高海拔公路隧道進口段駕駛?cè)松硖卣髯R別模型研究

張麗改， 王 兵， 李鵬勝， 趙 越

(新疆大學 機械工程學院， 新疆 烏魯木齊 830017)

烏尉高速公路建成后將成為南北疆之間一條快速通道，而橫貫天山南北的天山勝利隧道(ZK75+780～ZK97+815)則是烏尉高速的“咽喉”工程，該隧道全長約22km[1]，入口段海拔3 200 m，是典型的高海拔高速公路隧道，建成后將成為世界最長的高速公路隧道。在海拔3 200 m，氧氣含量為17.75%的環(huán)境下，吸入人體內(nèi)的氧相對減少，這會導致駕駛?cè)顺霈F(xiàn)心率、呼吸頻率增加，血氧飽和度、肺通氣量、耗氧量降低等現(xiàn)象[2]，造成駕駛?cè)诵熊嚻?，反應延時等，使駕駛?cè)说鸟{駛行為處于不良狀態(tài)[3-4]，嚴重影響駕駛?cè)说男熊嚢踩?/p>

通過對中國262起典型隧道交通事故的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隧道進口段的洞內(nèi)事故多于洞外事故；洞內(nèi)200 m至洞外100 m路段，事故分布比較集中；由駕駛?cè)酥苯右l(fā)的交通事故占事故總數(shù)的56%；隧道長度與交通事故有一定關(guān)系，長隧道和特長隧道的事故數(shù)量相對較多[5]。烏尉天山勝利隧道是世界上最長的高海拔隧道，通過對烏尉高速公路的車型預測(2020—2035年)發(fā)現(xiàn)，小客車占57%以上[6]，駕駛?cè)硕酁榉锹殬I(yè)駕駛員，故在隧道入口段，駕駛?cè)烁壮霈F(xiàn)緊張、激動等駕駛心理[7]，從而使駕駛?cè)诵睦碡摵稍龃?，生理特征出現(xiàn)較大變化。

目前，有關(guān)隧道行車環(huán)境影響駕駛?cè)松硇睦硖卣鞯难芯?，國?nèi)外已有很多。Chen等[8]通過實車試驗采集視覺和生理數(shù)據(jù)，研究了山區(qū)高速公路隧道進口環(huán)境對駕駛員視覺和生理的影響。Feng等[9]為量化研究隧道中坡度對駕駛?cè)诵穆试鲩L指數(shù)(HRG)和速度的影響，建立了HRG、速度和坡度之間的關(guān)系模型。Ma等[10]將特長隧道劃分為5個交通安全區(qū)，分析了不同交通安全區(qū)事故的時間分布、形態(tài)、事故原因等。Feng等[11]以最大心率變異性和平均心率變異性為生理指標來衡量駕駛員的生理負荷，并通過UC-win/Road軟件模擬隧道場景，通過駕駛模擬器探索不同工況下駕駛員心率，以此來評估城市渡河隧道最低點的安全性。Faure等[12]以眨眼行為評估駕駛員心理負荷，研究了駕駛?cè)嗽趫?zhí)行主任務和次任務時，心理負荷與駕駛?cè)蝿针y度的關(guān)系，結(jié)果表明，次任務難度對駕駛?cè)诵睦碡摵纱嬖陲@著影響。郭玉潔等[13]為研究城市隧道駕駛?cè)诵睦碡摵勺兓?guī)律，選用瞳孔面積變化率、注視時間、RR間期標準差和RR間期差值平方根4項指標，利用因子分析法構(gòu)建了駕駛?cè)诵睦碡摵捎嬎隳Ｐ?。喬建剛等[14]從定性、定量角度分析了高速公路隧道口距離與光照強度、速度、駕駛員心理生理反應的相互關(guān)系，建立了隧道入口段多元回歸安全評價模型。朱彤等[15]以心率和心率變異性指標分析為基礎，通過數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建了基于因子分析的心理負荷計算模型。吳蘇南等[16]對比分析了駕駛?cè)嗽诔鞘兴淼廊肟诤统隹诙涡旭倳r，心率、瞳孔大小兩類生理特征的變化規(guī)律及差異性，以探索外部因素對心率的影響程度。趙煒華等[17]研究了駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诙涡穆屎蛙囁俚淖兓?，結(jié)果表明，在長隧道入口環(huán)境中行車時，駕駛?cè)诵穆试黾?，心理緊張程度高于一般道路，隨著與隧道入口的不斷接近，駕駛?cè)诵穆食尸F(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。

