王進(jìn)州, 艾力·斯木吐拉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

道路安全是由人、車、路、環(huán)境四者的協(xié)調(diào)決定的，若四者不協(xié)調(diào)將增加交通風(fēng)險(xiǎn)，并且發(fā)生交通事故的主要是由人因素導(dǎo)致[1]。隨著高原公路海拔的升高，壓強(qiáng)減小，空氣中氧氣含量減小，駕駛環(huán)境越來越差，在道路線形和高原低氧環(huán)境的雙重影響下，駕駛員心率變化顯著[2-3]。潘曉東等[4]分析了在山區(qū)公路行駛過程中平曲線半徑與駕駛員心率變化規(guī)律。喬建剛[5]分析了心率變化與駕駛員緊張度的關(guān)系，提出駕駛員緊張和恐懼心理狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的心率增長(zhǎng)率閾值分別為30%和40%。李巖巖等[6]研究了高原公路駕駛員β頻段腦電波隨海拔與道路線形組合值的變化規(guī)律。張娟等[7]研究了心率增長(zhǎng)率隨著上下坡的平曲線半徑的變化規(guī)律，并給出合理取值范圍。夏可等[3]研究了心率變化在高原低氧環(huán)境和彎道的雙重影響下，隨著平曲線所處海拔越高、半徑越小，駕駛員心理緊張度變化越明顯。李鑫磊[8]在軟件仿真的基礎(chǔ)上，通過重點(diǎn)對(duì)駕駛員方向控制的研究，建立綜合仿真模型，并進(jìn)行了直角轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)，通過對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角等指標(biāo)的分析驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性。Godley等[9]對(duì)車道寬度的研究發(fā)現(xiàn)較窄車道容易導(dǎo)致駕駛負(fù)荷的增加。Ronen等[10]通過對(duì)直線段行車過程中的心率變異率研究，發(fā)現(xiàn)在直線段行車時(shí)駕駛員更容易放松警惕。Spacek[11]研究發(fā)現(xiàn)在彎道上行車，不同駕駛員的車輛軌跡保持行為是不同的。但很少有學(xué)者研究在道路線形設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角值大小對(duì)駕駛員生理負(fù)荷變化的影響。故選取K作為駕駛員生理負(fù)荷的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析平曲線轉(zhuǎn)角與K的變化規(guī)律，以期為高原公路線形寬容性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 駕駛試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)段道路簡(jiǎn)介

行車試驗(yàn)路段選取國(guó)道314線，二級(jí)公路，起點(diǎn)為奧依塔格一橋，終點(diǎn)為蘇巴士六、七橋，全程73 km。該路段的最低點(diǎn)高程約3 000 m，最高點(diǎn)高程約4 030 m。雙向兩車道，無護(hù)欄，無中央分隔帶，車流較少，其他車輛的影響較小，路基寬度為12 m和8.5 m。該路段包含約80個(gè)轉(zhuǎn)角值，可以較好地反映出駕駛員心生理隨著道路線形轉(zhuǎn)角值和海拔的變化規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)人員及試驗(yàn)車輛

本試驗(yàn)選取3名無高原公路駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員和1名經(jīng)常在高原公路行車的駕駛員，4名駕駛員年齡在23～56歲不等；試驗(yàn)車輛為中型運(yùn)動(dòng)型實(shí)用汽車(sport utility vehicle, SUV)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)獲取

采用biofeedback 2000 X-pert 型生物反饋儀測(cè)取駕駛員行車過程中心率變化、脈搏血容等生理數(shù)據(jù)；采樣率為200 Hz[12]；用全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)記錄車輛行駛的實(shí)時(shí)位置。

1.4 天氣及駕駛員健康狀況

本次試驗(yàn)在夏季進(jìn)行，行車試驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗、微風(fēng)。4名駕駛員身體健康狀況良好，測(cè)試前一天睡眠質(zhì)量良好，無較大情緒波動(dòng)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

2.1 駕駛負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

2.1.1 心率增長(zhǎng)率

心率增長(zhǎng)率是業(yè)界公認(rèn)的可以表征人體生理狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是某一段時(shí)間內(nèi)的心率變化率；心率會(huì)受個(gè)體差異影響，大小不一，但心率增長(zhǎng)率可以反映心率的變化幅度[13]。在行車過程中駕駛員面對(duì)外界環(huán)境、道路線形的變化顯示出不同的變化幅度，通過變化幅度來判斷駕駛員的生理變化。將心率數(shù)據(jù)通過式(1)轉(zhuǎn)化為心率增長(zhǎng)率。

N=100(n2-n1)/n1

(1)

式(1)中:N為駕駛員心率增長(zhǎng)率，%；n1為各駕駛員靜態(tài)平均心率，次/min；n2為各駕駛員動(dòng)態(tài)平均心率，次/min。

