王 兵,趙 越,李鵬勝,張麗改

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017)

0 引 言

烏尉天勝利隧道全長 22.035 km,是目前國內(nèi)在建最長的高速公路隧道[1],屬高寒高海拔隧道[2]。隧道入口段海拔3 200 m,氧氣含量稀薄,大氣氧分壓降低,直接影響人體的生理健康,導(dǎo)致頭痛、心慌、氣短、胸悶、嗜睡、注意力不集中等不適癥狀,對(duì)駕駛?cè)水a(chǎn)生不利影響。

隧道入口段照度變化劇烈,對(duì)駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致隧道交通安全隱患問題日益突出,成為了公路運(yùn)輸網(wǎng)安全的瓶頸路段。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道路段交通安全作了研究,世界道路協(xié)會(huì)指出,隧道洞口處的交通事故率明顯高于隧道中間段;趙躍峰等[3]通過調(diào)研收集了 16 條隧道 3 年內(nèi) 296 起隧道交通事故,分析其空間特性發(fā)現(xiàn)隧道洞口附近交通事故率最高;王乾等[4]通過研究分析以往交通事故資料指出長隧道發(fā)生的交通事故占事故總數(shù)的48%。

駕駛?cè)耸撬淼拉h(huán)境交通行為的主要參與者,國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于隧道行車過程中駕駛?cè)说纳硇睦碜髁颂剿?主要研究了駕駛?cè)说囊曈X特性和駕駛負(fù)荷。G.F.YAN等[5]研究了平原地區(qū)隧道和高海拔隧道駕駛?cè)说难蹌?dòng)特征和生理心理變化,指出高海拔隧道入口駕駛?cè)送字睆阶兓矢?心率更高;梁波等[6]利用瞳孔面積、呼吸頻率等生理指標(biāo)研究了特長隧道出入口駕駛?cè)说纳碡?fù)荷;朱彤等[7]采集了駕駛?cè)说男碾娦盘?hào),根據(jù)因子模型分析指出,隧道出入口段駕駛?cè)说男睦碡?fù)荷較高;馮忠祥等[8]研究了駕駛?cè)诵旭傆诔鞘邢麓┧淼揽v坡段的生理變化規(guī)律;焦方通等[9]利用眼動(dòng)儀采集了駕駛?cè)说耐酌娣e,并選用瞳孔面積最大瞬態(tài)速度值評(píng)價(jià)了視覺舒適程度。

現(xiàn)有研究在隧道交通安全領(lǐng)域取得了豐碩的成果,但大多是集中于海拔較低的城市隧道、特長隧道、山區(qū)公路隧道等,對(duì)于高海拔公路隧道入口段行車過程中駕駛?cè)说纳硇睦硖卣鞯难芯枯^少。研究表明,心率和呼吸頻率是精確反映駕駛?cè)松碡?fù)荷和心理波動(dòng)的重要生理指標(biāo)[6-8],筆者通過構(gòu)建低氧環(huán)境并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),利用心率和呼吸頻率作為生理指標(biāo),研究高海拔公路隧道入口段照度變化對(duì)駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)的影響,分析隧道入口段駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)變化趨勢(shì)以保障安全行車,為烏尉天山勝利隧道入口段安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 低氧環(huán)境理論基礎(chǔ)

高海拔地區(qū)獨(dú)特的低氧環(huán)境導(dǎo)致駕駛?cè)松硭教幱诓环€(wěn)定狀態(tài),心率、血氧飽和度、呼吸頻率等指標(biāo)出現(xiàn)異常,導(dǎo)致較為嚴(yán)重的生理不適感,進(jìn)而引起心理狀態(tài)的波動(dòng)。研究表明,佩戴醫(yī)用外科口罩、N95 型防護(hù)口罩或 N95 型防護(hù)口罩疊加醫(yī)用外科口罩一段時(shí)間后,人體呼吸阻力增加,攝氧效率降低,空氣交換量下降[10]。血氧飽和度是反映人體缺氧程度和對(duì)環(huán)境適應(yīng)的重要指標(biāo),研究表明,初次到 3 200 m 的高海拔地區(qū)人體的平均血氧飽和度在90%左右[11],表現(xiàn)為供氧不足。

