單調景觀公路長度臨界閾值

魏中華，趙 霞

（北京工業(yè)大學城市交通學院，北京 100124）

單調景觀公路長度臨界閾值

魏中華，趙 霞

（北京工業(yè)大學城市交通學院，北京 100124）

為了分析不同景觀形態(tài)下的公路長度閾值的設計標準是否一致，根據(jù)交通工程心理學的理論，運用模擬駕駛的實驗方法，分析駕駛人在不同公路景觀類型下的駕駛行為特性，分析駕駛人心電指標、車輛運行狀態(tài)隨公路長度的變化規(guī)律，并建立基于駕駛人心電指標的公路長度計算模型，推算不同景觀圍合度的公路長度理論閾值；然后，運用壓力測試問卷和實地驗證實驗相結合的方式，驗證理論公路長度閾值模型.結果表明：模擬駕駛實驗推算的理論公路長度閾值的預測精度高于90%，并得到各景觀圍合度的公路長度臨界閾值.

公路景觀；空間圍合度；影響機制；駕駛行為；臨界閾值

公路景觀設計作為增加視覺刺激的重要手段，可有效提高駕駛積極性、舒適性和安全性，是未來公路建設的必要考慮因素.而景觀空間優(yōu)化在公路景觀優(yōu)化設計中顯得尤為重要.2000年，Simonds［1］指出，圍合界面的大小以及組合方式顯著影響個體對空間的氛圍識別與情緒感知.歐洲國家在公路建設中特別注重道路景觀設計與自然環(huán)境、公路線性相結合；更注重其與駕乘人員心理和視覺特性相協(xié)調. Mok等［2］指出，考慮到駕駛人的心理和視覺特性，機動車道上的景觀構成應以大尺度、粗線條設計為主.在具體的公路景觀規(guī)劃中，單調圍合景觀因其建設周期短、工程造價少、實地操作容易等優(yōu)點而常見于各交通廊道，但常見公路線形過長或過渡形式紊亂等現(xiàn)象.Thiffault等［3］在模擬駕駛實驗中證實，長直單調的道路環(huán)境極易消極影響駕駛行為，誘發(fā)駕駛疲勞，增加事故發(fā)生率，造成潛在的安全隱患. Antonson等［4］和Rnros［5］研究得到駕駛人在不同景觀圍合度下的駕駛行為有顯著差異，景觀公路的長度閾值也可能存在差異.公路的長度閾值是評價公路安全系數(shù)的一個重要指標.Brookhuis等［6］指出駕駛績效與工作負荷度呈現(xiàn)倒U的關系模型.工作負荷度越高，駕駛績效越差.單調景觀對駕駛人的影響亦是負荷度持續(xù)累積的過程.因此，有必要分析不同景觀類型下的公路長度閾值，使駕駛績效最佳.

歷年文獻對不同景觀類型下的公路長度閾值的量化研究較少.部分文獻定性提出公路長度的參考閾值.例如，魏中華［7］、秦曉春等［8］定性提出景觀公路的長度閾值需要參考景觀設計特性，如空間圍合度、景觀序列或景觀敏感度.新西蘭公路局定性提出公路廊道每隔5 min至少出現(xiàn)1個景觀單元［9］.同時，部分文獻通過問卷評估、實地實驗、視頻或圖片觀看等方式，分析車輛運行狀態(tài)隨行駛公里的變化趨勢，以推算公路長度閾值［10-11］.但是這一階段的研究方式缺乏對景觀與駕駛人的交互式影響的關注，忽視公路使用者的心/生理要素，而這往往是公路景觀規(guī)劃設計需遵循的必要原則之一.數(shù)據(jù)顯示，基于生物信號的心/生理特征檢測方式，因其實時、無創(chuàng)、無擾的特點而成為目前駕駛行為研究中的熱點.因此，大量駕駛行為實驗借助動態(tài)心/生理檢測儀器，如心電儀、腦電儀、眼動儀，結合主觀問卷，檢測駕駛人心/生理狀態(tài)隨行駛公里的變化趨勢.在這些生物信號中，心電指標是分析自主神經(jīng)對心血管的影響程度的理想指標［12］，且心電儀因操作簡單、攜帶方便、無干擾、信號采集便利、信號精確反映心臟變化趨勢等優(yōu)點得到廣泛應用［6］.例如，2011年毛科俊［13］在模擬駕駛環(huán)境下得到基于心電指標HR的公路長度閾值，但未考慮不同景觀類型下的長度閾值的異質性.

因此，本文基于典型的景觀圍合形式，依托駕駛模擬艙，結合動態(tài)心電檢測儀，首先，研究駕駛人心電指標、車輛運行狀態(tài)隨公路長度的變化規(guī)律；其次，建立基于駕駛人心電指標的公路長度計算模型，推算不同景觀類型的公路長度理論閾值；最后，運用壓力測試問卷和實地實驗相結合的方式，驗證模擬實驗的結果.

