海底隧道縱坡變化對(duì)駕駛?cè)四X電信號(hào)影響分析

楊永正，潘福全，王召?gòu)?qiáng)，張麗霞，楊金順

1）青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266520；2）青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266100

海底隧道是為了解決海灣與海峽之間的交通問題，建造在海底之下供車輛通行的大型人工交通設(shè)施［1］.海底隧道是戰(zhàn)略性交通通道，在城市交通中起著至關(guān)重要的作用，隧道中一旦發(fā)生交通事故，將會(huì)造成隧道兩端區(qū)域性交通擁堵［2］.海底隧道中的事故率及事故損失都遠(yuǎn)高于普通公路隧道，交通事故的發(fā)生原因與縱坡變化有著重要聯(lián)系［3］.因此，深入研究海底隧道縱坡變化對(duì)駕駛?cè)松砼c心理影響，探究其內(nèi)在影響規(guī)律，對(duì)于海底隧道安全運(yùn)營(yíng)及交通事故預(yù)防具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［4］.

針對(duì)隧道縱坡坡度對(duì)駕駛?cè)说挠绊懷芯恐?，PAN等［5］以駕駛?cè)嗽诤５姿淼啦煌露蔚膿Q道行為為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在海底隧道出入口等縱坡坡度大的區(qū)域，換道風(fēng)險(xiǎn)較高.馮忠祥等［6］研究城市下穿隧道對(duì)駕駛?cè)诵碾娞卣鞯挠绊?，建立縱坡坡度、車速及心率變異率量化模型，認(rèn)為坡度為3.5%～4.0%時(shí)，駕駛?cè)说男穆首儺惵首罡?、車速最?張志剛等［7］對(duì)比國(guó)內(nèi)外水下公路隧道，并結(jié)合工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)縱坡坡度對(duì)于隧道通行能力、車輛性能及駕駛?cè)笋{駛能力具有重大影響，縱坡坡度越大，隧道通行能力越低，道路安全性越差.趙建有等［8］在中國(guó)秦嶺某隧道展開實(shí)車實(shí)驗(yàn)，分析隧道縱坡對(duì)不同性別駕駛?cè)诵穆实挠绊?，分別建立隧道縱坡與心率增長(zhǎng)率、隧道縱坡與車速的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)隧道縱坡對(duì)駕駛?cè)诵穆示哂忻黠@影響，隧道上坡和下坡坡度不宜大于2.7%和3.0%.莫秋云等［9］以長(zhǎng)大隧道為研究對(duì)象，建立駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率與山路線形指標(biāo)的回歸模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下坡路段坡度為3.5%時(shí)，駕駛?cè)诵穆试鲩L(zhǎng)率最大.

目前，關(guān)于海底隧道縱坡的研究較少，研究特征量多為眼動(dòng)與心電.普通公路隧道的修建僅需水平穿過山體，而海底隧道需要先從陸地引入海底，從海床下通過后再穿出到陸地，導(dǎo)致海底隧道具有普通公路隧道所沒有的復(fù)雜縱坡變化.本研究以中國(guó)青島膠州灣海底隧道為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開展實(shí)車實(shí)驗(yàn)，以駕駛?cè)四X電信號(hào)為特征量，結(jié)合膠州灣海底隧道內(nèi)的縱坡坡度分布，分析不同縱坡坡度變化對(duì)駕駛?cè)四X電信號(hào)的影響規(guī)律，探究海底隧道縱坡變化對(duì)駕駛?cè)说挠绊憴C(jī)理，以期為海底隧道運(yùn)營(yíng)管理以及交通安全維護(hù)提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

青島膠州灣海底隧道位于黃島區(qū)與青島主城區(qū)之間，雙向6車道，隧道全程最高限速80 km/h.線路全長(zhǎng)7.8 km，其中，跨海域段長(zhǎng)度為4.1 km，最深段在海平面以下82.8 m，縱坡坡度為-4.00%～4.00%.

根據(jù)縱坡坡度的不同，膠州灣海底隧道被分成10段，各個(gè)坡段之間的變坡區(qū)長(zhǎng)度為20 ～40 m［10］.膠州灣海底隧道各段縱坡的坡度分布及變坡區(qū)編號(hào)如圖1.其中，黃島至青島方向的變坡區(qū)編號(hào)為A1—A9；青島至黃島方向的變坡區(qū)編號(hào)為B1—B9.

