彎道分心駕駛對(duì)行車安全風(fēng)險(xiǎn)的影響研究

張志清，付金秀，肖書影，梁昌征

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124； 2. 中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100037)

0 引 言

道路線形及駕駛行為是造成道路行車安全風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。關(guān)于道路線形對(duì)行車安全的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。E. PAPADIMITRIOU等[1]研究表明道路行車安全風(fēng)險(xiǎn)最大的線形是小半徑曲線；H. ZIA等[2]研究發(fā)現(xiàn)，彎道事故數(shù)占事故總數(shù)的39%左右，且車道寬度、路肩寬度和每公里轉(zhuǎn)彎角度也與道路風(fēng)險(xiǎn)率的增加有關(guān)；SUN Xiaoduan等[3]分析了車輛行駛軌跡變化規(guī)律，得出結(jié)論：緩和曲線、圓曲線及車道寬度對(duì)交通事故都會(huì)產(chǎn)生影響；P. RICHTER等[4]研究了駕駛員眨眼率、心率等生理指標(biāo)與鄉(xiāng)村道路曲率變化率的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：隨著鄉(xiāng)村道路曲率變化率的增加，駕駛員心率和心率變異性增加，而眨眼率減少；T. FURUICHI等[5]研究了不同S型路段上駕駛員的駕駛速度、眨眼頻率、心率等指標(biāo)的變化及其引起的安全問題；CHEN Yixin等[6]發(fā)現(xiàn)彎道段圓曲線曲率及坡度顯著影響車輛橫向偏移；郭應(yīng)時(shí)等[7]提出用角度變化率來表征道路平面線形的變化，并建立了二者之間的關(guān)系曲線，研究得到了事故率隨道路平面線形幾何要素的變化規(guī)律，找出了影響事故率較大的線形幾何要素以及事故率處于最低點(diǎn)時(shí)的線形條件。

除了道路線形，危險(xiǎn)駕駛行為也是導(dǎo)致交通安全風(fēng)險(xiǎn)的重要因素，其中分心駕駛是增加車輛碰撞和交通事故數(shù)量的主要行為[8-11]。S. G. KLAUER等[12]研究發(fā)現(xiàn)，近80%的碰撞和65%的臨界碰撞都與分心有關(guān)，最常見的分心形式是認(rèn)知分心和視覺分心；張?zhí)m芳等[13]研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知分心會(huì)降低轉(zhuǎn)向能力，提高車道保持能力，而視覺分心會(huì)降低車輛橫向穩(wěn)定性、減少駕駛員關(guān)注前方路況的時(shí)間；駕駛員在駕駛時(shí)使用手機(jī)也是一個(gè)重要的分心因素，手機(jī)的廣泛使用顯著提高了駕駛風(fēng)險(xiǎn)[14-16]；T. A. DINGUS等[17]研究結(jié)果證明，當(dāng)駕駛員瀏覽手機(jī)或用手機(jī)發(fā)短信時(shí)，發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)比專心駕駛高3.6倍，且無論語音短信還是文字短信都會(huì)對(duì)駕駛安全產(chǎn)生負(fù)面影響[18]；在不良環(huán)境中，在駕駛的同時(shí)閱讀一條很簡(jiǎn)短的信息都會(huì)使得駕駛員遺漏道路關(guān)鍵信息而導(dǎo)致交通安全事故的發(fā)生[19]。國(guó)外學(xué)者采用駕駛模擬器分析得出，駕駛過程中閱讀或編輯短信將增加駕駛?cè)朔磻?yīng)時(shí)間、削弱車道保持能力、降低車速穩(wěn)定性、增加視線偏離前方道路比例、遺漏更多道路關(guān)鍵信息等[20-23]；張輝[24]針對(duì)駕駛員駕駛過程中“免提手機(jī)通話”和“微信語音信息”的駕駛行為展開研究，從微觀層面分析了分心駕駛對(duì)駕駛員視覺及其緊急制動(dòng)操作的影響，得出宏觀層面結(jié)論：分心駕駛對(duì)道路交通安全有較明顯的負(fù)面影響。

上述研究或者是從道路線形，或者是從分心駕駛因素上，對(duì)道路行車安全進(jìn)行了分析，沒有考慮道路線形和駕駛員分心駕駛耦合的影響。筆者聚焦于在彎道上分心駕駛的行車狀態(tài)，開展駕駛模擬試驗(yàn)，研究了道路線形和駕駛員分心駕駛兩個(gè)因素耦合作用對(duì)行車安全的影響，得出視覺分心比認(rèn)知分心對(duì)行車安全的影響更大的結(jié)論。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)駕駛員

招募25名男性、15名女性共40名具有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的健康駕駛員，矯正視力均大于5.0，年齡24～57歲(平均32.11，標(biāo)準(zhǔn)差為9.83)，駕齡4～30年(平均11.48，標(biāo)準(zhǔn)差為9.28)。被試駕駛員之間的個(gè)體差異顯著，保證了獲得的數(shù)據(jù)可以排除特殊性，具有較強(qiáng)有效性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1)實(shí)車駕駛模擬系統(tǒng)。硬件包括控制、顯示和車輛系統(tǒng)，軟件包括核心控制系統(tǒng)(SCANeRTMstudio)和虛擬環(huán)境搭建系統(tǒng)。模擬器車型為豐田Toyota Yaris。

