朱敏清，李昕曄，崔洪軍，王玉帛

（1.河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

0 引言

高速公路橋隧群路段結(jié)合了隧道、橋梁和道路3種不同的構(gòu)造物形式，橋隧群路段具有縮短出行時間、降低工程成本、發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)和良好經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點。但橋隧群路段交通環(huán)境復(fù)雜多變，因此同樣也是發(fā)生交通事故的主要空間分布點。駕駛員在復(fù)雜的橋隧群環(huán)境中，將同時經(jīng)歷光環(huán)境交替循環(huán)突變、視覺明暗適應(yīng)快速轉(zhuǎn)換等過程，容易引起駕駛?cè)说囊曈X障礙，從而嚴(yán)重影響駕駛?cè)藢Νh(huán)境信息的正確判斷和快速反應(yīng)，導(dǎo)致駕駛行為不當(dāng)，交通事故頻發(fā)[1]。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，駕駛?cè)笋{駛行為決策失誤導(dǎo)致事故發(fā)生占事故總數(shù)的93%左右[2]。因此，有必要從駕駛?cè)说慕嵌热胧?，研究橋隧群環(huán)境對駕駛?cè)笋{駛行為和生理參數(shù)反應(yīng)時間的影響，探索駕駛行為改變的內(nèi)在機(jī)理。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對高速公路橋隧群路段對駕駛?cè)笋{駛行為和生理參數(shù)的影響做了一系列的研究，對駕駛行為影響方面Meng[3]通過采集駕駛?cè)朔较虮P轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，進(jìn)而量化了橋隧連接段橫向間隙與駕駛?cè)朔较虮P轉(zhuǎn)角的關(guān)系。Domenichini L等[4]研究了單體隧道環(huán)境光照強(qiáng)度對駕駛?cè)怂俣燃败嚨榔屏康挠绊?。對駕駛?cè)松碛绊懛矫?，Healry等[5]通過采集自然駕駛中駕駛?cè)诵穆屎秃粑实葏?shù)，得出心率指標(biāo)和注視持續(xù)時間與駕駛?cè)诵睦韷毫Τ收嚓P(guān)。郝瑞娜[6]通過測量駕駛員心率變化率，分析單體隧道環(huán)境特性、道路特性和交通特性對駕駛?cè)诵穆首兓挠绊?。崔洪軍等[7]通過采集駕駛員的瞳孔面積變化率，得到了單體長隧道入口滿足行車舒適性的合理照明動態(tài)閾值區(qū)間。

駕駛?cè)朔磻?yīng)時間與事故發(fā)生概率呈正相關(guān)[8]，因此駕駛?cè)说姆磻?yīng)時間也成為交通安全研究的熱點。王亞楠[9]通過采用隧道駕駛?cè)俗R別障礙物的反應(yīng)時間，確定了隧道光照強(qiáng)度對駕駛?cè)朔磻?yīng)時間的影響。Wang等[10]研究了沖突緊迫度對駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間的影響。張玉婷[11]通過采集緊急狀況下駕駛員制動速度及制動反應(yīng)時間，建立了制動速度和反映時間的混合效應(yīng)模型。然而目前國內(nèi)外對高速公路橋隧連接段、單體隧道、隧道群的安全研究比較多，將三者作為相互影響的整體綜合考慮的研究工作還不夠[12]，且數(shù)據(jù)采集比較單一，僅從駕駛員的駕駛行為、生理參數(shù)或反應(yīng)時間等單方面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，未能綜合考慮反映駕駛?cè)藰蛩砺范务{駛行為改變的本質(zhì)。

本文設(shè)計橋隧群實車實驗，通過對比橋隧群段與普通高速公路段駕駛?cè)笋{駛行為參數(shù)和生理參數(shù)的差異性，為高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）補(bǔ)充橋隧群道路環(huán)境下駕駛?cè)笋{駛行為和生理參數(shù)。同時通過分析橋隧群隧道內(nèi)和橋隧連接段對駕駛?cè)朔磻?yīng)時間的影響，印證在橋隧群環(huán)境下駕駛?cè)藛T的駕駛行為變化，為提升高速公路橋隧群的安全性提供了理論和實踐支撐。

1 實驗

1.1 橋隧群的定義

橋隧群是指同時存在2座或者2座以上橋梁和隧道（隧道和隧道，橋梁和橋梁）間隔一定距離且不規(guī)則排列的路段。根據(jù)有關(guān)研究成果[13]，其間隔距離參考隧道群定義，以1 000 m長度作為臨界值。

