隧道入口冰雪環境下駕駛員心生理特性研究*

喬建剛，宮帥港，王 傑，王 皓

(1.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401；2.中交建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著我國隧道里程逐漸增多，隧道安全愈發受到重視，國內外關于隧道內外環境變化因素對行車安全影響的研究逐漸增加。Jiao等[1]通過實車試驗分析隧道入口與主干道匯合導致的視覺變化與行車安全的關系；Wang等[2]分析駕駛員在隧道入口區域不同時間段的視覺負荷變化規律；潘國兵等[3]依據駕駛員認知與調節滯后理論，分析亮度變化率對行車安全的影響；胡月琦等[4]通過實車試驗研究駕駛員在隧道段注視時長以及掃視頻率變化規律；杜志剛等[5]分析高速公路隧道光環境變化對交通事故影響；喬建剛等[6]分析隧道入口行車安全與光照強度的變化關系，提出照度變化率的舒適性閾值；Foy等[7]認為環境變化使得駕駛員心理負擔增加，并通過生理、視覺和大腦反應形式對駕駛員操作產生影響；Han等[8]分析駕駛員隧道段視覺特性變化與道路線形、光環境的變化規律；張智勇等[9]通過試驗分析冰雪環境下路面附著系數隨溫度的變化規律；胡江碧等[10]選取心率變異性評價駕駛負荷，研究不同海拔條件的隧道出入口內外過渡段的建議照明亮度值。

現有研究大多從照度或路面狀況等單一角度對行車安全進行分析，對2個及以上因素同時作用的研究較少，但在冰雪環境下隧道入口，駕駛員會受到明暗適應和路面摩擦系數變化等多個因素共同影響，并且基于駕駛員心生理特性，針對冰雪環境下多因素耦合作用的研究更少。

為此，本文通過設計駕駛模擬試驗，采集駕駛員心生理參數，分析隧道入口環境照度、摩擦系數、速度對駕駛員心生理的影響規律，并利用實車試驗進行驗證，研究結果可為高速公路隧道行車安全評價提供參考。

1 基本理論

駕駛員在駕駛過程中，心率隨駕駛行為、時間、周邊環境的改變產生隨機信號，使用此信號來分析駕駛員駕駛時的心率變化狀態，通過采集一段時間范圍內的隨機信號作為1個樣本函數，全部樣本函數產生即為隨機過程[11]。駕駛過程中采集的心率信號在時間上是離散的，隨離散時間變化的心率可以作為1個隨機序列。

把x(i)定義為隨機序列，其中i∈(0,N-1)，N為自然數，如式(1)所示：

(1)

式中：μx(i)為均值函數；x(i)為試驗值。

自相關函數如式(2)所示：

(2)

式中：r(i,i+m)為x(i)的自相關函數；m為心率信號的延遲間隔，m=0，1，…，N-m-1。

利用傅里葉變換處理駕駛員心率產生信號，并對心率變化進行分析，頻譜分析如式(3)所示：

(3)

式中：X(z)為x(i)的像函數；z為Z變換復變量；j為虛單位；ω為圓頻率。

功率譜密度函數如式(4)所示：

(4)

式中：PN(z)為功率譜密度函數。

由此，根據心率功率譜圖可定量分析在隧道入口環境變化影響產生的不同心生理變化強度[12]。

2 試驗設計

出于安全考慮，設計冰雪環境下山區高速公路隧道入口駕駛模擬試驗以獲得駕駛員心生理參數，對車輛、道路、外界環境等參數進行設置，分析人、車、路、環境之間的相互耦合作用。

2.1 試驗準備

1)試驗設備

依托交通安全仿真系統進行模擬仿真試驗，可對地形地貌、道路線形、車速大小、天氣等進行設置，通過構建仿真模型，模擬高速公路隧道入口過渡段車輛行駛變化，模擬仿真系統界面如圖1所示。

圖1 模擬仿真系統界面Fig.1 Interface of simulation system

試驗采用TLC5000 動態心電圖儀(力新儀器有限公司生產)采集駕駛員心率，檢測儀自帶分析軟件，不間斷記錄駕駛員心電信號，對行車過程中駕駛員心生理參數進行采集。

2)試驗參數選取

試驗路段采用控制變量法進行搭建，即固定道路線形參數、交通量不變，控制摩擦系數和環境照度變化，模擬不同天氣下隧道入口場景。測試路段為3 km的山區高速公路隧道段，隧道入口過渡段設計參數如表1所示。

