高原公路不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响

朱兴林， 高 超， 艾力·斯木吐拉

(新疆农业大学交通与物流工程学院,乌鲁木齐 830052)

不良天气和恶劣天气是高原公路行车安全的重要隐患,相比于晴朗的天气,雨雪、大雾天气光线较差,导致行车视野变小、能见度降低,昏暗的道路环境导致驾驶员视力有不同程度的下降,开车视线变得较为模糊。随着中国经济的不断发展,基础设施的不断完善,高原公路建设也日趋完善。高原公路独特的地理特性往往伴随着雨雪大雾天气的频频发生,造成路面产生积水和结冰,轮胎与地面的摩擦力降低,往往发生打滑的现象,在转弯路段甚至会发生汽车甩尾等危险情况。给驾驶员带来了心生理负担,加重了驾驶员的驾驶负荷。每年因恶劣天气状况引发的交通安全事故数呈直线上升。后视镜因恶劣天气,镜面的清晰度和分辨度降低,导致驾驶员无法准确地判断后方车辆位置及其后方驾驶员的行车意图,驾驶员超车和变道变得愈加犹豫和困难,引起驾驶员的心慌和不安,增加了驾驶员的工作负荷。负荷过高会造成驾驶员的反应变慢、驾驶操作变形、判断不准确以及决策失误增多,容易引发道路交通安全隐患,发生交通事故的风险明显增大。中外大量的交通事故统计分析资料表明: 在强降雨、浓雾、冰雪、强风等恶劣天气条件下,交通事故发生率高[1-3]。

虽然对高原公路的研究成果较多[4-7],但大多限制在研究有关道路线形及海拔高度的驾驶负荷,未有研究高原公路不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响。因此,研究在高原公路不良天气状况下驾驶员驾驶负荷的差异，进一步提高高原公路道路交通安全,最大程度地保障高原公路驾驶人的人身安全。

1 试验

1.1 试验道路

行车试验在高原公路国道G217独库公路K670+550-K692+000段,全长约21.5 km。试验路段为哈希勒根隧道口至乔尔玛烈士陵园。最高点哈希勒根隧道口海拔为3 500 m,最低点乔尔玛烈士陵园海拔为2 500 m,如图1所示，道路的限速为50 km/h。试验期间路段通行状况良好,机动车较少,车辆处于自由行驶状态,全程行车试验保持50 km/h匀速行驶,排除车速对驾驶员生理波动的干扰。行车试验期间未受到其他车辆的干扰；同时,未出现超车、会车的情况,避免了各种干扰所引起的生理指标波动。

图1 高原公路海拔高度及道路线形Fig.1 Altitude and road alignment of plateau highway

1.2 试验仪器

试验仪器选用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理仪采集心电参数，用探险家GPS Receiver对行车的海拔高度和经纬度进行检测和收集,德国Ergoneers公司的D-LAB心理人因同步研究系统同步采集相关心电实时数据及GPS数据,且设备连接状况良好,数据传输正常,试验期间设备无异常反应。用行车记录仪进行路况录制,试验车辆为东风日产奇骏2.0 L CVT自动挡SUV。

1.3 试验人员

表1 被试驾驶员基本信息Table 1 Basic information of tested driver

1.4 试验环境

为研究高原公路不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响,试验环境选取高原公路不同天气状况(良好天气和恶劣天气),深度研究在高原低氧环境下晴天、雨天、雪天、雪天+大雾4种天气(图2)对驾驶人驾驶负荷变化规律的影响。

图2 高原公路4种天气状况Fig.2 Four weather conditions of plateau road

2 心电指标

选用加拿大Thought Technology公司的ProComp Infiniti生理检测仪,采集用于评价驾驶人工作负荷的指标,其中包括心率增长率，心率变异性时域指标相邻心跳间期之差的均方根值(root-mean-square of difference-value of adjacent RR interval,RMSSD)、全部窦性心博RR间期的标准差(standard deviation of RR interval,SDNN)、相邻NN间期差值>50 ms的百分数(percentage of R-R intervals at least 50 ms different from the previous interval,PNN50)。其中,心率增长率可以实时、有效地反映被试驾驶人心脏跳动及心率波动的规律,故心率是表征驾驶人负荷变化的敏感指标。心率增长率越大,驾驶负荷相应的也就越大。用被试驾驶人在行车前平静坐姿状态下的平均心率作为基准心率,用驾驶员行车过程中某一时刻的心率值作为实测值,进行心率增长率的计算,其计算公式为

(1)

心率变异性(HRV)指的是心率变化幅度快慢的差异[8-12],并用于分析逐个心跳周期细微变化及其规律,由心电图(ECG)信号提取而来,通过识别逐次心博的QRS波,检测每一个R波的发生时刻,计算逐次心博的RR间期,最后通过不同的序列转换方法得到HRV信号。相关研究结果表明，当驾驶负荷增加时,心率增大,而心率变异性减小。因此,常用RMSSD、SDNN和PNN50这3个指标。

