高海拔隧道入口照度對駕駛人心理狀態的影響

王 兵,趙 越,李鵬勝,張麗改

(新疆大學 機械工程學院,新疆 烏魯木齊 830017)

0 引 言

烏尉天勝利隧道全長 22.035 km,是目前國內在建最長的高速公路隧道[1],屬高寒高海拔隧道[2]。隧道入口段海拔3 200 m,氧氣含量稀薄,大氣氧分壓降低,直接影響人體的生理健康,導致頭痛、心慌、氣短、胸悶、嗜睡、注意力不集中等不適癥狀,對駕駛人產生不利影響。

隧道入口段照度變化劇烈,對駕駛人的心理狀態產生較大影響,導致隧道交通安全隱患問題日益突出,成為了公路運輸網安全的瓶頸路段。國內外學者對隧道路段交通安全作了研究,世界道路協會指出,隧道洞口處的交通事故率明顯高于隧道中間段;趙躍峰等[3]通過調研收集了 16 條隧道 3 年內 296 起隧道交通事故,分析其空間特性發現隧道洞口附近交通事故率最高;王乾等[4]通過研究分析以往交通事故資料指出長隧道發生的交通事故占事故總數的48%。

駕駛人是隧道環境交通行為的主要參與者,國內外學者關于隧道行車過程中駕駛人的生理心理作了探索,主要研究了駕駛人的視覺特性和駕駛負荷。G.F.YAN等[5]研究了平原地區隧道和高海拔隧道駕駛人的眼動特征和生理心理變化,指出高海拔隧道入口駕駛人瞳孔直徑變化率更大,心率更高;梁波等[6]利用瞳孔面積、呼吸頻率等生理指標研究了特長隧道出入口駕駛人的生理負荷;朱彤等[7]采集了駕駛人的心電信號,根據因子模型分析指出,隧道出入口段駕駛人的心理負荷較高;馮忠祥等[8]研究了駕駛人行駛于城市下穿隧道縱坡段的生理變化規律;焦方通等[9]利用眼動儀采集了駕駛人的瞳孔面積,并選用瞳孔面積最大瞬態速度值評價了視覺舒適程度。

現有研究在隧道交通安全領域取得了豐碩的成果,但大多是集中于海拔較低的城市隧道、特長隧道、山區公路隧道等,對于高海拔公路隧道入口段行車過程中駕駛人的生理心理特征的研究較少。研究表明,心率和呼吸頻率是精確反映駕駛人生理負荷和心理波動的重要生理指標[6-8],筆者通過構建低氧環境并進行實車試驗,利用心率和呼吸頻率作為生理指標,研究高海拔公路隧道入口段照度變化對駕駛人心理狀態的影響,分析隧道入口段駕駛人心理狀態變化趨勢以保障安全行車,為烏尉天山勝利隧道入口段安全設計提供參考。

1 低氧環境理論基礎

高海拔地區獨特的低氧環境導致駕駛人生理水平處于不穩定狀態,心率、血氧飽和度、呼吸頻率等指標出現異常,導致較為嚴重的生理不適感,進而引起心理狀態的波動。研究表明,佩戴醫用外科口罩、N95 型防護口罩或 N95 型防護口罩疊加醫用外科口罩一段時間后,人體呼吸阻力增加,攝氧效率降低,空氣交換量下降[10]。血氧飽和度是反映人體缺氧程度和對環境適應的重要指標,研究表明,初次到 3 200 m 的高海拔地區人體的平均血氧飽和度在90%左右[11],表現為供氧不足。

進入高海拔地區時,駕駛人處于缺氧狀態,容易引起生理心理特征的變化,表現為呼吸急促、內心緊 張等;當急速進 3 200 m 海拔的地區時,駕駛人易出現 心慌、頭痛、壓抑等不良應,加之接近隧道入口段時照度劇烈變化會引起駕駛人視覺受到一定刺激,導致駕駛人處于高度緊張狀態,易出現激動、不安甚至是恐懼,不利于安全行車。根據文獻[12],駕駛人佩戴 N95型防護口罩疊加醫用外科口罩進行試驗可以合理營造低氧環境,較好表征出駕駛人缺氧的狀態,近似等效于駕駛人在 3 200 m 的高海拔地區行車。

2 試驗方案

2.1 試驗隧道

由于烏尉天山勝利隧道尚在修建中,無法進行試驗,需要在低氧環境下完成隧道實車試驗以等效于 3 200 m 的高海拔公路隧道的行車過程。通過調研選取葛家溝隧道作為此次試驗隧道,海拔其高度為1 000 m,葛家溝隧道左線全長 1 475 m,右線全長 1 430 m,隧道內限速80 km/h。

