基于實(shí)車測試的草原公路駕駛疲勞預(yù)防設(shè)施效用分析

馮星宇, 張鴻鵬, 趙子龍, 劉寶河, 王俊俊

(1.北京首發(fā)投資控股集團(tuán)有限公司, 北京 100161; 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部, 北京 100124;3.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 呼和浩特 010010; 4.包頭交通投資集團(tuán)有限公司, 包頭 014020)

0 引言

世界衛(wèi)生組織報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,在道路交通事故中喪生的人每年約有125萬[1],其中由于操作不當(dāng)造成的事故在所有的交通事故中超過95%. 在重大交通事故中,疲勞駕駛作為事故致因的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他因素[2]. 疲勞駕駛是指在道路上駕駛機(jī)動(dòng)車輛時(shí),由于長時(shí)間的連續(xù)駕駛、睡眠不足、生物鐘紊亂或其他生理、心理因素引起1種狀態(tài). 駕駛疲勞因素可分為生理和環(huán)境因素,單調(diào)且高重復(fù)性的低負(fù)荷駕駛環(huán)境是引起駕駛疲勞的主要原因之一[3].

由于草原地區(qū)通常地勢平緩,草原公路可能需要連接較遠(yuǎn)的地點(diǎn),具有較長的直線路段. 另外,草原地區(qū)通常人口稀少,交通流量相對較低,與城市地區(qū)相比,駕駛操作較少,受到的視覺刺激較少,造成精神負(fù)荷低等情況,產(chǎn)生疲勞駕駛的感覺,這很大程度上會(huì)影響到駕駛安全[4-5]. 因此,有必要面向草原公路駕駛疲勞特點(diǎn),針對性制定駕駛疲勞防控策略,從而降低行車風(fēng)險(xiǎn).

疲勞駕駛研究的主要內(nèi)容包括疲勞的定義和識別[6]、疲勞對駕駛行為的影響[7]、疲勞駕駛與事故之間的關(guān)系[8]、疲勞駕駛的生理機(jī)制[6]、疲勞監(jiān)測和預(yù)警技術(shù)[9]、防疲勞策略[8]以及立法和政策措施[10]等. 針對駕駛疲勞的防控策略研究涉及多個(gè)方面,包括道路線形優(yōu)化、道路環(huán)境改善以及車載預(yù)警設(shè)備的研發(fā). Rosey等[11]通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在路肩上鋪裝不同顏色的瀝青可有效緩解駕駛疲勞. 這種視覺上的變化可吸引駕駛者的注意力,從而減輕疲勞感. 毛科俊[12]提出了在單調(diào)環(huán)境中緩解駕駛疲勞的景觀設(shè)計(jì)建議,包括景觀刺激點(diǎn)的間隔和道路設(shè)計(jì)速度等因素. 這些建議可幫助改善駕駛者的心理狀態(tài),減少疲勞感. 在道路邊緣或中線設(shè)置隆聲裝置也是1種常見的駕駛疲勞干預(yù)方法,通過發(fā)出聲音和振動(dòng)來提醒司機(jī)注意駕駛疲勞[13]. 此外,在車載駕駛疲勞預(yù)警方面,研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種傳感器和系統(tǒng)[14],用于監(jiān)測駕駛?cè)说钠跔顟B(tài). 這些系統(tǒng)可通過檢測眼睛運(yùn)動(dòng)、頭部姿勢、肢體動(dòng)作等生理和行為特征來評估駕駛者的狀態(tài). 當(dāng)疲勞狀態(tài)達(dá)到特定閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告信號,包括視覺、聽覺和觸覺信號.

