考慮駕駛員心生理參數的橋隧過渡段安全間距研究

喬建剛,王 傑,謝一丹,陳彥欣

(1.河北工業(yè)大學 土木與交通學院, 天津 300401;2.河北省高速公路延崇籌建處, 河北 張家口 075000)

目前我國高速公路的建設已由平原轉向山區(qū),山區(qū)高速公路由于地形復雜、橋隧比例大,加之橋隧路段易誘使交通事故的發(fā)生[1],導致高速公路運營存在較大風險。目前國內外學者對橋隧路段進行了研究,主要有:Ma等[2]分析了不同斷面位置、交通流量與交通事故發(fā)生率的相關性。倪娜等[3]從光環(huán)境、速度等角度探討了橋隧密集路段的交通流特性。王建民[4]提出了橋梁安全狀態(tài)的劃分標準以及評價方法。喬建剛等[5]基于可拓學理論對多個評價指標進行了量化分析,建立了橋梁安全評價模型。Han等[6]對超重型卡車在橋梁行車的負荷進行了研究及安全評估。潘國兵等[7]依據“調節(jié)滯后”等理論,分析了隧道亮度變化率與瞳孔直徑的關系。Li等[8]分析了交通流特性與隧道亮度的關系,對隧道照明進行了動態(tài)控制。康良國等[9]研究了員工心理安全感的安全信息認知的偏好特征。Foy等[10]從駕駛員的生理反應角度分析了道路環(huán)境變化對心理負荷的影響。Kircher等[11]和Han等[12]分析了駕駛員在隧道段上視覺特性變化與道路線形、光環(huán)境的變化規(guī)律。Miller等[13]采用駕駛員心率、心博間期標準差基礎指標、車速和制動探討了隧道行車駕駛員壓力與駕駛績效的關系。吳艷霞等[14]研究了車輛速度一致性、駕駛員心生理反應與穿城鎮(zhèn)道路行車安全的影響規(guī)律。李立治等[15]針對駕駛風格進行了分類和識別。綜上,國內外學者主要圍繞橋梁、隧道安全評估、駕駛員視覺特性、心生理反應[16]進行了對單一路段的行車安全分析,從駕駛行為角度對橋隧過渡段的研究較少,開展基于駕駛行為的橋隧過渡段的安全間距研究具有重要意義。

1 基于小波變換的心電信號降噪

駕駛員交通行為隨著道路線形與環(huán)境的變化而變化,駕駛員的心率會產生隨機變化,其心率隨著環(huán)境的變化產生隨機信號。小波變換(wavelet transform,WT)可在時域和頻域中同時進行多種分辨率的信號分析,并適用于處理瞬態(tài)信號,廣泛用于多種學科研究中,小波變換降噪基本原理可用圖1表示。

圖1 小波變換降噪原理示意圖

小波函數ψ(t)須滿足:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

令a0=2,b0=1,

j=0,1,2,…;k∈Z

(6)

x(t)的離散小波變換為:

(7)

選擇軟閾值法對該心率進行去噪處理,選擇db4小波進行分解,得到降噪信號如圖2所示。

圖2 心率增長率降噪信號曲線

對比圖2可以看出,通過小波閾值進行濾波處理以后,大大降低了原始信號的噪聲,使降噪后信號的波峰明顯,心率信號的周期性表現明顯。

2 試驗方案及數據采集

2.1 試驗時間、地點

選取延崇高速、太行山高速公路等作為數據采集的試驗段,實驗時間選擇正常工作日9∶00—17∶00,車輛處于自由流行駛狀態(tài),實驗天氣選擇晴天。

2.2 試驗儀器

該高速公路交通流中主要以小型車為主,因此實驗車輛選擇為車況正常的小型車;心生理信號采集儀采用康飛KF2型儀器采集駕駛員的心率等數據;V-Box數據采集器和非接觸式五輪儀采集道路線形參數、速度數據;隧道內外的光照強度用GM1020照度計采集。

2.3 試驗對象

根據統(tǒng)計學最小樣本量的計算選擇20名駕駛員,年齡區(qū)間為[23,40](均值為28.1,標準差σ為4.3);駕齡區(qū)間為[3,10](均值為5.9,標準差σ為2.8) 并且熟悉試驗道路,試驗前對平靜狀態(tài)下的心率進行檢測。

整理試驗過程中距離、車速及對應的駕駛員心率增長率,部分數據見表1。

表1 橋隧段速度、心率增長率和照度統(tǒng)計(部分)

3 橋隧路段行車安全性分析

目前道路行車安全評價常見的指標有速度差和駕駛員心率增長率,當不同路段速度差大于20 km/h以上時,路段安全性低[17];心率增長率大于緊張閾值27%,駕駛員將因緊張導致駕駛操作失誤增多[18-19]。因此,通過橋隧路段的環(huán)境照度變化和車輛速度變化與駕駛員心生理變化的關系對路段的行車安全性進行分析。

