山區(qū)雙車道公路路域空間中駕駛視覺心生理負荷特性研究

孟云偉 張熙衍 青光焱 王昌華 羅建群 公維勇

(重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院1) 重慶 400074) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 重慶 400074) (招商局公路信息技術(shù)(重慶)有限公司3) 重慶 400067)

0 引 言

山區(qū)雙車道公路因其所處的地形、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，道路線形指標(biāo)的取值，往往較為苛刻，對駕駛?cè)说陌踩熊嚠a(chǎn)生了直接影響[1]，這首先是表現(xiàn)在駕駛心理負荷方面.在山區(qū)公路的行車過程中，內(nèi)外部行車環(huán)境的實時變化，為駕駛環(huán)境提供豐富的動態(tài)信息來源，如道路線形、氣象、其他車輛及行人等.而視覺感官是駕駛?cè)私邮苄畔⒌闹髑繹1]，視覺所獲得的信息，隨著車輛的行駛過程是連續(xù)的，從而引起駕駛?cè)艘曈X負荷的變化.山區(qū)公路有豐富的路域空間類型，駕駛?cè)嗽谄渲行熊嚕惺艿囊曈X負荷，與路域空間類型有著密切的交互影響關(guān)系[2].

關(guān)于駕駛視覺負荷，國內(nèi)外的學(xué)者已有較多的研究.Gaetano等[3]運用聚類技術(shù)對道路視覺信息進行提取并分析，尋找出具有關(guān)聯(lián)性的變量.在不同等級道路下，胡立偉等[4]將駕駛?cè)说膭討B(tài)視覺指標(biāo)進行了研究分析，認為在不同等級的公路條件下，視覺動態(tài)指標(biāo)存在規(guī)律性的變化.馬勇等[5]進行了駕駛視覺參數(shù)獲取的試驗，分析了駕駛?cè)俗⒁晠^(qū)域、注視時長、注視目標(biāo)等參數(shù)，對駕駛?cè)嗽诓煌缆窏l件下的眼動行為進行了研究.許金良等[6]分析了駕駛?cè)藙右曈X特性的多個指標(biāo)，劃分了高速公路駕駛視覺敏感區(qū).段萌萌等[7]以高隧道比路段作為研究對象，對駕駛?cè)说囊曈X負荷進行了研究，用瞳孔面積最大速率值來評價駕駛?cè)嗽谒淼揽诘囊曈X負荷.Pierre等[8]基于駕駛模擬的方法，在同一條道路的單調(diào)景觀和復(fù)雜景觀環(huán)境下，用方向盤的轉(zhuǎn)動角度，評價駕駛?cè)怂艿囊曈X刺激程度，結(jié)果表明在單調(diào)景觀環(huán)境下，駕駛?cè)顺惺茌^少的視覺負荷，易導(dǎo)致駕駛疲勞.Crundall等[9]將駕駛?cè)朔譃榻?jīng)驗少、非熟練、熟練3個等級，探究了3種駕駛?cè)嗽诓煌缆肥┘拥牟煌曈X負荷下的視覺搜索的差異性，研究發(fā)現(xiàn)，駕駛員的熟練程度不同，對駕駛視覺負荷的反應(yīng)策略也有所不同.陳云等[10]以瞳孔面積的變化速度作為駕駛視覺負荷的表征指標(biāo)，研究了不同車輛類型下，駕駛?cè)嗽谛“霃蕉趟淼蓝纯谛旭傔^程中的視覺負荷變化規(guī)律.焦方通等[11]以瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值作為駕駛視覺負荷表征指標(biāo)，研究了城市水下特長隧道出入口的視覺負荷變化規(guī)律，提出了隧道入口設(shè)置格柵式遮光蓬的建議.