由圖1 可知，膠州灣海底隧道任一單向有9 個(gè)變坡區(qū).其中，在黃島區(qū)至青島主城區(qū)方向，變坡區(qū)A1—A4位于下坡區(qū)域，變坡區(qū)A6—A9位于上坡區(qū)域；在青島主城區(qū)至黃島區(qū)方向，變坡區(qū)B1—B4位于上坡區(qū)域，變坡區(qū)B6—B9位于下坡區(qū)域；變坡區(qū)A5和B5位于上坡與下坡區(qū)域的過渡區(qū)，故未列入研究范圍.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究實(shí)驗(yàn)車輛為雪佛蘭牌小轎車，車輛狀況良好；使用車載電子坡度記錄儀進(jìn)行坡度測(cè)量，精度為0.01°；使用Emotiv 腦電儀測(cè)量腦電數(shù)據(jù)，其測(cè)量范圍為0.2～45.0 Hz，采樣頻率為258 次/s，腦電儀采用國(guó)際10-20系統(tǒng)電極放置法，共有14+2個(gè)通道（含2 個(gè)參考點(diǎn)位），各通道位置如圖2.其中，通道 AF3、F3、F7、AF4、F4 及 F8 位于額葉區(qū)；通道P3、P7、P4及P8位于頂葉區(qū)；通道FC5、T7、FC6及T8位于顳葉區(qū)；通道O1和O2位于枕葉區(qū)（AF 代表前額、F 代表額葉、P 代表頂葉、FC 代表額中央、T代表顳葉及O代表枕葉）［11］.

圖2 電極名稱及位置Fig.2 Electrodes and their locations

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

本研究實(shí)車實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2020-07-01 至2020-08-30.為避免車流對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生干擾，實(shí)驗(yàn)選擇在平峰時(shí)段09∶00—11∶00 與14∶00—16∶00.實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)吮灰蟀凑?0 km/h 的速度勻速通過海底隧道全程.參與本次實(shí)車實(shí)驗(yàn)的駕駛?cè)斯?6 位，其駕齡均＞2 a，且身體狀況良好.在實(shí)車實(shí)驗(yàn)前3 d，所有駕駛?cè)司_保合理飲食與良好睡眠，且無飲酒和服藥行為.為使駕駛?cè)烁玫剡m應(yīng)實(shí)驗(yàn)車輛，在實(shí)驗(yàn)前每位駕駛?cè)司?～2 次在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地外道路上的試駕機(jī)會(huì).

每次實(shí)車實(shí)驗(yàn)均需要3 位實(shí)驗(yàn)輔助人員，其中，副駕駛座位上的輔助人員負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)車右側(cè)路況進(jìn)行錄像；后排左側(cè)輔助人員負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)車左側(cè)路況進(jìn)行錄像，并負(fù)責(zé)測(cè)量腦電數(shù)據(jù)；后排右側(cè)輔助人員負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)車前方路況及實(shí)驗(yàn)車速度表盤進(jìn)行錄像.在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析之前，需根據(jù)3位實(shí)驗(yàn)輔助人員記錄的錄像視頻及海底隧道內(nèi)的交通卡口視頻，并結(jié)合駕駛?cè)说哪X電圖變化規(guī)律，剔除受到車流干擾的腦電數(shù)據(jù)；還需根據(jù)后排右側(cè)輔助人員記錄的實(shí)驗(yàn)車車速及海底隧道內(nèi)交通卡口檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)車車速，結(jié)合駕駛?cè)说哪X電圖變化規(guī)律，剔除車速異常時(shí)的腦電數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 功率譜分析

人體腦電波是一種有序的神經(jīng)電活動(dòng)，腦電頻率一般為1～30 次/s，根據(jù)頻率由低到高可將腦電波分為δ波、θ波、α波及β波.腦電頻率在一定程度上能夠反映神經(jīng)元的興奮程度，腦電頻率越高，大腦狀態(tài)越活躍；腦電頻率越低，表明神經(jīng)元興奮被抑制.腦電功率譜密度（簡(jiǎn)稱功率譜）是反映大腦興奮或抑制程度的指標(biāo).當(dāng)大腦處于興奮狀態(tài)時(shí)，低頻率信號(hào)逐漸減少，高頻率信號(hào)逐漸增多；當(dāng)大腦處于抑制狀態(tài)時(shí)，高頻率信號(hào)逐漸減少，低頻率信號(hào)逐漸增多［12］.

