高速公路服務區加速車道長度對駕駛舒適性的影響

歐陽有鵬，曹禮榮，王思維，李睿涵，支 梅，楊 杰

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

加速車道是為來自低速車道的車輛過渡到高速車道而專門設置的附加車道，其建設可有效改善交通狀況，減少干擾，增加容量，提高安全性[1-2]。但在車輛并線過程中，駕駛員視覺空間變化頻繁，很容易產生心理壓力，使其駕駛舒適性降低，從而導致交通阻塞和交通事故的發生，高速公路加速車道尤其如此。針對此問題需對駕駛員的生理適應性做出針對性分析，從而確保在加速車道設置上，不會因為引起駕駛員生理或心理上的不適而產生潛在風險。

駕駛員舒適性受多種因素影響，例如道路景觀、路面和線性特性等外在環境將直接作用于駕駛員的直觀感受，而駕駛員性別、年齡、性格、駕駛技能等個人特征則會影響駕駛員對舒適性的認知[3-5]。早期關于駕駛員感知的研究大多基于駕駛員的主觀感受[6]。MYERS等基于社會認知理論，針對老年駕駛員開發了白天和夜間的駕駛舒適性量表[7]。李磊等通過發放和分析問卷，基于TPB理論構建了疲勞對駕駛行為的研究模型[8]。駕駛員主觀感受變化必然引起生理指標的波動，二者聯系緊密[9]。越來越多的學者選擇通過對駕駛員生理數據的收集，實現對駕駛舒適性的研究。

目前，駕駛舒適性研究多從人體工學角度出發，通過設計并改善駕駛員操作設備[10]，從而達到提升駕駛舒適性的目的。但現有研究大多在駕駛模擬器中進行，真實環境下高速公路服務區加速車道的駕駛員狀態尚待驗證，駕駛員在與外在環境交互過程中，駕駛員舒適性的變化也缺乏研究。通過開展實車實驗，分析駕駛員視點分布特征與心率之間的聯系，建立多遠線性回歸模型，以心率增長率作為表征駕駛舒適性的生理指標，緊張度作為中間變量，提出了駕駛舒適性等級劃分的閾值，為高速公路服務區加速車道長度設計提供一定參考。

1 理論基礎

相關研究已證明，不同駕駛場景下的駕駛員生理指標差異明顯，通過生理指標的合理選取可準確反映駕駛員行駛時心理狀態的變化[11-13]。FENG等為研究駕駛員在城市地下通道縱向段的生理和行為特征，選取心率增長率作為反映駕駛員心理變化的參數，建立了心率、速度和坡度之間的關系模型，結果表明，隧道中下坡行駛時心率增長率波動顯著大于上坡，反映駕駛員在下坡時間心理緊張程度更高[14]。AHO等利用駕駛模擬器，通過對駕駛員EEG/ECG/EOG和fNIRS數據的分析，提出了駕駛狀態的評價方法[15]。SHINAR等對34名來自不同年齡段正常和患有睡眠障礙的志愿者進行實驗，發現隨著疲勞的誘發，心率呈下降趨勢[16]。PENG等對從真實駕駛環境中采集的駕駛員心電圖、皮膚電反應、呼吸等生理信號，從時間、光譜和小波域中廣泛提取特征，發現不同程度的駕駛壓力可以通過一組特定的生理指標來表征[17]。梁波等通過實車實驗，利用單因素方差分析和模糊綜合分析法來探究特長隧道出入口對駕駛員生理指標的影響，結果表明瞳孔面積、心率和呼吸頻率在特長隧道不同區段均有顯著性差異，入口內的整體生理負荷最大[18]。楊運興等對眼動儀和生理記錄儀收集的數據分析，發現郁閉空間給駕駛員帶來較大的心理負荷[19]。

加速車道作為評價道路安全與運行狀況的一個重要方面，部分學者已從幾何參數、匝道速度、車流量等方面對其長度以及附近區域的影響程度開展過相關研究，并提出最小長度建議值[20-22]，但關于其對駕駛員舒適性影響的研究較為缺乏。以上研究表明，可靠的生理指標能夠直觀反映出駕駛員真實的生理和心理狀態，這為定量分析駕駛員舒適性奠定了一定研究基礎。

2 實驗方案

2.1 實驗原理

加速車道不僅可為匝道車輛提供一個可加速場所，也提供了一個選擇與主線車輛合流的觀察地段。《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)規定：中國的加速車道原則上采用平行式，當加速車道為雙車道時采用直接式。根據實驗路段情況，主要研究平行式加速車道。一般可將其分為3個階段：加速段、等待段和漸變段，如圖1所示。