1　實驗設計

1.1實驗者

遴選實驗者的標準為：健康的男/女性；裸視力或者矯正視力在1.0以上；駕齡3 a以上，平均年駕車公里超過5 000 km；年齡范圍限制在20～40歲，以減少由年齡段不同所帶來的景觀審美或認知差異.

35名實驗者參加模擬實驗，5名實驗者的數(shù)據(jù)不予以采納，因其在實驗過程中受到外界信號干撓. 30名實驗者（男性16人，女性14人）的數(shù)據(jù)有效，實驗成功率為85.7%.所有實驗者的平均年齡為25.56±2.11歲，平均駕齡3.92±0.49 a.其中，男性比例為53.3%，男性平均年齡為27.12±2.41歲，平均駕齡為4.00±0.31 a.對男、女實驗者的年齡和駕齡分別進行顯著性分析發(fā)現(xiàn)，男、女組間的年齡不具有統(tǒng)計學意義［F（1，28）=2.54，p=0.12＞0.05］，男、女組間的駕齡也不具有統(tǒng)計學意義［F （1，28）=0.86，p=0.36＞0.05］.可見，男、女駕駛人的個體屬性不具有統(tǒng)計學意義.

1.2實驗器材

1.2.1駕駛模擬艙

模擬艙為駕駛行為的研究提供了一個交互可控、安全經(jīng)濟的虛擬環(huán)境.研究發(fā)現(xiàn)，當模擬環(huán)境的逼真度接近真實環(huán)境，駕駛人受2種場景的影響不具有統(tǒng)計學意義［12］.這可為本文的駕駛行為影響研究提供理論支撐.

實驗采用的駕駛模擬艙的型號為 AutoSim AS1600.包括駕駛操作系統(tǒng)、視景系統(tǒng)及車輛行駛參數(shù)采集系統(tǒng)等.駕駛操作系統(tǒng)利用動力發(fā)生器模擬0～10 Hz的振動，并模擬車輛的平、縱、橫三向運動.模擬車型為豐田Yaris.在視景仿真系統(tǒng)中，4臺服務器負責運行計算車輛左前方、前方、右前方和后方公路場景的實時數(shù)據(jù)，提供140°水平視野和40°垂直視野，并由4臺分辨率為1 024×768的投影儀分別輸出視頻數(shù)據(jù)至8.3 cm（3.25英寸）液晶顯示屏上.車輛行駛參數(shù)采集系統(tǒng)實時獲取模擬車輛的三維坐標、車速、道路側偏值、制動距離、方向盤轉向角度等主要參數(shù).

1.2.2心電儀

選取北京保邁科技有限公司研發(fā)的便攜式KF2動態(tài)心電儀檢測駕駛任務過程的心電參數(shù)，如心電圖、心率、呼吸、體位及體表溫度等，以256 Hz的頻率對心電參數(shù)進行無干擾式采樣.

1.3虛擬環(huán)境

本文的虛擬道路景觀環(huán)境的原型為大廣省際公路北京段.這是一條雙向四車道的城市快速路.每一模擬路段長20 km，單向行車道總寬14.5 m，單車道寬3.75 m，右側路肩寬2.0 m，右側安全凈區(qū)寬5.0 m，最高限速為80 km/h.根據(jù)文獻［13］可知，20 min是產(chǎn)生疲勞的臨界時間點，因此，實驗設置的公路長度為15 min×80 km/h=20 km，以構建單調但未至疲勞的公路駕駛環(huán)境.為保證實驗者不受除景觀圍合外的其他因素（如公路線形、天氣、車流量、廣告牌等）的干擾，設定模擬場景為長直公路線形、晴朗天氣狀況、自由行駛狀態(tài)、無廣告牌等［14-15］.模擬場景中的路側景觀設置在安全凈區(qū)以外.模擬實驗構建三類典型的景觀圍合場景，即開放、半開放及封閉式，如圖1所示.

1）在開放場景中，公路兩側視野開闊，無高大樹群遮擋視線；

2）在半開放場景中，公路右側設有高大白楊樹群，平均高度為12 m，平均直徑為1 m.公路左側視野開闊，無高大樹群遮擋視線；

3）在封閉場景中，公路兩側均設有高大白楊樹群，平均高度為12 m，平均直徑為1 m.未安置與實驗目的無關的路側設施.未安置與實驗目的無關的路側設施.

1.4主觀問卷

1.4.1逼真度問卷

實驗設備和虛擬仿真環(huán)境的逼真度顯著影響實驗結果的可靠性，因此，需要評估實驗設備及實驗環(huán)境的逼真度.實驗設備為豐田Yaris半實物仿真車輛，測評項為油門、剎車、檔位、方向盤、座椅、視鏡.實驗環(huán)境為模擬公路場景，測評項為標志、標線、景觀、路面鋪裝、公路線形設計.評分法為Likert5分法，其中1分為“根本不逼真”，5分為“非常逼真”.

