基于自然驾驶数据的螺旋匝道(桥)驾驶人心理负荷分析

徐 进，刘小明，胡 静

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆400074；2.山区复杂道路环境“人—车—路”协同与安全重庆市重点实验室，重庆400074)

0 引 言

螺旋曲线能有效克服空间尺寸有限及高差较大的限制，实现交通高效换乘[1]，在高速公路、城市立交道路和市政工程项目设计中得到广泛应用.与传统立交方式相比，螺旋型立交因其特殊构造形式，驾驶人需要在坡度大、连续螺旋式上坡或下坡状况下行车，容易高度紧张，甚至出现头晕、眩目等不良反应，使驾驶操纵机能下降，增加事故发生的可能性，影响道路交通安全.

研究表明，心率相关指标能够有效描述驾驶人的心理状态和精神压力变化[2].林声[3]、徐进[4]等分别利用心率增长率和心率变异性指标，研究高速公路及山区公路纵坡路段驾驶负荷；胡江碧[5]基于驾驶负荷建立高速公路平曲线半径与驾驶工作负荷度关系模型；吴萌[6]、袁伟[7]等分别对高速公路匝道区和城市立交匝道区进行驾驶负荷影响分析，李忠等[8]通过建立驾驶员心率增长率模型评价立交匝道安全性.现有驾驶负荷研究主要以高速公路、山区公路为对象，对立交匝道驾驶负荷的研究较少，缺乏对螺旋匝道(桥)驾驶人心理负荷的相关研究.

本文以心率为基础指标，对山地城市螺旋匝道(桥)行车环境下心理负荷问题进行研究，明确驾驶人行车过程中心理变化趋势及其影响因素，为改善城市立交行车安全和提高驾驶舒适性等提供数据支撑与分析方法.

1 实验方案

1.1 实验对象

选取重庆市辖域主城区和涪陵区共4座立交螺旋匝道和螺旋桥作为实验对象.表1为螺旋型立交匝道的主要技术参数，图1为四座螺旋桥全景图.

表1 螺旋型立交匝道的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of test objects

图1 实验螺旋匝道和螺旋桥Fig.1 Helical ramps and helical bridges selected in this study

1.2 实验设备与车辆

实验需长时间采集驾驶人动态心电图(ECG)信号，选用Prince 180D 快速心电检测仪作为实验心电检测设备.实验车型为7 座商务车：在实验车辆安装行车记录仪，记录车辆行车过程中实时道路交通环境信息和车辆运行状态；利用航姿测量系统(AHRS)采集汽车行驶速度、三轴加速度，以及行驶姿态等参数.

1.3 实验时间与过程

2016年3月～2017年10月，分6 次进行实验.为避免不良天气及非自由流拥堵状态对驾驶人驾驶操作性和心电信号的影响，现场驾驶实验均在晴天或多云天气下的09:00-17:30 进行.预先告知驾驶人行驶路线，要求保持平时驾驶习惯，控制车辆自由通过实验路段，每名被试需沿指定路线往返行驶3～4 次.在实验开始前和结束后，分别同步行车记录仪和快速心电检测仪的时间，以保证视频、心电数据的同步性.

1.4 实验驾驶人选择

实车驾驶实验共招募16 名驾驶人，按实验顺序编号为D1～D16.男性驾驶人12名，女性驾驶人4名；实验驾驶人年龄范围为24～57 岁，平均年龄35岁；驾龄1～31年不等，平均驾龄9.4年.

1.5 评价方法

车辆在山地城市复杂立交道路上行驶是一个高度动态化的过程，实验采集的是时域信号，故利用时域分析方法，以5 s 作为一个时间周期，记作R ，选取相邻两个间期R-R 序列的统计指标值RMSSD 作为评价指标进行分析，表征驾驶人生理状态的瞬变性及心率波动，评价驾驶心理负荷水平，单个R-R 间期如图2所示.

