李永慶，閻瑩

(長安大學 運輸工程學院，陜西 西安 710054)

近年來，山區(qū)高速公路建設步伐日益加快，成為我國公路運輸網(wǎng)絡重要組成部分，也為我國交通運輸業(yè)發(fā)展壯大奠定了基石。其中，隧道路段的興建既克服了崇山峻嶺導致的地理阻礙，又消除了海拔起伏導致的高程障礙，能明顯減少兩地或多地之間客貨運輸距離，節(jié)約運輸時間，降低施工成本。然而，由于隧道特殊結構及由其產(chǎn)生的安全問題，使其成為扼制公路運輸咽喉的關鍵部分。隧道路段交通事故發(fā)生率往往低于普通路段，但事故后果往往較為嚴重[1]。隧道聲光環(huán)境交替變化劇烈，容易導致駕駛人操作行為發(fā)生異常，引發(fā)交通事故[2]。本文從駕駛員轉向操作技能角度引入轉向熵概念，探索山區(qū)高速公路路段運行環(huán)境對車輛操縱穩(wěn)定性和駕駛安全的影響。

1 試驗數(shù)據(jù)采集及處理

1.1 試驗路段選取

本次試驗以長隧道(1 000 m<隧道長度≤3 000 m)為隧道研究變量，因其長度適宜，可以作為研究隧道路段對駕駛人操作特性和生理影響的典型道路代表。選取包茂(包頭-茂名)高速公路西安至安康路段，秦嶺終南山隧道群中南五臺隧道(2 564 m)為研究對象。

1.2 試驗設備

駕駛員操作指標數(shù)據(jù)的收集采用無線傳輸方向盤轉角儀，采樣頻率為20 Hz，體積小、重量輕，如圖1所示。

(a)方向盤轉角儀

1.3 試驗人員招募

駕駛員來自于收費站和服務區(qū)，通過雇傭的方式招募組成。本次試驗選出5名駕駛經(jīng)驗豐富的駕駛員參與，平均年齡40.7歲，平均駕齡20.6 a，并進行1至5編號。

1.4 試驗過程

試驗前1天對駕駛員進行流程及設備要領培訓，告知安全和規(guī)范操作事宜。試驗時，工作人員先為駕駛員佩戴并調(diào)試好設備，然后要求1至5號駕駛員按照自然駕駛習慣依次駕駛，并在試驗過程中做好記錄。

1.5 數(shù)據(jù)預處理

無線信號采集設備在使用過程中難免發(fā)生基線漂移(零點漂移)現(xiàn)象，如圖2所示。因此，為了消除設備異常影響，需進行基線校正，如圖3所示。

圖2 發(fā)生基線漂移的方向盤轉角Fig.2 Steering wheel angle with baseline drift

圖3 基線校正后的方向盤轉角Fig.3 Steering wheel angle after baseline correction

另外，在駕駛過程中，難免會因為道路線形引起駕駛員較大的轉向差異。因此，為方便同時研究直線和彎道路段駕駛員橫向穩(wěn)定性保持特征，需要消除線形影響。消除規(guī)則為：如果在4 s內(nèi)駕駛員具有相同轉向時針，并且4 s內(nèi)每秒均值之和大于等于20°，即可認為其中摻雜了線形影響信息，需濾除。將每秒數(shù)據(jù)減去均值即可得到彎道時轉向保持數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 彎道轉向信息消除Fig.4 Elimination of curve turning information

2 轉向熵特征提取

為了研究駕駛員在隧道出入口順適應過度，本文將研究范圍擴大至洞外100 m，其中：入口段由入口前100 m至入口后400 m組成；出口段由出口前400 m至出口后100 m組成，其余為中間段。為方便研究，將整段隧道(含連接段)劃分成140個區(qū)間。

方向盤轉角特征表現(xiàn)了駕駛員轉向操作特性，適用于評價、判別駕駛員駕駛負荷狀態(tài)或風險狀態(tài)，常用指標包括方向盤轉向熵及方向盤轉角標準差等[3]。

本文以方向盤轉向熵為特征變量，定量描述駕駛員在時間序列上的轉角變化。熵的概念最初從物理學和化學角度進入人們的認知，熵代表的是體系的混亂程度。熵為零，代表系統(tǒng)是有規(guī)則的，是秩序的；熵無窮大，則表明系統(tǒng)是完全隨機的[4]。所以，可以用轉向熵來定量分析駕駛員橫向操縱穩(wěn)定性。因為熵在這里已經(jīng)標準化，表示程度概念，故無量綱。

以每個小區(qū)間的轉角數(shù)據(jù)作為分析對象，在已知的時間刻度上，利用前三處(θ(n-3)、θ(n-2)、θ(n-1))的方向盤轉角值，在n-1時刻，通過二階泰勒公式展開，可預測時刻n時方向盤轉角θp(n)的值[5]：

