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        基于因子分析的城市隧道駕駛人心理負荷變化規(guī)律

        2021-05-04 03:09:54
        交通運輸研究 2021年2期
        關鍵詞:眼動瞳孔方差

        (南京理工大學自動化學院,江蘇 南京 210094)

        0 引言

        隨著城市交通基礎建設的發(fā)展和機動車保有量的增加,城市隧道越來越多,相比普通道路,隧道交通安全形勢更為嚴峻。由于隧道內外環(huán)境差異大,駕駛員對隧道內行車的適應能力存在較大差異,容易產生心理負荷,而過高的心理負荷會影響駕駛人的駕駛行為和行車安全。因此,研究駕駛人在隧道行車的心理負荷變化規(guī)律,對隧道安全設計、交通事故預防、駕駛人心理負荷智能監(jiān)控和主動預警等具有重要的現(xiàn)實意義。

        國內外對駕駛人心理負荷的研究主要包括心理負荷評價指標選取和不同交通場景的心理負荷變化規(guī)律研究。國內對于駕駛人心理負荷變化規(guī)律的研究場景主要集中在城市隧道[1]、高速公路出入口匝道[2]、彎道[3]、山區(qū)復雜公路[4]等特殊路段。一些學者選取心電指標評價駕駛人心理負荷,如陳薇[4]以心率增長率表征心理負荷,對超車、會車、彎道行車等行車條件下的心理負荷變化規(guī)律進行了研究;郭應時[5]以心率變異性和心率增長率為指標表征駕駛人的心理負荷,并對眼動行為與心理負荷進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)掃視行為與心率增長率呈正相關,而與心率變異性呈負相關;吳萌[6]通過采集不同匝道路段駕駛人心率變異性指標,研究了不同交通組織形式對匝道區(qū)駕駛人駕駛負荷的影響。還有一些學者選取眼動指標評價駕駛人心理負荷,如王少博[7]用掃視和眨眼行為來反映駕駛員在道路環(huán)境中的視覺負荷和緊張程度;朱彤等[8]選擇短眨眼作為視覺負荷評價指標。另外,瞳孔面積也是表征駕駛人心理負荷的有效指標,如陳云等[1]以瞳孔面積變化速度為指標,研究了短隧道入口段不同車型駕駛人的視覺負荷;潘曉東等[9]針對隧道進出口段提出了新的視覺負荷評價指標,即瞳孔面積最大瞬時速度值(Maximum Transient Velocity Value of Pupil Area,MTPA);陳炳陽[10]提出用瞳孔面積樣本熵來表征視覺負荷強度。

        國外學者也對駕駛人心理負荷與交通安全的關系展開了深入研究,如Reimer 等[11]認為,當心理負荷增加時,駕駛人的注意力將主要集中在前方道路上,對周圍環(huán)境的關注度較少,從而造成信息獲取能力降低;Faure 等[12]研究了駕駛人在執(zhí)行主任務和次任務時,心理負荷與駕駛任務難度的關系,指出次任務難度對駕駛人心理負荷存在顯著影響。在心理負荷評價方面,Gomer 等[13]分析了不同難度任務下眼動指標的變化情況,發(fā)現(xiàn)心理負荷越大,注視次數(shù)越多,注視時間越長;Lei等[14]驗證了腦電、心率等指標對工作負荷的靈敏性,并根據(jù)結果將心理負荷分成了不同的等級;Benedetto 等[15]通過實驗發(fā)現(xiàn),眨眼持續(xù)時間是評價視覺負荷的一個靈敏、可靠的指標。

        綜上,雖然現(xiàn)有研究已經(jīng)在駕駛人心理負荷評價方面進行了諸多探索,但大多只考慮了心電指標或眼動指標,或僅對心電指標與眼動指標的相關性進行分析,缺乏對心電指標和眼動指標的融合,即缺少將兩類數(shù)據(jù)結合起來的綜合量化分析。