1.4.2壓力測試問卷

所有實驗者需在實驗過程中或實驗結束后根據(jù)工作人員指導認真作答壓力測試問卷.該問卷主要根據(jù)實驗者在行車過程中壓力感知或情緒體驗，測評3個主題.主題1、2運用Likert5分法測評，其中：1分為“根本不強烈”，5分為“非常強烈”.

1）主題1測評實驗者是否受到消極情緒影響及強烈程度；

2）主題2測評實驗者每隔4 km的消極情緒的強烈程度，即工作人員每隔4 km的行駛里程詢問實驗者的消極情緒的強烈程度，實驗者通過講機實時反饋當前場景中的消極情緒的打分值；

3）主題3測評實驗者期望的最大公路長度.

1.5客觀變量

Horst等［16］指出車輛運行狀態(tài)指標中的行駛速度和道路側偏值是量化表征駕駛績效的重要指標.同時，楊渝書等［17］指出，心電信號是無創(chuàng)測定自主神經(jīng)對心血管影響，準確反映個體應激水平或體力負荷的有效指標.故選取這2類指標表征不同圍合場景下的駕駛特征.

1.5.1車輛運行狀態(tài)指標

汽車行駛速度的變化可表征車輛縱向運動狀態(tài)的操作穩(wěn)定性.

道路側偏值（lane deviation，簡寫為LD）是指車輛偏離道路中心線的位移.它的變化可表征車輛橫向運動狀態(tài)的操作穩(wěn)定性.

1.5.2駕駛人心電指標

對心電指標的分析主要包括對心率和心率變異性的分析［18］.心率（heart rate，HR）是指心臟每分鐘跳動的次數(shù).它是評定駕駛人心/生理變化的敏感指標，能內(nèi)在反映駕駛人的體力負荷度［19］.心率變異性分析（heart rate variability，HRV）是指連續(xù)竇性心跳間期的微小漲落，由心率或心動周期變化的程度表示.心臟正常活動取決于交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的平衡.若交感神經(jīng)活性增強，副交感神經(jīng)活性減弱，心律可能失常.因此，HRV是鑒別這2類神經(jīng)是否處于平衡狀態(tài)的有效方法［20］.

本文對HRV的分析方法為頻域分析法.其中，低頻指標（low frequency，LF）加速心跳搏動頻率，反映交感神經(jīng)的活性強度.當機體處于劇烈運動、緊張狀態(tài)或不良環(huán)境中時，交感神經(jīng)活性強度占優(yōu)勢，它使機體的應激水平上升，機體器官活性增強，適應環(huán)境急劇變化的能力提升，機體內(nèi)在穩(wěn)定性增強；高頻指標（high frequency，HF）反映副交感神經(jīng)的活性強度.當機體處于平靜狀態(tài)時，副交感神經(jīng)活性強度占優(yōu)勢.它使心跳減慢、血壓降低、支氣管縮小.當副交感神經(jīng)持續(xù)作用于個體時，個體進入消極應激狀態(tài)，易頭暈目眩、疲勞無力.一般，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)功能相反、相互制約.低頻與高頻的比值LF/HF表征自主神經(jīng)的平衡性，反映交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)的張力平衡狀態(tài).若LF/HF值增加，交感神經(jīng)活性增強，暗示機體可能處于緊張狀態(tài)或不良環(huán)境中.

1.6實驗流程

實驗于2014年5月21日—31日在北京工業(yè)大學交通樓的模擬駕駛實驗室開展.選定人體生理周期的活躍期進行實驗，即上午9：00—12：00及下午2：00—5：00［21］249-451.實驗室平均溫度為23℃，實驗環(huán)境安靜.正式實驗前，實驗者需保證充足睡眠.實驗前3 h，建議停止攝入任何刺激性酒水或藥物，如咖啡、茶、酒、煙草等.實驗當天，工作人員首先解說實驗流程、儀器的操作方法及主觀問卷的填寫方式，確保實驗者正確掌握實驗流程.在工作人員指導下，實驗者在一段長直鄉(xiāng)村路段上進行模擬駕駛訓練.訓練路段與實驗內(nèi)容無關.實驗者可按平時駕駛習慣自由練習以熟悉實驗設備和實驗環(huán)境.休息10 min后，實驗者佩戴KF2型心電儀，靜坐15 min恢復精神狀態(tài)或體力狀態(tài).正式實驗中，每名實驗者需分別完成開放、半開放及封閉場景的行駛任務，實驗順序隨機，以減少駕駛人潛在的學習效應.實驗者的行駛速度需小于公路設計的最高限速80 km/h.工作人員實時記錄實驗者的車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及心電數(shù)據(jù).并且在每個行駛場景中，工作人員每隔4 km詢問實驗者在行車過程中消極情緒的強烈程度，以記錄實驗者的實時情緒狀態(tài).每段駕駛任務結束后，實驗者休息15 min，完成壓力測試問卷，并調整狀態(tài)準備下個實驗.圖2示例某位實驗者行駛于開放場景的圖片.當實驗者完成所有駕駛任務，實驗結束.

