草原公路直線段交通工程設(shè)施信息量對駕駛員心率變異性的影響研究

李航天楊鋒朱守林盧楊劉鑫劉昱忻

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院,呼和浩特 010018)

0 引言

駕駛員在行車過程中獲取適宜信息量是安全行車的根本保障[1],信息量缺失、不足或過載均會影響到駕駛員的辨識、決策、心理狀態(tài)和駕駛行為[2]。草原公路線形主要以平直路段為主,其直線長度占路段總長度的90%以上,草原公路具有地形地貌平坦、路側(cè)景觀單一、交通流量小、交通工程設(shè)施不完善等特點[3-4],前期調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)80%以上的草原公路存在視覺信息量不足的問題[3],此種特殊的單調(diào)路域環(huán)境使駕駛員行車操作轉(zhuǎn)換頻率低,注意力不集中,處理信息能力下降,容易產(chǎn)生困乏感,若長時間在此環(huán)境行車將嚴重影響交通安全。交通工程設(shè)施是道路交通環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分,由其傳達的信息量構(gòu)成一個離散的信息場分布在道路沿線,直接影響駕駛員行車時的心理生理反應(yīng)、駕駛行為與安全[5-6]。交通工程設(shè)施信息量不足的問題也是目前草原公路應(yīng)被關(guān)注的問題之一。心率變異性(heart rate variability,HRV)可有效地評價駕駛員心理負荷與精神狀態(tài)[7],評價自主神經(jīng)活動的最好的指標是心率變異[8]。另外,駕駛經(jīng)驗也是影響信息量認知的重要因素之一。因此,在前期研究基礎(chǔ)上進一步探討草原公路直線段交通工程設(shè)施信息量對駕駛員HRV的影響,進而尋求交通工程設(shè)施適宜信息量范圍。

針對交通工程設(shè)施研究方面,近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究多數(shù)集中于城市快速路、信息過載和視覺角度等方面。Guo 等[9]利用模擬實驗采集駕駛行為指標,建立交通標志信息量模型,得出快速路出口交通標志信息量閾值與信息模塊閾值;Ben-bassat等[10]通過實駕和室內(nèi)模擬實驗結(jié)合,采集認知時間數(shù)據(jù)和駕駛行為指標,得出快速路交通標志的標志信息量漢字尺寸模型;Lai[11]通過仿真實驗,分析了可變信息板的色彩方案與信息數(shù)量對駕駛員的影響; Zhao等[12]通過不同類型的可變信息符號和影響因素的確定,得出不同天氣條件下、不同類型的司機喜歡的文本格式;Wu等[13]、Zhao等[14]研究線形誘導(dǎo)標志會影響駕駛員的注意力和駕駛行為;黃麒隆[15]對快速路的3種狀態(tài)下和2種速度標志牌信息量閾值進行了研究,得出了每種狀態(tài)下的最佳信息量閾值;李航天[6]在Shannon信息論基礎(chǔ)上建立了草原公路交通工程設(shè)施進信息量化模型,確定了基于駕駛員視覺特性的適宜信息量范圍;韓磊等[16]從視覺特性角度繼續(xù)探討速度、駕駛經(jīng)驗等因素對草原公路交通工程設(shè)施信息量認知的影響;戚春華等[4]通過實駕試驗測試,探討了草原公路標志牌信息量對心率變異指標的敏感性。

綜上,國內(nèi)外學(xué)者的成果為此研究提供了較好的理論基礎(chǔ),而草原公路交通工程設(shè)施信息量的研究尚處于起步階段,基于HRV的適宜信息量研究也剛剛起步。因此,本文通過室內(nèi)模擬試驗,搭建典型草原公路直線段場景,設(shè)置不同等級的交通工程設(shè)施信息量,分析不同等級的信息量對駕駛員各心率變異指標的影響規(guī)律,結(jié)合駕駛經(jīng)驗影響,確定信息量的適宜范圍。以期為草原公路交通工程設(shè)施設(shè)計、設(shè)置和道路交通系統(tǒng)安全提供理論依據(jù)和建議。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備及人員

