山地城市隧道照度與速度對駕駛負(fù)荷的影響

羅 杰，陸百川，徐 進(jìn)，程 鵬，楊宗平

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.重慶交通職業(yè)學(xué)院， 重慶 402247)

在隧道路段行車時，由于隧道口光環(huán)境劇烈變化和隧道內(nèi)空間封閉性，駕駛員需要隨時控制方向盤、制動踏板和加速踏板等車輛操縱機(jī)構(gòu)，及時調(diào)整行車速度，維持期望的車間距離，以避免碰撞、追尾和剮蹭等交通事故的發(fā)生。因此，隧道路段繁重的駕駛?cè)蝿?wù)和特殊的交通環(huán)境，相對增加了駕駛員體力負(fù)擔(dān)和心理壓力，容易引起駕駛疲勞，誘發(fā)交通事故。國內(nèi)外學(xué)者圍繞隧道行駛特征和駕駛負(fù)荷情況開展了大量研究工作，根據(jù)研究方法和研究內(nèi)容可以分為3個方面：

1) 根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查的方式研究隧道駕駛安全。Arias等[1]根據(jù)458名駕駛員的調(diào)查問卷，分析隧道內(nèi)駕駛員的情緒和感知情況。Kirytopoulos等[2]采用互聯(lián)網(wǎng)調(diào)查問卷，研究駕駛員關(guān)于公路隧道的安全意識。Jian Sheng Yeung 等[3-5]根據(jù)視頻數(shù)據(jù)和問卷調(diào)查研究了高速公路隧道內(nèi)跟車行為特征和事故特征。數(shù)據(jù)調(diào)查可以廣泛討論影響隧道駕駛安全的影響因素，但是對各個因素的相關(guān)性無法做出定量的分析。

2) 根據(jù)模擬試驗(yàn)開展隧道駕駛安全分析。AlessandroCalvi 等[6]和Katja Kircher等[7]通過隧道模擬駕駛試驗(yàn)，分析了隧道側(cè)墻和隧道照明等因素對駕駛行為的影響。吳剛等[8]采用駕駛模擬平臺研究隧道進(jìn)出口駕駛環(huán)境對駕駛員視覺的影響。徐進(jìn)等[9]采用動力仿真試驗(yàn)研究了隧道口兩種路面材料交替對行駛安全的影響。模擬試驗(yàn)與真實(shí)駕駛環(huán)境有一定差異，但是可以保證試驗(yàn)人員的安全且可以重復(fù)試驗(yàn)。

3) 根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)開展駕駛行為特征研究。 Bryan Reimer等[10]和Gerhard Marquart等[11]利用眼動追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)車試驗(yàn)研究駕駛負(fù)荷和心理負(fù)荷。HenrikWiberg等[12]組織實(shí)車試驗(yàn)，測量心率(HR)等生理指標(biāo)，分析了駕駛員的精神負(fù)荷。杜志剛等[13-14]利用眼動儀分析了高速公路隧道進(jìn)出口駕駛員視覺負(fù)荷特征。胡江碧等[15-16]設(shè)計(jì)了駕駛員視覺動態(tài)試驗(yàn)，分析了視認(rèn)距離與隧道內(nèi)外亮度差的相關(guān)性。上述研究對隧道中行車安全有重大的貢獻(xiàn)，但是研究對象主要針對駕駛員視覺特性，缺少在照度與速度的共同作用下對駕駛員負(fù)荷的影響分析。

為此，本文在重慶市市區(qū)選擇線性相對較好的隧道(直線隧道)開展實(shí)車試驗(yàn)，采集車輛的速度、隧道照度和駕駛員心電信號，分析隧道進(jìn)口、中段和出口的照度與速度的連續(xù)變化特征，進(jìn)而討論照度、速度與心率增長率(H)之間的相互關(guān)系，為山地城市隧道駕駛負(fù)荷分析、隧道照度參數(shù)設(shè)計(jì)等提供數(shù)據(jù)和參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)道路