變坡區(qū)B3位于下坡段的中間位置，是典型的縱坡變化區(qū)域.本研究以B3變坡區(qū)為研究對(duì)象，取變坡區(qū)前后相同長(zhǎng)度的路段為對(duì)照組，對(duì)比分析駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)附近區(qū)域時(shí)的腦電功率譜變化.圖3為實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)及變坡區(qū)前后的腦電功率譜對(duì)照?qǐng)D.可見，駕駛?cè)嗽谧兤聟^(qū)的腦電δ 波和θ波功率譜明顯小于變坡區(qū)前后，腦電α波和β波功率譜明顯大于變坡區(qū)前后，表明駕駛?cè)舜竽X在變坡區(qū)更興奮，駕駛?cè)嗽诮?jīng)過變坡區(qū)附近區(qū)域時(shí)，受縱坡坡度變化影響，大腦的活躍水平呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低的過程.

圖3 變坡區(qū)與變坡區(qū)前后的功率譜對(duì)比Fig.3 Comparison of power spectrum before the variable slope area,in the variable slope area,and after the variable slope area

2.2 功率分析

對(duì)腦電信號(hào)的功率譜做進(jìn)一步處理，即可求出腦電信號(hào)的功率.將腦電信號(hào)視為隨機(jī)信號(hào)，腦電信號(hào)功率Pi為［13］

其中，i為不同的腦電波，i= δ波、θ波、α 波及β波；Si(t)為不同腦電波的功率譜；x(k)為4種腦電波離散點(diǎn)的幅值；n為任一數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù).

在研究駕駛?cè)说纳頎顟B(tài)時(shí)，常通過腦電功率來表征駕駛?cè)说拇竽X活躍程度，其中，β波對(duì)大腦活動(dòng)變化最為敏感，β波功率越大，駕駛?cè)舜竽X越興奮；β波功率越小，駕駛?cè)舜竽X越抑制.

取變坡區(qū)B3及其前后2倍長(zhǎng)度的路段為研究區(qū)域，以5 m為間隔，分別求出全體實(shí)驗(yàn)駕駛?cè)嗽谠搮^(qū)域的β 波功率均值（圖4）.可見，駕駛?cè)嗽诮?jīng)過變坡區(qū)B3時(shí)，腦電信號(hào)β 波功率發(fā)生了劇烈變化.在 B3之前，β 波的平均功率為 3.30 × 10-8V2；在 B3內(nèi)，β 波平均功率快速增加至3.68 × 10-8V2，之后逐漸回落；在B3之后，β波減小速度持續(xù)放緩并逐漸恢復(fù)到原始水平.

腦地形圖是將腦電信號(hào)各個(gè)波段的功率值用不同顏色表示成人腦形狀的平面圖，腦地形圖能夠清晰反映大腦不同區(qū)域的活躍程度.將駕駛?cè)四X電信號(hào)功率進(jìn)行處理，得到腦地形圖如圖5.紅色代表高頻腦電波活躍，紅色越深，代表大腦活躍水平越高，駕駛?cè)嗽脚d奮；藍(lán)色代表低頻腦電波活躍，藍(lán)色越深，代表大腦活躍水平越低，駕駛?cè)嗽狡届o.由圖4 可見，駕駛?cè)宋挥谧兤聟^(qū)B3及其后5 m 時(shí)，腦電活躍水平高，大腦處于興奮狀態(tài).相比較于變坡區(qū)前后，在變坡區(qū)中，駕駛?cè)烁鱾€(gè)腦區(qū)的腦電活躍水平均有不同程度的提高，其中，以額葉區(qū)最為明顯.無論在變坡區(qū)之中，還是變坡區(qū)前后，額葉區(qū)的腦電活動(dòng)水平均處于較活躍狀態(tài).在變坡區(qū)附近區(qū)域行駛時(shí)，駕駛?cè)舜竽X的各個(gè)腦區(qū)均參與到駕駛活動(dòng)中，其中，與該駕駛活動(dòng)關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的腦區(qū)為額葉區(qū)，此外，對(duì)于縱坡坡度變化最敏感的區(qū)域也是額葉區(qū).

