于舒適狀態(tài),但從改善程度來看,視點B處的植物效果更佳.因此,當植物的明暗等級為3～5時,更能有效地減緩駕駛員的緊張程度,增強行車安全性.

(a) 心率變化率 (b) 瞳孔面積變化率圖5 不同視點的駕駛員心生理變化Fig.5 Driver′s heart physiology change of different viewpoints

3 路側(cè)植物的選擇

植物一般通過自身的色彩對駕駛員心生理變化產(chǎn)生影響,當色彩不同時,其明暗程度則有所差異.

表2 高速公路常用的綠化護坡植物Tab.2 Commonly used green slopeprotection plants on express way

明暗程度等級為3～5的色彩有紅色、橙色、黃色和淺綠色,具有這些色彩的植物會給人一種柔和而溫暖的感覺;明暗程度等級為5以上的色彩有深綠色、紫色,這些冷色調(diào)的植物會給人一種消沉而沮喪的感覺,對行車安全極為不利.高速公路常用的綠化護坡植物,如表2所示.

在選擇高速公路路側(cè)綠化護坡植物時,應盡可能選擇色彩較為明亮的植物,有利于減緩駕駛員的心率和瞳孔面積變化,提高行車的舒適性與安全性.張明浩[13]指出路側(cè)綠化植物的顏色采用兩種較為適宜；若僅有一種綠化植物,則比較單一,會增加駕駛員的疲勞程度;若3種以上,則會增加駕駛員的反應時間,不利于行車安全.考慮到冬季行車環(huán)境可能比較單一,可以選擇油松、側(cè)柏等常綠喬木,配合其他暖色調(diào)植物形成一定的空間感,增強駕駛員的視覺感,提高行車的舒適性和安全性.

4 結(jié)論

1) 合理地選擇路側(cè)植物可以有效地降低駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率,給駕駛員提供一個舒適、安全的行車環(huán)境.

2) 從改善駕駛員的心生理狀態(tài)的效果來看,明暗程度等級為3～5的植物更能有效減緩駕駛員的緊張程度,提高行車的安全性.

3) 在選擇綠化植物時,顏色以淺綠色、黃色等暖色調(diào)為宜,再配合適量油松、側(cè)柏等常綠喬木,可達到三季有花、四季常綠的景觀效果.