綜上，現(xiàn)有研究主要集中在城市隧道[9,11-13,16]及低海拔長大高速公路的隧道進口段[8,10,14-15,17]，對高海拔特長隧道進口段的研究較少，而在高海拔低氧環(huán)境下，駕駛?cè)说姆磻?、?zhí)行能力下降，再遇隧道駕駛環(huán)境，勢必加大駕駛?cè)藢︸{駛信息獲取、判斷及對車輛操控的難度。因此，本文通過研究駕駛?cè)嗽诟吆０嗡淼肋M口段的生理特征，分析其變化規(guī)律，探究外部因素對其心理、生理特征的影響程度，以期為烏尉天山勝利隧道異常駕駛行為特征研究及交通安全設施設計提供理論依據(jù)。

1 駕駛?cè)松硖卣鞣治黾皡?shù)選取

1.1 駕駛?cè)松硖卣鞣治?/h3>

駕駛?cè)嗽诘秃０蔚貐^(qū)行車時，其各項生理指標相對穩(wěn)定；急進高海拔地區(qū)，由于氧氣含量持續(xù)減少，駕駛?cè)烁黜椛怼⑿睦碇笜瞬▌虞^大，甚至出現(xiàn)異常；行進至海拔3 200 m左右時，駕駛?cè)碎_始出現(xiàn)壓抑、焦躁等心理，此時，駕駛?cè)丝吹剿淼蓝纯谌菀壮霈F(xiàn)緊張的心理特征，尤其是當行車速度較高時，反應時間減少，而駕駛?cè)舜蠖酁樗淼礼{駛經(jīng)驗匱乏的非職業(yè)駕駛員，因此更易出現(xiàn)緊張的心理現(xiàn)象，進而引起生理指標變化。

為明晰駕駛?cè)嗽诟吆０嗡淼肋M口段的心理、生理變化，按照刺激因素對駕駛?cè)松硖卣鞯挠绊懗潭?，將高海拔高速公路隧道進口段劃分為模糊感知階段(L1段)、清晰感知階段(L2段)、適應隧道駕駛環(huán)境階段(L3段)。L1段，即從駕駛?cè)丝辞宄淼揽谇倚穆食霈F(xiàn)明顯波動到認讀隧道標志內(nèi)容且心率出現(xiàn)明顯上升時車輛行駛的距離；L2段，即從駕駛?cè)苏J讀隧道標志內(nèi)容且心率明顯上升時到車輛最前端與隧道洞口截面重合時車輛的行駛距離；進入隧道后，環(huán)境引起駕駛?cè)松硇睦砝^續(xù)變化，生理指標繼續(xù)疊加，一段時間后，駕駛?cè)酥饾u適應了隧道駕駛環(huán)境，生理指標疊加到一定程度后便不再增加，而是在一定范圍內(nèi)波動，故L3段為車輛最前端與隧道洞口截面重合時到駕駛?cè)诵穆首兓_始穩(wěn)定時車輛的行駛距離，如圖1所示。

圖1 隧道進口段劃分示意圖Fig.1 Diagram for division of tunnel entrance section

駕駛?cè)酥饕ㄟ^視覺感知隧道洞口，經(jīng)過反復實車試驗，在距隧道口1 400m左右時，駕駛?cè)四芮宄乜匆娝淼蓝纯冢嗜1+L2為1 400m；隧道限速標志的位置設在隧道洞外距離隧道進口75m處，開始認讀距離202.66m[18]，由于高海拔低氧駕駛環(huán)境對駕駛?cè)艘曊J及減速過程的影響，初步判斷限速標志及視認距離大于202.66m，且為給駕駛?cè)祟A留充足的減速距離，故取L2為300m。經(jīng)過上述分析，駕駛?cè)嗽谒淼礼{駛過程中，當其生理指標在一定范圍內(nèi)波動而不再持續(xù)增加時，便可認為駕駛?cè)诉m應了隧道內(nèi)駕駛環(huán)境，故L3是駕駛?cè)诵睦碇笜俗兓€(wěn)定時至隧道洞口的距離。

1.2 參數(shù)選取

1.2.1駕駛?cè)松硖卣鞅碚鲄?shù)

