高海拔隧道入口照度对驾驶人心理状态的影响

王 兵,赵 越,李鹏胜,张丽改

(新疆大学 机械工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017)

0 引 言

乌尉天胜利隧道全长 22.035 km,是目前国内在建最长的高速公路隧道[1],属高寒高海拔隧道[2]。隧道入口段海拔3 200 m,氧气含量稀薄,大气氧分压降低,直接影响人体的生理健康,导致头痛、心慌、气短、胸闷、嗜睡、注意力不集中等不适症状,对驾驶人产生不利影响。

隧道入口段照度变化剧烈,对驾驶人的心理状态产生较大影响,导致隧道交通安全隐患问题日益突出,成为了公路运输网安全的瓶颈路段。国内外学者对隧道路段交通安全作了研究,世界道路协会指出,隧道洞口处的交通事故率明显高于隧道中间段;赵跃峰等[3]通过调研收集了 16 条隧道 3 年内 296 起隧道交通事故,分析其空间特性发现隧道洞口附近交通事故率最高;王乾等[4]通过研究分析以往交通事故资料指出长隧道发生的交通事故占事故总数的48%。

驾驶人是隧道环境交通行为的主要参与者,国内外学者关于隧道行车过程中驾驶人的生理心理作了探索,主要研究了驾驶人的视觉特性和驾驶负荷。G.F.YAN等[5]研究了平原地区隧道和高海拔隧道驾驶人的眼动特征和生理心理变化,指出高海拔隧道入口驾驶人瞳孔直径变化率更大,心率更高;梁波等[6]利用瞳孔面积、呼吸频率等生理指标研究了特长隧道出入口驾驶人的生理负荷;朱彤等[7]采集了驾驶人的心电信号,根据因子模型分析指出,隧道出入口段驾驶人的心理负荷较高;冯忠祥等[8]研究了驾驶人行驶于城市下穿隧道纵坡段的生理变化规律;焦方通等[9]利用眼动仪采集了驾驶人的瞳孔面积,并选用瞳孔面积最大瞬态速度值评价了视觉舒适程度。

现有研究在隧道交通安全领域取得了丰硕的成果,但大多是集中于海拔较低的城市隧道、特长隧道、山区公路隧道等,对于高海拔公路隧道入口段行车过程中驾驶人的生理心理特征的研究较少。研究表明,心率和呼吸频率是精确反映驾驶人生理负荷和心理波动的重要生理指标[6-8],笔者通过构建低氧环境并进行实车试验,利用心率和呼吸频率作为生理指标,研究高海拔公路隧道入口段照度变化对驾驶人心理状态的影响,分析隧道入口段驾驶人心理状态变化趋势以保障安全行车,为乌尉天山胜利隧道入口段安全设计提供参考。

1 低氧环境理论基础

高海拔地区独特的低氧环境导致驾驶人生理水平处于不稳定状态,心率、血氧饱和度、呼吸频率等指标出现异常,导致较为严重的生理不适感,进而引起心理状态的波动。研究表明,佩戴医用外科口罩、N95 型防护口罩或 N95 型防护口罩叠加医用外科口罩一段时间后,人体呼吸阻力增加,摄氧效率降低,空气交换量下降[10]。血氧饱和度是反映人体缺氧程度和对环境适应的重要指标,研究表明,初次到 3 200 m 的高海拔地区人体的平均血氧饱和度在90%左右[11],表现为供氧不足。

进入高海拔地区时,驾驶人处于缺氧状态,容易引起生理心理特征的变化,表现为呼吸急促、内心紧 张等;当急速进 3 200 m 海拔的地区时,驾驶人易出现 心慌、头痛、压抑等不良应,加之接近隧道入口段时照度剧烈变化会引起驾驶人视觉受到一定刺激,导致驾驶人处于高度紧张状态,易出现激动、不安甚至是恐惧,不利于安全行车。根据文献[12],驾驶人佩戴 N95型防护口罩叠加医用外科口罩进行试验可以合理营造低氧环境,较好表征出驾驶人缺氧的状态,近似等效于驾驶人在 3 200 m 的高海拔地区行车。

2 试验方案

2.1 试验隧道

由于乌尉天山胜利隧道尚在修建中,无法进行试验,需要在低氧环境下完成隧道实车试验以等效于 3 200 m 的高海拔公路隧道的行车过程。通过调研选取葛家沟隧道作为此次试验隧道,海拔其高度为1 000 m,葛家沟隧道左线全长 1 475 m,右线全长 1 430 m,隧道内限速80 km/h。

