隧道入口冰雪環(huán)境下駕駛員心生理特性研究*

喬建剛，宮帥港，王 傑，王 皓

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著我國隧道里程逐漸增多，隧道安全愈發(fā)受到重視，國內(nèi)外關(guān)于隧道內(nèi)外環(huán)境變化因素對行車安全影響的研究逐漸增加。Jiao等[1]通過實車試驗分析隧道入口與主干道匯合導(dǎo)致的視覺變化與行車安全的關(guān)系；Wang等[2]分析駕駛員在隧道入口區(qū)域不同時間段的視覺負荷變化規(guī)律；潘國兵等[3]依據(jù)駕駛員認知與調(diào)節(jié)滯后理論，分析亮度變化率對行車安全的影響；胡月琦等[4]通過實車試驗研究駕駛員在隧道段注視時長以及掃視頻率變化規(guī)律；杜志剛等[5]分析高速公路隧道光環(huán)境變化對交通事故影響；喬建剛等[6]分析隧道入口行車安全與光照強度的變化關(guān)系，提出照度變化率的舒適性閾值；Foy等[7]認為環(huán)境變化使得駕駛員心理負擔(dān)增加，并通過生理、視覺和大腦反應(yīng)形式對駕駛員操作產(chǎn)生影響；Han等[8]分析駕駛員隧道段視覺特性變化與道路線形、光環(huán)境的變化規(guī)律；張智勇等[9]通過試驗分析冰雪環(huán)境下路面附著系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律；胡江碧等[10]選取心率變異性評價駕駛負荷，研究不同海拔條件的隧道出入口內(nèi)外過渡段的建議照明亮度值。

現(xiàn)有研究大多從照度或路面狀況等單一角度對行車安全進行分析，對2個及以上因素同時作用的研究較少，但在冰雪環(huán)境下隧道入口，駕駛員會受到明暗適應(yīng)和路面摩擦系數(shù)變化等多個因素共同影響，并且基于駕駛員心生理特性，針對冰雪環(huán)境下多因素耦合作用的研究更少。

為此，本文通過設(shè)計駕駛模擬試驗，采集駕駛員心生理參數(shù)，分析隧道入口環(huán)境照度、摩擦系數(shù)、速度對駕駛員心生理的影響規(guī)律，并利用實車試驗進行驗證，研究結(jié)果可為高速公路隧道行車安全評價提供參考。

1 基本理論

駕駛員在駕駛過程中，心率隨駕駛行為、時間、周邊環(huán)境的改變產(chǎn)生隨機信號，使用此信號來分析駕駛員駕駛時的心率變化狀態(tài)，通過采集一段時間范圍內(nèi)的隨機信號作為1個樣本函數(shù)，全部樣本函數(shù)產(chǎn)生即為隨機過程[11]。駕駛過程中采集的心率信號在時間上是離散的，隨離散時間變化的心率可以作為1個隨機序列。

把x(i)定義為隨機序列，其中i∈(0,N-1)，N為自然數(shù)，如式(1)所示：

(1)

式中：μx(i)為均值函數(shù)；x(i)為試驗值。

自相關(guān)函數(shù)如式(2)所示：

(2)

式中：r(i,i+m)為x(i)的自相關(guān)函數(shù)；m為心率信號的延遲間隔，m=0，1，…，N-m-1。

利用傅里葉變換處理駕駛員心率產(chǎn)生信號，并對心率變化進行分析，頻譜分析如式(3)所示：

(3)

式中：X(z)為x(i)的像函數(shù)；z為Z變換復(fù)變量；j為虛單位；ω為圓頻率。

功率譜密度函數(shù)如式(4)所示：

(4)

式中：PN(z)為功率譜密度函數(shù)。

由此，根據(jù)心率功率譜圖可定量分析在隧道入口環(huán)境變化影響產(chǎn)生的不同心生理變化強度[12]。

2 試驗設(shè)計

出于安全考慮，設(shè)計冰雪環(huán)境下山區(qū)高速公路隧道入口駕駛模擬試驗以獲得駕駛員心生理參數(shù)，對車輛、道路、外界環(huán)境等參數(shù)進行設(shè)置，分析人、車、路、環(huán)境之間的相互耦合作用。

