符鋅砂， 杜錦濤， 何石堅

(華南理工大學 土木與交通學院， 廣東 廣州 510640)

0 引言

駕駛員應激反應和減速行為直接關(guān)系到高速出口段交通安全。在高速出口路段，駕駛員需要完成對道路環(huán)境的觀察、作出決策、執(zhí)行決策并駛離高速等一系列過程，相比于一般路段，高速出口段駕駛員減速行為和應激反應有明顯差異。這種差異帶來了安全隱患，研究表明，出口路段事故率比一般路段高出30%左右[1]。駕駛員應激反應與減速行為的改善對提高高速出口路段行車安全具有重要意義。

國內(nèi)外對高速出口路段駕駛員應激反應與減速行為展開了相關(guān)研究，DEFFNBACHER J L[2]等分析了駕駛員情緒對車道變換行為的影響，黃凱[3]等研究不同速度下視野改變情況得到標志識認距離，徐慧智[4]等分析得出駕駛員在變化車道期間的視覺注視時長均值與分布規(guī)律，趙妮娜[5]等通過電腦模擬試驗分析了不同信息量標志下駕駛員所需反應時間并提出信息量閾值。MORIDPOUR S[6]等研究了變道過程中車輛減速行為和變道時間，并得到可接受變道間隙；許倫輝[7]等通過MATLAB仿真討論了不同行駛狀態(tài)及駕駛員類型的加減速行為。國內(nèi)學者在駕駛行為基礎(chǔ)上，分析得高速出口預告標志的合適設(shè)置距離[8-10]，崔洪軍[10]等將駛離高速過程分為反應期、變道期和減速期，還論證了出口預告標志安全設(shè)置距離對變道成功率產(chǎn)生的影響，符鋅砂[11]等采用AHP分析了多因素組合下的交通安全治理模型，彭宇[12]等利用序關(guān)系確定權(quán)重并按服務重疊面積評價了高速出入口處的分布的合理性和科學性。

現(xiàn)有研究雖然已經(jīng)對高速出口處駕駛員心理和駕駛行為的做了大量分析，包括：減速行為規(guī)律，預告標志安全距離對交通安全的影響等，但是尚存在3方面不足： ①現(xiàn)有研究成果多數(shù)建立在模擬實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)進行分析的研究較少；②行車條件對駕駛員心理與駕駛行為的影響鮮被討論；③現(xiàn)有研究很少討論駕駛員心理變化與駕駛行為的關(guān)系。

鑒于此，本文針對山區(qū)高速出口特點，設(shè)計并進行了以出口提示距離和運行速度為自變量的正交實車試驗，對不同行車條件下SCR與dmax的變化規(guī)律，以及SCR與dmax間的相關(guān)性進行了系統(tǒng)研究，為進一步認識高速公路出口駕駛員生理變化規(guī)律和優(yōu)化出口設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗變量

1.1.1自變量

出口提示距離和運行速度是高速出口路段行車條件的重要特征。本研究在設(shè)計速度為100km/h的雙向四車道高速公路出口路段，進行自變量為出口提示距離和運行速度的3×3正交實車試驗。

出口提示距離分300、500和700m的3個水平，運行速度分110、100和90km/h的3個水平，共組成9種不同試驗情景。

1.1.2因變量

皮膚電導反應(SCR)是駕駛員應激反應的重要特征參數(shù)。SCR是由刺激而引起的生理心理激惹狀態(tài)，可作為交感神經(jīng)系統(tǒng)功能的直接指標，也可以作為腦喚醒、警覺水平的間接指標[13]，因此將SCR作為高速出口駕駛過程中駕駛員的緊張程度[14]的表征指標。本研究將每一次試驗過程中駕駛員的最大皮膚電刺激反饋程度作為每一次試驗的皮膚電導反應，記為SCR。

最大減速度是駕駛行為變化程度的重要特征參數(shù)。在高速出口路段，駕駛員過度的減速行為可能會對主線正常行駛車輛造成的干擾進而影響交通安全，因此將車輛最大減速度作為評價駕駛行為安全性的指標。本研究將每一次試驗過程中車輛的最大減速度作為該次試驗的最大減速度，記為dmax。

