影响驾驶员心生理变化的高速公路路侧植物的选择原则

乔建刚, 李士宣, 王伟, 孙建斌

(1. 河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401； 2. 河北工业大学 天津市交通工程绿色材料技术研究中心, 天津 300401；3. 山东省交通科学研究院, 山东 济南 250000)

随着我国经济实力的增强,高速公路的路侧景观日益受到重视[1-3],其设计逐渐与当地的文化、历史特点相结合[4].在高速公路上,驾驶员的心生理随着不同的路侧景观而变化.例如，路侧灰色的水泥结构物会给驾驶员带来沉闷和孤独等负面效果,而设置合理的植物则会给驾驶员带来舒适的感觉,降低驾驶过程中的疲劳程度,增强行车的安全性[5-7].朱菲[8]以色彩效应、路侧景观尺度及驾驶员的视觉敏感度分级为切入点,论述高速公路路侧景观要素的设计原则和方法.李亚云[9]以长兴岛潘园公路路侧景观为例,将生态美学和植物配置融入景观设计中.目前,路侧植物的景观设计大多与美学、地域文化相结合,较少结合驾驶员的视觉特点.为了使高速公路路侧植物的选择更具人性化与安全性,本文对驾驶员在驾驶过程中不同视点区域的心生理数据进行研究,提出高速公路路侧植物的选择原则.

1 实验设计

1.1 实验地点和仪器

通过实验研究驾驶过程中，驾驶员在公路可见范围内的不同视点对驾驶员心率、瞳孔面积变化的影响.实验地点为曲港高速;实验仪器为心电仪、眼动仪;实验车辆为小型车辆皮卡.为了避免道路线形及行车速度对实验结果的影响,选择的实验路段接近于直线路段,行车速度为80～90 km·h-1.

表1 驾驶员的基本信息Tab.1 Basic information of drivers

1.2 实验人员

为了避免实验结果的偶然性,选择3名男性驾驶员进行测试.驾驶员的基本信息，如表1所示.表1中：x为年龄;y为驾龄.心电仪的安装及眼动仪的配戴，如图1,2所示.

图1 心电仪的安装 图2 眼动仪的配戴Fig.1 Electrocardiograph installation Fig.2 Eye tracker wear

2 实验结果与数据分析

图3 明暗程度等级的划分Fig.3 Classification of light and dark degree

2.1 分析方法

为便于分析驾驶员的不同视点及其明暗程度对驾驶员心生理的影响,对测试图片进行灰度处理,并将视点的明暗程度划分为10个等级.明暗程度等级的划分，如图3所示.

当身体处于紧张状态时,体内交感神经的活动使心跳加速、瞳孔散大；反之,当身体处于放松状态时,相较于紧张状态，交感神经的活动使心跳变得相对缓慢、瞳孔缩小.

驾驶员的心率变化率δ1及瞳孔面积变化率δ2的计算公式分别为

(1)

式(1)中:n1,S1分别为驾驶员处于平静状态时的心率和瞳孔面积;n2，S2分别为驾驶员处于动态时的心率和瞳孔面积.

2.2 确定视点

确定3个不同的视点,并对其进行灰度处理.驾驶员的视点，如图4所示.图4中：视点A～C的明暗程度等级分别为5～6，3～4，4～5.

(a) 视点A (b) 视点B (c) 视点C图4 驾驶员的视点Fig.4 Driver′s viewpoints

2.3 驾驶员的心率及瞳孔直径的变化

通过心电仪和眼动仪采集驾驶员在驾驶过程中的心率和瞳孔直径,并找到与视点A～C类似的视点,分别取心率和瞳孔直径的平均值,计算出驾驶员心率和瞳孔面积的变化率.不同视点的驾驶员心生理变化,如图5所示.由图5可知：不同的视点对应的驾驶员的心率和瞳孔面积的变化率有所差别.

乔建刚等[10-11]提出驾驶员的心率变化率与其紧张程度的关系,得出驾驶员心理舒适、紧张及恐惧3 种状态下对应的心率变化率阈值分别为18%,27%和39%.尚婷等[12]提出当瞳孔面积的变化率超过20%，驾驶员开始处于紧张状态.因此，视点A的驾驶员处于紧张状态，视点B，C的驾驶员则处于舒适状态,这说明植物可以有效地改善驾驶员的心理状态,增强行车的安全性.虽然视点B，C的驾驶员处于舒适状态,但从改善程度来看,视点B处的植物效果更佳.因此,当植物的明暗等级为3～5时,更能有效地减缓驾驶员的紧张程度,增强行车安全性.

(a) 心率变化率 (b) 瞳孔面积变化率图5 不同视点的驾驶员心生理变化Fig.5 Driver′s heart physiology change of different viewpoints

3 路侧植物的选择

植物一般通过自身的色彩对驾驶员心生理变化产生影响,当色彩不同时,其明暗程度则有所差异.

表2 高速公路常用的绿化护坡植物Tab.2 Commonly used green slopeprotection plants on express way

明暗程度等级为3～5的色彩有红色、橙色、黄色和浅绿色,具有这些色彩的植物会给人一种柔和而温暖的感觉;明暗程度等级为5以上的色彩有深绿色、紫色,这些冷色调的植物会给人一种消沉而沮丧的感觉,对行车安全极为不利.高速公路常用的绿化护坡植物,如表2所示.

在选择高速公路路侧绿化护坡植物时,应尽可能选择色彩较为明亮的植物,有利于减缓驾驶员的心率和瞳孔面积变化,提高行车的舒适性与安全性.张明浩[13]指出路侧绿化植物的颜色采用两种较为适宜；若仅有一种绿化植物,则比较单一,会增加驾驶员的疲劳程度;若3种以上,则会增加驾驶员的反应时间,不利于行车安全.考虑到冬季行车环境可能比较单一,可以选择油松、侧柏等常绿乔木,配合其他暖色调植物形成一定的空间感,增强驾驶员的视觉感,提高行车的舒适性和安全性.

4 结论

1) 合理地选择路侧植物可以有效地降低驾驶员的心率和瞳孔面积的变化率,给驾驶员提供一个舒适、安全的行车环境.

2) 从改善驾驶员的心生理状态的效果来看,明暗程度等级为3～5的植物更能有效减缓驾驶员的紧张程度,提高行车的安全性.

3) 在选择绿化植物时,颜色以浅绿色、黄色等暖色调为宜,再配合适量油松、侧柏等常绿乔木,可达到三季有花、四季常绿的景观效果.