        本文考慮到心理負荷具有多維屬性且受多種因素影響,擬通過在城市隧道路段開展實車實驗,首先采用D-lab 駕駛行為分析系統(tǒng),實現(xiàn)駕駛人眼動數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測和記錄;然后結合心電指標和眼動指標,將抽象的、難以直接測量的心理負荷轉化為具象的、可測量的指標,并采用因子分析法構建心理負荷量化模型,研究駕駛人在城市隧道環(huán)境下的心理負荷變化規(guī)律,為改善隧道行車安全提供依據(jù)。

        1 實驗數(shù)據(jù)采集

        1.1 實驗路段及設備

        為研究城市隧道路段因行車環(huán)境改變而給駕駛人帶來的心理負荷變化的規(guī)律,實驗路段的選取需滿足以下條件:①隧道出入口處線形設計符合規(guī)范要求,無急彎和陡坡;②隧道出入口外與城市一般道路交叉口具有足夠的距離(大于300m);③隧道為中長隧道,且在隧道入口處無法一眼看到隧道出口。針對以上條件,本實驗選擇南京市水西門隧道(見圖1)。該隧道全長1.66km,隧道內限速60km/h,主隧道為雙向6 車道,隧道內部對向車道之間用墻體隔開,為單箱雙室箱涵形式,隧道內照明采用高壓鈉燈,進出口無洞外照明設施。

        圖1 水西門隧道

        實驗采用D-Lab 軟件的Dikablis 眼動追蹤系統(tǒng)和Physio 生理采集系統(tǒng),以同步記錄駕駛人實時眼動數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)。采樣頻率為60Hz,瞳孔追蹤精度為0.05°。實驗時間避開早晚高峰,選擇天氣狀況良好的上午10:00—11:00和下午3:00—4:00。

        1.2 實驗過程

        為了避免不同個體對實驗結果的差異性影響,保證實驗數(shù)據(jù)的多樣性,實驗邀請了20位駕駛人,且矯正視力均為5.0 以上。被試駕駛人信息如表1所示。

        表1 駕駛人基本信息

        在預先告知實驗路線但不告知實驗目的的情況下,讓駕駛人佩戴頭戴式眼動儀,胸前粘貼心電傳感器(貼片),按照自身習慣駕駛車輛并保持車速在50~60km/h范圍內。由于實驗是在真實的交通環(huán)境中進行,駕駛人可能受交通流、限速或交通標志等的影響,為了減小偶然誤差,要求駕駛人沿實驗隧道上下行方向各行駛3 次,取實驗數(shù)據(jù)平均值進行分析。

        根據(jù)我國《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2—01—2014)[16]和《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70—2004)[17],結合實驗路段光照強度,將實驗路段劃分為接近段、入口段、中間段、出口前段和出口后段5 個部分,即定義隧道進口前150m 為接近段,進入隧道后150m 為入口段,隧道出口前150m 和駛出隧道后150m 分別為出口前段和出口后段,其余部分為中間段。實驗路段劃分如圖2所示。

        圖2 實驗路段區(qū)域劃分

        1.3 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

        實驗過程中,為實現(xiàn)眼動數(shù)據(jù)和心電數(shù)據(jù)的同步采集,實驗采用D-lab 駕駛行為分析系統(tǒng),提取20 位被試駕駛人的實驗數(shù)據(jù)后,利用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析。為保證眼動數(shù)據(jù)的有效性,基于拉依達準則(其基本思路為:如果某一樣本數(shù)據(jù)與樣本均值之差的絕對值大于3 倍樣本標準差,則該數(shù)據(jù)被默認為異常數(shù)據(jù),應予剔除)剔除異常數(shù)據(jù),最終獲得正常駕駛狀態(tài)下的眼動數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的有效性為92.5%。實驗儀器采集到的生理數(shù)據(jù)為心電信號,原始心電信號包含許多噪聲,本文選擇小波變換去噪法對采集的心電數(shù)據(jù)去噪,然后利用MATLAB 提取心電信號的R 波。實驗所獲R 波信號有效性較高,平均錯檢率為1.15%。

