不同天氣狀況下高原公路縱坡路段駕駛負(fù)荷分析

高 超， 朱興林， 艾力·斯木吐拉， 蔣松強(qiáng)

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

近幾年來(lái)，重大、特大交通事故頻繁發(fā)生，不同于其他公路，高原公路獨(dú)特的地理位置以及特殊的低氧環(huán)境容易造成駕駛員反應(yīng)遲緩，在行車過(guò)程中導(dǎo)致駕駛操作產(chǎn)生變形，行車判斷不準(zhǔn)確，甚至?xí)Q策失誤，造成人員傷亡。高海拔地區(qū)空氣中的氧含量較低，心率會(huì)明顯加快，同時(shí)伴有心輸出量和血壓的增加，呼吸頻率明顯加快，會(huì)出現(xiàn)呼吸急促、胸悶等癥狀[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)高原公路駕駛負(fù)荷與道路線形的研究仍處于起步階段，李文偉[3]等定量分析K隨高程H、豎曲線半徑R以及絕對(duì)坡差|ω|的變化規(guī)律，得出高程、豎曲線半徑和絕對(duì)坡差對(duì)駕駛員體力負(fù)荷均有明顯影響的結(jié)論；喬建剛[4]等分析高原區(qū)不同海拔高度駕駛員心率增長(zhǎng)率的變化規(guī)律，并確定了高原區(qū)道路縱坡坡度限值和最大縱坡折減值；李巖巖[5]等通過(guò)定量分析，分別建立駕駛員β 頻段腦電(EEG)信號(hào)變化值與試驗(yàn)路段海拔、道路線形之間的關(guān)系模型；劉洋[6]等通過(guò)定量分析，確定了高原公路縱坡路段影響駕駛員心率變化的主要因素；國(guó)外對(duì)高原公路的研究大部分集中在凍土及穩(wěn)定性分析方面[7-8]；不僅僅是高海拔造成駕駛員產(chǎn)生高原反應(yīng)，縱坡坡度及坡長(zhǎng)加重了駕駛員的工作負(fù)荷。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞縱坡路段駕駛負(fù)荷進(jìn)行了大量的研究，研究對(duì)象包括山區(qū)公路[9-10]，草原公路[11-12]，高原公路[13]，高速公路隧道[14-15]等。但是限于地理位置以及天氣狀況，考慮的因素僅僅只是海拔高度、縱坡坡度以及縱坡坡長(zhǎng)；影響駕駛負(fù)荷變化因素考慮得還不夠全面，從未考慮在不同天氣狀況下，高原公路縱坡路段駕駛負(fù)荷的變化規(guī)律?；诖?，本文在前人的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析在惡劣天氣下高原公路縱坡路段對(duì)駕駛?cè)俗兓?guī)律的影響。以期為高原公路設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，更好地減少不同天氣狀況下交通安全事故的發(fā)生和提高高原公路道路安全水平。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)道路

本次高原公路實(shí)地行車試驗(yàn)路段位于國(guó)道G217獨(dú)庫(kù)公路K670+500～K692+000段，試驗(yàn)路段為哈希勒根隧道口至喬爾瑪烈士陵園，路段長(zhǎng)度大約21.5 km，哈希勒根隧道口海拔高度達(dá)到3500 m，為海拔高度最高點(diǎn)；喬爾瑪烈士陵園海拔高度約為2 500 m，為海拔高度最低點(diǎn)。限速50 km/h；此路段交通量小，路段通行狀況良好且基本不受影響，機(jī)動(dòng)車較少，車輛全程處于自由行駛狀態(tài)，試驗(yàn)期間車輛全程保持勻速50 km/h行駛，排除車速對(duì)駕駛員心理的干擾；行車試驗(yàn)期間未受到其他車輛的干擾，縱斷面高程差起伏較大，且坡長(zhǎng)變化范圍較大；同時(shí)，超車、會(huì)車的情況未出現(xiàn)，排除了各種外界車輛對(duì)生理指標(biāo)的干擾。在相同路段(勻速行駛時(shí)每位駕駛員駛過(guò)路段的道路線形和海拔高度基本一致)行駛時(shí)駕駛負(fù)荷的變化也基本相同，即可剔除其他因素(彎道、路測(cè)環(huán)境及路測(cè)高度等)的影響。縱斷面走勢(shì)如圖1所示。