2.1.2 脈搏血容 (BVP)

脈搏血容是反應(yīng)駕駛員心跳強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)心臟收縮時(shí)，體表的毛細(xì)血管充盈，此時(shí)其透光率增加；當(dāng)心臟舒張時(shí)，體表毛細(xì)血管處于收縮狀態(tài)，透光性能降低，它反映的是駕駛員心搏力量的大小[14]。

2.1.3 駕駛員生理負(fù)荷(K)

在高原公路行車過程中，駕駛員生理心理指標(biāo)同時(shí)發(fā)生變化，各指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同，心率增長(zhǎng)率表征心率變化的快慢，BVP表征駕駛員心跳的強(qiáng)度，通過MATLAB編程給心率增長(zhǎng)率和BVP分配權(quán)重，得到K，K可以更全面地表征駕駛員生理負(fù)荷變化。

2.2 道路平曲線轉(zhuǎn)角值

平曲線轉(zhuǎn)角值是平面曲線切線旋轉(zhuǎn)的角度；平曲線轉(zhuǎn)角值與曲線長(zhǎng)度、緩和曲線長(zhǎng)度和半徑均有密切聯(lián)系；駕駛員在高原公路上行車時(shí)，隨著平曲線轉(zhuǎn)角值的增加，在通過曲線段時(shí)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)幅度會(huì)不斷增加，并且需要保持的時(shí)間也會(huì)增加，所以選擇道路平曲線轉(zhuǎn)角值作為道路線形評(píng)價(jià)指標(biāo)。道路轉(zhuǎn)角與曲線長(zhǎng)度、緩和曲線長(zhǎng)度、平曲線半徑的關(guān)系見式(2)。

α=180(L-Ls)/Rπ

(2)

式(2)中:α為平曲線轉(zhuǎn)角值，(°)；L為曲線長(zhǎng)度，m；Ls為緩和曲線長(zhǎng)度，m；R為曲線半徑，m。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

本試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)采集的頻率為200 Hz，通過取200個(gè)數(shù)據(jù)的平均值合并為1個(gè)數(shù)據(jù)/s；取前10 min數(shù)據(jù)的平均值作為駕駛員靜態(tài)數(shù)據(jù)(n1)，(通過MATLAB短時(shí)傅里葉變換FFT)變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中誤差較大的數(shù)據(jù)剔除，通過MATLAB數(shù)據(jù)編程對(duì)心率增長(zhǎng)率和BVP進(jìn)行權(quán)重分配，心率增長(zhǎng)率分配系數(shù)為0.578 8，BVP分配系數(shù)為0.421 2，得到駕駛員生理負(fù)荷K，見式(3)，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)角與K得關(guān)系。部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

K=0.578 8N+0.421 2B

(3)

式(3)中：K為駕駛員生理負(fù)荷值；B為BVP值，μV。

表1 部分轉(zhuǎn)角值分析數(shù)據(jù)Table 1 Partial corner value analysis data

4 轉(zhuǎn)角值對(duì)駕駛負(fù)荷的影響分析

4.1 偏相關(guān)性分析

利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏向關(guān)分析，控制海拔因素，分別對(duì)心率增長(zhǎng)率、BVP、K與轉(zhuǎn)角的偏相關(guān)分析，由表2可以明顯看到，駕駛員在高原公路上行駛時(shí)，控制海拔因素的影響條件下，心率增長(zhǎng)率和BVP與轉(zhuǎn)角的相關(guān)系數(shù)分別為-0.492和-0.517，說明相關(guān)性顯著，經(jīng)過MATLAB分配給兩個(gè)指標(biāo)權(quán)重后的K相關(guān)系數(shù)為-0.503。

4.2 轉(zhuǎn)角值單因素影響下駕駛員心理生理變化關(guān)系分析

4.2.1 心率增長(zhǎng)率與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系模型，見式(4)。

N=-2.211lnα+37.126

(4)

式(4)中：α為轉(zhuǎn)角，(°)。相關(guān)系數(shù)為-0.492，相關(guān)性顯著，R2=0.469，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖1 心率增長(zhǎng)率與轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.1 The relationship between heart rate growth rate and corner

4.2.2BVP與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

圖2為高原公路上行車時(shí)BVP與轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系圖，在海拔3 000～4 030 m內(nèi)，轉(zhuǎn)角0°～168°

內(nèi)，BVP在49.6～48.8內(nèi)。BVP隨著轉(zhuǎn)角值的增大而減小，轉(zhuǎn)角值在0°～10°內(nèi)，BVP較高，心跳強(qiáng)度較大，不利于行車安全，且隨轉(zhuǎn)角值的增加快速減小，在轉(zhuǎn)角值增加到10°以上時(shí)BVP增加越來越慢。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與BVP的關(guān)系模型，見式(5)。