進(jìn)入高海拔地區(qū)時(shí),駕駛?cè)颂幱谌毖鯛顟B(tài),容易引起生理心理特征的變化,表現(xiàn)為呼吸急促、內(nèi)心緊 張等;當(dāng)急速進(jìn) 3 200 m 海拔的地區(qū)時(shí),駕駛?cè)艘壮霈F(xiàn) 心慌、頭痛、壓抑等不良應(yīng),加之接近隧道入口段時(shí)照度劇烈變化會(huì)引起駕駛?cè)艘曈X受到一定刺激,導(dǎo)致駕駛?cè)颂幱诟叨染o張狀態(tài),易出現(xiàn)激動(dòng)、不安甚至是恐懼,不利于安全行車。根據(jù)文獻(xiàn)[12],駕駛?cè)伺宕?N95型防護(hù)口罩疊加醫(yī)用外科口罩進(jìn)行試驗(yàn)可以合理營造低氧環(huán)境,較好表征出駕駛?cè)巳毖醯臓顟B(tài),近似等效于駕駛?cè)嗽?3 200 m 的高海拔地區(qū)行車。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)隧道

由于烏尉天山勝利隧道尚在修建中,無法進(jìn)行試驗(yàn),需要在低氧環(huán)境下完成隧道實(shí)車試驗(yàn)以等效于 3 200 m 的高海拔公路隧道的行車過程。通過調(diào)研選取葛家溝隧道作為此次試驗(yàn)隧道,海拔其高度為1 000 m,葛家溝隧道左線全長 1 475 m,右線全長 1 430 m,隧道內(nèi)限速80 km/h。

2.2 試驗(yàn)測試指標(biāo)

選用心率和呼吸頻率作為本次試驗(yàn)的生理測試指標(biāo)[13]。但是心率為隨機(jī)信號(hào),駕駛?cè)藗€(gè)體之間存在差異,通過心率次數(shù)變化無法精確表達(dá)駕駛?cè)说纳碜兓?。研究中通過心率增長率N來量化照度對(duì)駕駛?cè)说挠绊?如式(1):

(1)

式中:n2為隧道入口段行車過程中的心率值;n1為駕駛?cè)似较顟B(tài)下的心率值。

參考文獻(xiàn)[14],心率增長率大小與駕駛?cè)诵睦砭o張程度有直接聯(lián)系,駕駛?cè)烁械绞孢m、緊張和恐懼的閾值所對(duì) 應(yīng)心率增長率分別為 18%、27%和 39%。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備與被試

選用加拿大Thought Technology 公司研制的 ProComp Infiniti 生理儀測量駕駛?cè)诵穆屎秃粑l率;TES-1 339專業(yè)型照度計(jì)進(jìn)行照度采集; 魚躍YX306 指夾式脈搏血氧儀記錄血氧飽和度;試驗(yàn)車輛選擇雪佛蘭科帕奇 SUV。

選取 20 名在校學(xué)生(12 名男性 8 名女性)作為被試參與低氧試驗(yàn)的有效性測試,年齡為23～27 歲;通過網(wǎng)上征集。選取 20 名駕駛?cè)?15 名男性 5 名女性)參與隧道實(shí)車試驗(yàn),年齡為24～53歲,平均年齡41歲,標(biāo)準(zhǔn)差 8.45 歲,要求駕駛?cè)艘暳α己?具有隧道駕駛經(jīng)驗(yàn),均取得 C2 及以上駕駛證,所有被試身心健康,試驗(yàn)前保持充足睡眠。

2.4 試驗(yàn)流程

2.4.1 低氧環(huán)境試驗(yàn)分析

首先進(jìn)行低氧試驗(yàn)的有效性測試,試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在新疆大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,通過對(duì)被試佩戴 N95 型防護(hù)口罩疊加醫(yī)用外科口罩 2 h 后進(jìn)行試驗(yàn),測得所有被試的血氧飽和度并計(jì)算平均值來驗(yàn)證低氧試驗(yàn)的可靠性。

2.4.2 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)前需要先用雙面膠將駕駛?cè)嗣娌坷喂陶迟N N95 防護(hù)口罩,再疊加佩戴醫(yī)用外科口罩的,持續(xù)時(shí)間為2 h,以構(gòu)建低氧環(huán)境,待駕駛?cè)说难躏柡投绕骄低ㄟ^驗(yàn)證后再進(jìn)行隧道行車試驗(yàn)。隧道實(shí)車試驗(yàn)選擇晴朗天氣進(jìn)行,駕駛?cè)嗽谡麄€(gè)試驗(yàn)過程中需佩戴口罩。正式試驗(yàn)開始時(shí),駕駛?cè)税凑找?guī)定路線駕駛車輛,副駕駛位試驗(yàn)人員負(fù)責(zé)記錄照度值;后排左方試驗(yàn)人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集;后排右方試驗(yàn)人員負(fù)責(zé)拍攝車輛的行車環(huán)境。