1.7統(tǒng)計分析

運用統(tǒng)計分析軟件IBM SPSS 20.0對實驗有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.采用3σ準則剔除實驗數(shù)據(jù)中的奇異數(shù)據(jù).3σ準則是統(tǒng)計學中常用的剔除奇異點的方法.它是在粗差不可避免的情況下，使參數(shù)的分布盡可能避免粗差的影響，得到正常模式下的有效數(shù)值.在每類圍合場景中，將20 km的實驗路程劃分為20段，每段1 km，對單位公里的各類指標取平均值.運用重復測量方差分析法分析3類圍合場景下各指標的顯著性差異.重復測量方差分析采用Mauchly球形檢驗法.若檢驗p＞0.05，說明重復測量數(shù)據(jù)之間不存在相關，數(shù)據(jù)符合球形假設，采用主體內(nèi)效應檢驗輸出結果；反之，若p ＜0.05，數(shù)據(jù)不符合球形假設，則采用多變量檢驗輸出結果進行顯著性分析.若3類場景下某類指標具有統(tǒng)計學意義，將其提取為特征指標.反之，為非特征指標.

2　結果分析

2.1逼真度問卷評估

實驗者對半實物仿真車輛及模擬環(huán)境的逼真度的評估分值如下.車輛的各項得分為：油門4.87± 0.85；剎車4.93±1.29；檔位4.85±0.87；方向盤4.80±1.29；座椅4.89±0.69；視鏡4.81±0.68.車輛逼真度的綜合得分為4.86±0.78.模擬場景的各項得分為：標志4.85±0.51；標線4.80±0.86；景觀4.81±0.99；公路鋪裝4.83±0.59；公路線形設計4.87±0.95.模擬場景逼真度的綜合得分為4.83± 0.78.可見，實驗設備和虛擬環(huán)境的逼真度都較高，可為室內(nèi)模擬環(huán)境的數(shù)據(jù)采集提供理論參考.

2.2車輛運行指標統(tǒng)計分析

2.2.1速度

對各模擬場景下的速度進行描述性分析，結果見表1.速度隨公路長度變化的散點分布見圖3.可見，開放場景、半開放和封閉場景的速度均值約為81 km/h，略微超過實驗規(guī)定的最高限速80 km/h.

表1　模擬場景關鍵參數(shù)描述性分析Table 1 Descriptive analysis of key parameters in the simulator

對行駛速度進行重復測量方差分析.由行駛速度的Mauchly球形檢驗結果可知，檢驗p＜0.05［χ2（2）=11.59，p=0.05＜0.05］，不滿足球形分布假設.故采用多變量檢驗中的Pilliai跟蹤法進行顯著性分析，得到檢驗p=0.33［F（2，370）=1.12，p＞0.05］，表明開放、半開放和封閉場景下的行駛速度不具有統(tǒng)計學意義，非本文的特征指標.但在給定限速80 km/h的條件下，各場景中的行駛速度均接近甚至超過限速，這意味著長直單調公路易引發(fā)實驗者快速甚至超速的駕駛行為.

2.2.2LD

對各模擬場景下LD進行描述性分析，結果見表1.LD隨公路長度變化的散點分布見圖4.可知，開放場景的LD均值最大，為（0.74±0.12）m；封閉場景的LD均值最小，為（0.10±0.04）m.

對LD進行重復測量方差分析.由LD的Mauchly球形檢驗結果可知，檢驗p＞0.05［χ2（2）= 1.42，p=0.49＞0.05］，滿足球形分布假設.故采用主體內(nèi)球形度效應檢驗可知，開放、半開放和封閉場景下的 LD有統(tǒng)計學意義［F（2，360）=297.55，p＜0.05］.進一步的LD兩兩比對顯示，僅開放場景和其他兩場景間的LD有統(tǒng)計學意義.各場景中LD的誤差條形圖見圖5.一般來說，LD波動越小，駕駛狀態(tài)越穩(wěn)定.由上述實驗數(shù)據(jù)分析可知：開放場景的LD顯著高于半開放和封閉場景的LD.與其他兩場景相比，開放場景更易讓實驗者偏移車道中心線，更易誘發(fā)駕駛狀態(tài)的不穩(wěn)定性，致使駕駛穩(wěn)定性較差.可見，LD顯著體現(xiàn)景觀對駕駛人的影響變化規(guī)律，可以遴選為特征指標.取LD為評估駕駛穩(wěn)定狀態(tài)的特征指標.

2.3心電指標統(tǒng)計分析

2.3.1相關性分析

對各圍合場景的心電指標進行皮爾遜相關性分析，結果如表2所示.可見，在各類景觀圍合場景中，LF/HF與LF、LF/HF與HF的相關性均顯著超過0.70，屬較強相關；LF與HF的相關性也均顯著超過0.50，屬中度相關；LF/HF、LF、HF中的任一指標與HR的兩兩相關性都顯著小于0.4，說明這兩類指標的相關性較弱.

