基于駕駛員心生理反應(yīng)的旅游區(qū)道路景觀評價模型研究

喬建剛，任鴻儒，周彤

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

基于駕駛員心生理反應(yīng)的旅游區(qū)道路景觀評價模型研究

喬建剛，任鴻儒，周彤

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

旅游區(qū)公路景觀既具自然屬性，又具社會屬性，既具功能性，又具觀賞性，為了提升旅游區(qū)道路沿線景觀，使其達(dá)到駕駛員行車舒適性的要求，通過大量的實地采集駕駛員行車時心生理反應(yīng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用離散的傅立葉變換方法，把時域上的心率隨機(jī)信號轉(zhuǎn)化為頻域上功率譜密度的值，得到道路景觀與駕駛員心生理反應(yīng)的變化規(guī)律；通過分析景觀破碎化指數(shù)與道路景觀、人類干擾強(qiáng)度的關(guān)系，構(gòu)建了旅游區(qū)道路景觀評價模型，為提高道路的安全性提出了一種新的思路。

交通運(yùn)輸工程；景觀；駕駛員；心生理反應(yīng)；道路模型

0引言

山區(qū)公路景觀影響駕駛員行車舒適性，山區(qū)道路反向曲線之間直線過短，在行車速度高而駕駛員調(diào)整操作的反應(yīng)時間內(nèi)通過的距離又較小，就可導(dǎo)致駕駛員的操作不及時而產(chǎn)生交通事故[1]；當(dāng)平曲線半徑<40 m時，駕駛員的心率增長率隨半徑曲線的切線變化發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，是心里最緊張最興奮的時刻[2]；熊廣忠提出：動視覺特性的應(yīng)用，公路線形自身的協(xié)調(diào)以及公路線形與環(huán)境的協(xié)調(diào)三方面對公路景觀有重要影響[3]。

國內(nèi)外在影響道路使用者感受方面研究的已經(jīng)出現(xiàn)，美國強(qiáng)調(diào)道路景觀要以用路者的視覺要求去組織，這應(yīng)是正確的路與環(huán)境的關(guān)系[4]；E. H. ZUBE等[5]證實駕駛信息主要來自外界環(huán)境，路側(cè)景觀對駕駛員的決策有顯著影響；段萌萌等[6]從駕乘人員的角度分析了山區(qū)高速公路邊坡景觀安全系統(tǒng)各組成要素，確定了影響公路邊坡景觀與安全協(xié)調(diào)度的指標(biāo)。以G207穿越獼猴自然保護(hù)區(qū)路段采集數(shù)據(jù)為實例，分析駕駛員心理反應(yīng)影響因素，指導(dǎo)建成道路沿線生態(tài)環(huán)境后期養(yǎng)護(hù)，具有十分重要的意義。

1數(shù)據(jù)采集

通過布設(shè)儀器，采集山區(qū)雙車道公路駕駛員心生理數(shù)據(jù)，如圖1～圖2。在樣本數(shù)據(jù)表1中，心率增長率是指某一時刻駕駛員的心率增長量與其在平靜狀態(tài)下平均心率的比值；景觀指數(shù)是指景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，它是由于自然或人為干擾所導(dǎo)致的景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程的參數(shù)。

圖1道路儀器現(xiàn)場布置Fig.1Site layout of road equipment

圖2數(shù)據(jù)采集動態(tài)監(jiān)測Fig.2Data acquisition dynamic monitoring map

表1樣本數(shù)據(jù)Table 1Sample data sheet

注：景觀因素計算在2.2小節(jié)中。

2山區(qū)道路生態(tài)恢復(fù)景觀因素

2.1駕駛員心率

行車心率的相關(guān)系數(shù)波形圖，如圖3，反映了行車心率隨道路線形及交通環(huán)境的不同而出現(xiàn)了對應(yīng)的周期性變化。為了解決此類問題，把時域上的心率信號或波形轉(zhuǎn)化為頻域上的信號或波形，具體轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)手段是應(yīng)用離散的傅立葉變換方法，設(shè)隨機(jī)信號序列為X(n)，n=0，1，……，N-1，則其傅立葉變換[7]：