2.1 試驗準(zhǔn)備

1)試驗設(shè)備

依托交通安全仿真系統(tǒng)進行模擬仿真試驗，可對地形地貌、道路線形、車速大小、天氣等進行設(shè)置，通過構(gòu)建仿真模型，模擬高速公路隧道入口過渡段車輛行駛變化，模擬仿真系統(tǒng)界面如圖1所示。

圖1 模擬仿真系統(tǒng)界面Fig.1 Interface of simulation system

試驗采用TLC5000 動態(tài)心電圖儀(力新儀器有限公司生產(chǎn))采集駕駛員心率，檢測儀自帶分析軟件，不間斷記錄駕駛員心電信號，對行車過程中駕駛員心生理參數(shù)進行采集。

2)試驗參數(shù)選取

試驗路段采用控制變量法進行搭建，即固定道路線形參數(shù)、交通量不變，控制摩擦系數(shù)和環(huán)境照度變化，模擬不同天氣下隧道入口場景。測試路段為3 km的山區(qū)高速公路隧道段，隧道入口過渡段設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 場景設(shè)計參數(shù)Table 1 Scene design parameters

在高速公路運營期交通[13]構(gòu)成中，小轎車占比最高，因此選擇小轎車為試驗車型。

中雪和大雪天氣嚴重影響駕駛員可視距離，高速運營管理部門禁止車輛通行，因此試驗選取降雪量小于5 mm，能見度>500 m的小雪天氣，作為冰雪環(huán)境下隧道入口過渡段行車安全研究時段。

根據(jù)隧道入口路面溫濕度場相關(guān)理論[14]及預(yù)測結(jié)果，試驗時段選擇冬季晴天中隧道內(nèi)外路面摩擦系數(shù)變化劇烈的2個時段即7∶00～8∶00和14∶00～15∶00以及雪天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00共4個時段進行試驗。根據(jù)摩擦系數(shù)-路面環(huán)境參數(shù)關(guān)系模型[15]，對不同時段隧道入口不同區(qū)域的路面摩擦系數(shù)進行設(shè)定，見表2。

表2 試驗場景設(shè)計Table 2 Experiment scene design

隧道入口內(nèi)外照度受天氣影響大，駕駛員心理受明暗適應(yīng)影響，對不同天氣下隧道入口內(nèi)外環(huán)境照度進行設(shè)定[6]，如圖2所示。

圖2 不同位置照度取值Fig.2 Illumination values at different locations

3)場景搭建

構(gòu)建冰雪環(huán)境下隧道入口試驗場景及試驗道路模型，根據(jù)試驗參數(shù)選擇編輯道路模型中的環(huán)境參數(shù)，即不同天氣不同時間隧道入口不同位置的環(huán)境照度和路面摩擦系數(shù)，共構(gòu)建4種場景，見表2。

在仿真系統(tǒng)中設(shè)置螺旋隧道進出口位置、過渡段的長度等，構(gòu)建仿真模型。按照試驗方案中環(huán)境參數(shù)設(shè)定，對不同情景下的環(huán)境參數(shù)進行編輯。設(shè)置的高速公路隧道入口晴天、雪天的外界環(huán)境效果如圖3所示。

圖3 外界環(huán)境效果圖示意Fig.3 Schematic diagram of external environment renderings

4)試驗人員篩選

相關(guān)道路交通事故數(shù)據(jù)顯示，駕駛員男女比例約為4∶1[16]，因此選取 8名男性、2 名女性試驗人員，年齡分布在23～35歲，且具有1 a以上駕齡，均身體健康，視力滿足駕駛要求。

2.2 試驗流程

使用仿真系統(tǒng)建立隧道入口三維模型，道路線形為直線，縱斷面如圖4所示。

圖4 模擬場景線形縱面示意Fig.4 Schematic diagram of linear longitudinal plane in simulated scene