圖4 駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)B3及其附近區(qū)域時(shí)的β波功率變化過程Fig.4 The β wave power change process when the driver passing through the gradient zone B3

圖5 駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)B3及其附近區(qū)域時(shí)的腦地形圖Fig.5 The topographic map of the driver's brain when passing through the gradient zone B3

由以上結(jié)果可見，對(duì)駕駛?cè)舜竽X而言，變坡區(qū)是一個(gè)明顯的外界刺激，駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)時(shí)，大腦腦電活躍水平明顯上升，并在離開縱坡變化區(qū)域后逐漸回落至初始水平.結(jié)合圖4可知，駕駛?cè)诉M(jìn)入變坡區(qū) B3時(shí)，β 波功率增加了 0.38 × 10-8V2.同理可得駕駛?cè)私?jīng)過其他變坡區(qū)時(shí)的腦電β波功率變化，如圖6.

圖6 駕駛?cè)私?jīng)過變坡區(qū)時(shí)的腦電β波功率變化情況Fig.6 Power changes of β waves in the brain waves

由圖6 可見，從駕駛?cè)四X電β 波功率變化量的均值來看，對(duì)駕駛?cè)诵睦碡?fù)荷影響程度由大到小的變坡區(qū)依次為：A3、B6、A2、B9、B8、A1、A4、B7（下坡）；B3、A6、B2、A9、A8、B1、B4、A7（上坡）.該順序與縱坡坡度變化量的大小順序相同，上坡與下坡的趨勢(shì)相同.駕駛?cè)四X電β波功率變化量與縱坡變化量密切相關(guān)，縱坡變化量越大，腦電β波功率變化量越大.按照上下坡的不同，將變坡區(qū)分為兩組，并對(duì)兩組變坡區(qū)的β波功率變化量做顯著性檢驗(yàn)，單因素方差分析結(jié)果表明，兩組數(shù)據(jù)間的P值為0.007，故兩組數(shù)據(jù)之間具有顯著性差異，即可認(rèn)為在上坡或下坡過程中相同的縱坡坡度變化，對(duì)駕駛?cè)说挠绊懗潭炔煌?

海底隧道內(nèi)駕駛?cè)四X電β波功率變化的離散程度可反映駕駛?cè)松砗托睦淼淖兓?，以及駕駛?cè)藢?duì)駕駛環(huán)境的適應(yīng)性.不同縱坡變化量對(duì)應(yīng)的β波功率變化離散程度存在明顯差異，通過引入離均系數(shù)進(jìn)一步分析不同縱坡變化對(duì)駕駛?cè)四X電β波功率的影響規(guī)律.離均系數(shù)［14］為駕駛?cè)嗽诮?jīng)過不同坡度變化量時(shí)的腦電β 波功率及其均值絕對(duì)偏差的平均值，計(jì)算為

其中，Sm為駕駛?cè)四X電β 波功率變化的離均系數(shù)（m∈ A1—A4、B6—B9；B1—B4、A6—A9）；n為坡度變化量為m時(shí)，駕駛?cè)四X電β波功率值的個(gè)數(shù)；Xmi為坡度變化量為m時(shí)，第i個(gè)腦電β波的功率值；為坡度變化量為m時(shí)，駕駛?cè)四X電β波的功率均值.計(jì)算坡度變化量為 A1—A4、B6—B9；B1—B4、A6—A9情況下，駕駛?cè)四X電功率β 波的離均系數(shù)，結(jié)果如圖7.

由圖7可見，海底隧道縱坡變化量與駕駛?cè)四X電功率β波離均系數(shù)的變化趨勢(shì)相同.當(dāng)縱坡變化量小于1.5%時(shí)，海底隧道下坡時(shí)駕駛?cè)四X電功率β波的離均系數(shù)與上坡離均系數(shù)近乎重疊，上下坡的離均系數(shù)均無明顯波動(dòng)，駕駛?cè)说鸟{駛感輕松，行車安全性良好.當(dāng)縱坡變化量小于1.5%時(shí)，駕駛?cè)四X電功率β波的離均系數(shù)隨縱坡坡度變化量的增加而快速增加，駕駛?cè)说木o張感增強(qiáng)，行車安全性降低；下坡離均系數(shù)明顯大于上坡離均系數(shù)，下坡過程中的行車安全性更差.