本研究針對內(nèi)蒙古草原公路特點(diǎn),從路端預(yù)防駕駛疲勞的角度出發(fā),設(shè)計(jì)5種防疲勞設(shè)施,并通過實(shí)際道路測試獲取數(shù)據(jù),分析不同設(shè)施的防疲勞效果,為減少草原公路駕駛疲勞發(fā)生概率提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 測試設(shè)施

實(shí)驗(yàn)利用交通標(biāo)志、交通標(biāo)線、護(hù)欄和防眩設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì),包括主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志、路面限速標(biāo)識、彩色護(hù)欄、彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線和邊緣率視錯(cuò)覺減速標(biāo)線5種防疲勞設(shè)施,如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)研究要素

1.2 測試場景

實(shí)驗(yàn)路段為國道210線滿都拉口岸至白云鄂博段公路,為雙向4車道一級公路,限速100 km/h. 公路由長直線和半徑反向圓曲線組成,各段長直線、反向圓曲線設(shè)計(jì)指標(biāo)均相同.

根據(jù)路段長度將數(shù)據(jù)分為整段分析和設(shè)施段分析,設(shè)施段指對所有設(shè)施所在區(qū)段進(jìn)行分析(包括設(shè)施對比段和設(shè)施影響段). 通過實(shí)驗(yàn)組與對照組以及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備路段和設(shè)施段之間的對比,分析在時(shí)間、空間2個(gè)維度下道路防疲勞設(shè)施效用. 設(shè)施路段共長7 km,為確保選取的道路線形及道路長度以保證駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入設(shè)施段前進(jìn)入疲勞狀態(tài),達(dá)到測試設(shè)施預(yù)防駕駛疲勞效果的目的,本次就實(shí)驗(yàn)組和對照組路段分別選取55 km. 車輛限速120 km/h.

1.3 實(shí)驗(yàn)被試

本次實(shí)驗(yàn)被試計(jì)劃在當(dāng)?shù)卣心?0名駕駛?cè)?有2a以上實(shí)際道路駕駛經(jīng)驗(yàn);被試的性別與年齡分布參照當(dāng)前我國機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)说男詣e及年齡比例;視力或矯正視力在1.0或以上,無色盲、色弱等癥狀;均在內(nèi)蒙地區(qū)生活或工作.

1.4 測試流程

本實(shí)驗(yàn)由正式實(shí)驗(yàn)前、正式實(shí)驗(yàn)中、正式實(shí)驗(yàn)后3部分組成.

1)正式實(shí)驗(yàn)前. 駕駛?cè)嗽趯?shí)驗(yàn)段起點(diǎn)處,填寫基本信息,佩戴智能運(yùn)動(dòng)手表;

2)正式實(shí)驗(yàn)中. 實(shí)驗(yàn)段疲勞實(shí)驗(yàn)包括開始前、當(dāng)實(shí)驗(yàn)車行駛至實(shí)驗(yàn)段前1 km處和結(jié)束后分別填寫1份卡洛琳斯卡嗜睡量表(Karolinska Sleepliness Sxale,KSS),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后填寫駕駛?cè)藢?種防疲勞設(shè)施效用的主觀評價(jià)問卷;

3)正式實(shí)驗(yàn)后. 完成1輪疲勞實(shí)驗(yàn)后,實(shí)驗(yàn)員讓被試休息30 min左右時(shí)間以恢復(fù)清醒.

1.5 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括客觀記錄駕駛?cè)诵穆屎椭饔^評價(jià)問卷獲取駕駛?cè)藢Ψ榔谠O(shè)施效用的主觀評價(jià)及KSS表. 心率采集采用COROS PACE2競技運(yùn)動(dòng)手表. 駕駛?cè)藢Ψ榔谠O(shè)施效果的主觀評價(jià)從主觀效用問卷獲取,部分問卷如表1所示.

表1 主觀評價(jià)問卷

2 效用分析

綜合考慮設(shè)施效用主觀評價(jià)、主觀疲勞感受分析和心率分析. 主觀效用為駕駛?cè)藢Ψ榔谠O(shè)施效用主觀評價(jià)[15],主觀疲勞感受分析采用KSS變化,心率分析采用平均心率變化[16].

