不同天氣狀況下高原公路縱坡路段駕駛負荷分析

高 超， 朱興林， 艾力·斯木吐拉， 蔣松強

(新疆農業大學 交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

近幾年來，重大、特大交通事故頻繁發生，不同于其他公路，高原公路獨特的地理位置以及特殊的低氧環境容易造成駕駛員反應遲緩，在行車過程中導致駕駛操作產生變形，行車判斷不準確，甚至會決策失誤，造成人員傷亡。高海拔地區空氣中的氧含量較低，心率會明顯加快，同時伴有心輸出量和血壓的增加，呼吸頻率明顯加快，會出現呼吸急促、胸悶等癥狀[1-2]。目前，國內對高原公路駕駛負荷與道路線形的研究仍處于起步階段，李文偉[3]等定量分析K隨高程H、豎曲線半徑R以及絕對坡差|ω|的變化規律，得出高程、豎曲線半徑和絕對坡差對駕駛員體力負荷均有明顯影響的結論；喬建剛[4]等分析高原區不同海拔高度駕駛員心率增長率的變化規律，并確定了高原區道路縱坡坡度限值和最大縱坡折減值；李巖巖[5]等通過定量分析，分別建立駕駛員β 頻段腦電(EEG)信號變化值與試驗路段海拔、道路線形之間的關系模型；劉洋[6]等通過定量分析，確定了高原公路縱坡路段影響駕駛員心率變化的主要因素；國外對高原公路的研究大部分集中在凍土及穩定性分析方面[7-8]；不僅僅是高海拔造成駕駛員產生高原反應，縱坡坡度及坡長加重了駕駛員的工作負荷。

國內外相關學者圍繞縱坡路段駕駛負荷進行了大量的研究，研究對象包括山區公路[9-10]，草原公路[11-12]，高原公路[13]，高速公路隧道[14-15]等。但是限于地理位置以及天氣狀況，考慮的因素僅僅只是海拔高度、縱坡坡度以及縱坡坡長；影響駕駛負荷變化因素考慮得還不夠全面，從未考慮在不同天氣狀況下，高原公路縱坡路段駕駛負荷的變化規律?；诖耍疚脑谇叭说难芯炕A上進一步分析在惡劣天氣下高原公路縱坡路段對駕駛人變化規律的影響。以期為高原公路設計提供理論依據，更好地減少不同天氣狀況下交通安全事故的發生和提高高原公路道路安全水平。

1 試驗

1.1 試驗道路

本次高原公路實地行車試驗路段位于國道G217獨庫公路K670+500～K692+000段，試驗路段為哈希勒根隧道口至喬爾瑪烈士陵園，路段長度大約21.5 km，哈希勒根隧道口海拔高度達到3500 m，為海拔高度最高點；喬爾瑪烈士陵園海拔高度約為2 500 m，為海拔高度最低點。限速50 km/h；此路段交通量小，路段通行狀況良好且基本不受影響，機動車較少，車輛全程處于自由行駛狀態，試驗期間車輛全程保持勻速50 km/h行駛，排除車速對駕駛員心理的干擾；行車試驗期間未受到其他車輛的干擾，縱斷面高程差起伏較大，且坡長變化范圍較大；同時，超車、會車的情況未出現，排除了各種外界車輛對生理指標的干擾。在相同路段(勻速行駛時每位駕駛員駛過路段的道路線形和海拔高度基本一致)行駛時駕駛負荷的變化也基本相同，即可剔除其他因素(彎道、路測環境及路測高度等)的影響?？v斷面走勢如圖1所示。

(a) 上坡路段

1.2 試驗儀器

試驗儀器選用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理儀采集心電參數，通過藍牙設備傳輸到電腦中，將探險家GPS Receiver插入電腦USB接口，對行車的海拔高度和經緯度進行檢測和收集，德國Ergoneers公司的D-LAB心理人因同步研究系統同步采集相關心電實時數據和GPS數據，并由D-LAB軟件自帶的數據處理模塊分析輸出數據并進行存儲，存儲格式是擴展名為txt 的文件，且設備連接狀況良好，數據傳輸正常，試驗期間設備無異常反應。用行車記錄儀進行路況錄制，試驗車輛為東風日產奇駿2.0L CVT自動擋SUV，見圖2。

