隧道入口冰雪环境下驾驶员心生理特性研究*

乔建刚，宫帅港，王 傑，王 皓

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.中交建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

随着我国隧道里程逐渐增多，隧道安全愈发受到重视，国内外关于隧道内外环境变化因素对行车安全影响的研究逐渐增加。Jiao等[1]通过实车试验分析隧道入口与主干道汇合导致的视觉变化与行车安全的关系；Wang等[2]分析驾驶员在隧道入口区域不同时间段的视觉负荷变化规律；潘国兵等[3]依据驾驶员认知与调节滞后理论，分析亮度变化率对行车安全的影响；胡月琦等[4]通过实车试验研究驾驶员在隧道段注视时长以及扫视频率变化规律；杜志刚等[5]分析高速公路隧道光环境变化对交通事故影响；乔建刚等[6]分析隧道入口行车安全与光照强度的变化关系，提出照度变化率的舒适性阈值；Foy等[7]认为环境变化使得驾驶员心理负担增加，并通过生理、视觉和大脑反应形式对驾驶员操作产生影响；Han等[8]分析驾驶员隧道段视觉特性变化与道路线形、光环境的变化规律；张智勇等[9]通过试验分析冰雪环境下路面附着系数随温度的变化规律；胡江碧等[10]选取心率变异性评价驾驶负荷，研究不同海拔条件的隧道出入口内外过渡段的建议照明亮度值。

现有研究大多从照度或路面状况等单一角度对行车安全进行分析，对2个及以上因素同时作用的研究较少，但在冰雪环境下隧道入口，驾驶员会受到明暗适应和路面摩擦系数变化等多个因素共同影响，并且基于驾驶员心生理特性，针对冰雪环境下多因素耦合作用的研究更少。

为此，本文通过设计驾驶模拟试验，采集驾驶员心生理参数，分析隧道入口环境照度、摩擦系数、速度对驾驶员心生理的影响规律，并利用实车试验进行验证，研究结果可为高速公路隧道行车安全评价提供参考。

1 基本理论

驾驶员在驾驶过程中，心率随驾驶行为、时间、周边环境的改变产生随机信号，使用此信号来分析驾驶员驾驶时的心率变化状态，通过采集一段时间范围内的随机信号作为1个样本函数，全部样本函数产生即为随机过程[11]。驾驶过程中采集的心率信号在时间上是离散的，随离散时间变化的心率可以作为1个随机序列。

把x(i)定义为随机序列，其中i∈(0,N-1)，N为自然数，如式(1)所示：

(1)

式中：μx(i)为均值函数；x(i)为试验值。

自相关函数如式(2)所示：

(2)

式中：r(i,i+m)为x(i)的自相关函数；m为心率信号的延迟间隔，m=0，1，…，N-m-1。

利用傅里叶变换处理驾驶员心率产生信号，并对心率变化进行分析，频谱分析如式(3)所示：

(3)

式中：X(z)为x(i)的像函数；z为Z变换复变量；j为虚单位；ω为圆频率。

功率谱密度函数如式(4)所示：

(4)

式中：PN(z)为功率谱密度函数。

由此，根据心率功率谱图可定量分析在隧道入口环境变化影响产生的不同心生理变化强度[12]。

2 试验设计

出于安全考虑，设计冰雪环境下山区高速公路隧道入口驾驶模拟试验以获得驾驶员心生理参数，对车辆、道路、外界环境等参数进行设置，分析人、车、路、环境之间的相互耦合作用。

2.1 试验准备

1)试验设备

依托交通安全仿真系统进行模拟仿真试验，可对地形地貌、道路线形、车速大小、天气等进行设置，通过构建仿真模型，模拟高速公路隧道入口过渡段车辆行驶变化，模拟仿真系统界面如图1所示。

图1 模拟仿真系统界面Fig.1 Interface of simulation system

试验采用TLC5000 动态心电图仪(力新仪器有限公司生产)采集驾驶员心率，检测仪自带分析软件，不间断记录驾驶员心电信号，对行车过程中驾驶员心生理参数进行采集。

2)试验参数选取

试验路段采用控制变量法进行搭建，即固定道路线形参数、交通量不变，控制摩擦系数和环境照度变化，模拟不同天气下隧道入口场景。测试路段为3 km的山区高速公路隧道段，隧道入口过渡段设计参数如表1所示。