图2 心率波动及单个R-R 间期Fig.2 Driving heart rate fluctuations and single R-R interval

2 心率连续变化特征

选取长江一桥和乌江二桥2座螺旋立交桥，分析驾驶人在螺旋型立交匝道行车过程的心率连续变化特征，图3为自然驾驶状态下不同驾驶员心率变化曲线图，其中，D3(1)表示3 号驾驶员第1 次实验结果，依此类推.

图3 驾驶人心率变化分布曲线Fig.3 Driving heart rate distribution curve

无论上行还是下行过程，同一驾驶人及不同驾驶人在同一螺旋匝道和不同螺旋匝道的心率波动均存在一定差异，说明驾驶心理负荷不仅受道路线形参数影响，是人、车、路和环境共同作用的结果.驾驶人在进入匝道前30 s 内，对道路环境陌生，心率波动较大，经过调整适应后心率逐渐平稳；随着行驶次数的增加，同一驾驶人的心率变化趋于稳定.比较图3(a)、(b)可知，上行过程驾驶人心率波动较下行过程大，说明上行过程驾驶心理负荷较大.

分析单个驾驶人心率波动曲线可知：D4 驾驶人的心率波动整体最平稳，心率值为60～80次/min；D3 驾驶人心率波动最明显，心率最大差值为27 次/min，心率均值高达103.68 次/min，远高于其他驾驶人.这是因为D3驾驶人只有1年驾龄，驾驶经验不足，在复杂行车环境下容易紧张；其他驾驶人驾驶经验较丰富，心率波动差值基本保持在10 次/min左右.因此，驾驶心理负荷受匝道线形参数、行车环境、驾驶经验和行驶次数等因素共同影响.

3 心率变异性整体变化分布特征

图4为上、下行阶段驾驶人在4座螺旋型立交内心率变异性指标RMSSD 整体变化曲线，其中，D10(2)表示10号驾驶员第2次实验结果，依此类推.

图4 驾驶人心率变化分布曲线Fig.4 Driving heart rate distribution curve

进入立交匝道初期，RMSSD 普遍偏高，说明驾驶人心理负荷偏大；进入螺旋匝道后，上行阶段驾驶人心理负荷波动大体呈两种变化模式，其一为先升后降的变化模式，其二为先降后升的变化模式，后者居多；下行阶段无明显变化模式；驶出匝道进入主线的过程中，驾驶人心理负荷普遍加重.

由图4 得到，下行阶段RMSSD 变化较上行阶段更复杂，说明驾驶人在上行阶段行车较平稳，但波动范围更大.D11驾驶人的RMSSD 变化最明显，在8.65～58.01 ms 之间波动，说明在行车谨慎的同时，上行更容易引起驾驶人心理负荷增加.从图4(a)、(b)、(d)、(e)和(h)得到，进出匝道时驾驶人的RMSSD 均有所上升，说明驾驶人在主线与匝道的分、合流处心理负荷明显增加.结合视频分析得到：行车过程中的跟车、超车和会车3 种模式是驾驶人心理负荷增大的主要因素，其中，会车模式对心理负荷影响最大；匝道分、合流鼻端RMSSD 上升是共性，且上升幅值受主线车流影响，变化的匝道曲率也会使驾驶负荷增加.

4 心率变异性统计分布特征

和峰值累计频率曲线图和频数分布直方图，其中，第15、50、85 和95 分位数分别用15(th)、50(th)、85(th)和95(th)表示.

图5 为螺旋型立交上、下坡匝道RMSSD 均值

图5 上、下行匝道RMSSD 累计频数分布特征Fig.5 RMSSD cumulative frequency distribution characteristics

无论是均值还是峰值，上坡匝道RMSSD 值均高于下坡匝道，说明驾驶人在螺旋立交上坡匝道心理负荷高于下坡匝道，即连续的螺旋上坡对驾驶人心理紧张程度的影响更大.从图5(b)、(c)、(e)和(f)得到，除下行匝道RMSSD 均值分布呈“正偏态”分布外，其余分布均呈现为“负偏态”分布，偏态特性并不明显.上行匝道RMSSD 均值、峰值主要分布在13.75～22.50 ms，27.50～33.75 ms；下坡匝道均值、峰值主要分布在12.50～20.00 ms，22.50～31.25 ms.从分布区间看，上坡匝道心理负荷高于下坡匝道.