在重慶市轄區(qū)內(nèi)選取4條城市隧道作為試驗(yàn)對象，其路段主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。龍溪隧道和華福隧道同在華福路段，行駛方向都為西彭至九龍坡區(qū)；華巖隧道行駛方向?yàn)榻鸾分寥A福大道。為減少交通因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，測試時間選擇為上午10∶00—下午16∶00(白天)。試驗(yàn)時間選擇在路段交通量較低時，車輛處于自由駕駛狀態(tài)。試驗(yàn)天氣選擇光照較好的晴天，避開陰天、雨天、大風(fēng)和雷電等惡劣天氣，隧道內(nèi)外路面狀態(tài)干燥無積水。

表1 試驗(yàn)隧道路段主要技術(shù)參數(shù)

編號隧道名稱長度/m類別限速/(km·h-1)車道路1龍溪隧道 448短隧道6022華巖短隧道 400短隧道8023華福隧道3 555特長隧道6024華巖長隧道4 974特長隧道803

1.2 駕駛?cè)藛T

選擇6名身體健康的駕駛?cè)藛T，年齡為25～55歲，實(shí)際駕齡為2～30年，平均駕齡為11年?？紤]到隧道路段的危險性，選取的駕駛?cè)藛T均為駕駛熟練的男性。試驗(yàn)開始前對每位駕駛員測量靜態(tài)心率，便于駕駛員習(xí)慣心率測試儀。試驗(yàn)過程中要求駕駛員按照交通規(guī)則駕駛，不提出任何額外要求，讓其根據(jù)自己的習(xí)慣自由駕駛。駕駛員分為兩組，每組3名駕駛員。第1組試驗(yàn)路段為華福隧道與龍溪隧道，第2組試驗(yàn)路段為華巖長隧道與華巖短隧道。試驗(yàn)時每名駕駛員沿著規(guī)定路線往返行駛4次。

1.3 試驗(yàn)車輛及儀器

本文使用LAUNCH X-431-PRO3車載ECU解碼儀和DBScar藍(lán)牙診斷接頭采集車輛連續(xù)行駛的速度數(shù)據(jù)。使用UT382照度計(jì)(測量范圍0.01～20 000 lx)采集隧道內(nèi)外光照強(qiáng)度，照度計(jì)固定在車輛中控臺上方，采樣角度模擬駕駛員開車視角。采用力康Prince180D心率測試儀采集駕駛員試驗(yàn)過程中的心電信號。使用1個360行車記錄儀記錄車輛正前方交通情況，便于后期數(shù)據(jù)處理時排除跟車、變道和急剎車等干擾工況。試驗(yàn)車輛為小客車，車型為帝豪-博瑞(2014款2.0 L自動)，車輛VIN號為L6T7944Z2HN430763，見圖1(a)。試驗(yàn)現(xiàn)場見圖1(b)，試驗(yàn)人員見圖1(c)。圖1(d)～(f)是華福隧道的一次試驗(yàn)參數(shù)輸出值。

圖1 山地城市隧道實(shí)車駕駛試驗(yàn)

1.4 評價指標(biāo)

心率增長率(H)可以用來衡量隧道路段的駕駛負(fù)荷水平[17-19]。由于車輛通過隧道進(jìn)出口是一個高度動態(tài)化的過程，為了反映駕駛員的生理狀態(tài)，采用駕駛?cè)怂矔r心率值(Ht)計(jì)算心率增長率(H)更能體現(xiàn)駕駛員心理狀態(tài)的瞬變性。Ht可以根據(jù)心電圖(electrocardiogram，ECG)周期信號計(jì)算求得。一個完整的ECG周期信號[20-21](如圖2)包含P波、QRS波和T波。ECG周期(tp～tT)時長范圍一般為500～1 200 ms，幅值范圍一般為0.05～5 mV。QRS波的峰值點(diǎn)為Ri點(diǎn)，Ri點(diǎn)對應(yīng)時刻為ti，相鄰QRS波之間的時間間隔(ti-1～ti)為RRi間期，RRi間期反映了竇性心率的瞬時變化。本文采用駕駛?cè)说乃矔r心率增長率(H)來衡量駕駛員精神負(fù)荷，其計(jì)算公式為：