(a) 生理儀

1.3 試驗人員

選取32名男性駕駛員作為被試駕駛員，年齡為24～61歲，平均年齡為34.8歲，實際駕齡為1～25 a，平均駕齡為9.2 a，維持平日的駕駛習慣，保持自然舒適狀態駕駛，所有被試駕駛員均有一定程度的駕駛經驗，能獨立自主地完成高原公路行車試驗任務。試驗開始前將電極片粘貼至被試駕駛員胸前，試驗過程中保證精力充沛并將ProComp Infiniti生理儀與駕駛員進行連接，且對試驗設備和儀器沒有不良反應，且被試駕駛員無心腦疾病歷史，見圖3和表1。

(a) 被試人員

表1 被試駕駛員基本信息表Table 1 Basic information of tested driver編號年齡民族駕齡/a編號年齡民族駕齡/a161維121754漢25227漢31832哈3345漢51928哈5430哈22035哈4533哈102134哈12636哈112236哈6738哈122340漢15830哈12438哈10929哈102529哈121048漢292625哈71139哈112724漢21225哈42824哈11332漢102939哈191442哈73027維71525漢33130哈41644漢253234漢7

1.4 試驗環境

為研究在不同天氣狀況下高原公路縱坡路段對駕駛員的影響，在海拔高度3 000～3 500 m試驗路段，試驗環境選取不同天氣狀況，即良好天氣和惡劣天氣，其中包括晴朗天氣、雪天+濃霧2種天氣狀況。在這2種不同天氣狀況下進一步研究高原低氧環境下縱坡路段對駕駛員工作負荷的影響。

2 評價指標的選取

心率是心臟每分鐘跳動的次數。心率的升高與緊張程度、作業強度成正比，并且與循環機能、呼吸有著極其密切的聯系，所以心率的波動是衡量人體承受負荷大小的一個非常重要的指標[13-15]。心率增長率可以實時、有效地反映被試駕駛人心臟跳動及心率波動的規律，故心率增長率是表征駕駛人負荷變化的敏感指標。心率增長率越大，駕駛負荷相應的也就越大。用被試駕駛人在行車前平靜坐姿狀態下的平均心率作為基準心率，用駕駛員行車過程中某一時刻的心率值作為實測值，進行心率增長率的計算，部分實驗數據見表2,其計算公式如下：

(1)

表2 部分實驗數據Table 2 Partial experimental data時間海拔/m坡長/m坡度/%平均心率值/(次·min-1)心率增長率/%22∶26.73 328230.530 54.47%67.836 978 7128.25%22∶42.93 335213.913 94.74%67.836 978 7130.37%22∶51.43 3441255.40%67.836 978 7125.45%22∶58.13 350111.111 13.20%67.836 978 7126.47%

3 數據分析

3.1 偏相關分析

利用SPSS對心率增長率與坡度、坡長之間的關系進行偏相關分析，分析結果如表3、表4所示，通過分析發現，各影響因素的顯著性水平均小于0.05，符合顯著性檢驗的結果。

表3 上坡路段偏相關分析Table 3 Partial correlation analysis of uphill section因素雪天+濃霧天氣與心率增長率相關分析晴天與心率增長率相關分析相關性顯著性(雙尾)自由度相關性顯著性(雙尾)自由度坡度0.7950530.769051坡長0.8610530.898051

表4 下坡路段偏相關分析Table 4 Partial correlation analysis of downhill section因素雪天+濃霧天氣與心率增長率相關分析晴天與心率增長率相關分析相關性顯著性(雙尾)自由度相關性顯著性(雙尾)自由度坡度-0.829054-0.91037坡長0.8960540.895037

在海拔高度3 000～3 500 m上坡行駛路段，2種不同天氣狀況下，坡長和坡度與心率增長率均有較強的相關性；惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，心率增長率與坡度、坡長的相關系數分別為0.795和0.861；良好天氣(晴天)下，心率增長率與坡度、坡長的相關系數分別為0.769、0.898；即在不同天氣狀況下，心率增長率與坡度中度相關(0.3 <=|r| < 0.8)，心率增長率和坡長高度相關(0.8 <=|r|<=1)。

在海拔高度3 500～3 000 m下坡行駛路段，在2種不同天氣狀況下，心率增長率與坡度、坡長均有較強的相關性，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，心率增長率與坡度、坡長的相關系數分別為-0.829、0.896；良好天氣(晴天)下，心率增長率與坡度、坡長的相關系數分別為-0.91、0.895；相關系數r的絕對值均大于0.8，屬于高度相關(0.8 <=|r| <=1)；且坡度與心率增長率呈高度負相關。