(a) 上坡路段

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器選用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理儀采集心電參數(shù)，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備傳輸?shù)诫娔X中，將探險(xiǎn)家GPS Receiver插入電腦USB接口，對(duì)行車的海拔高度和經(jīng)緯度進(jìn)行檢測(cè)和收集，德國(guó)Ergoneers公司的D-LAB心理人因同步研究系統(tǒng)同步采集相關(guān)心電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，并由D-LAB軟件自帶的數(shù)據(jù)處理模塊分析輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)格式是擴(kuò)展名為txt 的文件，且設(shè)備連接狀況良好，數(shù)據(jù)傳輸正常，試驗(yàn)期間設(shè)備無(wú)異常反應(yīng)。用行車記錄儀進(jìn)行路況錄制，試驗(yàn)車輛為東風(fēng)日產(chǎn)奇駿2.0L CVT自動(dòng)擋SUV，見(jiàn)圖2。

(a) 生理儀

1.3 試驗(yàn)人員

選取32名男性駕駛員作為被試駕駛員，年齡為24～61歲，平均年齡為34.8歲，實(shí)際駕齡為1～25 a，平均駕齡為9.2 a，維持平日的駕駛習(xí)慣，保持自然舒適狀態(tài)駕駛，所有被試駕駛員均有一定程度的駕駛經(jīng)驗(yàn)，能獨(dú)立自主地完成高原公路行車試驗(yàn)任務(wù)。試驗(yàn)開(kāi)始前將電極片粘貼至被試駕駛員胸前，試驗(yàn)過(guò)程中保證精力充沛并將ProComp Infiniti生理儀與駕駛員進(jìn)行連接，且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和儀器沒(méi)有不良反應(yīng)，且被試駕駛員無(wú)心腦疾病歷史，見(jiàn)圖3和表1。

(a) 被試人員

表1 被試駕駛員基本信息表Table 1 Basic information of tested driver編號(hào)年齡民族駕齡/a編號(hào)年齡民族駕齡/a161維121754漢25227漢31832哈3345漢51928哈5430哈22035哈4533哈102134哈12636哈112236哈6738哈122340漢15830哈12438哈10929哈102529哈121048漢292625哈71139哈112724漢21225哈42824哈11332漢102939哈191442哈73027維71525漢33130哈41644漢253234漢7

1.4 試驗(yàn)環(huán)境

為研究在不同天氣狀況下高原公路縱坡路段對(duì)駕駛員的影響，在海拔高度3 000～3 500 m試驗(yàn)路段，試驗(yàn)環(huán)境選取不同天氣狀況，即良好天氣和惡劣天氣，其中包括晴朗天氣、雪天+濃霧2種天氣狀況。在這2種不同天氣狀況下進(jìn)一步研究高原低氧環(huán)境下縱坡路段對(duì)駕駛員工作負(fù)荷的影響。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

心率是心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)。心率的升高與緊張程度、作業(yè)強(qiáng)度成正比，并且與循環(huán)機(jī)能、呼吸有著極其密切的聯(lián)系，所以心率的波動(dòng)是衡量人體承受負(fù)荷大小的一個(gè)非常重要的指標(biāo)[13-15]。心率增長(zhǎng)率可以實(shí)時(shí)、有效地反映被試駕駛?cè)诵呐K跳動(dòng)及心率波動(dòng)的規(guī)律，故心率增長(zhǎng)率是表征駕駛?cè)素?fù)荷變化的敏感指標(biāo)。心率增長(zhǎng)率越大，駕駛負(fù)荷相應(yīng)的也就越大。用被試駕駛?cè)嗽谛熊嚽捌届o坐姿狀態(tài)下的平均心率作為基準(zhǔn)心率，用駕駛員行車過(guò)程中某一時(shí)刻的心率值作為實(shí)測(cè)值，進(jìn)行心率增長(zhǎng)率的計(jì)算，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,其計(jì)算公式如下：

(1)

表2 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Partial experimental data時(shí)間海拔/m坡長(zhǎng)/m坡度/%平均心率值/(次·min-1)心率增長(zhǎng)率/%22∶26.73 328230.530 54.47%67.836 978 7128.25%22∶42.93 335213.913 94.74%67.836 978 7130.37%22∶51.43 3441255.40%67.836 978 7125.45%22∶58.13 350111.111 13.20%67.836 978 7126.47%

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 偏相關(guān)分析

利用SPSS對(duì)心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行偏相關(guān)分析，分析結(jié)果如表3、表4所示，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，各影響因素的顯著性水平均小于0.05，符合顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果。

