基于駕駛員心率變化的山區(qū)旅游公路線形安全性研究

王清洲 陳佳夢 范 鑫 國騰飛

(1.河北工業(yè)大學土木與交通學院 天津 300401；2.河北省土木工程技術研究中心 天津 300401；3.天津鐵道職業(yè)技術學院鐵道運輸系 天津 300240)

0 引 言

近10年國內旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，山區(qū)旅游公路因線形復雜，導致交通事故頻發(fā)，自駕游的安全性亟待關注。山區(qū)旅游公路為避免破壞原有地貌、植被和景致順勢而建，舍棄高技術等級、高橋隧比作為路線設計的目標[1]，因此,常出現(xiàn)技術等級低、路窄、坡陡、彎急的路段，甚至突破設計規(guī)范中部分參數(shù)的極限值以克服復雜地形，加重駕駛員的生理負荷，易造成交通事故，危及司乘人員的生命財產(chǎn)安全。

國內外對普通公路、山區(qū)公路的安全性研究，以及對駕駛員生理心理負荷的研究取得許多成果。美國、英國和澳大利亞的專家學者P. Bhalla, S. Tripathi和S. Palria.[2]經(jīng)過對大量事故的深入研究，認為人作為影響因素之一，影響程度最大，均超50%。S. F. Kazemi和Y. Shafahi[3]對道路線形的設計理念提出靈活使用，順應地形，兼顧考慮汽車動力和車身設計與道路周圍環(huán)境、所處地形、駕駛員操作行為等因素，制定寬泛線形指標，根據(jù)實際地形特征選用。S. Kang和S. M. Lee[4]通過1996-2000年的大量觀測數(shù)據(jù)及地理信息系統(tǒng)(GIS)輔助測試和研究，提出在交通事故中的風險因子，發(fā)現(xiàn)平曲線與事故率顯著相關。曹友露[5]利用Smart Eye Pro 5.7型眼動儀及GNSS接收機進行雙車道公路駕駛員眼動試驗，記錄了行駛過程駕駛員眼動參數(shù)，確定視覺負荷強度值，根據(jù)視覺負荷強度對雙車道公路線形進行安全評價。潘曉東[6]研究人體信息技術，通過駕駛員脈搏數(shù)和血壓值建立評價駕駛員心理生理上的反應指標，研究道路交通環(huán)境對駕駛員形成的心理上的影響和生理上的負擔，用以評價道路線形的安全視距及優(yōu)劣性，并提出改善方案。

已有研究成果主要針對高速公路、山區(qū)干線公路駕駛員生理負荷與線形的關系，對于線形更復雜且有較多不滿足規(guī)范設計值的旅游公路的安全性評價鮮有報道，使山區(qū)旅游公路的線形設計缺少可參考的理論依據(jù)。通過分析山區(qū)旅游公路駕駛員心率變化與道路線形、運行速度的關系，研究雙向2車道山區(qū)旅游公路幾何線形布置對駕駛員心理的影響，揭示駕駛員、道路線形指標、運行速度相互作用機理，建立N(i),N(r) ,N(i,r,v)的關系模型，提出敏感路段的技術特征，為山區(qū)旅游公路安全性研究提出理論依據(jù)。

1 山區(qū)旅游公路的特點

旅游公路的概念與設計標準在我國尚未統(tǒng)一，綜合目前研究成果[7-9]，滿足下述之一者且修建于山嶺之上的公路便可認為廣義的山區(qū)旅游公路：連接景區(qū)與景區(qū)或景區(qū)內部各個景點的道路；通往景區(qū)入口的道路；雖不直接通往景區(qū)入口，但旅游車輛在該道路的交通量組成中超過一定的比例；車流量具有明顯的旅游淡旺季差別；道路本身是等級公路、國省道或縣鄉(xiāng)道，但沿途風光別致優(yōu)美，帶給乘客和駕駛員愉快的旅途感受。

1.1 特點

1) 線形復雜，個別路段超過規(guī)范極限最小半徑。平面線形中，直線線形較少，多以緩和曲線、圓曲線組成，且圓曲線半徑基本小于200 m，主要分布在20～60 m半徑范圍內，但由于小汽車轉彎時的行駛速度多集中在30～40 km/h，使得極限最小半徑不滿足設計要求；縱斷面線形中，與平面線形組合出現(xiàn)很多彎坡線形，縱坡坡度分布在3%～15%，甚至更高，常見縱坡坡度分布在4%～10%。與JTG B01—2014《公路工程技術標準》[10]中規(guī)定的各級公路圓曲線極限最小半徑及最大縱坡(見表1)相比，一些山區(qū)旅游公路線形指標已突破規(guī)范。

