駕駛員心率變化率與公路橫向力系數(shù)的相關(guān)性

湯灃澤，潘曉東，陳 豐

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

在道路交通學(xué)中，由人、車、路及交通環(huán)境組成了一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)［1］。研究駕駛員在不同道路線形上心理、生理反應(yīng)有助于評(píng)價(jià)道路的安全性。駕駛員在行車時(shí)，沿線會(huì)有許多半徑和超高各不相同的彎道，駕駛員在經(jīng)過(guò)這些不同彎道時(shí)的心理緊張程度也不相同。研究［2－5］表明，引起駕駛員心率變化的一個(gè)最重要的因素就是交通環(huán)境以及道路線形的復(fù)雜變化。在路況單調(diào)、道路線形特征單一的道路上行駛時(shí)，駕駛員注意力的放松會(huì)導(dǎo)致心率減慢；在道路線形變化復(fù)雜或遇到緊急情況需要采取行動(dòng)時(shí)，駕駛員的心率會(huì)加快。心率長(zhǎng)時(shí)間過(guò)慢或者加快都會(huì)引起駕駛員提前產(chǎn)生疲勞［6］，而導(dǎo)致交通事故。

正常成年人在安靜狀態(tài)下的心率有明顯的個(gè)體差異。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢［7］。同一個(gè)人，心率在不同時(shí)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也有不同，白天心率加快，夜間心率減慢；在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快；在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使得心跳速度加快或減慢。

通過(guò)研究各項(xiàng)生理反應(yīng)指標(biāo)的特點(diǎn)及其測(cè)試方法發(fā)現(xiàn)，心率能反映車速和道路線形對(duì)駕駛員行車緊張程度的影響［4－5］。因此，作者擬用心率這個(gè)生理反應(yīng)指標(biāo)來(lái)研究駕駛員行車時(shí)心理緊張與車速和道路線形之間的關(guān)系。但是不同素質(zhì)駕駛員在安靜狀態(tài)下的心率是不同的，因此心率不能定量地反映駕駛員的緊張程度。由于每個(gè)人的心率變化是一致的，因此作者擬采用心率增長(zhǎng)率來(lái)衡量人的緊張程度。

橫向力是指汽車在彎道上行駛，由于離心力的作用，使車輛沿路面水平方向產(chǎn)生一個(gè)橫向分力。該橫向分力與垂直地面的豎向力之比稱為橫向力系數(shù)。橫向力系數(shù)是設(shè)計(jì)平曲線半徑和超高的最基本的參數(shù)［8］，其極限為橫向摩阻系數(shù)，受路面條件、輪胎材料和氣壓、車速以及荷載等因素的影響。根據(jù)橫向力系數(shù)、超高和平曲線半徑三者之間的關(guān)系，汽車在彎道上行駛時(shí)，隨著橫向力系數(shù)的不同，乘客的感覺也隨之變化［9］，橫向力系數(shù)的大小直接影響到行車的安全、經(jīng)濟(jì)和舒適性［10］。

1 山區(qū)公路曲線段行車試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)山區(qū)雙車道公路實(shí)地行車試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)路段的道路信息進(jìn)行了收集和整理，并采集駕駛員在不同半徑曲線段的心率特征和行車速度特征，以此分析不同曲線半徑下駕駛員心率變化率隨車速變化的情況；通過(guò)對(duì)駕駛員心率變化率和橫向力系數(shù)的相關(guān)分析，考查二者的相互關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)車輛（馬自達(dá)轎車）、Polar RS800CX BIKE心率表、DCR－SR60SONY數(shù)碼攝像機(jī)、三軸加速度儀及筆記本電腦等。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

選取浙江省省道S210建德段為試驗(yàn)路段，試驗(yàn)路段全部線形資料和圖紙從建德市交通局獲取，如圖1所示。部分試驗(yàn)路段平面線形如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)路段Fig.1 The testing road

圖2 部分試驗(yàn)路段平面線形Fig.2 Horizontal alignment of some testing roads

駕齡2年以上的駕駛員5名，駕駛試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)路段正常行駛，測(cè)量駕駛員在雙車道山區(qū)公路曲線段行駛過(guò)程中的心率變化狀況及車輛速度和加速度等行駛特性。試驗(yàn)過(guò)程中須保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量同步，即試驗(yàn)儀器均設(shè)為同一時(shí)間，精確到秒，并盡量保證試驗(yàn)人員合作有效，使所有儀器同一時(shí)間開啟或記錄，將行車數(shù)據(jù)記錄文檔保存。

2 運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率的相關(guān)性

心率增長(zhǎng)率（GR）即某一時(shí)刻（段）的心率增長(zhǎng)量與駕駛員在安靜狀態(tài)下平均心率的比值。對(duì)不同半徑范圍下的運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，可得出不同半徑下駕駛員的行車感受變化規(guī)律。

在圓曲線半徑大于150m、小于等于200m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?0～80km／h，運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系如圖3（a）所示。當(dāng)車速小于70km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率較小；當(dāng)車速大于70km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率有增加的趨勢(shì)。

在圓曲線半徑大于200m、小于等于300m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?5～85km／h運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系如圖3（b）所示。當(dāng)車速小于75km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率較小；當(dāng)車速大于75km／h，小于等于80km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率有所增加；當(dāng)車速大于80km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率繼續(xù)增加。

在圓曲線半徑大于300m、小于等于400m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?5～90km／h（如圖3（c）所示）。當(dāng)車速小于80km／h時(shí)心率增長(zhǎng)率較小；當(dāng)車速大于80km／h時(shí)心率增長(zhǎng)率比較離散。

圖3 運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系Fig.3 Relationship between the driving speed and the change of the driver’s heart rate

3 橫向力系數(shù)與心率增長(zhǎng)率相關(guān)性分析

選取半徑為150～400m平曲線路段上獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算駕駛員在不同來(lái)回、同一彎道處的心率增長(zhǎng)率，并計(jì)算駕駛員在該處的橫向力系數(shù)。橫向力系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：R為平曲線半徑，m；μ為橫向力系數(shù)；V為行車速度，km／h；i為橫向超高坡度。

運(yùn)用SPSS軟件，對(duì)橫向力系數(shù)和心率增長(zhǎng)率進(jìn)行擬合。采用3種數(shù)學(xué)模型（線性模型、對(duì)數(shù)模型及指數(shù)模型）分別驗(yàn)證，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 駕駛員行車時(shí)，橫向力系數(shù)與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系Fig.4 Relationship betweenμand the change of the driver’s heart rate

從圖4中可以看出，線形函數(shù)擬合程度最高（相關(guān)性系數(shù)為0.446），因此選擇線性函數(shù)作為擬合模型。該曲線的方程為：

半徑變化范圍為150～400m的平曲線上行駛時(shí)，駕駛員心率增長(zhǎng)率隨橫向力系數(shù)的增加呈線性增加趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1）駕駛員心率變化率與曲線半徑及運(yùn)行車速有關(guān)，曲線半徑一定時(shí)，駕駛員心率變化率隨運(yùn)行車速的增加而增加，曲線半徑越小，則心率變化率隨車速變化越明顯。

2）橫向力系數(shù)與運(yùn)行車速、曲線半徑和超高等具有密切聯(lián)系，可以用橫向力系數(shù)作為一個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)分析山區(qū)公路曲線段行車情況對(duì)駕駛員心率變化率的影響。得出的結(jié)論是：在半徑變化范圍為150～400m的平曲線上行駛時(shí)，駕駛員心率增長(zhǎng)率隨橫向力系數(shù)的增加呈線性增加趨勢(shì)。

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