不良天气条件下的驾驶行为研究＊

祝站东 荣 建 周 伟

（北京工业大学交通工程北京市重点实验室1） 北京 100124） （交通运输部公路科学研究院2） 北京 100088）

为预防不良气候条件下的安全事故，很多学者从车辆方面考虑，利用传感器技术、红外或者激光探测技术，开发了雨、雾、雪等天气条件下的事故预防系统［1－4］.然而在野外进行不良天气条件下的驾驶行为研究是不现实的，一方面不良天气的发生是随机的、相对稀少的，另一方面安全性得不到保证，因此以往的相关研究很少能得到数据支持与理论依据［5］，说服力不够.本文应用驾驶模拟舱以及心电仪，针对不同的天气状况，通过模拟试验，研究驾驶员的驾驶特性，为不良天气条件下的道路管理提供依据.

1 实验仪器与实验方法

驾驶模拟舱为挪威AutoSim AS厂家生产，包括驾驶操作系统、视距系统、音频输出、控制中心等，可以模拟不同道路线形、天气条件、交通流条件等道路环境，检测与研究驾驶过程中的行车速度、加减速特征、跟驰特性等驾驶行为，也可以检测驾驶员的生理指标和心理指标（如心率、呼吸、血压、脑电、皮肤电等）的变化情况，是一个综合的驾驶行为模拟平台.

“KF2型动态多参数生理检测仪”是由北京保迈科技有限公司研制的一种先进装备，用于长时间检测受试者在各种状态（运动、睡眠等）下的生理参数（心电、呼吸等）.

1）实验场景设计 本实验选取高速公路上的直线路段，路线坡度均小于3%，变坡点以竖曲线相连，设计速度80km／h，双向4车道，交通条件为自由流，实验车辆为小客车.采用MultiGen＿Creator软件按照以上条件对公路路线（长度8.0 km）进行建模，导入到驾驶模拟舱的操作系统，建立实验所需的公路场景.

不良天气条件对驾驶员的影响主要体现在3个方面：（1）降低车辆与道路之间附着力或者说是摩擦系数；（2）降低了道路的能见度；（3）改变了汽车的受力状态，例如大风容易造成行车过程中的侧向失去平衡，导致侧翻.本次实验不考虑汽车的受力状态变化.

实验过程中的天气条件依次采用晴天、中雨、大雨以及雨雾天气；其对应能见度分别采用不限，150，100，50m，对应的路面摩擦因数分别采用0.8，0.5，0.3，0.3.

2）实验人员 在预备实验中发现女性以及年龄较大的男性在模拟舱中驾驶容易出现晕车现象，因此在正式实验时，选择年龄25～40岁的男性驾驶员12人，驾龄均在5a以上，驾驶员气质以偏内向（驾驶偏保守）为主.

3）实验过程 在正式进行实验之前，每个驾驶员都要进行试驾驶，以适应模拟舱环境.然后驾驶员依次在晴天、中雨、大雨以及雨雾天气4种公路场景下驾驶，为避免不同场景之间的干扰，要求每个场景结束后驾驶员要静待3min才能重新开始下一次实验.实验过程中，记录车速数据以及驾驶员的心率、呼吸率数据.

2 实验数据分析处理

为了驾驶员加减速以及其他因素的影响，实验数据仅选择驾驶员达到稳定速度后的实验数据，实验过程中每个驾驶场景的前2min（处于加速过程）以及最后1min（处于减速过程）的数据均舍弃，驾驶过程中不允许超车.每个场景取2～3min的连续稳定状态数据.

2.1 驾驶员车速数据分析

驾驶模拟舱的数据以30组／s的速度刷新，从每个驾驶员驾驶数据中摘录符合条件的3min数据并进行统计，结果如表1所列.从中可以看出，驾驶员的平均速度与天气变化密切相关，行车速度从大到小依次为晴天、中雨、大雨、雨雾天气，这与我们的直观感觉是一致的.通过对前三个驾驶员的统计发现，晴天、中雨、大雨、雨雾条件下的速度标准差分别为8.7，7.8，5.5，4.3，说明在晴天条件下，驾驶员的驾驶自由度最大，驾驶员可以根据自己的感觉自由选择行车速度，而在雾天条件下（能见度50m），驾驶员的驾驶行为受环境限制，速度的变化幅度非常小.从不良天气对行车速度的影响来看，与晴天相比较，中雨、大雨以及雨雾天气条件下速度分别下降18.9%，30.5%，45.1%.因此，可以近似认为，能见度每减少50 m，平均行车速度大约下降15%.