表2　各場景中心電指標相關性分析Table 2 Correlation analysis of ECG indices in each scenario

2.3.2HR

對各模擬場景下的HR進行描述性分析，結果見表1，開放場景、半開放場景和封閉場景的HR均值都接近78次/min.

（2）兩種開挖順序均導致巷道上部兩肩角處出現(xiàn)較大范圍的破壞區(qū)，因此在進行支護設計時，應考慮在錨桿支護的基礎上采用錨索進行加強支護。

對HR進行重復測量方差分析.由HR的Mauchly球形檢驗結果可知，檢驗p＜0.05［χ2（2）= 109.23，p=0.00＜0.05］，不滿足球形分布假設.故采用多變量檢驗法的Pillai跟蹤法進行數(shù)據(jù)分析可知，開放、半開放和封閉場景下的HR并無統(tǒng)計學意義［F（2，247）=2.25，p=0.11＞0.05］，HR的誤差條形如圖6所示.HR在各場景中無統(tǒng)計學意義，暗示著不同場景的駕駛任務未引發(fā)駕駛人的體力負荷出現(xiàn)顯著差異.這是因為實驗者在每段駕駛任務結束后均有足夠長的休息時間.故不宜遴選HR為特征指標.

2.3.3LF/HF

對各模擬場景下的LF/HF進行描述性分析，結果見表1，開放場景的LF/HF最大，為2.57±0.55；封閉場景的LF/HF最小，為2.38±0.39.

對LF/HF進行重復測量方差分析.由LF/HF 的Mauchly球形檢驗結果可知，檢驗p＞0.05［χ2（2）=3.45，p=0.18＞0.05］，滿足球形分布假設.故采用主體內(nèi)球形度效應檢驗可知，開放、半開放和封閉場景下的LF/HF有統(tǒng)計學意義［F（2，360）= 3.27，p=0.04＜0.05］.進一步的LF/HF兩兩比對顯示，僅開放與封閉場景的LF/HF有統(tǒng)計學意義，且開放場景的LF/HF顯著高于封閉場景的LF/HF. LF/HF的誤差條形圖如圖7所示.LF/HF值增加，暗示交感神經(jīng)活性增強，機體可能處于緊張狀態(tài)或不良環(huán)境中.與封閉場景相比，開放場景下實驗者的交感神經(jīng)活性更強，應激水平更高.同時，Bear等［21］479-661指出，較高的LF/HF值，易引發(fā)個體強烈的消極情緒.這暗示著開放場景更易帶給實驗者更大的行車壓力，更易引發(fā)駕駛消極情緒.故提取LF/HF為特征指標.

2.3.4LD與LF/HF關系分析

開放場景與封閉場景下，特征指標LF/HF與LD均有統(tǒng)計學意義.對比這2類指標的變化趨勢，如圖8所示.

由圖可知，無論在開放場景還是封閉場景，LF/ HF與LD均成正比.由表3所示，在任一場景中，LF/HF與LD的相關系數(shù)均顯著高于0.75，屬較強相關.最可能的解釋為：公路景觀通過影響駕駛人的心電指標（LF/HF），致使外在駕駛作業(yè)機能（LD）出現(xiàn)變化，從而對駕駛行為產(chǎn)生影響.這意味著LF/HF變化是誘發(fā)LD變化的重要原因.

表3　各場景LF/HF與LD相關性分析Table 3 Correlation analysis of LF/HF and LD in the simulator

3　模型搭建

LF/HF變化是誘發(fā)LD變化的重要原因，因此，選取心電特征指標LF/HF表征實驗者的駕駛應激狀態(tài).探討LF/HF隨公路長度的變化規(guī)律，客觀反映實驗者的駕駛應激狀態(tài)隨公路長度的變化趨勢，并基于LF/HF建立不同圍合度的公路長度閾值模型，推算公路長度的理論閾值.

3.1應激狀態(tài)客觀分析

各場景下LF/HF隨公路長度的變化趨勢擬合線如圖9所示，令L為各場景的公路長度，令F為公路長度L對應的平衡比指標LF/HF，定義如下幾個重要參數(shù)，并以封閉場景的曲線為例，標注出Lmin、Lmax關鍵點的位置.

令Fmin為對應的最小LF/HF值，則Lmin為Fmin對應的公路長度；

令Fmax為對應的最大LF/HF值，則Lmax為Fmax對應的公路長度.

由圖9可見，在各圍合場景中，［0，Lmin］為實驗者的起步階段.該段數(shù)據(jù)的主要影響源為車輛起步過程，受景觀的影響很小，因此，起步過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將不納入本章的研究范疇.在［Lmin，20］，各場景LF/HF隨公路長度的變化趨勢呈倒“U”形，具體解釋如下.