2)KF2型動(dòng)態(tài)多參數(shù)生理檢測(cè)儀。主要檢查指標(biāo)有：心電圖、心率、呼吸、體位、體動(dòng)以及體表溫度等，分析軟件可顯示信號(hào)波、QRS波、呼吸率，可進(jìn)行心律失常、HRV、ST段及體動(dòng)強(qiáng)度分析。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1)場(chǎng)景A——直線路段；場(chǎng)景B——彎道路段，共有4個(gè)彎道半徑：Rmin=125 m、R1=200 m、R2=400 m、Rmax=600 m。為保證駕駛員在進(jìn)入下一彎道時(shí)，已經(jīng)恢復(fù)由上一彎道產(chǎn)生的心率和車輛運(yùn)行狀態(tài)改變，相鄰彎道之間以800 m長(zhǎng)的直線連接。

2)試驗(yàn)道路為穿村鎮(zhèn)的雙向雙車道公路，一塊板斷面形式，車道寬3.75 m，硬路肩寬0.75 m，道路兩側(cè)建筑物類型為村鎮(zhèn)房屋。路段總長(zhǎng)4.7 km，曲線段長(zhǎng)度占道路總長(zhǎng)的43.2%，符合穿村鎮(zhèn)公路線形特點(diǎn)。

3)交通流設(shè)定為自由流狀態(tài)。

1.3.2 分心設(shè)計(jì)

1)視覺分心即駕駛員的視線離開所應(yīng)關(guān)注的道路交通環(huán)境，從而對(duì)車輛運(yùn)行帶來安全隱患。試驗(yàn)中，當(dāng)駕駛員沿彎道行駛時(shí)，測(cè)試員向其手機(jī)發(fā)送信息，要求駕駛員閱讀信息而產(chǎn)生視覺分心，為保證駕駛員確實(shí)因?yàn)g覽短信而造成視線離開道路，需要駕駛員閱讀出接收到的信息。信息內(nèi)容為試驗(yàn)近期國(guó)內(nèi)外時(shí)政、生活、娛樂等方面熱點(diǎn)新聞事件，字?jǐn)?shù)控制在(100 ± 20)個(gè)范圍內(nèi)。

2)認(rèn)知分心，指駕駛員的認(rèn)知資源被其他與駕駛無關(guān)的次要任務(wù)占用，從而增大了行車安全風(fēng)險(xiǎn)。采用1-back工作記憶方法進(jìn)行試驗(yàn)，即測(cè)試員間斷說出n個(gè)兩位數(shù)，駕駛員需要記住并重復(fù)出第(n-1)個(gè)數(shù)字。

1.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

1)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω。行車時(shí)，駕駛員對(duì)方向盤的操作在很大程度上決定著車輛的運(yùn)行狀態(tài)，影響著行車安全。筆者用方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω來表征駕駛員對(duì)方向盤的操作行為。

2)車輛橫向偏移L，即車輛與行車道中心線之間的距離，可反映車輛的位置。根據(jù)HighwayDesignandTrafficSafetyEngineeringHandbook[25]，行駛方向左側(cè)的偏差為“+”，右側(cè)偏差為“-”，筆者不探究偏移方向，因此采用橫向偏移絕對(duì)值進(jìn)行分析。

3)心率HR。駕駛員的心理舒適性對(duì)其駕駛行為有較大影響，與行車安全緊密相關(guān)。筆者用駕駛員心率HR來表征駕駛員心理舒適性。

1.4 試驗(yàn)步驟

1)試驗(yàn)前，需告知被試駕駛員具體要求和基本道路信息及分心任務(wù)。

2)駕駛員進(jìn)入模擬器，穿戴好心電儀，然后按照先專心駕駛后分心駕駛的順序分別在場(chǎng)景A、B中進(jìn)行模擬駕駛。

3)采集駕駛員的實(shí)時(shí)心理數(shù)據(jù)及車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

共招募了40名被試駕駛員進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、車輛橫向偏移L及心率HR指標(biāo)。由于試驗(yàn)過程中設(shè)備及人員等不可控因素的影響，最終獲得34組有效數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果平均值見表1，筆者以各指標(biāo)的平均值進(jìn)行分析。

表1 試驗(yàn)結(jié)果平均值Table 1 Average value of test results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)

對(duì)34組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表2。

表2 方差分析結(jié)果Table 2 Result of variance analysis

由表2可見，顯著性水平Sig.<0.05，表明不同工況的結(jié)果存在明顯差異，說明試驗(yàn)結(jié)果有效。

2.2 方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

根據(jù)表2繪制出各工況下駕駛員操作方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω，如圖1。

圖1 各工況方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度Fig. 1 Steering wheel angular speed under each working condition