表1各級公路圓曲線極限最小半徑及最大縱坡

Tab.1Minimumradiusofthelimitofroadcircleandmaximumverticalslopeatalllevels

設計速度/(km/h)1201008060403020極限最小半徑/m650400250125603015最大坡度/%3456789

2) 車型組成單一。根據(jù)已有文獻[11]和對實驗路車流量調查發(fā)現(xiàn)，山區(qū)旅游公路的車型以轎車為主，占總車流量的80%以上。車輛間速度差較小，同向行駛的車輛協(xié)調性較好，通行效率較高。

3) 車流量與旅游淡旺季緊密相關。由于旅游公路主要為景區(qū)和旅客服務，受旅游淡旺季影響較大。

4) 駕駛員對路況陌生。由于大部分駕駛員為初次行駛在山區(qū)旅游公路上，線形復雜多變，對駕駛員有極大考驗，道路安保設施及標志標線的合理布設尤為重要。

2 實驗方案

2.1 實驗目的

以駕駛員心率增長率作為生理負荷的評價指標[12]，通過駕駛員在典型山區(qū)旅游公路上根據(jù)路況自由行駛，測得心率增長率與道路線形、運行速度的關系，提出山區(qū)旅游公路線形設計指標的合理取值，并根據(jù)心率變化率及速度差提出敏感路段的確定依據(jù)。

2.2 主要實驗設備

實驗采用VBOX GPS數(shù)據(jù)采集器和TCL5000動態(tài)心電圖儀。VBOX用于測量移動汽車的速度和距離并且提供橫縱向加速度值，減速度，MFDD，時間和制動、滑行、加速等距離的準確測量。TCL5000動態(tài)心電圖儀可實現(xiàn)12導聯(lián)心電波形的同步采集，連續(xù)記錄時間可達24 h，對心電信號進行無壓縮存儲，通過自帶分析軟件，可計算得到心率增長率。

2.3 實驗駕駛員信息

為模擬大部分游客第一次進入景區(qū)，對道路環(huán)境陌生的情景，實驗選用的實驗駕駛員均為初次駕車行駛實驗路段，駕駛員相關信息見表2。

表2 實驗駕駛員信息Tab.2 The drivers′ information of the experiment

2.4 實驗路段及測量指標

實驗選取太行山保定轄區(qū)、燕山山脈承德轄區(qū)2段典型山區(qū)旅游公路作為實驗路段，編號1，2，由VBOX采集的定位信息可以在Google Earth軟件中識別并繪制，圖1為1號實驗路部分路段，圖2為2號實驗路部分路段，2處均為國家4A級景區(qū)，旅游旺季交通量大。其中1號實驗路長25 km，縱坡坡度分布范圍為2.3%～6.5%，平均縱坡5.2%，圓曲線半徑分布范圍為14～252 m，多集中于20～60 m，雙向兩車道，瀝青路面，直接連通景區(qū)入口，主導車型為家用轎車，根據(jù)暑期高峰小時車流量觀測，占90%以上。2號實驗路長30 km，縱坡坡度分布范圍為5%～15%，平均縱坡9.2%，圓曲線半徑分布范圍為10～170 m，多集中于15～30 m，雙向2車道，水泥路面，景區(qū)內部道路，車型全部為家用轎車及中型巴士。實驗車輛選用大眾新捷達牌汽車，排量1.6 L。

心率、視覺行為參數(shù)是目前量化駕駛員的緊張度常用指標。其中視覺行為參數(shù)主要通過眼動儀進行測量，對外界光線及環(huán)境變化敏感。而視覺環(huán)境及公路線形復雜、光線多變是山區(qū)旅游公路的顯著特征，與其他類型公路相比，不易獲取與線形變化相關的視覺行為參數(shù)。隨著科學技術的進步，對心率的監(jiān)測設備趨向于便捷化，使用動態(tài)心電圖儀實時測量駕駛員在駕駛過程中的心率，可以在不干擾駕駛員駕駛操作的基礎上準確地采集心率數(shù)據(jù)。故選取心率為測試指標