(1)

式中：j為虛單位；w為圓頻率。

由式(1)可得功率譜密度的估計值為

(2)

圖3駕駛員行車心率變化Fig.3Heart rate change diagram of driver when driving

瞳孔異常變化反映駕駛員的精神狀態(tài)，如圖4，瞳孔尺寸一般變化范圍1.3～8 mm，試驗測量駕駛員平均瞳孔直徑為4.25±0.5 mm，醫(yī)學(xué)研究表明瞳孔尺寸：>5.5 mm為雙側(cè)性精神性出現(xiàn)焦慮、恐懼；<2 mm為雙側(cè)性心理性出現(xiàn)深呼吸、腦力勞累、睡眠困倦；極度的收縮時<1 mm，極度的擴(kuò)大時>9 mm。圖4為對應(yīng)樣本點與駕駛員心率變化對比，在V方向瞳孔尺寸最大為7.88 mm，超出異常尺寸43.27%，表明駕駛員在觀測點前后出現(xiàn)恐懼心理，輔助對比心率變化圖。

圖4本路段瞳孔尺寸變化范圍Fig.4Variation range of pupil size in this section

2.2環(huán)境因素

通過景觀破碎化指數(shù)分析不同路段：與人類活動密切相關(guān)的景觀類型，如苗圃、農(nóng)地、采伐基地，該指數(shù)與人類干擾強(qiáng)度成反比關(guān)系；受人類影響遺留下來的自然或半自然景觀類型，如各森林景觀斑塊，該指數(shù)與人類干擾強(qiáng)度成正比關(guān)系[8]。在人工干預(yù)的旅游區(qū)道路環(huán)境條件下，兩指數(shù)均高表示景觀狀況不佳，需改進(jìn)：FS1(斑塊平均形狀破碎化指數(shù))與FS2(面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù))公式如下：

FS1=1-1/MSI

(3)

FS2=1-1/ASI

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：MSI為景觀斑塊的平均形狀指數(shù)；ASI是用面積加權(quán)的景觀斑塊平均形狀指數(shù)；SI(i)為景觀斑塊i的形狀指數(shù)；P(i)和A(i)為景觀斑塊i的周長和面積；A為景觀總面積；m為景觀總斑塊數(shù)。

通過以上公式對衛(wèi)星地圖對G207道路尚莊至青龍?zhí)端淼擂D(zhuǎn)彎前路段沿線景觀進(jìn)行破碎化指數(shù)計算，如圖5。

圖5景觀破碎化指數(shù)對比Fig.5Comparison chart of landscape fragmentation index

由于人為干擾的加劇，G207道路沿線景觀破碎化程度較高。森林景觀破碎使大部分面積變成生態(tài)交錯帶[9]：一方面，使得林緣和交錯帶邊緣種增加，有利于生物多樣性，但由于二級路車流量大，人類活動頻繁，反而會影響開闊地生活動物在道路沿線聚集；另一方面，對于需要大面積內(nèi)部生境的林棲生物來說，道路修建切斷了森林廊道，導(dǎo)致物種流通阻隔和物種數(shù)量減少。因此，針對道路沿線環(huán)境特點，較高的景觀破碎化指數(shù)偏高不利于動物棲息繁衍。

3山區(qū)雙車道駕駛員心率模型

3.1單因素分析

3.1.1n-v曲線

整理實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)駕駛員心率變化率與車速之間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著行車速度的增加，駕駛員因精神的緊張而產(chǎn)生的心率增長率相應(yīng)加大，如圖6：

圖6駕駛員心率變化率與車速關(guān)系Fig.6Relationship between driver’s heart rate change ratio and the speed

