基于自然駕駛數(shù)據(jù)的螺旋匝道(橋)駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷分析

徐 進，劉小明，胡 靜

(1.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶400074；2.山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人—車—路”協(xié)同與安全重慶市重點實驗室，重慶400074)

0 引 言

螺旋曲線能有效克服空間尺寸有限及高差較大的限制，實現(xiàn)交通高效換乘[1]，在高速公路、城市立交道路和市政工程項目設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用.與傳統(tǒng)立交方式相比，螺旋型立交因其特殊構(gòu)造形式，駕駛?cè)诵枰谄露却?、連續(xù)螺旋式上坡或下坡狀況下行車，容易高度緊張，甚至出現(xiàn)頭暈、眩目等不良反應(yīng)，使駕駛操縱機能下降，增加事故發(fā)生的可能性，影響道路交通安全.

研究表明，心率相關(guān)指標(biāo)能夠有效描述駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)和精神壓力變化[2].林聲[3]、徐進[4]等分別利用心率增長率和心率變異性指標(biāo)，研究高速公路及山區(qū)公路縱坡路段駕駛負(fù)荷；胡江碧[5]基于駕駛負(fù)荷建立高速公路平曲線半徑與駕駛工作負(fù)荷度關(guān)系模型；吳萌[6]、袁偉[7]等分別對高速公路匝道區(qū)和城市立交匝道區(qū)進行駕駛負(fù)荷影響分析，李忠等[8]通過建立駕駛員心率增長率模型評價立交匝道安全性.現(xiàn)有駕駛負(fù)荷研究主要以高速公路、山區(qū)公路為對象，對立交匝道駕駛負(fù)荷的研究較少，缺乏對螺旋匝道(橋)駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷的相關(guān)研究.

本文以心率為基礎(chǔ)指標(biāo)，對山地城市螺旋匝道(橋)行車環(huán)境下心理負(fù)荷問題進行研究，明確駕駛?cè)诵熊囘^程中心理變化趨勢及其影響因素，為改善城市立交行車安全和提高駕駛舒適性等提供數(shù)據(jù)支撐與分析方法.

1 實驗方案

1.1 實驗對象

選取重慶市轄域主城區(qū)和涪陵區(qū)共4座立交螺旋匝道和螺旋橋作為實驗對象.表1為螺旋型立交匝道的主要技術(shù)參數(shù)，圖1為四座螺旋橋全景圖.

表1 螺旋型立交匝道的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of test objects

圖1 實驗螺旋匝道和螺旋橋Fig.1 Helical ramps and helical bridges selected in this study

1.2 實驗設(shè)備與車輛

實驗需長時間采集駕駛?cè)藙討B(tài)心電圖(ECG)信號，選用Prince 180D 快速心電檢測儀作為實驗心電檢測設(shè)備.實驗車型為7 座商務(wù)車：在實驗車輛安裝行車記錄儀，記錄車輛行車過程中實時道路交通環(huán)境信息和車輛運行狀態(tài)；利用航姿測量系統(tǒng)(AHRS)采集汽車行駛速度、三軸加速度，以及行駛姿態(tài)等參數(shù).

1.3 實驗時間與過程

2016年3月～2017年10月，分6 次進行實驗.為避免不良天氣及非自由流擁堵狀態(tài)對駕駛?cè)笋{駛操作性和心電信號的影響，現(xiàn)場駕駛實驗均在晴天或多云天氣下的09:00-17:30 進行.預(yù)先告知駕駛?cè)诵旭偮肪€，要求保持平時駕駛習(xí)慣，控制車輛自由通過實驗路段，每名被試需沿指定路線往返行駛3～4 次.在實驗開始前和結(jié)束后，分別同步行車記錄儀和快速心電檢測儀的時間，以保證視頻、心電數(shù)據(jù)的同步性.

1.4 實驗駕駛?cè)诉x擇

實車駕駛實驗共招募16 名駕駛?cè)?，按實驗順序編號為D1～D16.男性駕駛?cè)?2名，女性駕駛?cè)?名；實驗駕駛?cè)四挲g范圍為24～57 歲，平均年齡35歲；駕齡1～31年不等，平均駕齡9.4年.

1.5 評價方法

車輛在山地城市復(fù)雜立交道路上行駛是一個高度動態(tài)化的過程，實驗采集的是時域信號，故利用時域分析方法，以5 s 作為一個時間周期，記作R ，選取相鄰兩個間期R-R 序列的統(tǒng)計指標(biāo)值RMSSD 作為評價指標(biāo)進行分析，表征駕駛?cè)松頎顟B(tài)的瞬變性及心率波動，評價駕駛心理負(fù)荷水平，單個R-R 間期如圖2所示.