表3 上坡路段偏相關(guān)分析Table 3 Partial correlation analysis of uphill section因素雪天+濃霧天氣與心率增長(zhǎng)率相關(guān)分析晴天與心率增長(zhǎng)率相關(guān)分析相關(guān)性顯著性(雙尾)自由度相關(guān)性顯著性(雙尾)自由度坡度0.7950530.769051坡長(zhǎng)0.8610530.898051

表4 下坡路段偏相關(guān)分析Table 4 Partial correlation analysis of downhill section因素雪天+濃霧天氣與心率增長(zhǎng)率相關(guān)分析晴天與心率增長(zhǎng)率相關(guān)分析相關(guān)性顯著性(雙尾)自由度相關(guān)性顯著性(雙尾)自由度坡度-0.829054-0.91037坡長(zhǎng)0.8960540.895037

在海拔高度3 000～3 500 m上坡行駛路段，2種不同天氣狀況下，坡長(zhǎng)和坡度與心率增長(zhǎng)率均有較強(qiáng)的相關(guān)性；惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.795和0.861；良好天氣(晴天)下，心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.769、0.898；即在不同天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率與坡度中度相關(guān)(0.3 <=|r| < 0.8)，心率增長(zhǎng)率和坡長(zhǎng)高度相關(guān)(0.8 <=|r|<=1)。

在海拔高度3 500～3 000 m下坡行駛路段，在2種不同天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)均有較強(qiáng)的相關(guān)性，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.829、0.896；良好天氣(晴天)下，心率增長(zhǎng)率與坡度、坡長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.91、0.895；相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值均大于0.8，屬于高度相關(guān)(0.8 <=|r| <=1)；且坡度與心率增長(zhǎng)率呈高度負(fù)相關(guān)。

3.2 坡長(zhǎng)與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系

3.2.1上坡路段

利用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪出散點(diǎn)圖，海拔高度3 000～3 500 m上坡路段，在惡劣天氣和良好天氣下進(jìn)行行車試驗(yàn)中，心率增長(zhǎng)率和坡長(zhǎng)有著很強(qiáng)的相關(guān)性，離散程度較低；即隨著坡長(zhǎng)的增加，海拔高度的不斷升高，駕駛員為適應(yīng)高海拔地區(qū)含氧量下降及不斷變化的縱坡長(zhǎng)度，心率增長(zhǎng)率也不斷增加。如圖4所示，晴天天氣狀況下，隨著坡長(zhǎng)的增加，心率增長(zhǎng)率呈增大的趨勢(shì)，心率增長(zhǎng)率從15%到40%較為穩(wěn)定地增長(zhǎng)，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，數(shù)據(jù)點(diǎn)均處在95%置信區(qū)間和預(yù)測(cè)區(qū)間之中，可信程度較高。在雪天+濃霧天氣下，坡長(zhǎng)200 m以內(nèi)，心率增長(zhǎng)率未出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)；隨著降雪量及大霧濃度增加，行車視野下降，駕駛員無(wú)法準(zhǔn)確地判斷前方路況及不斷變化的道路線形；坡長(zhǎng)超過(guò)200 m時(shí)，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，駕駛員心率增長(zhǎng)率出現(xiàn)大幅度的增長(zhǎng)，心率增長(zhǎng)率對(duì)坡長(zhǎng)的變化更加敏感；溫度降低路面結(jié)冰導(dǎo)致輪胎與地面摩擦系數(shù)降低，容易造成輪胎輕微的打滑，駕駛員駕駛負(fù)荷急劇增加，心率增長(zhǎng)率最高值接近76%。復(fù)雜多變的天氣條件給駕駛條件帶來(lái)了極為惡劣的影響，為道路的交通安全埋下了極為惡劣的隱患。

圖4 上坡路段坡長(zhǎng)-心率散點(diǎn)圖Figure 4 Slope length heart rate scatter diagram of uphill section