圖1 加速車道示意Fig.1 Sketch of acceleration lane

根據研究目標和指標代表性，選擇注視時間百分比、平均注視時間、掃視幅度、眨眼率等眼動指標和心率作為駕駛員生理指標[23-24]。以眼動指標考查人獲取外界信息是近年來心理學研究的重要領域。在需注意力集中的駕駛情況下，駕駛員表現出舒適程度下降，同時出現緊張、焦慮情緒。

心率增長率可表征駕駛員在行車過程中的緊張程度以及心率變化幅度。由于心率為連續變化的量，為簡化研究過程。實驗過程中，從車輛進入加速車道開始，每30 s記錄一次心率，至駛出加速車道結束，取其平均值作為駕駛員在加速車道內行駛時的心率。其計算公式為

(1)

式中N為行車時心率增長率，%；n1為行車時平均心率，次/min；n2為靜態時平均心率，次/min。

2.2 參與者

根據試驗要求，選擇20名年齡為25～40歲并持有小型車駕駛執照的駕駛員參與實驗，駕齡在3～5 a，所有參與者視力均正常或矯正后正常。并確保試驗參與者對試驗服務區不熟悉，避免由于參與者對服務區位置太熟悉而影響到行駛過程中眼動數據的準確性。

2.3 實驗設備

實驗車輛(雪佛蘭SUV)2臺。心率監測設備和ETG2w型無線眼動追蹤眼鏡系統各一部。Eye Tracking Glasses眼鏡式便攜型眼動追蹤系統設計成可以實現雙眼采集的高度集成化眼鏡式樣，外觀自然，佩戴舒適。

2.4 實驗流程

實驗地點為包茂高速陜西段的JBN，ASH和YHG服務區。時間為夏季7月份，北京時間的13∶00～16∶00。測試范圍從車輛進入服務區加速車道開始到并線結束。經測量，JBN，ASH以及YHG服務區加速車道長度分別約為80，180，330 m。借鑒日本《高速公路設計要領》規定服務區匝道的設計速度，原則上采用40 km/h。因此，實驗控制駕駛員在駛出服務區出口匝道時，速度不大于40 km/h。中國《道路交通安全法實施條例》規定，同方向雙車道，行車道時速為60～100 km/h，超車道時速為100～120 km/h。具體實驗流程如下

1)將長度分別約為80，180，330 m的JBN，ASH和YHG的服務區加速車道定義為較短、中等及較長3種長度加速車道。

2)駕駛員在知曉實驗流程及目的情況下填寫實驗知情書。

3)駕駛員在服務區內佩戴心率監測設備，調試并校準眼動儀。考慮到交通流對實驗數據的影響，設置另一臺車輛為輔助車輛，在實驗車輛前方約50 m處，兩輛車在指示下同時啟動行駛。此舉是模擬日常駛出高速公路服務區匝道的行駛情況。

4)20名駕駛員在遵守交通規則的前提下依次駛過JBN，ASH以及YHG服務區。

5)為保證實驗過程中數據不中斷，車上輔助人員可以準確記錄車輛進入加速車道開始到并線結束。駕駛員連續行駛4個服務區，并在每個服務區休息，調整狀態。為保證駕駛員安全和實驗數據真實性，駕駛員被要求按自己的駕駛習慣駕駛。

6)實驗結束，收集、整理數據。

3 建立模型

3.1 數據整理

眼動指標與心率是衡量駕駛員在不同長度高速公路服務區加速車道駕駛過程的重要參數，根據實驗條件及測試指標有效性，確定以實驗中的注視時間百分比、平均注視時間、掃視幅度、眨眼率、瞳孔尺寸和心率增長率作為不同加速車道長度下的測試參數。分別采集被試在不同長度加速車道下的眼動指標。數據差異對比如圖2所示，各眼動指標與心率增長率相關性分析見表1。

圖2 眼動數據對比Fig.2 Comparison of eye movement data

表1 相關性分析Table 1 Correlation analysis

從圖2可以看出，平均注視時間，瞳孔尺寸，心率增長率隨著加速車道變長而呈逐漸下降趨勢，說明駕駛員在更短的加速車道，駕駛員觀看后視鏡區域次數更頻繁。掃視幅度隨著加速車道變長而呈逐漸上升趨勢，說明駕駛員在更長的加速車道，視野更廣，有精力或時間觀察道路周邊環境。而注視時間百分比和眨眼率隨著加速車道變長無明顯變化，說明加速車道長短對注視時間百分比和眨眼率無較大影響。