圖2 心率波動及單個R-R 間期Fig.2 Driving heart rate fluctuations and single R-R interval

2 心率連續(xù)變化特征

選取長江一橋和烏江二橋2座螺旋立交橋，分析駕駛?cè)嗽诼菪土⒔辉训佬熊囘^程的心率連續(xù)變化特征，圖3為自然駕駛狀態(tài)下不同駕駛員心率變化曲線圖，其中，D3(1)表示3 號駕駛員第1 次實驗結(jié)果，依此類推.

圖3 駕駛?cè)诵穆首兓植记€Fig.3 Driving heart rate distribution curve

無論上行還是下行過程，同一駕駛?cè)思安煌{駛?cè)嗽谕宦菪训篮筒煌菪训赖男穆什▌泳嬖谝欢ú町悾f明駕駛心理負(fù)荷不僅受道路線形參數(shù)影響，是人、車、路和環(huán)境共同作用的結(jié)果.駕駛?cè)嗽谶M入匝道前30 s 內(nèi)，對道路環(huán)境陌生，心率波動較大，經(jīng)過調(diào)整適應(yīng)后心率逐漸平穩(wěn)；隨著行駛次數(shù)的增加，同一駕駛?cè)说男穆首兓呌诜€(wěn)定.比較圖3(a)、(b)可知，上行過程駕駛?cè)诵穆什▌虞^下行過程大，說明上行過程駕駛心理負(fù)荷較大.

分析單個駕駛?cè)诵穆什▌忧€可知：D4 駕駛?cè)说男穆什▌诱w最平穩(wěn)，心率值為60～80次/min；D3 駕駛?cè)诵穆什▌幼蠲黠@，心率最大差值為27 次/min，心率均值高達103.68 次/min，遠高于其他駕駛?cè)?這是因為D3駕駛?cè)酥挥?年駕齡，駕駛經(jīng)驗不足，在復(fù)雜行車環(huán)境下容易緊張；其他駕駛?cè)笋{駛經(jīng)驗較豐富，心率波動差值基本保持在10 次/min左右.因此，駕駛心理負(fù)荷受匝道線形參數(shù)、行車環(huán)境、駕駛經(jīng)驗和行駛次數(shù)等因素共同影響.

3 心率變異性整體變化分布特征

圖4為上、下行階段駕駛?cè)嗽?座螺旋型立交內(nèi)心率變異性指標(biāo)RMSSD 整體變化曲線，其中，D10(2)表示10號駕駛員第2次實驗結(jié)果，依此類推.

圖4 駕駛?cè)诵穆首兓植记€Fig.4 Driving heart rate distribution curve

進入立交匝道初期，RMSSD 普遍偏高，說明駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷偏大；進入螺旋匝道后，上行階段駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷波動大體呈兩種變化模式，其一為先升后降的變化模式，其二為先降后升的變化模式，后者居多；下行階段無明顯變化模式；駛出匝道進入主線的過程中，駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷普遍加重.

由圖4 得到，下行階段RMSSD 變化較上行階段更復(fù)雜，說明駕駛?cè)嗽谏闲须A段行車較平穩(wěn)，但波動范圍更大.D11駕駛?cè)说腞MSSD 變化最明顯，在8.65～58.01 ms 之間波動，說明在行車謹(jǐn)慎的同時，上行更容易引起駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷增加.從圖4(a)、(b)、(d)、(e)和(h)得到，進出匝道時駕駛?cè)说腞MSSD 均有所上升，說明駕駛?cè)嗽谥骶€與匝道的分、合流處心理負(fù)荷明顯增加.結(jié)合視頻分析得到：行車過程中的跟車、超車和會車3 種模式是駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷增大的主要因素，其中，會車模式對心理負(fù)荷影響最大；匝道分、合流鼻端RMSSD 上升是共性，且上升幅值受主線車流影響，變化的匝道曲率也會使駕駛負(fù)荷增加.

4 心率變異性統(tǒng)計分布特征

和峰值累計頻率曲線圖和頻數(shù)分布直方圖，其中，第15、50、85 和95 分位數(shù)分別用15(th)、50(th)、85(th)和95(th)表示.

圖5 為螺旋型立交上、下坡匝道RMSSD 均值

圖5 上、下行匝道RMSSD 累計頻數(shù)分布特征Fig.5 RMSSD cumulative frequency distribution characteristics

無論是均值還是峰值，上坡匝道RMSSD 值均高于下坡匝道，說明駕駛?cè)嗽诼菪⒔簧掀略训佬睦碡?fù)荷高于下坡匝道，即連續(xù)的螺旋上坡對駕駛?cè)诵睦砭o張程度的影響更大.從圖5(b)、(c)、(e)和(f)得到，除下行匝道RMSSD 均值分布呈“正偏態(tài)”分布外，其余分布均呈現(xiàn)為“負(fù)偏態(tài)”分布，偏態(tài)特性并不明顯.上行匝道RMSSD 均值、峰值主要分布在13.75～22.50 ms，27.50～33.75 ms；下坡匝道均值、峰值主要分布在12.50～20.00 ms，22.50～31.25 ms.從分布區(qū)間看，上坡匝道心理負(fù)荷高于下坡匝道.