2.2 試驗測試指標

選用心率和呼吸頻率作為本次試驗的生理測試指標[13]。但是心率為隨機信號,駕駛人個體之間存在差異,通過心率次數變化無法精確表達駕駛人的生理變化。研究中通過心率增長率N來量化照度對駕駛人的影響,如式(1):

(1)

式中:n2為隧道入口段行車過程中的心率值;n1為駕駛人平息狀態下的心率值。

參考文獻[14],心率增長率大小與駕駛人心理緊張程度有直接聯系,駕駛人感到舒適、緊張和恐懼的閾值所對 應心率增長率分別為 18%、27%和 39%。

2.3 試驗設備與被試

選用加拿大Thought Technology 公司研制的 ProComp Infiniti 生理儀測量駕駛人心率和呼吸頻率;TES-1 339專業型照度計進行照度采集; 魚躍YX306 指夾式脈搏血氧儀記錄血氧飽和度;試驗車輛選擇雪佛蘭科帕奇 SUV。

選取 20 名在校學生(12 名男性 8 名女性)作為被試參與低氧試驗的有效性測試,年齡為23～27 歲;通過網上征集。選取 20 名駕駛人(15 名男性 5 名女性)參與隧道實車試驗,年齡為24～53歲,平均年齡41歲,標準差 8.45 歲,要求駕駛人視力良好,具有隧道駕駛經驗,均取得 C2 及以上駕駛證,所有被試身心健康,試驗前保持充足睡眠。

2.4 試驗流程

2.4.1 低氧環境試驗分析

首先進行低氧試驗的有效性測試,試驗地點選擇在新疆大學實驗室,通過對被試佩戴 N95 型防護口罩疊加醫用外科口罩 2 h 后進行試驗,測得所有被試的血氧飽和度并計算平均值來驗證低氧試驗的可靠性。

2.4.2 實車試驗

實車試驗前需要先用雙面膠將駕駛人面部牢固粘貼 N95 防護口罩,再疊加佩戴醫用外科口罩的,持續時間為2 h,以構建低氧環境,待駕駛人的血氧飽和度平均值通過驗證后再進行隧道行車試驗。隧道實車試驗選擇晴朗天氣進行,駕駛人在整個試驗過程中需佩戴口罩。正式試驗開始時,駕駛人按照規定路線駕駛車輛,副駕駛位試驗人員負責記錄照度值;后排左方試驗人員負責數據采集;后排右方試驗人員負責拍攝車輛的行車環境。

2.5 數據采集

正式試驗前需要對低氧環境的可靠性進行驗證,選擇低氧環境試驗中10名被試的血氧飽和度并計算平均值。根據JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》和試驗方案,選擇隧道入口外前 300 m 至隧道內 200 m (隧道入口段)為數據的測試范圍。依據隧道入口段交通事故常發位置和照度對駕駛人的刺激影響程度,為研究駕駛人在隧道入口段生理心理變化規律,按 100 m間距將隧道入口段分為 5 個區段,細分示意圖如圖 1。

圖1 隧道入口段細分示意Fig. 1 Schematic diagram of the subdivision of tunnel entrance section

根據拍攝的行車環境視頻提取照度數據,生理儀配套軟件導出測試數據并作處理得到心率和呼吸頻率,依據拉維達原則剔除無效數據。

3 結果及分析

3.1 低氧環境有效性分析

測量血氧飽和度測試,部分被試結果如表 1 。

表1 血氧飽和度測試結果

通過計算得到被試的血氧飽和度平均值為90.4%,驗證了筆者方法構建低氧環境的有效性。

3.2 心率增長率變化特性

隧道入口段駕駛人的心率增長率,如圖2。

圖2 心率增長率變化Fig. 2 Changes in heart rate growth rate

由圖 2 可知:駕駛人在隧道入口段行駛時心率增長率為 27.09% ～ 41.53%,均超過了駕駛人舒適性范圍,駕駛人處于緊張和恐懼的心理狀態。隧道入口段的心率增長率呈現出不同的變化趨勢,駕駛人駛入隧道的過程中,心率增長率逐漸增加,靠近 隧道洞口時增加幅度更為顯著,進入隧 道 10～40 m 范圍內,駕駛人心里感受由緊張變為恐懼,隨后駕駛人心率增長率先是劇烈下降然后趨于穩定,心理感受回到緊張狀態且程度較高。可以認為駕駛人在不同區段心率增長率存在差異。