RMSSSD指的是相邻RR间期差值的均方根,表示正常窦性心搏间期的离散程度,其计算公式为

(2)

式(2)中:RRj+1表示第j+1个RR间期,ms；RRj表示第j个RR间期,ms；RRj+1-RRj表示相邻RR间期差值,ms。其中,j=1,2,…,N-1。

SDNN指的是全部窦性心搏RR间期(简称NN间期)的标准差,反映正常窦性心搏间期的快速变化,计算公式为

(3)

养分表观消化率：测定饲料样及粪样中干物质含量、粗蛋白含量、中性洗涤纤维含量、酸性洗涤纤维含量，计算养分表观消化率，其公式为：

PNN50指的是相邻NN之差大于50 ms的个数占总窦性心搏合数的百分比,计算公式为

PNN50=[NN50/Total(NN)]×100%

(4)

式(4)中:NN50表示相邻NN间期差值>50 ms的个数,ms；Total(NN)表示总窦性心搏合数,ms。

3 不同海拔高度下驾驶人工作负荷的差异

对驾驶员的心电指标进行采集,在车速(50 km/h)恒定的情况下,对比驾驶人在不同海拔高度(2 500～3 000 m和3 000～3 500 m)下行车过程中心率增长率、心率变异性时域指标(RMSSD、SDNN、PNN50)的变化情况,进一步通过评价指标分析海拔高度对驾驶人工作负荷的影响,并通过箱线图深度对比本地驾驶人和外地驾驶人驾驶负荷的差异,箱线图中位数代表驾驶负荷的整体水平,最终进行t检验,分析其影响效果的显著性。

3.1 心率增长率和PNN50在不同海拔高度下的变化

驾驶人心率指标心率增长率和心率变异性指标PNN50在不同海拔高度下的总体水平是不同的,随着海拔高度的逐渐增加,驾驶人在2 500～3 000 m行车的心率增长率明显低于3 000～3 500 m的心率增长率；驾驶人在2 500～3 000 m行车的PNN50明显高于3 000～3 500 m的PNN50。PNN50越小,表明心跳间隔时间越短,驾驶人心里越紧张,驾驶负荷越大。在同样的晴天天气状况下,3 000～3 500 m的心率增长率总体水平比2 500～3 000 m的总体水平升高78%,心率增长率上升尤为显著；3 000～3 500 m的PNN50总体水平比2 500～3 000 m的总体水平降低40.89%,PNN50下降是显著的。对不同海拔高度下心率指标心率增长率和心率变异性指标PNN50实时数据进行t检验,表明海拔高度对驾驶人工作负荷的影响结果显著(P<0. 05)。

3.2 RMSSD和SDNN在不同海拔高度下的变化

驾驶人的心率变异性指标RMSSD和SDNN在不同海拔高度下的总体水平是不同的,随着海拔高度的逐渐增加,驾驶人在海拔2 500～3 000 m行车时,RMSSD和SDNN明显高于3 000～3 500 m。RMSSD和SDNN的值越小,即HRV值越低,表明心跳间隔时间越短,驾驶人心里越紧张,驾驶负荷越大。在同样的晴天天气状况下,海拔3 000～3 500 m的RMSSD和SDNN总体水平分别比海拔2 500～3 000 m的总体水平降低42.86%和23.23%,RMSSD和SDNN的下降是显著的。对不同海拔高度下心率变异性时域指标RMSSD和SDNN实时数据进行t检验,表明海拔高度对驾驶人工作负荷的影响结果显著(P<0. 05)。

3.3 本地与外地驾驶人驾驶负荷对比

本地驾驶人常年生活在高原地区,已经适应高原反应和低氧环境;而外地驾驶人初次进入高海拔地区,由于对高原低氧环境的不适应性和陌生性,在相同的晴天天气状况和海拔高度下,在3 000～3 500 m高海拔试验路段行车时,外地驾驶人的心率增长率比本地人高50.75%,心率变异性指标RMSSM、SDNN、PNN50分别比本地人低19.97%、16.38%和31.03%,对比尤为显著,表明外地驾驶人的工作负荷在晴天3 000～3 500 m高原地区试验路段高于本地驾驶人工作负荷，如图3和表2所示。

