劉寶河， 彭志彪， 王俊俊， 伍毅平， 鞏 建

(1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.北京工業(yè)大學 北京市交通工程重點實驗室， 北京 100124；3.包頭交通投資集團有限公司， 包頭 014020；4.中公高科養(yǎng)護科技股份有限公司， 北京 100095)

駕駛疲勞是造成交通事故的主要原因之一. 在中國，由駕駛疲勞引發(fā)的交通事故占高速公路交通事故總數(shù)的9.1%[1]. 美國汽車協(xié)會的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，約41%的司機在駕駛過程中經(jīng)歷了不同程度的駕駛疲勞[2]. 在駕駛疲勞狀態(tài)下，駕駛?cè)俗⒁饬Ψ稚?，反?yīng)遲鈍，無法及時有效地控制車輛從而避免即將發(fā)生的交通事故. 因此，相比于其他交通事故造成的人員傷亡和車輛損害更大[3].

當前為應(yīng)對由駕駛疲勞引起的道路交通事故而采取的對策主要分為3類：與駕駛?cè)讼嚓P(guān)、與車輛相關(guān)、與道路相關(guān). 與駕駛?cè)讼嚓P(guān)的對策包括對駕駛?cè)诉M行合理教育，告知駕駛?cè)似诎l(fā)生征兆及疲勞駕駛的潛在危害，并通過相關(guān)法律法規(guī)約束連續(xù)駕駛時間[4]. 車載駕駛疲勞預警設(shè)備是應(yīng)對駕駛疲勞的主要方式之一，隨著檢測設(shè)備和車路協(xié)同技術(shù)快速發(fā)展，這種技術(shù)變得更加成熟可行. 通過實時監(jiān)測駕駛?cè)嘶蜍囕v狀態(tài)，當疲勞狀態(tài)達到設(shè)定閾值時，預警設(shè)備對駕駛?cè)诉M行預警[5]. 與道路相關(guān)的對策除了控制道路線形之外，應(yīng)用最廣泛的為在路側(cè)或道路中心線設(shè)置震動帶，通過車輛振動和噪音警示駕駛?cè)耍祟愒O(shè)施不能對駕駛?cè)颂峁┳銐虻囊曈X刺激[6].

研究表明，駕駛?cè)?0%的外部信息主要依靠視覺獲取[7]. 在車輛行駛過程中，駕駛?cè)艘曇吧疃群蛯挾炔粩嘧兓?，駕駛?cè)烁鶕?jù)視野內(nèi)容操縱車輛. 是否有道路標線和路側(cè)護欄，以及路肩寬度和單調(diào)的路側(cè)景觀對駕駛疲勞有顯著影響[8]. 因此，駕駛?cè)艘曇皟?nèi)道路、交通和環(huán)境形成的外部視覺刺激是影響駕駛疲勞的主要因素之一.

草原公路具有道路線形單一、交通量少、環(huán)境單調(diào)的特點. 駕駛?cè)嗽诓菰沸熊囘^程中，駕駛操作少，視覺刺激少，精神負荷低，注意力分散，警惕性降低，導致駕駛疲勞頻發(fā). 因此，從視覺角度對駕駛?cè)诉M行刺激，有望緩解在草原公路單調(diào)環(huán)境中長時程駕駛所引發(fā)的疲勞. 本研究以視覺刺激為基礎(chǔ)，結(jié)合工程應(yīng)用實際，提出了3種新型防疲勞設(shè)施，即彩色防滑道面與路肩黃色導流線、主動發(fā)光標志和彩色防眩板. 為驗證這3種防疲勞設(shè)施能否有效緩解草原公路駕駛疲勞，進行了駕駛模擬實驗，獲取了駕駛行為數(shù)據(jù)和主觀評價數(shù)據(jù). 通過綜合評價，探討了3種防疲勞設(shè)施的有效性.

1 實驗設(shè)計

1.1 被試人員選取

共招募25名北京地區(qū)駕駛?cè)藚⒓訉嶒灒渲?，男?4名，女性11名. 被試年齡在20～53歲(平均年齡(M)32歲，標準差(SD)為11歲). 被試駕齡至少1 a(M=9 a，SD=8 a). 所有被試無睡眠相關(guān)障礙，且在參加實驗前1周內(nèi)均未服用任何藥物. 實驗前24 h內(nèi)不允許飲酒、喝咖啡或茶.