H=(Ht-H靜)/H靜

Ht=60/RRi

(1)

式中：Ht為駕駛?cè)嗽趖時刻的瞬時心率值；H靜為駕駛員平靜狀態(tài)下的心率值。

圖2 ECG周期信號圖

2 速度(V)與H相關(guān)性

根據(jù)隧道照度值(L)，將隧道路段分為3個單元組：進(jìn)口單元(3 500 lx>L>0.1 lx)、中段單元(0.1 lx>L>200 lx)、出口單元(0.1 lx>L>3 500 lx)，每個單元的行駛時間為10 s，分段情況如圖 3 所示。然后對不同隧道同一單元的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。

圖3 隧道分段

2.1 隧道進(jìn)口

從試驗(yàn)結(jié)果中隨機(jī)選取4個隧道進(jìn)口單元數(shù)據(jù)，提取出速度和心率的參數(shù)繪制其時域變化曲線(圖4)。從圖4可以看出：在4個隧道進(jìn)口單元，駕駛員心率都隨著速度的變化呈現(xiàn)相同趨勢的升、降變化。駕駛員會傾向于減速進(jìn)入隧道，即在隧道進(jìn)口有提前減速行為，而在進(jìn)入隧道以后都出現(xiàn)了明顯的加速行為。

圖4 隧道進(jìn)口單元速度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖5為隧道進(jìn)口單元的H-V進(jìn)散點(diǎn)圖。圖中為趨勢線的斜率值，表示H對速度變化的敏感程度，趨勢線為線性趨勢線。由圖5可知：對于不同駕駛員，H與V進(jìn)之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，但是不同駕駛員的心率增長率關(guān)于速度變化的敏感程度不一致(線性趨勢線斜率不同)。隨著速度的增加，心率增長率的幅值越大，分布區(qū)間更寬，與速度的相關(guān)性更強(qiáng)。

H與V進(jìn)之間的正相關(guān)性可以從以下2個方面來解釋：① 在加速和減速的過程中，速度的快速變化導(dǎo)致駕駛員生理不適，進(jìn)而導(dǎo)致駕駛員心率增加。② 駕駛員在隧道進(jìn)口前段需要更多的時間識別道路情況和保證安全距離，由于時間的壓力，導(dǎo)致駕駛員心理壓力增大。

2.2 隧道中段

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出隧道中段單元的速度和心率連續(xù)變化數(shù)據(jù)，分析其變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，在隧道中段的速度與駕駛員心率都呈現(xiàn)不同幅值的波動變化。圖6為隨機(jī)選取的4個隧道中段的速度和心率連續(xù)變化曲線。由圖6可知：速度與駕駛員心率呈現(xiàn)相同規(guī)律的變化，且心率變化時間相對滯后于速度。

圖5 隧道進(jìn)口單元速度與H的散點(diǎn)圖

圖7為隧道進(jìn)口路段的H-V中散點(diǎn)圖。由圖7可知：H與V中之間存在一定的正相關(guān)性，表明速度增大時駕駛員心跳更快，駕駛負(fù)荷增加。究其原因在于，隧道中段相對封閉的駕駛空間中，駕駛員對速度的感知缺少參照物，預(yù)期速度和駕駛速度之間難以一致，導(dǎo)致駕駛員心理壓力增大。而駕駛員為了控制好行駛穩(wěn)定性會不斷調(diào)整速度，導(dǎo)致車輛操控難度增大，駕駛負(fù)荷增加。

2.3 隧道出口

在試驗(yàn)結(jié)果中隨機(jī)選取了4個隧道出口單元的數(shù)據(jù)，繪制了速度與駕駛員心率的連續(xù)變化線，如圖8所示。從圖8可以看出：速度均出現(xiàn)了先減小后增大的變化，即在隧道口有沖出隧道的行為，而心率在速度幅值變化較大的位置出現(xiàn)了峰值。

