匡詩平， 朱順應(yīng)， 蔣若曦， 汪 攀， 鄒 禾

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

改擴(kuò)建高速公路是在已有高速公路上的拓寬改建，大多數(shù)高速公路改擴(kuò)建時邊通車邊施工，車輛在其上行車時，由于施工區(qū)的存在，駕駛?cè)诵枰M(jìn)行頻繁換道、并道行駛等，復(fù)雜的施工區(qū)環(huán)境極易導(dǎo)致駕駛?cè)说捏w力和精神負(fù)荷消耗增加，引起駕駛員的緊張與駕駛疲勞，增加發(fā)生交通事故的可能性?，F(xiàn)有的研究主要是針對已建成道路，而對于改擴(kuò)建高速公路的復(fù)雜場景則研究得較少。改擴(kuò)建高速公路由于施工期的影響，道路變窄，路側(cè)干擾較大，駕駛員的心理負(fù)荷水平顯然比在正常道路行駛要高。研究表明，駕駛員的心理-生理負(fù)荷與駕駛疲勞易引起駕駛員的不當(dāng)操作并處于危險狀態(tài)[1]，進(jìn)而引起可能發(fā)生的交通事故。因此，建立改擴(kuò)建高速公路駕駛員駕駛負(fù)荷風(fēng)險評價模型，預(yù)測施工區(qū)風(fēng)險等級，對指導(dǎo)改擴(kuò)建高速公路施工區(qū)的安全行車具有理論意義，并對進(jìn)一步研究施工環(huán)境下駕駛?cè)诵睦?生理負(fù)荷影響機(jī)制提供了數(shù)據(jù)支撐和分析方法。

國內(nèi)外的學(xué)者對駕駛負(fù)荷的研究由來已久，Henrik Wiberg等[2]研究認(rèn)為心理變量(心率、皮膚皮導(dǎo)水平、呼吸持續(xù)時間、注視等)可作為變化的場景下駕駛負(fù)荷的度量，其中，心率指標(biāo)的應(yīng)用較為廣泛，與心率相關(guān)的指標(biāo)(如心率值、心率增長值、心率變異性等)能夠有效度量駕駛員的心理-生理負(fù)荷水平[3]，重慶交通大學(xué)的徐進(jìn)等研究了山區(qū)公路不同路段條件下行駛參數(shù)(踏板力、轉(zhuǎn)動角速度等)與駕駛員心理-生理負(fù)荷(心率增長率)的相關(guān)性[4-6]。河北工業(yè)大學(xué)的王清洲等研究了山區(qū)旅游公路線形指標(biāo)和運行速度等參數(shù)對心率增長值的影響規(guī)律[7]。心率變異性是指逐次心跳周期差異的變化情況，心率變異性能夠反應(yīng)駕駛員的腦力負(fù)擔(dān)與駕駛疲勞程度[8, 9]，心率變異性的分析方法一般有時域分析法、頻域分析法以及非線性分析法等，考慮到采集數(shù)據(jù)的頻率及連續(xù)性，可采用改進(jìn)心率增長率作為心率變異性的指標(biāo)。

關(guān)于駕駛負(fù)荷如何影響交通安全，有統(tǒng)計分析認(rèn)為當(dāng)綜合駕駛負(fù)荷達(dá)到一定閾值后，交通事故率明顯增加。駕駛負(fù)荷作為駕駛員的心理水平參數(shù)能在一定程度上預(yù)測事故的發(fā)生。林聲等[10]認(rèn)為合理的駕駛負(fù)荷實現(xiàn)了安全行車并確立了駕駛負(fù)荷安全分級閾值，該分級模型將山區(qū)公路分為高風(fēng)險路段、較高風(fēng)險段和安全路段。駕駛負(fù)荷是綜合駕駛行為的表現(xiàn)，交通事故的發(fā)生受交通環(huán)境、行車狀態(tài)、駕駛行為等的直接影響，為了進(jìn)一步地預(yù)測交通事故的發(fā)生、分析潛在的交通風(fēng)險特性，考慮多種因素的交互影響，建立高速公路改擴(kuò)建路面施工階段駕駛風(fēng)險分級評價機(jī)制對于指導(dǎo)安全行車具有重要意義。