2.5 數(shù)據(jù)采集

正式試驗(yàn)前需要對(duì)低氧環(huán)境的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,選擇低氧環(huán)境試驗(yàn)中10名被試的血氧飽和度并計(jì)算平均值。根據(jù)JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》和試驗(yàn)方案,選擇隧道入口外前 300 m 至隧道內(nèi) 200 m (隧道入口段)為數(shù)據(jù)的測試范圍。依據(jù)隧道入口段交通事故常發(fā)位置和照度對(duì)駕駛?cè)说拇碳び绊懗潭?為研究駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诙紊硇睦碜兓?guī)律,按 100 m間距將隧道入口段分為 5 個(gè)區(qū)段,細(xì)分示意圖如圖 1。

圖1 隧道入口段細(xì)分示意Fig. 1 Schematic diagram of the subdivision of tunnel entrance section

根據(jù)拍攝的行車環(huán)境視頻提取照度數(shù)據(jù),生理儀配套軟件導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)并作處理得到心率和呼吸頻率,依據(jù)拉維達(dá)原則剔除無效數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

3.1 低氧環(huán)境有效性分析

測量血氧飽和度測試,部分被試結(jié)果如表 1 。

表1 血氧飽和度測試結(jié)果

通過計(jì)算得到被試的血氧飽和度平均值為90.4%,驗(yàn)證了筆者方法構(gòu)建低氧環(huán)境的有效性。

3.2 心率增長率變化特性

隧道入口段駕駛?cè)说男穆试鲩L率,如圖2。

圖2 心率增長率變化Fig. 2 Changes in heart rate growth rate

由圖 2 可知:駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诙涡旭倳r(shí)心率增長率為 27.09% ～ 41.53%,均超過了駕駛?cè)耸孢m性范圍,駕駛?cè)颂幱诰o張和恐懼的心理狀態(tài)。隧道入口段的心率增長率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),駕駛?cè)笋側(cè)胨淼赖倪^程中,心率增長率逐漸增加,靠近 隧道洞口時(shí)增加幅度更為顯著,進(jìn)入隧 道 10～40 m 范圍內(nèi),駕駛?cè)诵睦锔惺苡删o張變?yōu)榭謶?隨后駕駛?cè)诵穆试鲩L率先是劇烈下降然后趨于穩(wěn)定,心理感受回到緊張狀態(tài)且程度較高。可以認(rèn)為駕駛?cè)嗽诓煌瑓^(qū)段心率增長率存在差異。

3.3 呼吸頻率變化特性

駕駛?cè)嗽谒淼廊肟诙蔚暮粑l率如圖3。

圖3 呼吸頻率變化Fig. 3 Changes in respiratory rate

圖4 不同區(qū)段的心率增長率Fig. 4 Heart rate growth rate in different segments

由圖 3 可以看出:駕駛?cè)嗽诮咏淼蓝纯跁r(shí)呼 吸頻率明顯增加,且在隧道洞口內(nèi)10 m處出現(xiàn)極大 值,隨著駕駛?cè)酥饾u深入隧道內(nèi)部,呼吸頻率逐漸 回落并維持穩(wěn)定。

3.4 不同區(qū)段心率增長率差異性檢驗(yàn)

應(yīng)用單因素分析法對(duì)不同區(qū)段的心率增長率作差異性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),駕駛?cè)嗽? 個(gè)區(qū)段行駛過程中的心率增長率存在顯著差異〔F(4,50)=24.12,p<0.001〕。

繪制箱式圖進(jìn)一步分析隧道入口段不同區(qū)段 的心率增長率顯著差異,如圖 4。

由圖 4 可知:在 5 個(gè)區(qū)段中,心率增長率在入口段Ⅲ、Ⅳ間差距較為明顯,其余區(qū)段波動(dòng)較小。入口段Ⅳ心率增長率顯著性最大,說明隧道洞口至隧道內(nèi) 100 m 的路段范圍內(nèi)最不利于行車安全。根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知,高海拔公路隧道入口段的心率增長率(42%)明顯高于低海拔(32%),結(jié)合筆者研究可說明,高海拔的低氧環(huán)境導(dǎo)致駕駛?cè)诵睦砭o張感更加強(qiáng)烈 。

3.5 不同區(qū)段呼吸頻率差異性

應(yīng)用單因素分析法對(duì)不同區(qū)段的呼吸頻率作差異性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),駕駛?cè)嗽?5 個(gè)區(qū)段行駛過程中的呼吸頻率存在顯著差異〔F(4,50)=39.49,p<0.001〕。