本試驗為室內(nèi)模擬試驗,使用法國雷諾實車模擬駕駛系統(tǒng)及其附屬設(shè)施,如圖1(a)所示。心電采集設(shè)備為美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150多通道生理信號采集儀,如圖1(b)所示,可連續(xù)記錄駕駛員的心率及RR間期(每一次心臟跳動間的間隔時間)值。被試人員實驗場景如圖1(c)所示,使用Acqknowledge軟件提取心電相關(guān)數(shù)據(jù),利用KubiosHRV-2.0軟件進一步計算得到各項心率變異標指標。

圖1 實驗設(shè)備及人員Fig.1 The instruments in experiment and personnel

試驗被試的選擇會對數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生直接的影響,相關(guān)研究人員在對草原公路生理實驗中通過抽樣調(diào)查的方法,計算出來生理試驗的最小樣本量為17～20人[3]。且本試驗主要考慮被試人員的駕駛經(jīng)驗因素,因此要求其他因素盡可能保證在同一水平上。目前熟練與非熟練駕駛員并無嚴格的判別標準界定,大多是以駕齡或行車里程劃分,但駕齡并不能真實反映實際駕車時長,駕駛里程一般也是估值,熟練程度還會受到駕駛能力、技術(shù)、駕駛頻率、年齡、性格特質(zhì)和道路環(huán)境等因素影響。因此,本試驗通過主觀調(diào)查問卷、基本信息采集、反應(yīng)速度和車輛控制能力等測試綜合分析將駕駛員劃分為熟練與非熟練2組[6]。因此,本試驗共招募篩選了具有法定駕駛資格的20名男性志愿者作為研究對象,包括10名熟練被試和10名非熟練被試。要求被試自身和家庭直系親屬均無精神病和心臟病史,被試基本信息見表1。生理試驗要求盡可能排除干擾因素,為減少其他無關(guān)因素對被試行車過程中心電指標的影響,對被試人員在試驗前和試驗過程中按生理試驗操作規(guī)程均作了一系列要求并嚴格執(zhí)行[17]。力求保證試驗環(huán)境一致性與試驗干擾因素降低到最小。

表1 被試基本情況統(tǒng)計表Tab.1 Drivers’ basic data statistical table

1.2 交通工程設(shè)施信息量及權(quán)重計算方法

交通工程設(shè)施種類眾多,依據(jù)道路等級、路況和位置等因素設(shè)置,所傳遞的信息量和重要度均有所不同,對交通工程設(shè)施進行量化是研究的前提和基礎(chǔ)。胡立偉[18]以Shannon信息論為基礎(chǔ)提出公路交通工程設(shè)施信息量計算公式

式中:H(X)為交通工程設(shè)施的信息量,bits;Xi為事件X呈現(xiàn)的i狀態(tài);m為事件X可能出現(xiàn)的狀態(tài)總數(shù);P(Xi)為出現(xiàn)第i種狀態(tài)的概率。

李航天[6]在公式(1)基礎(chǔ)上,結(jié)合草原公路現(xiàn)狀,對草原公路交通工程設(shè)施中的各類信息量賦以權(quán)重,各要素權(quán)重與單信息量見表2,并提出了適合草原公路交通工程設(shè)施信息量化模型[6],如公式(2)所示。

表2 單信息量計算結(jié)果及各要素權(quán)重Tab.2 The result of single information calculation and the various weight of traffic engineering facilities

式中:H(S)為每個交通工程設(shè)施有效信息量;εi為所含每類元素的權(quán)重;H(Xi)為每類元素的基本信息量;ni為交通工程設(shè)施上該元素的個數(shù)(i=1,2,3,…,9)。

1.3 試驗方案設(shè)計

根據(jù)項目組前期對長度近550 km典型草原公路的調(diào)查,可知交通工程設(shè)施信息量分布不均勻,每公里信息量主要集中在0～10 bits范圍內(nèi)[6]。依據(jù)路段統(tǒng)計結(jié)果,試驗設(shè)有6個交通工程設(shè)施信息量等級,用Z0—Z5表示,Z0為空白對照組,見表3,試驗路段每1 km設(shè)置一個等級交通工程設(shè)施信息量,不同經(jīng)驗的駕駛員均進行6個信息量等級的試驗。

表3 草原公路直線路段設(shè)置參數(shù)Tab.3 The parameters of straight section of grassland highway

1.4 試驗場景搭建

根據(jù)對草原公路現(xiàn)狀的調(diào)查,模擬試驗道路為雙向兩車道組成的典型二級草原公路,為了排除其他因素干擾,模擬場景中不設(shè)置車流量、路側(cè)景觀、村落、建筑和牛羊群等,部分場景如圖2所示。