表1 場景設計參數Table 1 Scene design parameters

在高速公路運營期交通[13]構成中，小轎車占比最高，因此選擇小轎車為試驗車型。

中雪和大雪天氣嚴重影響駕駛員可視距離，高速運營管理部門禁止車輛通行，因此試驗選取降雪量小于5 mm，能見度>500 m的小雪天氣，作為冰雪環境下隧道入口過渡段行車安全研究時段。

根據隧道入口路面溫濕度場相關理論[14]及預測結果，試驗時段選擇冬季晴天中隧道內外路面摩擦系數變化劇烈的2個時段即7∶00～8∶00和14∶00～15∶00以及雪天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00共4個時段進行試驗。根據摩擦系數-路面環境參數關系模型[15]，對不同時段隧道入口不同區域的路面摩擦系數進行設定，見表2。

表2 試驗場景設計Table 2 Experiment scene design

隧道入口內外照度受天氣影響大，駕駛員心理受明暗適應影響，對不同天氣下隧道入口內外環境照度進行設定[6]，如圖2所示。

圖2 不同位置照度取值Fig.2 Illumination values at different locations

3)場景搭建

構建冰雪環境下隧道入口試驗場景及試驗道路模型，根據試驗參數選擇編輯道路模型中的環境參數，即不同天氣不同時間隧道入口不同位置的環境照度和路面摩擦系數，共構建4種場景，見表2。

在仿真系統中設置螺旋隧道進出口位置、過渡段的長度等，構建仿真模型。按照試驗方案中環境參數設定，對不同情景下的環境參數進行編輯。設置的高速公路隧道入口晴天、雪天的外界環境效果如圖3所示。

圖3 外界環境效果圖示意Fig.3 Schematic diagram of external environment renderings

4)試驗人員篩選

相關道路交通事故數據顯示，駕駛員男女比例約為4∶1[16]，因此選取 8名男性、2 名女性試驗人員，年齡分布在23～35歲，且具有1 a以上駕齡，均身體健康，視力滿足駕駛要求。

2.2 試驗流程

使用仿真系統建立隧道入口三維模型，道路線形為直線，縱斷面如圖4所示。

圖4 模擬場景線形縱面示意Fig.4 Schematic diagram of linear longitudinal plane in simulated scene

試驗者先熟悉相關設備，然后進行模擬駕駛，每個場景進行1次駕駛模擬，共進行40組試驗。

2.3 數據采集

軟件記錄車輛行駛速度數據，同時使用心生理信號采集儀記錄駕駛員動態心率數據，根據試驗時間和距洞口距離，將采集的數據與構建仿真模型中的隧道環境參數數據進行關聯，并且為準確表現駕駛員心生理參數和速度的空間變化趨勢，每20 m作為1個數據分析單元截取試驗數據。

3 隧道入口駕駛員心生理特性

3.1 心率增長率分級閾值標定

1)心率增長率

心率增長的比率不會受個體因素影響，更能反應駕駛員行車過程中心生理變化程度，準確反應駕駛員緊張程度。心率增長率如式(5)所示：

(5)

式中：H為駕駛員行駛過程中某時刻的瞬時心率增長率，%；hi為駕駛員在行駛過程中某時刻的瞬時心率，次/min；h0為駕駛員在安靜狀態下平均心率，次/min。心率增長率越大，駕駛員緊張程度越明顯。

2)心率增長率分級閾值

根據式(5)計算仿真模型中隧道入口上不同位置心率增長率的全部數據。為定量研究駕駛員在冰雪環境下山區高速公路隧道入口心率增長率與緊張程度關系，選擇基于 Python的K-means 聚類算法確定駕駛心率增長率分級閾值[17]，聚類結果如圖5和表3所示。

圖5 K-means聚類結果(3類)Fig.5 K-means clustering results (three categories)

表3 聚類結果Table 3 Clustering results

根據各類別分級閾值上限對駕駛員心率增長率進行劃分，從保障安全角度對數據取值，提出山區高速公路隧道入口駕駛員心率增長率分級閾值：舒適閾值為23%，緊張閾值為28%，恐懼閾值為37%。當心率增長率大于28%時，駕駛員心理高度緊張，行車風險大。