1.2 試驗設(shè)備和數(shù)據(jù)采集

如圖1所示，本次試驗儀器設(shè)備為車載智能盒子和生理檢測器，其中圖1(a)為車載智能盒子，圖1(b)為BIOPAC MP160生理檢測器連接圖。試驗車輛為豐田漢蘭達。車載智能盒子可從試驗車輛OBD接口按2Hz頻率讀取車輛實時行駛速度和加速度。生理檢測器通過電導片和電導液按2000Hz頻率采集駕駛員駕駛實時生理反應。

1.3 試驗路段

本研究將雙向4車道且設(shè)計速度為100km/h的小三江服務區(qū)路段(廣東某高速公路hj至lz段)作為試驗路段，該路段未處于平原微丘區(qū)，試驗路段前后為低填低挖路段，邊坡平緩，路側(cè)植被不影響駕駛視野。試驗期間該路段交通量為325veh/(h·ln)，處于自由流交通水平。試驗前在高速出口減速車道前300、500和700m處設(shè)置出口提示標志，設(shè)置如圖2所示。

(a) 智能盒子接車輛圖

(b) BIOPAC MP160生理檢測器連接圖

圖2 出口路段試驗條件設(shè)計及標記布設(shè)圖

本研究分析路段為漸變段起點前的高速公路主線路段。高速公路服務區(qū)出口和收費站出口的車流，均按以下順序駛離高速主線[15]：主線→漸變段→(輔助車道)→減速車道→匝道，盡管漸變段以后的形式在兩種出口中設(shè)計形式和標準有異，主線部分的設(shè)計指標在兩種高速出口處均參考相同的設(shè)計速度標準進行設(shè)計。因此，服務區(qū)進行的試驗在兩種出口主線路段分析時均具備代表性。本試驗結(jié)果可以為高速公路互通出口的研究提供參考。

1.4 試驗條件

為控制自變量以外其余試驗條件對試驗結(jié)果的影響，試驗均在白天時段(8:00—17:00)進行，試驗時天氣晴朗，通視條件良好。

1.5 被試人員

為減少駕駛員自身差異對試驗的影響，篩選駕駛員有以下要求：持有中華人民共和國C1駕照2 a以上；年高速公路駕駛里程在5000km以上；男性；視力正常且無生心理疾病。本次試驗共招募了18名滿足要求的男性駕駛員，平均年齡32歲(SD=12.2)，平均駕齡8年(SD=6.5)。

1.6 試驗過程

單次試驗由1名駕駛員和1名觀察員共同完成，每1名駕駛員在觀察員的指揮下共進行9個不同試驗情景的試驗。觀察員負責按試驗情景要求下達指令，被試駕駛員根據(jù)指令進行駕駛。

每名駕駛員的試驗過程：駕駛員按順序進行試驗，每1名駕駛員就坐后，先進行儀器標定與檢測，檢測正常后方可開始試驗。在進入出口提示點前，駕駛員被要求保持試驗情景對應的行駛速度行駛，到達試驗情景對應的出口提示點，觀察員下達指令駛離高速，隨后駕駛員按自己習慣駛離高速。

每名駕駛員完成9個不同情景試驗后，先檢查試驗數(shù)據(jù)是否有效，如果有無效數(shù)據(jù)的試驗則補充相應試驗情景的試驗，如果沒有無效數(shù)據(jù)則更換下1名駕駛員繼續(xù)試驗。

2 測試結(jié)果及分析

本試驗整理并統(tǒng)計每種情景下的SCR與dmax，如表1所示，并進行對SCR和dmax變化規(guī)律分別進行分析。

2.1 皮膚電導反應

2.1.1運行速度變化對SCR的影響規(guī)律

為探討運行速度對SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按運行速度分為110、100和90 km/h的3大組進行ANOVA檢驗，檢驗結(jié)果如表2所示，3大組樣本數(shù)共162個，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，運行速度對駕駛員皮膚電導反應具有顯著性影響。

表1 試驗結(jié)果匯總表Table1 Test result summary提示距離水平/m運行速度水平/(km·h-1)SCR平均值/μsmdmax平均值/(m·s-2)3001101.17-1.133001000.97-0.75300900.74-0.535001100.72-1.165001000.53-0.85500900.35-0.497001100.66-1.037001000.49-0.86700900.34-0.52