通過分析，實驗安排6名駕駛員駕駛實驗車均完成全部實驗路上下行行駛路程，全程記錄駕駛員心率(bpm)、運行速度(km/h)、圓曲線半徑(m)、縱坡坡度(%)等參數(shù)。

圖1 1號實驗路部分路段Fig.1 Sections of No.1 experimental road

圖2 2號實驗路部分路段Fig.2 Sections of No.2 experimental road

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 平面線形對駕駛員心率的影響

山區(qū)旅游公路直線線形較少，小半徑圓曲線(r<100 m)較多，且半徑常突破設計極限值，因此，著重研究小半徑對駕駛員心率的影響。將測得的有效實驗數(shù)據(jù)，應用SPSS軟件分析，小半徑與心率增長率顯著相關，擬合圖形如圖3。

圖3 心率增長率與圓曲線半徑變化關系 Fig.3 The relationship of the change of heart rate and the change of radius of the circle

由圖3可知，2條實驗路的小半徑路段的設計半徑r為40～60 m的圓曲線較多，心率增長率N大部分落入25%～45%之間。當半徑<40 m時，心率增長率隨半徑的增加而快速降低；當半徑介于40～80 m之間時，心率增長率介于30%～38%之間，心率增長率較為穩(wěn)定，且隨著半徑的增大有輕微上升趨勢；當半徑介于80～100 m時，心率增長率隨半徑的增加快速下降，心率介于25%～35%之間。心率增長率隨半徑的增大，整體呈下降趨勢，但在圓曲線半徑介于40～80 m之間時出現(xiàn)小幅度上升，對比分析車輛速度曲線發(fā)現(xiàn)，由于進入圓曲線前提前降速，到達中部后可觀察到更多的道路信息，伴隨著視距的改善和半徑區(qū)間的允許，出現(xiàn)2～6 s加速行為，如圖4(圖中曲線為VBOX記錄的速度曲線)，出彎時為調整方向又迅速減速，速度在短時間內的增加后又降低，使得駕駛員在相對較小但又允許短時加速的半徑范圍內，心率增長率有小幅上升。

駕駛員心率增長率與圓曲線半徑之間的回歸模型見式(1)，對回歸模型進行F檢驗，R2=0.864，適用于山區(qū)旅游公路小半徑(r<100 m)分析與設計。

N=55.957-1.13r+0.019r2-1.03E-4r3

(1)

式中：N為心率增長率，%；r為圓曲線半徑，m。

根據(jù)已有研究成果[13]，心率增長率大于40%后，駕駛員生理負荷進入危險閾值，故建議山區(qū)旅游公路圓曲線半徑r>20 m。

3.2 縱面線形對駕駛員心率變化的影響

3.2.1 上坡方向縱坡坡度對駕駛員心率變化的影響

在山區(qū)旅游景區(qū)，由于保護景區(qū)景觀生態(tài)及整體性的要求，設置隧道穿過山體無法實現(xiàn)，在嚴格的環(huán)境限制中，縱坡坡度突破極限值克服高差也較為常見。應用SPSS對實驗數(shù)據(jù)中坡度和心率增長率的進行多次回歸發(fā)現(xiàn)，當縱坡坡度介于3%～7.5%之間時(山區(qū)旅游公路的常見縱坡坡度)，心率增長率與縱坡坡度的相關性差，R2=0.167，如圖5；但當縱坡坡度大于7.5%時，心率增長率與縱坡坡度相關性大幅提高，R2=0.755，見圖6。

圖5 縱坡坡度介于3%～7.5%之間N值變化Fig.5 N variation as slope between 3% and 7.5%

圖6 縱坡坡度大于7.5%N值變化Fig.6 N variation as slope greater than 7.5%

可見，上坡方向行駛時，當縱坡坡度介于3%～7.5%之間，對駕駛員心率變化的影響不顯著，即影響較??；當縱坡坡度大于7.5%，對駕駛員心率變化發(fā)生顯著影響。說明當坡度大于駕駛員心理承受值之后，駕駛員的主要生理負荷集中在對大縱坡的處理上，最大縱坡坡度心理承受值應在7.5%～9%之間，因人而異。

