彎道分心駕駛對行車安全風險的影響研究

張志清，付金秀，肖書影，梁昌征

(1. 北京工業大學 城市建設學部，北京 100124； 2. 中國城市規劃設計研究院，北京 100037)

0 引 言

道路線形及駕駛行為是造成道路行車安全風險的重要因素。關于道路線形對行車安全的影響，國內外學者做了大量研究。E. PAPADIMITRIOU等[1]研究表明道路行車安全風險最大的線形是小半徑曲線；H. ZIA等[2]研究發現，彎道事故數占事故總數的39%左右，且車道寬度、路肩寬度和每公里轉彎角度也與道路風險率的增加有關；SUN Xiaoduan等[3]分析了車輛行駛軌跡變化規律，得出結論：緩和曲線、圓曲線及車道寬度對交通事故都會產生影響；P. RICHTER等[4]研究了駕駛員眨眼率、心率等生理指標與鄉村道路曲率變化率的相關關系，結果表明：隨著鄉村道路曲率變化率的增加，駕駛員心率和心率變異性增加，而眨眼率減少；T. FURUICHI等[5]研究了不同S型路段上駕駛員的駕駛速度、眨眼頻率、心率等指標的變化及其引起的安全問題；CHEN Yixin等[6]發現彎道段圓曲線曲率及坡度顯著影響車輛橫向偏移；郭應時等[7]提出用角度變化率來表征道路平面線形的變化，并建立了二者之間的關系曲線，研究得到了事故率隨道路平面線形幾何要素的變化規律，找出了影響事故率較大的線形幾何要素以及事故率處于最低點時的線形條件。

除了道路線形，危險駕駛行為也是導致交通安全風險的重要因素，其中分心駕駛是增加車輛碰撞和交通事故數量的主要行為[8-11]。S. G. KLAUER等[12]研究發現，近80%的碰撞和65%的臨界碰撞都與分心有關，最常見的分心形式是認知分心和視覺分心；張蘭芳等[13]研究發現，認知分心會降低轉向能力，提高車道保持能力，而視覺分心會降低車輛橫向穩定性、減少駕駛員關注前方路況的時間；駕駛員在駕駛時使用手機也是一個重要的分心因素，手機的廣泛使用顯著提高了駕駛風險[14-16]；T. A. DINGUS等[17]研究結果證明，當駕駛員瀏覽手機或用手機發短信時，發生交通事故的風險比專心駕駛高3.6倍，且無論語音短信還是文字短信都會對駕駛安全產生負面影響[18]；在不良環境中，在駕駛的同時閱讀一條很簡短的信息都會使得駕駛員遺漏道路關鍵信息而導致交通安全事故的發生[19]。國外學者采用駕駛模擬器分析得出，駕駛過程中閱讀或編輯短信將增加駕駛人反應時間、削弱車道保持能力、降低車速穩定性、增加視線偏離前方道路比例、遺漏更多道路關鍵信息等[20-23]；張輝[24]針對駕駛員駕駛過程中“免提手機通話”和“微信語音信息”的駕駛行為展開研究，從微觀層面分析了分心駕駛對駕駛員視覺及其緊急制動操作的影響，得出宏觀層面結論：分心駕駛對道路交通安全有較明顯的負面影響。

上述研究或者是從道路線形，或者是從分心駕駛因素上，對道路行車安全進行了分析，沒有考慮道路線形和駕駛員分心駕駛耦合的影響。筆者聚焦于在彎道上分心駕駛的行車狀態，開展駕駛模擬試驗，研究了道路線形和駕駛員分心駕駛兩個因素耦合作用對行車安全的影響，得出視覺分心比認知分心對行車安全的影響更大的結論。

1 試 驗

1.1 試驗駕駛員

招募25名男性、15名女性共40名具有豐富駕駛經驗的健康駕駛員，矯正視力均大于5.0，年齡24～57歲(平均32.11，標準差為9.83)，駕齡4～30年(平均11.48，標準差為9.28)。被試駕駛員之間的個體差異顯著，保證了獲得的數據可以排除特殊性，具有較強有效性。