1.2 道路實車平臺的搭建

本文采用SMART EYE眼動儀，TLC5000動態(tài)心電圖儀，VBoxs數(shù)據(jù)采集盒，行車記錄儀等儀器搭建駕駛?cè)诵睦怼⑸砑榜{駛行為特性分析道路實驗平臺。如圖1所示。

圖1 道路實車實驗平臺的搭建Fig.1 The construction of road vehicle test platform

駕駛行為的數(shù)據(jù)由VBoxs數(shù)據(jù)采集盒采集，數(shù)據(jù)記錄在軟件中，采樣頻率為10 Hz，生理數(shù)據(jù)的采集采用TLC5000動態(tài)心電圖儀和SMART EYE公司生產(chǎn)的ETG 2W型便攜眼鏡式眼動儀。心電模塊采用ECG100C心電放大器，數(shù)據(jù)儲存在ACQ Knowledge軟件中，采樣頻率為250 Hz。注視持續(xù)時間數(shù)據(jù)存儲在SMI眼動儀自帶的軟件SMI Pro中，采集頻率為60 Hz。為去除運(yùn)動偽影與心跳的影響，采用頻率為0.5 Hz的高通濾波過濾無效數(shù)據(jù)。最后，為保證生理參數(shù)與駕駛行為參數(shù)的同步性，將編輯后的生理數(shù)據(jù)保存，采樣率降低為10 Hz。

1.3 實驗時間與地點安排

參考榮烏高速保定段日落時間表，本次調(diào)查分為白天和晚上2個時間段，調(diào)查時間為2019年12月21和12月22日，每日9：30—12：30，14：00—17：00為調(diào)查的白天時段。18：00—21：00為調(diào)查的傍晚時段。

為確保實驗結(jié)果的代表性和準(zhǔn)確性擬選取特長隧道營爾嶺隧道和寨頭隧道群兩條具有代表性的橋隧群路段，分別對高速公路段和每條隧道的隧道入口段、過渡段、中間段、出口段、路基連接段進(jìn)行調(diào)查，實驗路段中隧道均為分離式隧道，車道形式為單向雙車道，各隧道線形、路面條件及亮度設(shè)施均完好，實驗路線圖如圖2和圖3所示，實驗車輛行駛狀態(tài)如圖4所示，部分隧道基本參數(shù)如表1所示。

圖2 營爾嶺特長隧道Fig.2 Ying′er ling long tunnel

圖3 寨頭隧道群Fig.3 Zhaitou tunnel group

圖4 實驗車輛行駛狀態(tài)圖Fig.4 Test vehicle driving state diagram

表1 部分隧道基本參數(shù)Tab.1 Part of the tunnel basic parameters

圖5 駕駛?cè)苏系K物識別Fig.5 Driver obstacle recognition

1.4 被試人反應(yīng)時間的測量

被試人反應(yīng)時間測量作為本次實驗的重點和難點對實驗的成功與否尤為重要，為了完成駕駛?cè)朔磻?yīng)時間的測量，在開始實驗之前，由主試人員提前在實驗路段的隧道內(nèi)和隧道連接段中擺放好安全警示錐。為不影響駕駛?cè)诵袨椋笾髟嚾藛T將警示錐擺放到隧道內(nèi)的檢修便道上或連接段的應(yīng)急車道外，以此來模擬行車過程中障礙物。同時搭配VBOX中的制動模塊，測量駕駛?cè)丝匆娬系K物時的制動時間。本次實驗的駕駛?cè)朔磻?yīng)時間定義為駕駛?cè)丝吹骄径眨ㄕ系K物）的時間到駕駛?cè)瞬扇≈苿拥臅r間，即駕駛?cè)俗⒁朁c落在目標(biāo)警示墩上的時間開始到VBOX數(shù)據(jù)軟件采集到駕駛?cè)说闹苿訒r間為止。如圖5所示為被試駕駛?cè)俗R別到障礙物目標(biāo)的情況，其中紅色標(biāo)記為駕駛?cè)说淖⒁朁c位置。反應(yīng)時間的測量通過軟件的AOI功能實現(xiàn)，在軟件中通過標(biāo)定障礙物區(qū)域可計算其總持續(xù)時間、掃視時間和注視持續(xù)時間，通過數(shù)據(jù)采集盒采集車輛瞬時速度及區(qū)間速度。