1.2 實驗設(shè)備

本研究采用北京工業(yè)大學駕駛模擬器開展實驗，如圖1所示. 駕駛模擬器由一輛經(jīng)過改造的真實車輛、計算機和視聽設(shè)備等組成，可為駕駛?cè)颂峁┮曈X、聽覺和觸覺等感官效應(yīng). 模擬器設(shè)置為以30 Hz/s的頻率記錄車輛運行數(shù)據(jù).

圖1 駕駛模擬器

1.3 實驗場景

駕駛模擬實驗道路基本路段為具有典型草原公路特點的雙向四車道一級公路，如圖2所示. 道路設(shè)計速度為100 km/h，由長直線和大半徑反向圓曲線組成，如圖3 所示. 各部分長直線和反向圓曲線設(shè)計指標相同. 研究表明，在單調(diào)環(huán)境中連續(xù)行駛30 min即出現(xiàn)駕駛疲勞狀態(tài). 因此，在駕駛模擬實驗中應(yīng)保證駕駛?cè)嗽谶M入防疲勞設(shè)施前至少駕駛30 min.

圖2 駕駛模擬草原公路環(huán)境

圖3 道路線形

實驗路段分為2部分：第1部分全長49.6 km，(若全程速度為100 km/h)，預計行駛時間為30 min. 滿足進入疲勞狀態(tài)的時間要求. 在第1部分路段場景中除添加草原及隨機出現(xiàn)的遠山、牛羊和具有草原特色的建筑物等營造草原公路氛圍外，沒有任何防疲勞設(shè)施，駕駛?cè)嗽诖瞬糠诌M入駕駛疲勞狀態(tài)；第2部分總長7 km，并根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置了防疲勞設(shè)施，每個場景只設(shè)置一種防疲勞設(shè)施. 根據(jù)工程實際應(yīng)用情況(國道210)，設(shè)計了3種防疲勞設(shè)施，分別為彩色道面與路肩黃色導流線(如圖4(a)所示，設(shè)施長120 m，每間隔2.2 km設(shè)置1個，7 km長度內(nèi)共設(shè)置3處)、主動發(fā)光標志(如圖4(b)所示，每間隔2.2 km設(shè)置1個，7 km長度內(nèi)共設(shè)置3處)和彩色防眩板(圖4(c)所示，共有金屬基色、天空藍、薄荷綠3種顏色，如每2.2 km變換一種顏色，7 km長度內(nèi)共3段不同顏色防眩板). 場景1設(shè)置彩色防滑道面與路肩黃色導流線；場景2設(shè)置主動發(fā)光標志；場景3設(shè)置彩色防眩板；場景4為空白對照組，未設(shè)置防疲勞設(shè)施.

圖4 防疲勞設(shè)施

1.4 實驗流程

實驗由4部分組成：駕駛前問卷、預實驗、主實驗和駕駛后問卷.

在客觀實驗前，被試者完成關(guān)于基本信息、健康狀況、心理現(xiàn)狀的主觀問卷.

預實驗為5 min，用于被試者熟悉駕駛模擬器的操作、實驗過程和場景. 主實驗流程與預實驗一致.

在主實驗中被試者按照自己的駕駛習慣在模擬場景中駕駛車輛，只能在右側(cè)車道行駛. 禁止超車和超速行駛.

主實驗結(jié)束后，每個被試者填寫一份駕駛后問卷，對當前場景中防疲勞設(shè)施效果進行主觀評分.

為保證在每次實驗開始時被試者疲勞狀態(tài)沒有差異，在完成一個場景的實驗后需要休息至少10 min.

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 數(shù)據(jù)提取

為驗證3種防疲勞設(shè)施的有效性，本文對被試者經(jīng)過防疲勞設(shè)施時的數(shù)據(jù)進行分析，提取數(shù)據(jù)長度為設(shè)施長度與設(shè)施可視距離之和. 彩色防滑道面與路肩黃色導流線設(shè)施長度為120 m，可視距離為130 m. 主動發(fā)光標志設(shè)施長度記為0 m，可視距離為260 m. 彩色防眩板在顏色變化處發(fā)揮作用，顏色變化處的可視距離為250 m. 3種設(shè)施在場景中坐標位置相同，為保證數(shù)據(jù)長度一致，3種設(shè)施在每個設(shè)置位置的數(shù)據(jù)提取長度均為250 m. 空白組在相同位置提取與設(shè)施組相同長度的數(shù)據(jù).