當縱坡坡度大于7.5%時，駕駛員心率增長率與圓曲線半徑之間的回歸模型見式(2)，模型匯總和參數(shù)估計值見表4.2，R2=0.775。

N=0.49-4.53i+39.17i2

(2)

式中：N為心率增長率，%；i為縱坡坡度。

3.2.2 下坡方向縱坡坡度對駕駛員心率變化的影響

與上坡方向的分析方法相同，通過SPSS對坡度和心率增長率的多次回歸發(fā)現(xiàn)，當縱坡坡度介于3%～7%之間時，心率增長率與縱坡坡度的相關性差，R2=0.370，如圖7；但當縱坡坡度大于7%時，心率增長率與縱坡坡度相關性大幅提高，R2=0.792，見圖8。

圖7 縱坡坡度介于3%～7%之間N值變化Fig.7 N variation as slope between 3% and 7%

圖8 縱坡坡度大于7% N值變化Fig.8 N variation as slope greater than 7%

可見，下坡方向行駛時，當縱坡坡度介于3%～7%之間，對駕駛員心率變化的影響不顯著，但相關水平R2高于上坡方向，說明相同縱坡坡度，下坡對駕駛員的影響比上坡對駕駛員的影響大；當縱坡坡度大于7%，對駕駛員心率變化發(fā)生顯著影響，且R2大于下坡方向，分界坡度小于上坡方向，主要是因為下坡時車輛速度明顯高于上坡時，駕駛員處理時間短于上坡時，對陡坡的縱坡值比上坡更加敏感，因此，對駕駛員來說，下坡方向生理負荷更大，危險度更高。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，下坡方向最大縱坡坡度心理承受值應在7%～8.5%之間，因人而異。

當縱坡坡度大于7%時，駕駛員心率增長率與圓曲線半徑之間的回歸模型見式(3)。

N=0.344-1.113t+21.828t2

(3)

式中：N為心率增長率，%；i為縱坡坡度。

為保證心率增長率不超過40%的危險閾值，建議山區(qū)旅游公路縱坡坡度<8.5%。

3.3 平面線形及運行速度對駕駛員心率的影響

平、縱組合所展現(xiàn)的立體線形是道路線形設計的最終成果。駕駛員行車過程中不斷對立體線形進行綜合分析判斷，決定操作行為，選擇實際車速。也就是說平、縱線形組合的優(yōu)劣最后會在駕駛員的心理生理指標的變化上以及車輛的運行速度上集中反映。由于直坡路段較少且相對安全，現(xiàn)分析彎坡路段。緩和曲線對駕駛員生理負荷強度起到調節(jié)作用，對行車安全有益，所以主要對坡度和圓曲線半徑進行分析。將坡度i與圓曲線半徑r綜合為一個指標彎坡度M=i/r(0.1%)，分析彎坡度M與駕駛員心率增長率N的關系。采用MATLAB軟件對自變量為彎坡度M(對應x軸)、車輛運行速度v(對應y軸)，因變量為心率增長率N(%)(對應z軸)進行擬合，由擬合運行結果可得在95%置信區(qū)間內，R2=0.7646的3個變量的函數(shù)關系式，如式(4)，擬合圖形見圖9。

N=-17.8+10.78M-0.081v-

0.896M2-0.083Mv-0.007v2

(4)

圖9 M，v，N關系變化圖Fig.9 M，v，N relation graph

由擬合公式(4)及圖9可見，v，i/R在顯著影響心率增長率N的大小。其中，彎坡度M值一定時，速度v越高，心率增長率N越大；速度v一定時，彎坡度M值越高心率增長率N越大；速度v和彎坡度M值都減小(或增加)時，心率增長率N減小(或增加)；根據(jù)圖形曲面可以看出，速度對心率的影響高于彎坡度對心率的影響，因此山區(qū)旅游公路中的限速標志及減速設施對于保障行車安全至關重要，而這些恰恰是多數(shù)旅游公路所缺失的。

3.4 敏感路段特征及防護措施

3.4.1 敏感路段特征

心率是評價駕駛員生理負荷的代表性指標，心率增長率越大，對于駕駛員危險度越高，故心率變化大的路段可能是線形復雜的敏感路段。但不排除在線形良好路段由于駕駛員處理會車或自身原因等偶然事件對心率產(chǎn)生較大波動。速度差對交通安全有較大影響，常常引起追尾、碰撞等事故，它反應了速度協(xié)調性，從本質上反應了線形的協(xié)調性及安全性[16]。所以同時選用速度差作為評價條件。當速度差大于表3的評價標準后，應重新調整平、縱面設計[17]。