3.2 坡長與心率增長率的關系

3.2.1上坡路段

利用Origin軟件對數據進行整理并繪出散點圖，海拔高度3 000～3 500 m上坡路段，在惡劣天氣和良好天氣下進行行車試驗中，心率增長率和坡長有著很強的相關性，離散程度較低；即隨著坡長的增加，海拔高度的不斷升高，駕駛員為適應高海拔地區含氧量下降及不斷變化的縱坡長度，心率增長率也不斷增加。如圖4所示，晴天天氣狀況下，隨著坡長的增加，心率增長率呈增大的趨勢，心率增長率從15%到40%較為穩定地增長，沒有出現大幅度的波動，數據點均處在95%置信區間和預測區間之中，可信程度較高。在雪天+濃霧天氣下，坡長200 m以內，心率增長率未出現較大幅度的增長；隨著降雪量及大霧濃度增加，行車視野下降，駕駛員無法準確地判斷前方路況及不斷變化的道路線形；坡長超過200 m時，坡長越長，駕駛員心率增長率出現大幅度的增長，心率增長率對坡長的變化更加敏感；溫度降低路面結冰導致輪胎與地面摩擦系數降低，容易造成輪胎輕微的打滑，駕駛員駕駛負荷急劇增加，心率增長率最高值接近76%。復雜多變的天氣條件給駕駛條件帶來了極為惡劣的影響，為道路的交通安全埋下了極為惡劣的隱患。

圖4 上坡路段坡長-心率散點圖Figure 4 Slope length heart rate scatter diagram of uphill section

3.2.2下坡路段

如圖5所示，在海拔高度3 500～3 000 m下坡路段行車試驗時，晴天天氣狀況下，隨著坡長的增加，心率增長率隨之增大，心率增長率增長幅度較為穩定；雪天+濃霧天氣狀況下，道路能見度降低，路面結冰造成輪胎輕微打滑，車速會適當地加快，為此駕駛員要進行車速控制和穩住方向，當坡長超過200 m時，汽車制動的距離變長，駕駛員注意力和精力高度集中，出現緊張的狀況，心率增長率增長幅度變大，在高原公路復雜的惡劣天氣狀況下，心率增長率由40%增加至75%，駕駛負荷處于高度負荷狀態，嚴重影響道路交通安全。

圖5 下坡路段坡長-心率散點圖Figure 5 Slope length heart rate scatter diagram of downhill section

3.3 坡度與心率增長率的關系

3.3.1上坡路段

當駕駛員在不同天氣狀況下行車試驗時，由圖6(b)可知，晴天天氣情況下，在3%～7%的坡度范圍內，隨著坡度的增加，心率增長率隨之增加；當坡度大于5%時，心率增長率的增長幅度更為明顯，即心率增長率對坡度的變化較為敏感。究其原因在于，坡度越大，上坡時的行駛阻力越大，為了避免車速發生衰減，駕駛員需增加更多的腳步操縱量來提高發動機的輸出功率，導致體力負荷增加；與此同時，雪天+濃霧天氣狀況下，陡峭的縱坡和模糊的視線會給駕駛員造成視覺上的壓力，加重駕駛人的精神負荷和心理負擔，如圖6(a)所示。

圖6 上坡路段坡度-心率散點圖Figure 6 Gradient heart rate scatter diagram of uphill section

3.3.2下坡路段

在整個坡度區間內，晴天天氣狀況下，由于行車試驗天氣狀況良好，駕駛員能清晰地認知高原公路不斷變化的道路線形，進行相對準確的判斷和方向操作。隨著坡度的增加，心率增長率也相應地增加，增加趨勢趨于平緩，如圖7(b)所示。雪天+濃霧天氣狀況下，能見度較低，駕駛員視線不足，如圖7(a)所示。在濃霧環境中，駕駛員無法判斷連續變化的道路線形，隨著坡度的增加，心率增長率顯著增加。當坡度大于5%時，已處于陡坡路段，心率增長率對坡度變化愈加敏感，即陡坡路段的駕駛負荷水平更高，更應注意行車安全。在下坡路段(尤其是陡坡)，路面結冰輪胎打滑，駕駛人需要不斷踩剎車踏板來控制車速，同時還需要操縱轉向盤對行駛方向進行修正，這些操作都加大了駕駛員的行車試驗過程中的工作量，容易造成駕駛員精神緊張甚至引發內心恐慌。

