高速公路服务区加速车道长度对驾驶舒适性的影响

欧阳有鹏　曹礼荣　王思维　李睿涵　支梅　杨杰

摘要：为明确不同长度加速车道对驾驶员舒适性的影响，从驾驶员角度设计实车实验，通过眼动仪采集不同长度高速公路服务区加速车道下的注视时间百分比、平均注视时间、扫视幅度、眨眼率、瞳孔尺寸和心率增长率等生理指标，使用多元线性回归方程对数据进行分析与建模，描述不同长度高速公路服务区加速车道下眼动指标与心率增长率的关系，以紧张度为中间量对驾驶舒适性进行分析。结果表明：在不同长度高速公路服务区加速车道下，平均注视时间、扫视幅度、瞳孔尺寸与心率增长率存在显著相关性，而注视时间百分比、眨眼率与心率增长率显著性不足;基于心率增长率将驾驶舒适性划分为3个等级，阈值为32.120和37.900;加速车道长度对驾驶舒适性有负向影响，在长度较短的加速车道上行驶时，驾驶员表现为紧张甚至恐惧，易发生误操作，安全性较差。

关键词：驾驶员;高速公路服务区;加速车道;眼动指标;舒适性

中图分类号：X 921文献标志码：A

文章編号：1672-9315（2022）02-0276-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0211开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Influence of acceleration lane length in expressway

service area on driving comfortOUYANG Youpeng，CAO Lirong，WANG Siwei，LI Ruihan，ZHI Mei，YANG Jie

（College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to clarify the impact of different lengths of acceleration lanes on drivers comfort，a real-car experiment was designed from the drivers perspective，and physiological indicators such as the percentage of gaze time，average gaze time，saccade range，blink rate，pupil size，and heart rate growth rate of the acceleration lanes with different lengths of expressway service areas were collected through Vehicle eye trackers.The data were analyzed and modeled by linear regression equation，the relationship between the eye movement index and the heart rate growth rate in the acceleration lanes with different length in expressway service areas was described，and the driving comfort was examined with tension as a middle quantity.The results show that in the acceleration lanes of expressway service areas with different lengths，the average fixation time，saccade range，pupil size and heart rate growth rate are closely correlated，while the percentage of fixation time，blink rate and heart rate growth rate are not significant enough.Based on the heart rate growth rate，the driving comfort is divided into three levels，with thresholds being 32.120 and 37.900.The length of the accelerating lane has negative impact on drivers comfort.Drivers，being nervous or even fearful on a shorter acceleration lane，are prone to misoperation，resulting in a security risk.

Key words：driver;expressway service areas;acceleration lane;eye movement index;driving comfort

0引言

加速车道是为来自低速车道的车辆过渡到高速车道而专门设置的附加车道，其建设可有效改善交通状况，减少干扰，增加容量，提高安全性[1-2]。但在车辆并线过程中，驾驶员视觉空间变化频繁，很容易产生心理压力，使其驾驶舒适性降低，从而导致交通阻塞和交通事故的发生，高速公路加速车道尤其如此。针对此问题需对驾驶员的生理适应性做出针对性分析，从而确保在加速车道设置上，不会因为引起驾驶员生理或心理上的不适而产生潜在风险。

驾驶员舒适性受多种因素影响，例如道路景观、路面和线性特性等外在环境将直接作用于驾驶员的直观感受，而驾驶员性别、年龄、性格、驾驶技能等个人特征则会影响驾驶员对舒适性的认知[3-5]。早期关于驾驶员感知的研究大多基于驾驶员的主观感受[6]。MYERS等基于社会认知理论，针对老年驾驶员开发了白天和夜间的驾驶舒适性量表[7]。李磊等通过发放和分析问卷，基于TPB理论构建了疲劳对驾驶行为的研究模型[8]。驾驶员主观感受变化必然引起生理指标的波动，二者联系紧密[9]。越来越多的学者选择通过对驾驶员生理数据的收集，实现对驾驶舒适性的研究。

目前，驾驶舒适性研究多从人体工学角度出发，通过设计并改善驾驶员操作设备[10]，从而达到提升驾驶舒适性的目的。但现有研究大多在驾驶模拟器中进行，真实环境下高速公路服务区加速车道的驾驶员状态尚待验证，驾驶员在与外在环境交互过程中，驾驶员舒适性的变化也缺乏研究。通过开展实车实验，分析驾驶员视点分布特征与心率之間的联系，建立多远线性回归模型，以心率增长率作为表征驾驶舒适性的生理指标，紧张度作为中间变量，提出了驾驶舒适性等级划分的阈值，为高速公路服务区加速车道长度设计提供一定参考。