從以上研究成果可知：對駕駛視覺負荷的研究成果，多集中于駕駛視覺負荷的表征、與特殊構(gòu)造路段的關(guān)聯(lián)性等方面，而對于由路域空間類型所引起的駕駛視覺心生理負荷的動態(tài)變化，所開展的研究相對較少.本文擬通過在不同路域空間中進行實車試驗，獲取有關(guān)的駕駛視覺參數(shù)，研究駕駛?cè)素摵傻淖兓匦?，探究路域空間類型與駕駛心生理負荷之間的內(nèi)在聯(lián)系.從視覺、心率指標(biāo)，對駕駛?cè)嗽诓煌穆酚蚩臻g的心生理負荷進行分析研究.在此研究的基礎(chǔ)上，可增加實驗手段，擴展研究指標(biāo)，同時與交通安全預(yù)警、安全風(fēng)險識別相結(jié)合，形成完整的理論及應(yīng)用體系.

1 試驗設(shè)計

路域空間分為開敞式、半郁閉式、郁閉式三種類型[12].通過實車試驗對山區(qū)公路的路域空間信息進行收集，作為對駕駛視覺心生理負荷研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

試驗路段選擇在重慶市巴南區(qū)省道S104，路段長度約56 km，該路段有多處小半徑曲線、道路環(huán)境變化復(fù)雜多樣，具備三種空間類型，是典型的山區(qū)雙車道公路特征.

實車試驗的內(nèi)容主要包括記錄路域空間的動態(tài)變化、車輛的行駛參數(shù)等指標(biāo).試驗中利用Dikablis眼鏡式眼動儀和高清攝像裝備對駕駛?cè)说难蹌訑?shù)據(jù)、路域環(huán)境變化數(shù)據(jù)進行采集.

參與試驗的駕駛?cè)藶?0名男性，矯正視力均在5.0以上，年齡均在25～35歲，駕齡在2～10年，進行試驗前保證每位駕駛?cè)松眢w無異樣，精神狀態(tài)良好.試驗時，天氣多云.

選取路側(cè)景觀連續(xù)變化的一段道路，為保證數(shù)據(jù)連續(xù)有效，全程不間斷采集、儲存記錄數(shù)據(jù).將試驗中所所攝制的道路環(huán)境視頻以單位時間為間隔來提取成行車圖像，以便于對路域空間變化進行量化計算，通過眼動儀采集駕駛?cè)说耐酌娣e數(shù)據(jù).

2 視覺心生理負荷指標(biāo)選擇及分析方法

表征駕駛負荷的指標(biāo)，分為多種，且目前尚未統(tǒng)一[13-14].對于駕駛?cè)说呢摵?，本文借鑒已有的類似的研究成果，從生心理兩個方面，采集能表征駕駛負荷的數(shù)據(jù)，而不再區(qū)分其究竟屬于生理負荷，還是心理負荷，因為無論是從生理還是心理方面，都是駕駛?cè)诉@一載體.因此，本文選取的表征駕駛心生理負荷的指標(biāo)是瞳孔面積、心率，并研究這兩個指標(biāo)在不同路域空間類型中的一致性.在試驗中，對不同的路域空間類型，均使用眼動儀、心率計等儀器，進行眼動、心率等數(shù)據(jù)的采集.

2.1 瞳孔面積變化率

駕駛?cè)说耐酌娣e，在駕駛過程中的動態(tài)變化，體現(xiàn)了駕駛負荷的變化.瞳孔面積變化越大，說明負荷越大.本文采用瞳孔面積的變化率來表征駕駛負荷.首先對所采集到的瞳孔面積數(shù)據(jù)進行K-S正態(tài)分布檢驗，結(jié)果見表1.

表1 瞳孔面積假設(shè)檢驗結(jié)果

正態(tài)分布檢驗的結(jié)果顯示，K-S正態(tài)分布檢驗的P>0.05，保留原假設(shè)，即瞳孔面積數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可用于數(shù)據(jù)分析.

