山區雙車道公路路域空間中駕駛視覺心生理負荷特性研究

孟云偉 張熙衍 青光焱 王昌華 羅建群 公維勇

(重慶交通大學交通運輸學院1) 重慶 400074) (重慶交通大學土木工程學院2) 重慶 400074) (招商局公路信息技術(重慶)有限公司3) 重慶 400067)

0 引 言

山區雙車道公路因其所處的地形、地質條件的復雜性，道路線形指標的取值，往往較為苛刻，對駕駛人的安全行車產生了直接影響[1]，這首先是表現在駕駛心理負荷方面.在山區公路的行車過程中，內外部行車環境的實時變化，為駕駛環境提供豐富的動態信息來源，如道路線形、氣象、其他車輛及行人等.而視覺感官是駕駛人接受信息的主渠道[1]，視覺所獲得的信息，隨著車輛的行駛過程是連續的，從而引起駕駛人視覺負荷的變化.山區公路有豐富的路域空間類型，駕駛人在其中行車，所承受的視覺負荷，與路域空間類型有著密切的交互影響關系[2].

關于駕駛視覺負荷，國內外的學者已有較多的研究.Gaetano等[3]運用聚類技術對道路視覺信息進行提取并分析，尋找出具有關聯性的變量.在不同等級道路下，胡立偉等[4]將駕駛人的動態視覺指標進行了研究分析，認為在不同等級的公路條件下，視覺動態指標存在規律性的變化.馬勇等[5]進行了駕駛視覺參數獲取的試驗，分析了駕駛人注視區域、注視時長、注視目標等參數，對駕駛人在不同道路條件下的眼動行為進行了研究.許金良等[6]分析了駕駛人動視覺特性的多個指標，劃分了高速公路駕駛視覺敏感區.段萌萌等[7]以高隧道比路段作為研究對象，對駕駛人的視覺負荷進行了研究，用瞳孔面積最大速率值來評價駕駛人在隧道口的視覺負荷.Pierre等[8]基于駕駛模擬的方法，在同一條道路的單調景觀和復雜景觀環境下，用方向盤的轉動角度，評價駕駛人所受的視覺刺激程度，結果表明在單調景觀環境下，駕駛人承受較少的視覺負荷，易導致駕駛疲勞.Crundall等[9]將駕駛人分為經驗少、非熟練、熟練3個等級，探究了3種駕駛人在不同道路施加的不同視覺負荷下的視覺搜索的差異性，研究發現，駕駛員的熟練程度不同，對駕駛視覺負荷的反應策略也有所不同.陳云等[10]以瞳孔面積的變化速度作為駕駛視覺負荷的表征指標，研究了不同車輛類型下，駕駛人在小半徑短隧道洞口行駛過程中的視覺負荷變化規律.焦方通等[11]以瞳孔面積最大瞬態速度值作為駕駛視覺負荷表征指標，研究了城市水下特長隧道出入口的視覺負荷變化規律，提出了隧道入口設置格柵式遮光蓬的建議.

從以上研究成果可知：對駕駛視覺負荷的研究成果，多集中于駕駛視覺負荷的表征、與特殊構造路段的關聯性等方面，而對于由路域空間類型所引起的駕駛視覺心生理負荷的動態變化，所開展的研究相對較少.本文擬通過在不同路域空間中進行實車試驗，獲取有關的駕駛視覺參數，研究駕駛人負荷的變化特性，探究路域空間類型與駕駛心生理負荷之間的內在聯系.從視覺、心率指標，對駕駛人在不同的路域空間的心生理負荷進行分析研究.在此研究的基礎上，可增加實驗手段，擴展研究指標，同時與交通安全預警、安全風險識別相結合，形成完整的理論及應用體系.

1 試驗設計

路域空間分為開敞式、半郁閉式、郁閉式三種類型[12].通過實車試驗對山區公路的路域空間信息進行收集，作為對駕駛視覺心生理負荷研究的基礎數據.

試驗路段選擇在重慶市巴南區省道S104，路段長度約56 km，該路段有多處小半徑曲線、道路環境變化復雜多樣，具備三種空間類型，是典型的山區雙車道公路特征.

實車試驗的內容主要包括記錄路域空間的動態變化、車輛的行駛參數等指標.試驗中利用Dikablis眼鏡式眼動儀和高清攝像裝備對駕駛人的眼動數據、路域環境變化數據進行采集.