1）［Lmin，Lmax］：在3類場景中，隨著公路長度的增加，LF/HF均持續(xù)增加，暗示駕駛任務促使實驗者的交感神經(jīng)活性上升，主動應激水平上升，駕駛人進入積極應激的興奮狀態(tài)，說明公路形態(tài)帶給駕駛人積極正面影響.至公路長度Lmax處，LF/HF達到最大值，駕駛人的交感神經(jīng)活性強度達到最大值.

2）［Lmax，20］：在3類場景中，隨著公路長度的增加，LF/HF均持續(xù)急劇下降，暗示駕駛任務促使副交感神經(jīng)活性上升，交感神經(jīng)活性下降，使駕駛人的積極應激水平下降，而消極應激水平上升.此時，無論是何種圍合度的公路形態(tài)，均帶給駕駛人消極負面影響.

3）公路長度Lmax是駕駛人保持積極或消極狀態(tài)的轉折點.超過Lmax后，景觀的過度單調已經(jīng)不能再為駕駛人提供積極影響［19］.故各種景觀圍合度的公路長度的臨界閾值為Lmax.

3.2應激狀態(tài)主觀評估

較高的LF/HF值，易引發(fā)個體強烈的消極情緒［21］.因此，通過壓力測試問卷主觀評估實驗者在駕駛過程中情緒的壓力感知狀態(tài)，以驗證駕駛壓力狀態(tài)客觀分析的可靠性.

實驗數(shù)據(jù)顯示：開放場景43.2%、半開放場景29.3%及封閉場景27.5%的實驗者均表示駕駛情緒受到消極影響，可見開放場景比其他兩場景更易誘發(fā)駕駛人的消極情緒.消極影響主要表現(xiàn)為壓抑、煩躁，尚未出現(xiàn)疲勞和憤怒情緒.

實驗者駕駛情緒受到消極影響的強烈程度的打分均值分別為開放場景3.3±1.8，半開放場景2.6±1.7，封閉場景2.4±1.6.各場景中實驗者每4 km消極情緒隨公路長度的變化趨勢如圖10所示.由圖可知：開放場景中，在9～12 km處，消極情緒驟變至3.5分，消極情緒比較強烈；半開放場景中，在 13～16 km處消極情緒已經(jīng)升至3.8～4.0分，消極情緒比較強烈；總體而言，模型推算得到的各場景下的公路長度的理論閾值均出現(xiàn)在主觀評估的消極情緒分值在3.8～4.0處，消極情緒比較強烈.且開放場景的公路長度理論閾值為三者中的最短值，其消極情緒出現(xiàn)得最早.主觀評估結論證實駕駛壓力狀態(tài)客觀分析的可靠性，并證實結論“開放場景更易帶給實驗者更高的應激水平、更大的道路側偏值和相對較差的駕駛穩(wěn)定性”.

3.3公路長度臨界閾值模型

對LF/HF與公路長度的散點分布分別進行三次多項式擬合、二次多項式擬合、線性擬合、指數(shù)擬合、負指數(shù)擬合和對數(shù)擬合，結果發(fā)現(xiàn)：當擬合曲線為三次多項式時，擬合優(yōu)度 R2最大，介于0.92～0.95.LF/HF與公路長度的三次擬合曲線的表達式為

式中：L為景觀場景中對應的公路長度，km；F（L）為公路長度對應的LF/HF值；qi為L的第j次冪對應的第i次多項式系數(shù)（j=1，2，3，4；i=4-j）；R2為多項式的擬合優(yōu)度.曲線的關鍵參數(shù)見表4.

表4　模擬場景擬合曲線的關鍵參數(shù)及擬合優(yōu)度Table 4 Polynomial coefficients qiand fitting degree R2of the curves in the simulator

分別對各場景的F（L）求導，令導數(shù)函數(shù)為0，求導公式為

計算F（L）最大的公路長度閾值Lmax.

計算結果匯總至表5.對各場景的公路長度閾值Lmax進行顯著性檢驗得到，不同場景的Lmax有統(tǒng)計學意義［F（2，87）=441.22，p=0.00＜0.05）.進一步對Lmax兩兩比較可知，開放場景的長度閾值與其他兩場景的長度閾值存在統(tǒng)計學意義.

3.4公路長度臨界閾值主觀評估

運用壓力測試問卷主觀評估實驗者期望的公路長度閾值，以便對公路長度理論閾值進行精度校驗.統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)的結果得到，在20 km的行駛場景中，85.9%的實驗者認為公路長度設置過長，并且實驗者期望的公路長度閾值分別為：開放場景11.02 km、半開放場景13.68 km、封閉場景14.08 km.將公路長度期望閾值與表5中公路長度理論閾值相比，分別計算得到模型的相對推算精度為：開放場景99.2%，半開放場景94.1%和封閉場景92.4%，如表5所示，可見模型推算的精度較高.