圖7 隧道中段單元速度與H的散點(diǎn)圖

圖8 隧道出口單元速度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖9為隧道出口單元的H-V出散點(diǎn)圖。從圖9可看出：隨著速度的增加，H有明顯的增長趨勢，并且表現(xiàn)出2個明顯的特征：① 不同駕駛員對速度的感知不同(不同駕駛員H的幅值增長不一致)，② 當(dāng)速度大于60 km/h后，速度的增加會導(dǎo)致部分駕駛員H快速增長。

3 照度(L)與H相關(guān)性

隧道進(jìn)、出口照度的急劇變化會對駕駛員視覺產(chǎn)生巨大的沖擊，在明暗適應(yīng)的過程中，駕駛員視覺功能可能出現(xiàn)短時障礙，即無法看清前方車輛或者障礙物，這會導(dǎo)致駕駛員心理緊張并加劇精神負(fù)荷。為此本節(jié)將分析照度(L)與H的相關(guān)性。為了最大程度上減少行駛速度的耦合影響,根據(jù)試驗(yàn)隧道限速，將隧道分為2組：V<60 km/h、V<80 km/h，然后分析每一個速度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3.1 隧道進(jìn)口

隨機(jī)選取4個隧道進(jìn)口單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取出照度與心率的時域變化曲線(圖10)。從圖10可以看出：在隧道進(jìn)口2 s以內(nèi)照度急速變小，一般照度從3 000 lx下降到10 lx以內(nèi)，即“黑洞效應(yīng)”。而心率隨著照度變小逐步升高，這表明駕駛員精神壓力逐步增大。

圖9 隧道出口單元速度與H的散點(diǎn)圖

圖10 隧道進(jìn)口單元照度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖11為隧道進(jìn)口單元照度與H的散點(diǎn)圖。由圖11可知，照度與H之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，表明照度降低速率非常大時駕駛員心跳加快，即駕駛員心理壓力增大。分析其原因有兩點(diǎn)：① 隧道進(jìn)口處照度突變，駕駛員受“黑洞效應(yīng)”的影響，出現(xiàn)道路辨識障礙，駕駛員視覺負(fù)荷增加。② 由于駕駛員辨識時間增加，跟車安全距離發(fā)生變化，駕駛員精神壓力增大。

3.2 隧道中段

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出4個隧道中段單元的照度與心率數(shù)據(jù)連續(xù)變化曲線，如圖12所示。圖12(a)與(b)分別為華福隧道與龍溪隧道中段單元照度，其波動范圍都為1～8 lx。圖12(c)與(d)分別為華巖長、短隧道中段單元照度，其波動范圍分別為45～65 lx與80～400 lx。觀察圖12特征，可以發(fā)現(xiàn)心率與照度呈現(xiàn)明顯的反向波動規(guī)律，即：照度變小，心率上升；照度變大，心率下降。

圖11 隧道進(jìn)口單元照度與H的散點(diǎn)圖

圖12 隧道中段單元照度與駕駛員心率時域變化曲線

圖13為隧道中段單元照度與H的散點(diǎn)圖。由圖13可知，照度與H之間的關(guān)系比較離散，但存在較弱的負(fù)相關(guān)性，即隨著照度的增加H呈現(xiàn)出減小的趨勢。分析其原因?yàn)椋孩?由于照度變化速率和幅值都較小，駕駛員的視覺刺激較小。② 駕駛員已經(jīng)完成暗適應(yīng)的過程，H變化主要由于駕駛員個體差異，所以照度與H的關(guān)系較離散。

3.3 隧道出口

隨機(jī)選取4個隧道進(jìn)口單元的照度與心率數(shù)據(jù)，繪制L中與H的連續(xù)變化時域曲線，如圖14所示。從圖14可以發(fā)現(xiàn)：在隧道出口處，照度在2 s之內(nèi)急劇升高，從10 lx以內(nèi)上升到3 000 lx以上，即“白洞效應(yīng)”。而H隨著照度變大呈現(xiàn)不同步的快速升高，這表明駕駛員精神負(fù)荷快速增加。