1 試驗方案

1.1 試驗道路

試驗選擇濟(jì)南至青島的改擴(kuò)建高速公路，該道路由雙向四車道改為雙向八車道。采集時間為2018年5月8日-2018年5月17日，試驗時道路正處于路面施工階段(半幅通車半幅封閉施工)，通車的半幅采用臨時隔離的方式，雙向四車道行駛，存在轉(zhuǎn)序(由一個半幅進(jìn)入另一個半幅)、交織(駛?cè)牖蛘唏傠x改擴(kuò)建道路)等復(fù)雜施工區(qū)環(huán)境，駕駛?cè)似毡樾枰捎脩?yīng)急車道進(jìn)行超車行為，路段調(diào)控車速控制在80 km/h，路側(cè)有防撞桶、施工工具等干擾。試驗在三個施工標(biāo)段分別進(jìn)行，3個標(biāo)段情況不一，具體道路情況如圖1、表1所示。

圖1 試驗道路實景及示意圖

表1 道路情況統(tǒng)計

試驗人員由起點收費站出發(fā)，在終點收費站掉頭返回，來回的數(shù)據(jù)均被采集。第一標(biāo)段試驗段起始站為高密收費站，終點站為墨東收費站，全長59 km；第二標(biāo)段試驗段起始站為濰坊東收費站，終點站為峽山收費站，全長24 km；第三標(biāo)段試驗段起始站為昌樂收費站，終點站為濰坊東收費站，全長29 km。

1.2 被試駕駛員

試驗駕駛員由當(dāng)?shù)卣心嫉闹驹刚呓M成，其中，男性駕駛員12名，女性駕駛員4名，平均年齡為31.4歲，標(biāo)準(zhǔn)差為11.5，平均駕齡5.8年，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9。高速公路行車危險，為保證實驗安全，沒有選擇實習(xí)駕駛員或者對駕駛道路不熟悉的駕駛員作為志愿者。試驗時，不對駕駛員行駛習(xí)慣進(jìn)行限制和要求，駕駛員按照平時習(xí)慣行車，即保持自然駕駛狀態(tài)。

駕駛員在試驗路段往返行車一次，駕駛員進(jìn)入高速路段時進(jìn)行計時，出高速路口計時停止，試驗時天氣良好，駕駛員精神狀態(tài)都良好。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 車輛行車參數(shù)采集設(shè)備

本實驗基于廣汽傳祺小汽車實驗平臺開發(fā)的駕駛行為分析綜合實驗平臺(如圖2所示)開展數(shù)據(jù)采集和分析，數(shù)據(jù)采集頻率為10hz，主要設(shè)備如下。

圖2 綜合駕駛實驗平臺

毫米波激光雷達(dá)：用于檢測車輛前方障礙物信息，并能提取前方車輛或障礙物的的車頭間距和相對速度；

車載OBD接口：通過Kvaser采集卡(或CANoe分析儀)獲取OBD-II接口數(shù)據(jù)， 獲取車輛的車速、油門踏板開度、剎車踏板壓力、橫向角速度、縱向加速度、方向盤轉(zhuǎn)角等參數(shù)；

RT2500 慣導(dǎo)系統(tǒng)：通過 RT2500 慣導(dǎo)來測量汽車的橫向加速度、縱向加速度、經(jīng)度和緯度等參數(shù)；

Mobileye 系統(tǒng)：通過 Mobileye 系統(tǒng)能夠獲取車輛相對車道線的位置(車道偏移量) 和與前方車輛的車頭時距(Time Headway)。