θ(n-2))-(θ(n-1)-θ(n-3))] ，

(1)

即

(2)

若在時刻n實際測得的方向盤轉角值為θ(n)，則預測的θp(n)與實際值θ(n)之間的誤差e(n)為

e(n)=θ(n)-θp(n)。

(3)

根據(jù)方向盤轉向熵理論，e(n)服從正態(tài)分布?，F(xiàn)找出置信水平α值，使之將e(n)劃分為以下9個區(qū)間：(-∞,-5α]，(-5α,-2.5α]，(-2.5α,-α]，(-α,-0.5α]，(-0.5α,0.5α)，[0.5α,α)，[α,2.5α)，[2.5α,5α)，[5α,∞)。α的值可由下面的概率公式確定：

P{-α

(4)

然后根據(jù)各區(qū)間的頻數(shù)確定轉角值在對應區(qū)間的分布概率pi，方向盤轉向熵值由式(5)確定。

(5)

計算轉向熵可得駕駛員在隧道路段駕駛時橫向穩(wěn)定性表現(xiàn)情況。對5名駕駛員在隧道路段行駛的轉向熵計算結果取均值后，可視化結果如圖5所示。從圖5中可以看出，隧道路段整體轉向熵普遍較高，各段均值在0.7以上。駕駛員轉向熵從進入隧道至中間段行駛45個區(qū)間(約900 m)部分呈波浪式上升趨勢，而后短時間內(nèi)有所下降，從距離出口30個區(qū)間(約600 m)至出隧道又呈波浪式上升趨勢，說明隧道出入口處的交通環(huán)境對駕駛員的橫向穩(wěn)定性存在一定影響。通過對比駕駛員在不同路段的轉向熵分布情況來看，中間段均值(0.728 72)要低于入口段(0.736 54)和出口段(0.754 67)均值，也說明中間段的橫向穩(wěn)定性要高于其他兩段。

圖5 隧道路段方向盤轉向熵Fig.5 Steering entropy of steering wheel in tunnel section

由此可見，駕駛員在隧道路段行車時往往傾向于頻繁微調(diào)以修正轉向，以獲得駕駛安全感，從而導致駕駛橫向穩(wěn)定性差。研究表明，隧道內(nèi)交通事故率要低于開放路段[6],所以頻繁的修正并不會真正地導致駕駛事故，比如側翻，碰撞隧道壁等，反而可能會促使駕駛員大腦皮層神經(jīng)興奮，抵抗駕駛疲勞，有利于安全駕駛。

作為對比，取隧道外2 000 m連接段長度用以研究開放路段駕駛員操縱特性，如圖6所示。開放路段視野開闊，環(huán)境照度良好，駕駛員工作環(huán)境較隧道路段優(yōu)越。但是，根據(jù)開放路段駕駛員熵值走勢情況，并未從中得出駕駛員操縱規(guī)律。雖然轉向熵仍然呈波浪式上升下降，但并不能得出如同隧道路段般駕駛員熵值分布規(guī)律。從圖6中可以看出，開放路段各區(qū)間轉向熵均值波動性較隧道路段大，且均值(0.739 75)較大，說明駕駛員在開放路段駕駛時，并沒有因舒適的駕駛環(huán)境給道路交通增加安全性。

圖6 開放路段方向盤轉向熵Fig.6 Steering entropy of steering wheel in open road section

3 熵值特征指標分析

隧道路段由于其特殊盾構物形式，導致其運行環(huán)境和開放路段有較大差異，突出特點就顯示在駕駛員受環(huán)境影響而表現(xiàn)出的駕駛規(guī)律。圖7展示了4種路段的轉向熵分布情況。

圖7 各段轉向熵分布Fig.7 Distribution of turning entropy in each section

在進入隧道前，駕駛員觀察到隧道的存在，并迅速感知危險采取措施。受“黑洞效應”影響，駕駛員在進入隧道時產(chǎn)生一定時間的視覺盲期，導致駕駛員心里緊張，視覺負荷增加[7]。從“明環(huán)境”進入“暗環(huán)境”，駕駛員經(jīng)歷了視覺震蕩的適應期，此時的轉向操縱穩(wěn)定性在開放路段的基礎上發(fā)生略微惡化，使轉向熵出現(xiàn)了增大的趨勢，增幅為0.21%。

行至中間段，隧道環(huán)境表現(xiàn)出了低照度的鮮明特點。通常晴朗天空下室外環(huán)境照度可達10萬lx，而隧道中間段照度通常最高不足500 lx，這無疑增加了駕駛員視覺負荷[8]。此時增加的駕駛負荷并沒有導致駕駛員在轉向操縱穩(wěn)定性上出現(xiàn)惡化，反而使駕駛員在轉向有序程度上呈現(xiàn)了有利變化。中間段的轉向熵均值在4個路段處于最低狀態(tài)，說明安全系數(shù)超出了其他路段。在入口段基礎上，中間段熵值明顯降低，降幅為1.62%。