3.1 隧道口心率與照度的關系

由于照度是一個絕對值,并不能反映人的明暗適應規(guī)律,因此為更好地分析駕駛員對環(huán)境照度的適應情況,采用照度變化率作為評價指標:

(8)

其中:Er為照度變化率(%);Et、Et-1分別為t點與t-1點的照度值(lux)。

通過計算得到的照度變化率分析其與距離和心率增長率的關系,如圖3所示。

照度變化率在隧道洞前50～200 m區(qū)域內基本不變,在洞外20 m至洞內20 m區(qū)域逐漸增大。當照度變化率增大至54%時,心率增長率為27%,此時心率增長率與照度變化率的關系模型為:

(9)

其中:y1為心率增長率(%);Er為照度變化率(%)。式(9)的相關系數R=0.882 02,通過F檢驗。

圖3 照度變化率、心率增長率變化情況

3.2 橋隧路段速度特性分析

駕駛員在橋隧路段行車時,由于道路線形的變化、伸縮縫、道路路面結構的變化容易引起速度的改變,進而導致駕駛員的心率發(fā)生變化。橋隧相鄰路段斷面布置見圖4。

圖4 相鄰路段斷面示意圖

3.2.1橋隧路段速度一致性分析

以相鄰路段的車輛運行速度差作為評價指標[17],對道路協調性進行評價,差值越小,協調性越好,速度差的計算公式如下:

Δv85=v85i-v85(i-1)

(10)

其中:|Δv85|表示相鄰路段的85%位車速差;v85i和v85(i-1)分別為斷面i與斷面i的前一斷面的85%位車速。

通過采集的速度數據分析駕駛員橋隧路段的駕駛行為的變化,如圖5、6所示。

圖5 速度與距離的關系圖(橋梁路段)

在橋梁路段行車速度整體呈現W型變化趨勢,在橋梁出入口過渡段速度呈現V型變化。在橋梁前100～200 m范圍內行駛時,駕駛員的速度在90～95 km/h范圍內波動,速度差值小于5 km/h;駛入橋梁的過程中,在距離橋梁前20～100 m范圍內,速度逐漸降低,速度差在5～15 km/h之間,隨著進入橋梁,速度逐漸增加,然后趨于穩(wěn)定。同樣,駛出橋梁的過程中,速度呈現先減小后增大的變化趨勢,在橋梁出口前58 m開始減速,在出口后12 m降為最小,在減速過程中由87.3 km/h降為76.5 km/h;出橋梁后77 m,速度趨于穩(wěn)定。

圖6 速度與距離的關系圖(隧道路段)

在隧道路段速度整體呈現U型變化趨勢,在隧道出入口過渡段速度呈現L型變化趨勢。在隧道前150～200 m范圍內行駛時,駕駛員的速度基本維持在92 km/h,在隧道前150 m,駕駛員的行車速度急劇下降,降幅超過20 km/h;在隧道內 2 m速度降為最低,為56.2 km/h。隨著進入隧道,行車速度有小幅度的增加,增至62.4 km/h;駛出隧道的過程中,在距離隧道出口前52 m,速度逐漸降低至57.4 km/h,駛出隧道后98 m,速度趨于穩(wěn)定,由59.6 km/h恢復至86.8 km/h,速度差值大于20 km/h。

由圖5和圖6實車試驗的數據,計算橋梁段、隧道段的車速如表2所示。在橋梁段上的平均車速為82.6 km/h,在隧道段上的平均車速為60.8 km/h,從橋梁駛入隧道車輛速度逐漸減小。在橋梁段速度差最大為7.8 km/h,在隧道路段速度差最大為26.3 km/h,速度差越大則車輛縱向沖突增多,容易導致交通事故[20]。從速度來看,這些路段明顯存在安全隱患。

表2 速度特性對比 (km·h-1)

3.2.2橋隧路段心生理特性分析

速度的變化以及環(huán)境照度的變化都會導致駕駛員的心生理產生變化。駕駛員在橋隧路段的心率增長率與距離的變化規(guī)律,如圖7和圖8所示。

圖7 心率增長率與距離的關系圖(橋梁路段)

在橋梁前60～200 m范圍內,駕駛員心率增長率都保持在27%以下,說明駕駛員處于舒適狀態(tài),在橋梁前90 m,駕駛員心率增長率開始逐漸增大,在進入橋梁后0～10 m,駕駛員心率增長率增大至30.8%;在駛出橋梁前40 m,駕駛員心率增長率逐漸增大,在出口達到最大值為30.4%,超過舒適閾值,在距離出口72 m后,心率增長率降為27%以下,說明駕駛員開始恢復舒適狀態(tài)。

如圖8所示,在隧道入口前70 m,駕駛員心率增長率低于27%,在隧道前98 m,心率增長率達到最小值,為23.2%。隨后,駕駛員心率增長率開始增大,直至洞內8 m,增大至35.95%;隨著隧道縱深的增加,心率增長率在25%～28%范圍內呈現不同幅度的波動;在隧道出口前98 m,心率增長率開始增大,在出口達到峰值,為31.76%,駛出隧道后88 m,心率增長率趨于穩(wěn)定。