表1 不同天气条件下的平均速度 km／h

2.2 驾驶员心率、呼吸率变化

将每个驾驶员的心率、呼吸率数据以10s为统计间隔，取平均心率以及平均呼吸率衡量驾驶员的生心理指标变化情况.从统计结果来看，驾驶员的心率变化与天气变化表现出较强的相关性，不同驾驶员之间的心率变化较为一致，中雨天气的心率均值最大，然后依次为晴天、大雨以及雨雾天气，说明中雨时驾驶员的心理负荷最大，可能的原因是在中雨条件时，驾驶员不仅能见度受到限制，而且因为道路摩擦系数的降低，驾驶员在操作过程需要更加专注，同时还要保持较高的行车速度.与其他比较，晴天时驾驶员平均速度最高，其对应的心率也较大.而在大雨以及雾天，外部环境限制很大，驾驶员属于被动行车，虽然道路条件比中雨时更为恶劣，但因为行车速度可选择性很小，驾驶员的心理负荷反倒不大.由此也可以看出，行车速度对平均心率影响应该是最大的.这与以往的研究成果是相一致的.

驾驶员心率的标准差，大小依次为中雨、雨雾、大雨以及晴天，说明在晴天时虽然驾驶员的心率均值较高，但心率变化最为平稳，驾车最为舒服.同时，也再一次表明，中雨条件下，驾驶员的心理负荷最大，这种条件下驾驶员最为紧张.在大雨以及雨雾条件下，虽然平均速度下降很多，但由于能见度的显著下降，驾驶员出现明显的烦躁感，心理也比较紧张，这与以往的研究也是一致的［6］.从呼吸率来看，无论是均值还是标准差，统计结果均没有表现出规律性.图1～3为前3名驾驶员的心率、呼吸率变化图，表2为其对应的生心理指标统计表.其余驾驶员的图例限于篇幅不再列出.

图1 驾驶员1的心率呼吸率变化

图2 驾驶员2的心率呼吸率变化

图3 驾驶员3的心率呼吸率变化

表2 驾驶员的生心理指标

3 主要结论及建议

实验基于驾驶模拟舱，通过分析驾驶员的行车速度与生心理指标数据，得出了以下的研究结论.

1）驾驶员在晴天条件下可以自由选择行车速度.平均速度以晴天时最高，然后依次为中雨、大雨以及雨雾天气.

2）首次定量研究了能见度对行车速度的影响，即在一定的范围里面，能见度每降低50m，行车速度大约会降低15%.

3）首次具体研究了驾驶员在各种天气条件下的生心理状况，在中雨条件下最为紧张，然后依次为雾天与大雨天，晴天条件下驾车最为舒适.

4）驾驶员的呼吸率与天气条件之间没有发现相关性.

本次实验证明，基于驾驶模拟舱研究不良天气条件下驾驶员的生心理反应，进而研究其驾驶行为是可行的，这为不良天气条件下的驾驶行为研究提供了一个新的途径，然而，驾驶模拟舱与室外环境毕竟不同，能否通过对比分析消除二者之间的差别，本文在研究速度变化时并没有考虑这一点.另外在其他线形条件下，比如半径较小的圆曲线上或者纵坡路段，速度的变化是否还有相同的规律，这些都有待进一步研究.

［1］牛仁臣.浅谈驾驶员恶劣气候条件下的安全行车［J］.安全、健康和环境，2003，3（6）：38－39.

［2］US.Department of Transportation，Federal Highway Administration.An introduction to standards for road weather information Systems［J］.J.Transportation Research Record，2002，12（7）：220－235.

［3］Foresti G L.Multisensor data fusion for autonomous vehicle navigation in risky environments［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，51（5）：1165－1185.

［4］陈 勇.不良气候条件下道路交通安全事故预防系统研究［D］.重庆：重庆大学自动化学院，2007.

［5］骆 勇，魏 朗.雾天与高速公路安全［J］.人类工效学，1999，5（1）：33－35.

［6］郑 柯.基于驾驶员心理生理反应的高速公路公路线形研究［D］.北京：北京工业大学建筑工程学院，2003.