基于駕駛模擬的草原公路防疲勞設(shè)施效用分析

劉寶河， 彭志彪， 王俊俊， 伍毅平， 鞏 建

(1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；3.包頭交通投資集團(tuán)有限公司， 包頭 014020；4.中公高科養(yǎng)護(hù)科技股份有限公司， 北京 100095)

駕駛疲勞是造成交通事故的主要原因之一. 在中國，由駕駛疲勞引發(fā)的交通事故占高速公路交通事故總數(shù)的9.1%[1]. 美國汽車協(xié)會的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，約41%的司機(jī)在駕駛過程中經(jīng)歷了不同程度的駕駛疲勞[2]. 在駕駛疲勞狀態(tài)下，駕駛?cè)俗⒁饬Ψ稚?，反?yīng)遲鈍，無法及時(shí)有效地控制車輛從而避免即將發(fā)生的交通事故. 因此，相比于其他交通事故造成的人員傷亡和車輛損害更大[3].

當(dāng)前為應(yīng)對由駕駛疲勞引起的道路交通事故而采取的對策主要分為3類：與駕駛?cè)讼嚓P(guān)、與車輛相關(guān)、與道路相關(guān). 與駕駛?cè)讼嚓P(guān)的對策包括對駕駛?cè)诉M(jìn)行合理教育，告知駕駛?cè)似诎l(fā)生征兆及疲勞駕駛的潛在危害，并通過相關(guān)法律法規(guī)約束連續(xù)駕駛時(shí)間[4]. 車載駕駛疲勞預(yù)警設(shè)備是應(yīng)對駕駛疲勞的主要方式之一，隨著檢測設(shè)備和車路協(xié)同技術(shù)快速發(fā)展，這種技術(shù)變得更加成熟可行. 通過實(shí)時(shí)監(jiān)測駕駛?cè)嘶蜍囕v狀態(tài)，當(dāng)疲勞狀態(tài)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，預(yù)警設(shè)備對駕駛?cè)诉M(jìn)行預(yù)警[5]. 與道路相關(guān)的對策除了控制道路線形之外，應(yīng)用最廣泛的為在路側(cè)或道路中心線設(shè)置震動帶，通過車輛振動和噪音警示駕駛?cè)耍祟愒O(shè)施不能對駕駛?cè)颂峁┳銐虻囊曈X刺激[6].

研究表明，駕駛?cè)?0%的外部信息主要依靠視覺獲取[7]. 在車輛行駛過程中，駕駛?cè)艘曇吧疃群蛯挾炔粩嘧兓?，駕駛?cè)烁鶕?jù)視野內(nèi)容操縱車輛. 是否有道路標(biāo)線和路側(cè)護(hù)欄，以及路肩寬度和單調(diào)的路側(cè)景觀對駕駛疲勞有顯著影響[8]. 因此，駕駛?cè)艘曇皟?nèi)道路、交通和環(huán)境形成的外部視覺刺激是影響駕駛疲勞的主要因素之一.

草原公路具有道路線形單一、交通量少、環(huán)境單調(diào)的特點(diǎn). 駕駛?cè)嗽诓菰沸熊囘^程中，駕駛操作少，視覺刺激少，精神負(fù)荷低，注意力分散，警惕性降低，導(dǎo)致駕駛疲勞頻發(fā). 因此，從視覺角度對駕駛?cè)诉M(jìn)行刺激，有望緩解在草原公路單調(diào)環(huán)境中長時(shí)程駕駛所引發(fā)的疲勞. 本研究以視覺刺激為基礎(chǔ)，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，提出了3種新型防疲勞設(shè)施，即彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線、主動發(fā)光標(biāo)志和彩色防眩板. 為驗(yàn)證這3種防疲勞設(shè)施能否有效緩解草原公路駕駛疲勞，進(jìn)行了駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，獲取了駕駛行為數(shù)據(jù)和主觀評價(jià)數(shù)據(jù). 通過綜合評價(jià)，探討了3種防疲勞設(shè)施的有效性.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 被試人員選取

共招募25名北京地區(qū)駕駛?cè)藚⒓訉?shí)驗(yàn)，其中，男性14名，女性11名. 被試年齡在20～53歲(平均年齡(M)32歲，標(biāo)準(zhǔn)差(SD)為11歲). 被試駕齡至少1 a(M=9 a，SD=8 a). 所有被試無睡眠相關(guān)障礙，且在參加實(shí)驗(yàn)前1周內(nèi)均未服用任何藥物. 實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)不允許飲酒、喝咖啡或茶.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究采用北京工業(yè)大學(xué)駕駛模擬器開展實(shí)驗(yàn)，如圖1所示. 駕駛模擬器由一輛經(jīng)過改造的真實(shí)車輛、計(jì)算機(jī)和視聽設(shè)備等組成，可為駕駛?cè)颂峁┮曈X、聽覺和觸覺等感官效應(yīng). 模擬器設(shè)置為以30 Hz/s的頻率記錄車輛運(yùn)行數(shù)據(jù).