表1 场景设计参数Table 1 Scene design parameters

在高速公路运营期交通[13]构成中，小轿车占比最高，因此选择小轿车为试验车型。

中雪和大雪天气严重影响驾驶员可视距离，高速运营管理部门禁止车辆通行，因此试验选取降雪量小于5 mm，能见度>500 m的小雪天气，作为冰雪环境下隧道入口过渡段行车安全研究时段。

根据隧道入口路面温湿度场相关理论[14]及预测结果，试验时段选择冬季晴天中隧道内外路面摩擦系数变化剧烈的2个时段即7∶00～8∶00和14∶00～15∶00以及雪天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00共4个时段进行试验。根据摩擦系数-路面环境参数关系模型[15]，对不同时段隧道入口不同区域的路面摩擦系数进行设定，见表2。

表2 试验场景设计Table 2 Experiment scene design

隧道入口内外照度受天气影响大，驾驶员心理受明暗适应影响，对不同天气下隧道入口内外环境照度进行设定[6]，如图2所示。

图2 不同位置照度取值Fig.2 Illumination values at different locations

3)场景搭建

构建冰雪环境下隧道入口试验场景及试验道路模型，根据试验参数选择编辑道路模型中的环境参数，即不同天气不同时间隧道入口不同位置的环境照度和路面摩擦系数，共构建4种场景，见表2。

在仿真系统中设置螺旋隧道进出口位置、过渡段的长度等，构建仿真模型。按照试验方案中环境参数设定，对不同情景下的环境参数进行编辑。设置的高速公路隧道入口晴天、雪天的外界环境效果如图3所示。

图3 外界环境效果图示意Fig.3 Schematic diagram of external environment renderings

4)试验人员筛选

相关道路交通事故数据显示，驾驶员男女比例约为4∶1[16]，因此选取 8名男性、2 名女性试验人员，年龄分布在23～35岁，且具有1 a以上驾龄，均身体健康，视力满足驾驶要求。

2.2 试验流程

使用仿真系统建立隧道入口三维模型，道路线形为直线，纵断面如图4所示。

图4 模拟场景线形纵面示意Fig.4 Schematic diagram of linear longitudinal plane in simulated scene

试验者先熟悉相关设备，然后进行模拟驾驶，每个场景进行1次驾驶模拟，共进行40组试验。

2.3 数据采集

软件记录车辆行驶速度数据，同时使用心生理信号采集仪记录驾驶员动态心率数据，根据试验时间和距洞口距离，将采集的数据与构建仿真模型中的隧道环境参数数据进行关联，并且为准确表现驾驶员心生理参数和速度的空间变化趋势，每20 m作为1个数据分析单元截取试验数据。

3 隧道入口驾驶员心生理特性

3.1 心率增长率分级阈值标定

1)心率增长率

心率增长的比率不会受个体因素影响，更能反应驾驶员行车过程中心生理变化程度，准确反应驾驶员紧张程度。心率增长率如式(5)所示：

(5)

式中：H为驾驶员行驶过程中某时刻的瞬时心率增长率，%；hi为驾驶员在行驶过程中某时刻的瞬时心率，次/min；h0为驾驶员在安静状态下平均心率，次/min。心率增长率越大，驾驶员紧张程度越明显。

2)心率增长率分级阈值

根据式(5)计算仿真模型中隧道入口上不同位置心率增长率的全部数据。为定量研究驾驶员在冰雪环境下山区高速公路隧道入口心率增长率与紧张程度关系，选择基于 Python的K-means 聚类算法确定驾驶心率增长率分级阈值[17]，聚类结果如图5和表3所示。

图5 K-means聚类结果(3类)Fig.5 K-means clustering results (three categories)

表3 聚类结果Table 3 Clustering results

根据各类别分级阈值上限对驾驶员心率增长率进行划分，从保障安全角度对数据取值，提出山区高速公路隧道入口驾驶员心率增长率分级阈值：舒适阈值为23%，紧张阈值为28%，恐惧阈值为37%。当心率增长率大于28%时，驾驶员心理高度紧张，行车风险大。

3.2 照度变化对心率增长率的影响

选择照度变化率来量化隧道照度变化情况，照度变化率如式(6)所示：

(6)

