基于心率變異的道路線形評估模型問題研究

趙浩鵬 趙光輝 朱文文

(江蘇大學汽車與交通工程學院 江蘇 鎮江 212000)

基于心率變異的道路線形評估模型問題研究

趙浩鵬 趙光輝 朱文文

(江蘇大學汽車與交通工程學院 江蘇 鎮江 212000)

本文從人機工程學角度出發，分析駕駛員在各種道路線形下的主要生理反應之一——心率變異，通過對結果數據的處理可以總結出各道路線形評估模型，對道路的設計有指導意義。

人機工程；客觀評價指標；道路線形評估模型

引言

以往的研究大都集中在普通的人機關系，如駕駛員與汽車內部構造的協調關系，而忽略了道路這一人人都要使用的“機器”，本課題正是發現這一不足，從人機工程學的角度出發，探討道路線形設計的評估模型的建立問題，利用心率這一普遍生理特征作為切入口，降低了測量難度；再運用合適的數學方法即可得到數學模型。

一、評價指標的制定

用心率的變化量衡量駕駛員的緊張程度是符合實際的，因為每個人的身體素質不一樣，因此初始的心率值也有差別；如果用心率的增量來描述人的緊張程度就能很好的避免上述問題，我們將駕駛員的心率增量區間進行劃分，與之對應的是駕駛員的緊張程度。

表1 駕駛員緊張程度劃分

二、實驗設計

(一)實驗人員與實驗設備的選取。為了使實驗具有代表性，選取了不同年齡階段的試驗者，兩名在校大學生，兩名新司機，兩名老司機參與了實驗。對于實驗設備，通過汽車租賃市場，租用了一輛各項性能正常的邁騰用于駕駛用車。針對這次實驗用的心率記錄與傳輸設備，購買了一塊迪卡儂心率表用于實時監測駕駛員的心率，為了使心率增量更具有可信度，實驗后將六名測試者的數據取平均值。

(二)實驗路段的選擇。平曲線是道路線形最為豐富的組成部分，據統計分析，道路上相當比例的交通事故發生在平曲線上；平曲線的曲率半徑越小，發生事故的概率越大；因此，重點研究了平曲線上行車駕駛員的心率變化與曲率半徑關系。

(三)實驗方法

1.實驗設計思路。將道路線形劃分為四類：平曲線、縱坡、超高和彎坡，研究不同路況下駕駛員心率增量和車速，曲率半徑的關系并以同樣的思路研究心率增量與縱坡、超高、彎坡值的關系。

2.實驗條件。(1)確保行駛過程中駕駛員盡可能的少受到超車，被超車和跟車的影響，因此選擇的路段車流量要盡可能的少；(2)找到每個平曲線的曲中點；(3)計算在每個曲中點3-4秒內的行車速度和駕駛員的心率增量然后對兩者各取平均值。

3.實驗數據的采集與處理。通過上述方法可以采集到各個駕駛員沿途行車時在每個對應的平曲線上三參數相應的總樣本數據。對總的數據進行處理，同一個平曲線半徑R上對應有許多個速度值和心率值。在半徑小于2000m內平曲線求同一半徑R所對應的多個車速和心率求平均值，按置信度為95%的置信區間除去區間外的車速和心率值，再對剩下的數據求平均值得到最終結果。

表2 車輛在平曲線上行駛時三變量——心率增量、曲率半徑和行車速度對應值

針對表2的數據可以得到心率增量、車速、平曲線半徑兩兩之間的關系，先作出數據之間的散點圖，再用合適的函數關系式去擬合，最后便得到關系模型。

圖1 心率增量與平曲線半徑關系(橫軸為半徑值，單位m)

圖2 心率增量與行車速度關系(橫軸為速度值，單位km/h)

通過對以上參數的分析，可以認為R-Z間負冪函數關系變化的，V-Z之間呈近似線性的正冪函數變化，綜合一下便可得到三者之間的關系是二元非線性的。推出關系模型為

式中：Z——心率增量，次/min;V——車速，km/h；R——平曲線半徑，m；μi——待定系數。

針對上述方程，兩邊同時取對數就得到一個二元線性方程，在利用表2的數據，按最小二乘法求出回歸系數大致為μ0=2.5、μ1=0.8、μ2=0.2。

這樣就得到了三個參數的具體關系式，可以用變量控制方法將其應用于實際的道路線形評估中。對于設計速度一定的道路，如設計速度V=120km/h，帶入模型就可以得到該條件下的R和Z的關系式為：

Z=115.2×R-0.2

這樣便可以作出心率增量與平曲線半徑關系圖，可以用于道路設計參考指標，因為道路線性的設計要盡可能的使駕駛員在駕駛時感到舒適，也就是Z值盡量不要超過駕駛員正常心率的20%。

圖3 當速度為120km/h時心率增量與平曲線半徑的關系

同理，類似的方法用于研究駕駛員在坡道上行駛時，縱坡度、車速和心率增量三參數的關系，通過數據可以得到下縱坡與車速和心率增量的回歸曲線。在道路線形設計時通過兩個可以查出舒適的縱坡數值，在工程設計中有很好的參考價值。

三、結語

道路交通是由人、機、環境組成的復雜動態的人機系統，而道路和環境就是“機”中動態變化的；將此模型應用于道路線形設計中，使修建出來的道路更加具有舒適性，對已經修建的道路進行評估，提供適于駕駛員的參考最高速度，，對預防交通事故發生有積極作用。

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