圖1 駕駛模擬器

1.3 實(shí)驗(yàn)場景

駕駛模擬實(shí)驗(yàn)道路基本路段為具有典型草原公路特點(diǎn)的雙向四車道一級公路，如圖2所示. 道路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，由長直線和大半徑反向圓曲線組成，如圖3 所示. 各部分長直線和反向圓曲線設(shè)計(jì)指標(biāo)相同. 研究表明，在單調(diào)環(huán)境中連續(xù)行駛30 min即出現(xiàn)駕駛疲勞狀態(tài). 因此，在駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保證駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入防疲勞設(shè)施前至少駕駛30 min.

圖2 駕駛模擬草原公路環(huán)境

圖3 道路線形

實(shí)驗(yàn)路段分為2部分：第1部分全長49.6 km，(若全程速度為100 km/h)，預(yù)計(jì)行駛時(shí)間為30 min. 滿足進(jìn)入疲勞狀態(tài)的時(shí)間要求. 在第1部分路段場景中除添加草原及隨機(jī)出現(xiàn)的遠(yuǎn)山、牛羊和具有草原特色的建筑物等營造草原公路氛圍外，沒有任何防疲勞設(shè)施，駕駛?cè)嗽诖瞬糠诌M(jìn)入駕駛疲勞狀態(tài)；第2部分總長7 km，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置了防疲勞設(shè)施，每個(gè)場景只設(shè)置一種防疲勞設(shè)施. 根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況(國道210)，設(shè)計(jì)了3種防疲勞設(shè)施，分別為彩色道面與路肩黃色導(dǎo)流線(如圖4(a)所示，設(shè)施長120 m，每間隔2.2 km設(shè)置1個(gè)，7 km長度內(nèi)共設(shè)置3處)、主動發(fā)光標(biāo)志(如圖4(b)所示，每間隔2.2 km設(shè)置1個(gè)，7 km長度內(nèi)共設(shè)置3處)和彩色防眩板(圖4(c)所示，共有金屬基色、天空藍(lán)、薄荷綠3種顏色，如每2.2 km變換一種顏色，7 km長度內(nèi)共3段不同顏色防眩板). 場景1設(shè)置彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線；場景2設(shè)置主動發(fā)光標(biāo)志；場景3設(shè)置彩色防眩板；場景4為空白對照組，未設(shè)置防疲勞設(shè)施.

圖4 防疲勞設(shè)施

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)由4部分組成：駕駛前問卷、預(yù)實(shí)驗(yàn)、主實(shí)驗(yàn)和駕駛后問卷.

在客觀實(shí)驗(yàn)前，被試者完成關(guān)于基本信息、健康狀況、心理現(xiàn)狀的主觀問卷.

預(yù)實(shí)驗(yàn)為5 min，用于被試者熟悉駕駛模擬器的操作、實(shí)驗(yàn)過程和場景. 主實(shí)驗(yàn)流程與預(yù)實(shí)驗(yàn)一致.

在主實(shí)驗(yàn)中被試者按照自己的駕駛習(xí)慣在模擬場景中駕駛車輛，只能在右側(cè)車道行駛. 禁止超車和超速行駛.

主實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)被試者填寫一份駕駛后問卷，對當(dāng)前場景中防疲勞設(shè)施效果進(jìn)行主觀評分.

為保證在每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)被試者疲勞狀態(tài)沒有差異，在完成一個(gè)場景的實(shí)驗(yàn)后需要休息至少10 min.

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 數(shù)據(jù)提取

為驗(yàn)證3種防疲勞設(shè)施的有效性，本文對被試者經(jīng)過防疲勞設(shè)施時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取數(shù)據(jù)長度為設(shè)施長度與設(shè)施可視距離之和. 彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線設(shè)施長度為120 m，可視距離為130 m. 主動發(fā)光標(biāo)志設(shè)施長度記為0 m，可視距離為260 m. 彩色防眩板在顏色變化處發(fā)揮作用，顏色變化處的可視距離為250 m. 3種設(shè)施在場景中坐標(biāo)位置相同，為保證數(shù)據(jù)長度一致，3種設(shè)施在每個(gè)設(shè)置位置的數(shù)據(jù)提取長度均為250 m. 空白組在相同位置提取與設(shè)施組相同長度的數(shù)據(jù).