由圖1可見：

1)直線路段。無分心駕駛與分心駕駛兩種工況的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度ω值及其變化幅度都很小。分析原因：在直線路段上，駕駛操作相對(duì)最簡(jiǎn)單，駕駛員無需過多操作，因此即使駕駛員因故無法集中精力執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)，車輛運(yùn)行狀態(tài)也不會(huì)有很大程度變化。

2)彎道路段。在彎道路段行車，無論是認(rèn)知分心還是視覺分心，分心駕駛狀態(tài)的方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值及其變化幅度均大于無分心駕駛狀態(tài)，彎道半徑越小，變化越大；比較而言，視覺分心對(duì)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度變化的影響比認(rèn)知分心的影響更顯著。

2.3 車輛位置

車輛偏移行車道中心線的距離與道路安全風(fēng)險(xiǎn)息息相關(guān)。李晨[26]研究表明：雙向行駛的車輛避免沖突的一個(gè)臨界條件是車輛的左外邊緣與道路中心線重合。根據(jù)車道寬度、加寬值和設(shè)計(jì)車輛尺寸，可計(jì)算出不同半徑圓曲線的橫向偏移臨界值Lc。當(dāng)試驗(yàn)所得的車輛橫向偏移L≥Lc，對(duì)向行駛車輛的行駛軌跡將重合，從而引發(fā)交通沖突。

各工況車輛橫向偏移和橫向偏移臨界值如圖2。

圖2 各工況車輛橫向偏移值Fig. 2 Vehicle lateral offset value under each working condition

由圖2可見：

1)直線路段。分心駕駛無論是視覺分心還是認(rèn)知分心及無分心駕駛，車輛的橫向偏移值差異極小。

2)彎道路段。在彎道上，分心駕駛對(duì)車輛橫向偏移量的影響遠(yuǎn)大于無分心駕駛狀態(tài)；橫向偏移值L隨彎道半徑的減小而顯著增加，且視覺分心的影響大于認(rèn)知分心的。

3)極限最小半徑彎道(Rmin=125 m)上駕駛發(fā)生視覺分心時(shí)，車輛橫向偏移接近危險(xiǎn)臨界值，對(duì)向行駛車輛的行駛軌跡即將重合，此時(shí)極易引發(fā)交通沖突。分析原因：彎道分心駕駛使得駕駛員無法準(zhǔn)確掌握道路走向，不能在最佳轉(zhuǎn)向點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)反應(yīng)，駕駛員不得不對(duì)方向盤進(jìn)行瞬時(shí)大幅度、非常規(guī)調(diào)整，嚴(yán)重影響了車輛正常行駛軌跡和穩(wěn)定性，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)顯著橫向偏移。

2.4 駕駛舒適性

各工況駕駛員心率如圖3。

圖3 各工況駕駛員心率Fig. 3 Heart rate of drivers under each working condition

由圖3可見：

1)無論是視覺分心駕駛還是認(rèn)知分心駕駛，彎道駕駛各工況駕駛員心率均大于直線路段駕駛工況的。

2)總體來說，同一道路線形條件下，分心駕駛的駕駛員心率均大于無分心駕駛。

3)4種彎道半徑下，視覺分心駕駛的駕駛員心率均大于認(rèn)知分心駕駛狀態(tài)的。

4)同一分心駕駛狀態(tài)下，隨著彎道半徑R的減小，駕駛員心率逐漸增大；當(dāng)R=600→200 m，駕駛員心率呈曲線性減??；當(dāng)R=200→125 m，駕駛員心率減小幅度不大。

綜上，彎道分心駕駛尤其是視覺分心駕駛，駕駛員心理壓力較大，當(dāng)彎道半徑R< 200 m，駕駛員緊張和不適感幾乎達(dá)到最大，大大增加了駕駛員操作失誤的可能性，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

3 結(jié) 論

針對(duì)直線路段及彎道路段2種場(chǎng)景，其中彎道路段選擇了125、200、400、600 m共4種彎道半徑，設(shè)計(jì)了視覺分心、認(rèn)知分心及無分心3種駕駛狀態(tài)，開展了駕駛模擬試驗(yàn)，檢測(cè)了方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω、車輛橫向偏移L及駕駛員心率HR指標(biāo)，研究了彎道分心駕駛對(duì)行駛安全的影響。得到以下主要結(jié)論：

1)相較于直線路段分心駕駛，彎道分心駕駛在更大程度上改變駕駛行為、車輛位置以及駕駛員舒適性，導(dǎo)致極高的道路安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)彎道路段分心駕駛，隨著彎道半徑的減小，駕駛行為、車輛運(yùn)行狀態(tài)以及駕駛員舒適性變化越顯著。半徑125m彎道上視覺分心駕駛極其危險(xiǎn)，應(yīng)堅(jiān)決避免。

3)視覺分心對(duì)駕駛行為、車輛位置以及駕駛舒適性的影響遠(yuǎn)大于認(rèn)知分心，更容易造成惡性事故的發(fā)生。