在MATLAB環(huán)境下解析，得到一個樣本的部分示例數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 駕駛員A行車參數(shù)示例

1.3.2 駕駛員心率的采集

考慮到實驗的成本及使用的便捷性，本次實驗采用Mio fuse心率手環(huán)對駕駛員的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。該款心率手環(huán)對駕駛員的干擾較小，可以實現(xiàn)自動連續(xù)實時監(jiān)測并顯示變化的心率，其采樣頻率(1 Hz)滿足本次試驗要求。圖4展示了16名駕駛員往返試驗路段的心率連續(xù)曲線。

圖4 駕駛員心率曲線

2 評價指標(biāo)與模型

2.1 駕駛負(fù)荷

心率是一個心理指標(biāo)，在醫(yī)學(xué)上講，心率是循環(huán)功能的一個重要參數(shù)[11]，其反應(yīng)為心臟收縮的頻率。心率不僅反應(yīng)人內(nèi)在的起搏器活性，還反應(yīng)交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的持續(xù)活動(外在調(diào)節(jié))[2]。 多年的研究表明，心率是個體認(rèn)知壓力的敏感變量，也反應(yīng)了個體身體壓力的變化特性[12]。影響心率變化的因素有很多，例如增加鍛煉[13]、年齡等。

目前關(guān)于心率的應(yīng)用研究較少，大部分是采用心電圖的方式，而在很多情況下僅根據(jù)離散的心率波動很難做出正確的判斷，于是人們從普遍的心率波動找到一種數(shù)字化的定量判斷方法，并了解其疾病、生理狀態(tài)的關(guān)系，心率變異性就是其中之一。本次試驗中沒有發(fā)生交通事故等嚴(yán)重事件，可以將心率平均值作為駕駛員安全駕駛時的心率均值，并將在此基礎(chǔ)上駕駛員的心率增長率作為駕駛員心率變異性指標(biāo)。之所以沒有采用駕駛員平靜狀態(tài)的心率均值，我們認(rèn)為平靜狀態(tài)的心率不能反應(yīng)駕駛員的駕駛時特征，采用無事故安全駕駛過程中的心率均值更能反應(yīng)駕駛員駕駛這一情景。駕駛員在駕駛狀態(tài)下的改進(jìn)心率增長率的計算公式為：

HRI=(H-H)/H

(1)

式中:HRI為改進(jìn)心率增長率；H為駕駛員心率值；H為駕駛?cè)诵穆示?，采集頻率為1 Hz。

本文的心率變化率為連續(xù)的心率變化率，根據(jù)時間戳，采用MATLAB軟件間隔獲取駕駛員行車參數(shù)，并使頻率匹配，采用頻率為1 Hz的連續(xù)值對駕駛員的實時狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析。

2.2 駕駛負(fù)荷模型

駕駛?cè)笋{駛負(fù)荷與多個因素相關(guān)。本次實驗采集了駕駛時的運動參數(shù)、操作參數(shù)、車道偏離、跟車參數(shù)以及GPS位置參數(shù)。經(jīng)過共線性診斷及相關(guān)性分析可知，車速能有效表征車輛的運動狀態(tài)。油門、剎車與車速具有較強的共線性，故選擇方向盤角度作為操作參數(shù)的表征變量。車道偏移變量中，選擇車輛偏離最右側(cè)車道的距離作為偏移的表征變量。跟車參數(shù)中選擇車頭時距作為表征變量。以駕駛負(fù)荷和車頭時距作為因變量建立回歸模型。

回歸方程為：

yi=aijxij-iisij+bij

(2)

式中:yi為因變量，即駕駛負(fù)荷、車頭時距;xij為因變量i時的自變量，即車速、方向盤角度、偏離右車道距離;xij為自變量均值;sij為自變量標(biāo)準(zhǔn)差;aij為因變量i自變量j時的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)，bij為因變量i自變量j時回歸方程的常量。

