基于心率增長(zhǎng)率的山區(qū)干線公路最大安全坡長(zhǎng)研究

柯秋雨 何濤 劉洋章 劉斯奇

摘 要：本研究在山區(qū)干線公路長(zhǎng)大下坡段進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，采集駕駛員心率、行車速度、坡度及坡長(zhǎng)，并運(yùn)用偏相關(guān)性分析得出，心率增長(zhǎng)率與行車速度、坡度、坡長(zhǎng)具有相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上通過SPSS建立長(zhǎng)大下坡駕駛員心率增長(zhǎng)率模型。標(biāo)定駕駛員心率增長(zhǎng)率達(dá)到39%時(shí)心理恐懼失措容易發(fā)生安全事故，運(yùn)用模型對(duì)各坡度對(duì)應(yīng)最大坡長(zhǎng)進(jìn)行修正，以期對(duì)山區(qū)干線公路長(zhǎng)大下坡坡長(zhǎng)設(shè)計(jì)作參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)干線公路;心率增長(zhǎng)率;長(zhǎng)大下坡;最大坡長(zhǎng);安全性

0 引言

山區(qū)干線公路受到地形限制，導(dǎo)致建成后出現(xiàn)較多長(zhǎng)大下坡路段。而長(zhǎng)大下坡路段往往潛伏著重大安全隱患。據(jù)2008年事故白皮書[1]統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在陡坡、連續(xù)下坡的交通事故死亡率約為事故平均死亡率的2倍。導(dǎo)致事故的原因多為下坡時(shí)，汽車制動(dòng)較為頻繁，制動(dòng)器的摩擦片溫度過高而導(dǎo)致剎車失靈，進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重交通事故。

由于長(zhǎng)大下坡路段交通事故頻發(fā)且后果嚴(yán)重，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山區(qū)公路長(zhǎng)大下坡安全性進(jìn)行了深入研究。[2]Miaou利用猶他州6 680起交通事故，研究得出當(dāng)縱坡減少1%時(shí)，交通事故次數(shù)減少約8.1%。國(guó)內(nèi)的喬建剛[3]教授研究山區(qū)雙車道上駕駛員行車心率增長(zhǎng)率18%、27%、39%分別對(duì)應(yīng)的是理論舒適、緊張、恐懼閾值。馬耀宗[4]等人通過實(shí)車試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)建立以累計(jì)坡長(zhǎng)和曲率為自變量的預(yù)測(cè)模型，得到心率增長(zhǎng)率對(duì)應(yīng)縱坡路段安全性。

本文從長(zhǎng)大下坡縱斷線形設(shè)計(jì)考慮，通過研究駕駛員在長(zhǎng)大下坡路段心率、行駛速度、坡度、坡長(zhǎng)關(guān)系，建立長(zhǎng)大下坡心率增長(zhǎng)率模型，對(duì)長(zhǎng)大下坡路段最大坡長(zhǎng)進(jìn)行修正，以減少長(zhǎng)大下坡路段交通事故發(fā)生。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)路段

選擇山西境內(nèi)某條干線公路K59+950-K74+800下行路段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，該路段為典型山區(qū)雙車道公路，設(shè)計(jì)速度40 km/h。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及布設(shè)

使用TLC5000十二導(dǎo)聯(lián)體系動(dòng)態(tài)心電圖儀記錄駕駛員心率，在實(shí)驗(yàn)車上安裝VBOX數(shù)據(jù)采集器記錄行駛速度及距離。

1.3 試驗(yàn)人員及樣本量確定

為了確保行車安全，選擇年齡在25～40周歲、具有5年以上實(shí)際駕齡的駕駛員參與數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。為了保證數(shù)據(jù)精度，本文將車輛運(yùn)行速度確定為必須精準(zhǔn)的參數(shù)，最小觀測(cè)駕駛員的樣本量在理想狀態(tài)下可由下式計(jì)算得到：

式（1）中：

n為最小的樣本量;S為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，假設(shè)速度標(biāo)準(zhǔn)差5 km/h～10 km/h，山區(qū)雙車道公路取5 km/h;K為置信度水平系數(shù)，一般多取95%的置信度水平，即K取1.96;E為容許誤差，速度容許誤差為2 km/h～5 km/h，山區(qū)雙車道公路取2 km/h。計(jì)算出最小樣本量n≥24.01，即實(shí)驗(yàn)樣本量應(yīng)大于等于25，本研究選25名司機(jī)作為數(shù)據(jù)采集的對(duì)象。

1.4 試驗(yàn)車

通過實(shí)地調(diào)研，山區(qū)干線公路上以大型貨車為主，故選用大型貨車作為實(shí)驗(yàn)車。

2 心生理評(píng)價(jià)理論介紹

2.1 心生理評(píng)價(jià)方法介紹

心率是駕駛員心理變化的一個(gè)重要指標(biāo)，但在相同情況下心率可能不同，故不能準(zhǔn)確反映縱坡線形對(duì)心率的影響。本文引入心率增長(zhǎng)率[3]，它用來描述人在靜止?fàn)顟B(tài)下的心率與非靜止?fàn)顟B(tài)下的心率數(shù)之差值絕對(duì)值與靜止?fàn)顟B(tài)下的心率之比的百分?jǐn)?shù)，使用心率增長(zhǎng)率可以較為準(zhǔn)確的反映駕駛員的心理變化情況[5]。

