基于驾驶模拟的草原公路防疲劳设施效用分析

刘宝河， 彭志彪， 王俊俊， 伍毅平， 巩 建

(1.内蒙古交通设计研究院有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 010010；2.北京工业大学 北京市交通工程重点实验室， 北京 100124；3.包头交通投资集团有限公司， 包头 014020；4.中公高科养护科技股份有限公司， 北京 100095)

驾驶疲劳是造成交通事故的主要原因之一. 在中国，由驾驶疲劳引发的交通事故占高速公路交通事故总数的9.1%[1]. 美国汽车协会的一项调查发现，约41%的司机在驾驶过程中经历了不同程度的驾驶疲劳[2]. 在驾驶疲劳状态下，驾驶人注意力分散，反应迟钝，无法及时有效地控制车辆从而避免即将发生的交通事故. 因此，相比于其他交通事故造成的人员伤亡和车辆损害更大[3].

当前为应对由驾驶疲劳引起的道路交通事故而采取的对策主要分为3类：与驾驶人相关、与车辆相关、与道路相关. 与驾驶人相关的对策包括对驾驶人进行合理教育，告知驾驶人疲劳发生征兆及疲劳驾驶的潜在危害，并通过相关法律法规约束连续驾驶时间[4]. 车载驾驶疲劳预警设备是应对驾驶疲劳的主要方式之一，随着检测设备和车路协同技术快速发展，这种技术变得更加成熟可行. 通过实时监测驾驶人或车辆状态，当疲劳状态达到设定阈值时，预警设备对驾驶人进行预警[5]. 与道路相关的对策除了控制道路线形之外，应用最广泛的为在路侧或道路中心线设置震动带，通过车辆振动和噪音警示驾驶人，但此类设施不能对驾驶人提供足够的视觉刺激[6].

研究表明，驾驶人90%的外部信息主要依靠视觉获取[7]. 在车辆行驶过程中，驾驶人视野深度和宽度不断变化，驾驶人根据视野内容操纵车辆. 是否有道路标线和路侧护栏，以及路肩宽度和单调的路侧景观对驾驶疲劳有显著影响[8]. 因此，驾驶人视野内道路、交通和环境形成的外部视觉刺激是影响驾驶疲劳的主要因素之一.

草原公路具有道路线形单一、交通量少、环境单调的特点. 驾驶人在草原公路行车过程中，驾驶操作少，视觉刺激少，精神负荷低，注意力分散，警惕性降低，导致驾驶疲劳频发. 因此，从视觉角度对驾驶人进行刺激，有望缓解在草原公路单调环境中长时程驾驶所引发的疲劳. 本研究以视觉刺激为基础，结合工程应用实际，提出了3种新型防疲劳设施，即彩色防滑道面与路肩黄色导流线、主动发光标志和彩色防眩板. 为验证这3种防疲劳设施能否有效缓解草原公路驾驶疲劳，进行了驾驶模拟实验，获取了驾驶行为数据和主观评价数据. 通过综合评价，探讨了3种防疲劳设施的有效性.

1 实验设计

1.1 被试人员选取

共招募25名北京地区驾驶人参加实验，其中，男性14名，女性11名. 被试年龄在20～53岁(平均年龄(M)32岁，标准差(SD)为11岁). 被试驾龄至少1 a(M=9 a，SD=8 a). 所有被试无睡眠相关障碍，且在参加实验前1周内均未服用任何药物. 实验前24 h内不允许饮酒、喝咖啡或茶.

1.2 实验设备

本研究采用北京工业大学驾驶模拟器开展实验，如图1所示. 驾驶模拟器由一辆经过改造的真实车辆、计算机和视听设备等组成，可为驾驶人提供视觉、听觉和触觉等感官效应. 模拟器设置为以30 Hz/s的频率记录车辆运行数据.

图1 驾驶模拟器

1.3 实验场景

驾驶模拟实验道路基本路段为具有典型草原公路特点的双向四车道一级公路，如图2所示. 道路设计速度为100 km/h，由长直线和大半径反向圆曲线组成，如图3 所示. 各部分长直线和反向圆曲线设计指标相同. 研究表明，在单调环境中连续行驶30 min即出现驾驶疲劳状态. 因此，在驾驶模拟实验中应保证驾驶人在进入防疲劳设施前至少驾驶30 min.

