祝站東 榮 建 周 偉

（北京工業(yè)大學交通工程北京市重點實驗室1） 北京 100124） （交通運輸部公路科學研究院2） 北京 100088）

為預防不良氣候條件下的安全事故，很多學者從車輛方面考慮，利用傳感器技術、紅外或者激光探測技術，開發(fā)了雨、霧、雪等天氣條件下的事故預防系統(tǒng)［1－4］.然而在野外進行不良天氣條件下的駕駛行為研究是不現(xiàn)實的，一方面不良天氣的發(fā)生是隨機的、相對稀少的，另一方面安全性得不到保證，因此以往的相關研究很少能得到數(shù)據(jù)支持與理論依據(jù)［5］，說服力不夠.本文應用駕駛模擬艙以及心電儀，針對不同的天氣狀況，通過模擬試驗，研究駕駛員的駕駛特性，為不良天氣條件下的道路管理提供依據(jù).

1 實驗儀器與實驗方法

駕駛模擬艙為挪威AutoSim AS廠家生產(chǎn)，包括駕駛操作系統(tǒng)、視距系統(tǒng)、音頻輸出、控制中心等，可以模擬不同道路線形、天氣條件、交通流條件等道路環(huán)境，檢測與研究駕駛過程中的行車速度、加減速特征、跟馳特性等駕駛行為，也可以檢測駕駛員的生理指標和心理指標（如心率、呼吸、血壓、腦電、皮膚電等）的變化情況，是一個綜合的駕駛行為模擬平臺.

“KF2型動態(tài)多參數(shù)生理檢測儀”是由北京保邁科技有限公司研制的一種先進裝備，用于長時間檢測受試者在各種狀態(tài)（運動、睡眠等）下的生理參數(shù)（心電、呼吸等）.

1）實驗場景設計 本實驗選取高速公路上的直線路段，路線坡度均小于3%，變坡點以豎曲線相連，設計速度80km／h，雙向4車道，交通條件為自由流，實驗車輛為小客車.采用MultiGen＿Creator軟件按照以上條件對公路路線（長度8.0 km）進行建模，導入到駕駛模擬艙的操作系統(tǒng)，建立實驗所需的公路場景.

不良天氣條件對駕駛員的影響主要體現(xiàn)在3個方面：（1）降低車輛與道路之間附著力或者說是摩擦系數(shù)；（2）降低了道路的能見度；（3）改變了汽車的受力狀態(tài)，例如大風容易造成行車過程中的側(cè)向失去平衡，導致側(cè)翻.本次實驗不考慮汽車的受力狀態(tài)變化.

實驗過程中的天氣條件依次采用晴天、中雨、大雨以及雨霧天氣；其對應能見度分別采用不限，150，100，50m，對應的路面摩擦因數(shù)分別采用0.8，0.5，0.3，0.3.

2）實驗人員 在預備實驗中發(fā)現(xiàn)女性以及年齡較大的男性在模擬艙中駕駛?cè)菀壮霈F(xiàn)暈車現(xiàn)象，因此在正式實驗時，選擇年齡25～40歲的男性駕駛員12人，駕齡均在5a以上，駕駛員氣質(zhì)以偏內(nèi)向（駕駛偏保守）為主.

3）實驗過程 在正式進行實驗之前，每個駕駛員都要進行試駕駛，以適應模擬艙環(huán)境.然后駕駛員依次在晴天、中雨、大雨以及雨霧天氣4種公路場景下駕駛，為避免不同場景之間的干擾，要求每個場景結(jié)束后駕駛員要靜待3min才能重新開始下一次實驗.實驗過程中，記錄車速數(shù)據(jù)以及駕駛員的心率、呼吸率數(shù)據(jù).

2 實驗數(shù)據(jù)分析處理

為了駕駛員加減速以及其他因素的影響，實驗數(shù)據(jù)僅選擇駕駛員達到穩(wěn)定速度后的實驗數(shù)據(jù)，實驗過程中每個駕駛場景的前2min（處于加速過程）以及最后1min（處于減速過程）的數(shù)據(jù)均舍棄，駕駛過程中不允許超車.每個場景取2～3min的連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)據(jù).

2.1 駕駛員車速數(shù)據(jù)分析

駕駛模擬艙的數(shù)據(jù)以30組／s的速度刷新，從每個駕駛員駕駛數(shù)據(jù)中摘錄符合條件的3min數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所列.從中可以看出，駕駛員的平均速度與天氣變化密切相關，行車速度從大到小依次為晴天、中雨、大雨、雨霧天氣，這與我們的直觀感覺是一致的.通過對前三個駕駛員的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，晴天、中雨、大雨、雨霧條件下的速度標準差分別為8.7，7.8，5.5，4.3，說明在晴天條件下，駕駛員的駕駛自由度最大，駕駛員可以根據(jù)自己的感覺自由選擇行車速度，而在霧天條件下（能見度50m），駕駛員的駕駛行為受環(huán)境限制，速度的變化幅度非常小.從不良天氣對行車速度的影響來看，與晴天相比較，中雨、大雨以及雨霧天氣條件下速度分別下降18.9%，30.5%，45.1%.因此，可以近似認為，能見度每減少50 m，平均行車速度大約下降15%.

