喬建剛, 李士宣, 王偉, 孫建斌

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 天津 300401； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 天津市交通工程綠色材料技術(shù)研究中心, 天津 300401；3. 山東省交通科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),高速公路的路側(cè)景觀日益受到重視[1-3],其設(shè)計(jì)逐漸與當(dāng)?shù)氐奈幕?、歷史特點(diǎn)相結(jié)合[4].在高速公路上,駕駛員的心生理隨著不同的路側(cè)景觀而變化.例如，路側(cè)灰色的水泥結(jié)構(gòu)物會(huì)給駕駛員帶來沉悶和孤獨(dú)等負(fù)面效果,而設(shè)置合理的植物則會(huì)給駕駛員帶來舒適的感覺,降低駕駛過程中的疲勞程度,增強(qiáng)行車的安全性[5-7].朱菲[8]以色彩效應(yīng)、路側(cè)景觀尺度及駕駛員的視覺敏感度分級(jí)為切入點(diǎn),論述高速公路路側(cè)景觀要素的設(shè)計(jì)原則和方法.李亞云[9]以長興島潘園公路路側(cè)景觀為例,將生態(tài)美學(xué)和植物配置融入景觀設(shè)計(jì)中.目前,路側(cè)植物的景觀設(shè)計(jì)大多與美學(xué)、地域文化相結(jié)合,較少結(jié)合駕駛員的視覺特點(diǎn).為了使高速公路路側(cè)植物的選擇更具人性化與安全性,本文對(duì)駕駛員在駕駛過程中不同視點(diǎn)區(qū)域的心生理數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,提出高速公路路側(cè)植物的選擇原則.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和儀器

通過實(shí)驗(yàn)研究駕駛過程中，駕駛員在公路可見范圍內(nèi)的不同視點(diǎn)對(duì)駕駛員心率、瞳孔面積變化的影響.實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為曲港高速;實(shí)驗(yàn)儀器為心電儀、眼動(dòng)儀;實(shí)驗(yàn)車輛為小型車輛皮卡.為了避免道路線形及行車速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,選擇的實(shí)驗(yàn)路段接近于直線路段,行車速度為80～90 km·h-1.

表1 駕駛員的基本信息Tab.1 Basic information of drivers

1.2 實(shí)驗(yàn)人員

為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性,選擇3名男性駕駛員進(jìn)行測(cè)試.駕駛員的基本信息，如表1所示.表1中：x為年齡;y為駕齡.心電儀的安裝及眼動(dòng)儀的配戴，如圖1,2所示.

圖1 心電儀的安裝 圖2 眼動(dòng)儀的配戴Fig.1 Electrocardiograph installation Fig.2 Eye tracker wear

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

圖3 明暗程度等級(jí)的劃分Fig.3 Classification of light and dark degree

2.1 分析方法

為便于分析駕駛員的不同視點(diǎn)及其明暗程度對(duì)駕駛員心生理的影響,對(duì)測(cè)試圖片進(jìn)行灰度處理,并將視點(diǎn)的明暗程度劃分為10個(gè)等級(jí).明暗程度等級(jí)的劃分，如圖3所示.

當(dāng)身體處于緊張狀態(tài)時(shí),體內(nèi)交感神經(jīng)的活動(dòng)使心跳加速、瞳孔散大；反之,當(dāng)身體處于放松狀態(tài)時(shí),相較于緊張狀態(tài)，交感神經(jīng)的活動(dòng)使心跳變得相對(duì)緩慢、瞳孔縮小.

駕駛員的心率變化率δ1及瞳孔面積變化率δ2的計(jì)算公式分別為

(1)

式(1)中:n1,S1分別為駕駛員處于平靜狀態(tài)時(shí)的心率和瞳孔面積;n2，S2分別為駕駛員處于動(dòng)態(tài)時(shí)的心率和瞳孔面積.

2.2 確定視點(diǎn)

確定3個(gè)不同的視點(diǎn),并對(duì)其進(jìn)行灰度處理.駕駛員的視點(diǎn)，如圖4所示.圖4中：視點(diǎn)A～C的明暗程度等級(jí)分別為5～6，3～4，4～5.