2.3 評價模型

林生等[10]的研究結(jié)果表明駕駛?cè)笋{駛負(fù)荷與事故率之間存在著近似拋物線的關(guān)系,如圖5所示。

圖5 駕駛負(fù)荷與事故率關(guān)系模型

為了更進(jìn)一步了解駕駛負(fù)荷與事故風(fēng)險的關(guān)系，本文收集了試驗路段全線近3年(2016-2018)的事故經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)濟(jì)損失是事故嚴(yán)重程度的側(cè)面反應(yīng)，其比事故率更能反應(yīng)事故發(fā)生的后果。根據(jù)經(jīng)緯度匹配本次試驗的心率增長率均值，得到心率增長率均值與經(jīng)濟(jì)損失之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 濟(jì)青高速事故經(jīng)濟(jì)損失與心率增長率之間的關(guān)系

根據(jù)統(tǒng)計分析，本次采集的駕駛員負(fù)荷服從正態(tài)分布，又由拋物線的性質(zhì)可知，此時駕駛負(fù)荷的均值即為拋物線頂點。駕駛負(fù)荷度量的駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)，主觀性較大，并不能完全反應(yīng)這個駕駛的過程。為客觀度量駕駛時的人車狀態(tài)，本文結(jié)合車頭時距指標(biāo)。車頭時距(TH)反應(yīng)了自然駕駛過程中的跟車特性，能代表潛在風(fēng)險。建立基于駕駛負(fù)荷的改擴(kuò)建高速公路安全評價模型，即，

minW=minf(HRI,TH)

HRI∈HRI±m(xù)SHRI

TH>TH

(3)

式中:W為事故率;HRI為駕駛負(fù)荷，即改進(jìn)心率增長率;TH為車頭時距，s。為使事故率降到最低，二元函數(shù)f值應(yīng)達(dá)到最低;m為駕駛負(fù)荷控制系數(shù)，可取1、2、3……;S為標(biāo)準(zhǔn)差。

以上基于駕駛負(fù)荷的改擴(kuò)建高速公路安全評價模型為無具體目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，駕駛負(fù)荷與車頭時距關(guān)于事故嚴(yán)重程度的影響權(quán)重由于數(shù)據(jù)有限，本文不做探討，故采用無具體目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型。模型中，事故的嚴(yán)重程度受兩個因素約束，即駕駛負(fù)荷值HRI與車頭時距TH，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計理論及拋物線的性質(zhì)，引入駕駛負(fù)荷控制系數(shù)m作為駕駛負(fù)荷參數(shù)的分級控制變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 回歸分析

考慮到試驗數(shù)據(jù)量大以及自然采集的不穩(wěn)定性，有必要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選工作，采用大數(shù)據(jù)分析軟件SPSS Modeler進(jìn)行數(shù)據(jù)的空白值、極值(偏離均值5倍標(biāo)準(zhǔn)差)的處理，空白值進(jìn)行丟棄，極值進(jìn)行替換，共收集到有效數(shù)據(jù)30 549(原數(shù)據(jù)38 585)條，即共500 min的駕駛記錄數(shù)據(jù)。

采用自然駕駛實驗車數(shù)據(jù)，分析改擴(kuò)建高速公路行車各參數(shù)與因變量駕駛負(fù)荷、車頭時距的回歸結(jié)果,見表2、表3。

表2 各因素駕駛負(fù)荷回歸分析

表3 各因素車頭時距回歸分析

根據(jù)各因素描述性統(tǒng)計分析可知，各因素統(tǒng)計變量在合理變化范圍內(nèi)，具有實際分析的意義。根據(jù)各因素對因變量駕駛負(fù)荷回歸分析結(jié)果可知，各因素Sig=0.000<0.005，具有顯著性。