參與試驗的駕駛人為10名男性，矯正視力均在5.0以上，年齡均在25～35歲，駕齡在2～10年，進行試驗前保證每位駕駛人身體無異樣，精神狀態良好.試驗時，天氣多云.

選取路側景觀連續變化的一段道路，為保證數據連續有效，全程不間斷采集、儲存記錄數據.將試驗中所所攝制的道路環境視頻以單位時間為間隔來提取成行車圖像，以便于對路域空間變化進行量化計算，通過眼動儀采集駕駛人的瞳孔面積數據.

2 視覺心生理負荷指標選擇及分析方法

表征駕駛負荷的指標，分為多種，且目前尚未統一[13-14].對于駕駛人的負荷，本文借鑒已有的類似的研究成果，從生心理兩個方面，采集能表征駕駛負荷的數據，而不再區分其究竟屬于生理負荷，還是心理負荷，因為無論是從生理還是心理方面，都是駕駛人這一載體.因此，本文選取的表征駕駛心生理負荷的指標是瞳孔面積、心率，并研究這兩個指標在不同路域空間類型中的一致性.在試驗中，對不同的路域空間類型，均使用眼動儀、心率計等儀器，進行眼動、心率等數據的采集.

2.1 瞳孔面積變化率

駕駛人的瞳孔面積，在駕駛過程中的動態變化，體現了駕駛負荷的變化.瞳孔面積變化越大，說明負荷越大.本文采用瞳孔面積的變化率來表征駕駛負荷.首先對所采集到的瞳孔面積數據進行K-S正態分布檢驗，結果見表1.

表1 瞳孔面積假設檢驗結果

正態分布檢驗的結果顯示，K-S正態分布檢驗的P>0.05，保留原假設，即瞳孔面積數據服從正態分布，可用于數據分析.

研究表明[15]，在駕駛行車過程中，瞳孔面積變化率超過20%時，駕駛人就會產生緊張情緒，超過40%時，駕駛人心理負荷處于較高狀態，容易發生危險.瞳孔面積變化率的計算為

(1)

式中：φe為瞳孔面積變化率；Ai為瞳孔面積；A0為瞳孔初始面積.

2.2 心率變化率

在路域空間類型的影響下，駕駛人的心率變化能表征駕駛負荷[16].心率變化越大，說明負荷越大.一般情況下，人的心率在65～95次/min，平均在75次/min.首先對心率數據進行K-S正態分布檢驗，以驗證數據用于分析的可行性，結果見表2.

表2 心率假設檢驗結果

正態分布檢驗的結果顯示，K-S正態分布檢驗的P>0.05，保留原假設，即心率數據服從正態分布，可用于數據分析.

采用心率變化率為表征指標，心率變化率的計算為

(2)

式中：φh為心率變化率；Hi為心率值；H0為正常心率值.

3 結果分析

通過上述數據分析方法，對10名被試的瞳孔面積變化率、心率變化率進行初步的統計，其中瞳孔面積變化率的分布范圍為0.50%～23.71%，心率變化率的分布范圍為12.00%～26.67%.

3.1 指標的相關性

相關性分析是對兩個或多個隨機變量之間是否存在相關性進行判斷的一種統計分析方法，各變量的相關程度依靠相關系數r、顯著性水平p值來判斷.當相關系數r>0.8時，表示變量間相關性極強；當0.6

對試驗中得到的2個參數的相關性分析，結果見表3.

表3 相關性分析

由表3可知，瞳孔面積變化率與心率變化率之間的相關系數r=0.598>0.5，顯著性水平(雙側)為p=(<0.001)<0.05，說明瞳孔面積變化率與心率變化率的相關性強.本文用這2個指標，分別對不同的路域空間類型下的駕駛心生理負荷進行研究.

3.2 心生理負荷與路域空間類型的關聯性

為了更直觀的分析不同路域空間類型下的瞳孔面積變化率、心率變化率的分布特性，采用箱型圖對數據進行研究.使用的是10名被試所采集的數據，將其進行整體分析.

1) 瞳孔面積變化率 在典型的不同路域空間類型下，對駕駛人行駛120 s的瞳孔面積變化率的數據進行采集，數據采集頻率為每0.1 s采集5～7組數據，共獲得樣本1 837個，剔除其中的3組異常數據，部分瞳孔面積變化率數據，見表4.