4　實地驗證實驗

為探索室內(nèi)模擬實驗獲得的實驗結論是否可靠，需要進一步開展實地駕駛實驗進行驗證.

4.1實驗設計

選定實地大廣高速公路具有開放、半開放和封閉圍合特性的原型路段進行實驗.室外駕駛實驗所用的小汽車為別克凱越車型，與模擬實驗的豐田Yaris車型性能相近.隨機遴選6名已參加過模擬實驗的實驗者進行實地實驗，實驗者需同樣佩戴KF2型心電儀以便采集LF/HF心電數(shù)據(jù).實驗時間為2014-07-07/07-11（周一至周五）的2014-07-07 T 10：00—15：00，所選時段天氣晴朗，交通流為自由流狀態(tài).對比分析開放、半開放及封閉的公路場景下，模擬實驗與實地實驗LF/HF指標的相關性及變化規(guī)律的一致性，驗證室內(nèi)模擬駕駛實驗數(shù)據(jù)的相對有效性.采用IBMSPSS20.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

表5　公路長度閾值理論閾值及期望閾值Table 5 Highway'sconcluded length thresholds in the simulator and questionnaire

4.2校驗分析

如圖11所示，任一場景中，模擬實驗與實地實驗的LF/HF散點變化趨勢顯著相關，室內(nèi)外LF/HF散點趨勢變化規(guī)律相對一致，且LF/HF均值也呈現(xiàn)顯著的較強相關性，相關系數(shù)分別為0.77、0.83、0.78，如表6所示.

同時，如表7所示，任一場景中，實地實驗LF/ HF均值普遍高于模擬實驗的LF/HF均值，表明室外實驗者的應激水平普遍高于室內(nèi)實驗者的應激水平.

表6　各場景LF/HF相關性分析Table 6 Correlation analysis of LF/HF in and out of the simulator in each scenario

表7　各場景實地與模擬場景LF/HF的描述性分析Table 7 Descriptive analysis of LF/HF in and out of the simulator in each scenario

綜上可得，基于LF/HF心電指標的室內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)有效，證實各場景室內(nèi)模擬駕駛實驗數(shù)據(jù)的相對有效性.

4.3公路長度的實際閾值

基于3.2節(jié)各模擬場景下公路長度理論閾值模型的構建思想，建立實地場景下各場景的公路長度的閾值模型，推算公路長度的實地閾值.

對實地場景的LF/HF與公路長度的散點分布分別進行三次多項式擬合、二次多項式擬合、線性擬合、指數(shù)擬合、負指數(shù)擬合和對數(shù)擬合，結果發(fā)現(xiàn)：當擬合曲線為三次多項式時，擬合優(yōu)度R2最大，介于0.94～0.97.令L為各場景的公路長度，令G為實際場景中公路長度L對應的平衡比指標LF/HF.則實際場景中LF/HF與公路長度的三次擬合曲線的表達式為

式中：L為實地景觀場景中對應的公路長度，km；G （L）為實際場景公路長度對應的LF/HF值；q＇i為L的第j次冪對應的第i次多項式系數(shù)（j=1，2，3，4；i=4-j）；R2為多項式的擬合優(yōu)度.曲線的擬合參數(shù)和擬合優(yōu)度見表8.

表8　實地場景擬合曲線的關鍵參數(shù)及擬合優(yōu)度Table 8 Polynomial coefficients q＇iand fitting degree R2of the curves in the field

分別對各場景的G（L）求導，求導公式為

表9　模擬場景與實地場景參數(shù)對比Table 9 Parameter comparisons between the simulated and field scenarios

對比模擬場景與實地場景的2對參數(shù)（公路長度閾值Lmax與L＇max，LF/HF最大值Fmax與Gmax）的變化趨勢，見表9及圖12.可以發(fā)現(xiàn)：

1）任一場景中，實地場景的公路長度閾值L＇max均大于模擬場景的理論閾值Lmax，閾值的增加幅度為0.05～1.88 km.其中，實地場景中開放場景的公路長度閾值增加幅度最大，為1.88 km；而封閉場景的公路長度閾值增加幅度最小，僅為0.05 km.開放、半開放及封閉場景中理論閾值的估算精度分別為81.9%、93.6%及99.6%.

2）任一場景中，實地場景的 LF/HF最大值Gmax均大于模擬場景的LF/HF最大值Fmax，證實實地場景中駕駛人的應激水平普遍高于模擬環(huán)境中的應激水平.LF/HF的增加幅度為0.82～1.46.其中，實地場景中封閉場景的LF/HF增加幅度最大，為1.46，說明在實地的封閉景觀場景中，實驗者的應激水平增加幅度最大；而開放及半開放場景的LF/HF增加幅度均相對較小，為0.82～1.09.