1.5 被試選擇與實驗流程

為滿足實驗中樣本量的人群代表性，共招募不同年齡、性別和駕駛里程的63名被試人參與本實驗，且被試人需滿足視力情況在矯正后都保持良好且駕駛技術(shù)嫻熟，無生理缺陷和交通事故經(jīng)歷，所有駕駛?cè)嗽趯嶒炃皩嶒灺范尉涣私?，以此剔除熟悉路段對駕駛?cè)笋{駛行為的影響。在正式實驗前，需要篩除出與設(shè)備不匹配的實驗人員：所有被試人員佩戴設(shè)備在實驗路段進(jìn)行短距離的預(yù)實驗，若預(yù)實驗中被試人員的樣本數(shù)據(jù)異常，則剔除無效樣本。經(jīng)預(yù)實驗篩選出的剩余51個樣本進(jìn)行正式實驗，其中男生34名，女生17名。被試人在過去一年的駕駛里程范圍為0～15 000 km，均值（M）為8 760.46 km，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為3 348.65 km。所有參與者持有中國正式駕駛執(zhí)照，并持有駕駛執(zhí)照最少一年（M：3.46，SD：1.53）。實驗開始前主試人員應(yīng)確保駕駛員保持清醒、休息充足、精神飽滿，無飲酒和引用咖啡。并告知駕駛員測試路段，為實驗駕駛員講解實驗?zāi)康暮蛯嶒炞⒁馐马?，消除駕駛員的緊張感。驅(qū)車抵達(dá)實驗路段后，由主試人員進(jìn)行實驗設(shè)備調(diào)試工作。即安裝VOBX數(shù)據(jù)采集盒，調(diào)試心電圖儀各項系數(shù)，并固定連接線。打開眼動儀，進(jìn)行眼動儀的校準(zhǔn)工作。眼動儀的校準(zhǔn)采用精度較高的三點校準(zhǔn)，以保證眼動儀能準(zhǔn)確捕捉到注視點位置的變化。完成校準(zhǔn)工作后，需將眼動儀后方頭部固定線拉緊，以確保后期實驗過程眼動儀不會隧車輛抖動而偏離。打開VBOX數(shù)據(jù)采集盒，完成速度、位移和制動時間等數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。開始實驗，要求被試人按照自己駕駛習(xí)慣完成實驗。實驗結(jié)束后，將實驗數(shù)據(jù)保存相應(yīng)人員的文件夾，完成數(shù)據(jù)的第2次同步。當(dāng)被試駕駛員完成實驗段的駕駛實驗時，更換駕駛員重新開始實驗，重新開始實驗前，需要對新的駕駛?cè)诉M(jìn)行眼動儀校準(zhǔn)。

1.6 因變量

本研究的因變量可以分為駕駛行為、生理測量和反應(yīng)時間3個部分，駕駛行為指標(biāo)包括：速度與限速比、車道位置標(biāo)準(zhǔn)差、油門踏板下壓及制動踏板下壓等指標(biāo)，其中速度與限速比指標(biāo)為車輛運(yùn)行速度與路段限速的比值，分別取平均值（Av）、標(biāo)準(zhǔn)差（SD）和最大值（Max）等統(tǒng)計參數(shù)；車道位置改變量是指對應(yīng)車輛從當(dāng)前車道中心線處的車道位置偏移量，當(dāng)偏移量在右邊時為正，當(dāng)偏移量在左邊時為負(fù)，分別取標(biāo)準(zhǔn)差和最大值等統(tǒng)計參數(shù)；油門踏板和制動踏板的下壓指標(biāo)由VBOX數(shù)據(jù)采集盒采集，取值在0～1之間，分別取標(biāo)準(zhǔn)差和最大值等統(tǒng)計參數(shù)。生理參數(shù)的指標(biāo)包括心率和注視持續(xù)時間等相關(guān)參數(shù)，各項指標(biāo)取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值（Min）和最大值等統(tǒng)計參數(shù)。駕駛?cè)酥苿臃磻?yīng)時間測量中取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計指標(biāo)。