2.2 分析方法

首先，通過配對樣本T檢驗(yàn)及單因素重復(fù)測量方差分析，駕駛?cè)似跔顟B(tài)的變化情況. 其次，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法確定有效指標(biāo)，通過主成分分析確定綜合有效特征指標(biāo). 然后，通過基于熵權(quán)的綜合評價(jià)模型(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)完成對3種設(shè)施防疲勞效果的綜合評價(jià)，并與空白組進(jìn)行比較，確定3種設(shè)施的有效性，及最優(yōu)防疲勞設(shè)施. 最后，對主觀問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證綜合分析結(jié)果.

3 研究結(jié)果

3.1 駕駛疲勞狀態(tài)分析

計(jì)算25名被試在實(shí)驗(yàn)開始后1 min與進(jìn)入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積，結(jié)果如圖5所示. 與實(shí)驗(yàn)初期相比，進(jìn)入設(shè)施之前的橫向偏移線下面積均增大. 對4個(gè)場景中實(shí)驗(yàn)開始后1 min與進(jìn)入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積分別做配對樣本T檢驗(yàn)，p值均小于0.05，實(shí)驗(yàn)初期和進(jìn)入設(shè)施之前的橫向偏移線下面積具有顯著性差異，即在進(jìn)入設(shè)施之前被試者進(jìn)入了駕駛疲勞狀態(tài). 對4個(gè)場景間實(shí)驗(yàn)開始后1 min的橫向偏移線下面積做重復(fù)測量方差分析，結(jié)果滿足球形檢驗(yàn)，F(xiàn)(3，66)=0.948，P=0.423>0.05，說明在4個(gè)場景間實(shí)驗(yàn)開始時(shí)被試者疲勞狀態(tài)沒有顯著性差異. 對4個(gè)場景間進(jìn)入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積做重復(fù)測量方差分析，結(jié)果滿足球形檢驗(yàn)，F(xiàn)(3，66)=0.268，P=0.848>0.05，說明在4個(gè)場景間被試者進(jìn)入設(shè)施之前的疲勞狀態(tài)沒有顯著性差異.

圖5 橫向偏移線下面積

3.2 確定特征指標(biāo)

基于駕駛行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建了速度(velocity，V)、加速度(acceleration，A)、橫向偏移(lateral position，LP)、方向盤轉(zhuǎn)角(steering wheel angle，SWA)和油門踏板功率(power of accelerator pedal，PAP) 5個(gè)指標(biāo)群. 進(jìn)而利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法確定有效特征指標(biāo). 規(guī)定特征指標(biāo)與駕駛時(shí)間的相關(guān)系數(shù)大于0.5且P值小于0.05時(shí)，指標(biāo)是有效的. 有效特征指標(biāo)如表1所示.

表1 有效特征指標(biāo)

如表1所示，有13個(gè)與駕駛疲勞相關(guān)的指標(biāo).根據(jù)主成分分析方法，分別構(gòu)建V、A、LP和PAP指標(biāo)群的綜合有效特征指標(biāo).綜合指標(biāo)表達(dá)式如式(1)～式(4)所示，采用綜合有效特征指標(biāo)V、A、LP、PAP作為駕駛疲勞特征指標(biāo).

V=0.509X11+0.509X12

(1)

A=0.338X21+0.342X22+0.336X23

(2)

LP=0.173X31+0.172X32+0.184X33+0.198X34+0.188X35+0.192X36

(3)

PAP=0.551X41+0.551X42

(4)

3.3 設(shè)施有效性綜合評價(jià)

TOPSIS是在有限方案多目標(biāo)決策分析中常用的一種科學(xué)方法，通過計(jì)算評價(jià)對象與最優(yōu)目標(biāo)之間的歐氏距離對評價(jià)對象進(jìn)行相對優(yōu)劣評價(jià)，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于交通相關(guān)研究[10]. 因此本研究采用TOPSIS方法，對設(shè)施防疲勞有效性進(jìn)行綜合評價(jià).

1)統(tǒng)一因變量隨自變量變化趨勢. 本文中4項(xiàng)指標(biāo)均為隨疲勞程度增加而增大，4項(xiàng)指標(biāo)在4個(gè)場景中3個(gè)設(shè)施段的均值如表2所示.

表2 指標(biāo)均值

2)利用式(5)對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化，結(jié)果如表3所示.

表3 歸一化數(shù)值

(5)

式中：aij為歸一化數(shù)值；xij為原始數(shù)值.

3)利用熵權(quán)法(式(6)～式(9))計(jì)算得到4個(gè)特征指標(biāo)的權(quán)重分別為0.27，031，0.19和0.22.