2.2 试验测试指标

选用心率和呼吸频率作为本次试验的生理测试指标[13]。但是心率为随机信号,驾驶人个体之间存在差异,通过心率次数变化无法精确表达驾驶人的生理变化。研究中通过心率增长率N来量化照度对驾驶人的影响,如式(1):

(1)

式中:n2为隧道入口段行车过程中的心率值;n1为驾驶人平息状态下的心率值。

参考文献[14],心率增长率大小与驾驶人心理紧张程度有直接联系,驾驶人感到舒适、紧张和恐惧的阈值所对 应心率增长率分别为 18%、27%和 39%。

2.3 试验设备与被试

选用加拿大Thought Technology 公司研制的 ProComp Infiniti 生理仪测量驾驶人心率和呼吸频率;TES-1 339专业型照度计进行照度采集; 鱼跃YX306 指夹式脉搏血氧仪记录血氧饱和度;试验车辆选择雪佛兰科帕奇 SUV。

选取 20 名在校学生(12 名男性 8 名女性)作为被试参与低氧试验的有效性测试,年龄为23～27 岁;通过网上征集。选取 20 名驾驶人(15 名男性 5 名女性)参与隧道实车试验,年龄为24～53岁,平均年龄41岁,标准差 8.45 岁,要求驾驶人视力良好,具有隧道驾驶经验,均取得 C2 及以上驾驶证,所有被试身心健康,试验前保持充足睡眠。

2.4 试验流程

2.4.1 低氧环境试验分析

首先进行低氧试验的有效性测试,试验地点选择在新疆大学实验室,通过对被试佩戴 N95 型防护口罩叠加医用外科口罩 2 h 后进行试验,测得所有被试的血氧饱和度并计算平均值来验证低氧试验的可靠性。

2.4.2 实车试验

实车试验前需要先用双面胶将驾驶人面部牢固粘贴 N95 防护口罩,再叠加佩戴医用外科口罩的,持续时间为2 h,以构建低氧环境,待驾驶人的血氧饱和度平均值通过验证后再进行隧道行车试验。隧道实车试验选择晴朗天气进行,驾驶人在整个试验过程中需佩戴口罩。正式试验开始时,驾驶人按照规定路线驾驶车辆,副驾驶位试验人员负责记录照度值;后排左方试验人员负责数据采集;后排右方试验人员负责拍摄车辆的行车环境。

2.5 数据采集

正式试验前需要对低氧环境的可靠性进行验证,选择低氧环境试验中10名被试的血氧饱和度并计算平均值。根据JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》和试验方案,选择隧道入口外前 300 m 至隧道内 200 m (隧道入口段)为数据的测试范围。依据隧道入口段交通事故常发位置和照度对驾驶人的刺激影响程度,为研究驾驶人在隧道入口段生理心理变化规律,按 100 m间距将隧道入口段分为 5 个区段,细分示意图如图 1。

图1 隧道入口段细分示意Fig. 1 Schematic diagram of the subdivision of tunnel entrance section

根据拍摄的行车环境视频提取照度数据,生理仪配套软件导出测试数据并作处理得到心率和呼吸频率,依据拉维达原则剔除无效数据。

3 结果及分析

3.1 低氧环境有效性分析

测量血氧饱和度测试,部分被试结果如表 1 。

表1 血氧饱和度测试结果

通过计算得到被试的血氧饱和度平均值为90.4%,验证了笔者方法构建低氧环境的有效性。

3.2 心率增长率变化特性

隧道入口段驾驶人的心率增长率,如图2。

图2 心率增长率变化Fig. 2 Changes in heart rate growth rate

由图 2 可知:驾驶人在隧道入口段行驶时心率增长率为 27.09% ～ 41.53%,均超过了驾驶人舒适性范围,驾驶人处于紧张和恐惧的心理状态。隧道入口段的心率增长率呈现出不同的变化趋势,驾驶人驶入隧道的过程中,心率增长率逐渐增加,靠近 隧道洞口时增加幅度更为显著,进入隧 道 10～40 m 范围内,驾驶人心里感受由紧张变为恐惧,随后驾驶人心率增长率先是剧烈下降然后趋于稳定,心理感受回到紧张状态且程度较高。可以认为驾驶人在不同区段心率增长率存在差异。