2 實驗結(jié)果分析

為研究駕駛環(huán)境對駕駛?cè)松矸磻?yīng)和駕駛行為影響的顯著程度，首先使用夏皮洛-威爾克檢驗（Shapiro-Wilk）檢測數(shù)據(jù)的正態(tài)性。在95%置信度水平上有部分?jǐn)?shù)據(jù)向量不符合（sig.＜0.05），如駕駛?cè)嗽跇蛩砣郝范蔚钠骄俣龋╯ig.=0.012）和最大心率（sig.=0.036）。因此本文數(shù)據(jù)采用非參數(shù)檢驗。在普通路段和橋隧群路段進(jìn)行被試人配對分析，以測試橋隧群對駕駛?cè)笋{駛行為及生理參數(shù)的影響。

2.1 駕駛行為分析

使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢測橋隧群路段和普通高速公路段間駕駛?cè)笋{駛行為的差異。其中，橋隧群路段和普通高速公路段駕駛行為參數(shù)因變量的中位數(shù)（M）和四分位數(shù)區(qū)間（IQR）及其結(jié)果的p值描述統(tǒng)計如表2所示。

表2 不同路段駕駛?cè)笋{駛行為Tab.2 Driving Performance of Drivers in Different Sections

如表2所示，駕駛行為指標(biāo)中在95%置信度水平上，有顯著性差異的指標(biāo)為：速度限速比平均值（p=0.007），速度限速比最大值（p=0.022）、制動踏板的最大值（p=0.000）。

同普通路段相比，復(fù)雜的橋隧群環(huán)境，會引起駕駛?cè)祟~外的心理負(fù)荷，進(jìn)而引起駕駛員駕駛行為的下降。在縱向控制行為上，駕駛行為的下降主要體現(xiàn)在：平均速度比、最大速度比、油門踏板標(biāo)準(zhǔn)差的下降和制動踏板最大值的增加。這是因為同普通路段相比，駕駛?cè)嗽跇蛩砣涵h(huán)境中需經(jīng)歷頻繁的光暗適應(yīng)度轉(zhuǎn)換，進(jìn)而增加駕駛?cè)祟~外的心理負(fù)荷。駕駛?cè)藶閼?yīng)對額外心理負(fù)荷，采取了一系列降低駕駛績效的補(bǔ)償行為。如：與普通路段相比，橋隧群速度比限速的中值降低了7.32，制動踏板最大值增加了0.25。

相關(guān)研究表明，高負(fù)荷下駕駛?cè)说难a(bǔ)償行為會隨著時間的推移而耗盡，因此，橋隧群駕駛?cè)似骄俣缺鹊慕档秃妥畲笾苿又档脑黾幼鳛橐环N補(bǔ)償行為，雖然在一起定程度對駕駛安全起到了改善作用，但同時存在隨時間推移而耗盡的風(fēng)險，不容忽視。

2.2 生理參數(shù)分析

使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢測橋隧群路段與普通高速公路段間駕駛?cè)松韰?shù)的差異顯著性如表3所示。

表3 不同路段駕駛?cè)松韰?shù)表Tab.3 Physiological measures of drivers in different sections

在普通路段和橋隧群路段駕駛?cè)诵睦砩碇笜?biāo)中在95%的置信水平上有顯著性差異的指標(biāo)為：心率平均值（p=0.000）、最大值（p=0.000）和最小值（p=0.009）與注視持續(xù)時間的平均值（p=0.000）、標(biāo)準(zhǔn)差（p=0.000）和最大值（p=0.000）。

與普通路段相比其中駕駛?cè)嗽谒淼廊郝范沃行穆势骄怠⒆畲笾?、最小值和注視持續(xù)時間的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最大值的中值更高，這表明與普通路段相比，隧道群駕駛員心率和注視持續(xù)時間均顯著性增加。而心率和注視持續(xù)時間的增加，表示駕駛?cè)颂幱谝粋€更高層次的壓力階段，視覺和心理負(fù)荷更大。圖3為普通路段駕駛?cè)撕蜆蛩砣郝范务{駛?cè)似骄穆氏湫蛨D，如圖6所示，與普通路段想比，橋隧群路段駕駛員平均心率中值大約增加13次/min。

2.3 橋隧群環(huán)境對反應(yīng)時間的影響

圖6 不同路段駕駛?cè)似骄穆氏湫蛨DFig.6 Average Heart Rate Boxplot of Drivers in Different Sections