图2 驾驶模拟草原公路环境

图3 道路线形

实验路段分为2部分：第1部分全长49.6 km，(若全程速度为100 km/h)，预计行驶时间为30 min. 满足进入疲劳状态的时间要求. 在第1部分路段场景中除添加草原及随机出现的远山、牛羊和具有草原特色的建筑物等营造草原公路氛围外，没有任何防疲劳设施，驾驶人在此部分进入驾驶疲劳状态；第2部分总长7 km，并根据设计要求设置了防疲劳设施，每个场景只设置一种防疲劳设施. 根据工程实际应用情况(国道210)，设计了3种防疲劳设施，分别为彩色道面与路肩黄色导流线(如图4(a)所示，设施长120 m，每间隔2.2 km设置1个，7 km长度内共设置3处)、主动发光标志(如图4(b)所示，每间隔2.2 km设置1个，7 km长度内共设置3处)和彩色防眩板(图4(c)所示，共有金属基色、天空蓝、薄荷绿3种颜色，如每2.2 km变换一种颜色，7 km长度内共3段不同颜色防眩板). 场景1设置彩色防滑道面与路肩黄色导流线；场景2设置主动发光标志；场景3设置彩色防眩板；场景4为空白对照组，未设置防疲劳设施.

图4 防疲劳设施

1.4 实验流程

实验由4部分组成：驾驶前问卷、预实验、主实验和驾驶后问卷.

在客观实验前，被试者完成关于基本信息、健康状况、心理现状的主观问卷.

预实验为5 min，用于被试者熟悉驾驶模拟器的操作、实验过程和场景. 主实验流程与预实验一致.

在主实验中被试者按照自己的驾驶习惯在模拟场景中驾驶车辆，只能在右侧车道行驶. 禁止超车和超速行驶.

主实验结束后，每个被试者填写一份驾驶后问卷，对当前场景中防疲劳设施效果进行主观评分.

为保证在每次实验开始时被试者疲劳状态没有差异，在完成一个场景的实验后需要休息至少10 min.

2 数据分析方法

2.1 数据提取

为验证3种防疲劳设施的有效性，本文对被试者经过防疲劳设施时的数据进行分析，提取数据长度为设施长度与设施可视距离之和. 彩色防滑道面与路肩黄色导流线设施长度为120 m，可视距离为130 m. 主动发光标志设施长度记为0 m，可视距离为260 m. 彩色防眩板在颜色变化处发挥作用，颜色变化处的可视距离为250 m. 3种设施在场景中坐标位置相同，为保证数据长度一致，3种设施在每个设置位置的数据提取长度均为250 m. 空白组在相同位置提取与设施组相同长度的数据.

2.2 分析方法

首先，通过配对样本T检验及单因素重复测量方差分析，驾驶人疲劳状态的变化情况. 其次，利用皮尔逊相关系数法确定有效指标，通过主成分分析确定综合有效特征指标. 然后，通过基于熵权的综合评价模型(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)完成对3种设施防疲劳效果的综合评价，并与空白组进行比较，确定3种设施的有效性，及最优防疲劳设施. 最后，对主观问卷数据进行统计分析，验证综合分析结果.

3 研究结果

3.1 驾驶疲劳状态分析

计算25名被试在实验开始后1 min与进入设施之前1 min的横向偏移线下面积，结果如图5所示. 与实验初期相比，进入设施之前的横向偏移线下面积均增大. 对4个场景中实验开始后1 min与进入设施之前1 min的横向偏移线下面积分别做配对样本T检验，p值均小于0.05，实验初期和进入设施之前的横向偏移线下面积具有显著性差异，即在进入设施之前被试者进入了驾驶疲劳状态. 对4个场景间实验开始后1 min的横向偏移线下面积做重复测量方差分析，结果满足球形检验，F(3，66)=0.948，P=0.423>0.05，说明在4个场景间实验开始时被试者疲劳状态没有显著性差异. 对4个场景间进入设施之前1 min的横向偏移线下面积做重复测量方差分析，结果满足球形检验，F(3，66)=0.268，P=0.848>0.05，说明在4个场景间被试者进入设施之前的疲劳状态没有显著性差异.

图5 横向偏移线下面积

3.2 确定特征指标

基于驾驶行为数据，构建了速度(velocity，V)、加速度(acceleration，A)、横向偏移(lateral position，LP)、方向盘转角(steering wheel angle，SWA)和油门踏板功率(power of accelerator pedal，PAP) 5个指标群. 进而利用皮尔逊相关系数法确定有效特征指标. 规定特征指标与驾驶时间的相关系数大于0.5且P值小于0.05时，指标是有效的. 有效特征指标如表1所示.

表1 有效特征指标

如表1所示，有13个与驾驶疲劳相关的指标.根据主成分分析方法，分别构建V、A、LP和PAP指标群的综合有效特征指标.综合指标表达式如式(1)～式(4)所示，采用综合有效特征指标V、A、LP、PAP作为驾驶疲劳特征指标.