1.2 試驗設備

1)實車駕駛模擬系統。硬件包括控制、顯示和車輛系統，軟件包括核心控制系統(SCANeRTMstudio)和虛擬環境搭建系統。模擬器車型為豐田Toyota Yaris。

2)KF2型動態多參數生理檢測儀。主要檢查指標有：心電圖、心率、呼吸、體位、體動以及體表溫度等，分析軟件可顯示信號波、QRS波、呼吸率，可進行心律失常、HRV、ST段及體動強度分析。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗場景設計

1)場景A——直線路段；場景B——彎道路段，共有4個彎道半徑：Rmin=125 m、R1=200 m、R2=400 m、Rmax=600 m。為保證駕駛員在進入下一彎道時，已經恢復由上一彎道產生的心率和車輛運行狀態改變，相鄰彎道之間以800 m長的直線連接。

2)試驗道路為穿村鎮的雙向雙車道公路，一塊板斷面形式，車道寬3.75 m，硬路肩寬0.75 m，道路兩側建筑物類型為村鎮房屋。路段總長4.7 km，曲線段長度占道路總長的43.2%，符合穿村鎮公路線形特點。

3)交通流設定為自由流狀態。

1.3.2 分心設計

1)視覺分心即駕駛員的視線離開所應關注的道路交通環境，從而對車輛運行帶來安全隱患。試驗中，當駕駛員沿彎道行駛時，測試員向其手機發送信息，要求駕駛員閱讀信息而產生視覺分心，為保證駕駛員確實因瀏覽短信而造成視線離開道路，需要駕駛員閱讀出接收到的信息。信息內容為試驗近期國內外時政、生活、娛樂等方面熱點新聞事件，字數控制在(100 ± 20)個范圍內。

2)認知分心，指駕駛員的認知資源被其他與駕駛無關的次要任務占用，從而增大了行車安全風險。采用1-back工作記憶方法進行試驗，即測試員間斷說出n個兩位數，駕駛員需要記住并重復出第(n-1)個數字。

1.3.3 評價指標選取

1)方向盤轉動角速度ω。行車時，駕駛員對方向盤的操作在很大程度上決定著車輛的運行狀態，影響著行車安全。筆者用方向盤轉動角速度ω來表征駕駛員對方向盤的操作行為。

2)車輛橫向偏移L，即車輛與行車道中心線之間的距離，可反映車輛的位置。根據HighwayDesignandTrafficSafetyEngineeringHandbook[25]，行駛方向左側的偏差為“+”，右側偏差為“-”，筆者不探究偏移方向，因此采用橫向偏移絕對值進行分析。

3)心率HR。駕駛員的心理舒適性對其駕駛行為有較大影響，與行車安全緊密相關。筆者用駕駛員心率HR來表征駕駛員心理舒適性。

1.4 試驗步驟

1)試驗前，需告知被試駕駛員具體要求和基本道路信息及分心任務。

2)駕駛員進入模擬器，穿戴好心電儀，然后按照先專心駕駛后分心駕駛的順序分別在場景A、B中進行模擬駕駛。

3)采集駕駛員的實時心理數據及車輛運行狀態數據。

1.5 試驗結果

共招募了40名被試駕駛員進行試驗，測試方向盤轉動角速度ω、車輛橫向偏移L及心率HR指標。由于試驗過程中設備及人員等不可控因素的影響，最終獲得34組有效數據，試驗結果平均值見表1，筆者以各指標的平均值進行分析。

表1 試驗結果平均值Table 1 Average value of test results

2 試驗結果分析

2.1 描述性統計

對34組試驗數據進行方差分析，分析結果見表2。

表2 方差分析結果Table 2 Result of variance analysis

由表2可見，顯著性水平Sig.<0.05，表明不同工況的結果存在明顯差異，說明試驗結果有效。

2.2 方向盤轉動角速度

根據表2繪制出各工況下駕駛員操作方向盤轉動角速度ω，如圖1。

圖1 各工況方向盤轉動角速度Fig. 1 Steering wheel angular speed under each working condition

由圖1可見：

1)直線路段。無分心駕駛與分心駕駛兩種工況的方向盤轉動角度ω值及其變化幅度都很小。分析原因：在直線路段上，駕駛操作相對最簡單，駕駛員無需過多操作，因此即使駕駛員因故無法集中精力執行駕駛任務，車輛運行狀態也不會有很大程度變化。

