機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)探討

唐優(yōu)華，張 桐，喻 晴

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機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)探討

唐優(yōu)華1,2，張 桐3，喻 晴1

（1. 西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)，綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 3. 北京交通大學(xué)，城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

針對(duì)機(jī)車司機(jī)感知特性進(jìn)行分析, 從視覺(jué)感知能力、聽(tīng)覺(jué)感知能力及體位平衡感知能力三個(gè)方面構(gòu)建了機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。對(duì)109位機(jī)車司機(jī)進(jìn)行了11項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)測(cè)試, 引入熵權(quán)物元可拓模型對(duì)機(jī)車司機(jī)感知能力等級(jí)進(jìn)行了有效識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該模型可有效識(shí)別出待評(píng)價(jià)機(jī)車司機(jī)的綜合感知能力, 為機(jī)車司機(jī)感知能力的測(cè)評(píng)提供了一種科學(xué)有效的方法。

機(jī)車司機(jī); 感知能力; 評(píng)價(jià)體系

0 引 言

感知能力作為駕駛員身心條件安全可靠性評(píng)價(jià)體系中的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，其科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法不僅可為鐵路機(jī)車司機(jī)的選拔提供有效的參考依據(jù)，同時(shí)在機(jī)車司機(jī)的安全培訓(xùn)、差錯(cuò)控制和疲勞預(yù)防中均可提供技術(shù)支持。駕駛員感知能力與行車安全的研究近年來(lái)已受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，國(guó)外專家學(xué)者在20世紀(jì)90年代興起了對(duì)汽車駕駛員感知能力的系列研究，并取得了一定的研究成果，主要包括駕駛員的工作負(fù)荷[1-3]、駕駛行為[4]和駕駛員可靠性等[5-8,15]。國(guó)內(nèi)張殿業(yè)等對(duì)駕駛員身心條件安全可靠性、機(jī)車乘務(wù)員安全可靠性評(píng)價(jià)、機(jī)車乘務(wù)員動(dòng)視力判別等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究[9-15]，提出了涵蓋機(jī)車司機(jī)可靠性的鐵路運(yùn)輸安全理論與技術(shù)體系[12]，但既有研究針對(duì)機(jī)車駕駛員的感知和綜合反應(yīng)能力研究較少。本文通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)體系，引入熵權(quán)物元可拓模型評(píng)價(jià)方法對(duì)機(jī)車司機(jī)的感知能力綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。機(jī)車司機(jī)感知能力評(píng)估研究的思路如圖1所示。

圖1 機(jī)車司機(jī)感知能力評(píng)估

1 機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

機(jī)車司機(jī)感知能力用以反映駕駛員對(duì)外界物理刺激進(jìn)行認(rèn)知的水平，其能力的強(qiáng)弱取決于感官對(duì)刺激的敏感程度，以及知覺(jué)對(duì)信息處理的準(zhǔn)確性。本文綜合考慮了駕駛環(huán)境中可引起駕駛員產(chǎn)生感知反應(yīng)的因素，從動(dòng)態(tài)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、平衡覺(jué)三個(gè)方面選取了11個(gè)指標(biāo)構(gòu)建了機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

1.1 動(dòng)態(tài)視覺(jué)感知能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)態(tài)視覺(jué)感知能力用以衡量駕駛員在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)動(dòng)態(tài)物象信息的處理能力。本文選取視立體覺(jué)、動(dòng)視力、靜視力、動(dòng)態(tài)視靈敏度、暗適應(yīng)能力作為動(dòng)態(tài)視覺(jué)感知能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些指標(biāo)的具體含義及采集分析方法如下：

（1）視立體覺(jué)：用以反映眼睛對(duì)駕駛環(huán)境中物體間距離、深度和體積的感知能力。本文采用EP503A深度知覺(jué)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，儀器具有測(cè)定深度視銳的前后移動(dòng)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)速度調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)移動(dòng)比較刺激，使之與標(biāo)準(zhǔn)刺激三點(diǎn)成一直線。

圖2 機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

（2）動(dòng)、靜視力：駕駛員動(dòng)視力用以反映眼睛在觀察移動(dòng)目標(biāo)過(guò)程中對(duì)影像的捕捉能力。動(dòng)視力感知能力因個(gè)體差異性而存在不同的表現(xiàn)，故選取靜視力作為評(píng)價(jià)個(gè)體動(dòng)態(tài)視覺(jué)能力的參考指標(biāo)。本文采用動(dòng)視力檢測(cè)軟件獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)，測(cè)試界面上呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不斷變大的視標(biāo)“E”，測(cè)試者識(shí)別出“E”字缺口方向后快速搖動(dòng)搖柄至正確的方向，取識(shí)別的時(shí)間作為測(cè)試結(jié)果。