3.2.2下坡路段

如圖5所示，在海拔高度3 500～3 000 m下坡路段行車試驗(yàn)時(shí)，晴天天氣狀況下，隨著坡長(zhǎng)的增加，心率增長(zhǎng)率隨之增大，心率增長(zhǎng)率增長(zhǎng)幅度較為穩(wěn)定；雪天+濃霧天氣狀況下，道路能見(jiàn)度降低，路面結(jié)冰造成輪胎輕微打滑，車速會(huì)適當(dāng)?shù)丶涌?，為此駕駛員要進(jìn)行車速控制和穩(wěn)住方向，當(dāng)坡長(zhǎng)超過(guò)200 m時(shí)，汽車制動(dòng)的距離變長(zhǎng)，駕駛員注意力和精力高度集中，出現(xiàn)緊張的狀況，心率增長(zhǎng)率增長(zhǎng)幅度變大，在高原公路復(fù)雜的惡劣天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率由40%增加至75%，駕駛負(fù)荷處于高度負(fù)荷狀態(tài)，嚴(yán)重影響道路交通安全。

圖5 下坡路段坡長(zhǎng)-心率散點(diǎn)圖Figure 5 Slope length heart rate scatter diagram of downhill section

3.3 坡度與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系

3.3.1上坡路段

當(dāng)駕駛員在不同天氣狀況下行車試驗(yàn)時(shí)，由圖6(b)可知，晴天天氣情況下，在3%～7%的坡度范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，心率增長(zhǎng)率隨之增加；當(dāng)坡度大于5%時(shí)，心率增長(zhǎng)率的增長(zhǎng)幅度更為明顯，即心率增長(zhǎng)率對(duì)坡度的變化較為敏感。究其原因在于，坡度越大，上坡時(shí)的行駛阻力越大，為了避免車速發(fā)生衰減，駕駛員需增加更多的腳步操縱量來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，導(dǎo)致體力負(fù)荷增加；與此同時(shí)，雪天+濃霧天氣狀況下，陡峭的縱坡和模糊的視線會(huì)給駕駛員造成視覺(jué)上的壓力，加重駕駛?cè)说木褙?fù)荷和心理負(fù)擔(dān)，如圖6(a)所示。

圖6 上坡路段坡度-心率散點(diǎn)圖Figure 6 Gradient heart rate scatter diagram of uphill section

3.3.2下坡路段

在整個(gè)坡度區(qū)間內(nèi)，晴天天氣狀況下，由于行車試驗(yàn)天氣狀況良好，駕駛員能清晰地認(rèn)知高原公路不斷變化的道路線形，進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的判斷和方向操作。隨著坡度的增加，心率增長(zhǎng)率也相應(yīng)地增加，增加趨勢(shì)趨于平緩，如圖7(b)所示。雪天+濃霧天氣狀況下，能見(jiàn)度較低，駕駛員視線不足，如圖7(a)所示。在濃霧環(huán)境中，駕駛員無(wú)法判斷連續(xù)變化的道路線形，隨著坡度的增加，心率增長(zhǎng)率顯著增加。當(dāng)坡度大于5%時(shí)，已處于陡坡路段，心率增長(zhǎng)率對(duì)坡度變化愈加敏感，即陡坡路段的駕駛負(fù)荷水平更高，更應(yīng)注意行車安全。在下坡路段(尤其是陡坡)，路面結(jié)冰輪胎打滑，駕駛?cè)诵枰粩嗖葎x車踏板來(lái)控制車速，同時(shí)還需要操縱轉(zhuǎn)向盤對(duì)行駛方向進(jìn)行修正，這些操作都加大了駕駛員的行車試驗(yàn)過(guò)程中的工作量，容易造成駕駛員精神緊張甚至引發(fā)內(nèi)心恐慌。

圖7 下坡路段坡度-心率散點(diǎn)圖

4 坡長(zhǎng)、坡度與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系模型

根據(jù)以上分析可知，天氣因素、坡度和坡長(zhǎng)對(duì)駕駛負(fù)荷的影響較大。因此，可以分別建立在不同天氣狀況下，上、下坡路段行車時(shí)心率增長(zhǎng)率與坡長(zhǎng)、坡度的關(guān)系模型；并用F檢驗(yàn)對(duì)多元線性回歸模型中心率增長(zhǎng)率與坡長(zhǎng)、坡度之間的線性關(guān)系在總體上是否顯著做出推斷。檢驗(yàn)公式如下：

(2)

