歐陽有鵬，曹禮榮，王思維，李睿涵，支 梅，楊 杰

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

加速車道是為來自低速車道的車輛過渡到高速車道而專門設(shè)置的附加車道，其建設(shè)可有效改善交通狀況，減少干擾，增加容量，提高安全性[1-2]。但在車輛并線過程中，駕駛員視覺空間變化頻繁，很容易產(chǎn)生心理壓力，使其駕駛舒適性降低，從而導(dǎo)致交通阻塞和交通事故的發(fā)生，高速公路加速車道尤其如此。針對此問題需對駕駛員的生理適應(yīng)性做出針對性分析，從而確保在加速車道設(shè)置上，不會因為引起駕駛員生理或心理上的不適而產(chǎn)生潛在風(fēng)險。

駕駛員舒適性受多種因素影響，例如道路景觀、路面和線性特性等外在環(huán)境將直接作用于駕駛員的直觀感受，而駕駛員性別、年齡、性格、駕駛技能等個人特征則會影響駕駛員對舒適性的認(rèn)知[3-5]。早期關(guān)于駕駛員感知的研究大多基于駕駛員的主觀感受[6]。MYERS等基于社會認(rèn)知理論，針對老年駕駛員開發(fā)了白天和夜間的駕駛舒適性量表[7]。李磊等通過發(fā)放和分析問卷，基于TPB理論構(gòu)建了疲勞對駕駛行為的研究模型[8]。駕駛員主觀感受變化必然引起生理指標(biāo)的波動，二者聯(lián)系緊密[9]。越來越多的學(xué)者選擇通過對駕駛員生理數(shù)據(jù)的收集，實現(xiàn)對駕駛舒適性的研究。

目前，駕駛舒適性研究多從人體工學(xué)角度出發(fā)，通過設(shè)計并改善駕駛員操作設(shè)備[10]，從而達(dá)到提升駕駛舒適性的目的。但現(xiàn)有研究大多在駕駛模擬器中進(jìn)行，真實環(huán)境下高速公路服務(wù)區(qū)加速車道的駕駛員狀態(tài)尚待驗證，駕駛員在與外在環(huán)境交互過程中，駕駛員舒適性的變化也缺乏研究。通過開展實車實驗，分析駕駛員視點分布特征與心率之間的聯(lián)系，建立多遠(yuǎn)線性回歸模型，以心率增長率作為表征駕駛舒適性的生理指標(biāo)，緊張度作為中間變量，提出了駕駛舒適性等級劃分的閾值，為高速公路服務(wù)區(qū)加速車道長度設(shè)計提供一定參考。

1 理論基礎(chǔ)

相關(guān)研究已證明，不同駕駛場景下的駕駛員生理指標(biāo)差異明顯，通過生理指標(biāo)的合理選取可準(zhǔn)確反映駕駛員行駛時心理狀態(tài)的變化[11-13]。FENG等為研究駕駛員在城市地下通道縱向段的生理和行為特征，選取心率增長率作為反映駕駛員心理變化的參數(shù)，建立了心率、速度和坡度之間的關(guān)系模型，結(jié)果表明，隧道中下坡行駛時心率增長率波動顯著大于上坡，反映駕駛員在下坡時間心理緊張程度更高[14]。AHO等利用駕駛模擬器，通過對駕駛員EEG/ECG/EOG和fNIRS數(shù)據(jù)的分析，提出了駕駛狀態(tài)的評價方法[15]。SHINAR等對34名來自不同年齡段正常和患有睡眠障礙的志愿者進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)隨著疲勞的誘發(fā)，心率呈下降趨勢[16]。PENG等對從真實駕駛環(huán)境中采集的駕駛員心電圖、皮膚電反應(yīng)、呼吸等生理信號，從時間、光譜和小波域中廣泛提取特征，發(fā)現(xiàn)不同程度的駕駛壓力可以通過一組特定的生理指標(biāo)來表征[17]。梁波等通過實車實驗，利用單因素方差分析和模糊綜合分析法來探究特長隧道出入口對駕駛員生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表明瞳孔面積、心率和呼吸頻率在特長隧道不同區(qū)段均有顯著性差異，入口內(nèi)的整體生理負(fù)荷最大[18]。楊運興等對眼動儀和生理記錄儀收集的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)郁閉空間給駕駛員帶來較大的心理負(fù)荷[19]。