3.1.2n-d曲線

通過數(shù)據(jù)分析得到駕駛員心率變化率與行車視距之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，由圖中可知駕駛員心率變化隨著視距增大視野開闊而降低，如圖7：

圖7駕駛員心率變化率與視距關(guān)系Fig.7Relationship between driver’s heart rate change ratio and range of visibility

3.1.3n-z曲線

駕駛員心率變化率與彎坡比之間的關(guān)系見圖8，可知駕駛員心率變化率隨道路線形變化出現(xiàn)峰值的趨勢。

圖8駕駛員心率變化率與彎坡比關(guān)系Fig.8Relationship between driver’s heart rate change ratio and the curved slope ratio

3.1.4n-f曲線

駕駛員心率變化率與道路景觀指數(shù)之間關(guān)系見圖9，當(dāng)?shù)缆费鼐€景觀破碎度指數(shù)較大時，駕駛員視覺效果較差，影響駕駛員行車舒適性。

圖9駕駛員心率變化率與景觀指數(shù)關(guān)系Fig.9Relationship between driver’s heart rate change ratio and landscape exponential

3.1.5單因素公式

分析4條曲線并對其進(jìn)行F檢驗，見表2。

表2樣本數(shù)據(jù)Table 2Sample data sheet

通過對以上單因素進(jìn)行F檢驗，檢驗結(jié)果滿足要求，即：在0.05的顯著條件下，單因素回歸方程有效。

3.2心率增長率模型

通過分析表1各項因素，針對駕駛員的心率變化，在實際中往往是多重因素綜合影響的結(jié)果，通過單因素回歸模型應(yīng)用SPSS統(tǒng)計分析出心率與各因素之間相互關(guān)系，見表3、表4。

由上得到景觀指數(shù)、車速、彎下坡比和視距與心率增長率關(guān)系模型：

n=2.137 7v+48.943 1d-0.496 4+2.629 2ln(z)+14.188f0.340 3-51.523 2

(8)

應(yīng)用F檢驗方程有效。

表3系數(shù)Table 3Coefficients

注：a.預(yù)測變量：(常量)，景觀指數(shù)，車速，彎下坡比，駕駛員視距。

表4模型匯總Table 4Summary of model

4結(jié)語

道路景觀影響駕駛員行車的舒適性，道路后期養(yǎng)護(hù)對沿線環(huán)境具有十分重要的影響，通過對旅游區(qū)道路上駕駛員心生理變化數(shù)據(jù)調(diào)查，對比分析得到駕駛員心率變化、瞳孔變化范圍。基于心生理變化規(guī)律，提出一種景觀設(shè)計方案評價模型，為旅游區(qū)道路景觀設(shè)計提供建議依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Road Landscape Evaluation Model at Tourist Area Based on the Driver’s Psychological and Physiological Responses

QIAO Jiangang, REN Hongru, ZHOU Tong

(School of Civil and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P. R. China)

The highway landscape at tourist area has both natural attribute and social attribute, which is both functional and ornamental. In order to enhance the landscape along the road at the tourist area and to achieve the driver’s requirements of driving comfort, a large amount of field acquisition data of drivers’ psychological and physiological reactions when driving was obtained. Through the discrete Fourier transform method, the heart rate random signal in time domain was transformed into power spectrum density value in frequency domain, and the variation rule of the road landscape and the driver’s psychological and physiological reaction was obtained. Through the analysis on the relationship among the landscape fragmentation index, the road landscape and the human disturbance intensity, the evaluation model of road landscape at tourist area was established, which provided a new thinking to improve the road safety.

traffic and transportation engineering; landscape; driver; psychological and physiological responses; road model

U418.9

A

1674-0696(2017)10-097-05

2016-06-20；

2016-09-04

國家自然科學(xué)基金項目(51108011)

喬建剛(1963—)，男，山西晉中人，教授，主要從事交通工程方面的研究工作。E-mail：qiaojg369@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.16