        2 心理負荷表征指標

        心理負荷具有多維屬性,且受多種因素影響。常用的心理負荷測量方法有3 大類,即主觀評價法、雙任務測量法與生理測量法[18]。主觀評價法是根據(jù)實驗人員在實驗過程中的主觀感受和體驗來評估心理負荷,大多采用評價量表的形式;雙任務測量法是通過完成任務的成績來預測心理負荷;生理測量法通過測定駕駛人的腦電、心電、眼動等指標的變化情況,間接地對其心理負荷進行評價,其優(yōu)點是客觀性和不受干擾性良好,在駕駛人完成駕駛任務時同步采集生理參數(shù),不受環(huán)境和個人意志的影響。本文選擇生理測量法,即通過測定駕駛人在車輛行駛過程中的生理反應來間接地評估其心理負荷,所選指標包括心電指標和眼動指標,其中心電指標采用RR間期(即心電信號相鄰R 波之間的時間)標準差(Standard Diviation of NN Intervals,SDNN)和RR間期差值平方根(Root Mean Square Successive Difference,RMSSD),眼動指標采用瞳孔面積變化率和注視時間。

        2.1 心率變異性變化特性

        心電信號是反映駕駛人心理負荷大小的直接指標。心率變異性(Heart Rate Varibility,HRV)主要反映相鄰心跳周期的差異和波動性,可從時域和頻域兩方面從心電信號中提取,是評價心理負荷的有效指標。研究表明,當心理負荷增大時,心率變異性會減小。本文選取HRV時域指標RR 間期標準差(SDNN)和RR 間期差值平方根(RMSSD)分析心率變異性指標的變化規(guī)律。

        RR間期標準差(SDNN)計算公式[19]如下:

        RR 間期差值平方根(RMSSD)計算公式[19]如下:

        式(1)~式(2)中:N為所分析時間段內的心臟跳動總次數(shù)(次);為RR 間期平均值;RRk為第k個RR間期值(ms);RRk+1為第k+1個RR間期值(ms)。

        繪制隧道路段駕駛人的SDNN 和RMSSD 變化箱線圖,如圖3~圖4所示。

        圖3 隧道不同路段SDNN箱線圖

        圖4 隧道不同路段RMSSD箱線圖

        由圖3~圖4 可知,心率變異性指標SDNN 和RMSSD 的變化規(guī)律基本相同,即:駕駛人在隧道接近段至入口段,SDNN 和RMSSD 減小,心理負荷增大;在出口前段至出口后段,SDNN 和RMS?SD增大,心理負荷減小。

        2.2 瞳孔面積變化特性

        瞳孔面積是表征駕駛人心理負荷的重要指標。駕駛人在出入隧道過程中瞳孔面積變化顯著。為減小不同個體瞳孔面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)的差異性,選取瞳孔面積變化率進行研究,其計算公式為:

        式(3)中:Nt為t時刻駕駛人瞳孔面積變化率;St為t時刻駕駛人瞳孔面積(mm2);S0為駕駛人瞳孔面積的平均值(mm2),本文S0取駕駛人在普通路段行駛時的瞳孔面積均值。

        隧道路段瞳孔面積變化率變化箱線圖如圖5所示。

        圖5 隧道不同路段瞳孔面積變化率箱線圖

        由圖5 可知,駕駛人在隧道接近段,瞳孔面積變化率較為平穩(wěn);在入口段,瞳孔面積變化率呈指數(shù)形式急劇上升;在出口前段,瞳孔面積變化率呈指數(shù)形式下降;在出口后段,瞳孔面積變化率較為平穩(wěn)。

        2.3 注視時間變化特征

        注視時間是指駕駛人單次注視行為的持續(xù)時間,能反映駕駛人的注意力集中程度和緊張程度。研究認為,注視時間與心理負荷顯著相關,心理負荷隨注視時間的增加而增加[20]。隧道區(qū)域駕駛人注視時間變化箱線圖如圖6所示。

