基于驾驶员心生理反应的旅游区道路景观评价模型研究

乔建刚，任鸿儒，周彤

(河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

基于驾驶员心生理反应的旅游区道路景观评价模型研究

乔建刚，任鸿儒，周彤

(河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

旅游区公路景观既具自然属性，又具社会属性，既具功能性，又具观赏性，为了提升旅游区道路沿线景观，使其达到驾驶员行车舒适性的要求，通过大量的实地采集驾驶员行车时心生理反应数据，应用离散的傅立叶变换方法，把时域上的心率随机信号转化为频域上功率谱密度的值，得到道路景观与驾驶员心生理反应的变化规律；通过分析景观破碎化指数与道路景观、人类干扰强度的关系，构建了旅游区道路景观评价模型，为提高道路的安全性提出了一种新的思路。

交通运输工程；景观；驾驶员；心生理反应；道路模型

0引言

山区公路景观影响驾驶员行车舒适性，山区道路反向曲线之间直线过短，在行车速度高而驾驶员调整操作的反应时间内通过的距离又较小，就可导致驾驶员的操作不及时而产生交通事故[1]；当平曲线半径<40 m时，驾驶员的心率增长率随半径曲线的切线变化发生急剧转变，是心里最紧张最兴奋的时刻[2]；熊广忠提出：动视觉特性的应用，公路线形自身的协调以及公路线形与环境的协调三方面对公路景观有重要影响[3]。

国内外在影响道路使用者感受方面研究的已经出现，美国强调道路景观要以用路者的视觉要求去组织，这应是正确的路与环境的关系[4]；E. H. ZUBE等[5]证实驾驶信息主要来自外界环境，路侧景观对驾驶员的决策有显著影响；段萌萌等[6]从驾乘人员的角度分析了山区高速公路边坡景观安全系统各组成要素，确定了影响公路边坡景观与安全协调度的指标。以G207穿越猕猴自然保护区路段采集数据为实例，分析驾驶员心理反应影响因素，指导建成道路沿线生态环境后期养护，具有十分重要的意义。

1数据采集

通过布设仪器，采集山区双车道公路驾驶员心生理数据，如图1～图2。在样本数据表1中，心率增长率是指某一时刻驾驶员的心率增长量与其在平静状态下平均心率的比值；景观指数是指景观被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性，它是由于自然或人为干扰所导致的景观由单一、均质和连续的整体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程的参数。

图1道路仪器现场布置Fig.1Site layout of road equipment

图2数据采集动态监测Fig.2Data acquisition dynamic monitoring map

表1样本数据Table 1Sample data sheet

注：景观因素计算在2.2小节中。

2山区道路生态恢复景观因素

2.1驾驶员心率

行车心率的相关系数波形图，如图3，反映了行车心率随道路线形及交通环境的不同而出现了对应的周期性变化。为了解决此类问题，把时域上的心率信号或波形转化为频域上的信号或波形，具体转化的数学手段是应用离散的傅立叶变换方法，设随机信号序列为X(n)，n=0，1，……，N-1，则其傅立叶变换[7]：

(1)

式中：j为虚单位；w为圆频率。

由式(1)可得功率谱密度的估计值为

(2)

图3驾驶员行车心率变化Fig.3Heart rate change diagram of driver when driving

瞳孔异常变化反映驾驶员的精神状态，如图4，瞳孔尺寸一般变化范围1.3～8 mm，试验测量驾驶员平均瞳孔直径为4.25±0.5 mm，医学研究表明瞳孔尺寸：>5.5 mm为双侧性精神性出现焦虑、恐惧；<2 mm为双侧性心理性出现深呼吸、脑力劳累、睡眠困倦；极度的收缩时<1 mm，极度的扩大时>9 mm。图4为对应样本点与驾驶员心率变化对比，在V方向瞳孔尺寸最大为7.88 mm，超出异常尺寸43.27%，表明驾驶员在观测点前后出现恐惧心理，辅助对比心率变化图。