（3）暗適應(yīng)：表現(xiàn)為駕駛員從明處進(jìn)入暗處時(shí)，視覺(jué)適應(yīng)性逐步提高的過(guò)程。本文采用暗適應(yīng)儀測(cè)試駕駛員暗適應(yīng)能力，實(shí)驗(yàn)首先對(duì)人眼進(jìn)行一定時(shí)間強(qiáng)光照射，然后依據(jù)測(cè)試者在暗環(huán)境下對(duì)數(shù)字板的識(shí)別程度判定暗適應(yīng)能力。

（4）視野敏感度：用以反映駕駛員辨認(rèn)運(yùn)動(dòng)物體的敏銳程度。本文采用在黑色背景上呈現(xiàn)1 200個(gè)移動(dòng)的白點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)4個(gè)像素，如圖3所示，整個(gè)顯示的視角為15。*15。，邊界內(nèi)數(shù)字視角為7。*7。。內(nèi)外框邊界的點(diǎn)是以相同的速度向相反的方向移動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)的方向是隨機(jī)的，試驗(yàn)的邊框是從9個(gè)數(shù)字（1~9）中隨機(jī)選擇的，測(cè)試者識(shí)別數(shù)字邊框?yàn)楹蟀错憫?yīng)鍵次。

注：邊界內(nèi)外的點(diǎn)以相同的速度按不同方向移動(dòng)，1的白色邊框在實(shí)際測(cè)試中不可見(jiàn)

測(cè)試采用階段極大適然方法（ML-PEST）調(diào)整每個(gè)試驗(yàn)的點(diǎn)移動(dòng)速度，正確地識(shí)別導(dǎo)致速度降低而不正確的識(shí)別導(dǎo)致速度增加。測(cè)試時(shí)點(diǎn)的初始速度為1。/s，變化值為0.2。/s（變化值在最初的兩次速度逆轉(zhuǎn)后減半）。測(cè)試經(jīng)過(guò)6逆轉(zhuǎn)后得出結(jié)論，結(jié)論采用后四次逆轉(zhuǎn)的點(diǎn)移動(dòng)平均速度。

1.2 平衡覺(jué)感知能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

駕駛員平衡覺(jué)感知能力是指因路面坡度變化致使駕駛員身體重力方向產(chǎn)生偏移，從而引起的感官反應(yīng)。為有效分析駕駛員的體位穩(wěn)定度，分別對(duì)受試者進(jìn)行了閉目體位平衡測(cè)試、15度體位平衡測(cè)試以及30度體位平衡測(cè)試。本文采用平衡測(cè)試儀對(duì)試驗(yàn)者進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)受力點(diǎn)的受力變化幅度來(lái)判別受試者的體位穩(wěn)定程度。

1.3 聽(tīng)覺(jué)感知能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

聽(tīng)覺(jué)感知能力是指機(jī)車司機(jī)對(duì)駕駛環(huán)境中所產(chǎn)生的聲音進(jìn)行判斷處理的能力。本文采用聽(tīng)覺(jué)實(shí)驗(yàn)儀分別對(duì)受試者進(jìn)行低頻聽(tīng)覺(jué)能力測(cè)試、中頻聽(tīng)覺(jué)能力測(cè)試以及高頻聽(tīng)覺(jué)能力測(cè)試。

2 機(jī)車司機(jī)感知能力的熵權(quán)物元模型

要對(duì)機(jī)車司機(jī)的感知能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，11個(gè)指標(biāo)如何確定合理的權(quán)重是本問(wèn)題的關(guān)鍵。指標(biāo)權(quán)重確定常用的方法是模糊評(píng)判法，其雖然考慮到機(jī)車司機(jī)的各方面感知能力評(píng)價(jià)的模糊性和不確定性，然而在處理司機(jī)不同感知特性內(nèi)部差異、白化信息和確定權(quán)重方面卻存在不足，而物元分析理論以促進(jìn)事物轉(zhuǎn)化、解決不相容問(wèn)題為核心，適用于多因子評(píng)價(jià)問(wèn)題，有效避免評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不確定性帶來(lái)的影響，全面、客觀地評(píng)價(jià)機(jī)車司機(jī)感知能力的級(jí)別[13]。

