机车司机感知能力综合评价探讨

唐优华，张 桐，喻 晴



机车司机感知能力综合评价探讨

唐优华1,2，张 桐3，喻 晴1

（1. 西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 610031； 2. 西南交通大学，综合交通大数据应用技术国家工程实验室，成都 610031； 3. 北京交通大学，城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室，北京 100044）

针对机车司机感知特性进行分析, 从视觉感知能力、听觉感知能力及体位平衡感知能力三个方面构建了机车司机感知能力综合评价指标体系。对109位机车司机进行了11项相关指标测试, 引入熵权物元可拓模型对机车司机感知能力等级进行了有效识别。实验结果表明：该模型可有效识别出待评价机车司机的综合感知能力, 为机车司机感知能力的测评提供了一种科学有效的方法。

机车司机; 感知能力; 评价体系

0 引 言

感知能力作为驾驶员身心条件安全可靠性评价体系中的一个重要指标[1]，其科学有效的评价方法不仅可为铁路机车司机的选拔提供有效的参考依据，同时在机车司机的安全培训、差错控制和疲劳预防中均可提供技术支持。驾驶员感知能力与行车安全的研究近年来已受到了国内外学者的广泛关注，国外专家学者在20世纪90年代兴起了对汽车驾驶员感知能力的系列研究，并取得了一定的研究成果，主要包括驾驶员的工作负荷[1-3]、驾驶行为[4]和驾驶员可靠性等[5-8,15]。国内张殿业等对驾驶员身心条件安全可靠性、机车乘务员安全可靠性评价、机车乘务员动视力判别等问题进行了系统研究[9-15]，提出了涵盖机车司机可靠性的铁路运输安全理论与技术体系[12]，但既有研究针对机车驾驶员的感知和综合反应能力研究较少。本文通过构建系统的测试指标体系，引入熵权物元可拓模型评价方法对机车司机的感知能力综合评价方法进行了研究。机车司机感知能力评估研究的思路如图1所示。

图1 机车司机感知能力评估

1 机车司机感知能力综合评价指标体系

机车司机感知能力用以反映驾驶员对外界物理刺激进行认知的水平，其能力的强弱取决于感官对刺激的敏感程度，以及知觉对信息处理的准确性。本文综合考虑了驾驶环境中可引起驾驶员产生感知反应的因素，从动态视觉、听觉、平衡觉三个方面选取了11个指标构建了机车司机感知能力综合评价指标体系，如图2所示。

1.1 动态视觉感知能力评价指标

动态视觉感知能力用以衡量驾驶员在复杂环境中对动态物象信息的处理能力。本文选取视立体觉、动视力、静视力、动态视灵敏度、暗适应能力作为动态视觉感知能力的评价指标，这些指标的具体含义及采集分析方法如下：

（1）视立体觉：用以反映眼睛对驾驶环境中物体间距离、深度和体积的感知能力。本文采用EP503A深度知觉测试仪进行测试，仪器具有测定深度视锐的前后移动机构和移动速度调节装置，通过移动比较刺激，使之与标准刺激三点成一直线。

图2 机车司机感知能力综合评价指标体系

（2）动、静视力：驾驶员动视力用以反映眼睛在观察移动目标过程中对影像的捕捉能力。动视力感知能力因个体差异性而存在不同的表现，故选取静视力作为评价个体动态视觉能力的参考指标。本文采用动视力检测软件获取指标数据，测试界面上呈现运动不断变大的视标“E”，测试者识别出“E”字缺口方向后快速摇动摇柄至正确的方向，取识别的时间作为测试结果。

（3）暗适应：表现为驾驶员从明处进入暗处时，视觉适应性逐步提高的过程。本文采用暗适应仪测试驾驶员暗适应能力，实验首先对人眼进行一定时间强光照射，然后依据测试者在暗环境下对数字板的识别程度判定暗适应能力。

（4）视野敏感度：用以反映驾驶员辨认运动物体的敏锐程度。本文采用在黑色背景上呈现1 200个移动的白点，每个点4个像素，如图3所示，整个显示的视角为15。*15。，边界内数字视角为7。*7。。内外框边界的点是以相同的速度向相反的方向移动，每次运动的方向是随机的，试验的边框是从9个数字（1~9）中随机选择的，测试者识别数字边框为后按响应键次。

注：边界内外的点以相同的速度按不同方向移动，1的白色边框在实际测试中不可见

测试采用阶段极大适然方法（ML-PEST）调整每个试验的点移动速度，正确地识别导致速度降低而不正确的识别导致速度增加。测试时点的初始速度为1。/s，变化值为0.2。/s（变化值在最初的两次速度逆转后减半）。测试经过6逆转后得出结论，结论采用后四次逆转的点移动平均速度。

1.2 平衡觉感知能力评价指标

驾驶员平衡觉感知能力是指因路面坡度变化致使驾驶员身体重力方向产生偏移，从而引起的感官反应。为有效分析驾驶员的体位稳定度，分别对受试者进行了闭目体位平衡测试、15度体位平衡测试以及30度体位平衡测试。本文采用平衡测试仪对试验者进行测试，依据受力点的受力变化幅度来判别受试者的体位稳定程度。

1.3 听觉感知能力评价指标

听觉感知能力是指机车司机对驾驶环境中所产生的声音进行判断处理的能力。本文采用听觉实验仪分别对受试者进行低频听觉能力测试、中频听觉能力测试以及高频听觉能力测试。

2 机车司机感知能力的熵权物元模型

要对机车司机的感知能力进行综合评价，11个指标如何确定合理的权重是本问题的关键。指标权重确定常用的方法是模糊评判法，其虽然考虑到机车司机的各方面感知能力评价的模糊性和不确定性，然而在处理司机不同感知特性内部差异、白化信息和确定权重方面却存在不足，而物元分析理论以促进事物转化、解决不相容问题为核心，适用于多因子评价问题，有效避免评价标准不确定性带来的影响，全面、客观地评价机车司机感知能力的级别[13]。

