城际道路直坡坡度与驾驶员瞳孔面积关系研究

温井雨，吴立新，潘鸿飞

（吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130000）

引言

随着道路干线网络的不断完善，城市间的交流越来越多，城际道路的重要性越来越突出。国内外学者对城际道路的路径规划、路网形态和客运班车时刻表等进行了研究［1-3］，对事故影响因素、事故成本进行了深入分析［4-5］。学者们对驾驶员眼动特性与道路线形之间的关系也展开了大量探索。高建平等［6］在连续长下坡路段开展实车试验，以驾驶员注视持续时间、注视次数与眨眼次数的比值等参数建立了视觉负荷强度模型，发现相邻坡段的坡度极限差应控制在2.3%内；朱守林等［7］通过仿真模拟试验，获取熟练与非熟练驾驶员在草原公路不同线形诱导设施的弯道路段行车时注视、扫视等参数，建立了视觉负荷回归模型；李旭彪等［8］在山地城市快速路弯坡组合路段开展实车试验，对驾驶员注视持续时间、瞳孔直径等参数的变化规律展开了分析；薛强［9］通过采集驾驶员在山区高速公路行车时瞳孔面积、注视持续时间参数，与坡度值相结合建立了回归模型。

1 试验设计

1.1 试验路段

以长春市长清公路K6+000—K23+000 路段作为试验道路，长清公路始于长春市净月区，止于长春市双阳区，沿线坐落山林、村落与学校，双向四车道，无中央分隔带，道路横断面见图1。

图1 长清公路道路横断面

基于长清公路设计图纸和实地调研数据，以平面半径R ≥1 000 m，直坡坡度i ≥3%，坡长L ≥200 m［10］为标准，选取6 处直坡路段，见表1。

表1 试验路段

1.2 试验驾驶人

选取6 名视觉系统正常且持有C 照驾驶证的驾驶员进行多次试验。4 名驾驶员驾龄均在5 a 以上。

1.3 试验车辆及仪器

试验车辆选用五座小轿车，车况良好；仪器主要包括Dikablis 眼动仪、正弦逆变器、笔记本电脑及D-Lab 软件。

1.4 试验过程

（1）试验选择天气和路面条件良好的上午08 ∶30—10 ∶30 时间段进行；（2）试验开始前告知驾驶员实验目的和基本要求，驾驶员佩戴Dikablis眼动仪对试验路段进行试驾，熟悉车辆性能及道路情况；（3）为方便试验数据获取及保证数据真实性，试验采集驾驶员在K6+000—K23+000 整个路段行车时的眼动数据，数据处理时截取相应桩号路段的眼动数据即可，即驾驶员佩戴Dikablis 眼动仪从长清公路K6+000 连续行驶至K23+000 路段，驾驶员休息10～15 min；（4）驾驶员佩戴Dikablis 眼动仪从长清公路K23+000 处返回，连续行驶至K6+000 路段，为一次完整试验。

2 数据分析方法

2.1 Pearson 相关系数

Pearson 相关系数用于反映两个或多个随机变量之间是否存在相关性及其相关程度，随机变量数据符合正态分布是Pearson 相关系数应用的前提。

2.2 Pearson 相关系数原理

线性相关系数定义为两变量X 和Y 总体的协方差和标准差积的商，通常用p表示：

实际应用中采用样本相关系数来反映变量间的相关性，即Pearson 相关系数，通常用r 表示［11］。假设变量X 和Y 的样本观测值分别为x1，x2，…，xn与y1，y2，…，yn，则Pearson 相关系数定义为：

Pearson 相关性系数是介于［-1，1］之间的实数，当其值在［-1，0）区间时，变量之间存在负相关关系；当其值在（0，1］区间时，变量之间存在正相关关系；当其值等于0 时，变量之间不存在相关性。相关性系数的大小所对应的相关性强度见表2［11］。

表2 相关系数与对应强度

3 城际道路直坡坡度与瞳孔面积的关系

视觉是驾驶员行车时获取外界道路交通环境信息最主要的途径［12］，瞳孔面积的变化与驾驶员心理状态有不可分割的联系［13］。驾驶员紧张时，心理负荷增加，瞳孔面积会变大，反之，瞳孔面积会缩小。通过实车试验获取6 名驾驶员在城际道路不同直坡路段行车时的瞳孔面积数值，分析城际道路直坡坡度与其之间的关系。

3.1 上坡行车

运用S-W 正态检验对驾驶员在城际道路6 处直坡路段上坡行车时的平均瞳孔面积正态分布进行验证，检验结果见表3。

表3 坡度值与上坡平均瞳孔面积正态检验

由表3 可知，驾驶员在城际道路直坡路段上坡时的平均瞳孔面积概率P 值为0.226，大于显著性水平0.05，说明总体呈现正态分布。

运用Pearson 相关系数将城际道路直坡路段的坡度值与驾驶员上坡平均瞳孔面积做相关性检验，检验结果见表4。

表4 坡度值与上坡平均瞳孔面积相关性检验

由表4 可知，城际道路直坡路段的坡度值与驾驶员上坡行车时平均瞳孔面积的Sig 值为0.028，小于显著性水平0.05，说明两者存在显著相关性，Pearson 相关系数为0.895，说明相关程度为显著相关。