1理论基础

相关研究已证明，不同驾驶场景下的驾驶员生理指标差异明显，通过生理指标的合理选取可准确反映驾驶员行驶时心理状态的变化[11-13]。FENG等为研究驾驶员在城市地下通道纵向段的生理和行为特征，选取心率增长率作为反映驾驶员心理变化的参数，建立了心率、速度和坡度之间的关系模型，结果表明，隧道中下坡行驶时心率增长率波动显著大于上坡，反映驾驶员在下坡时间心理紧张程度更高[14]。AHO等利用驾驶模拟器，通过对驾驶员EEG/ECG/EOG和fNIRS数据的分析，提出了驾驶状态的评价方法[15]。SHINAR等对34名来自不同年龄段正常和患有睡眠障碍的志愿者进行实验，发现随着疲劳的诱发，心率呈下降趋势[16]。PENG等对从真实驾驶环境中采集的驾驶员心电图、皮肤电反应、呼吸等生理信号，从时间、光谱和小波域中广泛提取特征，发现不同程度的驾驶压力可以通过一组特定的生理指标来表征[17]。梁波等通过实车实验，利用单因素方差分析和模糊综合分析法来探究特长隧道出入口对驾驶员生理指标的影响，结果表明瞳孔面积、心率和呼吸频率在特长隧道不同区段均有显著性差异，入口内的整体生理负荷最大[18]。杨运兴等对眼动仪和生理记录仪收集的数据分析，发现郁闭空间给驾驶员带来较大的心理负荷[19]。

加速车道作为评价道路安全与运行状况的一个重要方面，部分学者已从几何参数、匝道速度、车流量等方面对其长度以及附近区域的影响程度开展过相关研究，并提出最小长度建议值[20-22]，但关于其对驾驶员舒适性影响的研究较为缺乏。以上研究表明，可靠的生理指标能够直观反映出驾驶员真实的生理和心理状态，这为定量分析驾驶员舒适性奠定了一定研究基础。

2实验方案

2.1实验原理

加速车道不仅可为匝道车辆提供一个可加速场所，也提供了一个选择与主线车辆合流的观察地段。《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）规定：中国的加速车道原则上采用平行式，当加速车道为双车道时采用直接式。根据实验路段情况，主要研究平行式加速车道。一般可将其分为3个阶段：加速段、等待段和渐变段，如图1所示。

根据研究目标和指标代表性，选择注视时间百分比、平均注视时间、扫视幅度、眨眼率等眼动指标和心率作为驾驶员生理指标[23-24]。以眼动指标考查人获取外界信息是近年来心理学研究的重要领域。在需注意力集中的驾驶情况下，驾驶员表现出舒适程度下降，同时出现紧张、焦虑情绪。

心率增长率可表征驾驶员在行车过程中的紧张程度以及心率变化幅度。由于心率为连续变化的量，为简化研究过程。实验过程中，从车辆进入加速车道开始，每30 s记录一次心率，至驶出加速车道结束，取其平均值作为驾驶员在加速车道内行驶时的心率。其计算公式为

N=n₁-n₂/n₂（1）

式中N为行车时心率增长率，%;n₁为行车时平均心率，次/min;n₂为静态时平均心率，次/min。

2.2参与者

根据试验要求，选择20名年龄为25～40岁并持有小型车驾驶执照的驾驶员参与实验，驾龄在3～5 a，所有参与者视力均正常或矫正后正常。并确保试验参与者对试验服务区不熟悉，避免由于参与者对服务区位置太熟悉而影响到行驶过程中眼动数据的准确性。

2.3实验设备

实验车辆（雪佛兰SUV）2台。心率监测设备和ETG2w型无线眼动追踪眼镜系统各一部。Eye Tracking Glasses眼镜式便携型眼动追踪系统设计成可以实现双眼采集的高度集成化眼镜式样，外观自然，佩戴舒适。

2.4实验流程

实验地点为包茂高速陕西段的JBN，ASH和YHG服务区。时间为夏季7月份，北京时间的13∶00～16∶00。测试范围从车辆进入服务区加速车道开始到并线结束。经测量，JBN，ASH以及YHG服务区加速车道长度分别约为80，180，330 m。借鉴日本《高速公路设计要领》规定服务区匝道的设计速度，原则上采用40 km/h。因此，实验控制驾驶员在驶出服务区出口匝道时，速度不大于40 km/h。中国《道路交通安全法实施条例》规定，同方向双车道，行车道时速为60～100 km/h，超车道时速为100～120 km/h。具体实验流程如下

1）将长度分别约为80，180，330 m的JBN，ASH和YHG的服务区加速车道定义为较短、中等及较长3种长度加速车道。

2）驾驶员在知晓实验流程及目的情况下填写实验知情书。

3）驾驶员在服务区内佩戴心率监测设备，调试并校准眼动仪。考虑到交通流对实验数据的影响，设置另一台车辆为辅助车辆，在实验车辆前方约50 m处，两辆车在指示下同时启动行驶。此举是模拟日常驶出高速公路服务区匝道的行驶情况。

4）20名驾驶员在遵守交通规则的前提下依次驶过JBN，ASH以及YHG服务区。

5）为保证实验过程中数据不中断，车上辅助人员可以准确记录车辆进入加速车道开始到并线结束。驾驶员连续行驶4个服务区，并在每个服务区休息，调整状态。为保证驾驶员安全和实验数据真实性，驾驶员被要求按自己的驾驶习惯驾驶。