5 匝道几何要素与RMSSD 的相关性

5.1 匝道半径与RMSSD 的相关性

根据驾驶人驾驶车辆的熟练程度，将驾驶人分为3 类：不熟练型、一般型和熟练型.图6 为3 类驾驶人上、下行匝道半径R′与RMSSD 散点图.

由图6 可知：随着匝道半径减小，3 类驾驶人RMSSD 值均表现为线性增加趋势，说明驾驶心理负荷与匝道半径呈负相关性.驾驶人在较低半径行车条件下，RMSSD 波动范围更大；在较大半径行车条件下，RMSSD 波动较为集中.不同类型的驾驶人对匝道半径的敏感性存在一定的差异，随着驾驶经验的增加，RMSSD 的最大值也有所下降.由图6(a)、(d)可知，不熟练型驾驶人在不同半径行车条件下，RMSSD 值均高于中等型和熟练型，说明在相同行车环境下，驾龄越短的驾驶人更容易紧张，行车心理负荷越大.

初步判定匝道半径与RMSSD 存在线性相关关系，利用SPSS(统计产品与服务解决方案)软件分别对上、下坡匝道RMSSD 和R′进行相关分析并建立关系模型.上、下坡匝道RMSSD 与R′的相关系数分别等于0 的概率为0.004 和0.017，均低于0.05.对比不同函数形式的拟合结果，选择具有较高拟合度，形式较为简洁的线性表达式，分别用R1和R2表示，即根据实验条件，该模型适用范围为R′⊂[25,65] m.

图6 上、下行匝道R′-RMSSD 散点图Fig.6 R′-RMSSD scatter plot

5.2 匝道坡度与RMSSD 的相关性

可知：匝道纵坡坡度为5.2%时，RMSSD 值最高，造成的心理负荷最大；一般型驾驶人在坡度为4.5%时造成的心理负荷低于坡度为6%时，熟练型驾驶人则正好相反；但无论在何种坡度条件下，一般型驾驶人RMSSD 值均高于熟练型驾驶人，说明驾驶经验与驾驶心理负荷呈负相关性.

图7 上、下行匝道G-RMSSD 散点图Fig.7 G-RMSSD scatter plot

图7 为3 类驾驶人上、下行匝道坡度G与RMSSD 散点图.由图7 可知，螺旋立交匝道上、下坡的纵坡坡度与RMSSD 关系呈现两种不同的分布：不熟练型驾驶人表现为随坡度的增加，RMSSD呈线性上升的趋势；中等型和熟练型驾驶人表现为中间高两边低的趋势.比较图7(b)、(c)、(e)和(f)

对上、下坡匝道RMSSD 和G进行曲线拟合并建立关系模型，初步判定匝道坡度与RMSSD 表现为二次函数关系.调整后的可决系数R2分别为0.602 和0.725，均大于0.5，具有一定统计学意义.故将二次函数表达式作为关系模型，分别用R3和R4表示，即

该模型的适用范围为G∈[4.5%,6%].

6 结 论

通过实车实验采集驾驶人在螺旋型立交匝道上行车过程中的心电数据，对驾驶负荷与螺旋匝道路段线形指标的相关性分析，建立相关模型，可在一定程度上明确驾驶员在螺旋匝道行车过程中心理状态的变化，为提高立交行车安全提供数据支撑.

本文试验对象主要为山地城市螺旋型匝道，而一般城市立交型式以苜蓿叶型居多，所建立的模型具有其特定的适用范围，对于超出模型范围和其他类型立交的驾驶人心理负荷分析将是后续研究的重点.另外，从人机工程学的角度来考虑,驾驶员的心理生理特征具有个体差异性和地域性.我国幅员辽阔，各地区自然条件存在差异，关于驾驶员与道路线形构造的关系还应根据不同地区自然条件做进一步的探讨，以上研究方法与研究结果可供借鉴和参考使用.