5　結論與展望

1）證實駕駛人在不同圍合場景下駕駛特征并非完全一致.相對于封閉場景，開放場景更易帶給實驗者更高的主動應激水平、更大的道路側偏值、相對較差的駕駛穩(wěn)定性，同時更易引發(fā)消極駕駛行為.但是，開放與封閉場景的駕駛速度和體力負荷度并無統(tǒng)計學意義.不同的景觀空間圍合形式對駕駛行為的影響不同.駕駛人在開放式的景觀場景中的行車速度、車道偏移量和行車壓力均顯著高于其他2個場景的對應值.

2）界定了不同景觀圍合度的公路長度理論閾值.無論是何種景觀圍合度的公路環(huán)境，即便形式單調，在一定的長度閾值內(nèi)也能正面影響駕駛行為.但當公路長度超過它的臨界閾值，不論是何種形式的公路景觀，都會對駕駛人帶來消極影響.開放式公路的理論長度閾值最短，顯著小于其他兩場景的理論閾值.

3）發(fā)現(xiàn)室內(nèi)外場景中各評價指標相關性較強，散點趨勢變化規(guī)律相對一致，證實室內(nèi)模擬實驗數(shù)據(jù)的相對有效性.在任一場景下，室外實驗者的體力負荷度或應激水平均普遍高于室內(nèi)實驗者的體力負荷度或應激水平.

論文結論可為公路設計實踐提供初步理論參考.在設計不同圍合度的公路景觀時，需要秉承“佳則收之，陋則蔽之”的基本原則，充分構造不同的輔助視覺空間以提高視覺刺激.例如，開放式場景為駕駛人帶來相對開闊的視覺空間，施工和維護成本較低，對自然環(huán)境的保護最佳，適用于公路遠景質量好的情況；封閉式圍合場景能為駕駛人帶來相對均衡和隔離的行駛環(huán)境.車道偏移量以及駕駛速度的變化都較為平穩(wěn)，且視覺誘導功能較強，施工和維護成本都較高，適用于公路遠景質量不佳的情況.但無論是何種圍合形式，公路長度均應控制在理論閾值范圍內(nèi).

同時，本文的研究局限之處列舉如下，在未來的研究中也將進一步深入考慮.

1）本文將景觀圍合度作為單一變量建立公路長度臨界閾值模型，鑒于道路環(huán)境的復雜性，在后續(xù)研究中將考慮車流、車型等因素以提高結論普適性.

2）所有結論結果均是基于限速80 km/h的單向兩車道城市快速路條件下得出.未來研究中進一步討論上述結論對其他道路等級的適用程度.

3）在半開放場景下，特征指標與駕駛特征的規(guī)律出現(xiàn)隨機性與不穩(wěn)定性，不好把握和評估，故研究未對半開放場景的特性做深入探討.但半開放場景具有天然的彈性和兼容性，施工造價和維護成本介于開放式和封閉式景觀場景之間，有必要在未來實驗中進一步探討半開放式的公路場景對駕駛行為的影響以及該場景的適用條件.

4）文中實驗者的年齡段為20～40周歲，是中國典型的駕駛群體.實驗環(huán)境為典型的開放、半開放和封閉的公觀場景.在后續(xù)的究中，將更換實驗樣本或實驗環(huán)境，研究不同的實驗樣本在相同的實驗環(huán)境下駕駛特征的異同或研究相同的實驗樣本在不同的實驗環(huán)境下駕駛特征的異同，豐富實驗結論.

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（責任編輯 鄭筱梅）

Critical Threshold of Highway Length Under Monotonous Landscaping Patterns

WEI Zhonghua，ZHAO Xia
（College of Metropolitan Transportation，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Based on applied theories of traffic engineering psychology，the paper aims to quantitatively analyze highway landscape's effect on driving behavior based on drivers'physiological performance，and quantify highway length thresholds under three typical landscape patterns，namely“open”，“semi-open”and“vertical”ones.These studies were designed in the combination of the driving-simulator studies with the field operational tests for verification.And devices utilized here were the driving simulator，and electrocardiograph.Specifically，vehicle-related data，ECG data and supplemental subjective stress perception were collected.The evaluation results extrapolated the drivers'U-shaped physiological response to landscape patterns.Models on highway length were built based on LF/HF's variation trend with highway length.The results reveal that the theoretical highway length threshold tends to increase when the landscape pattern was switched to open，semi-open and vertical ones.The reliability and accuracy of the results is validated by questionnaires and field operational tests.With precision rates of theoretical thresholds higher than 90%，the model results were testified to have had high reliabilities.

highway landscape；spatial patterns；effect mechanism；driving behavior； critical threshold

U 491

A

0254-0037（2016）01-0095-12

10.11936/bjutxb2015040029

2015-04-13

國家自然科學基金資助項目（51208008）；國家“973”計劃資助項目（2012CB723303）

魏中華（1977—），男，副教授，主要從事公路景觀規(guī)劃、智能交通控制與管理方面的研究，E-mail：weizhonghua@ bjut.edu.cn