試驗者先熟悉相關(guān)設(shè)備，然后進行模擬駕駛，每個場景進行1次駕駛模擬，共進行40組試驗。

2.3 數(shù)據(jù)采集

軟件記錄車輛行駛速度數(shù)據(jù)，同時使用心生理信號采集儀記錄駕駛員動態(tài)心率數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗時間和距洞口距離，將采集的數(shù)據(jù)與構(gòu)建仿真模型中的隧道環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，并且為準(zhǔn)確表現(xiàn)駕駛員心生理參數(shù)和速度的空間變化趨勢，每20 m作為1個數(shù)據(jù)分析單元截取試驗數(shù)據(jù)。

3 隧道入口駕駛員心生理特性

3.1 心率增長率分級閾值標(biāo)定

1)心率增長率

心率增長的比率不會受個體因素影響，更能反應(yīng)駕駛員行車過程中心生理變化程度，準(zhǔn)確反應(yīng)駕駛員緊張程度。心率增長率如式(5)所示：

(5)

式中：H為駕駛員行駛過程中某時刻的瞬時心率增長率，%；hi為駕駛員在行駛過程中某時刻的瞬時心率，次/min；h0為駕駛員在安靜狀態(tài)下平均心率，次/min。心率增長率越大，駕駛員緊張程度越明顯。

2)心率增長率分級閾值

根據(jù)式(5)計算仿真模型中隧道入口上不同位置心率增長率的全部數(shù)據(jù)。為定量研究駕駛員在冰雪環(huán)境下山區(qū)高速公路隧道入口心率增長率與緊張程度關(guān)系，選擇基于 Python的K-means 聚類算法確定駕駛心率增長率分級閾值[17]，聚類結(jié)果如圖5和表3所示。

圖5 K-means聚類結(jié)果(3類)Fig.5 K-means clustering results (three categories)

表3 聚類結(jié)果Table 3 Clustering results

根據(jù)各類別分級閾值上限對駕駛員心率增長率進行劃分，從保障安全角度對數(shù)據(jù)取值，提出山區(qū)高速公路隧道入口駕駛員心率增長率分級閾值：舒適閾值為23%，緊張閾值為28%，恐懼閾值為37%。當(dāng)心率增長率大于28%時，駕駛員心理高度緊張，行車風(fēng)險大。

3.2 照度變化對心率增長率的影響

選擇照度變化率來量化隧道照度變化情況，照度變化率如式(6)所示：

(6)

式中：Er為照度變化率，%；Et為t點照度值，lx；Et-1為t-1點照度值，lx。

計算得到不同場景下隧道入口照度變化率，并與不同位置上的心率增長率平均值關(guān)聯(lián)，得到其相互關(guān)系，如圖6～7所示。

圖6 照度變化率與心率增長率關(guān)系(晴天)Fig.6 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (sunny)

圖7 照度變化率與心率增長率關(guān)系(雪天)Fig.7 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (snowy)

分別建立2種天氣下的心率增長率與照度變化率關(guān)系模型，如式(7)～(8)所示：

Hq=0.083 6Erq+23.645

(7)

Hx=0.000 01Erx3+0.001 9Erx2-0.05Erx+27.231

(8)

式中：Hq，Hx分別為晴天、雪天的心率增長率，%；Erq，Erx分別為晴天、雪天的照度變化率，%。公式通過F檢驗。

不同天氣下照度變化率的增大導(dǎo)致駕駛員心率增長率增大，且晴天的變化幅度大于雪天，說明在晴天行駛時，駕駛員受照度變化率影響程度較大。根據(jù)式(7)～(8)可知，當(dāng)晴天照度變化率大于51%、雪天照度變化率大于53%時，心率增長率大于緊張閾值28%，行車安全受影響。為保障冰雪環(huán)境下的行車安全，基于心率增長率的駕駛員對照度變化率的適應(yīng)閾值，應(yīng)取不同天氣下導(dǎo)致駕駛員心理緊張的最小照度變化率值，即[0,51]%。