2.2 分析方法

首先，通過配對樣本T檢驗及單因素重復測量方差分析，駕駛?cè)似跔顟B(tài)的變化情況. 其次，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法確定有效指標，通過主成分分析確定綜合有效特征指標. 然后，通過基于熵權(quán)的綜合評價模型(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)完成對3種設(shè)施防疲勞效果的綜合評價，并與空白組進行比較，確定3種設(shè)施的有效性，及最優(yōu)防疲勞設(shè)施. 最后，對主觀問卷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，驗證綜合分析結(jié)果.

3 研究結(jié)果

3.1 駕駛疲勞狀態(tài)分析

計算25名被試在實驗開始后1 min與進入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積，結(jié)果如圖5所示. 與實驗初期相比，進入設(shè)施之前的橫向偏移線下面積均增大. 對4個場景中實驗開始后1 min與進入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積分別做配對樣本T檢驗，p值均小于0.05，實驗初期和進入設(shè)施之前的橫向偏移線下面積具有顯著性差異，即在進入設(shè)施之前被試者進入了駕駛疲勞狀態(tài). 對4個場景間實驗開始后1 min的橫向偏移線下面積做重復測量方差分析，結(jié)果滿足球形檢驗，F(xiàn)(3，66)=0.948，P=0.423>0.05，說明在4個場景間實驗開始時被試者疲勞狀態(tài)沒有顯著性差異. 對4個場景間進入設(shè)施之前1 min的橫向偏移線下面積做重復測量方差分析，結(jié)果滿足球形檢驗，F(xiàn)(3，66)=0.268，P=0.848>0.05，說明在4個場景間被試者進入設(shè)施之前的疲勞狀態(tài)沒有顯著性差異.

圖5 橫向偏移線下面積

3.2 確定特征指標

基于駕駛行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建了速度(velocity，V)、加速度(acceleration，A)、橫向偏移(lateral position，LP)、方向盤轉(zhuǎn)角(steering wheel angle，SWA)和油門踏板功率(power of accelerator pedal，PAP) 5個指標群. 進而利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法確定有效特征指標. 規(guī)定特征指標與駕駛時間的相關(guān)系數(shù)大于0.5且P值小于0.05時，指標是有效的. 有效特征指標如表1所示.

表1 有效特征指標

如表1所示，有13個與駕駛疲勞相關(guān)的指標.根據(jù)主成分分析方法，分別構(gòu)建V、A、LP和PAP指標群的綜合有效特征指標.綜合指標表達式如式(1)～式(4)所示，采用綜合有效特征指標V、A、LP、PAP作為駕駛疲勞特征指標.

V=0.509X11+0.509X12

(1)

A=0.338X21+0.342X22+0.336X23

(2)

LP=0.173X31+0.172X32+0.184X33+0.198X34+0.188X35+0.192X36

(3)

PAP=0.551X41+0.551X42

(4)

3.3 設(shè)施有效性綜合評價

TOPSIS是在有限方案多目標決策分析中常用的一種科學方法，通過計算評價對象與最優(yōu)目標之間的歐氏距離對評價對象進行相對優(yōu)劣評價，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于交通相關(guān)研究[10]. 因此本研究采用TOPSIS方法，對設(shè)施防疲勞有效性進行綜合評價.

1)統(tǒng)一因變量隨自變量變化趨勢. 本文中4項指標均為隨疲勞程度增加而增大，4項指標在4個場景中3個設(shè)施段的均值如表2所示.

表2 指標均值

2)利用式(5)對各指標進行歸一化，結(jié)果如表3所示.

表3 歸一化數(shù)值

(5)

式中：aij為歸一化數(shù)值；xij為原始數(shù)值.

3)利用熵權(quán)法(式(6)～式(9))計算得到4個特征指標的權(quán)重分別為0.27，031，0.19和0.22.

(6)

式中：Yij為xij的標準化數(shù)值； min(xj)為第j個指標的最小值； max(xj)為第j個指標的最大值.

(7)

式中：pij為第j個指標下第i個水平指標值的比重.

(8)

若

pij=0

則定義

式中：Ej為第j項指標的熵.