        圖6 隧道不同路段注視時間箱線圖

        由圖6可知,駕駛人在隧道接近段至入口段,注視時間顯著增加,表明心理負荷增大;出口前段至出口后段,注視時間顯著減小,表明心理負荷減小。

        為了比較駕駛人在進出隧道過程中,心理負荷是否會因為道路環(huán)境的變化而發(fā)生顯著變化,分別對駕駛人進出隧道前后的生理特性進行顯著性檢驗,檢驗方法采用配對樣本t檢驗。顯著性檢驗結果如表2所示。

        表2 駕駛人進出隧道過程中生理特性顯著性檢驗結果

        由表2 可知,在進出隧道過程中,SDNN、RMSSD、瞳孔面積變化率、注視時間均在不同路段存在顯著差異,說明隧道環(huán)境變化會對駕駛人生理特性產生顯著影響。

        3 心理負荷量化模型

        3.1 因子分析法

        因子分析法是通過研究變量內部相關依賴關系,將一些具有復雜關系的變量歸結為少數(shù)幾個綜合因子的一種多變量統(tǒng)計方法[21]。因子分析最常用的理論模型為:

        式(4)中:Zj為第j個變量的標準化分數(shù);Fi(i=1,2,…,m)為共同因素;aji(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)為因子載荷,是第j個原有變量在第i個因子上的負荷;Uj為變量Zj的唯一因子。

        式(4)用矩陣形式可表示為:

        式(5)中:F為矩陣Z的公共因子,它是由Fi(i=1,2,…,m)組成的矩陣,且Z是由Zj(j=1,2,…,n)組成的矩陣;A為因子載荷矩陣,它是由aji(j=1,2,…,n;i=1,2,…,m)組成的矩陣;U為Z的特殊因子,它是由Uj(i=1,2,…,m)組成的矩陣。

        因子載荷矩陣A中有兩個重要的統(tǒng)計量,即變量共同度和公共因子方差貢獻。變量共同度是因子載荷矩陣A第j行元素的平方和,記為:

        公共因子方差貢獻率是因子載荷矩陣中各列元素的平方和,記為:

        3.2 基于因子分析法的心理負荷量化

        本文選取心電指標SDNN 和RMSSD、眼動指標瞳孔面積變化率和注視時間4 個指標表征心理負荷,量化駕駛人在出入隧道過程中的心理負荷值。

        因子分析法須各指標具有一定的相關性,故首先采用皮爾遜相關分析法對各指標進行相關性檢驗。相關性檢驗結果如表3 所示,滿足因子分析條件。

        表3 皮爾遜相關性分析

        表3 (續(xù))

        由于SDNN 和RMSSD 對心理負荷起負向作用,所以在因子分析時采用倒數(shù)法進行指標轉換,分別用DSDNN和DRMSSD表示。

        首先對數(shù)據(jù)進行凱撒·邁耶·奧爾金(Kai?ser-Meyer-Olkin,KMO)檢驗和Bartlett 球形檢驗,如表4所示。

        表4 KMO和Bartlett檢驗

        由表4 可知,KMO 值為0.709>0.7,且Sig.<0.01,說明變量之間存在相關性,因子分析有效。為了便于心理負荷量化計算,將所有數(shù)據(jù)進行Z-score標準化轉換后,繼續(xù)進行因子分析。公因子方差表示各變量中信息分別被提取的比例,各變量的公因子方差如表5所示。

        表5 公因子方差表

        從表5 可知,公因子方差均大于0.8,說明變量能被公因子合理表達??偡讲罱忉屓绫?所示。可見,因子旋轉前只有1個公因子,其方差貢獻率為63.775%;當因子采用方差最大法正交旋轉后,可提取2 個公因子,累計方差貢獻率為83.165%。對旋轉后的成分矩陣進行分析,如表7所示。

