羅 杰,程 鵬，陸百川，徐 進(jìn),洪 進(jìn)，楊宗平

(1.重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2.重慶交通職業(yè)學(xué)院， 重慶 402247)

非光學(xué)隧道是距離隧道洞口一個(gè)停車視距能看到出口的曲線隧道，具有良好的通視性[1]。非光學(xué)隧道與光學(xué)隧道視覺環(huán)境有著顯著差異，其對(duì)駕駛員環(huán)境感知、信息判斷和駕駛行為有著不同的影響，駕駛員通過(guò)不同種類的光學(xué)隧道產(chǎn)生的駕駛負(fù)荷不同。駕駛負(fù)荷包括體力負(fù)荷和精神負(fù)荷，二者有較強(qiáng)的相關(guān)性。高體力負(fù)荷的駕駛?cè)菀讓?dǎo)致駕駛疲勞，而精神壓力較大會(huì)增加駕駛員體力負(fù)擔(dān)。所以，研究不同種類的光學(xué)隧道對(duì)駕駛負(fù)荷的影響，對(duì)提高隧道交通安全有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞隧道駕駛行為和駕駛負(fù)荷開展了廣泛的研究，主要集中在2個(gè)方面：

1) 圍繞駕駛負(fù)荷與視覺特性的研究。如：Bryan Reimer等[2]運(yùn)用眼動(dòng)追蹤設(shè)備記錄駕駛?cè)搜蹌?dòng)特性研究駕駛負(fù)荷和隧道照度的相關(guān)性；杜志剛等[3-4]利用眼動(dòng)儀采集駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間、瞳孔面積、眨眼次數(shù)等參數(shù)研究了駕駛員在高度公路隧道進(jìn)出口的視覺負(fù)荷特征；胡江碧等[5-6]設(shè)計(jì)了隧道駕駛動(dòng)態(tài)視覺試驗(yàn)，分析了隧道環(huán)境下造成駕駛?cè)艘曈X差異的原因。

2) 駕駛負(fù)荷與心率指標(biāo)(心率值、心率增長(zhǎng)率)方面研究。如：Henrik Wiberg等[7]從實(shí)車試驗(yàn)中采集駕駛員心率值，分析隧道內(nèi)駕駛員精神負(fù)荷特征；FENG等[8]根據(jù)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)研究了在城市過(guò)江隧道最低點(diǎn)駕駛員的心率變異性及生理負(fù)荷；Tahmine等[9]運(yùn)用模擬駕駛器研究了交通流量與駕駛員心率變異性的相關(guān)性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要存在以下局限：① 現(xiàn)有研究主要針對(duì)隧道進(jìn)出口駕駛員視覺特性、心率值、心率增長(zhǎng)率，難以得到隧道整體駕駛負(fù)荷水平；② 許多研究模擬試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，由于模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)之間有一定差異，因此研究結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。為此，本文開展實(shí)車試驗(yàn)，采集駕駛員心電信號(hào)，分析不同光學(xué)隧道整體駕駛員心率變異性與駕駛負(fù)荷的相關(guān)性，為光學(xué)隧道駕駛負(fù)荷分析、參數(shù)設(shè)計(jì)等提供依據(jù)和參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)道路

在重慶市轄區(qū)內(nèi)選取2條城市隧道作為試驗(yàn)對(duì)象，龍溪隧道和華福隧道同在華福路段，其技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)隧道照片如圖1所示。為減少交通因素對(duì)試驗(yàn)的影響，駕駛員可以保持自然駕駛狀態(tài)，測(cè)試時(shí)間選擇10∶00—16∶00，此時(shí)試驗(yàn)路段交通量較低。試驗(yàn)天氣選擇光照較好的晴天，避開陰天、雨天、大風(fēng)和雷電等天氣，隧道內(nèi)外路面狀態(tài)干燥無(wú)積水。

表1 試驗(yàn)隧道路段主要技術(shù)參數(shù)

編號(hào)隧道名稱長(zhǎng)度/m類別限速/(km·h-1)車道 1龍溪隧道 448非光學(xué)隧道6022華福隧道3 555光學(xué)隧道602

圖1 測(cè)試隧道

1.2 駕駛?cè)藛T

選擇6名身體健康的駕駛?cè)藛T，年齡為25～55歲，實(shí)際駕齡為2～30年，平均駕齡為11年。試驗(yàn)開始前對(duì)每位駕駛員測(cè)量靜息狀態(tài)心率，便于駕駛員熟悉心率測(cè)試儀。試驗(yàn)過(guò)程中要求駕駛員按照交通規(guī)則駕駛，但不提出任何額外要求，也不進(jìn)行干擾，讓其根據(jù)自己的習(xí)慣自由駕駛。試驗(yàn)路線為龍溪隧道至華福隧道，每名駕駛員沿著規(guī)定路線往返行駛4次。