3.3 摩擦系數(shù)對心率增長率的影響

采用單因素方差分析檢驗不同天氣下摩擦系數(shù)對心率增長率的影響，結(jié)果存在顯著差異，因此，需要對不同天氣下心率增長率與路面摩擦系數(shù)之間的關(guān)系進行分析，并對摩擦系數(shù)和計算得到的心率增長率平均值進行多項式擬合，如圖8所示。

圖8 路面摩擦系數(shù)與心率增長率的關(guān)系Fig.8 Relationship between road friction coefficient and heart rate growth rate

晴天時摩擦系數(shù)與心率增長率的擬合優(yōu)度小于0.6，二者之間存在一定關(guān)系，由于擬合效果不好，無法通過公式進行表達，而雪天時二者擬合效果較好，得到雪天時心率增長率和摩擦系數(shù)的關(guān)系式如式(9)所示：

Hx=-5.014 4μx2-7.683 6μx+29.456

(9)

式中：Hx為雪天時駕駛員心率增長率，%；μx為雪天時路面摩擦系數(shù)。式(9)通過F檢驗。

在冰雪天氣下，隨摩擦系數(shù)減少，駕駛員心率增長率增加，緊張程度增加，而晴天時摩擦系數(shù)對心率增長率的影響趨勢并不明顯。從心率增長率分布情況來看，雪天路面摩擦系數(shù)為0.15和0.25所對應(yīng)的部分心率增長率大于緊張閾值28%，結(jié)合試驗場景參數(shù)設(shè)計情況，上述摩擦系數(shù)值對應(yīng)隧道區(qū)段分別為雪天7∶00～8∶00的隧道入口全部以及雪天14∶00～15∶00的距洞口-200～+50 m區(qū)段；晴天則為路面摩擦系數(shù)為0.35，0.6所對應(yīng)部分心率增長率大于28%，對應(yīng)隧道區(qū)段為晴天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00時段的距洞口-200～+50 m的區(qū)段，說明上述區(qū)域路面摩擦系數(shù)會對駕駛員行車安全造成影響。

3.4 速度變化對心率增長率的影響

駕駛員開車行進過程的行為變化會直接影響行車速度的變化，反過來影響駕駛員心率變化，分析隧道入口駕駛員心率增長率平均值與速度的關(guān)系，如圖9～10所示，并構(gòu)建二者關(guān)系模型，如式(10)～(11)所示：

Hq=0.209 4vq+71.18/(vq-70.82)vq≥75

(10)

Hx=0.035 9vx2-3.622 2vx+117.35 45≤vx≤100

(11)

式中：vq，vx分別為晴天和雪天時速度，km·h-1。式(10)～(11)均通過F檢驗。

圖9 不同行車速度與心率增長率關(guān)系(晴天)Fig.9 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (sunny)

圖10 不同行車速度與心率增長率關(guān)系(雪天)Fig.10 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (snowy)

由圖9可知，晴天時心率增長率與車速呈對勾函數(shù)關(guān)系，隨車速增大心率增長率先減小后增大，由于駕駛員注意到隧道后，速度逐漸降低，心率增長率小幅度降低；逐漸接近洞口時，速度進一步減小，當(dāng)接近洞口時，由于環(huán)境變化劇烈，心率增長率增加。雪天時二者呈二次函數(shù)關(guān)系，同樣心率增長率隨速度增大呈先降低后增大趨勢，但變化幅度較小。因此，在冰雪環(huán)境隧道入口特殊行車環(huán)境下，駕駛員在接近隧道時呈現(xiàn)速度減小但心率增長率增大的特性，在晴天時這一特性更加明顯，此時行車風(fēng)險較大。

3.5 多因素耦合隧道入口心生理反應(yīng)模型

經(jīng)前文分析可知，照度變化率、路面摩擦系數(shù)、速度與心率增長率存在較強的相關(guān)性，將心率增長率定義為因變量，照度變化率、路面摩擦系數(shù)以及速度為自變量，調(diào)用Matlab軟件中的Regress函數(shù)進行擬合并構(gòu)建關(guān)系模型，如式(12)～(13)所示：

(12)