        表6 總方差解釋表

        表7 旋轉成分矩陣分析

        由表7 可知,在第1 個公因子中,載荷較大值為0.922 和0.807,分別對應的是注視時間和瞳孔面積變化率,因此可以將該因子歸為視覺負荷。第2 個公因子中,載荷較大值為0.878 和0.871,分別對應于DRMSSD和DSDNN,故可以將該因子歸為生理負荷。2 個公因子的總解釋方差(即累計方差貢獻率)為83.165%,可見旋轉后的2 個公因子可以很好地解釋心理負荷的兩個方面。因此,結合實際,可以選擇旋轉后的2 個公因子作為心理負荷量化模型的基礎。然后由Thompson回歸法得到因子得分系數(shù)矩陣,對因子得分系數(shù)矩陣進行分析,如表8所示。

        表8 因子得分系數(shù)矩陣分析

        由此,可以計算2 個公因子的得分F1和F2,分別為:

        式(8)~式(9)中:F1,F2分別為2 個公因子的得分;V1,V2,V3,V4分別為原始變量的瞳孔面積變化率、注視時間、DSDNN和DRMSSD。

        由表6 可知,兩個公因子的方差貢獻率分別為42.689%和40.476%,以其作為權重,并進行單位化處理,最終得到心理負荷的量化值:

        式(10)中:F為心理負荷量化值。

        根據(jù)前文,將第1 公因子命名為視覺負荷,第2 公因子命名為生理負荷,則心理負荷可由視覺負荷和生理負荷兩方面解釋量化,且視覺負荷對于心理負荷量化結果的方差貢獻率大于生理負荷,兩者分別為42.689%和40.476%。

        3.3 隧道路段心理負荷變化規(guī)律

        對通過因子分析法計算得到的心理負荷值進行歸一化處理,將所有數(shù)據(jù)轉換到區(qū)間[0,1]內。駕駛人心理負荷變化箱線圖如圖7所示。

        圖7 隧道不同路段心理負荷變化箱線圖

        針對不同路段心理負荷分布差異,采用配對樣本t檢驗分析不同路段心理負荷的差異性。顯著性檢驗選取置信度α=0.05,統(tǒng)計結果見表9。

        表9 顯著性檢驗結果

        由表9 可知:駕駛人心理負荷最大的路段為入口段和出口前段;駕駛人在進入隧道和駛出隧道的過程中,心理負荷存在顯著變化;駕駛人在接近段至入口段,心理負荷顯著增大;出口前段至出口后段,心理負荷顯著減?。辉谒淼纼炔?,心理負荷變化較小。造成這一現(xiàn)象的原因主要是隧道出入口行車環(huán)境的突變。因此,在隧道安全設計時,應考慮駕駛人心理負荷的變化規(guī)律。

        4 結論

        本文通過選取駕駛人心理負荷表征指標,建立因子分析模型以量化駕駛人心理負荷,并得到如下結論:

        (1)在進出隧道過程中,駕駛人心率變異性、瞳孔面積變化率、注視時間均存在顯著變化,即隧道環(huán)境變化會對駕駛人生理特性產生顯著影響。

        (2)心理負荷可由視覺負荷和生理負荷兩方面解釋量化。兩個公因子的累計方差貢獻率為83.165%,且視覺負荷的方差貢獻率大于生理負荷方差貢獻率(兩者分別為42.689%和40.476%)。

        (3)駕駛人在進出隧道前后心理負荷具有顯著差異,即駛入隧道過程中心理負荷顯著增大,駛出隧道過程中心理負荷顯著減小。

        本研究可為隧道行車安全提供一定的理論依據(jù),對城市隧道內外限速、交通標志設置等具有一定的參考價值,后續(xù)還可應用于駕駛人心理負荷智能監(jiān)控和主動預警方面。當駕駛員心理負荷分數(shù)較高時,可通過主動預警,對駕駛員予以安全提示,使駕駛員可通過降低車速或調整安全車距等方法降低心理負荷。受實驗條件的限制,本文選取的心理負荷表征指標較少,后續(xù)可綜合考慮心率、呼吸等生理指標和眨眼特性、掃視特性等眼動指標,以增強實驗結果的科學性。

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