研究橋隧群不同環(huán)境對駕駛?cè)朔从硶r間的影響，使用符號秩檢驗（Wilcoxon signed-rank）方法檢驗普通高速公路段、橋隧群隧道內(nèi)與橋隧連接段駕駛?cè)朔磻?yīng)時間的差異性。給定顯著性水平P為0.05，在95%置信度水平上，駕駛?cè)藰蛩砣核淼纼?nèi)（p=0.037）、橋隧連接段（p=0.000）與普通路段反應(yīng)時間相比存在顯著差異。

如圖7所示，與普通高速段相比，駕駛?cè)嗽跇蛩砣憾嗡淼纼?nèi)反應(yīng)時間中值低了0.22 s，這表明駕駛?cè)嗽跇蛩砣憾嗡淼纼?nèi)比在普通高速段遇到突發(fā)事件，能更快的做減速反應(yīng)。這可能是兩方面造成的，一方面隧道內(nèi)限速調(diào)控，駕駛?cè)诵旭偹俣容^低，更容易發(fā)現(xiàn)危險的發(fā)生。另一方面，同普通路段相比，隧道內(nèi)駕駛?cè)颂幱诟叨染o張的心理狀態(tài)，因此精神和注意力高度集中，進(jìn)而對突發(fā)狀況表現(xiàn)出更高的警惕性和更快的反應(yīng)時間。

與普通高速段相比，駕駛?cè)嗽跇蛩砣簶蛩磉B接段反應(yīng)時間中值高出了0.47 s，表明駕駛?cè)嗽跇蛩砣簶蛩磉B接段表現(xiàn)出更長的反應(yīng)時間，更容易發(fā)生交通事故。這可能是因為，一方面駕駛?cè)嗽谒淼纼?nèi)高負(fù)荷，因而保持加速駛出隧道，相對運(yùn)行速度較高，因此，表現(xiàn)出更長的反應(yīng)時間。另一方面可能是因為駕駛?cè)嗽诮?jīng)歷了隧道內(nèi)高負(fù)荷路段，進(jìn)入橋隧連接段后，相對放松了警惕，從而在突發(fā)狀況出現(xiàn)時，表現(xiàn)出了更長的反應(yīng)時間。

橋隧段隧道內(nèi)駕駛?cè)朔磻?yīng)時間的降低，可以認(rèn)為是高負(fù)荷下補(bǔ)償行為效應(yīng)力的發(fā)揮，一定程度上起到駕駛安全的改善作用，但更長的橋隧連接段反映時間，印證了持續(xù)時間高負(fù)荷下的調(diào)節(jié)行為會使調(diào)節(jié)行為的下降，從而大大的增加了駕駛?cè)诵熊囷L(fēng)險，這也證明了補(bǔ)償行為的降低會對駕駛安全造成更大危害。

圖7 不同路段駕駛?cè)朔磻?yīng)時間箱型圖Fig.7 Reaction time Boxplot of Drivers in Different Sections

3 結(jié)論

本文基于符號秩檢驗方法對駕駛?cè)嗽谄胀ǜ咚俟范闻c橋隧群路段的駕駛行為、生理參數(shù)及反應(yīng)時間進(jìn)行了差異性分析，結(jié)果表明，橋隧群環(huán)境對駕駛?cè)笋{駛行為和駕駛?cè)松韰?shù)具有顯著性影響。

1）與普通路段相比，駕駛?cè)嗽跇蛩砣郝范务{駛行為顯著下降。如反映在縱向控制上的平均限速比、最大限速比、油門標(biāo)準(zhǔn)差的下降和制動踏板最大值的增加；反映在橫向控制行為上的車道位置標(biāo)準(zhǔn)差降低。

2）與普通路段相比，駕駛?cè)嗽跇蛩砣盒旭傔^程中表現(xiàn)出更高的心理負(fù)荷，具體表現(xiàn)在心率平均值、最小值、最大值和注視持續(xù)時間平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和最大值的增加，過高的心理負(fù)荷容易引起駕駛?cè)说氖д`，危害駕駛安全。

3）不同于以往研究，與普通高速段相比，在橋隧群環(huán)境中隧道內(nèi)表現(xiàn)出較短的反應(yīng)時間，這表明：駕駛行為的下降作為高心理負(fù)荷的補(bǔ)償行為一定程度上改進(jìn)了駕駛的風(fēng)險。而更長的橋隧連接段反映時間表明，緊張情緒的釋放和補(bǔ)償行為的降低對駕駛安全具有抑制性影響。