山区双车道公路路域空间中驾驶视觉心生理负荷特性研究

孟云伟 张熙衍 青光焱 王昌华 罗建群 公维勇

(重庆交通大学交通运输学院1) 重庆 400074) (重庆交通大学土木工程学院2) 重庆 400074) (招商局公路信息技术(重庆)有限公司3) 重庆 400067)

0 引 言

山区双车道公路因其所处的地形、地质条件的复杂性，道路线形指标的取值，往往较为苛刻，对驾驶人的安全行车产生了直接影响[1]，这首先是表现在驾驶心理负荷方面.在山区公路的行车过程中，内外部行车环境的实时变化，为驾驶环境提供丰富的动态信息来源，如道路线形、气象、其他车辆及行人等.而视觉感官是驾驶人接受信息的主渠道[1]，视觉所获得的信息，随着车辆的行驶过程是连续的，从而引起驾驶人视觉负荷的变化.山区公路有丰富的路域空间类型，驾驶人在其中行车，所承受的视觉负荷，与路域空间类型有着密切的交互影响关系[2].

关于驾驶视觉负荷，国内外的学者已有较多的研究.Gaetano等[3]运用聚类技术对道路视觉信息进行提取并分析，寻找出具有关联性的变量.在不同等级道路下，胡立伟等[4]将驾驶人的动态视觉指标进行了研究分析，认为在不同等级的公路条件下，视觉动态指标存在规律性的变化.马勇等[5]进行了驾驶视觉参数获取的试验，分析了驾驶人注视区域、注视时长、注视目标等参数，对驾驶人在不同道路条件下的眼动行为进行了研究.许金良等[6]分析了驾驶人动视觉特性的多个指标，划分了高速公路驾驶视觉敏感区.段萌萌等[7]以高隧道比路段作为研究对象，对驾驶人的视觉负荷进行了研究，用瞳孔面积最大速率值来评价驾驶人在隧道口的视觉负荷.Pierre等[8]基于驾驶模拟的方法，在同一条道路的单调景观和复杂景观环境下，用方向盘的转动角度，评价驾驶人所受的视觉刺激程度，结果表明在单调景观环境下，驾驶人承受较少的视觉负荷，易导致驾驶疲劳.Crundall等[9]将驾驶人分为经验少、非熟练、熟练3个等级，探究了3种驾驶人在不同道路施加的不同视觉负荷下的视觉搜索的差异性，研究发现，驾驶员的熟练程度不同，对驾驶视觉负荷的反应策略也有所不同.陈云等[10]以瞳孔面积的变化速度作为驾驶视觉负荷的表征指标，研究了不同车辆类型下，驾驶人在小半径短隧道洞口行驶过程中的视觉负荷变化规律.焦方通等[11]以瞳孔面积最大瞬态速度值作为驾驶视觉负荷表征指标，研究了城市水下特长隧道出入口的视觉负荷变化规律，提出了隧道入口设置格栅式遮光蓬的建议.

从以上研究成果可知：对驾驶视觉负荷的研究成果，多集中于驾驶视觉负荷的表征、与特殊构造路段的关联性等方面，而对于由路域空间类型所引起的驾驶视觉心生理负荷的动态变化，所开展的研究相对较少.本文拟通过在不同路域空间中进行实车试验，获取有关的驾驶视觉参数，研究驾驶人负荷的变化特性，探究路域空间类型与驾驶心生理负荷之间的内在联系.从视觉、心率指标，对驾驶人在不同的路域空间的心生理负荷进行分析研究.在此研究的基础上，可增加实验手段，扩展研究指标，同时与交通安全预警、安全风险识别相结合，形成完整的理论及应用体系.

1 试验设计

路域空间分为开敞式、半郁闭式、郁闭式三种类型[12].通过实车试验对山区公路的路域空间信息进行收集，作为对驾驶视觉心生理负荷研究的基础数据.

试验路段选择在重庆市巴南区省道S104，路段长度约56 km，该路段有多处小半径曲线、道路环境变化复杂多样，具备三种空间类型，是典型的山区双车道公路特征.

实车试验的内容主要包括记录路域空间的动态变化、车辆的行驶参数等指标.试验中利用Dikablis眼镜式眼动仪和高清摄像装备对驾驶人的眼动数据、路域环境变化数据进行采集.