1.3 試驗(yàn)車輛及儀器

采用力康Prince180D心率測(cè)試儀采集駕駛員試驗(yàn)過(guò)程中的心電周期信號(hào)。使用LAUNCH X- 431-PRO3車載ECU解碼儀采集車輛連續(xù)行駛的速度參數(shù)。采用1個(gè)行車記錄儀記錄車輛正前方交通情況，便于后期數(shù)據(jù)處理時(shí)排除跟車、變道和急剎車等干擾工況。試驗(yàn)車輛選擇了小客車，車型為帝豪-博瑞(2014款2.0 L自動(dòng))，見圖2(a)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2(b)，試驗(yàn)人員見圖2(c)。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

心率變異性(heart rate variability，HRV)是逐次心跳周期之間時(shí)間上的微小變異特性?，F(xiàn)有研究已經(jīng)證明HRV是描述駕駛員精神疲勞和心理壓力的有效指標(biāo)[10-13]，所以本文使用駕駛員HRV來(lái)衡量隧道路段的駕駛負(fù)荷水平。在分析駕駛負(fù)荷時(shí)，需要設(shè)定HRV基準(zhǔn)值，本文使用駕駛員靜息狀態(tài)下HRV為基準(zhǔn)值，并且通過(guò)生理測(cè)量得到駕駛員連續(xù)心電圖(electrocardiogram，ECG)周期信號(hào)。ECG周期信號(hào)由QRS序列波組成，如圖3所示。其中QRS波的峰值點(diǎn)為Ri點(diǎn)，Ri點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻為ti，相鄰QRS波之間的時(shí)間間隔(ti-1-ti)為RRi間期，即RRi間期序列。本文采用HRV時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)SDNN與RMSSD來(lái)衡量駕駛精神負(fù)荷，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：SDNN為全部正常竇性RRi間期標(biāo)準(zhǔn)差；RMSSD為相鄰RRi間期之差的均方根。

圖2 光學(xué)隧道實(shí)車駕駛試驗(yàn)

圖3 ECG周期信號(hào)

2 駕駛員的RR與HR分析

2.1 RR統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)6名駕駛員測(cè)得的ECG信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行R波提取，得到駕駛員在不同隧道駕駛期間的RR間期數(shù)據(jù)。隨機(jī)選取1名駕駛員繪制RR間期統(tǒng)計(jì)分析直方圖，如圖4所示。其中駕駛員靜息狀態(tài)R波樣本600個(gè)，非光學(xué)隧道R波樣本208個(gè)，光學(xué)隧道R波樣本682個(gè)。從圖4可以看出：駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)RR間期主要集中在0.6～0.64 s，其中0.62 s發(fā)生的概率最高；駕駛員在非光學(xué)隧道的RR間期主要集中在0.52～0.53 s，范圍在0.48～0.56 s；駕駛員在光學(xué)隧道的RR間期主要集中在0.52～0.54 s，其中0.52 s發(fā)生的概率最高，超過(guò)0.56 s發(fā)生概率降低。

采用單因素方差分析對(duì)駕駛員RR間期進(jìn)行差異性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：駕駛員靜息狀態(tài)與光學(xué)隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間存在顯著差異(F(33,541)=2.826 82，p=0.000)，并且與非光學(xué)隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間也存在顯著差異(F(26,180)=2.352 55，p=0.000)，光學(xué)隧道與非光學(xué)隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間差異性顯著 (F(29,177)=1.841 49，p=0.008)。

圖4 駕駛員RR間期直方圖

表2給出了駕駛員RR間期統(tǒng)計(jì)值，包括均值、方差、最大值和最小值。根據(jù)表2分析可得：駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)的RR間期均值最大為618 ms，非光學(xué)隧道RR間期均值最小為525 ms，以駕駛員靜息狀態(tài)RR間期為基準(zhǔn)，非光學(xué)隧道RR間期均值下降了15.05%，光學(xué)隧道RR間期均值下降了14.07%；駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)的RR間期方差最大值為0.023 77，非光學(xué)隧道的RR間期方差最小值為0.013 52，這表明非光學(xué)隧道RR間期比駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)離散程度更??；非光學(xué)隧道RR間期波動(dòng)范圍最小為72.5 ms，光學(xué)隧道RR間期波動(dòng)范圍為115 ms，靜息狀態(tài)RR間期最大為150 ms。

表2 駕駛員RR間期統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

名稱均值/s方差最小值/S最大值/S靜息狀態(tài)0.618 430.023 770.550 00.700 0非光學(xué)隧道0.525 870.013 520.482 50.555 0光學(xué)隧道0.530 720.015 030.492 50.607 5