6）实验结束，收集、整理数据。

3建立模型

3.1数据整理

眼动指标与心率是衡量驾驶员在不同长度高速公路服务区加速车道驾驶过程的重要参数，根据实验条件及测试指标有效性，确定以实验中的注视时间百分比、平均注视时间、扫视幅度、眨眼率、瞳孔尺寸和心率增长率作为不同加速车道长度下的测试参数。分别采集被试在不同长度加速车道下的眼动指标。数据差异对比如图2所示，各眼动指标与心率增长率相关性分析见表1。

从图2可以看出，平均注视时间，瞳孔尺寸，心率增长率随着加速车道变长而呈逐渐下降趋势，说明驾驶员在更短的加速车道，驾驶员观看后视镜区域次数更频繁。扫视幅度随着加速车道变长而呈逐渐上升趋势，说明驾驶员在更长的加速车道，视野更广，有精力或时间观察道路周边环境。而注视时间百分比和眨眼率随着加速车道变长无明显变化，说明加速车道长短对注视时间百分比和眨眼率无较大影响。

从表1可知，平均注视时间，瞳孔尺寸，扫视幅度3个变量均与心率增长率呈较强相关，相关系数|r|>0.8，ρ<0.01，注视时间百分比和眨眼率与心率增长率未达到显著性差异，因此，选择平均注视时间，瞳孔尺寸，扫视幅度作为模型输入变量。

3.2多元线性回归模型建立

多元線性回归方程可描述因变量和多个自变量之间的线性关系，公式为

y=b₀+b₁x₁+b₂x₂+…+b_nx_n+ε （2）

式中y为被试心率增长率;b₀为回归常数;b₁…b_n为回归参数;ε为随机误差。

根据SPSS 25.0软件对实测数据的回归分析，可得到以下心率增长率公式

y=19.684+0.006x₁-0.595x₂+3.159x₃（3）

表2中R的取值为0.967，R²为0.935，调整后R²为0.932，说明所建立的多元线性回归模型拟合效果较好。表3中的F值为269.753>F_0.05，且Sig.<0.05，可知建立的回归方程高度显著。从表4可知，自变量容差均大于0.1，方差膨胀因子（VIF）均小于10，证明平均注视时间、扫视幅度、瞳孔尺寸与心率增长率之间不存在共线性问题。

4驾驶员舒适性分析

驾驶紧张度是指行驶过程中因心理紧张引起的驾驶员生理指标变化[25]。与驾驶安全密切相关，不宜过高也不能过低，过高容易引起操作失误，过低会导致驾驶员麻痹大意，对危险判断不到位[26-27]。心率增长率可用来表征驾驶员紧张度[28]，从而可实现对驾驶舒适性的表征，即紧张度越高舒适性越低，反之则舒适性越高。利用式（3）可得出不同长度加速车道与心率增长率之间的关系，如图3所示。

从图3可以看出，加速车道的长度与驾驶员紧张度联系紧密，拟合后直线斜率分别为0.485，0431，0.262，表明随着加速车道长度的降低，驾驶员心率增长率逐渐增加，紧张程度依次递增。利用SPSS 25.0软件对不同长度加速车道线性回归后的心率增长率进行多元正态分布检验，见表5。

由正态检验结果可知，不同长度加速车道生理指标显著性都大于0.05，表明各项数据均满足正态检验。依据CAFISO研究成果，将满足正态分布的第50和第85分位值作为划分加速车道上驾驶员舒适性的阈值[29]。依据心率增长率划分驾驶舒适性等级，见表6。

从图3和表6可以看出，加速车道长度与驾驶舒适性联系紧密，并呈负向影响。驾驶员在通过加速车道时，由于并线距离增加，驾驶员能够更加从容的处理行驶过程中周边环境传递的信息，从而采取比较合理驾驶行为，有利于减少由于误操作引起的交通事故。

5结论

1）不同长度加速车道情境下，驾驶员眼动指标与心率增长率之间影响差异明显。通过对实验数据的相关性分析，发现平均注视时间、瞳孔尺寸、扫视幅度、瞳孔尺寸与心率增长率均出现显著性差异，注视时间百分比、眨眼率与心率增长率则未达到显著性差异。然而这只是在对80，180和330 m这3种长度加速车道测量的结果，其他长度情况下眼动指标与心率增长率之间的关系还有待后续验证。

2）划分了驾驶舒适性的级别，并提出对应阈值。利用所构建的多元线性回归模型，可得出不同长度加速车道与心率增长率之间的关系，并通过对加速车道心率增长率正态性检验，取其第50和第85分位值，即32.120和37.900，将驾驶舒适性划分为不舒适、一般和舒适3个等级。

3）加速车道长度对驾驶舒适性有负向影响。驾驶员在较短加速车道行驶，由于需在短时间内完成汇流过程，无暇顾及周边环境。多数驾驶员表现为紧张，少数表现为恐惧。随着加速车道长度增加，大部分驾驶员紧张程度明显下降，但依旧保持在一定水平上，此时反而有利于行车安全。

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