表4 瞳孔面積變化率數據

根據表4得到的不同路域空間下的瞳孔面積變化率數據可知，駕駛人在開敞空間行駛時的瞳孔面積變化較小，基本處在7 mm2左右；而駕駛人在半郁閉、郁閉空間行駛時下，瞳孔面積會增大到8 mm2，較開敞空間有明顯變化.進而對瞳孔面積變化率進行計算，得到瞳孔面積變化率的分布特性，見圖1.

圖1 瞳孔面積變化率

由圖1可知，在不同路域空間類型中行駛，駕駛人的瞳孔面積變化率呈現不同的特點.瞳孔面積變化率越大，說明駕駛心生理負荷越大.取該指標的平均值作為分析的對象，由此可見，在開敞式中行車時，駕駛心生理負荷最小，均值為7.08%，半郁閉式的稍大，均值為9.37%，而郁閉式的最大，達到20.23%，即郁閉式>半郁閉式>開敞式.在山區雙車道公路的試驗路段上，主要的路域空間類型是半郁閉式、郁閉式的，開敞式的相對較少.駕駛人在此二類空間中行車時，受到路側交通標志、非機動車、對向車輛等外界因素的綜合影響，注視點會隨時跳動，因不同的關注對象，瞳孔面積會發生持續的變化；而在開敞式中行車時，駕駛人的視野較為開闊，無需注視過多對象，因此瞳孔面積的變化率較小.

從數據的變異性來看，在半郁閉、郁閉式的類型下，不同被試瞳孔面積的變異性較明顯，尤其是在郁閉式的類型下.不同的注視對象，將產生不同的瞳孔面積變化率，因此，在郁閉式的類型中行車時，被試所注視的對象是不同的.

2) 心率變化率 心率變化率采集的原始數據，與瞳孔面積變化率的數據，在人員上一致.心率變化率的樣本數量為186個，剔除異常數據，獲得有效數據共182個，部分心率變化率的數據，見表5.

表5 心率變化率數據

由表5可知，駕駛人在開敞空間行駛時，心率較為緩和，基本處于75～80次/min之間；當駕駛人在郁閉，半郁閉空間行駛時，駕駛人心率波動較大，處在80～90次/min之間.因此對得到心率變化率的分布特性進行分析，見圖2.

圖2 心率變化率

由圖2可知，在不同路域空間類型中行駛，駕駛人的心率變化率也呈現不同的分布特點.心率變化率越大，說明駕駛心生理負荷越大.同樣地，取該指標的平均值作為分析對象，在開敞式路域空間類型中的駕駛心生理負荷最小，均值為8%，半郁閉式的較大，均值為14.67%，而郁閉式的最大，達到21.33%，即駕駛人心率變化率為：郁閉>半郁閉>開敞.在開敞式路域空間中行車時，駕駛人視野開闊，駕駛操作較少，有充足的時間應對突發事件，駕駛心生理負荷由此最小；而在半郁閉式、郁閉式中，視野受到限制，駕駛人需同時應對多個注視對象，駕駛操作隨之增大，心理預期與實際路況出現較大不符，因此駕駛心生理負荷增大.

從數據的變異性來看，在郁閉式的類型下，不同被試的心率變化率的差異性也較明顯，從視覺是外界信息來源的主通道這一角度解釋，這說明被試對于行車環境有不同的注視點，各注視點所載信息不同，造成了被試心率變化率差異明顯的結果.

4 結 論

1) 對于山區雙車道公路中的開敞式、半郁閉式、郁閉式空間類型，駕駛人的視覺心生理負荷，可用瞳孔面積變化率、心率變化率這2個指標進行表征，且2個指標的相關性強.

2) 在開敞式空間中，駕駛人的視覺心生理負荷最小，半郁閉式的較大，郁閉式的最大；駕駛負荷的計算值的對比，與駕駛人的感受，保持了一致.

3) 通過對駕駛負荷產生機理的分析，在郁閉式、半郁閉式的空間中，建議適當減少和統一視覺刺激物的設置，如標志、路側接入口等設施的數量和位置，同時保持較低的行駛速度，以利于駕駛人更多地注視于有效的交通信息源上.