加速車道作為評價道路安全與運行狀況的一個重要方面，部分學(xué)者已從幾何參數(shù)、匝道速度、車流量等方面對其長度以及附近區(qū)域的影響程度開展過相關(guān)研究，并提出最小長度建議值[20-22]，但關(guān)于其對駕駛員舒適性影響的研究較為缺乏。以上研究表明，可靠的生理指標(biāo)能夠直觀反映出駕駛員真實的生理和心理狀態(tài)，這為定量分析駕駛員舒適性奠定了一定研究基礎(chǔ)。

2 實驗方案

2.1 實驗原理

加速車道不僅可為匝道車輛提供一個可加速場所，也提供了一個選擇與主線車輛合流的觀察地段?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)規(guī)定：中國的加速車道原則上采用平行式，當(dāng)加速車道為雙車道時采用直接式。根據(jù)實驗路段情況，主要研究平行式加速車道。一般可將其分為3個階段：加速段、等待段和漸變段，如圖1所示。

圖1 加速車道示意Fig.1 Sketch of acceleration lane

根據(jù)研究目標(biāo)和指標(biāo)代表性，選擇注視時間百分比、平均注視時間、掃視幅度、眨眼率等眼動指標(biāo)和心率作為駕駛員生理指標(biāo)[23-24]。以眼動指標(biāo)考查人獲取外界信息是近年來心理學(xué)研究的重要領(lǐng)域。在需注意力集中的駕駛情況下，駕駛員表現(xiàn)出舒適程度下降，同時出現(xiàn)緊張、焦慮情緒。

心率增長率可表征駕駛員在行車過程中的緊張程度以及心率變化幅度。由于心率為連續(xù)變化的量，為簡化研究過程。實驗過程中，從車輛進(jìn)入加速車道開始，每30 s記錄一次心率，至駛出加速車道結(jié)束，取其平均值作為駕駛員在加速車道內(nèi)行駛時的心率。其計算公式為

(1)

式中N為行車時心率增長率，%；n1為行車時平均心率，次/min；n2為靜態(tài)時平均心率，次/min。

2.2 參與者

根據(jù)試驗要求，選擇20名年齡為25～40歲并持有小型車駕駛執(zhí)照的駕駛員參與實驗，駕齡在3～5 a，所有參與者視力均正?；虺C正后正常。并確保試驗參與者對試驗服務(wù)區(qū)不熟悉，避免由于參與者對服務(wù)區(qū)位置太熟悉而影響到行駛過程中眼動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 實驗設(shè)備

實驗車輛(雪佛蘭SUV)2臺。心率監(jiān)測設(shè)備和ETG2w型無線眼動追蹤眼鏡系統(tǒng)各一部。Eye Tracking Glasses眼鏡式便攜型眼動追蹤系統(tǒng)設(shè)計成可以實現(xiàn)雙眼采集的高度集成化眼鏡式樣，外觀自然，佩戴舒適。

2.4 實驗流程

實驗地點為包茂高速陜西段的JBN，ASH和YHG服務(wù)區(qū)。時間為夏季7月份，北京時間的13∶00～16∶00。測試范圍從車輛進(jìn)入服務(wù)區(qū)加速車道開始到并線結(jié)束。經(jīng)測量，JBN，ASH以及YHG服務(wù)區(qū)加速車道長度分別約為80，180，330 m。借鑒日本《高速公路設(shè)計要領(lǐng)》規(guī)定服務(wù)區(qū)匝道的設(shè)計速度，原則上采用40 km/h。因此，實驗控制駕駛員在駛出服務(wù)區(qū)出口匝道時，速度不大于40 km/h。中國《道路交通安全法實施條例》規(guī)定，同方向雙車道，行車道時速為60～100 km/h，超車道時速為100～120 km/h。具體實驗流程如下