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種提示距離條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法(Analysis of Variance，常見的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計模型，主要用于探討連續(xù)型因變量與類別型自變量的關(guān)系)進行檢驗，檢驗結(jié)果如表2所示，各提示距離條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說明了在每種提示距離條件下，運行速度對駕駛員皮膚電導反應均具有顯著性影響。

表2 運行速度對SCR影響的ANOVA檢驗Table 2 ANOVA test for the effect of running speed on SCR提示距離/m110 km/h100 km/h90 km/h均值/μsm方差均值/μsm方差均值/μsm方差本數(shù)FP—0.850.090.660.070.480.0516226.6<0.013001.170.090.970.050.740.025415.9<0.015000.720.020.530.020.350.015439.7<0.017000.660.010.490.010.340.005450.0<0.01

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論運行速度對SCR的變化規(guī)律，本研究將每一種提示距離下的數(shù)據(jù)按運行速度分組，如圖3所示，在每種提示距離條件下，隨著運行速度減小SCR呈現(xiàn)降低的變化趨勢。

圖3 不同提示距離條件下運行速度變化對SCR的影響Figure 3 Influence of running speed change on SCR under different guide distances

2.1.2出口提示距離變化對SCR的影響規(guī)律

為探討提示距離對SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按提示距離分為300、500和700 m的3大組進行ANOVA檢驗，檢驗結(jié)果如表3所示，3大組樣本數(shù)共162個，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，提示距離對駕駛員皮膚電導反應具有顯著性影響。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種運行速度條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法進行檢驗，檢驗結(jié)果如表3所示，每種運行速度條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說明了每種運行速度條件下，提示距離對駕駛員皮膚電導反應均具有顯著性影響。

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論提示距離對SCR的變化規(guī)律，本研究將每種運行速度條件下的數(shù)據(jù)按提示距離分組，如圖4所示，在同種運行速度條件下，提示距離從300m增加到500m，SCR降低且幅度較大；在同種運行速度條件下，提示距離從500m增加到700m，SCR降低但幅度較小。

表3 提示距離對SCR影響的ANOVA檢驗Table 3 ANOVA test for the effect of guide distance on SCRkN運行速度/(km·h-1)300 m500 m700 m均值/μsm方差均值/μsm方差均值/μsm方差樣本數(shù)FP—0.96 0.08 0.54 0.04 0.49 0.03 16274.29<0.011101.17 0.09 0.72 0.02 0.66 0.01 5436.42 <0.011000.97 0.05 0.53 0.02 0.49 0.01 5448.31 <0.01900.74 0.02 0.35 0.01 0.34 0.00 5482.78 <0.01

圖4 不同運行速度條件下提示距離變化對SCR的影響Figure 4 Influence of guide distance change on SCR under different running speeds

2.2 最大減速度

2.2.1運行速度變化對最大減速度的影響規(guī)律

為探討運行速度對dmax是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按運行速度分為110、100和90 km/h的3大組進行ANOVA檢驗，檢驗結(jié)果如表4所示，3大組樣本數(shù)共162個，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，運行速度對dmax具有顯著性影響。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種提示距離條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法進行檢驗，檢驗結(jié)果如表4所示，每種提示距離條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說明了每種提示距離條件下，運行速度對dmax均具有顯著性影響。

表4 運行速度對dmax影響的ANOVA檢驗Table 4 ANOVA test for the effect of running speed on dmax提示距離/m110 km/h100 km/h90 km/h均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差樣本數(shù)FP—-1.10 0.04 -0.82 0.03 -0.51 0.02 162156.17<0.01300-1.13 0.06 -0.75 0.04 -0.53 0.02 5441.86 <0.01500-1.16 0.04 -0.85 0.02 -0.49 0.04 5458.87 <0.01700-1.03 0.02 -0.86 0.01 -0.52 0.01 5481.18 <0.01

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論運行速度對dmax的變化規(guī)律，本研究將每種提示距離條件下的數(shù)據(jù)按運行速度分組，如圖5所示，在同種提示距離下，隨著運行速度減小dmax降低。

圖5 不同提示距離條件下運行速度變化對dmax的影響Figure 5 Influence of running speed change on dmax under different guide distances