图4本路段瞳孔尺寸变化范围Fig.4Variation range of pupil size in this section

2.2环境因素

通过景观破碎化指数分析不同路段：与人类活动密切相关的景观类型，如苗圃、农地、采伐基地，该指数与人类干扰强度成反比关系；受人类影响遗留下来的自然或半自然景观类型，如各森林景观斑块，该指数与人类干扰强度成正比关系[8]。在人工干预的旅游区道路环境条件下，两指数均高表示景观状况不佳，需改进：FS1(斑块平均形状破碎化指数)与FS2(面积加权平均形状破碎化指数)公式如下：

FS1=1-1/MSI

(3)

FS2=1-1/ASI

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：MSI为景观斑块的平均形状指数；ASI是用面积加权的景观斑块平均形状指数；SI(i)为景观斑块i的形状指数；P(i)和A(i)为景观斑块i的周长和面积；A为景观总面积；m为景观总斑块数。

通过以上公式对卫星地图对G207道路尚庄至青龙潭隧道转弯前路段沿线景观进行破碎化指数计算，如图5。

图5景观破碎化指数对比Fig.5Comparison chart of landscape fragmentation index

由于人为干扰的加剧，G207道路沿线景观破碎化程度较高。森林景观破碎使大部分面积变成生态交错带[9]：一方面，使得林缘和交错带边缘种增加，有利于生物多样性，但由于二级路车流量大，人类活动频繁，反而会影响开阔地生活动物在道路沿线聚集；另一方面，对于需要大面积内部生境的林栖生物来说，道路修建切断了森林廊道，导致物种流通阻隔和物种数量减少。因此，针对道路沿线环境特点，较高的景观破碎化指数偏高不利于动物栖息繁衍。

3山区双车道驾驶员心率模型

3.1单因素分析

3.1.1n-v曲线

整理实验数据，发现驾驶员心率变化率与车速之间存在正相关关系，随着行车速度的增加，驾驶员因精神的紧张而产生的心率增长率相应加大，如图6：

图6驾驶员心率变化率与车速关系Fig.6Relationship between driver’s heart rate change ratio and the speed

3.1.2n-d曲线

通过数据分析得到驾驶员心率变化率与行车视距之间存在负相关关系，由图中可知驾驶员心率变化随着视距增大视野开阔而降低，如图7：

图7驾驶员心率变化率与视距关系Fig.7Relationship between driver’s heart rate change ratio and range of visibility

3.1.3n-z曲线

驾驶员心率变化率与弯坡比之间的关系见图8，可知驾驶员心率变化率随道路线形变化出现峰值的趋势。

图8驾驶员心率变化率与弯坡比关系Fig.8Relationship between driver’s heart rate change ratio and the curved slope ratio

3.1.4n-f曲线

驾驶员心率变化率与道路景观指数之间关系见图9，当道路沿线景观破碎度指数较大时，驾驶员视觉效果较差，影响驾驶员行车舒适性。

图9驾驶员心率变化率与景观指数关系Fig.9Relationship between driver’s heart rate change ratio and landscape exponential

3.1.5单因素公式

分析4条曲线并对其进行F检验，见表2。

表2样本数据Table 2Sample data sheet

通过对以上单因素进行F检验，检验结果满足要求，即：在0.05的显著条件下，单因素回归方程有效。

3.2心率增长率模型

通过分析表1各项因素，针对驾驶员的心率变化，在实际中往往是多重因素综合影响的结果，通过单因素回归模型应用SPSS统计分析出心率与各因素之间相互关系，见表3、表4。

由上得到景观指数、车速、弯下坡比和视距与心率增长率关系模型：

n=2.137 7v+48.943 1d-0.496 4+2.629 2ln(z)+14.188f0.340 3-51.523 2

(8)

应用F检验方程有效。

表3系数Table 3Coefficients

注：a.预测变量：(常量)，景观指数，车速，弯下坡比，驾驶员视距。

表4模型汇总Table 4Summary of model

4结语

道路景观影响驾驶员行车的舒适性，道路后期养护对沿线环境具有十分重要的影响，通过对旅游区道路上驾驶员心生理变化数据调查，对比分析得到驾驶员心率变化、瞳孔变化范围。基于心生理变化规律，提出一种景观设计方案评价模型，为旅游区道路景观设计提供建议依据。

[1] 乔建刚,温影赢,周荣贵. 基于驾驶行为的高原区公路纵坡折减[J].公路交通科技，2012,29(1):128-133.

