山区公路条件下驾驶员生理特性研究

莫秋云，李荣敬

(桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004)

随着公路建设的长足发展，公路交通安全问题日益突出，仅2011年上半年，全国共接报交通事故1 840 998起，同比增长1%，直接经济损失4.4亿元［1］。根据表1［2－3］交通事故数据统计，可见，道路交通事故在逐年增长，给国民经济和生命财产造巨大影响。驾驶员驾驶操作行为是人、车、环境因素综合作用的结果。26%的驾驶员交通肇事行为由人与环境的综合因素引起［4］。公路环境条件是公路交通人机环境系统的重要组成部分，直接影响驾驶员的心里和生理状态，进而影响其行为，导致交通安全问题。

表1 近几年的交通事故情况

由于西部地区受地形、地质特征的限制，公路多是依山傍岩、落差大、坡长且陡、弯道盲道多、视距不足、起伏不平，相比其他地区，公路重大恶性交通事故发生率最高［5］。频发的事故表明，目前用于山区的公路线形设计指标仍有一些需要探讨的地方。近年来，综合考虑驾驶员的交通行为和心理、生理特征的公路线形设计已成为国外研究的热点，而我国这方面的研究还处于起步阶段［6－7］。文中基于图形化生物医电工程实验平台对驾驶员动态行为进行实时有效的跟踪监测，并分析研究驾驶员在山区公路条件下的心率影响变化。

1 驾驶员心率变化的影响因素

道路交通系统是人、车、路、环境相互作用的一个整体。从生理学角度讲，驾驶员行车时，道路、环境和车辆3者的信息都是通过感觉系统以神经信号的形式传送给驾驶员的脑中枢，在脑中枢的信息处理系统中，将传入的有关信号进行识别与相应的处理，使驾驶员的交感神经产生兴奋，导致驾驶员心率变化快慢，间接反应了驾驶员本身的行车紧张性，最后从驾驶员手、脚的操作控制车辆的运行轨迹和速度的形式表现出来，构成了行为输出过程［8］。由此可把驾驶员视为一个多通道的有限输送容量的信号处理系统来研究，将复杂山区公路环境条件下对驾驶员的影响因素划分为心理特征和生理特征，具体如图1所示。

图1 驾驶员心率变化影响因素

心率是反映人体紧张性的有效指标。文中选用心率指标作为驾驶员心理与生理的研究指标，其原因如下:心率指标可以客观、直接、方便地测量驾驶员在驾驶车辆时的紧张程度，找出其规律性，这对减轻驾驶员行车时的生理负荷，减少交通事故的发生非常必要。

2 实验系统的设计与实现

2.1 硬件系统组成

系统的总体框架如图3所示，主要由硬件和软件两大部分组成。硬件主要包括多路心电放大器，如图2所示，数据采集卡和NI教学实验室虚拟仪器套件NI ELVIS，如图4所示，以及PC机。目的是实现心电采集、处理和A/D转换，将信号通过DAQ板引入到PC机中进行处理。

2.2 软件系统

实验采用美国NI公司开发的图形化生物医学起步包，它和数字采集硬件作为图形化实验平台，可以帮助使用者大幅降低编程工作，将主要精力放在算法研究上。生物医学起步包具有数据文件格式转换、生物信号记录，信号降噪、心电信号产生和特征提取，以及心率变异性分析等内置功能，与数据采集硬件结合后，无需编程即可完成生物医学微电实验。另外，它还包含LabVIEW程序模板，可以帮助调试自定义算法。

3 数据采集和分析

图4 NI教学实验室虚拟仪器套件

实验以广西省内某二级山区公路为研究路段，该公路的特点是连续长上下坡，落差大，具有西部山路特征的普遍性。在车辆起步后，生物医学起步工具包和各仪器同时记录采集到得实时数据。数据采集过程中车内保持安静，避免不必要的信号干扰，重复实验采集测试路段驾驶员动态心电信号相对最稳的信号为研究对象。生物医学起步工具包中的在线信号降噪记录仪，利用自适应滤波算法在信号采集过程中实时降低噪音干扰，这样就可以采集到接近驾驶员真实的心率实时变化信号如图5(a)所示，为后续对心率的分析提供可靠的信号源。心率变化是相邻两个脉搏时差的曲线，稳定心率的波形近似于直线，不正常的心率变化则与驾驶员的行车紧张性相关，如图5(b)所示，即外部环境对驾驶员心理和生理的影响。