在高海拔高速公路隧道進口段行車過程中，不同初始車速、低氧駕駛環(huán)境、隧道獨特的駕駛環(huán)境等因素都會對駕駛?cè)说男睦?、生理產(chǎn)生一定影響。心率是反映人體生理、心理特征變化的綜合性指標，也是反映緊張程度的有效指標，如在模糊感知階段，當看見隧道洞口，由于隧道駕駛經(jīng)驗匱乏，加之低氧環(huán)境對其生理、心理的影響，駕駛?cè)艘壮霈F(xiàn)緊張感，從而導致心率增加；適應隧道駕駛環(huán)境后，隧道內(nèi)行車速度相對較低，會使人昏昏欲睡，心率降低。因此，本文采用心率指標來衡量高海拔高速公路隧道進口段對駕駛?cè)松?、心理特征的影響?/p>

1.2.2影響因子參數(shù)選取

車輛進入隧道之前，駕駛?cè)巳耘f在高速公路段行車，但高海拔低氧環(huán)境及隧道的存在會使駕駛?cè)水a(chǎn)生緊張、激動的心理現(xiàn)象，即看見隧道后，駕駛?cè)碎_始出現(xiàn)緊張情緒，隨著車輛的前進，隧道洞口越來越清晰，駕駛?cè)嗽絹碓骄o張，到達隧道洞口時，緊張程度達到最大，故可用車輛與隧道洞口的距離(l)來近似刻畫超長隧道對駕駛?cè)诵睦硖卣鞯挠绊?，且為方便記錄，取Δl=100m；進入隧道后，引起駕駛?cè)松?、心理特征變化的因素較多，主要有“黑洞”效應、“閃頻”效應、照度、心理上的“邊墻效應”等，但心理上的“邊墻效應”對駕駛?cè)诵睦硖卣鞯挠绊戨y以刻畫，而“黑洞”效應、“閃頻”效應本質(zhì)上是亮度不同所致，故用照度(L)近似代替進入隧道后隧道對駕駛?cè)诵睦硖卣鞯挠绊憽?/p>

2 試驗數(shù)據(jù)采集

2.1 試驗方案

由于烏尉天山勝利隧道尚未建成，因此通過等效試驗來研究低氧狀態(tài)下駕駛?cè)嗽谒淼肋M口段的生理特征。等效試驗的隧道需具備以下條件：①海拔在3 200 m左右；②高速公路隧道；③特長隧道。

通過對新疆公路隧道的長期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，很難找到同時滿足以上三個條件且已通車的隧道，故本次試驗分為兩部分：第一部分，營造高海拔低氧環(huán)境。高海拔地區(qū)的主要特征是低大氣壓、低氧環(huán)境，它是通過影響駕駛?cè)说暮粑蔬M而引起一系列生理反應，因此可嘗試通過佩戴口罩的方式營造高海拔低氧環(huán)境。烏尉天山勝利隧道入口段海拔3 200 m，氧氣濃度17.75%，動脈血氧飽和度91.4%、反應延時0.25 s。通過為駕駛?cè)伺宕饕粚悠胀ㄡt(yī)用口罩與一個N95口罩，并用雙面膠將口罩邊緣與面部粘貼(粘貼范圍占整個口罩的2/3)，使駕駛?cè)说膭用}血氧飽和度穩(wěn)定于91%～92%、反應延時達到0.25 s，當駕駛?cè)说闹庇^感受、心率以及對車輛的操控等均與置身于海拔3 200 m左右相同時，便可認定通過口罩營造了高海拔低氧環(huán)境，且該方法的可行性已經(jīng)過大量試驗驗證。第二部分，采用葛家溝隧道等效代替烏尉天山勝利隧道。葛家溝隧道左幅長1 475 m，右幅長1 430 m，為三車道高速公路隧道，滿足探索烏尉天山勝利隧道入口段駕駛?cè)颂卣鞯臈l件。

為驗證低氧環(huán)境的等效方法對駕駛操作有無影響，選擇30名被試人員(4名老師、26名學生)通過駕駛模擬器進行預試驗，初步分析駕駛?cè)说纳硖卣鞑⒄{(diào)整實車試驗方案。試驗過程如圖2所示。