圖8 心率增長率與距離的關系圖(隧道路段)

在駛入、駛出橋梁以及駛入、駛出隧道的過程中,駕駛員心率增長率都是呈現先增大后降低的趨勢。在橋梁起終點、隧道出入口的心率增長率出現波峰,心率增長率達到最大,在出入口附近心率增長率高于27%,駕駛員處于緊張狀態(tài),所以,從心率增長率來看,在這些路段同樣存在安全隱患。

通過散點圖分析橋隧過渡段上駕駛員心率增長率與速度的關系,如圖9所示,由于駕駛員行車存在加減速的過程,不同速度駕駛員的心率增長率變化不同。駕駛員在駛出橋梁后速度會有所增加,心率增長率會隨著速度的增大而增大(圖中綠色散點);當駕駛員注意到隧道后,速度逐漸降低,心率增長率有小幅度降低;駕駛員越來越接近隧道入口時,速度雖然減小,但由于駕駛員駛入隧道,受到 “黑洞效應”影響,心率增長率開始增加(如圖中黑色散點)。因此為反映橋隧過渡段區(qū)段整體駕駛員心生理參數的變化情況,建立相關數學模型,公式如下:

y2=-3.158 62V+0.021 89V2+137.960 42

(11)

式(11)的相關系數R=0.748 78,通過F檢驗。

圖9 心率增長率與速度的關系曲線

4 橋隧過渡段最小安全間距設置

根據心率增長率變化規(guī)律,將在橋梁前駕駛員心率增長率增加過程車輛所行駛的距離取為L′q1,在橋梁后心率增長率降低過程車輛所行駛的距離取為L′q2,作為駕駛員適應行車環(huán)境的最小安全距離。在隧道前心率增長率增加過程車輛所行駛的距離取為L′s1,在隧道后心率增長率降低過程車輛所行駛的距離取為L′s2,作為駕駛員適應行車環(huán)境的最小安全距離。

結合速度、心率增長率的變化趨勢,確定橋隧路段不同連接形式下的安全間距。下面對2種不同連接形式分別討論。

1) 隧-橋-隧路段

在隧道-橋梁-隧道相連接時,如圖10所示,橋隧過渡段的間距公式如下:

(12)

(13)

(14)

其中:t為駕駛員的反應時間,取2.5 s;a為加速度,取2 m/s2;v1為橋梁前初始行車速度;v3為在橋梁上行駛的速度;v5為駛出橋梁恢復后的速度;v6為駛入隧道前的初始速度;v8為在隧道行車的速度;v10為駛出隧道恢復后的速度;y1、y3、y5、y6、y8、y10分別為v1、v3、v5、v6、v8、v10對應的心率增長率。

隧-橋-隧相連接時,基于速度、心率的隧道出口、橋梁入口安全距離取最大值,橋梁入口與隧道出口的間距之和作為過渡段間距L1;基于速度、心率的橋梁出口、隧道入口安全距離取最大值,橋梁出口與隧道入口的間距之和作為過渡段間距L2。

2) 橋-隧-橋路段

在橋梁-隧道-橋梁相連接時,如圖11所示。橋隧過渡段的間距公式如下:

(15)

其中:t為駕駛員的反應時間,取2.5s;Ls1、Ls2、Lq1、Lq2、L′s1、L′s2、L′q1、L′q2的計算公式如式(13)、(14)所示。

橋-隧-橋相連接時,基于速度、心率的橋梁出口、隧道入口安全距離取最大值,橋梁出口與隧道入口的間距之和作為過渡段間距L3。基于速度、心率的隧道出口、橋梁入口安全距離取最大值,橋梁入口與隧道出口的間距之和作為過渡段間距L4。

圖10 隧-橋-隧路段示意圖

圖11 橋-隧-橋路段示意圖

規(guī)范[21]對過渡段進行了規(guī)定,將規(guī)范值與公式計算結果對比,如表3所示。

表3 過渡段長度規(guī)范值

通過式(12)—(14)計算得到設計速度100 km/h時,L1、L4的最小值為123.32 m,L2、L3的最小值為141.04 m,大于規(guī)范值結果,說明更安全。綜合考慮過渡段的安全距離,建議L1、L2、L3、L4的值取整,最小為145 m。

5 結論

在橋梁路段,駕駛員心率增長率隨著速度的增加而增大;當駕駛員注意到隧道后,速度逐漸降低,心率增長率有小幅度降低;在駕駛員接近隧道入口時,駕駛員心率增長率隨著速度的減小開始增加。

綜合考慮了速度與心率增長率變化規(guī)律,提出橋隧不同連接形式的過渡段的安全間距的計算方法,確定了過渡段的最小安全間距值。