圖7 下坡路段坡度-心率散點圖

4 坡長、坡度與心率增長率的關系模型

根據以上分析可知，天氣因素、坡度和坡長對駕駛負荷的影響較大。因此，可以分別建立在不同天氣狀況下，上、下坡路段行車時心率增長率與坡長、坡度的關系模型；并用F檢驗對多元線性回歸模型中心率增長率與坡長、坡度之間的線性關系在總體上是否顯著做出推斷。檢驗公式如下：

(2)

式中：F為檢驗原假設H0的統計量；SR為回歸平方和；Se為剩余平方和；N為樣本量；M為變量個數。

4.1 上坡模型

利用SPSS軟件對不同天氣狀況下縱坡路段駕駛負荷建立多元線性回歸模型，其中Ni、i、L分別代表心率增長率、坡度、坡長。在惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，通過方差分析表可以得出，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=116.537>F0.05(2，52)=3.175，故拒絕原假設H0，即認為在惡劣天氣下高原公路上坡路段坡長及坡度對駕駛員心率增長率線性影響是顯著的；在晴朗天氣下，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=120.567>F0.05(2，50)=3.182，故拒絕原假設H0，即認為在晴朗天氣下高原公路上坡路段坡長及坡度對駕駛員心率增長率線性影響是顯著的。上坡路段方差分析見表5。因此，不同天氣狀況下上坡路段多元線性回歸模型表達式為：

Ni=5.031i+0.143L-16.95，R2=0.904，該模型的適應范圍i∈(3%，7%)，L∈(100 m，350 m)，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)。

Ni=-2.349i+0.156L+5.805，R2=0.910，該模型的適應范圍i∈(3%，7%)，L∈(100 m，350 m)，良好天氣(晴天)。

表5 上坡路段方差分析表Table 5 Analysis of ANOVA on the uphill section方差來源雪天上坡模型方差分析晴天上坡模型方差分析平方和自由度均方F顯著性平方和自由度均方F顯著性回歸9 777.62724 888.814116.5370.000b1 775.952887.975120.5670.000b殘差2 181.4455241.951368.25507.365總計11 959.072542 144.252

4.2 下坡模型

在惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)下，通過方差分析表可以得出，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=144.524>F0.05(2，53)=3.172，故拒絕原假設H0，即認為在惡劣天氣下高原公路下坡路段坡長及坡度對駕駛員心率增長率線性影響是顯著的；在晴朗天氣下，sig為0，p<0.05，故方差整體顯著，該模型的F=104.179>F0.05(2，36)=3.26，故拒絕原假設H0，即認為在晴朗天氣下高原公路下坡路段坡長及坡度對駕駛員心率增長率線性影響是顯著的。下坡路段方差分析見表6。因此，不同天氣狀況下下坡路段多元線性回歸模型表達式為：

Ni=9.652i+0.370L+16.717，R2=0.919，該模型的適應范圍i∈(-7%，-3%)，L∈(100 m，350 m)，惡劣天氣(雪天+濃霧天氣)。

Ni=-3.128i+0.895L+6.676，R2=0.923，該模型的適應范圍i∈(-7%，-3%)，L∈(100 m，350 m)，良好天氣(晴天)。

表6 下坡路段方差分析表Table 6 Analysis of ANOVA on the downhill section方差來源雪天下坡模型方差分析晴天下坡模型方差分析平方和自由度均方F顯著性平方和自由度均方F顯著性回歸6 459.09323 229.546144.5240.000b780.762390.38104.1790.000b殘差1 184.345322.346134.9363.747總計7 643.43255915.6638

5 結論

不同天氣狀況下，心率增長率與坡長、坡度有著很強的相關性。在良好天氣和惡劣天氣下，心率增長率是有效分析高原公路駕駛負荷變化的評價指標。

晴天天氣狀況下，心率增長率隨著坡長的增加而增加；雪天+濃霧天氣狀況下，道路能見度降低；隨著坡長的增加，車速會適當的加快，為此駕駛員要進行車速控制和穩住方向；當坡長超過200 m時，汽車制動的距離變長，駕駛員注意力和精力高度集中，出現緊張的狀況，心率增長率增長幅度變大，駕駛負荷處于高度負荷狀態。

在3%～7%的坡度范圍內，晴天天氣狀況下，心率增長率隨著坡度的增大而增加，當坡度大于5%時，心率增長率對坡度的變化較為敏感；在雪天+濃霧天氣狀況下，當坡度大于5%時，陡峭的縱坡和模糊的視線會給駕駛員造成視覺上的壓力，加重駕駛人的精神負荷和心理負擔，即陡坡路段的駕駛負荷水平更高，更應注意行車安全。