式中：Er为照度变化率，%；Et为t点照度值，lx；Et-1为t-1点照度值，lx。

计算得到不同场景下隧道入口照度变化率，并与不同位置上的心率增长率平均值关联，得到其相互关系，如图6～7所示。

图6 照度变化率与心率增长率关系(晴天)Fig.6 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (sunny)

图7 照度变化率与心率增长率关系(雪天)Fig.7 Relationship between illumination change rate and heart rate growth rate (snowy)

分别建立2种天气下的心率增长率与照度变化率关系模型，如式(7)～(8)所示：

Hq=0.083 6Erq+23.645

(7)

Hx=0.000 01Erx3+0.001 9Erx2-0.05Erx+27.231

(8)

式中：Hq，Hx分别为晴天、雪天的心率增长率，%；Erq，Erx分别为晴天、雪天的照度变化率，%。公式通过F检验。

不同天气下照度变化率的增大导致驾驶员心率增长率增大，且晴天的变化幅度大于雪天，说明在晴天行驶时，驾驶员受照度变化率影响程度较大。根据式(7)～(8)可知，当晴天照度变化率大于51%、雪天照度变化率大于53%时，心率增长率大于紧张阈值28%，行车安全受影响。为保障冰雪环境下的行车安全，基于心率增长率的驾驶员对照度变化率的适应阈值，应取不同天气下导致驾驶员心理紧张的最小照度变化率值，即[0,51]%。

3.3 摩擦系数对心率增长率的影响

采用单因素方差分析检验不同天气下摩擦系数对心率增长率的影响，结果存在显著差异，因此，需要对不同天气下心率增长率与路面摩擦系数之间的关系进行分析，并对摩擦系数和计算得到的心率增长率平均值进行多项式拟合，如图8所示。

图8 路面摩擦系数与心率增长率的关系Fig.8 Relationship between road friction coefficient and heart rate growth rate

晴天时摩擦系数与心率增长率的拟合优度小于0.6，二者之间存在一定关系，由于拟合效果不好，无法通过公式进行表达，而雪天时二者拟合效果较好，得到雪天时心率增长率和摩擦系数的关系式如式(9)所示：

Hx=-5.014 4μx2-7.683 6μx+29.456

(9)

式中：Hx为雪天时驾驶员心率增长率，%；μx为雪天时路面摩擦系数。式(9)通过F检验。

在冰雪天气下，随摩擦系数减少，驾驶员心率增长率增加，紧张程度增加，而晴天时摩擦系数对心率增长率的影响趋势并不明显。从心率增长率分布情况来看，雪天路面摩擦系数为0.15和0.25所对应的部分心率增长率大于紧张阈值28%，结合试验场景参数设计情况，上述摩擦系数值对应隧道区段分别为雪天7∶00～8∶00的隧道入口全部以及雪天14∶00～15∶00的距洞口-200～+50 m区段；晴天则为路面摩擦系数为0.35，0.6所对应部分心率增长率大于28%，对应隧道区段为晴天7∶00～8∶00和14∶00～15∶00时段的距洞口-200～+50 m的区段，说明上述区域路面摩擦系数会对驾驶员行车安全造成影响。

3.4 速度变化对心率增长率的影响

驾驶员开车行进过程的行为变化会直接影响行车速度的变化，反过来影响驾驶员心率变化，分析隧道入口驾驶员心率增长率平均值与速度的关系，如图9～10所示，并构建二者关系模型，如式(10)～(11)所示：

Hq=0.209 4vq+71.18/(vq-70.82)vq≥75

(10)

Hx=0.035 9vx2-3.622 2vx+117.35 45≤vx≤100

(11)

式中：vq，vx分别为晴天和雪天时速度，km·h-1。式(10)～(11)均通过F检验。

图9 不同行车速度与心率增长率关系(晴天)Fig.9 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (sunny)

图10 不同行车速度与心率增长率关系(雪天)Fig.10 Relationship between different driving speeds and heart rate growth rate (snowy)