3.2 照度變化對心率增長率的影響

選擇照度變化率來量化隧道照度變化情況，照度變化率如式(6)所示：

(6)

式中：Er為照度變化率，%；Et為t點照度值，lx；Et-1為t-1點照度值，lx。

計算得到不同場景下隧道入口照度變化率，并與不同位置上的心率增長率平均值關聯，得到其相互關系，如圖6～7所示。

圖6 照度變化率與心率增長率關系(晴天)Fig.6 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (sunny)

圖7 照度變化率與心率增長率關系(雪天)Fig.7 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (snowy)

分別建立2種天氣下的心率增長率與照度變化率關系模型，如式(7)～(8)所示：

Hq=0.083 6Erq+23.645

(7)

Hx=0.000 01Erx3+0.001 9Erx2-0.05Erx+27.231

(8)

式中：Hq，Hx分別為晴天、雪天的心率增長率，%；Erq，Erx分別為晴天、雪天的照度變化率，%。公式通過F檢驗。

不同天氣下照度變化率的增大導致駕駛員心率增長率增大，且晴天的變化幅度大于雪天，說明在晴天行駛時，駕駛員受照度變化率影響程度較大。根據式(7)～(8)可知，當晴天照度變化率大于51%、雪天照度變化率大于53%時，心率增長率大于緊張閾值28%，行車安全受影響。為保障冰雪環境下的行車安全，基于心率增長率的駕駛員對照度變化率的適應閾值，應取不同天氣下導致駕駛員心理緊張的最小照度變化率值，即[0,51]%。

3.3 摩擦系數對心率增長率的影響

采用單因素方差分析檢驗不同天氣下摩擦系數對心率增長率的影響，結果存在顯著差異，因此，需要對不同天氣下心率增長率與路面摩擦系數之間的關系進行分析，并對摩擦系數和計算得到的心率增長率平均值進行多項式擬合，如圖8所示。

圖8 路面摩擦系數與心率增長率的關系Fig.8 Relationship between road friction coefficient and heart rate growth rate

晴天時摩擦系數與心率增長率的擬合優度小于0.6，二者之間存在一定關系，由于擬合效果不好，無法通過公式進行表達，而雪天時二者擬合效果較好，得到雪天時心率增長率和摩擦系數的關系式如式(9)所示：

Hx=-5.014 4μx2-7.683 6μx+29.456

(9)

式中：Hx為雪天時駕駛員心率增長率，%；μx為雪天時路面摩擦系數。式(9)通過F檢驗。

在冰雪天氣下，隨摩擦系數減少，駕駛員心率增長率增加，緊張程度增加，而晴天時摩擦系數對心率增長率的影響趨勢并不明顯。從心率增長率分布情況來看，雪天路面摩擦系數為0.15和0.25所對應的部分心率增長率大于緊張閾值28%，結合試驗場景參數設計情況，上述摩擦系數值對應隧道區段分別為雪天7∶00～8∶00的隧道入口全部以及雪天14∶00～15∶00的距洞口-200～+50 m區段；晴天則為路面摩擦系數為0.35，0.6所對應部分心率增長率大于28%，對應隧道區段為晴天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00時段的距洞口-200～+50 m的區段，說明上述區域路面摩擦系數會對駕駛員行車安全造成影響。

3.4 速度變化對心率增長率的影響

駕駛員開車行進過程的行為變化會直接影響行車速度的變化，反過來影響駕駛員心率變化，分析隧道入口駕駛員心率增長率平均值與速度的關系，如圖9～10所示，并構建二者關系模型，如式(10)～(11)所示：

Hq=0.209 4vq+71.18/(vq-70.82)vq≥75

(10)

Hx=0.035 9vx2-3.622 2vx+117.35 45≤vx≤100

(11)

式中：vq，vx分別為晴天和雪天時速度，km·h-1。式(10)～(11)均通過F檢驗。

圖9 不同行車速度與心率增長率關系(晴天)Fig.9 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (sunny)

圖10 不同行車速度與心率增長率關系(雪天)Fig.10 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (snowy)