(a) 視點(diǎn)A (b) 視點(diǎn)B (c) 視點(diǎn)C圖4 駕駛員的視點(diǎn)Fig.4 Driver′s viewpoints

2.3 駕駛員的心率及瞳孔直徑的變化

通過心電儀和眼動(dòng)儀采集駕駛員在駕駛過程中的心率和瞳孔直徑,并找到與視點(diǎn)A～C類似的視點(diǎn),分別取心率和瞳孔直徑的平均值,計(jì)算出駕駛員心率和瞳孔面積的變化率.不同視點(diǎn)的駕駛員心生理變化,如圖5所示.由圖5可知：不同的視點(diǎn)對(duì)應(yīng)的駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率有所差別.

喬建剛等[10-11]提出駕駛員的心率變化率與其緊張程度的關(guān)系,得出駕駛員心理舒適、緊張及恐懼3 種狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的心率變化率閾值分別為18%,27%和39%.尚婷等[12]提出當(dāng)瞳孔面積的變化率超過20%，駕駛員開始處于緊張狀態(tài).因此，視點(diǎn)A的駕駛員處于緊張狀態(tài)，視點(diǎn)B，C的駕駛員則處于舒適狀態(tài),這說明植物可以有效地改善駕駛員的心理狀態(tài),增強(qiáng)行車的安全性.雖然視點(diǎn)B，C的駕駛員處于舒適狀態(tài),但從改善程度來看,視點(diǎn)B處的植物效果更佳.因此,當(dāng)植物的明暗等級(jí)為3～5時(shí),更能有效地減緩駕駛員的緊張程度,增強(qiáng)行車安全性.

(a) 心率變化率 (b) 瞳孔面積變化率圖5 不同視點(diǎn)的駕駛員心生理變化Fig.5 Driver′s heart physiology change of different viewpoints

3 路側(cè)植物的選擇

植物一般通過自身的色彩對(duì)駕駛員心生理變化產(chǎn)生影響,當(dāng)色彩不同時(shí),其明暗程度則有所差異.

表2 高速公路常用的綠化護(hù)坡植物Tab.2 Commonly used green slopeprotection plants on express way

明暗程度等級(jí)為3～5的色彩有紅色、橙色、黃色和淺綠色,具有這些色彩的植物會(huì)給人一種柔和而溫暖的感覺;明暗程度等級(jí)為5以上的色彩有深綠色、紫色,這些冷色調(diào)的植物會(huì)給人一種消沉而沮喪的感覺,對(duì)行車安全極為不利.高速公路常用的綠化護(hù)坡植物,如表2所示.

在選擇高速公路路側(cè)綠化護(hù)坡植物時(shí),應(yīng)盡可能選擇色彩較為明亮的植物,有利于減緩駕駛員的心率和瞳孔面積變化,提高行車的舒適性與安全性.張明浩[13]指出路側(cè)綠化植物的顏色采用兩種較為適宜；若僅有一種綠化植物,則比較單一,會(huì)增加駕駛員的疲勞程度;若3種以上,則會(huì)增加駕駛員的反應(yīng)時(shí)間,不利于行車安全.考慮到冬季行車環(huán)境可能比較單一,可以選擇油松、側(cè)柏等常綠喬木,配合其他暖色調(diào)植物形成一定的空間感,增強(qiáng)駕駛員的視覺感,提高行車的舒適性和安全性.

4 結(jié)論

1) 合理地選擇路側(cè)植物可以有效地降低駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率,給駕駛員提供一個(gè)舒適、安全的行車環(huán)境.

2) 從改善駕駛員的心生理狀態(tài)的效果來看,明暗程度等級(jí)為3～5的植物更能有效減緩駕駛員的緊張程度,提高行車的安全性.

3) 在選擇綠化植物時(shí),顏色以淺綠色、黃色等暖色調(diào)為宜,再配合適量油松、側(cè)柏等常綠喬木,可達(dá)到三季有花、四季常綠的景觀效果.