2.1 主觀評價(jià)

本次實(shí)車測試實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,收到被試填寫的主觀問卷10份,其中有效問卷10份,問卷分別從防疲勞設(shè)施對駕駛過程的影響、防疲勞設(shè)施有效性和防疲勞設(shè)施有效性原因3個(gè)方面對防疲勞設(shè)施進(jìn)行綜合評價(jià)得分. 對于防疲勞設(shè)施對駕駛過程的影響,如圖2所示.

圖2 防疲勞設(shè)施對駕駛過程的效果

有70%的駕駛?cè)苏J(rèn)為他們很有用. 對于這些設(shè)施是否影響了調(diào)整車速. 所有的駕駛?cè)硕颊J(rèn)為這些設(shè)施能提高駕駛?cè)说木X性. 80%的駕駛?cè)苏J(rèn)為鋪設(shè)防疲勞設(shè)施有助于豐富道路景觀. 綜上所述,絕大多數(shù)的駕駛?cè)苏J(rèn)為在實(shí)驗(yàn)路段中的防疲勞設(shè)施不僅能吸引注意力,也對駕駛?cè)诵熊嚻鸬骄炎饔?

根據(jù)式(1)計(jì)算不同防疲勞設(shè)施有效性綜合平均得分:

(1)

式中,θ為平均綜合得分;f為頻數(shù);μ為權(quán)值;N為本題填寫人次.

各種防疲勞設(shè)施的平均綜合得分結(jié)果如圖 3所示.

從圖3中可看出,彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線的得分為0.3,邊緣率視錯(cuò)覺減速標(biāo)線的得分為0.23,主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志的得分為0.205,路面限速標(biāo)識的得分為0.19,彩色護(hù)欄的得分為0.105. 由此可見,彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線得分最高,邊緣率視錯(cuò)覺減速標(biāo)線次之,彩色護(hù)欄得分最低.

圖3 防疲勞設(shè)施有效性

圖4 實(shí)驗(yàn)過程中KSS變化趨勢

2.2 KSS變化

通過KSS量表,獲取被試在實(shí)驗(yàn)前、設(shè)施段前后以及實(shí)驗(yàn)后的疲勞狀態(tài)的自評結(jié)果. 經(jīng)過設(shè)施效用主觀評價(jià)可得知彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線效果最好,邊緣率視錯(cuò)覺減速標(biāo)線次之,因此采用上述兩種設(shè)施. 將10位被試在實(shí)驗(yàn)過程中自評的疲勞狀態(tài)取均值,值越大代表疲勞程度越高. 由圖 4可看出,被試在駕駛前處于比較清醒的狀態(tài),行駛一段時(shí)間后,在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)路段前,疲勞感上升,經(jīng)過魚刺形減速標(biāo)線以后,略微緩解了疲勞,在經(jīng)過彩色防滑道面后,顯著減輕疲勞,能在通過實(shí)驗(yàn)路段后保持1個(gè)清醒的狀態(tài).

10位被試在實(shí)驗(yàn)過程中的不同階段的疲勞程度存在差異,如圖5所示. 在駕駛前,有7位駕駛?cè)颂幱诜浅Ｇ逍褷顟B(tài);等到實(shí)驗(yàn)路段前,再對駕駛?cè)似跔顟B(tài)進(jìn)行詢問,只有1位駕駛?cè)艘琅f處于非常清醒狀態(tài),2位駕駛?cè)艘呀?jīng)開始出現(xiàn)疲勞征兆;當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)路段后再次詢問駕駛?cè)说钠跔顟B(tài),有5位非常清醒. 通過對每位被試3個(gè)階段的疲勞程度做方差分析得到,F=6.40,P=0.005 3<0.05. 說明在實(shí)驗(yàn)過程中被試的疲勞狀態(tài)存在顯著性差異.