2.1 確定機(jī)車司機(jī)感知能力分級(jí)物元

假定機(jī)車司機(jī)有個(gè)，機(jī)車司機(jī)感知能力分級(jí)特征和特征量值構(gòu)成機(jī)車司機(jī)感知能力分級(jí)物元，用有序三元組=(,,)來(lái)表示，稱為物元的三要素。機(jī)車司機(jī)感知能力若可用多個(gè)特征指標(biāo)進(jìn)行描述，以個(gè)特征1,2, …,c及相應(yīng)值域范圍1,2, …,x來(lái)表示，那么稱為的維物元：

2.2 確定經(jīng)典域與節(jié)域物元矩陣

取機(jī)車司機(jī)感知能力評(píng)價(jià)指標(biāo)在全體級(jí)別中所對(duì)應(yīng)的取值范圍作為節(jié)域，節(jié)域物元R=(N, C, X)表達(dá)式為：

2.3 確定待評(píng)物元域

確定待評(píng)機(jī)車司機(jī)感知能力物元R，假設(shè)待評(píng)價(jià)的機(jī)車司機(jī)有個(gè)，則第個(gè)待評(píng)機(jī)車司機(jī)感知能力物元可表示為：

2.4 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度

2.5 熵權(quán)法確定權(quán)重系數(shù)

熵權(quán)法為客觀賦權(quán)法，采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重可有效避免主觀因素引起的評(píng)價(jià)結(jié)果偏差，具體計(jì)算過(guò)程如下：

（1）指標(biāo)無(wú)量綱化處理：

（要求指標(biāo)越大越好） （8）

（要求指標(biāo)越小越好） （9）

（2）對(duì)無(wú)量綱化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：

（3）第項(xiàng)指標(biāo)的熵值表示為：

（4）第項(xiàng)指標(biāo)差異性系數(shù)為：

（5）第項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重為：

采用以上公式得到客觀權(quán)重向量為：

2.6 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度并確定評(píng)價(jià)等級(jí)

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文選取109名機(jī)車司機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣本均為健康男性，年齡分布在23歲至49歲之間。針對(duì)各駕駛員動(dòng)態(tài)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、平衡覺(jué)三方面進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)試，并依據(jù)量化結(jié)果進(jìn)行分級(jí)處理，所得機(jī)車司機(jī)感知能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 機(jī)車司機(jī)感知能力等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Tab.1 Standards for locomotive driver perception level

依據(jù)表1，取機(jī)車司機(jī)感知能力指標(biāo)等級(jí)分類的域值范圍作為經(jīng)典域，構(gòu)建經(jīng)典域物元如下：

依據(jù)機(jī)車司機(jī)感知能力評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍構(gòu)建節(jié)域物元，隨機(jī)抽取109位機(jī)車司機(jī)中的一位作為示例，構(gòu)建物元矩陣：

由式（8）~（13）計(jì)算各特征指標(biāo)權(quán)重為：

依據(jù)權(quán)重計(jì)算可知，機(jī)車司機(jī)感知能力中動(dòng)態(tài)視敏度綜合權(quán)重為0.605 4，體位穩(wěn)定度綜合權(quán)重為0.245 3，聽(tīng)覺(jué)能力綜合權(quán)重為0.149 3。由此可見(jiàn)，在感知能力綜合測(cè)試中，動(dòng)態(tài)視敏度變異程度較高，提供的信息量較大。權(quán)重測(cè)試結(jié)果同時(shí)符合主觀分析中駕駛員視覺(jué)感知能力最為重要這一特征。

由式（5）~（7）計(jì)算各指標(biāo)與感知能力等級(jí)關(guān)聯(lián)度，由式（14）對(duì)待評(píng)對(duì)象進(jìn)行感知能力綜合評(píng)定，結(jié)果如表2所示。

依據(jù)式（14）對(duì)待評(píng)對(duì)象進(jìn)行感知能力綜合評(píng)定，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)與感知能力等級(jí)關(guān)聯(lián)度

Tab.2 Correlation between each evaluation index and perception level

續(xù)表2

等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo) Ⅲ-0.22-0.3330.5-0.3-0.50.333-0.50.333-0.5-0.50.333 Ⅳ-0.11-0.167-0.5-0.15-0.143-0.33-0.2-0.50.3330.333-0.5 Ⅴ-0.073-0.111-0.25-0.1-0.083-0.167-0.125-0.2-0.333-0.333-0.2

表3 測(cè)試樣本加權(quán)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Test sample weighted association degree calculation results