1906年5月31日該委員會(huì)發(fā)表了一份17頁(yè)的初步報(bào)告。他們的主報(bào)告，《州地震調(diào)查委員會(huì)報(bào)告，第一卷》，由Lawson編輯并于1908年出版。該報(bào)告包括對(duì)斷層作用的地質(zhì)和形態(tài)的大量描述、振動(dòng)強(qiáng)度的詳細(xì)報(bào)告，以及包括40幅超大尺寸圖和對(duì)折紙的令人印象深刻的地圖集。第二卷，由Henry Fielding Reid編輯并于1910年出版，主要描述此地震的地震學(xué)和機(jī)制方面。在本文后面的敘述中，將 《州地震調(diào)查委員會(huì)報(bào)告》（兩卷：Ⅰ卷，Lawson，1908，和Ⅱ卷，Reid，1910；共643頁(yè)）統(tǒng)稱委員會(huì)報(bào)告，適時(shí)標(biāo)出相應(yīng)的卷號(hào)。今天該報(bào)告仍可通過購(gòu)買或在線獲得（見參考文獻(xiàn)）。

B=49.474α-0.002

(5)

相關(guān)系數(shù)為-0.517，相關(guān)性顯著，R2=0.350 4，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖2 BVP與轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.2 Relationship between BVP and corner

4.2.3K值與轉(zhuǎn)角值的關(guān)系

圖3為高原公路上行車時(shí)K與轉(zhuǎn)角的曲線關(guān)系圖，在海拔3 000～4 030 m內(nèi)，轉(zhuǎn)角0°～168°內(nèi)，K在35～44內(nèi)。K隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，當(dāng)轉(zhuǎn)角在0°～10°時(shí)，K較高，說明此時(shí)駕駛員生理負(fù)荷較高，不利于行車安全。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角值與K的關(guān)系模型，見式(6)。

K=-1.324lnα+42.327

(6)

表2 在控制海拔因素下轉(zhuǎn)角值與駕駛員生理負(fù)荷的偏相關(guān)分析Table 2 Analysis of the partial correlation between the corner value and the driver’s physiological load under the control of altitude factors

相關(guān)系數(shù)為-0.503，相關(guān)性顯著，R2=0.482 8，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖3 K值與轉(zhuǎn)角值關(guān)系Fig.3 Relationship between K value and corner value

4.3 轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員駕駛負(fù)荷變化關(guān)系分析

通過以上分析得出，相比于心率增長(zhǎng)率和BVP單一指標(biāo)來說，駕駛員生理負(fù)荷K與轉(zhuǎn)角的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性和擬合度，故本節(jié)重點(diǎn)分析在轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重因素影響下駕駛員生理負(fù)荷K值的變化規(guī)律，鑒于夏可等[3]、李巖巖等[12]已經(jīng)充分研究了駕駛員心理生理指標(biāo)與海拔的關(guān)系，故不再贅述。利用MATLAB軟件建立轉(zhuǎn)角值、海拔和K的三維圖，見圖4。由圖4可以明顯看出，在轉(zhuǎn)角值和海拔的雙重影響下，K的變化更加顯著。

利用SPSS建立平曲線轉(zhuǎn)角、海拔和K的關(guān)系模型，見式(7)。

K=42.336+4.822×10-19exp(H/100)-1.338lnα

(7)

R2=0.484，擬合度較好；適用范圍：海拔3 000～4 030 m。

圖4 轉(zhuǎn)角值和海拔與K值的關(guān)系Fig.4 Relationship between the angle value and altitude and K value

5 結(jié)論

通過對(duì)高原公路道路平曲線轉(zhuǎn)角值與駕駛員生理負(fù)荷關(guān)系的分析，得出以下結(jié)論。

(1)道路平曲線轉(zhuǎn)角值對(duì)駕駛員心率增長(zhǎng)率、BVP及K的影響顯著，相關(guān)性顯著。

(2)高原公路行車過程中，駕駛員心率增長(zhǎng)率和脈搏血容隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，且減小趨勢(shì)由快到慢。

(3)高原公路行車過程中，轉(zhuǎn)角值在0°～10°內(nèi)，K較高，駕駛員生理負(fù)荷較高，不利于行車安全。

(4)從轉(zhuǎn)角值和海拔與駕駛員生理負(fù)荷K的三維關(guān)系模型中發(fā)現(xiàn)，在海拔與轉(zhuǎn)角值的雙重影響下，隨著轉(zhuǎn)角越小，海拔越高，K越大，駕駛員生理負(fù)荷越高，交通風(fēng)險(xiǎn)越高。