繪制箱式圖來進(jìn)一步分析隧道入口段不同區(qū)段的呼吸頻率顯著差異性,如圖 5。

由圖5可知,入口段Ⅲ、Ⅳ的呼吸頻率差異較大,其余 3 個(gè)區(qū)段差距較小。駕駛?cè)嗽谌肟诙微蟮暮粑l率波動(dòng)最大,說明駕駛?cè)说男睦锞o張程度變化明顯,入口段Ⅳ駕駛?cè)撕粑l率最大。

圖5 不同區(qū)段的呼吸頻率Fig. 5 Respiratory rate in different segments

圖6 照度和心率增長率的擬合Fig. 6 Fitting of illuminance and heart rate growth rate

圖7 照度和呼吸頻率的擬合Fig. 7 Fitting of illuminance and respiratory rate

3.6 照度和心率增長率相關(guān)性

隧道入口段照度變化對(duì)駕駛?cè)说纳?、心理?huì)產(chǎn)生一定影響,利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制照度和心率增長率的散點(diǎn)圖擬合曲線,如圖 6。

由圖 6 可知: 心率增長率隨著照度的增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì), 其中2 000 lx 左右出現(xiàn)最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范圍內(nèi)) 心率增長率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度與心率增長率的范圍如表2。

表2 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度與心率增長率的范圍

隧道入口外照度較高,心率增長率較小,隧道入口內(nèi)照度值較低環(huán)境昏暗,駕駛?cè)诵穆试鲩L率較高,心理緊張程度大。利用 ORIGIN 軟件建立照度和心率增長率關(guān)系模型:

h=32.683 6+0.001 73L-1.585 62×10-6L2+

8.249 92×10-11L3

(2)

式中:h為心率增長率,%;L為照度,lx。

模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.906 99,說明曲線擬合程度較好, 照度和心率增長率的相關(guān)性較強(qiáng)。

3.7 照度和呼吸頻率相關(guān)性

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制照度和呼吸頻率散點(diǎn)圖擬 合曲線,如圖 7。

由圖 7 可知:呼吸頻率隨照度的變化與心率增長率隨照度的變化基本一致,在照度值為4 000 lx 左右時(shí)呼吸頻率出現(xiàn)最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范圍內(nèi))駛?cè)司o張 感最強(qiáng)烈,呼吸頻率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度與呼吸頻率的范圍如表3。

表3 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度與呼吸頻率的范圍

建立照度和呼吸頻率的關(guān)系模型:

r=32.146 28+0.004 73L-8.398 23×10-7L2+

3.485 85×10-11L3

(3)

式中:r為照度影響下的呼吸頻率,次/min。

模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.822 12,可以看出擬合程度較好,照度和呼吸頻率的相關(guān)性 較強(qiáng)。

綜上,高海拔隧道入口段照度對(duì)駕駛?cè)说男穆试鲩L率和呼吸頻率影響程度較大,尤其是隧道洞口照度劇烈變化給駕駛?cè)松韼硪欢ǖ臎_擊, 造成緊張甚至是恐懼的心理狀態(tài)。因此,在高海拔公路隧道入口段的交通設(shè)計(jì)和管理中應(yīng)做好減光遮光措施,最大限度的減少照度變化對(duì)駕駛?cè)松淼挠绊?保障駕駛?cè)说男熊嚢踩院蜕硎孢m性。

4 結(jié) 論

為了提高高海拔隧道入口段交通安全,開展了低氧環(huán)境下的實(shí)車試驗(yàn)研究了照度對(duì)駕駛?cè)诵睦頎顟B(tài)的影響,得到以下結(jié)論。

1)低氧環(huán)境的試驗(yàn)符合駕駛?cè)顺醮蔚竭_(dá) 3 200 m 的高海拔地區(qū)的生理指標(biāo),高海拔低氧環(huán)境相較于平原地區(qū)導(dǎo)致駕駛?cè)顺霈F(xiàn)更為強(qiáng)烈的心理緊張感。

2)隧道洞口前 100 m 和洞口內(nèi) 100 m 范圍內(nèi)駕駛?cè)松聿贿m性較強(qiáng),出現(xiàn)緊張甚至恐懼的狀態(tài)。

3)心率增長率和呼吸頻率隨照度的增加均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且兩者均在隧道洞口附近產(chǎn)生最大值;關(guān)系模型表明照度與心率增長率和呼吸頻率呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。