由图9可知，晴天时心率增长率与车速呈对勾函数关系，随车速增大心率增长率先减小后增大，由于驾驶员注意到隧道后，速度逐渐降低，心率增长率小幅度降低；逐渐接近洞口时，速度进一步减小，当接近洞口时，由于环境变化剧烈，心率增长率增加。雪天时二者呈二次函数关系，同样心率增长率随速度增大呈先降低后增大趋势，但变化幅度较小。因此，在冰雪环境隧道入口特殊行车环境下，驾驶员在接近隧道时呈现速度减小但心率增长率增大的特性，在晴天时这一特性更加明显，此时行车风险较大。

3.5 多因素耦合隧道入口心生理反应模型

经前文分析可知，照度变化率、路面摩擦系数、速度与心率增长率存在较强的相关性，将心率增长率定义为因变量，照度变化率、路面摩擦系数以及速度为自变量，调用Matlab软件中的Regress函数进行拟合并构建关系模型，如式(12)～(13)所示：

(12)

Hx=-0.007 96vx2-0.000 015Erx2-27.167μx3-
0.005 92vxErx+0.262 6vxμx+0.199 4Erxμx+
0.972 4vx+0.306 7Erx-15.751μx-0.724 8

(13)

式中：Hq，Hx分别为晴天、雪天驾驶员心率增长率，%；vq，vx分别为晴天、雪天时的速度，km/h；Erq，Erx分别为晴天、雪天的照度变化率，%；μq，μx为晴天、雪天时路面摩擦系数。式(12)～(13)均通过F检验。模型中各自变量的范围如式(14)所示：

(14)

4 模型验证

为验证心生理反应模型的现实评价效果，选择通过实车试验验证模型有效性。一般来说，在降雪初期，高速管理维护会对公路全线撒融雪剂，冰雪融化后路面将产生一定积水，考虑到山区隧道入口模拟路面积水状态进行实车驾驶试验的危险性，因此设计在封闭道路上模拟潮湿路面的实车试验。

选择天津市武清环线S360线k3+480 m～k4+334 m段作为试验地点，坡度为-2%，道路线形与驾驶仿真试验一致，选择小轿车作为试验车辆，重新选取8名驾驶员进行实车试验。试验设备包括心生理信号采集仪、温湿度监测仪、照度仪等，设备及操作与前文一致。

1)路面不同摩擦系数模拟。分别从不同路面设计3.75 m×0.5 m的矩形区域，沿道路横向利用热熔胶枪按照积水厚度进行密封包围，模拟积水区域。洒水车用水管向路面积水区输入不同流量的水，通过调节水的流量控制所形成的积水区域的水膜厚度。

2)试验流程。驾驶员根据表4组合情况控制车速，依次以不同速度经过不同水膜厚度路面，共计15个组合情况。每个组合情况重复试验3次，并求均值，共计得到120组试验数据。

表4 试验组合情况Table 4 Experimental combination

通过计算摩擦系数、照度变化率、心率增长率，得到验证数据如表5所示，模型计算精度如图11所示。

表5 验证数据Table 5 Verification data

图11 模型计算精度Fig.11 Model calculation precision

由图11可知，心生理反应模型得到的心率增长率计算值和实际值误差均小于10%，吻合程度较好，说明其能够准确反应照度变化率、摩擦系数与速度变化对驾驶员心生理特征的影响，并评价驾驶员的行车安全性。

5 结论

1)为探究山区高速公路隧道入口冰雪环境多因素对驾驶员心生理的影响规律，进行晴天和雪天的模拟驾驶试验，利用K-means聚类算法确定驾驶心率增长率分级阈值，舒适阈值为23%，紧张阈值为28%，恐惧阈值为37%。

2)考虑洞口驾驶员经历明暗适应时的心理状态，确定隧道入口冰雪环境下照度变化率安全阈值为51%。

3)通过设计模拟驾驶试验，运用心生理理论，选择心率增长率作为驾驶员心生理指标，研究因变量心率增长率与自变量(照度变化率、路面摩擦系数、速度)之间的相互关系，发现这些参数存在较强的相关性，利用多元回归分析与Matlab软件拟合构建多因素耦合作用下隧道入口驾驶员心生理反应模型。

4)参考高速公路撒布融雪剂后常见路面状况，设计实车试验对多因素耦合隧道入口心生理反应模型有效性进行验证，误差均小于10%，吻合程度较好，说明本文模型能够准确评价驾驶员的行车安全性。