圖5 實(shí)驗(yàn)過程中各階段KSS

根據(jù)式(2)計(jì)算實(shí)驗(yàn)前后KSS的變化值. 被試駕駛?cè)嗽谕ㄟ^實(shí)驗(yàn)路段后KSS值均小于實(shí)驗(yàn)前,說明實(shí)驗(yàn)路段上的防疲勞設(shè)施可在一定程度上緩解駕駛?cè)藛T的疲勞感. 此外,被試在經(jīng)過不同防疲勞設(shè)施后其疲勞狀態(tài)變化不完全相同,90%的被試在經(jīng)過彩色防滑道面設(shè)施后,疲勞狀態(tài)有了緩解,只有10%的被試在經(jīng)過魚刺形減速標(biāo)線設(shè)施后感到疲勞緩解. 這表明這些設(shè)施對緩解駕駛疲勞具有一定的作用,其中彩色防滑道面的作用比較明顯,而魚刺形減速標(biāo)線的作用則略弱于前者,但也能發(fā)揮出減輕疲勞的效果.

(2)

2.3 心率變化

心率變化[17]是判斷疲勞駕駛的1項(xiàng)重要的生理指標(biāo). 基于駕駛?cè)嗽趯?shí)驗(yàn)組和對照組數(shù)據(jù),通過對比每名駕駛?cè)嗽趯?shí)驗(yàn)組中的設(shè)施段前和設(shè)施影響段的心率數(shù)據(jù),分析防疲勞設(shè)施對駕駛?cè)说男穆视绊懗潭? 由主觀效用分析可知,護(hù)欄、路面限速標(biāo)識和主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志效果較差,因此生心理效用分析僅對彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線、邊緣視錯(cuò)覺減速標(biāo)線2種設(shè)施進(jìn)行分析.

2.3.1 整段分析

研究表明平均心率與駕駛疲勞有著比較強(qiáng)的相關(guān)性[18],駕駛?cè)嗽狡谄骄穆试降? 首先,考慮從時(shí)間和空間維度上整體分析實(shí)驗(yàn)組以及實(shí)驗(yàn)組和對照組之間的平均心率的變化差異;其次,通過統(tǒng)計(jì)彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線、邊緣視錯(cuò)覺減速標(biāo)線這2種設(shè)施在設(shè)施對比段和設(shè)施影響段的平均心率進(jìn)而分析單個(gè)設(shè)施的防疲勞效果.

為了對比與實(shí)驗(yàn)組路段的影響差異,本次又設(shè)計(jì)了道路長度相同與道路環(huán)境相似但無任何防疲勞設(shè)施的對照路段. 利用所采集的10名駕駛?cè)似骄穆蕯?shù)據(jù),考慮以20 m為間隔將整段道路分成500段,并分別計(jì)算了每段所有駕駛?cè)说钠骄穆?如圖6所示,無論是實(shí)驗(yàn)組還是對照組,駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入設(shè)施路段之前平均心率不斷降低,均已出現(xiàn)疲勞狀態(tài),但隨著繼續(xù)向前行駛,實(shí)驗(yàn)組中的駕駛?cè)说钠骄穆书_始逐漸上升直至平穩(wěn),而對照組中的駕駛?cè)说钠骄穆嗜猿掷m(xù)下降直至平穩(wěn),由此可看出行駛通過設(shè)施路段的駕駛?cè)碎_始由之前的疲勞狀態(tài)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榍逍褷顟B(tài),進(jìn)而從側(cè)面也反映了防疲勞設(shè)施對于緩解駕駛?cè)说鸟{駛疲勞會(huì)產(chǎn)生一定的效果.