表1 不同天氣條件下的平均速度 km／h

2.2 駕駛員心率、呼吸率變化

將每個駕駛員的心率、呼吸率數(shù)據(jù)以10s為統(tǒng)計間隔，取平均心率以及平均呼吸率衡量駕駛員的生心理指標變化情況.從統(tǒng)計結(jié)果來看，駕駛員的心率變化與天氣變化表現(xiàn)出較強的相關性，不同駕駛員之間的心率變化較為一致，中雨天氣的心率均值最大，然后依次為晴天、大雨以及雨霧天氣，說明中雨時駕駛員的心理負荷最大，可能的原因是在中雨條件時，駕駛員不僅能見度受到限制，而且因為道路摩擦系數(shù)的降低，駕駛員在操作過程需要更加專注，同時還要保持較高的行車速度.與其他比較，晴天時駕駛員平均速度最高，其對應的心率也較大.而在大雨以及霧天，外部環(huán)境限制很大，駕駛員屬于被動行車，雖然道路條件比中雨時更為惡劣，但因為行車速度可選擇性很小，駕駛員的心理負荷反倒不大.由此也可以看出，行車速度對平均心率影響應該是最大的.這與以往的研究成果是相一致的.

駕駛員心率的標準差，大小依次為中雨、雨霧、大雨以及晴天，說明在晴天時雖然駕駛員的心率均值較高，但心率變化最為平穩(wěn)，駕車最為舒服.同時，也再一次表明，中雨條件下，駕駛員的心理負荷最大，這種條件下駕駛員最為緊張.在大雨以及雨霧條件下，雖然平均速度下降很多，但由于能見度的顯著下降，駕駛員出現(xiàn)明顯的煩躁感，心理也比較緊張，這與以往的研究也是一致的［6］.從呼吸率來看，無論是均值還是標準差，統(tǒng)計結(jié)果均沒有表現(xiàn)出規(guī)律性.圖1～3為前3名駕駛員的心率、呼吸率變化圖，表2為其對應的生心理指標統(tǒng)計表.其余駕駛員的圖例限于篇幅不再列出.

圖1 駕駛員1的心率呼吸率變化

圖2 駕駛員2的心率呼吸率變化

圖3 駕駛員3的心率呼吸率變化

表2 駕駛員的生心理指標

3 主要結(jié)論及建議

實驗基于駕駛模擬艙，通過分析駕駛員的行車速度與生心理指標數(shù)據(jù)，得出了以下的研究結(jié)論.

1）駕駛員在晴天條件下可以自由選擇行車速度.平均速度以晴天時最高，然后依次為中雨、大雨以及雨霧天氣.

2）首次定量研究了能見度對行車速度的影響，即在一定的范圍里面，能見度每降低50m，行車速度大約會降低15%.

3）首次具體研究了駕駛員在各種天氣條件下的生心理狀況，在中雨條件下最為緊張，然后依次為霧天與大雨天，晴天條件下駕車最為舒適.

4）駕駛員的呼吸率與天氣條件之間沒有發(fā)現(xiàn)相關性.

本次實驗證明，基于駕駛模擬艙研究不良天氣條件下駕駛員的生心理反應，進而研究其駕駛行為是可行的，這為不良天氣條件下的駕駛行為研究提供了一個新的途徑，然而，駕駛模擬艙與室外環(huán)境畢竟不同，能否通過對比分析消除二者之間的差別，本文在研究速度變化時并沒有考慮這一點.另外在其他線形條件下，比如半徑較小的圓曲線上或者縱坡路段，速度的變化是否還有相同的規(guī)律，這些都有待進一步研究.

［1］牛仁臣.淺談駕駛員惡劣氣候條件下的安全行車［J］.安全、健康和環(huán)境，2003，3（6）：38－39.

［2］US.Department of Transportation，F(xiàn)ederal Highway Administration.An introduction to standards for road weather information Systems［J］.J.Transportation Research Record，2002，12（7）：220－235.

［3］Foresti G L.Multisensor data fusion for autonomous vehicle navigation in risky environments［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51（5）：1165－1185.

［4］陳 勇.不良氣候條件下道路交通安全事故預防系統(tǒng)研究［D］.重慶：重慶大學自動化學院，2007.

［5］駱 勇，魏 朗.霧天與高速公路安全［J］.人類工效學，1999，5（1）：33－35.

［6］鄭 柯.基于駕駛員心理生理反應的高速公路公路線形研究［D］.北京：北京工業(yè)大學建筑工程學院，2003.