参与试验的驾驶人为10名男性，矫正视力均在5.0以上，年龄均在25～35岁，驾龄在2～10年，进行试验前保证每位驾驶人身体无异样，精神状态良好.试验时，天气多云.

选取路侧景观连续变化的一段道路，为保证数据连续有效，全程不间断采集、储存记录数据.将试验中所所摄制的道路环境视频以单位时间为间隔来提取成行车图像，以便于对路域空间变化进行量化计算，通过眼动仪采集驾驶人的瞳孔面积数据.

2 视觉心生理负荷指标选择及分析方法

表征驾驶负荷的指标，分为多种，且目前尚未统一[13-14].对于驾驶人的负荷，本文借鉴已有的类似的研究成果，从生心理两个方面，采集能表征驾驶负荷的数据，而不再区分其究竟属于生理负荷，还是心理负荷，因为无论是从生理还是心理方面，都是驾驶人这一载体.因此，本文选取的表征驾驶心生理负荷的指标是瞳孔面积、心率，并研究这两个指标在不同路域空间类型中的一致性.在试验中，对不同的路域空间类型，均使用眼动仪、心率计等仪器，进行眼动、心率等数据的采集.

2.1 瞳孔面积变化率

驾驶人的瞳孔面积，在驾驶过程中的动态变化，体现了驾驶负荷的变化.瞳孔面积变化越大，说明负荷越大.本文采用瞳孔面积的变化率来表征驾驶负荷.首先对所采集到的瞳孔面积数据进行K-S正态分布检验，结果见表1.

表1 瞳孔面积假设检验结果

正态分布检验的结果显示，K-S正态分布检验的P>0.05，保留原假设，即瞳孔面积数据服从正态分布，可用于数据分析.

研究表明[15]，在驾驶行车过程中，瞳孔面积变化率超过20%时，驾驶人就会产生紧张情绪，超过40%时，驾驶人心理负荷处于较高状态，容易发生危险.瞳孔面积变化率的计算为

(1)

式中：φe为瞳孔面积变化率；Ai为瞳孔面积；A0为瞳孔初始面积.

2.2 心率变化率

在路域空间类型的影响下，驾驶人的心率变化能表征驾驶负荷[16].心率变化越大，说明负荷越大.一般情况下，人的心率在65～95次/min，平均在75次/min.首先对心率数据进行K-S正态分布检验，以验证数据用于分析的可行性，结果见表2.

表2 心率假设检验结果

正态分布检验的结果显示，K-S正态分布检验的P>0.05，保留原假设，即心率数据服从正态分布，可用于数据分析.

采用心率变化率为表征指标，心率变化率的计算为

(2)

式中：φh为心率变化率；Hi为心率值；H0为正常心率值.

3 结果分析

通过上述数据分析方法，对10名被试的瞳孔面积变化率、心率变化率进行初步的统计，其中瞳孔面积变化率的分布范围为0.50%～23.71%，心率变化率的分布范围为12.00%～26.67%.

3.1 指标的相关性

相关性分析是对两个或多个随机变量之间是否存在相关性进行判断的一种统计分析方法，各变量的相关程度依靠相关系数r、显著性水平p值来判断.当相关系数r>0.8时，表示变量间相关性极强；当0.6

对试验中得到的2个参数的相关性分析，结果见表3.

表3 相关性分析

由表3可知，瞳孔面积变化率与心率变化率之间的相关系数r=0.598>0.5，显著性水平(双侧)为p=(<0.001)<0.05，说明瞳孔面积变化率与心率变化率的相关性强.本文用这2个指标，分别对不同的路域空间类型下的驾驶心生理负荷进行研究.

3.2 心生理负荷与路域空间类型的关联性

为了更直观的分析不同路域空间类型下的瞳孔面积变化率、心率变化率的分布特性，采用箱型图对数据进行研究.使用的是10名被试所采集的数据，将其进行整体分析.

1) 瞳孔面积变化率 在典型的不同路域空间类型下，对驾驶人行驶120 s的瞳孔面积变化率的数据进行采集，数据采集频率为每0.1 s采集5～7组数据，共获得样本1 837个，剔除其中的3组异常数据，部分瞳孔面积变化率数据，见表4.