2.2 HR數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

隨機(jī)選取1名駕駛員的HR數(shù)據(jù)，對(duì)駕駛員心率HR數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到圖5的統(tǒng)計(jì)直方圖。從圖5可以看出：駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)HR主要集中在110～115(beats/min)，其中115(beats/min)發(fā)生的概率最高；駕駛員在非光學(xué)隧道的HR間期主要集中在112～116(beats/min)，其中114(beats/min)發(fā)生的概率最高；駕駛員在光學(xué)隧道的HR間期主要集中在96～100(beats/min)，其中98(beats/min)發(fā)生的概率最高，超過(guò)102(beats/min)的發(fā)生概率降低。

對(duì)駕駛員HR進(jìn)行顯著性差異分析，其結(jié)果為：光學(xué)隧道的HR與駕駛員靜息狀態(tài)HR之間存在顯著差異(F(26,548)= 16.834 24，p=0.000)，非光學(xué)隧道的HR與駕駛員靜息狀態(tài)HR也存在顯著差異(F(15,191)= 2.378 69，p=0.002 9)，光學(xué)隧道與非光學(xué)隧道的HR間期數(shù)據(jù)之間差異性顯著 (F(29,177)= 1.841 49，p=0.014 34)。

圖5 駕駛員HR直方圖

表3給出了1#駕駛員HR統(tǒng)計(jì)分析值。駕駛員靜息狀態(tài)時(shí)的HR均值最大為97(beats/min)，光學(xué)隧道與非光學(xué)隧道HR均值無(wú)顯著差別，以駕駛員靜息狀態(tài)HR為基準(zhǔn)，光學(xué)隧道與非光學(xué)隧道HR均值上升了17.53%。但是光學(xué)隧道與非光學(xué)隧道HR的方差有一定差異，其中光學(xué)隧道HR方差為3.17，非光學(xué)隧道HR方差為2.97，這表明光學(xué)隧道HR比非光學(xué)隧道HR的離散程度更大。非光學(xué)隧道RR間期波動(dòng)范圍最小為16(beats/min)，光學(xué)隧道RR間期波動(dòng)范圍為23(beats/min)，靜息狀態(tài)RR間期最大為24(beats/min)。

表3 駕駛員HR統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

(beats·min-1)

名稱均值方差最小值最大值靜息狀態(tài)97.123.7885.54109.23非光學(xué)隧道114.32.97108.6124.68光學(xué)隧道113.53.1798.48121.48

圖6為不同隧道6位被測(cè)駕駛員HR變化，每位駕駛員的HR值為3～4次試驗(yàn)樣本的算術(shù)平均值，誤差棒是HR均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。從圖6可以看到：除3#被測(cè)試駕駛員之外其余5位駕駛員均表現(xiàn)出一個(gè)共同點(diǎn)，即非光學(xué)隧道比光學(xué)隧道駕駛員HR較高，說(shuō)明通過(guò)非光學(xué)隧道時(shí)心理負(fù)荷更大。其原因如下：非光學(xué)隧道長(zhǎng)度較短，駕駛員在短時(shí)間通過(guò)隧道，眼睛需要快速適應(yīng)隧道照度的明暗變化，容易導(dǎo)致駕駛員心理緊張；由于非光學(xué)隧道通視性較好，絕大多數(shù)駕駛員會(huì)選擇較高的行駛速度通過(guò)隧道，這必然導(dǎo)致駕駛員精神壓力增大。

圖6 6位駕駛員HR均值

3 駕駛員的HRV時(shí)域分析

3.1 SDNN統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)隧道行駛過(guò)程中駕駛員RR間期變化，分時(shí)間段(其中非光學(xué)隧道20 s為一段、光學(xué)隧道60 s為一段)計(jì)算出駕駛員心率變異性SDNN值，繪制駕駛員SDNN隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖，如圖7所示。從圖7中可以觀察到:SDNN在駕駛過(guò)程中以正回歸線增加，非光學(xué)隧道與光學(xué)隧道的SDNN線性回歸表達(dá)式為式(3)和式(4)。由于SDNN可以反映駕駛員精神負(fù)荷波動(dòng)程度，由此可以認(rèn)為隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛負(fù)荷越大，越容易導(dǎo)致駕駛疲勞。

圖7 駕駛員SDNN變化過(guò)程

(3)

(4)

圖8給出了6名被測(cè)駕駛員在靜息狀態(tài)、非光學(xué)隧道和光學(xué)隧道的SDNN統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出6位駕駛員都表現(xiàn)出一個(gè)特點(diǎn)，即靜息狀態(tài)SDNN均高于隧道駕駛狀態(tài)，表明駕駛員靜息時(shí)全部RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差大于隧道駕駛時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差。除了1#駕駛員以外，其余5位駕駛員的試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)了非常強(qiáng)的規(guī)律性，即非光學(xué)隧道駕駛員SDNN小于光學(xué)隧道測(cè)量值，其中6名被測(cè)駕駛員非光學(xué)隧道SDNN平均降幅為47.42%，光學(xué)隧道SDNN平均降幅為36.08%，說(shuō)明駕駛員通過(guò)非光學(xué)隧道更緊張，由此產(chǎn)生的精神壓力更大。