式中：F為檢驗(yàn)原假設(shè)H0的統(tǒng)計(jì)量；SR為回歸平方和；Se為剩余平方和；N為樣本量；M為變量個(gè)數(shù)。

4.1 上坡模型

利用SPSS軟件對(duì)不同天氣狀況下縱坡路段駕駛負(fù)荷建立多元線性回歸模型，其中Ni、i、L分別代表心率增長(zhǎng)率、坡度、坡長(zhǎng)。在惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，通過(guò)方差分析表可以得出，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=116.537>F0.05(2，52)=3.175，故拒絕原假設(shè)H0，即認(rèn)為在惡劣天氣下高原公路上坡路段坡長(zhǎng)及坡度對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率線性影響是顯著的；在晴朗天氣下，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=120.567>F0.05(2，50)=3.182，故拒絕原假設(shè)H0，即認(rèn)為在晴朗天氣下高原公路上坡路段坡長(zhǎng)及坡度對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率線性影響是顯著的。上坡路段方差分析見(jiàn)表5。因此，不同天氣狀況下上坡路段多元線性回歸模型表達(dá)式為：

Ni=5.031i+0.143L-16.95，R2=0.904，該模型的適應(yīng)范圍i∈(3%，7%)，L∈(100 m，350 m)，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)。

Ni=-2.349i+0.156L+5.805，R2=0.910，該模型的適應(yīng)范圍i∈(3%，7%)，L∈(100 m，350 m)，良好天氣(晴天)。

表5 上坡路段方差分析表Table 5 Analysis of ANOVA on the uphill section方差來(lái)源雪天上坡模型方差分析晴天上坡模型方差分析平方和自由度均方F顯著性平方和自由度均方F顯著性回歸9 777.62724 888.814116.5370.000b1 775.952887.975120.5670.000b殘差2 181.4455241.951368.25507.365總計(jì)11 959.072542 144.252

4.2 下坡模型

在惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，通過(guò)方差分析表可以得出，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=144.524>F0.05(2，53)=3.172，故拒絕原假設(shè)H0，即認(rèn)為在惡劣天氣下高原公路下坡路段坡長(zhǎng)及坡度對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率線性影響是顯著的；在晴朗天氣下，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=104.179>F0.05(2，36)=3.26，故拒絕原假設(shè)H0，即認(rèn)為在晴朗天氣下高原公路下坡路段坡長(zhǎng)及坡度對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率線性影響是顯著的。下坡路段方差分析見(jiàn)表6。因此，不同天氣狀況下下坡路段多元線性回歸模型表達(dá)式為：

Ni=9.652i+0.370L+16.717，R2=0.919，該模型的適應(yīng)范圍i∈(-7%，-3%)，L∈(100 m，350 m)，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)。

Ni=-3.128i+0.895L+6.676，R2=0.923，該模型的適應(yīng)范圍i∈(-7%，-3%)，L∈(100 m，350 m)，良好天氣(晴天)。

表6 下坡路段方差分析表Table 6 Analysis of ANOVA on the downhill section方差來(lái)源雪天下坡模型方差分析晴天下坡模型方差分析平方和自由度均方F顯著性平方和自由度均方F顯著性回歸6 459.09323 229.546144.5240.000b780.762390.38104.1790.000b殘差1 184.345322.346134.9363.747總計(jì)7 643.43255915.6638

5 結(jié)論

不同天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率與坡長(zhǎng)、坡度有著很強(qiáng)的相關(guān)性。在良好天氣和惡劣天氣下，心率增長(zhǎng)率是有效分析高原公路駕駛負(fù)荷變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

晴天天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率隨著坡長(zhǎng)的增加而增加；雪天+濃霧天氣狀況下，道路能見(jiàn)度降低；隨著坡長(zhǎng)的增加，車速會(huì)適當(dāng)?shù)募涌?，為此駕駛員要進(jìn)行車速控制和穩(wěn)住方向；當(dāng)坡長(zhǎng)超過(guò)200 m時(shí)，汽車制動(dòng)的距離變長(zhǎng)，駕駛員注意力和精力高度集中，出現(xiàn)緊張的狀況，心率增長(zhǎng)率增長(zhǎng)幅度變大，駕駛負(fù)荷處于高度負(fù)荷狀態(tài)。

在3%～7%的坡度范圍內(nèi)，晴天天氣狀況下，心率增長(zhǎng)率隨著坡度的增大而增加，當(dāng)坡度大于5%時(shí)，心率增長(zhǎng)率對(duì)坡度的變化較為敏感；在雪天+濃霧天氣狀況下，當(dāng)坡度大于5%時(shí)，陡峭的縱坡和模糊的視線會(huì)給駕駛員造成視覺(jué)上的壓力，加重駕駛?cè)说木褙?fù)荷和心理負(fù)擔(dān)，即陡坡路段的駕駛負(fù)荷水平更高，更應(yīng)注意行車安全。