圖13 隧道中段單元照度與H的散點(diǎn)圖

圖14 隧道出口單元照度與駕駛員心率的時間歷程曲線

圖15為隧道出口單元的L出-H散點(diǎn)圖。由圖15可知，L出與H之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，即照度增加會導(dǎo)致H增長，并且照度越大，H分布區(qū)間越寬。L出與H的正關(guān)系性可以從2個方面來解釋：①由于照度劇烈升高，駕駛員視覺需要明適應(yīng)，這個過程中駕駛員精神緊張。② 在“白洞效應(yīng)”的影響下，駕駛員無法辨清路況，需要及時調(diào)整速度保證行車安全，即車輛的操控難度加大，導(dǎo)致駕駛員心率增加。

圖15 隧道出口單元照度與H的散點(diǎn)圖

4 速度、照度與H的關(guān)系模型

根據(jù)以上分析，在隧道進(jìn)、出口路段的照度、速度與心率增長率相關(guān)性較強(qiáng)，而隧道中段關(guān)系離散。因此,建立隧道進(jìn)、出口的L、V、H之間的關(guān)系模型，擬合函數(shù)的形式見式(2)。

(2)

式中：x、y為自變量；Z為因變量；a、b、c、d、e為回歸系數(shù)。

4.1 隧道進(jìn)口模型

隧道進(jìn)口數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)點(diǎn)對，格式為{(V進(jìn)i，L進(jìn)i，H進(jìn)i)|i=1，2，…，N}，其中N=44為樣本量，V進(jìn)i、L進(jìn)i、H出i分別為第i個樣本的速度、照度和心率增長率的實(shí)測值。用Origin軟件對數(shù)據(jù)點(diǎn)對進(jìn)行相關(guān)性分析，其中P=0.000，V進(jìn)i、L進(jìn)i、Hi密切相關(guān)。繪制速度、照度與H的非線性曲面擬合圖，如圖16所示。最終模型表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)本文試驗(yàn)隧道的照度條件，該模型適用范圍為L進(jìn)∈[3 500 lx，0.1 lx]。

4.2 隧道進(jìn)出口模型

隧道出口樣本N=48，數(shù)據(jù)點(diǎn)對格式為{(V出i，L出i，H出i)|=1，2，…，N},采用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其中P=0.000，即V進(jìn)i、L進(jìn)i、Hi密切相關(guān)，繪制速度、照度與H的非線性曲面擬合圖見圖17，擬合模型形式為：

(4)

根據(jù)本文試驗(yàn)隧道的照度條件，該模型適用范圍為L出∈[0.1 lx，3 500 lx]。

圖17 隧道進(jìn)口段速度、照度與H的曲面擬合結(jié)果

5 結(jié)論

1) 隧道進(jìn)口段照度與心率增長率H之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，并且隨著速度的增大，H對照度變化的敏感性增加。速度與心率增長率H之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。

2) 隧道中段照度與心率增長率H的關(guān)系比較離散，隧道照度幅值的變化范圍??；速度與心率增長率H之間存在一定的正相關(guān)性，并且不同駕駛員心率變化個體差異顯著。

3) 隧道出口段照度與心率增長率H之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，照度高于2 000 lx時，H對照度變化的敏感性增加。速度與心率值都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，速度與H之間存在一定的正相關(guān)性。

本文分析了隧道的照度、速度與心率增長率之間的關(guān)系。但在實(shí)際隧道駕駛環(huán)境中，如交通流量、隧道側(cè)墻、隧道平縱面參數(shù)等都會對駕駛負(fù)荷產(chǎn)生影響，并且不同性別的駕駛員心率增長率可能存在一定差異，因此，全面分析其他因素對駕駛負(fù)荷的影響是后續(xù)研究的重點(diǎn)。