3.3 呼吸頻率變化特性

駕駛人在隧道入口段的呼吸頻率如圖3。

圖3 呼吸頻率變化Fig. 3 Changes in respiratory rate

圖4 不同區段的心率增長率Fig. 4 Heart rate growth rate in different segments

由圖 3 可以看出:駕駛人在接近隧道洞口時呼 吸頻率明顯增加,且在隧道洞口內10 m處出現極大 值,隨著駕駛人逐漸深入隧道內部,呼吸頻率逐漸 回落并維持穩定。

3.4 不同區段心率增長率差異性檢驗

應用單因素分析法對不同區段的心率增長率作差異性檢驗發現,駕駛人在5 個區段行駛過程中的心率增長率存在顯著差異〔F(4,50)=24.12,p<0.001〕。

繪制箱式圖進一步分析隧道入口段不同區段 的心率增長率顯著差異,如圖 4。

由圖 4 可知:在 5 個區段中,心率增長率在入口段Ⅲ、Ⅳ間差距較為明顯,其余區段波動較小。入口段Ⅳ心率增長率顯著性最大,說明隧道洞口至隧道內 100 m 的路段范圍內最不利于行車安全。根據文獻[14]可知,高海拔公路隧道入口段的心率增長率(42%)明顯高于低海拔(32%),結合筆者研究可說明,高海拔的低氧環境導致駕駛人心理緊張感更加強烈 。

3.5 不同區段呼吸頻率差異性

應用單因素分析法對不同區段的呼吸頻率作差異性檢驗發現,駕駛人在 5 個區段行駛過程中的呼吸頻率存在顯著差異〔F(4,50)=39.49,p<0.001〕。

繪制箱式圖來進一步分析隧道入口段不同區段的呼吸頻率顯著差異性,如圖 5。

由圖5可知,入口段Ⅲ、Ⅳ的呼吸頻率差異較大,其余 3 個區段差距較小。駕駛人在入口段Ⅲ的呼吸頻率波動最大,說明駕駛人的心里緊張程度變化明顯,入口段Ⅳ駕駛人呼吸頻率最大。

圖5 不同區段的呼吸頻率Fig. 5 Respiratory rate in different segments

圖6 照度和心率增長率的擬合Fig. 6 Fitting of illuminance and heart rate growth rate

圖7 照度和呼吸頻率的擬合Fig. 7 Fitting of illuminance and respiratory rate

3.6 照度和心率增長率相關性

隧道入口段照度變化對駕駛人的生理、心理會產生一定影響,利用試驗數據繪制照度和心率增長率的散點圖擬合曲線,如圖 6。

由圖 6 可知: 心率增長率隨著照度的增加出現先增后減的趨勢, 其中2 000 lx 左右出現最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范圍內) 心率增長率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度與心率增長率的范圍如表2。

表2 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度與心率增長率的范圍

隧道入口外照度較高,心率增長率較小,隧道入口內照度值較低環境昏暗,駕駛人心率增長率較高,心理緊張程度大。利用 ORIGIN 軟件建立照度和心率增長率關系模型:

h=32.683 6+0.001 73L-1.585 62×10-6L2+

8.249 92×10-11L3

(2)

式中:h為心率增長率,%;L為照度,lx。

模型的相關系數R2=0.906 99,說明曲線擬合程度較好, 照度和心率增長率的相關性較強。

3.7 照度和呼吸頻率相關性

利用試驗數據繪制照度和呼吸頻率散點圖擬 合曲線,如圖 7。

由圖 7 可知:呼吸頻率隨照度的變化與心率增長率隨照度的變化基本一致,在照度值為4 000 lx 左右時呼吸頻率出現最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范圍內)駛人緊張 感最強烈,呼吸頻率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度與呼吸頻率的范圍如表3。

表3 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度與呼吸頻率的范圍

建立照度和呼吸頻率的關系模型:

r=32.146 28+0.004 73L-8.398 23×10-7L2+

3.485 85×10-11L3

(3)

式中:r為照度影響下的呼吸頻率,次/min。

模型的相關系數R2=0.822 12,可以看出擬合程度較好,照度和呼吸頻率的相關性 較強。

綜上,高海拔隧道入口段照度對駕駛人的心率增長率和呼吸頻率影響程度較大,尤其是隧道洞口照度劇烈變化給駕駛人生理帶來一定的沖擊, 造成緊張甚至是恐懼的心理狀態。因此,在高海拔公路隧道入口段的交通設計和管理中應做好減光遮光措施,最大限度的減少照度變化對駕駛人生理的影響,保障駕駛人的行車安全性和生理舒適性。

4 結 論

為了提高高海拔隧道入口段交通安全,開展了低氧環境下的實車試驗研究了照度對駕駛人心理狀態的影響,得到以下結論。

1)低氧環境的試驗符合駕駛人初次到達 3 200 m 的高海拔地區的生理指標,高海拔低氧環境相較于平原地區導致駕駛人出現更為強烈的心理緊張感。

2)隧道洞口前 100 m 和洞口內 100 m 范圍內駕駛人生理不適性較強,出現緊張甚至恐懼的狀態。

3)心率增長率和呼吸頻率隨照度的增加均呈現先增后減的趨勢,且兩者均在隧道洞口附近產生最大值;關系模型表明照度與心率增長率和呼吸頻率呈現強相關性。