1)將長度分別約為80，180，330 m的JBN，ASH和YHG的服務(wù)區(qū)加速車道定義為較短、中等及較長3種長度加速車道。

2)駕駛員在知曉實驗流程及目的情況下填寫實驗知情書。

3)駕駛員在服務(wù)區(qū)內(nèi)佩戴心率監(jiān)測設(shè)備，調(diào)試并校準(zhǔn)眼動儀?？紤]到交通流對實驗數(shù)據(jù)的影響，設(shè)置另一臺車輛為輔助車輛，在實驗車輛前方約50 m處，兩輛車在指示下同時啟動行駛。此舉是模擬日常駛出高速公路服務(wù)區(qū)匝道的行駛情況。

4)20名駕駛員在遵守交通規(guī)則的前提下依次駛過JBN，ASH以及YHG服務(wù)區(qū)。

5)為保證實驗過程中數(shù)據(jù)不中斷，車上輔助人員可以準(zhǔn)確記錄車輛進(jìn)入加速車道開始到并線結(jié)束。駕駛員連續(xù)行駛4個服務(wù)區(qū)，并在每個服務(wù)區(qū)休息，調(diào)整狀態(tài)。為保證駕駛員安全和實驗數(shù)據(jù)真實性，駕駛員被要求按自己的駕駛習(xí)慣駕駛。

6)實驗結(jié)束，收集、整理數(shù)據(jù)。

3 建立模型

3.1 數(shù)據(jù)整理

眼動指標(biāo)與心率是衡量駕駛員在不同長度高速公路服務(wù)區(qū)加速車道駕駛過程的重要參數(shù)，根據(jù)實驗條件及測試指標(biāo)有效性，確定以實驗中的注視時間百分比、平均注視時間、掃視幅度、眨眼率、瞳孔尺寸和心率增長率作為不同加速車道長度下的測試參數(shù)。分別采集被試在不同長度加速車道下的眼動指標(biāo)。數(shù)據(jù)差異對比如圖2所示，各眼動指標(biāo)與心率增長率相關(guān)性分析見表1。

圖2 眼動數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of eye movement data

表1 相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis

從圖2可以看出，平均注視時間，瞳孔尺寸，心率增長率隨著加速車道變長而呈逐漸下降趨勢，說明駕駛員在更短的加速車道，駕駛員觀看后視鏡區(qū)域次數(shù)更頻繁。掃視幅度隨著加速車道變長而呈逐漸上升趨勢，說明駕駛員在更長的加速車道，視野更廣，有精力或時間觀察道路周邊環(huán)境。而注視時間百分比和眨眼率隨著加速車道變長無明顯變化，說明加速車道長短對注視時間百分比和眨眼率無較大影響。

從表1可知，平均注視時間，瞳孔尺寸，掃視幅度3個變量均與心率增長率呈較強相關(guān)，相關(guān)系數(shù)|r|>0.8,ρ<0.01，注視時間百分比和眨眼率與心率增長率未達(dá)到顯著性差異，因此，選擇平均注視時間，瞳孔尺寸，掃視幅度作為模型輸入變量。

3.2 多元線性回歸模型建立

多元線性回歸方程可描述因變量和多個自變量之間的線性關(guān)系，公式為

y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn+ε

(2)

式中y為被試心率增長率；b0為回歸常數(shù);b1…bn為回歸參數(shù)；ε為隨機誤差。

根據(jù)SPSS 25.0軟件對實測數(shù)據(jù)的回歸分析，可得到以下心率增長率公式

y=19.684+0.006x1-0.595x2+3.159x3

(3)