2)彎道路段。在彎道路段行車，無論是認知分心還是視覺分心，分心駕駛狀態的方向盤轉動角速度值及其變化幅度均大于無分心駕駛狀態，彎道半徑越小，變化越大；比較而言，視覺分心對方向盤轉動角速度變化的影響比認知分心的影響更顯著。

2.3 車輛位置

車輛偏移行車道中心線的距離與道路安全風險息息相關。李晨[26]研究表明：雙向行駛的車輛避免沖突的一個臨界條件是車輛的左外邊緣與道路中心線重合。根據車道寬度、加寬值和設計車輛尺寸，可計算出不同半徑圓曲線的橫向偏移臨界值Lc。當試驗所得的車輛橫向偏移L≥Lc，對向行駛車輛的行駛軌跡將重合，從而引發交通沖突。

各工況車輛橫向偏移和橫向偏移臨界值如圖2。

圖2 各工況車輛橫向偏移值Fig. 2 Vehicle lateral offset value under each working condition

由圖2可見：

1)直線路段。分心駕駛無論是視覺分心還是認知分心及無分心駕駛，車輛的橫向偏移值差異極小。

2)彎道路段。在彎道上，分心駕駛對車輛橫向偏移量的影響遠大于無分心駕駛狀態；橫向偏移值L隨彎道半徑的減小而顯著增加，且視覺分心的影響大于認知分心的。

3)極限最小半徑彎道(Rmin=125 m)上駕駛發生視覺分心時，車輛橫向偏移接近危險臨界值，對向行駛車輛的行駛軌跡即將重合，此時極易引發交通沖突。分析原因：彎道分心駕駛使得駕駛員無法準確掌握道路走向，不能在最佳轉向點進行及時反應，駕駛員不得不對方向盤進行瞬時大幅度、非常規調整，嚴重影響了車輛正常行駛軌跡和穩定性，導致車輛出現顯著橫向偏移。

2.4 駕駛舒適性

各工況駕駛員心率如圖3。

圖3 各工況駕駛員心率Fig. 3 Heart rate of drivers under each working condition

由圖3可見：

1)無論是視覺分心駕駛還是認知分心駕駛，彎道駕駛各工況駕駛員心率均大于直線路段駕駛工況的。

2)總體來說，同一道路線形條件下，分心駕駛的駕駛員心率均大于無分心駕駛。

3)4種彎道半徑下，視覺分心駕駛的駕駛員心率均大于認知分心駕駛狀態的。

4)同一分心駕駛狀態下，隨著彎道半徑R的減小，駕駛員心率逐漸增大；當R=600→200 m，駕駛員心率呈曲線性減小；當R=200→125 m，駕駛員心率減小幅度不大。

綜上，彎道分心駕駛尤其是視覺分心駕駛，駕駛員心理壓力較大，當彎道半徑R< 200 m，駕駛員緊張和不適感幾乎達到最大，大大增加了駕駛員操作失誤的可能性，安全風險極高。

3 結 論

針對直線路段及彎道路段2種場景，其中彎道路段選擇了125、200、400、600 m共4種彎道半徑，設計了視覺分心、認知分心及無分心3種駕駛狀態，開展了駕駛模擬試驗，檢測了方向盤轉動角速度ω、車輛橫向偏移L及駕駛員心率HR指標，研究了彎道分心駕駛對行駛安全的影響。得到以下主要結論：

1)相較于直線路段分心駕駛，彎道分心駕駛在更大程度上改變駕駛行為、車輛位置以及駕駛員舒適性，導致極高的道路安全風險。

2)彎道路段分心駕駛，隨著彎道半徑的減小，駕駛行為、車輛運行狀態以及駕駛員舒適性變化越顯著。半徑125m彎道上視覺分心駕駛極其危險，應堅決避免。

3)視覺分心對駕駛行為、車輛位置以及駕駛舒適性的影響遠大于認知分心，更容易造成惡性事故的發生。