基于駕駛員生理負荷的高原公路轉(zhuǎn)角值安全風險評價

王進州, 艾力·斯木吐拉

(新疆農(nóng)業(yè)大學交通與物流工程學院，烏魯木齊 830052)

道路安全是由人、車、路、環(huán)境四者的協(xié)調(diào)決定的，若四者不協(xié)調(diào)將增加交通風險，并且發(fā)生交通事故的主要是由人因素導致[1]。隨著高原公路海拔的升高，壓強減小，空氣中氧氣含量減小，駕駛環(huán)境越來越差，在道路線形和高原低氧環(huán)境的雙重影響下，駕駛員心率變化顯著[2-3]。潘曉東等[4]分析了在山區(qū)公路行駛過程中平曲線半徑與駕駛員心率變化規(guī)律。喬建剛[5]分析了心率變化與駕駛員緊張度的關(guān)系，提出駕駛員緊張和恐懼心理狀態(tài)下對應的心率增長率閾值分別為30%和40%。李巖巖等[6]研究了高原公路駕駛員β頻段腦電波隨海拔與道路線形組合值的變化規(guī)律。張娟等[7]研究了心率增長率隨著上下坡的平曲線半徑的變化規(guī)律，并給出合理取值范圍。夏可等[3]研究了心率變化在高原低氧環(huán)境和彎道的雙重影響下，隨著平曲線所處海拔越高、半徑越小，駕駛員心理緊張度變化越明顯。李鑫磊[8]在軟件仿真的基礎(chǔ)上，通過重點對駕駛員方向控制的研究，建立綜合仿真模型，并進行了直角轉(zhuǎn)彎試驗，通過對方向盤轉(zhuǎn)角等指標的分析驗證了仿真結(jié)果的合理性。Godley等[9]對車道寬度的研究發(fā)現(xiàn)較窄車道容易導致駕駛負荷的增加。Ronen等[10]通過對直線段行車過程中的心率變異率研究，發(fā)現(xiàn)在直線段行車時駕駛員更容易放松警惕。Spacek[11]研究發(fā)現(xiàn)在彎道上行車，不同駕駛員的車輛軌跡保持行為是不同的。但很少有學者研究在道路線形設計的轉(zhuǎn)角值大小對駕駛員生理負荷變化的影響。故選取K作為駕駛員生理負荷的評價指標，分析平曲線轉(zhuǎn)角與K的變化規(guī)律，以期為高原公路線形寬容性設計提供理論依據(jù)。

1 駕駛試驗

1.1 試驗段道路簡介

行車試驗路段選取國道314線，二級公路，起點為奧依塔格一橋，終點為蘇巴士六、七橋，全程73 km。該路段的最低點高程約3 000 m，最高點高程約4 030 m。雙向兩車道，無護欄，無中央分隔帶，車流較少，其他車輛的影響較小，路基寬度為12 m和8.5 m。該路段包含約80個轉(zhuǎn)角值，可以較好地反映出駕駛員心生理隨著道路線形轉(zhuǎn)角值和海拔的變化規(guī)律。

1.2 試驗人員及試驗車輛

本試驗選取3名無高原公路駕駛經(jīng)驗的駕駛員和1名經(jīng)常在高原公路行車的駕駛員，4名駕駛員年齡在23～56歲不等；試驗車輛為中型運動型實用汽車(sport utility vehicle, SUV)。

1.3 試驗設備及數(shù)據(jù)獲取

采用biofeedback 2000 X-pert 型生物反饋儀測取駕駛員行車過程中心率變化、脈搏血容等生理數(shù)據(jù)；采樣率為200 Hz[12]；用全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)記錄車輛行駛的實時位置。

1.4 天氣及駕駛員健康狀況

本次試驗在夏季進行，行車試驗當天天氣晴朗、微風。4名駕駛員身體健康狀況良好，測試前一天睡眠質(zhì)量良好，無較大情緒波動。

2 評價指標的選取

2.1 駕駛負荷評價指標的選取

2.1.1 心率增長率

心率增長率是業(yè)界公認的可以表征人體生理狀態(tài)的評價指標，是某一段時間內(nèi)的心率變化率；心率會受個體差異影響，大小不一，但心率增長率可以反映心率的變化幅度[13]。在行車過程中駕駛員面對外界環(huán)境、道路線形的變化顯示出不同的變化幅度，通過變化幅度來判斷駕駛員的生理變化。將心率數(shù)據(jù)通過式(1)轉(zhuǎn)化為心率增長率。