圖7 縱坡變化量及腦電功率β波離均系數(shù)變化Fig.7 Change of longitudinal slope and EEG power β wave mean coefficients

3 腦電信號(hào)變化特征分析

取各個(gè)變坡區(qū)的坡度變化量及所對(duì)應(yīng)的β波功率變化量，將其按照上下坡進(jìn)行分類并分別進(jìn)行擬合，得到海底隧道縱坡坡度變化與腦電β波功率變化的散點(diǎn)圖及擬合曲線如圖8.

圖8 上下坡時(shí)縱坡坡度變化與β波功率變化擬合曲線Fig.8 The curves of vertical slope change and β wave power change

在上坡與下坡過程中，海底隧道縱坡坡度變化與駕駛?cè)四X電β 波功率的變化關(guān)系如式（3）和式（4），可決系數(shù)分別為0.95 和0.96，可決系數(shù)較高，所建關(guān)系模型的可靠性良好.

其中，y1和y2分為上坡與下坡的β波功率變化量；x為縱坡坡度變化量.

由圖8、式（3）和式（4）可知，在上坡與下坡過程中的縱坡坡度變化與β波功率變化的擬合曲線均為2 次函數(shù)，縱坡坡度變化量是β 波功率變化量的平方倍.β波功率變化與縱坡坡度變化正相關(guān)，縱坡坡度變化越小，駕駛?cè)四X電β 波功率變化就越小，行車安全性就越好.隨著縱坡坡度變化的持續(xù)增大，β波功率變化量增長(zhǎng)的越來越快，對(duì)駕駛?cè)说挠绊懸苍絹碓酱?

對(duì)下坡與上坡過程中的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比可知，上下坡過程中的β波功率的變化趨勢(shì)相同；當(dāng)縱坡坡度變化小于1%時(shí)，上坡與下坡過程的β 波功率擬合曲線接近重疊，且β波功率變化均小于0.1，縱坡坡度變化對(duì)駕駛?cè)说挠绊戄^??；當(dāng)縱坡坡度變化大于1.5%時(shí)，相比較于上坡過程，下坡過程中的縱坡坡度變化對(duì)駕駛?cè)四X電β波功率的影響程度更大，隨著縱坡坡度變化的持續(xù)增大，上下坡之間的差距繼續(xù)增大.

結(jié) 語(yǔ)

本研究通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)，分析駕駛?cè)送ㄟ^海底隧道變坡區(qū)的腦電信號(hào)，并探究不同變坡類型與坡度變化量對(duì)駕駛?cè)四X電信號(hào)的影響，結(jié)果表明：①在變坡區(qū)附近區(qū)域行駛時(shí)，駕駛?cè)舜竽X的各個(gè)腦區(qū)均參與到駕駛活動(dòng)中，與該駕駛活動(dòng)關(guān)聯(lián)性最緊密的腦區(qū)為額葉區(qū)；②對(duì)于縱坡坡度變化引起的駕駛?cè)四X電β波功率變化，上坡與下坡之間存在著顯著性差異，下坡過程中的縱坡變化對(duì)駕駛?cè)说挠绊懜?；③海底隧道縱坡變化量與駕駛?cè)四X電β波功率正相關(guān)，縱坡坡度變化越大，駕駛?cè)司o張程度越大，行車安全性越差.當(dāng)變坡區(qū)長(zhǎng)度約為30 m時(shí)，變坡區(qū)的縱坡變化量不宜超過1.5%.

本研究定量分析海底隧道縱坡變化對(duì)駕駛?cè)四X電信號(hào)以及行車安全性的影響，研究成果可為海底隧道縱坡變坡區(qū)的合理布置提供一定理論依據(jù)，對(duì)保障海底隧道行車安全性具有積極作用.為進(jìn)一步研究海底隧道縱坡對(duì)駕駛?cè)说挠绊懀磥硌芯可行桕P(guān)注的問題包括：①海底隧道內(nèi)駕駛?cè)顺艿娇v坡因素影響，還會(huì)受到平面線形、光環(huán)境及交通流等因素影響，因此，有必要對(duì)這些因素耦合作用下的駕駛?cè)四X電信號(hào)變化規(guī)律展開進(jìn)一步探究；②海底隧道中間區(qū)域存在上下坡過渡區(qū)域，具有較大的縱坡變化，因此，有必要進(jìn)一步研究駕駛?cè)嗽诤５咨舷缕逻^渡區(qū)的腦電變化規(guī)律.