V=0.509X11+0.509X12

(1)

A=0.338X21+0.342X22+0.336X23

(2)

LP=0.173X31+0.172X32+0.184X33+0.198X34+0.188X35+0.192X36

(3)

PAP=0.551X41+0.551X42

(4)

3.3 设施有效性综合评价

TOPSIS是在有限方案多目标决策分析中常用的一种科学方法，通过计算评价对象与最优目标之间的欧氏距离对评价对象进行相对优劣评价，已经越来越多地应用于交通相关研究[10]. 因此本研究采用TOPSIS方法，对设施防疲劳有效性进行综合评价.

1)统一因变量随自变量变化趋势. 本文中4项指标均为随疲劳程度增加而增大，4项指标在4个场景中3个设施段的均值如表2所示.

表2 指标均值

2)利用式(5)对各指标进行归一化，结果如表3所示.

表3 归一化数值

(5)

式中：aij为归一化数值；xij为原始数值.

3)利用熵权法(式(6)～式(9))计算得到4个特征指标的权重分别为0.27，031，0.19和0.22.

(6)

式中：Yij为xij的标准化数值； min(xj)为第j个指标的最小值； max(xj)为第j个指标的最大值.

(7)

式中：pij为第j个指标下第i个水平指标值的比重.

(8)

若

pij=0

则定义

式中：Ej为第j项指标的熵.

(9)

式中：Wj为第j项指标的权重.

4)根据式(10)计算加权矩阵，并得到最优方案Z+=(0.13，0.15，0.07，0.04)和最差方案Z-=(0.14，0.17，0.10，0.14)

Zij=Aij×Wj

(10)

式中：Zij为加权矩阵;Aij为归一化矩阵.

(11)

(12)

6)根据式(13)计算综合评价值Bi，B值取值范围为0～1，B值越接近1表示评价对象与最优方案贴近度越高，该评价对象的综合评价越好.结果如表4所示.

(13)

根据表1可知，3个防疲劳设施B值均大于空白组，说明3个设施均能缓解驾驶疲劳，其中彩色防滑道面与路肩黄色导流线B值最高，为0.80，缓解疲劳效果最好；主动发光标志B值最低，为0.28，缓解疲劳效果最差. 造成这一结果的原因是在驾驶过程中，驾驶人对视野范围内不同区域的关注度不同，驾驶人对道路中间区域的注视点个数占总注视点个数的80%. 因此，驾驶人对彩色防滑道面与路肩黄色导流线的关注最多，同时鲜艳的色彩与路侧单调景观形成鲜明对比，对驾驶人视觉刺激较大，从而有效缓解因环境单调引起的驾驶疲劳. 彩色防眩板中连续变化的颜色同样对驾驶人造成视觉刺激，但驾驶人对路侧关注较少，因此，相比于彩色防滑道面与路肩黄色导流线，其疲劳缓解效果略差. 主动发光标志安装在道路上方，主要通过警示语提醒驾驶人注意驾驶疲劳，不能对驾驶人形成视觉刺激，效果最差.

3.4 主观评价分析

实验结束后，要求被试者对3种防疲劳设施的有效性进行评分，评分范围为1～5分，1分为完全没有效果，5分为效果非常好. 主观评分结果如图6所示. 被试主观认为3种设施对预防驾驶疲劳均有一定效果，其中彩色防滑道面与路肩黄色导流线的效果最好，其次为彩色防眩板，主动发光标志效果最差. 主观评价结果与客观综合评价结果一致.

图6 主观评价结果

4 结束语

针对草原公路中环境单调，驾驶人视觉刺激少，导致驾驶疲劳频发的特点，本文提出了3种新型防疲劳设施. 基于驾驶模拟实验，分析了3种防疲劳设施的有效性.

1)速度、加速度、横向偏移和油门功率与驾驶疲劳具有显著相关性，方向盘转角与驾驶疲劳不具有显著相关性. 横向偏移线下面积与驾驶疲劳相关性最强，受驾驶疲劳影响最大.

2)结合综合有效性分析和主观评分分析，3种防疲劳设施均具有缓解草原公路驾驶疲劳的效果，彩色防滑道面与路肩黄色导流线对驾驶疲劳缓解效果最好.

本文基于驾驶模拟实验对3种新型防疲劳设施的有效性进行了研究，设施长度、设施间隔距离等可能对设施防疲劳效果有影响，有待于进一步研究. 除此，本文仅为基于驾驶行为数据的研究，为了增强研究结果的合理性和科学性，后续研究将充分考虑防疲劳设施对驾驶人心电和脑电的影响. 同时，本文为小样本驾驶模拟实验，其结果需要通过大样本的现场测试(如借助车辆轨迹监测数据)进行验证.