圖2 試驗過程圖Fig.2 Diagram of experiment process

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

試驗車上路前，首先對試驗儀器進行調(diào)試，對各試驗設備的時間進行統(tǒng)一校準(保證各個特征數(shù)據(jù)為同一測試點)，確保設備正確安裝且不影響駕駛?cè)苏２僮鳎瑴p少儀器對駕駛?cè)说母蓴_。此外，提前告知駕駛?cè)嗽囼災康?，要求駕駛?cè)送耆凑兆陨眈{駛習慣、反應情況完成駕駛。其次在試驗車輛上安裝五輪儀、TES-1339照度計以采集車輛的實時速度、隧道照度等數(shù)據(jù)，車輛位置信息通過WT901C數(shù)字姿態(tài)傳感器測得的加速度信息間接獲得；最后為駕駛?cè)伺浯鱌roComp Infiniti生理儀，實時采集駕駛?cè)说男穆蕯?shù)據(jù)。

通過預試驗發(fā)現(xiàn)，不同被試者在高海拔隧道入口段表現(xiàn)出相同的生理變化規(guī)律，因此本次試驗僅選取具有代表性(不同駕齡、性別、年齡、職業(yè))的5名被試者作為試驗對象。由于試驗的特殊性，被試者均是身體健康、各項生理機能正常的非職業(yè)駕駛?cè)?，均持有C照及以上的駕駛執(zhí)照，且要求駕駛?cè)嗽谠囼炃氨ＷC充足的睡眠，避免劇烈運動，禁止飲酒等。被試車輛為中型SUV，為確保試驗能采集到充足的樣本，一名被試者進行一個來回試驗后，換下一個人重復試驗，直至5名被試駕駛?cè)巳孔鐾?，整個過程循環(huán)5次，以確保試驗的可靠性。在試驗過程中，當車頭經(jīng)過圖1中標記的A、D、E點時記錄時刻，以確保車輛速度及位置信息與駕駛?cè)诵穆侍幱谕粫r刻。被試駕駛?cè)说幕厩闆r如表1所示。

表1 被試駕駛?cè)嘶厩闆rTab.1 Basic information of the tested driver

數(shù)據(jù)采集完成后，使用MATLAB對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，在確保試驗數(shù)據(jù)符合要求的前提下，剔除部分異常值，并對所有樣本在各測試點處的參數(shù)取均值，后期結(jié)合Excel和SPSS軟件進行統(tǒng)計分析。處理后各測試點處的試驗數(shù)據(jù)見表2和表3。

表2 四種不同初始車速下隧道入口段心率數(shù)據(jù)采集Tab.2 Heart rate data acquisition at tunnel entrance at four different initial vehicle speeds

表3 四種不同初始車速下隧道內(nèi)照度數(shù)據(jù)采集Tab.3 Illumination data acquisition in tunnel at four different initial vehicle speeds

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 隧道進口段駕駛?cè)诵穆侍卣鞣治?/h3>

隧道進口段駕駛?cè)诵穆首兓厔萑鐖D3所示。

圖3 駕駛?cè)诵穆首兓厔輬DFig.3 Change trend of driver's heart rate

圖3表明，初始車速越高，駕駛?cè)诵穆试礁?，造成這一現(xiàn)象的原因是車速較高時，駕駛?cè)丝匆娝淼篮笞鞒雠袛?、決策及操作車輛的時間相對減少，心理壓力增大，因此出現(xiàn)心率上升的現(xiàn)象；在L1階段，駕駛?cè)诵穆食尸F(xiàn)先下降后小幅上升的趨勢，直到-400 m附近，上升幅度開始加大；在L2階段，駕駛?cè)诵穆食霈F(xiàn)大幅上升，并在隧道口前50 m附近達到最大值；在L3階段，駕駛?cè)诵穆手饾u下降，并在距隧道口350 m附近基本保持平穩(wěn)。

各階段駕駛?cè)诵穆史植既鐖D4所示。

圖4 駕駛?cè)诵穆史植紙DFig.4 Heart rate distribution of drivers

圖4表明，不同初始車速下，駕駛?cè)说男穆首兓潭炔煌跏架囁僭礁?，駕駛?cè)诵穆首兓试礁?；綜合分析，初始車速在80 km/h左右時，駕駛?cè)诵穆孰m較高，但其心率變化波動較初始車速為85 km/h、90 km/h時小，且車輛行駛效率較75 km/h高。