研究表明[15]，在駕駛行車過程中，瞳孔面積變化率超過20%時，駕駛?cè)司蜁a(chǎn)生緊張情緒，超過40%時，駕駛?cè)诵睦碡摵商幱谳^高狀態(tài)，容易發(fā)生危險.瞳孔面積變化率的計算為

(1)

式中：φe為瞳孔面積變化率；Ai為瞳孔面積；A0為瞳孔初始面積.

2.2 心率變化率

在路域空間類型的影響下，駕駛?cè)说男穆首兓鼙碚黢{駛負荷[16].心率變化越大，說明負荷越大.一般情況下，人的心率在65～95次/min，平均在75次/min.首先對心率數(shù)據(jù)進行K-S正態(tài)分布檢驗，以驗證數(shù)據(jù)用于分析的可行性，結(jié)果見表2.

表2 心率假設(shè)檢驗結(jié)果

正態(tài)分布檢驗的結(jié)果顯示，K-S正態(tài)分布檢驗的P>0.05，保留原假設(shè)，即心率數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可用于數(shù)據(jù)分析.

采用心率變化率為表征指標(biāo)，心率變化率的計算為

(2)

式中：φh為心率變化率；Hi為心率值；H0為正常心率值.

3 結(jié)果分析

通過上述數(shù)據(jù)分析方法，對10名被試的瞳孔面積變化率、心率變化率進行初步的統(tǒng)計，其中瞳孔面積變化率的分布范圍為0.50%～23.71%，心率變化率的分布范圍為12.00%～26.67%.

3.1 指標(biāo)的相關(guān)性

相關(guān)性分析是對兩個或多個隨機變量之間是否存在相關(guān)性進行判斷的一種統(tǒng)計分析方法，各變量的相關(guān)程度依靠相關(guān)系數(shù)r、顯著性水平p值來判斷.當(dāng)相關(guān)系數(shù)r>0.8時，表示變量間相關(guān)性極強；當(dāng)0.6

對試驗中得到的2個參數(shù)的相關(guān)性分析，結(jié)果見表3.

表3 相關(guān)性分析

由表3可知，瞳孔面積變化率與心率變化率之間的相關(guān)系數(shù)r=0.598>0.5，顯著性水平(雙側(cè))為p=(<0.001)<0.05，說明瞳孔面積變化率與心率變化率的相關(guān)性強.本文用這2個指標(biāo)，分別對不同的路域空間類型下的駕駛心生理負荷進行研究.

3.2 心生理負荷與路域空間類型的關(guān)聯(lián)性

為了更直觀的分析不同路域空間類型下的瞳孔面積變化率、心率變化率的分布特性，采用箱型圖對數(shù)據(jù)進行研究.使用的是10名被試所采集的數(shù)據(jù)，將其進行整體分析.

1) 瞳孔面積變化率 在典型的不同路域空間類型下，對駕駛?cè)诵旭?20 s的瞳孔面積變化率的數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集頻率為每0.1 s采集5～7組數(shù)據(jù)，共獲得樣本1 837個，剔除其中的3組異常數(shù)據(jù)，部分瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)，見表4.

表4 瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)

根據(jù)表4得到的不同路域空間下的瞳孔面積變化率數(shù)據(jù)可知，駕駛?cè)嗽陂_敞空間行駛時的瞳孔面積變化較小，基本處在7 mm2左右；而駕駛?cè)嗽诎胗糸]、郁閉空間行駛時下，瞳孔面積會增大到8 mm2，較開敞空間有明顯變化.進而對瞳孔面積變化率進行計算，得到瞳孔面積變化率的分布特性，見圖1.

圖1 瞳孔面積變化率

由圖1可知，在不同路域空間類型中行駛，駕駛?cè)说耐酌娣e變化率呈現(xiàn)不同的特點.瞳孔面積變化率越大，說明駕駛心生理負荷越大.取該指標(biāo)的平均值作為分析的對象，由此可見，在開敞式中行車時，駕駛心生理負荷最小，均值為7.08%，半郁閉式的稍大，均值為9.37%，而郁閉式的最大，達到20.23%，即郁閉式>半郁閉式>開敞式.在山區(qū)雙車道公路的試驗路段上，主要的路域空間類型是半郁閉式、郁閉式的，開敞式的相對較少.駕駛?cè)嗽诖硕惪臻g中行車時，受到路側(cè)交通標(biāo)志、非機動車、對向車輛等外界因素的綜合影響，注視點會隨時跳動，因不同的關(guān)注對象，瞳孔面積會發(fā)生持續(xù)的變化；而在開敞式中行車時，駕駛?cè)说囊曇拜^為開闊，無需注視過多對象，因此瞳孔面積的變化率較小.