表3道路連續(xù)性(運行速度協(xié)調性)評價標準

Tab.3Evaluationcriteriaofroadcontinuity(velocitycoordination) km/h

運行速度8060403020速度差20181512

在1，2號實驗路有效測試數(shù)據(jù)中，心率增長率≥40%及1號實驗路速度差≥15 km/h、2號實驗路速度差≥12 km/h的路段共出現(xiàn)18個。部分敏感路段特征信息見表4。

表4 部分敏感路段特征信息Tab.4 Characteristic information of partial sensitive section

根據(jù)18個敏感路段的特征信息發(fā)現(xiàn)，敏感路段為陡坡或急彎路段，或陡坡急彎的情況同時存在，陡坡坡度>8%，急彎處半徑<30 m。在半徑小于20 m的圓曲線且前后線形相對順直處的路段，速度差最大，平均速度差達到20 km/h以上，速度協(xié)調性最差，同時心率增長率也會迅速升高。根據(jù)實地調研發(fā)現(xiàn)，小半徑彎道處超高和加寬設計嚴重不足或根本不設。故小半徑圓曲線且前后線形相對順直的路段容易因超速、視距不良造成側翻、占道碰撞等交通事故。

其次，當敏感路段前后坡差太大時，會造成駕駛員頻繁進行換擋操作，且路段本身為圓曲線半徑較小(60 m)的轉彎處，視距較差，駕駛員需要及時調整車速及方向才能平穩(wěn)通過，這樣的路段給駕駛員的生理、心理造成較大的負荷，使得前后坡差≥2%的轉彎路段也成為敏感路段。

通過Google Earth軟件對敏感路段的立體展現(xiàn)可以看到，處于山區(qū)的旅游公路，當車輛行駛于靠山體一側，視距條件差，如圖10箭頭位置，彎坡度較大時，側向和前方的路況均不易看到，非常危險；當車輛行駛于靠深溝或懸崖一側，見圖11箭頭位置，且路側險要路段缺少護欄等設施，容易使駕駛員緊張慌亂，發(fā)生事故。

圖10 靠山體一側Fig.10 On the mountain side

圖11 靠深溝或懸崖一側Fig.11 On the side of a deep trench or cliff

3.4.2 敏感路段防護措施

1) 在半徑小于20 m的圓曲線且前后線形相對順直處的路段，盡可能在道路內側加寬彎道，并嚴格限速。根據(jù)橫向力系數(shù)μ的定義式，設μ=0.15(駕駛員較低心理負荷的取值[18])，計算得到限速的建議值，見表5。

表5 對應半徑的限速建議值Tab.5 Recommended velocity limit of corresponding radius

注：r0為圓曲線半徑，m；V為限速建議值，km/h。

2) 在小半徑圓曲線處合理設置醒目標志，在小半徑曲線位置之前不短于50 m處外側設置輪廓標或示警樁；根據(jù)路側危險程度設置護欄，建議山區(qū)旅游公路中使用纜索護欄[19]或選擇外觀自然、與周圍環(huán)境相融合的護欄形式，但不得降低護欄防撞等級，同時應增加護欄高度至120 cm。并設置限速標志、減速振動標線或減速帶。

4 結 論

1) 建議山區(qū)旅游公路圓曲線極限最小半徑大于20 m，最陡縱坡小于8.5%。提出對應半徑下的限速建議值，特別是圓曲線半徑≤15 m時，限速不應超過20 km/h。

2) 建立了速度、縱坡坡度、圓曲線半徑三因素影響駕駛員心率增長率的關系模型，速度對心率的影響高于半徑及縱坡。

3) 敏感路段具有以下特征：陡坡(i>8%)、急彎(r<30 m)、坡差大(>2%)、臨崖、視距不良路段，建議敏感路段采取速度限制和安全防護措施。

4) 山區(qū)旅游公路對駕駛員心電特征影響的試驗研究中，未考慮海拔高度變化、夜間或不良天氣等因素對駕駛員生理心理負荷的影響，需做進一步研究，豐富研究成果