2.2 模型分析方法介紹

長(zhǎng)大坡度路段對(duì)駕駛員心理影響的主要因素為坡度、坡長(zhǎng)、行駛速度等，由于影響因素有三個(gè)，故對(duì)心率增長(zhǎng)率、坡度、坡長(zhǎng)及速度進(jìn)行偏相關(guān)性分析。偏相關(guān)性系數(shù)計(jì)算公式如下：

式（2）中，是控制了變量條件下的，之間的相關(guān)系數(shù)，、、分別是變量，間、，間、、間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。

在利用樣本研究總體的特征時(shí)，由于抽樣誤差的存在，樣本中控制了其他變量的影響，兩個(gè)變量間的偏相關(guān)系數(shù)不為0，不能說明總體中這兩個(gè)變量間的偏相關(guān)系數(shù)不為0，因此必須進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的零假設(shè)：總體中兩個(gè)變量的偏相關(guān)系數(shù)為0。本文采用t檢驗(yàn)方法，公式如下：

式（3）是對(duì)pearson偏相關(guān)系數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式，其中，是對(duì)應(yīng)的偏相關(guān)系數(shù)，是觀測(cè)數(shù)量，是控制變量的數(shù)目，是自由度。當(dāng)t﹥，且P﹤0.05時(shí)拒絕原假設(shè)，否則接受假設(shè)，總體兩變量間偏相關(guān)系數(shù)為0。

3 長(zhǎng)大下坡心率增長(zhǎng)率模型建立

共采集45條有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行偏相關(guān)分析，得到如下部分結(jié)果見表1：

由SPSS偏相關(guān)計(jì)算可以得到，心率增長(zhǎng)率與坡度間偏相關(guān)系數(shù)為0的概率P為0.001，小于0.05，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為二者是相關(guān)的。同理心率增長(zhǎng)率和速度間、心率增長(zhǎng)率和坡長(zhǎng)間偏相關(guān)系數(shù)為0的概率P為0.032和0.000，均小于0.05，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為心率增長(zhǎng)率和速度、心率增長(zhǎng)率和坡長(zhǎng)是相關(guān)的?；谏鲜龇治觯梢源_定影響駕駛員心率增長(zhǎng)率的因素為坡長(zhǎng)、坡度和速度。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件建立坡長(zhǎng)、坡度和速度的心率增長(zhǎng)率模型，結(jié)果如表2、3所示：

由回歸分析得到模型公式：

式中為坡度，為速度，為坡長(zhǎng)。經(jīng)t檢驗(yàn)，查表得=2.018<11.774（計(jì)算值），通過相關(guān)性檢。

4 山區(qū)干線公路長(zhǎng)大下坡最大安全坡長(zhǎng)的修正

山區(qū)干線公路的設(shè)計(jì)速度一般為40 km/h，則可將模型簡(jiǎn)化為：

規(guī)范中，設(shè)計(jì)速度為40 km/h不同縱坡對(duì)應(yīng)的坡長(zhǎng)如下表所示：

當(dāng)心率增長(zhǎng)率達(dá)到39%時(shí)，駕駛員心理會(huì)恐懼，危急時(shí)刻可能發(fā)生交通事故[3]。由模型計(jì)算可得，當(dāng)心率增長(zhǎng)率為39%時(shí)，原坡長(zhǎng)及坡度對(duì)應(yīng)心率增長(zhǎng)率值如表5所示：

由表5可知，4%、5%、6%對(duì)應(yīng)最大坡長(zhǎng)1 100 m、900 m、700 m的心率增長(zhǎng)率均超過39%，表明駕駛員在這些路段上行駛時(shí)心理會(huì)非常焦慮，從駕駛員心生理角度考慮，這些坡長(zhǎng)值安全性較低。為保證安全，將39%的心里增長(zhǎng)率作為安全性閾值[5]，用模型對(duì)應(yīng)不同坡度可計(jì)算得到最大安全坡長(zhǎng)修正值如表6所示：

表6中，模型4%至6%下坡度對(duì)應(yīng)最大安全坡長(zhǎng)均比規(guī)范最大坡長(zhǎng)短，而模型7%至8%下坡度對(duì)應(yīng)最大安全坡長(zhǎng)比規(guī)范最大坡長(zhǎng)，故規(guī)范中7%至8%下坡度對(duì)應(yīng)最大坡長(zhǎng)有利于駕駛員安全行駛。

5 結(jié)論

（1）通過偏相關(guān)性分析長(zhǎng)大下坡駕駛員心率、行車速度、坡長(zhǎng)及坡度數(shù)據(jù)，研究得到駕駛員心率增長(zhǎng)率分別與行車速度，坡長(zhǎng)及坡度有相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上建立長(zhǎng)大下坡駕駛員建立心率增長(zhǎng)率模型，且通過相關(guān)性檢驗(yàn)。

（2）控制行車速度上限為40 km/h時(shí)，標(biāo)定駕駛員心率增長(zhǎng)率安全閾值為39%，運(yùn)用長(zhǎng)大下坡心率增長(zhǎng)率模型對(duì)各下坡度對(duì)應(yīng)最大坡長(zhǎng)進(jìn)行修正，得到4%、5%、6%下坡度的最大坡長(zhǎng)修正值分別為653.91 m、653.57 m、653.23 m，均小于規(guī)范中的最大坡長(zhǎng)，而規(guī)范中7%、8%對(duì)應(yīng)最大坡長(zhǎng)能滿足駕駛員心理緊張度。故從駕駛員心生理角度認(rèn)為4%、5%、6%下坡度的最大坡長(zhǎng)修正值更加安全。

參考文獻(xiàn)：

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