Hx=-0.007 96vx2-0.000 015Erx2-27.167μx3-
0.005 92vxErx+0.262 6vxμx+0.199 4Erxμx+
0.972 4vx+0.306 7Erx-15.751μx-0.724 8

(13)

式中：Hq，Hx分別為晴天、雪天駕駛員心率增長率，%；vq，vx分別為晴天、雪天時的速度，km/h；Erq，Erx分別為晴天、雪天的照度變化率，%；μq，μx為晴天、雪天時路面摩擦系數(shù)。式(12)～(13)均通過F檢驗。模型中各自變量的范圍如式(14)所示：

(14)

4 模型驗證

為驗證心生理反應(yīng)模型的現(xiàn)實評價效果，選擇通過實車試驗驗證模型有效性。一般來說，在降雪初期，高速管理維護會對公路全線撒融雪劑，冰雪融化后路面將產(chǎn)生一定積水，考慮到山區(qū)隧道入口模擬路面積水狀態(tài)進行實車駕駛試驗的危險性，因此設(shè)計在封閉道路上模擬潮濕路面的實車試驗。

選擇天津市武清環(huán)線S360線k3+480 m～k4+334 m段作為試驗地點，坡度為-2%，道路線形與駕駛仿真試驗一致，選擇小轎車作為試驗車輛，重新選取8名駕駛員進行實車試驗。試驗設(shè)備包括心生理信號采集儀、溫濕度監(jiān)測儀、照度儀等，設(shè)備及操作與前文一致。

1)路面不同摩擦系數(shù)模擬。分別從不同路面設(shè)計3.75 m×0.5 m的矩形區(qū)域，沿道路橫向利用熱熔膠槍按照積水厚度進行密封包圍，模擬積水區(qū)域。灑水車用水管向路面積水區(qū)輸入不同流量的水，通過調(diào)節(jié)水的流量控制所形成的積水區(qū)域的水膜厚度。

2)試驗流程。駕駛員根據(jù)表4組合情況控制車速，依次以不同速度經(jīng)過不同水膜厚度路面，共計15個組合情況。每個組合情況重復(fù)試驗3次，并求均值，共計得到120組試驗數(shù)據(jù)。

表4 試驗組合情況Table 4 Experimental combination

通過計算摩擦系數(shù)、照度變化率、心率增長率，得到驗證數(shù)據(jù)如表5所示，模型計算精度如圖11所示。

表5 驗證數(shù)據(jù)Table 5 Verification data

圖11 模型計算精度Fig.11 Model calculation precision

由圖11可知，心生理反應(yīng)模型得到的心率增長率計算值和實際值誤差均小于10%，吻合程度較好，說明其能夠準(zhǔn)確反應(yīng)照度變化率、摩擦系數(shù)與速度變化對駕駛員心生理特征的影響，并評價駕駛員的行車安全性。

5 結(jié)論

1)為探究山區(qū)高速公路隧道入口冰雪環(huán)境多因素對駕駛員心生理的影響規(guī)律，進行晴天和雪天的模擬駕駛試驗，利用K-means聚類算法確定駕駛心率增長率分級閾值，舒適閾值為23%，緊張閾值為28%，恐懼閾值為37%。

2)考慮洞口駕駛員經(jīng)歷明暗適應(yīng)時的心理狀態(tài)，確定隧道入口冰雪環(huán)境下照度變化率安全閾值為51%。

3)通過設(shè)計模擬駕駛試驗，運用心生理理論，選擇心率增長率作為駕駛員心生理指標(biāo)，研究因變量心率增長率與自變量(照度變化率、路面摩擦系數(shù)、速度)之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)存在較強的相關(guān)性，利用多元回歸分析與Matlab軟件擬合構(gòu)建多因素耦合作用下隧道入口駕駛員心生理反應(yīng)模型。

4)參考高速公路撒布融雪劑后常見路面狀況，設(shè)計實車試驗對多因素耦合隧道入口心生理反應(yīng)模型有效性進行驗證，誤差均小于10%，吻合程度較好，說明本文模型能夠準(zhǔn)確評價駕駛員的行車安全性。