圖2 草原公路模擬道路場景Fig.2 The simulation scene of grassland highway

2 心率變異指標的選取

2.1 心率變異指標初選

心率變異是指心率波動周期所發(fā)生的細微變化,最常用的分析方法為時域分析和頻域分析。其中,MRR(RR間期均值)反映RR間期序列整體變化情況,指標上升,表明駕駛員整體處于安靜放松狀態(tài);SDNN(RR間期標準差)是最常用的時域指標,直觀反映RR間期序列離散程度,指標降低,表明駕駛員負荷增大;心率變異的高頻(HF),反映心臟的迷走神經(jīng)活性,低頻(LF)反映心臟的交感神經(jīng)活性,而LF/HF反映了交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)對心率調(diào)節(jié)的平衡情況[19],代表交感神經(jīng)張力大小,LF/HF是頻域分析的常用指標。

2.2 心率(HR)與HRV指標的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度是衡量因素之間關(guān)聯(lián)程度的一種有效方法。Berntson 等[20]提出,不同的自主神經(jīng)模式可能得到同樣的心率變化。因此,選用HR作為標準[17],分析時域指標MRR、SDNN和頻域指標LF、HF的比值(LF/HF)的變化趨勢與HR變化趨勢之間的關(guān)聯(lián)程度。

用X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}為母序列,Xi={Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)}(i=1,2,…,n)為子序列。

X0與Xi的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為

其中

式中:ρ為分辨系數(shù),一般取ρ=0.5,得到3個指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)序為

計算得出關(guān)聯(lián)度均值由大到小順序為ε2(0.98)、ε3(0.89)、ε1(0.35),SDNN與HR關(guān)聯(lián)度最高,LF/HF次之,因此選取SDNN與LF/HF為研究指標。

3 適宜信息量范圍確定

3.1 駕駛員SDNN指標隨交通工程設(shè)施信息量變化的變化規(guī)律

使用心率變異分析軟件Kubios HRV提取各心率變異指標,對不同等級交通工程信息量與其對應(yīng)的心率變異指標值進行統(tǒng)計,應(yīng)用Origin9_64軟件對不同等級交通工程信息量與其對應(yīng)的心率變異指標進行趨勢線擬合。熟練和非熟練駕駛員的SDNN與交通工程設(shè)施信息量變化關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 熟練駕駛員平均SDNN值隨信息量變化關(guān)系圖Fig.3 Graph of average SDNN value of experienced drivers changing with information quantity

圖4 非熟練駕駛員平均SDNN值隨信息量變化關(guān)系圖Fig.4 Graph of average SDNN value of inexperienced drivers changing with information quantity

由圖3和圖4分析可知,2組駕駛員的SDNN指標與信息量等級都存在非線性關(guān)系,信息量從Z0—Z5,SDNN值呈先上升后下降趨勢。信息量為Z0空白對照未做交通工程設(shè)施設(shè)置,駕駛員在行車過程中注意力主要集中于路面,RR間期離散程度較小;駕駛員不斷關(guān)注交通工程設(shè)施,并從中獲取有效信息,信息量為Z2時,駕駛員SDNN值達到最高,此時駕駛員RR間期離散程度最大,努力搜索有效信息;信息量等級大于Z2時,隨著信息量的增加,駕駛員處理信息的負荷增大,SDNN降低;當信息量為Z5時,信息量過載,負荷過大,不利于駕駛員有效地獲取信息。即草原公路交通工程設(shè)施每1 km信息量在Z2等級時,有利于吸引駕駛員注意交通工程設(shè)施所提供的信息,從而有助駕駛員行車安全。