從數(shù)據(jù)的變異性來看，在半郁閉、郁閉式的類型下，不同被試瞳孔面積的變異性較明顯，尤其是在郁閉式的類型下.不同的注視對象，將產(chǎn)生不同的瞳孔面積變化率，因此，在郁閉式的類型中行車時，被試所注視的對象是不同的.

2) 心率變化率 心率變化率采集的原始數(shù)據(jù)，與瞳孔面積變化率的數(shù)據(jù)，在人員上一致.心率變化率的樣本數(shù)量為186個，剔除異常數(shù)據(jù)，獲得有效數(shù)據(jù)共182個，部分心率變化率的數(shù)據(jù)，見表5.

表5 心率變化率數(shù)據(jù)

由表5可知，駕駛?cè)嗽陂_敞空間行駛時，心率較為緩和，基本處于75～80次/min之間；當(dāng)駕駛?cè)嗽谟糸]，半郁閉空間行駛時，駕駛?cè)诵穆什▌虞^大，處在80～90次/min之間.因此對得到心率變化率的分布特性進行分析，見圖2.

圖2 心率變化率

由圖2可知，在不同路域空間類型中行駛，駕駛?cè)说男穆首兓室渤尸F(xiàn)不同的分布特點.心率變化率越大，說明駕駛心生理負荷越大.同樣地，取該指標(biāo)的平均值作為分析對象，在開敞式路域空間類型中的駕駛心生理負荷最小，均值為8%，半郁閉式的較大，均值為14.67%，而郁閉式的最大，達到21.33%，即駕駛?cè)诵穆首兓蕿椋河糸]>半郁閉>開敞.在開敞式路域空間中行車時，駕駛?cè)艘曇伴_闊，駕駛操作較少，有充足的時間應(yīng)對突發(fā)事件，駕駛心生理負荷由此最??；而在半郁閉式、郁閉式中，視野受到限制，駕駛?cè)诵柰瑫r應(yīng)對多個注視對象，駕駛操作隨之增大，心理預(yù)期與實際路況出現(xiàn)較大不符，因此駕駛心生理負荷增大.

從數(shù)據(jù)的變異性來看，在郁閉式的類型下，不同被試的心率變化率的差異性也較明顯，從視覺是外界信息來源的主通道這一角度解釋，這說明被試對于行車環(huán)境有不同的注視點，各注視點所載信息不同，造成了被試心率變化率差異明顯的結(jié)果.

4 結(jié) 論

1) 對于山區(qū)雙車道公路中的開敞式、半郁閉式、郁閉式空間類型，駕駛?cè)说囊曈X心生理負荷，可用瞳孔面積變化率、心率變化率這2個指標(biāo)進行表征，且2個指標(biāo)的相關(guān)性強.

2) 在開敞式空間中，駕駛?cè)说囊曈X心生理負荷最小，半郁閉式的較大，郁閉式的最大；駕駛負荷的計算值的對比，與駕駛?cè)说母惺?，保持了一?

3) 通過對駕駛負荷產(chǎn)生機理的分析，在郁閉式、半郁閉式的空間中，建議適當(dāng)減少和統(tǒng)一視覺刺激物的設(shè)置，如標(biāo)志、路側(cè)接入口等設(shè)施的數(shù)量和位置，同時保持較低的行駛速度，以利于駕駛?cè)烁嗟刈⒁曈谟行У慕煌ㄐ畔⒃瓷?