從表1可知，平均注視時間，瞳孔尺寸，掃視幅度3個變量均與心率增長率呈較強相關，相關系數|r|>0.8,ρ<0.01，注視時間百分比和眨眼率與心率增長率未達到顯著性差異，因此，選擇平均注視時間，瞳孔尺寸，掃視幅度作為模型輸入變量。

3.2 多元線性回歸模型建立

多元線性回歸方程可描述因變量和多個自變量之間的線性關系，公式為

y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn+ε

(2)

式中y為被試心率增長率；b0為回歸常數;b1…bn為回歸參數；ε為隨機誤差。

根據SPSS 25.0軟件對實測數據的回歸分析，可得到以下心率增長率公式

y=19.684+0.006x1-0.595x2+3.159x3

(3)

表2中R的取值為0.967，R2為0.935，調整后R2為0.932，說明所建立的多元線性回歸模型擬合效果較好。表3中的F值為269.753>F0.05，且Sig.<0.05，可知建立的回歸方程高度顯著。從表4可知，自變量容差均大于0.1，方差膨脹因子(VIF)均小于10，證明平均注視時間、掃視幅度、瞳孔尺寸與心率增長率之間不存在共線性問題。

表2 模型摘要Table 2 Model summary

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

表4 回歸系數及顯著性檢驗Table 4 Regression coefficient and significance test

4 駕駛員舒適性分析

駕駛緊張度是指行駛過程中因心理緊張引起的駕駛員生理指標變化[25]。與駕駛安全密切相關，不宜過高也不能過低，過高容易引起操作失誤，過低會導致駕駛員麻痹大意，對危險判斷不到位[26-27]。心率增長率可用來表征駕駛員緊張度[28]，從而可實現對駕駛舒適性的表征，即緊張度越高舒適性越低，反之則舒適性越高。利用式(3)可得出不同長度加速車道與心率增長率之間的關系，如圖3所示。

圖3 不同長度加速車道與心率增長率的關系Fig.3 Relationship between acceleration lanes of different lengths and heart rate growth

從圖3可以看出，加速車道的長度與駕駛員緊張度聯系緊密，擬合后直線斜率分別為0.485，0.431，0.262，表明隨著加速車道長度的降低，駕駛員心率增長率逐漸增加，緊張程度依次遞增。利用SPSS 25.0軟件對不同長度加速車道線性回歸后的心率增長率進行多元正態分布檢驗，見表5。

表5 加速車道心率增長率正態性檢驗Table 5 Normality test of heart rate growth rate in acceleration lane

由正態檢驗結果可知，不同長度加速車道生理指標顯著性都大于0.05，表明各項數據均滿足正態檢驗。依據CAFISO研究成果，將滿足正態分布的第50和第85分位值作為劃分加速車道上駕駛員舒適性的閾值[29]。依據心率增長率劃分駕駛舒適性等級，見表6。

表6 駕駛舒適性等級Table 6 Driving comfort levels

從圖3和表6可以看出，加速車道長度與駕駛舒適性聯系緊密，并呈負向影響。駕駛員在通過加速車道時，由于并線距離增加，駕駛員能夠更加從容的處理行駛過程中周邊環境傳遞的信息，從而采取比較合理駕駛行為，有利于減少由于誤操作引起的交通事故。

5 結 論

1)不同長度加速車道情境下，駕駛員眼動指標與心率增長率之間影響差異明顯。通過對實驗數據的相關性分析，發現平均注視時間、瞳孔尺寸、掃視幅度、瞳孔尺寸與心率增長率均出現顯著性差異，注視時間百分比、眨眼率與心率增長率則未達到顯著性差異。然而這只是在對80，180和330 m這3種長度加速車道測量的結果，其他長度情況下眼動指標與心率增長率之間的關系還有待后續驗證。

2)劃分了駕駛舒適性的級別，并提出對應閾值。利用所構建的多元線性回歸模型，可得出不同長度加速車道與心率增長率之間的關系，并通過對加速車道心率增長率正態性檢驗，取其第50和第85分位值，即32.120和37.900，將駕駛舒適性劃分為不舒適、一般和舒適3個等級。

3)加速車道長度對駕駛舒適性有負向影響。駕駛員在較短加速車道行駛，由于需在短時間內完成匯流過程，無暇顧及周邊環境。多數駕駛員表現為緊張，少數表現為恐懼。隨著加速車道長度增加，大部分駕駛員緊張程度明顯下降，但依舊保持在一定水平上，此時反而有利于行車安全。