由圖9可知，晴天時心率增長率與車速呈對勾函數關系，隨車速增大心率增長率先減小后增大，由于駕駛員注意到隧道后，速度逐漸降低，心率增長率小幅度降低；逐漸接近洞口時，速度進一步減小，當接近洞口時，由于環境變化劇烈，心率增長率增加。雪天時二者呈二次函數關系，同樣心率增長率隨速度增大呈先降低后增大趨勢，但變化幅度較小。因此，在冰雪環境隧道入口特殊行車環境下，駕駛員在接近隧道時呈現速度減小但心率增長率增大的特性，在晴天時這一特性更加明顯，此時行車風險較大。

3.5 多因素耦合隧道入口心生理反應模型

經前文分析可知，照度變化率、路面摩擦系數、速度與心率增長率存在較強的相關性，將心率增長率定義為因變量，照度變化率、路面摩擦系數以及速度為自變量，調用Matlab軟件中的Regress函數進行擬合并構建關系模型，如式(12)～(13)所示：

(12)

Hx=-0.007 96vx2-0.000 015Erx2-27.167μx3-
0.005 92vxErx+0.262 6vxμx+0.199 4Erxμx+
0.972 4vx+0.306 7Erx-15.751μx-0.724 8

(13)

式中：Hq，Hx分別為晴天、雪天駕駛員心率增長率，%；vq，vx分別為晴天、雪天時的速度，km/h；Erq，Erx分別為晴天、雪天的照度變化率，%；μq，μx為晴天、雪天時路面摩擦系數。式(12)～(13)均通過F檢驗。模型中各自變量的范圍如式(14)所示：

(14)

4 模型驗證

為驗證心生理反應模型的現實評價效果，選擇通過實車試驗驗證模型有效性。一般來說，在降雪初期，高速管理維護會對公路全線撒融雪劑，冰雪融化后路面將產生一定積水，考慮到山區隧道入口模擬路面積水狀態進行實車駕駛試驗的危險性，因此設計在封閉道路上模擬潮濕路面的實車試驗。

選擇天津市武清環線S360線k3+480 m～k4+334 m段作為試驗地點，坡度為-2%，道路線形與駕駛仿真試驗一致，選擇小轎車作為試驗車輛，重新選取8名駕駛員進行實車試驗。試驗設備包括心生理信號采集儀、溫濕度監測儀、照度儀等，設備及操作與前文一致。

1)路面不同摩擦系數模擬。分別從不同路面設計3.75 m×0.5 m的矩形區域，沿道路橫向利用熱熔膠槍按照積水厚度進行密封包圍，模擬積水區域。灑水車用水管向路面積水區輸入不同流量的水，通過調節水的流量控制所形成的積水區域的水膜厚度。

2)試驗流程。駕駛員根據表4組合情況控制車速，依次以不同速度經過不同水膜厚度路面，共計15個組合情況。每個組合情況重復試驗3次，并求均值，共計得到120組試驗數據。

表4 試驗組合情況Table 4 Experimental combination

通過計算摩擦系數、照度變化率、心率增長率，得到驗證數據如表5所示，模型計算精度如圖11所示。

表5 驗證數據Table 5 Verification data

圖11 模型計算精度Fig.11 Model calculation precision

由圖11可知，心生理反應模型得到的心率增長率計算值和實際值誤差均小于10%，吻合程度較好，說明其能夠準確反應照度變化率、摩擦系數與速度變化對駕駛員心生理特征的影響，并評價駕駛員的行車安全性。

5 結論

1)為探究山區高速公路隧道入口冰雪環境多因素對駕駛員心生理的影響規律，進行晴天和雪天的模擬駕駛試驗，利用K-means聚類算法確定駕駛心率增長率分級閾值，舒適閾值為23%，緊張閾值為28%，恐懼閾值為37%。

2)考慮洞口駕駛員經歷明暗適應時的心理狀態，確定隧道入口冰雪環境下照度變化率安全閾值為51%。

3)通過設計模擬駕駛試驗，運用心生理理論，選擇心率增長率作為駕駛員心生理指標，研究因變量心率增長率與自變量(照度變化率、路面摩擦系數、速度)之間的相互關系，發現這些參數存在較強的相關性，利用多元回歸分析與Matlab軟件擬合構建多因素耦合作用下隧道入口駕駛員心生理反應模型。

4)參考高速公路撒布融雪劑后常見路面狀況，設計實車試驗對多因素耦合隧道入口心生理反應模型有效性進行驗證，誤差均小于10%，吻合程度較好，說明本文模型能夠準確評價駕駛員的行車安全性。