3.2 駕駛員LF/HF指標隨交通工程設(shè)施信息量變化的變化規(guī)律

駕駛員LF/HF值與交通工程設(shè)施信息量變化關(guān)系如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6分析可知,2組駕駛員LF/HF指標與信息量等級都存在非線性關(guān)系,信息量從Z0—Z5,LF/HF值呈先上升后下降趨勢,在信息量為Z2時駕駛員的LF/HF值達到最大,信息量等級低于Z2時,隨著信息量的增大,駕駛員交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的平衡向交感神經(jīng)過渡;信息量等級大于Z2時,交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的平衡向迷走神經(jīng)過渡,表明信息量不足或過載都會引起駕駛員注意力分散、注意力集中程度較差,從而導(dǎo)致無法對一些突發(fā)狀況做出快速、準確的判斷。信息量等級為Z2時,駕駛員行車操作水平較高、注意力較集中且沒有太緊張,行車更安全。即草原公路交通工程設(shè)施每1 km信息量在Z2等級時,有利于吸引駕駛員注意交通工程設(shè)施所提供的信息,從而有利于駕駛員行車。

圖5 熟練駕駛員平均LF/HF值隨信息量變化關(guān)系圖Fig.5 Graph of average LF/HF value of experienced drivers changing with information quantity

圖6 非熟練駕駛員平均LF/HF值隨信息量變化關(guān)系圖Fig.6 Graph of average LF/HF value of inexperienced drivers changing with information quantity

3.3 差異與共性分析

基于以上分析,草原公路交通工程設(shè)施每1 km信息量在Z2等級時,最吸引駕駛員注意交通工程設(shè)施所提供的信息,從而有利于駕駛員行車,而不同駕駛經(jīng)驗的駕駛員心率變異指標變化隨交通工程設(shè)施信息量的變化也存在一定的差異,SDNN和LF/HF箱線圖如圖7和圖8所示。

由圖7可知,熟練駕駛員在各信息量等級下的SDNN均值Z0—Z5分別為24.6、30.8、30.0、30.4、24.2、26.7 ms,非熟練駕駛員在各信息量等級下的SDNN均值Z0—Z5分別為35.0、35.7、43.4、37.6、36.3、33.1 ms,熟練駕駛員在不同等級信息量下SDNN的均值均小于非熟練駕駛員,這說明熟練駕駛員在信息量變化時RR間期離散程度比非熟練駕駛員小,熟練駕駛員調(diào)節(jié)水平較高,處理信息能力較強。

圖7 駕駛員SDNN箱線圖對比Fig.7 Driver SDNN boxplot comparison

圖8 駕駛員LF/HF箱線圖對比Fig.8 Driver LF/HF boxplot comparison

由圖8可知,熟練駕駛員LF/HF的均值隨信息量等級的變化分別為1.222、1.918、3.076、1.334、1.454、1.102,非熟練駕駛員LF/HF的波動范圍隨信息量等級的變化分別為0.561、0.675、1.439、0.780、1.114、1.113,除Z5信息量下的LF/HF數(shù)值外,熟練駕駛員LF/HF的波動范圍與均值均高于非熟練駕駛員,說明熟練駕駛員警惕性和注意力較高,對交通工程設(shè)施更加關(guān)注。

4 結(jié)論與討論

本文通過對內(nèi)蒙古典型草原公路進行室內(nèi)模擬實驗,基于駕駛員HRV特性定量地研究了草原公路交通工程設(shè)施信息量適宜范圍,得出結(jié)論如下。

(1)以HR作為標準,通過對HR與HRV進行灰色關(guān)聯(lián)度分析,確定了隨交通工程設(shè)施信息量變化駕駛員的最佳心率變異評價指標為SDNN、LF/HF。

(2)對不同等級交通工程設(shè)施信息量與其對應(yīng)的心率變異指標進行回歸分析,駕駛員在Z2(10～20 bits)等級下調(diào)節(jié)水平相對較高、注意力較集中、對交通工程設(shè)施的關(guān)注度高。草原公路交通工程設(shè)施每1 km信息量在10～20 bits,最吸引駕駛員注意交通工程設(shè)施所提供的信息,從而有利于駕駛員行車。

(3)熟練駕駛員相對非熟練駕駛員注意力較集中,對交通工程設(shè)施關(guān)注度較高,系統(tǒng)調(diào)節(jié)水平較高,建議在草原公路交通工程設(shè)施設(shè)計與設(shè)置中考慮駕駛經(jīng)驗的影響。

本文研究確定了有利于吸引駕駛員注意的交通工程設(shè)施信息量適宜范圍,未來應(yīng)通過室內(nèi)模擬實驗與實駕試驗相結(jié)合,增加其他影響因素的分析,以及其他心生理指標的分析,從而更綜合與更合理地確定草原公路交通工程設(shè)施信息量最佳適宜范圍。