5 匝道幾何要素與RMSSD 的相關(guān)性

5.1 匝道半徑與RMSSD 的相關(guān)性

根據(jù)駕駛?cè)笋{駛車輛的熟練程度，將駕駛?cè)朔譃? 類：不熟練型、一般型和熟練型.圖6 為3 類駕駛?cè)松?、下行匝道半徑R′與RMSSD 散點圖.

由圖6 可知：隨著匝道半徑減小，3 類駕駛?cè)薘MSSD 值均表現(xiàn)為線性增加趨勢，說明駕駛心理負(fù)荷與匝道半徑呈負(fù)相關(guān)性.駕駛?cè)嗽谳^低半徑行車條件下，RMSSD 波動范圍更大；在較大半徑行車條件下，RMSSD 波動較為集中.不同類型的駕駛?cè)藢υ训腊霃降拿舾行源嬖谝欢ǖ牟町悾S著駕駛經(jīng)驗的增加，RMSSD 的最大值也有所下降.由圖6(a)、(d)可知，不熟練型駕駛?cè)嗽诓煌霃叫熊嚄l件下，RMSSD 值均高于中等型和熟練型，說明在相同行車環(huán)境下，駕齡越短的駕駛?cè)烁菀拙o張，行車心理負(fù)荷越大.

初步判定匝道半徑與RMSSD 存在線性相關(guān)關(guān)系，利用SPSS(統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案)軟件分別對上、下坡匝道RMSSD 和R′進行相關(guān)分析并建立關(guān)系模型.上、下坡匝道RMSSD 與R′的相關(guān)系數(shù)分別等于0 的概率為0.004 和0.017，均低于0.05.對比不同函數(shù)形式的擬合結(jié)果，選擇具有較高擬合度，形式較為簡潔的線性表達式，分別用R1和R2表示，即根據(jù)實驗條件，該模型適用范圍為R′?[25,65] m.

圖6 上、下行匝道R′-RMSSD 散點圖Fig.6 R′-RMSSD scatter plot

5.2 匝道坡度與RMSSD 的相關(guān)性

可知：匝道縱坡坡度為5.2%時，RMSSD 值最高，造成的心理負(fù)荷最大；一般型駕駛?cè)嗽谄露葹?.5%時造成的心理負(fù)荷低于坡度為6%時，熟練型駕駛?cè)藙t正好相反；但無論在何種坡度條件下，一般型駕駛?cè)薘MSSD 值均高于熟練型駕駛?cè)耍f明駕駛經(jīng)驗與駕駛心理負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)性.

圖7 上、下行匝道G-RMSSD 散點圖Fig.7 G-RMSSD scatter plot

圖7 為3 類駕駛?cè)松?、下行匝道坡度G與RMSSD 散點圖.由圖7 可知，螺旋立交匝道上、下坡的縱坡坡度與RMSSD 關(guān)系呈現(xiàn)兩種不同的分布：不熟練型駕駛?cè)吮憩F(xiàn)為隨坡度的增加，RMSSD呈線性上升的趨勢；中等型和熟練型駕駛?cè)吮憩F(xiàn)為中間高兩邊低的趨勢.比較圖7(b)、(c)、(e)和(f)

對上、下坡匝道RMSSD 和G進行曲線擬合并建立關(guān)系模型，初步判定匝道坡度與RMSSD 表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系.調(diào)整后的可決系數(shù)R2分別為0.602 和0.725，均大于0.5，具有一定統(tǒng)計學(xué)意義.故將二次函數(shù)表達式作為關(guān)系模型，分別用R3和R4表示，即

該模型的適用范圍為G∈[4.5%,6%].

6 結(jié) 論

通過實車實驗采集駕駛?cè)嗽诼菪土⒔辉训郎闲熊囘^程中的心電數(shù)據(jù)，對駕駛負(fù)荷與螺旋匝道路段線形指標(biāo)的相關(guān)性分析，建立相關(guān)模型，可在一定程度上明確駕駛員在螺旋匝道行車過程中心理狀態(tài)的變化，為提高立交行車安全提供數(shù)據(jù)支撐.

本文試驗對象主要為山地城市螺旋型匝道，而一般城市立交型式以苜蓿葉型居多，所建立的模型具有其特定的適用范圍，對于超出模型范圍和其他類型立交的駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷分析將是后續(xù)研究的重點.另外，從人機工程學(xué)的角度來考慮,駕駛員的心理生理特征具有個體差異性和地域性.我國幅員遼闊，各地區(qū)自然條件存在差異，關(guān)于駕駛員與道路線形構(gòu)造的關(guān)系還應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)自然條件做進一步的探討，以上研究方法與研究結(jié)果可供借鑒和參考使用.