由加權(quán)關(guān)聯(lián)度可知，所抽取的示例機(jī)車駕駛員綜合感知能力為II級(jí)。同理，對(duì)剩余108位機(jī)車司機(jī)進(jìn)行綜合感知能力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：感知能力極強(qiáng)I級(jí)占32%，強(qiáng)II級(jí)占41%，較強(qiáng)III級(jí)占22%，較弱IV級(jí)占4%，弱V級(jí)占1%。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車司機(jī)作為鐵路運(yùn)輸中諸多參與者的主體，其操作行為會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)輸安全產(chǎn)生不同程度的影響。機(jī)車司機(jī)感知能力檢測(cè)是對(duì)機(jī)車操作行為主體的客觀評(píng)價(jià)，關(guān)系到鐵路運(yùn)輸安全的控制效果，是鐵路運(yùn)輸安全管理工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文基于大量機(jī)車司機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并在此基礎(chǔ)上建立了熵權(quán)物元可拓模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車司機(jī)感知能力的等級(jí)判定，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)實(shí)證評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況存在很高的擬和度，確定了109名機(jī)車司機(jī)的綜合感知能力，為進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

[1] BROWN I. D. Driver fatigue[J]. Human Factors, 1994, 36(3): 298-314.

[2] HICKS T G, WIERWILLE W W. Comparison of five mental workload assessment procedures in a moving base driving simulator[J]. Human Factors, 1999, 41(1): 129-143.

[3] GULIAN E, MATTHEWS G. Dimensions of drive stress[J]. Ergonomics, 1989, 32(4): 585-602.

[4] RUMAR K. The basic driver error: Late detection[J]. Ergonomics, 1990, 33(11): 1281-1290.

[5] GLENDON A I, DORN L. Reliability of the driver behavior inventor y [J]. Ergonomics, 1993, 36(5): 719-726.

[6] KANTOWITZ, B H, FUJITA, Y. Cognitive theory, identification and human reliability analysis[J]. Reliability engineering and systems safety, 1990, 29(3): 317-329.

[7] KIRWAN B. Human error identification in human reliability assessment[J]. Applied ergonomics, 1992, 23(4): 371-381.

[8] 張殿業(yè), 金鍵, 楊京帥. 駕駛員身心條件安全可靠性綜合評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2004, 17(4): 96-100.

[9] 張殿業(yè), 金健. 機(jī)車乘務(wù)員安全可靠性評(píng)價(jià)模式[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 1999, 21(1): 99-101.

[10] 張殿業(yè). 乘務(wù)員動(dòng)視力及相關(guān)指標(biāo)判別[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2000, 22(3): 30-32.

[11] 張殿業(yè), 金鍵, 楊京帥. 鐵路運(yùn)輸安全理論與技術(shù)體系[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2005, 26(3): 114-118.

[12] 張殿業(yè), 金鍵. 機(jī)車司機(jī)失衡性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 34(5): 594-597.

[13] 黃仁東, 張小軍. 基于熵權(quán)物元可拓模型的隧道瓦斯等級(jí)評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 22(4): 79-82.

[14] 劉建, 代楊. 基于物元理論的地鐵消防系統(tǒng)安全可靠性評(píng)價(jià)[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2011, 09(3): 99-102.

[15] 王海波. 駕駛員可靠性評(píng)價(jià)中評(píng)估因子的遴選[J] . 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2008, 06(4): 76-81.

（中文編輯：劉娉婷）

Psycho-physiological Perception Evaluation of Locomotive Drivers

TANG You-hua1,3，ZHANG Tong2，YU Qing1

( 1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Laboratory for Urban Transportation Complex Systems Theory and Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

Many factors affect psycho-physiological perception of locomotive driver. Aiming at characteristics of locomotive drivers’ perceptual features, a psycho-physiological perception evaluation system of locomotive drivers is constructed based on visual perception, auditory perception and balance perception. 109 locomotive drivers have been selected to test for 11 index. The psycho-physiological perception of locomotive drivers can be evaluated effectively. The experiment results show that the method can evaluate the perception levels of different locomotive drivers feasibly. It provides a scientific and efficient way to evaluate the psycho-physiological perception of locomotive drivers.

locomotive driver; perception; psycho-physiological evaluation

1672-4747（2018）03-0021-07

U471.3

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.03.004

2017-06-05

唐優(yōu)華（1977—），男，浙江常山人，高級(jí)工程師，研究方向：交通安全技術(shù)、智能交通技術(shù)。

張桐（1989—），男，遼寧鞍山人，北京交通大學(xué)博士生，研究方向：城市交通工程理論與技術(shù)。

唐優(yōu)華，張桐，喻晴. 機(jī)車司機(jī)感知能力綜合評(píng)價(jià)探討[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2018, 16(3): 21-27.