表2中R的取值為0.967，R2為0.935，調(diào)整后R2為0.932，說明所建立的多元線性回歸模型擬合效果較好。表3中的F值為269.753>F0.05，且Sig.<0.05，可知建立的回歸方程高度顯著。從表4可知，自變量容差均大于0.1，方差膨脹因子(VIF)均小于10，證明平均注視時間、掃視幅度、瞳孔尺寸與心率增長率之間不存在共線性問題。

表2 模型摘要Table 2 Model summary

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

表4 回歸系數(shù)及顯著性檢驗Table 4 Regression coefficient and significance test

4 駕駛員舒適性分析

駕駛緊張度是指行駛過程中因心理緊張引起的駕駛員生理指標(biāo)變化[25]。與駕駛安全密切相關(guān)，不宜過高也不能過低，過高容易引起操作失誤，過低會導(dǎo)致駕駛員麻痹大意，對危險判斷不到位[26-27]。心率增長率可用來表征駕駛員緊張度[28]，從而可實現(xiàn)對駕駛舒適性的表征，即緊張度越高舒適性越低，反之則舒適性越高。利用式(3)可得出不同長度加速車道與心率增長率之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同長度加速車道與心率增長率的關(guān)系Fig.3 Relationship between acceleration lanes of different lengths and heart rate growth

從圖3可以看出，加速車道的長度與駕駛員緊張度聯(lián)系緊密，擬合后直線斜率分別為0.485，0.431，0.262，表明隨著加速車道長度的降低，駕駛員心率增長率逐漸增加，緊張程度依次遞增。利用SPSS 25.0軟件對不同長度加速車道線性回歸后的心率增長率進(jìn)行多元正態(tài)分布檢驗，見表5。

表5 加速車道心率增長率正態(tài)性檢驗Table 5 Normality test of heart rate growth rate in acceleration lane

由正態(tài)檢驗結(jié)果可知，不同長度加速車道生理指標(biāo)顯著性都大于0.05，表明各項數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)檢驗。依據(jù)CAFISO研究成果，將滿足正態(tài)分布的第50和第85分位值作為劃分加速車道上駕駛員舒適性的閾值[29]。依據(jù)心率增長率劃分駕駛舒適性等級，見表6。

表6 駕駛舒適性等級Table 6 Driving comfort levels

從圖3和表6可以看出，加速車道長度與駕駛舒適性聯(lián)系緊密，并呈負(fù)向影響。駕駛員在通過加速車道時，由于并線距離增加，駕駛員能夠更加從容的處理行駛過程中周邊環(huán)境傳遞的信息，從而采取比較合理駕駛行為，有利于減少由于誤操作引起的交通事故。

5 結(jié) 論

1)不同長度加速車道情境下，駕駛員眼動指標(biāo)與心率增長率之間影響差異明顯。通過對實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)平均注視時間、瞳孔尺寸、掃視幅度、瞳孔尺寸與心率增長率均出現(xiàn)顯著性差異，注視時間百分比、眨眼率與心率增長率則未達(dá)到顯著性差異。然而這只是在對80，180和330 m這3種長度加速車道測量的結(jié)果，其他長度情況下眼動指標(biāo)與心率增長率之間的關(guān)系還有待后續(xù)驗證。

2)劃分了駕駛舒適性的級別，并提出對應(yīng)閾值。利用所構(gòu)建的多元線性回歸模型，可得出不同長度加速車道與心率增長率之間的關(guān)系，并通過對加速車道心率增長率正態(tài)性檢驗，取其第50和第85分位值，即32.120和37.900，將駕駛舒適性劃分為不舒適、一般和舒適3個等級。

3)加速車道長度對駕駛舒適性有負(fù)向影響。駕駛員在較短加速車道行駛，由于需在短時間內(nèi)完成匯流過程，無暇顧及周邊環(huán)境。多數(shù)駕駛員表現(xiàn)為緊張，少數(shù)表現(xiàn)為恐懼。隨著加速車道長度增加，大部分駕駛員緊張程度明顯下降，但依舊保持在一定水平上，此時反而有利于行車安全。