表2 驾驶员基本情况及对路段熟悉情况

图5 心率图

3.1 心率稳定性分析

NI图形化生物医学起步包中的心率分析就是对心率进行预处理，利用时域、频率域或统计分析方法，从中提取某种特征信号。文中利用庞加莱图对心率稳定性进行分析，庞加莱图中的X轴表示:和前一个脉搏的间隔;Y轴表示:和后一个脉搏的间隔;稳定的心率将集中在一个小圆圈内。图6是驾驶员在试验路段某一时刻的心率变化，可看出驾驶员心率在复杂山路环境条件下，心率变得不稳定，驾驶员的紧张情绪也在增强。该方法对研究者来说使用简单方便，但要真正的对驾驶员在复杂山区公路条件下心率的变化研究，还需要进一步研究，这也是下一步将要做的工作。

图6 驾驶员心率庞加莱图分析

3.2 环境对驾驶员心率增长率影响分析

心率增长率与心率相比更能真实衡量驾驶员行车过程中的生理变化程度。其计算公式［7］如式(1)所示

式中，Ni表示驾驶员行车过程中某一时刻的心率增长率;ni表示驾驶员行车过程中某一时刻的心率值，单位bpm表示驾驶员静止时的平均心率，单位bpm。

据文献［9］可知，心率增长率超过20时驾驶员会紧张;当心率增长率超过40时，驾驶员会惊慌。

由图7可以看出，01驾驶员行驶时的心率变化曲线上下起伏大，多数心率增长率在20% ～40%之间，个别在40%～45%之间。这些数据表明在该情况下，01驾驶员多数情况处于紧张状态，甚至有时出现惊恐现象，心理负荷较重。

图7 01驾驶员某一刻的心率变化图

由图8可以看出，02驾驶员的心率增长率大部分在30% ～40%之间，比01驾驶员心率相对加快，部分心率变化率已超出40%，最大值接近50%。说明驾驶员处于极度紧张状态，甚至个别时候会恐慌。

图8 02驾驶员某一时刻心率变化图

由图7、图8比较可以看出，驾驶员之间尽管存在一定的个体差异，但在恶劣的山区公路环境条件下心率增长率都有着较大的影响。图中01及02驾驶员都出现了紧张状态，但02驾驶员比01驾驶员波动幅度更大，更为紧张。这说明心率变化与驾龄和年龄有关。驾驶员在行车过程一旦出现紧张状态，容易产生交通事故。另外，从图中可以看出，在弯坡组合，盲道等事故多发的地方，由于视距不足，两名驾驶员也不同程度的出现了心率突变，这也说明心率突变容易导致交通事故。

4 结束语

在复杂山区公路上行车时，驾驶员的心理生理都会不同程度地受到影响，不安全感也增大，心理较为紧张，对车速把握不准，这时极易发生交通事故。通过对心率不稳定和心率增长率研究，得出以下结论供道路线形设计和驾驶员行车安全参考:(1)本文通过分析在复杂山区公路段采集驾驶员心率，结果表明驾驶员在行车过程中都出现了心率不稳，警惕性下降，易出现驾驶疲劳现象。(2)通过对两名驾驶员心率增长率的分析研究，结果表明心率变化快慢和行车紧张程度的变化与驾驶员本身的驾龄、年龄、阅历有一定的关系。(3)山区公路复杂的公路线形对驾驶员心理及生理造成较大的影响。从图7和图8两名驾驶员的心率增长图中可以看出，在同一时间段都出现不同程度的心率突变。该节点上都是弯坡组合、盲道路段，其线形综合指标较大，视距不足，驾驶员心理紧张，行车较危险，因此，应尽量避免这种线形组合或采取其他适当措施以减小驾驶员的心理负荷。

［1］公安部交通管理局.2011年上半年全国公路交通情况［EB/OL］.(2011－11－29)［2011－12－26］http://www.mps.gov.cn/n16/n85753/n85870/2857811.html

［2］公安部交通管理局.2009年全国公路交通情况［EB/OL］.(2010－09－30)［2011－12 －26］http://www.mps.gov.cn/n16/n85753/n85870/2450243.html.

［3］公安部交通管理局.2010年全国公路交通情况［EB/OL］.(2011－09－15)［2011－12 －26］http://www.mps.gov.cn/n16/n85753/n85870/2758752.html

［4］赵忠利.驾驶员交通肇事行为原因及预防［J］.济南交通高等专科学报，1996，1(9):149－153.

［5］张建军.连续长大下坡路段避险车道设置原则研究［D］.合肥:合肥工业大学机械与汽车学院，2005.

［6］范士儒.交通心理学教程［M］.北京:中国人民公安大学出版社，2005.

［7］潘晓东.人体信息技术在道路几何构造安全性评价中的应用［D］.上海:同济大学交通运输工程学院，2002.

［8］闫莹.公路长大下坡路段线形指标对驾驶员心理生理影响的研究［D］.西安:长安大学，2006.

［9］阎莹，刘浩学.山区公路纵坡路段线形指标对驾驶员心理生理影响研究［J］.武汉理工大学学报，2008，12(6):1013－1016.