2.1 确定机车司机感知能力分级物元

假定机车司机有个，机车司机感知能力分级特征和特征量值构成机车司机感知能力分级物元，用有序三元组=(,,)来表示，称为物元的三要素。机车司机感知能力若可用多个特征指标进行描述，以个特征1,2, …,c及相应值域范围1,2, …,x来表示，那么称为的维物元：

2.2 确定经典域与节域物元矩阵

取机车司机感知能力评价指标在全体级别中所对应的取值范围作为节域，节域物元R=(N, C, X)表达式为：

2.3 确定待评物元域

确定待评机车司机感知能力物元R，假设待评价的机车司机有个，则第个待评机车司机感知能力物元可表示为：

2.4 确定关联函数及关联度

2.5 熵权法确定权重系数

熵权法为客观赋权法，采用熵权法确定指标权重可有效避免主观因素引起的评价结果偏差，具体计算过程如下：

（1）指标无量纲化处理：

（要求指标越大越好） （8）

（要求指标越小越好） （9）

（2）对无量纲化后的指标数据进行归一化处理：

（3）第项指标的熵值表示为：

（4）第项指标差异性系数为：

（5）第项指标权重为：

采用以上公式得到客观权重向量为：

2.6 计算综合关联度并确定评价等级

3 实验分析

本文选取109名机车司机进行测试，测试样本均为健康男性，年龄分布在23岁至49岁之间。针对各驾驶员动态视觉、听觉、平衡觉三方面进行相关指标测试，并依据量化结果进行分级处理，所得机车司机感知能力等级标准如表1所示。

表1 机车司机感知能力等级标准

Tab.1 Standards for locomotive driver perception level

依据表1，取机车司机感知能力指标等级分类的域值范围作为经典域，构建经典域物元如下：

依据机车司机感知能力评价指标的取值范围构建节域物元，随机抽取109位机车司机中的一位作为示例，构建物元矩阵：

由式（8）~（13）计算各特征指标权重为：

依据权重计算可知，机车司机感知能力中动态视敏度综合权重为0.605 4，体位稳定度综合权重为0.245 3，听觉能力综合权重为0.149 3。由此可见，在感知能力综合测试中，动态视敏度变异程度较高，提供的信息量较大。权重测试结果同时符合主观分析中驾驶员视觉感知能力最为重要这一特征。

由式（5）~（7）计算各指标与感知能力等级关联度，由式（14）对待评对象进行感知能力综合评定，结果如表2所示。

依据式（14）对待评对象进行感知能力综合评定，计算结果如表3所示。

表2 各评价指标与感知能力等级关联度

Tab.2 Correlation between each evaluation index and perception level

续表2

等级评价指标 Ⅲ-0.22-0.3330.5-0.3-0.50.333-0.50.333-0.5-0.50.333 Ⅳ-0.11-0.167-0.5-0.15-0.143-0.33-0.2-0.50.3330.333-0.5 Ⅴ-0.073-0.111-0.25-0.1-0.083-0.167-0.125-0.2-0.333-0.333-0.2

表3 测试样本加权关联度计算结果

Tab.3 Test sample weighted association degree calculation results

由加权关联度可知，所抽取的示例机车驾驶员综合感知能力为II级。同理，对剩余108位机车司机进行综合感知能力测试，实验结果表明：感知能力极强I级占32%，强II级占41%，较强III级占22%，较弱IV级占4%，弱V级占1%。

4 结束语

机车司机作为铁路运输中诸多参与者的主体，其操作行为会对铁路运输安全产生不同程度的影响。机车司机感知能力检测是对机车操作行为主体的客观评价，关系到铁路运输安全的控制效果，是铁路运输安全管理工作的一个重要环节。本文基于大量机车司机检测数据，构建了机车司机感知能力综合评价指标体系，并在此基础上建立了熵权物元可拓模型，实现了对机车司机感知能力的等级判定，发现经过实证评价结果与实际情况存在很高的拟和度，确定了109名机车司机的综合感知能力，为进一步研究提供了参考依据。

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（中文编辑：刘娉婷）

Psycho-physiological Perception Evaluation of Locomotive Drivers

TANG You-hua1,3，ZHANG Tong2，YU Qing1

( 1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. Laboratory for Urban Transportation Complex Systems Theory and Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

Many factors affect psycho-physiological perception of locomotive driver. Aiming at characteristics of locomotive drivers’ perceptual features, a psycho-physiological perception evaluation system of locomotive drivers is constructed based on visual perception, auditory perception and balance perception. 109 locomotive drivers have been selected to test for 11 index. The psycho-physiological perception of locomotive drivers can be evaluated effectively. The experiment results show that the method can evaluate the perception levels of different locomotive drivers feasibly. It provides a scientific and efficient way to evaluate the psycho-physiological perception of locomotive drivers.

locomotive driver; perception; psycho-physiological evaluation

1672-4747（2018）03-0021-07

U471.3

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.03.004

2017-06-05

唐优华（1977—），男，浙江常山人，高级工程师，研究方向：交通安全技术、智能交通技术。

张桐（1989—），男，辽宁鞍山人，北京交通大学博士生，研究方向：城市交通工程理论与技术。

唐优华，张桐，喻晴. 机车司机感知能力综合评价探讨[J]. 交通运输工程与信息学报, 2018, 16(3): 21-27.