中間段后期，駕駛員已經(jīng)可以遠眺隧道出口。此時的駕駛員多伴隨緊張、驚恐、逃逸心理，期望迅速駛出隧道[9]。此時的駕駛行為屬于“逆照度”駕駛，必然產(chǎn)生“眩光”現(xiàn)象，導致交通參與物不能清晰地在視網(wǎng)膜成像。在較大的心理負荷和惡劣的運行環(huán)境耦合作用下，駕駛員轉向操縱有了新的惡化，并且操縱無序程度處于四段中的最高狀態(tài)，較其他路段危險系數(shù)更高。熵值增幅在中間段基礎上相當明顯，增幅為3.55%。

出隧道后，駕駛員心理、視覺負荷下降，駕駛員轉向操縱有序程度應當高于其他路段，但實際情況是較隧道中間段表現(xiàn)出惡化現(xiàn)象。開放路段駕駛員視野更加開闊，除去了隧道路段 “墻壁效應”的影響，以及“實線不可變道”的法規(guī)限制，于是在駕駛行為上較隧道路段更加“自由”。因此，開放路段駕駛員轉向操縱穩(wěn)定性并沒有得到顯著提升，反而無跡可尋。

圖8橫向?qū)Ρ攘?種路段熵值概率分布，發(fā)現(xiàn)隧道路段(含前后開放路段)駕駛員轉向熵總體大概率分布在0.67～0.77,說明隧道路段行車駕駛員橫向操縱無序性高、穩(wěn)定性差、危險性高。另外，開放路段駕駛員轉向熵出現(xiàn)了明顯的雙峰現(xiàn)象，這是隧道其他路段不曾有的，說明開放路段行車時，駕駛員橫向操縱行為有“兩極分化”的趨勢，再一次印證了開放路段橫向操縱穩(wěn)定性差、危險系數(shù)高的結論。

圖8 各段熵值概率密度分布Fig.8 Entropy probability density distribution of each section

4種不同場景下駕駛員轉向熵對比及變化見表1。在上述均值比較中，出口段均值表現(xiàn)出熵值大、穩(wěn)定性差的現(xiàn)象。但是，綜合考慮轉向熵標準差、變異系數(shù)、極差結果來看，開放路段的綜合不穩(wěn)定特征更加明顯。所以，設計者在進行開放路段安全合理性設計時，更不容易把握運行環(huán)境對駕駛員客觀作用規(guī)律，容易造成設計出現(xiàn)缺陷等問題。而隧道運行環(huán)境對駕駛員的作用表現(xiàn)出了顯著客觀規(guī)律，有利于隧道設計者把握橫向操縱規(guī)律，進行合理的安全設計。

表1 不同場景下熵值特征指標對比Tab.1 Comparison of entropy characteristic indexes under different scenarios

圖9展示了4種路段的轉向熵核密度圖。顯然，入口段和出口段更接近正態(tài)分布，再一次說明了隧道行車規(guī)律性更加可控，而中間段和開放路段出現(xiàn)了“分化”的趨勢或已經(jīng)出現(xiàn)了“分化”。對比4種路段累積分布函數(shù)圖(如圖10所示)發(fā)現(xiàn)，4種路段轉向熵80%分位數(shù)均落在了0.8的后面，而60%分位數(shù)依舊高于0.75。因此，可以斷定隧道路段行車時具有高轉向熵的特點。

(a)入口段

4 結論

1)在心理與隧道環(huán)境耦合因素影響下，駕駛員轉向操縱行為表現(xiàn)出了特定作用規(guī)律。其中，入口段整段至中間段600 m處，駕駛員轉向熵呈波浪式上升趨勢；中間段后半程呈波浪式下降趨勢，且速度較快；出口段總體呈上升趨勢，且熵值在隧道段達到峰值。

(a)入口段 (b)中間段

2)開放路段并沒有因為駕駛員較低的運行環(huán)境干擾壓力和心理負荷而表現(xiàn)出較低的轉向熵和穩(wěn)定的變化規(guī)律，相反卻因為駕駛壓力的減小而表現(xiàn)出更復雜的操縱特性，意味著開放路段的駕駛員橫向操縱行為危險性并沒有比隧道路段低。

3)通過對比隧道和開放路段駕駛員轉向操縱特性，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)駕駛員受環(huán)境作用規(guī)律性明顯強于開放路段。表明隧道設計人員可以將此規(guī)律應用于設計理念，保障隧道安全運行；而開放路段表現(xiàn)出的復雜特性要求公路開放路段設計者加強客觀合理性設計。