QIAO Jiangang, WEN Yingying, ZHOU Ronggui. Grade compensation of highway in plateau area based on driving behavior[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2012,29(1):128-133.

[2] 乔建刚，荣建，任福田，等.基于人性化的双车道公路平曲线半径的研究[J].北京工业大学学报，2006，32(1)：33-37.

QIAO Jiangang，RONG Jian，REN Futian.Research on human two-lane highway horizontal curve radius based[J].JournalofBeijingofUniversityofTechnology.2006，32(1)：33-37.

[3] 傅朝权.重庆市旅游公路绿化养护技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

FU Chaoquan.ConservationChongqingCityTouristRoadGreeningTechnology[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2013.

[4] 美国土木工程师协会公路分会.实用公路美学[M].北京：人民交通出版社，1981.

American Society of Civil Engineers Road Branch.PracticalAestheticsRoad[M].Beijing：China Communications Press，1989.1.

[5] ZUBE E H，SELL J L，TAYLOR J G.Landscape perception：research application and theory[J].LandscapePlanning，1982，9(1)：1-33.

[6] 段萌萌，李建元，尚婷，等.山区高速公路边坡景观安全协调度评价[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013，32(6)：1242-1246.

DUAN Menmen，LI Jianyuan，SHANG Ting，et al.Evaluation of coordination degree of side-slop candscape and security of mountainous freeway[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2013，32(6)：1242-1246.

[7] 乔建刚.基于驾驶员因素的山区双车道公路关键参数研究[D].北京：北京工业大学，2006.

QIAO Jiangang.StudyontheKeyParameterofTwo-laneHighwayinMountainAreaBasedonDriver’sFactors[D].Beijing：Beijing University of Technology，2006.

[8] 王景伟，王海泽.景观指数在景观格局描述中的应用——以鞍山大麦科湿地自然保护区为例[J].水土保持研究，2006，13(2)：230-233.

WANG Jingwei，WANG Haize.Application of landscape index in landscape pattern based on damaike wetland nature reserve in Anshan[J].ResearchofSoilandWaterConservation， 2006，13(2)：230-233.

[9] 李淑娟，王明玉，李文友，等.东北林业大学帽儿山实验林场景观格局及破碎化分析[J].东北林业大学学报，2002，30(3)：49-52.

LI Shujuan，WANG Mingyu，LI Wenyou.Landscape pattern and fragmentation in Maoershan experimental forest farm in Heilongjiang Province[J].JournalofNortheastForestryUniversity， 2002，30(3)：49-52.

(责任编辑：朱汉容)

Road Landscape Evaluation Model at Tourist Area Based on the Driver’s Psychological and Physiological Responses

QIAO Jiangang, REN Hongru, ZHOU Tong

(School of Civil and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P. R. China)

The highway landscape at tourist area has both natural attribute and social attribute, which is both functional and ornamental. In order to enhance the landscape along the road at the tourist area and to achieve the driver’s requirements of driving comfort, a large amount of field acquisition data of drivers’ psychological and physiological reactions when driving was obtained. Through the discrete Fourier transform method, the heart rate random signal in time domain was transformed into power spectrum density value in frequency domain, and the variation rule of the road landscape and the driver’s psychological and physiological reaction was obtained. Through the analysis on the relationship among the landscape fragmentation index, the road landscape and the human disturbance intensity, the evaluation model of road landscape at tourist area was established, which provided a new thinking to improve the road safety.

traffic and transportation engineering; landscape; driver; psychological and physiological responses; road model

U418.9

A

1674-0696(2017)10-097-05

2016-06-20；

2016-09-04

国家自然科学基金项目(51108011)

乔建刚(1963—)，男，山西晋中人，教授，主要从事交通工程方面的研究工作。E-mail：qiaojg369@126.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.16