(9)

式中：Wj為第j項指標的權(quán)重.

4)根據(jù)式(10)計算加權(quán)矩陣，并得到最優(yōu)方案Z+=(0.13，0.15，0.07，0.04)和最差方案Z-=(0.14，0.17，0.10，0.14)

Zij=Aij×Wj

(10)

式中：Zij為加權(quán)矩陣;Aij為歸一化矩陣.

(11)

(12)

6)根據(jù)式(13)計算綜合評價值Bi，B值取值范圍為0～1，B值越接近1表示評價對象與最優(yōu)方案貼近度越高，該評價對象的綜合評價越好.結(jié)果如表4所示.

(13)

根據(jù)表1可知，3個防疲勞設(shè)施B值均大于空白組，說明3個設(shè)施均能緩解駕駛疲勞，其中彩色防滑道面與路肩黃色導流線B值最高，為0.80，緩解疲勞效果最好；主動發(fā)光標志B值最低，為0.28，緩解疲勞效果最差. 造成這一結(jié)果的原因是在駕駛過程中，駕駛?cè)藢σ曇胺秶鷥?nèi)不同區(qū)域的關(guān)注度不同，駕駛?cè)藢Φ缆分虚g區(qū)域的注視點個數(shù)占總注視點個數(shù)的80%. 因此，駕駛?cè)藢Σ噬阑烂媾c路肩黃色導流線的關(guān)注最多，同時鮮艷的色彩與路側(cè)單調(diào)景觀形成鮮明對比，對駕駛?cè)艘曈X刺激較大，從而有效緩解因環(huán)境單調(diào)引起的駕駛疲勞. 彩色防眩板中連續(xù)變化的顏色同樣對駕駛?cè)嗽斐梢曈X刺激，但駕駛?cè)藢β穫?cè)關(guān)注較少，因此，相比于彩色防滑道面與路肩黃色導流線，其疲勞緩解效果略差. 主動發(fā)光標志安裝在道路上方，主要通過警示語提醒駕駛?cè)俗⒁怦{駛疲勞，不能對駕駛?cè)诵纬梢曈X刺激，效果最差.

3.4 主觀評價分析

實驗結(jié)束后，要求被試者對3種防疲勞設(shè)施的有效性進行評分，評分范圍為1～5分，1分為完全沒有效果，5分為效果非常好. 主觀評分結(jié)果如圖6所示. 被試主觀認為3種設(shè)施對預防駕駛疲勞均有一定效果，其中彩色防滑道面與路肩黃色導流線的效果最好，其次為彩色防眩板，主動發(fā)光標志效果最差. 主觀評價結(jié)果與客觀綜合評價結(jié)果一致.

圖6 主觀評價結(jié)果

4 結(jié)束語

針對草原公路中環(huán)境單調(diào)，駕駛?cè)艘曈X刺激少，導致駕駛疲勞頻發(fā)的特點，本文提出了3種新型防疲勞設(shè)施. 基于駕駛模擬實驗，分析了3種防疲勞設(shè)施的有效性.

1)速度、加速度、橫向偏移和油門功率與駕駛疲勞具有顯著相關(guān)性，方向盤轉(zhuǎn)角與駕駛疲勞不具有顯著相關(guān)性. 橫向偏移線下面積與駕駛疲勞相關(guān)性最強，受駕駛疲勞影響最大.

2)結(jié)合綜合有效性分析和主觀評分分析，3種防疲勞設(shè)施均具有緩解草原公路駕駛疲勞的效果，彩色防滑道面與路肩黃色導流線對駕駛疲勞緩解效果最好.

本文基于駕駛模擬實驗對3種新型防疲勞設(shè)施的有效性進行了研究，設(shè)施長度、設(shè)施間隔距離等可能對設(shè)施防疲勞效果有影響，有待于進一步研究. 除此，本文僅為基于駕駛行為數(shù)據(jù)的研究，為了增強研究結(jié)果的合理性和科學性，后續(xù)研究將充分考慮防疲勞設(shè)施對駕駛?cè)诵碾姾湍X電的影響. 同時，本文為小樣本駕駛模擬實驗，其結(jié)果需要通過大樣本的現(xiàn)場測試(如借助車輛軌跡監(jiān)測數(shù)據(jù))進行驗證.