2.2.2出口提示距離變化對dmax的影響規(guī)律

為探討提示距離對SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按提示距離分為300、500和700 m的3大組進行ANOVA檢驗，檢驗結(jié)果如表5所示，3大組樣本數(shù)共162個，P值大于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，提示距離對dmax無顯著性影響。

為驗證不同運行速度條件下，提示距離對dmax是否均無顯著性影響。同樣采用ANOVA方法進行檢驗，檢驗結(jié)果如表5所示，每種運行速度條件下樣本數(shù)均為54，P值均大于0.01。這說明了在每種運行速度條件下，提示距離對dmax均無顯著性影響。在每種運行速度條件下，提示距離的變化對dmax無明確的影響規(guī)律，如圖6所示。

表5 提示距離對dmax影響的ANOVA檢驗Table 5 ANOVA test for the effect of guide distance on dmax運行速度/(km·h-1)300 m500 m700 m均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差樣本數(shù)FP—-0.80 0.10 -0.83 0.11 -0.80 0.061620.16 0.86 110-1.13 0.06 -1.16 0.04 -1.03 0.02 542.07 0.14 100-0.75 0.04 -0.85 0.02 -0.86 0.01 542.36 0.10 90-0.53 0.02 -0.49 0.04 -0.52 0.01 540.35 0.71

圖6 不同運行速度條件下提示距離變化對dmax的影響Figure 6 Influence of guide distance change on dmax under different running speeds

3 SCR與dmax相關(guān)性分析

為探討SCR與dmax兩者間的相關(guān)性，將每一次試驗的dmax和SCR分別作為點的橫坐標和縱坐標繪制散點圖(圖7)，并采用最小角回歸(Least Angle Regression)魯棒性回歸方式進行數(shù)據(jù)擬合，不同情景的擬合函數(shù)參數(shù)和擬合程度如表6所示。

圖7數(shù)據(jù)分布和表6的擬合結(jié)果表明：

a.當行車條件(出口提示距離、運行速度)一定時，SCR與dmax呈現(xiàn)正相關(guān)且規(guī)律明顯，減速越快對駕駛員的刺激程度越大。

b.當運行速度一定時，隨著提示距離增加，同樣程度的減速行為對駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越小。比較運行速度為110 km/h的3個散點擬合圖(第1列)，隨著出口提示距離增加，擬合直線斜率減小，這說明了越早提醒駕駛員駛離高速，駕駛員越早有心理準備，同樣程度的減速行為對駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越小。比較第2列、第3列圖，可得同樣規(guī)律。

圖7 SCR與dmax的相關(guān)性擬合Figure 7 Correlation between SCR and dmax

表6 y=kx+b參數(shù)擬合結(jié)果Table 6 Parameter fitting result of y=kx+b提示距離/m運行速度/(km·h-1)kbR-square300110-0.1971.1250.590300100-0.1840.9540.86530090-0.0770.7700.883500110-0.0840.7460.882500100-0.1380.5190.77950090-0.0870.3510.758700110-0.0260.6450.151700100-0.0820.4830.79270090-0.0290.3420.271 注:R-square:確定系數(shù),正常取值范圍為[0 1],越接近1,表明方程的變量對y的解釋能力越強,這個模型對數(shù)據(jù)擬合得也較好。

c.當提示距離一定時，運行速度變化對直線斜率影響不明確。

4 結(jié)論

a.當出口提示距離一定時，SCR隨著運行速度的減小而減小，且運行速度變化對SCR有顯著性影響；當出口提示距離一定時，dmax隨著運行速度的減小而減小，且運行速度變化對dmax有顯著性影響。

b.當運行速度一定時，SCR隨提示距離增加而降低，且提示距離變化對SCR有顯著性影響；當運行速度一定時，提示距離變化對dmax無顯著性影響。

c.當行車條件(出口提示距離、運行速度)一定時，SCR與dmax呈現(xiàn)正相關(guān)且規(guī)律明顯，減速越快對駕駛員的刺激程度越大；當運行速度一定時，隨著提示距離增加，同樣程度的減速行為對駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越?。划斕崾揪嚯x一定時，運行速度變化對直線斜率影響不明確。