3.2 RMSSD統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)被測(cè)駕駛員RR間期序列進(jìn)行分析，計(jì)算每位駕駛員連續(xù)RR間期之差的均方根RMSSD，隨機(jī)選擇1位駕駛員的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，繪制駕駛員的RMSSD隨時(shí)間變化的趨勢(shì),如圖9所示。圖9(a)、(b)分別為非光學(xué)隧道和光學(xué)隧道駕駛員RMSSD統(tǒng)計(jì)分析，其線性回歸表達(dá)式分別為式(5)、(6)。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)明顯的規(guī)律：① 隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛?cè)说腞MSSD逐步升高。② 當(dāng)駕駛時(shí)間超過(guò)100 s以后，RMSSD波動(dòng)平緩，表明駕駛?cè)诉m應(yīng)隧道環(huán)境后心率間期波動(dòng)減小。③ 非光學(xué)隧道駕駛員RMSSD均值為40.71 ms，其變化范圍為41.90～42.35 ms，而光學(xué)隧道駕駛員RMSSD均值為44.70 ms，其變化范圍為44.82～46.74 ms。這說(shuō)明非光學(xué)隧道環(huán)境對(duì)駕駛員的精神刺激更強(qiáng)。

圖8 6位駕駛員SDNN均值

圖9 駕駛員RMSSD變化過(guò)程

(5)

(6)

圖10給出了6名被測(cè)駕駛員在靜息狀態(tài)、非光學(xué)隧道和光學(xué)隧道的RMSSD統(tǒng)計(jì)結(jié)果。6位駕駛員靜息狀態(tài)RMSSD均高于隧道駕駛狀態(tài)，并且靜息狀態(tài)2#駕駛員RMSSD均值最高為51.79 ms，1#駕駛員最低為17.02 ms；非光學(xué)隧道2#駕駛員RMSSD均值最高為40.71 ms，5#駕駛員最低為5.88 ms；光學(xué)隧道2#駕駛員RMSSD均值最高是44.41 ms，1#駕駛員最低為7.66 ms。

圖10 6位駕駛員RMSSD均值

以駕駛員靜息狀態(tài)RMSSD為參照基準(zhǔn)，不同種類光學(xué)隧道駕駛員的RMSSD降幅有較大差異，如表4所示。6名被測(cè)駕駛員非光學(xué)隧道RMSSD平均降幅為41.57%，光學(xué)隧道RMSSD平均降幅為30.76%。其原因如下：① 不同駕駛員之間個(gè)體差異，導(dǎo)致RMSSD差異性顯著；② 隧道環(huán)境讓駕駛員產(chǎn)生緊張感，心理壓力導(dǎo)致駕駛員心率發(fā)生變化，越緊張相鄰RR間期差值的均方根越小。

4 結(jié)論

1) 在隧道駕駛時(shí)駕駛員HR均值顯著大于靜息狀態(tài)，RR間期均值顯著小于靜息狀態(tài)；非光學(xué)隧道與光學(xué)隧道駕駛員HR均值無(wú)顯著差異。

2) 駕駛員在隧道駕駛時(shí)SDNN均顯著小于靜息狀態(tài)，非光學(xué)隧道SDNN均小于光學(xué)隧道測(cè)量值，并且非光學(xué)隧道SDNN平均降幅為47.42%，光學(xué)隧道時(shí)平均降幅為36.08%，說(shuō)明非光學(xué)隧道環(huán)境對(duì)駕駛員產(chǎn)生的精神壓力更大。

3) 駕駛員在隧道駕駛時(shí)RMSSD均顯著小于靜息狀態(tài)，非光學(xué)隧道與光學(xué)隧道駕駛員心率變異性有一定差異，其中非光學(xué)隧道RMSSD平均降幅為41.57%，光學(xué)隧道RMSSD平均降幅為30.76%，表明非光學(xué)隧道駕駛員心率變異性更大。

4) 本文分析了非光學(xué)隧道與光學(xué)隧道駕駛員HRV時(shí)域變化趨勢(shì)。但是研究尚處于基礎(chǔ)研究階段，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)，駕駛員HRV與駕駛負(fù)荷的相關(guān)性需要進(jìn)一步深入探討。此外，除了駕駛員HRV時(shí)域分析，駕駛員HRV頻域分析和非線性分析也是后續(xù)研究的重點(diǎn)。