圖6 間隔20 min平均心率變化

2.3.2 設(shè)施段分析

由主觀效用分析可知,路面限速標(biāo)識和主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志效果較差,因此心率分析僅對彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線、邊緣視錯(cuò)覺減速標(biāo)線2種設(shè)施進(jìn)行分析. 分別分析駕駛?cè)嗽?種防疲勞設(shè)施前后段的平均心率變化情況. 其中,設(shè)施前段是指駕駛?cè)嗽谀骋粫r(shí)刻能看到該設(shè)施的前2 min的時(shí)間范圍;設(shè)施后段是指駕駛?cè)嗽谀芸吹皆撛O(shè)施到車輛通過離開該設(shè)施的時(shí)間范圍. 通過對2種設(shè)施前后段做獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析得到,彩色防滑道面與路肩黃色導(dǎo)流線設(shè)施前后段平均心率的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,F=12.000,P=0.013<0.05. 而邊緣視錯(cuò)覺減速標(biāo)線設(shè)施前后段平均心率的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,F=0.000,P=1>0.05.

無論是實(shí)驗(yàn)組還是對照組,駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入設(shè)施路段之前其平均心率不斷降低,表明其均已出現(xiàn)疲勞狀態(tài),但隨著繼續(xù)向前行駛,實(shí)驗(yàn)組中的駕駛?cè)说钠骄穆书_始逐漸上升直至平穩(wěn),而對照組中的駕駛?cè)说钠骄穆嗜猿掷m(xù)下降直至平穩(wěn),由此可看出行駛通過設(shè)施路段的駕駛?cè)碎_始由之前的疲勞狀態(tài)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榍逍褷顟B(tài),從側(cè)面反映了防疲勞設(shè)施對于緩解駕駛?cè)说鸟{駛疲勞會(huì)產(chǎn)生一定的效果.

3 結(jié)論

為分析草原公路防疲勞設(shè)施的實(shí)際效果,在設(shè)置有防疲勞設(shè)施的草原公路路段開展了評價(jià)防疲勞設(shè)施效用的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試,實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)設(shè)施對比段和設(shè)施影響段2組實(shí)驗(yàn)場景,從主觀評價(jià)、KSS變化和心率變化3個(gè)方面評估草原公路防疲勞設(shè)施效果. 主觀評價(jià)包括防疲勞設(shè)施對駕駛過程的影響、防疲勞設(shè)施有效性和防疲勞設(shè)施有效性原因3個(gè)方面,KSS變化包括被試駕駛?cè)嗽趯?shí)驗(yàn)前、設(shè)施段前后以及實(shí)驗(yàn)后的疲勞狀態(tài)的自評結(jié)果,心率變化包括整段和設(shè)施段分析駕駛?cè)诵穆首兓? 研究表明:設(shè)施效用主觀評價(jià)問卷得到5種新型防疲勞設(shè)施中,彩色防滑道面與黃色導(dǎo)流線的防疲勞設(shè)施效果最好,邊緣率視錯(cuò)覺減速標(biāo)線次之,彩色護(hù)欄最差. KSS變化和心率變化得出在防疲勞設(shè)施整體有效性層面,設(shè)置有防疲勞設(shè)施的路段顯著優(yōu)于未設(shè)置防疲勞設(shè)施的對照路段.

因此,在草原公路的單調(diào)環(huán)境中連續(xù)設(shè)置防疲勞設(shè)施可明顯緩解駕駛?cè)说钠跔顟B(tài). 同時(shí),防疲勞設(shè)施應(yīng)具有新穎鮮明的色彩,并按照合理的距離交錯(cuò)設(shè)置,使防疲勞效果最大程度發(fā)揮. 由于本次實(shí)車測試實(shí)驗(yàn)是小樣本測試,未來需要更大樣本測試以提升結(jié)果的穩(wěn)定性. 同時(shí)隨著車路協(xié)同技術(shù)的快速發(fā)展,可將車端和路端刺激相協(xié)同,為制定更加科學(xué)、合理和更有效的駕駛疲勞預(yù)防策略提供了可能. 因此,未來可考慮將車路協(xié)同技術(shù)引入駕駛疲勞預(yù)防策略中,提高防疲勞設(shè)施和設(shè)備的應(yīng)用效果.