(6)

式中：Yij為xij的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值； min(xj)為第j個(gè)指標(biāo)的最小值； max(xj)為第j個(gè)指標(biāo)的最大值.

(7)

式中：pij為第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)水平指標(biāo)值的比重.

(8)

若

pij=0

則定義

式中：Ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的熵.

(9)

式中：Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重.

4)根據(jù)式(10)計(jì)算加權(quán)矩陣，并得到最優(yōu)方案Z+=(0.13，0.15，0.07，0.04)和最差方案Z-=(0.14，0.17，0.10，0.14)

Zij=Aij×Wj

(10)

式中：Zij為加權(quán)矩陣;Aij為歸一化矩陣.

(11)

(12)

6)根據(jù)式(13)計(jì)算綜合評價(jià)值Bi，B值取值范圍為0～1，B值越接近1表示評價(jià)對象與最優(yōu)方案貼近度越高，該評價(jià)對象的綜合評價(jià)越好.結(jié)果如表4所示.

(13)

根據(jù)表1可知，3個(gè)防疲勞設(shè)施B值均大于空白組，說明3個(gè)設(shè)施均能緩解駕駛疲勞，其中彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線B值最高，為0.80，緩解疲勞效果最好；主動發(fā)光標(biāo)志B值最低，為0.28，緩解疲勞效果最差. 造成這一結(jié)果的原因是在駕駛過程中，駕駛?cè)藢σ曇胺秶鷥?nèi)不同區(qū)域的關(guān)注度不同，駕駛?cè)藢Φ缆分虚g區(qū)域的注視點(diǎn)個(gè)數(shù)占總注視點(diǎn)個(gè)數(shù)的80%. 因此，駕駛?cè)藢Σ噬阑烂媾c路肩黃色導(dǎo)流線的關(guān)注最多，同時(shí)鮮艷的色彩與路側(cè)單調(diào)景觀形成鮮明對比，對駕駛?cè)艘曈X刺激較大，從而有效緩解因環(huán)境單調(diào)引起的駕駛疲勞. 彩色防眩板中連續(xù)變化的顏色同樣對駕駛?cè)嗽斐梢曈X刺激，但駕駛?cè)藢β穫?cè)關(guān)注較少，因此，相比于彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線，其疲勞緩解效果略差. 主動發(fā)光標(biāo)志安裝在道路上方，主要通過警示語提醒駕駛?cè)俗⒁怦{駛疲勞，不能對駕駛?cè)诵纬梢曈X刺激，效果最差.

3.4 主觀評價(jià)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求被試者對3種防疲勞設(shè)施的有效性進(jìn)行評分，評分范圍為1～5分，1分為完全沒有效果，5分為效果非常好. 主觀評分結(jié)果如圖6所示. 被試主觀認(rèn)為3種設(shè)施對預(yù)防駕駛疲勞均有一定效果，其中彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線的效果最好，其次為彩色防眩板，主動發(fā)光標(biāo)志效果最差. 主觀評價(jià)結(jié)果與客觀綜合評價(jià)結(jié)果一致.

圖6 主觀評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)束語

針對草原公路中環(huán)境單調(diào)，駕駛?cè)艘曈X刺激少，導(dǎo)致駕駛疲勞頻發(fā)的特點(diǎn)，本文提出了3種新型防疲勞設(shè)施. 基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，分析了3種防疲勞設(shè)施的有效性.

1)速度、加速度、橫向偏移和油門功率與駕駛疲勞具有顯著相關(guān)性，方向盤轉(zhuǎn)角與駕駛疲勞不具有顯著相關(guān)性. 橫向偏移線下面積與駕駛疲勞相關(guān)性最強(qiáng)，受駕駛疲勞影響最大.

2)結(jié)合綜合有效性分析和主觀評分分析，3種防疲勞設(shè)施均具有緩解草原公路駕駛疲勞的效果，彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線對駕駛疲勞緩解效果最好.

本文基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)對3種新型防疲勞設(shè)施的有效性進(jìn)行了研究，設(shè)施長度、設(shè)施間隔距離等可能對設(shè)施防疲勞效果有影響，有待于進(jìn)一步研究. 除此，本文僅為基于駕駛行為數(shù)據(jù)的研究，為了增強(qiáng)研究結(jié)果的合理性和科學(xué)性，后續(xù)研究將充分考慮防疲勞設(shè)施對駕駛?cè)诵碾姾湍X電的影響. 同時(shí)，本文為小樣本駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果需要通過大樣本的現(xiàn)場測試(如借助車輛軌跡監(jiān)測數(shù)據(jù))進(jìn)行驗(yàn)證.