3.2 進入隧道前駕駛?cè)诵穆驶貧w模型

在進入隧道之前，對不同初始車速下駕駛?cè)诵穆逝c車輛距隧道口的距離建立回歸模型。駕駛?cè)诵穆孰S車輛距隧道口距離的變化趨勢如圖5所示。

圖5 駕駛?cè)诵穆孰S車輛距隧道口距離變化趨勢擬合圖Fig.5 Fitting diagram of change trend of driver’s heart rate with the distance between the vehicle and the tunnel entrance

圖5表明，駕駛?cè)诵穆蔋R與車輛距隧道口距離l符合三次曲線模型，其數(shù)學模型及擬合度R2如表4所示。

表4 進入隧道前心率在四種不同初始車速下的曲線擬合Tab.4 Curve fitting of heart rate at four different initial velocities before entering the tunnel

由表4可以看出，進入隧道之前，在考慮車輛與隧道距離的影響下，不同車速下駕駛?cè)说男穆驶貧w模型的擬合度均較高，說明所建立的心率模型能在一定程度上反映駕駛?cè)说男睦怼⑸碜兓^程。

3.3 進入隧道后駕駛?cè)诵穆驶貧w模型

車輛駛?cè)胨淼篮螅瑢︸{駛?cè)松硖卣鳟a(chǎn)生影響的因素有很多，為了簡化模型，用隧道內(nèi)照度表征隧道內(nèi)行車環(huán)境對駕駛?cè)松硖卣鞯挠绊憽２煌跏架囁傧?，駕駛?cè)诵穆蔋R隨隧道內(nèi)照度L的變化曲線如圖6所示，數(shù)學模型及擬合度R2如表5所示。

圖6 駕駛?cè)诵穆孰S隧道內(nèi)照度變化趨勢擬合圖Fig.6 Fitting diagram of change trend of driver's heart rate with illumination in tunnel

由表5可以看出，進入隧道之后，僅考慮隧道內(nèi)照度變化的影響下，不同車速下駕駛?cè)说男穆驶貧w模型的擬合度均較高，說明所建立的心率模型能在一定程度上反映駕駛?cè)说男睦?、生理變化過程。

表5 進入隧道后心率在四種不同初始車速下的曲線擬合Tab.5 Curve fitting of heart rate at four different initial velocities after entering the tunnel

4 結(jié) 論

通過為駕駛?cè)伺宕骺谡譅I造高海拔低氧環(huán)境，采用葛家溝隧道等效代替烏尉天山勝利隧道以營造試驗場景，進行實車試驗，采集了車輛在隧道進口段行駛過程中駕駛?cè)说纳碇笜藬?shù)據(jù)、車速信息及隧道內(nèi)照度等數(shù)據(jù)，在四種不同初始車速下，對車輛在L1、L2、L3段行駛過程中駕駛?cè)说男穆蔬M行對比分析，檢驗其在進入隧道前、后的差異性。

1) 在高海拔隧道進口段行車過程中，駕駛?cè)丝匆娝淼揽诤笮穆氏让黠@上升，隨即下降，然后出現(xiàn)小幅上升；認讀隧道標志內(nèi)容后，心率出現(xiàn)大幅上升；進入隧道后，心率逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定。

2) 在駛?cè)胨淼狼?00 m至進入隧道后350 m，駕駛?cè)说纳硖卣髯兓顬槊黠@，即在該路段，環(huán)境對駕駛?cè)说男睦?、生理特征影響最大?/p>

3) 不同初始車速下，駕駛?cè)说男穆首兓煌?，初始車速越高，駕駛?cè)诵穆试礁撸荫側(cè)胨淼篮蟛▌釉酱?；綜合分析，當初始車速控制在80 km/h左右時，更有利于駕駛?cè)诉m應高海拔隧道進口段行車環(huán)境。

本文在分析高海拔低氧環(huán)境對駕駛?cè)诵穆视绊懙幕A上，定量分析了不同初始車速下駕駛?cè)嗽谒淼肋M口段的心率變化規(guī)律，可為高海拔隧道進口段異常駕駛行為分析提供一定的理論依據(jù)。但本研究仍存在許多不足之處，例如等效試驗中，可用東天山特長隧道(尚未通車)等效代替天山勝利隧道，以此來探索特長隧道對駕駛?cè)松硖卣鞯挠绊懀粡幕貧w模型來看，進入隧道后，駕駛?cè)说纳硖卣魇嵌喾N因素綜合作用的結(jié)果，而本文僅考慮了隧道內(nèi)照度對駕駛?cè)诵穆实挠绊懀谝院蟮难芯恐羞€有待進一步完善。