N=100(n2-n1)/n1

(1)

式(1)中:N為駕駛員心率增長率，%；n1為各駕駛員靜態(tài)平均心率，次/min；n2為各駕駛員動態(tài)平均心率，次/min。

2.1.2 脈搏血容 (BVP)

脈搏血容是反應駕駛員心跳強度的評價指標，當心臟收縮時，體表的毛細血管充盈，此時其透光率增加；當心臟舒張時，體表毛細血管處于收縮狀態(tài)，透光性能降低，它反映的是駕駛員心搏力量的大小[14]。

2.1.3 駕駛員生理負荷(K)

在高原公路行車過程中，駕駛員生理心理指標同時發(fā)生變化，各指標側(cè)重點不同，心率增長率表征心率變化的快慢，BVP表征駕駛員心跳的強度，通過MATLAB編程給心率增長率和BVP分配權(quán)重，得到K，K可以更全面地表征駕駛員生理負荷變化。

2.2 道路平曲線轉(zhuǎn)角值

平曲線轉(zhuǎn)角值是平面曲線切線旋轉(zhuǎn)的角度；平曲線轉(zhuǎn)角值與曲線長度、緩和曲線長度和半徑均有密切聯(lián)系；駕駛員在高原公路上行車時，隨著平曲線轉(zhuǎn)角值的增加，在通過曲線段時方向盤轉(zhuǎn)動幅度會不斷增加，并且需要保持的時間也會增加，所以選擇道路平曲線轉(zhuǎn)角值作為道路線形評價指標。道路轉(zhuǎn)角與曲線長度、緩和曲線長度、平曲線半徑的關(guān)系見式(2)。

α=180(L-Ls)/Rπ

(2)

式(2)中:α為平曲線轉(zhuǎn)角值，(°)；L為曲線長度，m；Ls為緩和曲線長度，m；R為曲線半徑，m。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

本試驗儀器數(shù)據(jù)采集的頻率為200 Hz，通過取200個數(shù)據(jù)的平均值合并為1個數(shù)據(jù)/s；取前10 min數(shù)據(jù)的平均值作為駕駛員靜態(tài)數(shù)據(jù)(n1)，(通過MATLAB短時傅里葉變換FFT)變換對數(shù)據(jù)進行降噪處理，將動態(tài)數(shù)據(jù)中誤差較大的數(shù)據(jù)剔除，通過MATLAB數(shù)據(jù)編程對心率增長率和BVP進行權(quán)重分配，心率增長率分配系數(shù)為0.578 8，BVP分配系數(shù)為0.421 2，得到駕駛員生理負荷K，見式(3)，進一步分析轉(zhuǎn)角與K得關(guān)系。部分數(shù)據(jù)見表1。

K=0.578 8N+0.421 2B

(3)

式(3)中：K為駕駛員生理負荷值；B為BVP值，μV。

表1 部分轉(zhuǎn)角值分析數(shù)據(jù)Table 1 Partial corner value analysis data

4 轉(zhuǎn)角值對駕駛負荷的影響分析

4.1 偏相關(guān)性分析

利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行偏向關(guān)分析，控制海拔因素，分別對心率增長率、BVP、K與轉(zhuǎn)角的偏相關(guān)分析，由表2可以明顯看到，駕駛員在高原公路上行駛時，控制海拔因素的影響條件下，心率增長率和BVP與轉(zhuǎn)角的相關(guān)系數(shù)分別為-0.492和-0.517，說明相關(guān)性顯著，經(jīng)過MATLAB分配給兩個指標權(quán)重后的K相關(guān)系數(shù)為-0.503。

4.2 轉(zhuǎn)角值單因素影響下駕駛員心理生理變化關(guān)系分析

4.2.1 心率增長率與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與心率增長率的關(guān)系模型，見式(4)。

N=-2.211lnα+37.126

(4)

式(4)中：α為轉(zhuǎn)角，(°)。相關(guān)系數(shù)為-0.492，相關(guān)性顯著，R2=0.469，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖1 心率增長率與轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.1 The relationship between heart rate growth rate and corner