坡度与上坡平均瞳孔面积关系见图2。

图2 坡度与上坡平均瞳孔面积关系

由图2 可知，城际道路直坡路段坡度值与驾驶员上坡时平均瞳孔面积呈正相关，随着坡度的不断增大，驾驶员平均瞳孔面积亦逐渐增大。直坡坡度值为3.5% 时的平均瞳孔面积较4.4% 坡度值时下降了8.6%，较5.5% 坡度值时下降高达27.6%，充分说明了在上坡时，驾驶员对坡度值敏感，较大的坡度会令驾驶员更紧张，瞳孔面积更大。

为进一步分析驾驶员在城际道路直坡路段上坡时坡度值与瞳孔面积变化之间的关系，对驾驶员每5 s 的瞳孔面积取平均值，绘制6 处直坡路段驾驶员瞳孔面积散点图见图3。

图3 上坡驾驶员瞳孔面积关系

由图3 可知，各直坡路段坡长的不同使驾驶员行车时间有所差异，但瞳孔面积变化特点存在增大后减小的共性，拟合曲线拐点大致位于直坡段行车时间的中部及尾部，即直坡路段中间位置和坡顶位置；瞳孔面积分布存在一定离散性，说明驾驶员在上坡时持续紧张，瞳孔面积产生波动。当驾驶员驾车进入直坡段上坡时，道路直坡竖曲线线形的改变使行车视野变小，行车舒适感下降，引起驾驶员紧张，瞳孔面积变大；当行驶到直坡中段时，驾驶员已相对适应直坡段的行车视野，且竖曲线带来的视觉冲击亦相对变弱，瞳孔面积逐渐下降；当行驶到直坡坡顶段时，道路线形的再次改变使驾驶员警觉，瞳孔面积小幅升高。

3.2 下坡行车

运用S-W 正态检验对驾驶员在城际道路6 处直坡路段下坡行车时平均瞳孔面积正态分布进行验证，检验结果见表5。

表5 坡度值与下坡平均瞳孔面积正态检验

由表5 可知，驾驶员在城际道路直坡路段下坡时的平均瞳孔面积概率P 值为0.530，大于显著性水平0.05，说明总体呈现正态分布。

运用Pearson 相关系数将城际道路直坡路段的坡度值与驾驶员下坡平均瞳孔面积做相关性检验，检验结果见表6。

表6 坡度值与下坡平均瞳孔面积相关性检验

由表6 可知，城际道路直坡路段的坡度值与驾驶员下坡行车时平均瞳孔面积的Sig 值为0.026，大于显著性水平0.05，说明两者存在显著相关性，Pearson 相关系数为0.901，说明相关程度为显著相关。

绘制坡度与下坡平均瞳孔面积关系散点图，见图4。

图4 坡度与下坡平均瞳孔面积关系

由图4 可知，随着坡度的不断增大，驾驶员下坡行车平均瞳孔面积亦不断增大，与上坡时变化趋势相同。直坡坡度值为3.5%时的平均瞳孔面积较4.4%坡度值时下降了7.6%，较5.5%坡度值时下降了16.1%，说明驾驶员下坡时对坡度值较为敏感，但下降幅度低于上坡时的8.6%和27.6%，说明驾驶员上坡时的心理负荷度要高于下坡，主要原因在于上坡行车的操作难度，如行车视野受限、车速和档位的选择等，要高于下坡行车的操作难度。

对驾驶员每5 s 的瞳孔面积取平均值，绘制6 处直坡路段驾驶员瞳孔面积散点图见图5。可知，下坡时驾驶员瞳孔面积呈先增大后减小再增大的趋势，拟合曲线拐点大致位于直坡段行车时间的中部及尾部，即直坡段中间位置和坡底位置；瞳孔面积分布存在一定离散性，驾驶员在下坡时持续紧张，这两点与上坡时特点相近。

图5 下坡驾驶员瞳孔面积关系

4 结语

（1）驾驶员在城际道路直坡路段行车时平均瞳孔面积与坡度存在相关性，二者呈正相关关系，平均瞳孔面积随着直坡路段坡度值的增加呈上升趋势，且上坡时平均瞳孔面积高于下坡，说明上坡时驾驶员负荷度高于下坡。（2）驾驶员在城际道路不同坡度的直坡路段上坡、下坡行车时瞳孔面积变化趋势大致相同，呈先增大后减小再增大的特点，拐点分别位于直坡中部、坡顶和直坡中部、坡底。（3）驾驶员在城际道路不同坡度的直坡路段上坡行车和下坡行车时瞳孔面积分布存在一定离散性，说明驾驶员为持续紧张状态。