根據(jù)各因素描述性統(tǒng)計分析可知，各因素統(tǒng)計變量在合理變化范圍內(nèi)，具有實際分析的意義。根據(jù)各因素對因變量駕駛負(fù)荷回歸分析結(jié)果可知，各因素Sig.=0.000<0.005，具有顯著性。

3.2 模型分析與結(jié)果

根據(jù)模型(2)及回歸方程，當(dāng)m分別取值1、2、3時，將因變量取值范圍代入式(3)，得到自變量取值范圍,見表4。

表4 各因素合適取值范圍

由分析結(jié)果知，當(dāng)駕駛負(fù)荷控制系數(shù)m=2、3時，駕駛負(fù)荷對偏離右車道距離沒有約束性，此時參數(shù)偏離右車道距離由車頭時距約束，當(dāng)車輛偏離右車道距離大于2.6 m時，駕駛員能保持較優(yōu)的車頭時距。當(dāng)m=1時，偏離右車道距離不能大于6.4 m，此時車速的合適范圍為77.8～77.9 km/h，方向盤角度的合適范圍為-13.9～9.7° 。

車速的最優(yōu)低值由車頭時距控制，說明以較低的速度行車時會導(dǎo)致車頭時距的減小，會導(dǎo)致安全風(fēng)險。速度的最優(yōu)高值由駕駛負(fù)荷控制，速度增加會導(dǎo)致駕駛負(fù)荷的增加，不利于安全行車。

方向盤的最優(yōu)低值由車頭時距控制，說明向右打方向盤會導(dǎo)致車頭時距的降低，會保持合適的車距，駕駛員應(yīng)盡量靠左駕駛。方向盤的最優(yōu)高值由駕駛負(fù)荷控制，幅度較大的方向盤操作將導(dǎo)致駕駛員駕駛負(fù)荷的增加。

4 結(jié) 論

本文基于改擴(kuò)建高速公路的試驗環(huán)境，結(jié)合跟車參數(shù)車頭時距建立了駕駛負(fù)荷安全模型，該模型評價效果較好，基于該模型可以得到改擴(kuò)建高速公路行車參數(shù)的優(yōu)化范圍，對于指導(dǎo)改擴(kuò)建高速公路行車、拓展安全領(lǐng)域的研究具有重要意義。

具體結(jié)論如下：

(1)在基于駕駛負(fù)荷的改擴(kuò)建高速公路安全評價模型中，行車安全不僅受人的因素(駕駛負(fù)荷)控制，與車頭時距也具有很強的關(guān)系。

(2)基于駕駛負(fù)荷的改擴(kuò)建高速公路安全評價模型，當(dāng)駕駛負(fù)荷控制系數(shù)m減小時，此時對車速、方向盤角度、偏離右車道距離的要求較高，需保持在一個較窄的范圍，當(dāng)然，此時的安全系數(shù)也最高。

(3)在改擴(kuò)建高速公路行車時，車速過高或過低都不利于安全行車，較低的速度意味著車頭時距較低，有發(fā)生碰撞的風(fēng)險，過高的速度將導(dǎo)致駕駛負(fù)荷增加，事故率增加。

(4)在改擴(kuò)建高速公路行車時，保持較低頻率及幅度的方向盤操作將提升駕駛安全系數(shù)。

(5)改擴(kuò)建高速公路由于道路施工，橫斷面是不標(biāo)準(zhǔn)的，與右車道保持合適距離能顯著提升安全系數(shù)，太低將導(dǎo)致車頭時距的降低，太高會導(dǎo)致駕駛負(fù)荷的增加。

本文仍存在不足。駕駛負(fù)荷控制系數(shù)的定量研究有待進(jìn)一步驗證，本文駕駛負(fù)荷模型能否更為廣泛的應(yīng)用有待進(jìn)一步驗證。改擴(kuò)建高速公路安全行車受多種因素共同作用，本文由于采集條件的限制，沒有綜合考慮道路線形、交通量、環(huán)境等因素的作用。