4.2.2BVP與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖2為高原公路上行車時BVP與轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系圖，在海拔3 000～4 030 m內(nèi)，轉(zhuǎn)角0°～168°

內(nèi)，BVP在49.6～48.8內(nèi)。BVP隨著轉(zhuǎn)角值的增大而減小，轉(zhuǎn)角值在0°～10°內(nèi)，BVP較高，心跳強度較大，不利于行車安全，且隨轉(zhuǎn)角值的增加快速減小，在轉(zhuǎn)角值增加到10°以上時BVP增加越來越慢。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與BVP的關(guān)系模型，見式(5)。

1906年5月31日該委員會發(fā)表了一份17頁的初步報告。他們的主報告，《州地震調(diào)查委員會報告，第一卷》，由Lawson編輯并于1908年出版。該報告包括對斷層作用的地質(zhì)和形態(tài)的大量描述、振動強度的詳細報告，以及包括40幅超大尺寸圖和對折紙的令人印象深刻的地圖集。第二卷，由Henry Fielding Reid編輯并于1910年出版，主要描述此地震的地震學和機制方面。在本文后面的敘述中，將 《州地震調(diào)查委員會報告》（兩卷：Ⅰ卷，Lawson，1908，和Ⅱ卷，Reid，1910；共643頁）統(tǒng)稱委員會報告，適時標出相應的卷號。今天該報告仍可通過購買或在線獲得（見參考文獻）。

B=49.474α-0.002

(5)

相關(guān)系數(shù)為-0.517，相關(guān)性顯著，R2=0.350 4，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖2 BVP與轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.2 Relationship between BVP and corner

4.2.3K值與轉(zhuǎn)角值的關(guān)系

圖3為高原公路上行車時K與轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系圖，在海拔3 000～4 030 m內(nèi)，轉(zhuǎn)角0°～168°內(nèi)，K在35～44內(nèi)。K隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，當轉(zhuǎn)角在0°～10°時，K較高，說明此時駕駛員生理負荷較高，不利于行車安全。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與K的關(guān)系模型，見式(6)。

K=-1.324lnα+42.327

(6)

表2 在控制海拔因素下轉(zhuǎn)角值與駕駛員生理負荷的偏相關(guān)分析Table 2 Analysis of the partial correlation between the corner value and the driver’s physiological load under the control of altitude factors

相關(guān)系數(shù)為-0.503，相關(guān)性顯著，R2=0.482 8，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖3 K值與轉(zhuǎn)角值關(guān)系Fig.3 Relationship between K value and corner value

4.3 轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員駕駛負荷變化關(guān)系分析

通過以上分析得出，相比于心率增長率和BVP單一指標來說，駕駛員生理負荷K與轉(zhuǎn)角的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性和擬合度，故本節(jié)重點分析在轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員生理負荷K值的變化規(guī)律，鑒于夏可等[3]、李巖巖等[12]已經(jīng)充分研究了駕駛員心理生理指標與海拔的關(guān)系，故不再贅述。利用MATLAB軟件建立轉(zhuǎn)角值、海拔和K的三維圖，見圖4。由圖4可以明顯看出，在轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重影響下，K的變化更加顯著。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角、海拔和K的關(guān)系模型，見式(7)。

K=42.336+4.822×10-19exp(H/100)-1.338lnα

(7)

R2=0.484，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖4 轉(zhuǎn)角值和海拔與K值的關(guān)系Fig.4 Relationship between the angle value and altitude and K value

5 結(jié)論

通過對高原公路道路平曲線轉(zhuǎn)角值與駕駛員生理負荷關(guān)系的分析，得出以下結(jié)論。

(1)道路平曲線轉(zhuǎn)角值對駕駛員心率增長率、BVP及K的影響顯著，相關(guān)性顯著。

(2)高原公路行車過程中，駕駛員心率增長率和脈搏血容隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，且減小趨勢由快到慢。

(3)高原公路行車過程中，轉(zhuǎn)角值在0°～10°內(nèi)，K較高，駕駛員生理負荷較高，不利于行車安全。

(4)從轉(zhuǎn)角值和海拔與駕駛員生理負荷K的三維關(guān)系模型中發(fā)現(xiàn)，在海拔與轉(zhuǎn)角值的雙重影響下，隨著轉(zhuǎn)角越小，海拔越高，K越大，駕駛員生理負荷越高，交通風險越高。