表4 瞳孔面积变化率数据

根据表4得到的不同路域空间下的瞳孔面积变化率数据可知，驾驶人在开敞空间行驶时的瞳孔面积变化较小，基本处在7 mm2左右；而驾驶人在半郁闭、郁闭空间行驶时下，瞳孔面积会增大到8 mm2，较开敞空间有明显变化.进而对瞳孔面积变化率进行计算，得到瞳孔面积变化率的分布特性，见图1.

图1 瞳孔面积变化率

由图1可知，在不同路域空间类型中行驶，驾驶人的瞳孔面积变化率呈现不同的特点.瞳孔面积变化率越大，说明驾驶心生理负荷越大.取该指标的平均值作为分析的对象，由此可见，在开敞式中行车时，驾驶心生理负荷最小，均值为7.08%，半郁闭式的稍大，均值为9.37%，而郁闭式的最大，达到20.23%，即郁闭式>半郁闭式>开敞式.在山区双车道公路的试验路段上，主要的路域空间类型是半郁闭式、郁闭式的，开敞式的相对较少.驾驶人在此二类空间中行车时，受到路侧交通标志、非机动车、对向车辆等外界因素的综合影响，注视点会随时跳动，因不同的关注对象，瞳孔面积会发生持续的变化；而在开敞式中行车时，驾驶人的视野较为开阔，无需注视过多对象，因此瞳孔面积的变化率较小.

从数据的变异性来看，在半郁闭、郁闭式的类型下，不同被试瞳孔面积的变异性较明显，尤其是在郁闭式的类型下.不同的注视对象，将产生不同的瞳孔面积变化率，因此，在郁闭式的类型中行车时，被试所注视的对象是不同的.

2) 心率变化率 心率变化率采集的原始数据，与瞳孔面积变化率的数据，在人员上一致.心率变化率的样本数量为186个，剔除异常数据，获得有效数据共182个，部分心率变化率的数据，见表5.

表5 心率变化率数据

由表5可知，驾驶人在开敞空间行驶时，心率较为缓和，基本处于75～80次/min之间；当驾驶人在郁闭，半郁闭空间行驶时，驾驶人心率波动较大，处在80～90次/min之间.因此对得到心率变化率的分布特性进行分析，见图2.

图2 心率变化率

由图2可知，在不同路域空间类型中行驶，驾驶人的心率变化率也呈现不同的分布特点.心率变化率越大，说明驾驶心生理负荷越大.同样地，取该指标的平均值作为分析对象，在开敞式路域空间类型中的驾驶心生理负荷最小，均值为8%，半郁闭式的较大，均值为14.67%，而郁闭式的最大，达到21.33%，即驾驶人心率变化率为：郁闭>半郁闭>开敞.在开敞式路域空间中行车时，驾驶人视野开阔，驾驶操作较少，有充足的时间应对突发事件，驾驶心生理负荷由此最小；而在半郁闭式、郁闭式中，视野受到限制，驾驶人需同时应对多个注视对象，驾驶操作随之增大，心理预期与实际路况出现较大不符，因此驾驶心生理负荷增大.

从数据的变异性来看，在郁闭式的类型下，不同被试的心率变化率的差异性也较明显，从视觉是外界信息来源的主通道这一角度解释，这说明被试对于行车环境有不同的注视点，各注视点所载信息不同，造成了被试心率变化率差异明显的结果.

4 结 论

1) 对于山区双车道公路中的开敞式、半郁闭式、郁闭式空间类型，驾驶人的视觉心生理负荷，可用瞳孔面积变化率、心率变化率这2个指标进行表征，且2个指标的相关性强.

2) 在开敞式空间中，驾驶人的视觉心生理负荷最小，半郁闭式的较大，郁闭式的最大；驾驶负荷的计算值的对比，与驾驶人的感受，保持了一致.

3) 通过对驾驶负荷产生机理的分析，在郁闭式、半郁闭式的空间中，建议适当减少和统一视觉刺激物的设置，如标志、路侧接入口等设施的数量和位置，同时保持较低的行驶速度，以利于驾驶人更多地注视于有效的交通信息源上.