影響駕駛員心生理變化的高速公路路側植物的選擇原則

喬建剛, 李士宣, 王偉, 孫建斌

(1. 河北工業大學 土木與交通學院, 天津 300401； 2. 河北工業大學 天津市交通工程綠色材料技術研究中心, 天津 300401；3. 山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250000)

隨著我國經濟實力的增強,高速公路的路側景觀日益受到重視[1-3],其設計逐漸與當地的文化、歷史特點相結合[4].在高速公路上,駕駛員的心生理隨著不同的路側景觀而變化.例如，路側灰色的水泥結構物會給駕駛員帶來沉悶和孤獨等負面效果,而設置合理的植物則會給駕駛員帶來舒適的感覺,降低駕駛過程中的疲勞程度,增強行車的安全性[5-7].朱菲[8]以色彩效應、路側景觀尺度及駕駛員的視覺敏感度分級為切入點,論述高速公路路側景觀要素的設計原則和方法.李亞云[9]以長興島潘園公路路側景觀為例,將生態美學和植物配置融入景觀設計中.目前,路側植物的景觀設計大多與美學、地域文化相結合,較少結合駕駛員的視覺特點.為了使高速公路路側植物的選擇更具人性化與安全性,本文對駕駛員在駕駛過程中不同視點區域的心生理數據進行研究,提出高速公路路側植物的選擇原則.

1 實驗設計

1.1 實驗地點和儀器

通過實驗研究駕駛過程中，駕駛員在公路可見范圍內的不同視點對駕駛員心率、瞳孔面積變化的影響.實驗地點為曲港高速;實驗儀器為心電儀、眼動儀;實驗車輛為小型車輛皮卡.為了避免道路線形及行車速度對實驗結果的影響,選擇的實驗路段接近于直線路段,行車速度為80～90 km·h-1.

表1 駕駛員的基本信息Tab.1 Basic information of drivers

1.2 實驗人員

為了避免實驗結果的偶然性,選擇3名男性駕駛員進行測試.駕駛員的基本信息，如表1所示.表1中：x為年齡;y為駕齡.心電儀的安裝及眼動儀的配戴，如圖1,2所示.

圖1 心電儀的安裝 圖2 眼動儀的配戴Fig.1 Electrocardiograph installation Fig.2 Eye tracker wear

2 實驗結果與數據分析

圖3 明暗程度等級的劃分Fig.3 Classification of light and dark degree

2.1 分析方法

為便于分析駕駛員的不同視點及其明暗程度對駕駛員心生理的影響,對測試圖片進行灰度處理,并將視點的明暗程度劃分為10個等級.明暗程度等級的劃分，如圖3所示.

當身體處于緊張狀態時,體內交感神經的活動使心跳加速、瞳孔散大；反之,當身體處于放松狀態時,相較于緊張狀態，交感神經的活動使心跳變得相對緩慢、瞳孔縮小.

駕駛員的心率變化率δ1及瞳孔面積變化率δ2的計算公式分別為

(1)

式(1)中:n1,S1分別為駕駛員處于平靜狀態時的心率和瞳孔面積;n2，S2分別為駕駛員處于動態時的心率和瞳孔面積.

2.2 確定視點

確定3個不同的視點,并對其進行灰度處理.駕駛員的視點，如圖4所示.圖4中：視點A～C的明暗程度等級分別為5～6，3～4，4～5.

(a) 視點A (b) 視點B (c) 視點C圖4 駕駛員的視點Fig.4 Driver′s viewpoints

2.3 駕駛員的心率及瞳孔直徑的變化

通過心電儀和眼動儀采集駕駛員在駕駛過程中的心率和瞳孔直徑,并找到與視點A～C類似的視點,分別取心率和瞳孔直徑的平均值,計算出駕駛員心率和瞳孔面積的變化率.不同視點的駕駛員心生理變化,如圖5所示.由圖5可知：不同的視點對應的駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率有所差別.

喬建剛等[10-11]提出駕駛員的心率變化率與其緊張程度的關系,得出駕駛員心理舒適、緊張及恐懼3 種狀態下對應的心率變化率閾值分別為18%,27%和39%.尚婷等[12]提出當瞳孔面積的變化率超過20%，駕駛員開始處于緊張狀態.因此，視點A的駕駛員處于緊張狀態，視點B，C的駕駛員則處于舒適狀態,這說明植物可以有效地改善駕駛員的心理狀態,增強行車的安全性.雖然視點B，C的駕駛員處于舒適狀態,但從改善程度來看,視點B處的植物效果更佳.因此,當植物的明暗等級為3～5時,更能有效地減緩駕駛員的緊張程度,增強行車安全性.

(a) 心率變化率 (b) 瞳孔面積變化率圖5 不同視點的駕駛員心生理變化Fig.5 Driver′s heart physiology change of different viewpoints

3 路側植物的選擇

植物一般通過自身的色彩對駕駛員心生理變化產生影響,當色彩不同時,其明暗程度則有所差異.

表2 高速公路常用的綠化護坡植物Tab.2 Commonly used green slopeprotection plants on express way

明暗程度等級為3～5的色彩有紅色、橙色、黃色和淺綠色,具有這些色彩的植物會給人一種柔和而溫暖的感覺;明暗程度等級為5以上的色彩有深綠色、紫色,這些冷色調的植物會給人一種消沉而沮喪的感覺,對行車安全極為不利.高速公路常用的綠化護坡植物,如表2所示.

在選擇高速公路路側綠化護坡植物時,應盡可能選擇色彩較為明亮的植物,有利于減緩駕駛員的心率和瞳孔面積變化,提高行車的舒適性與安全性.張明浩[13]指出路側綠化植物的顏色采用兩種較為適宜；若僅有一種綠化植物,則比較單一,會增加駕駛員的疲勞程度;若3種以上,則會增加駕駛員的反應時間,不利于行車安全.考慮到冬季行車環境可能比較單一,可以選擇油松、側柏等常綠喬木,配合其他暖色調植物形成一定的空間感,增強駕駛員的視覺感,提高行車的舒適性和安全性.

4 結論

1) 合理地選擇路側植物可以有效地降低駕駛員的心率和瞳孔面積的變化率,給駕駛員提供一個舒適、安全的行車環境.

2) 從改善駕駛員的心生理狀態的效果來看,明暗程度等級為3～5的植物更能有效減緩駕駛員的緊張程度,提高行車的安全性.

3) 在選擇綠化植物時,顏色以淺綠色、黃色等暖色調為宜,再配合適量油松、側柏等常綠喬木,可達到三季有花、四季常綠的景觀效果.