图3 本地与外地驾驶人工作负荷Fig.3 Workload of local and foreign driver

表2 高原公路驾驶人工作负荷总体水平Table 2 Overall working load level of plateau highway drivers

4 不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响

由于国道G217独库公路独特的地理位置,在山下乔尔玛烈士陵园2 500 m处至半山腰3 000 m处下雨,半山腰3 000 m处至山顶哈希勒根隧道口3 500 m处下雪,形成了不同海拔高度的不同恶劣天气状况。在海拔2 500～3 000 m的行车试验路段,在不同海拔高度下驾驶人心率增长率和心率变异性时域指标的总体水平是不同的,随着天气状况不断恶化,雨天造成路面积水,导致路面湿滑,轮胎与地面的摩擦系数降低,雨天汽车两侧后视镜产生积水,造成周围视线模糊,影响驾驶人的判断和操作,甚至造成驾驶人驾驶行为变形,引起驾驶人内心恐慌。在雨天驾驶人的心率增长率明显高于晴天的心率增长率；下雨天的心率增长率总体水平比晴天的总体水平升高49.34%,心率增长率上升尤为显著；心率变异性的值越小,表明心跳间隔时间越短,驾驶人心里越紧张,驾驶负荷越大。在同样的海拔高度行车试验路段下,下雨天的心率变异性时域指标RMSSM、SDNN、PNN50分别比晴天下降37.5%、9.22%和25.64%,表明随着天气状况的恶化驾驶人工作负荷的增加是显著的。对相同海拔高度下不同天气状况的心率增长率和心率变异性时域指标实时数据进行t检验,表明不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响结果显著(P<0. 05)，如表3、图4所示。

图4 海拔3 000 m不同天气状况驾驶负荷Fig.4 Driving load under different weather conditions at an altitude of 3 000 m

表3 不同天气状况下海拔高度3 000 m驾驶人工作负荷总体水平Table 3 Overall working load level of 3 000 m drivers under different weather conditions

从半山腰3 000 m处到山顶哈希勒根隧道口3 500 m处高海拔地区,逐渐开始飘起雪花,路面产生积雪,甚至造成路面结冰,驾驶车辆没有换雪地胎,造成轻微打滑,转弯处更容易由于打滑造成汽车甩尾现象。由于气温降低和降雪路面湿滑结冰,产生了浓雾,能见度不足5 m,进一步影响驾驶人的视线,引起驾驶人惊慌,加剧了驾驶人的工作负荷。因此,雪天+大雾(能见度不足5 m)恶劣天气的驾驶负荷最高,其心率增长率达到最大17.32%,心率变异性值降到最低,其中RMSSD、SDNN、PNN50分别降到7.81 ms、37.57 ms和1%。表明雪天+大雾天气对驾驶人工作负荷的影响高于雪天和晴天,且雪天对驾驶人工作负荷的影响也极其显著，如表4、图5所示。

图5 海拔3 500 m不同天气状况驾驶负荷Fig.5 Driving load under different weather conditions at an altitude of 3 500 m

表4 不同天气状况下海拔高度3 500 m驾驶人工作负荷总体水平Table 4 Overall working load level of 3 500 m drivers at different weather conditions

如图6、图7所示,随着天气状况的不断恶化和驾驶视线的模糊,心率增长率随着天气条件的恶化和海拔高度的增加而上升,心率变异性值降低,增加了驾驶人判断、意识、操作和决策的失误,加剧了驾驶负荷,造成高原地区道路交通事故危险性的增加,引发高原地区道路交通安全隐患。

图6 不同天气状况RMSSD和SDNN的总体水平Fig.6 Overall level of RMSSD and SDNN under different weather conditions

图7 不同天气状况PNN50和心率增长率的总体水平Fig.7 Total level of pNN50 and heart rate growth rate under different weather conditions

5 结论

(1)在同样的海拔高度行车试验路段下,在雨天驾驶人的心率增长率明显高于晴天的心率增长率；下雨天的心率增长率总体水平比晴天的总体水平升高49.34%,心率增长率上升尤为显著；下雨天的心率变异性时域指标RMSSM、SDNN、PNN50分别比晴天下降37.5%、9.22%、25.64%,表明随着天气状况的恶化驾驶人工作负荷的增加是显著的。

(2)心率增长率和心率变异性时域指标均能有效地表征高原公路驾驶人工作负荷,不同的海拔高度和天气状况均对驾驶人工作负荷产生较大的影响,道路的天气状况、能见度及海拔高度的共同作用对驾驶员驾驶工作负荷影响最大。

(3)雪天+大雾(能见度不足5 m)恶劣天气的驾驶负荷最高,其心率增长率达到最大17.32%,心率变异性值降到最低,其中RMSSD、SDNN、PNN50分别降到7.81 ms、37.57 ms和1%。表明雪天+大雾天气对驾驶人工作负荷的影响高于雪天和晴天,且雪天对驾驶人工作负荷的影响也极其显著。

本文仅仅考虑在相同路段不同天气状况对驾驶人工作负荷的影响,忽略了纵断面和平面线形对驾驶人工作负荷的影响,后续研究有待开展。