3.3 呼吸频率变化特性

驾驶人在隧道入口段的呼吸频率如图3。

图3 呼吸频率变化Fig. 3 Changes in respiratory rate

图4 不同区段的心率增长率Fig. 4 Heart rate growth rate in different segments

由图 3 可以看出:驾驶人在接近隧道洞口时呼 吸频率明显增加,且在隧道洞口内10 m处出现极大 值,随着驾驶人逐渐深入隧道内部,呼吸频率逐渐 回落并维持稳定。

3.4 不同区段心率增长率差异性检验

应用单因素分析法对不同区段的心率增长率作差异性检验发现,驾驶人在5 个区段行驶过程中的心率增长率存在显著差异〔F(4,50)=24.12,p<0.001〕。

绘制箱式图进一步分析隧道入口段不同区段 的心率增长率显著差异,如图 4。

由图 4 可知:在 5 个区段中,心率增长率在入口段Ⅲ、Ⅳ间差距较为明显,其余区段波动较小。入口段Ⅳ心率增长率显著性最大,说明隧道洞口至隧道内 100 m 的路段范围内最不利于行车安全。根据文献[14]可知,高海拔公路隧道入口段的心率增长率(42%)明显高于低海拔(32%),结合笔者研究可说明,高海拔的低氧环境导致驾驶人心理紧张感更加强烈 。

3.5 不同区段呼吸频率差异性

应用单因素分析法对不同区段的呼吸频率作差异性检验发现,驾驶人在 5 个区段行驶过程中的呼吸频率存在显著差异〔F(4,50)=39.49,p<0.001〕。

绘制箱式图来进一步分析隧道入口段不同区段的呼吸频率显著差异性,如图 5。

由图5可知,入口段Ⅲ、Ⅳ的呼吸频率差异较大,其余 3 个区段差距较小。驾驶人在入口段Ⅲ的呼吸频率波动最大,说明驾驶人的心里紧张程度变化明显,入口段Ⅳ驾驶人呼吸频率最大。

图5 不同区段的呼吸频率Fig. 5 Respiratory rate in different segments

图6 照度和心率增长率的拟合Fig. 6 Fitting of illuminance and heart rate growth rate

图7 照度和呼吸频率的拟合Fig. 7 Fitting of illuminance and respiratory rate

3.6 照度和心率增长率相关性

隧道入口段照度变化对驾驶人的生理、心理会产生一定影响,利用试验数据绘制照度和心率增长率的散点图拟合曲线,如图 6。

由图 6 可知: 心率增长率随着照度的增加出现先增后减的趋势, 其中2 000 lx 左右出现最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范围内) 心率增长率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度与心率增长率的范围如表2。

表2 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度与心率增长率的范围

隧道入口外照度较高,心率增长率较小,隧道入口内照度值较低环境昏暗,驾驶人心率增长率较高,心理紧张程度大。利用 ORIGIN 软件建立照度和心率增长率关系模型:

h=32.683 6+0.001 73L-1.585 62×10-6L2+

8.249 92×10-11L3

(2)

式中:h为心率增长率,%;L为照度,lx。

模型的相关系数R2=0.906 99,说明曲线拟合程度较好, 照度和心率增长率的相关性较强。

3.7 照度和呼吸频率相关性

利用试验数据绘制照度和呼吸频率散点图拟 合曲线,如图 7。

由图 7 可知:呼吸频率随照度的变化与心率增长率随照度的变化基本一致,在照度值为4 000 lx 左右时呼吸频率出现最大值,即隧道洞口附近(入口段Ⅲ和入口段Ⅳ范围内)驶人紧张 感最强烈,呼吸频率最大,入口段Ⅲ和入口段Ⅳ的照度与呼吸频率的范围如表3。

表3 入口段Ⅲ和入口段Ⅳ照度与呼吸频率的范围

建立照度和呼吸频率的关系模型:

r=32.146 28+0.004 73L-8.398 23×10-7L2+

3.485 85×10-11L3

(3)

式中:r为照度影响下的呼吸频率,次/min。

模型的相关系数R2=0.822 12,可以看出拟合程度较好,照度和呼吸频率的相关性 较强。

综上,高海拔隧道入口段照度对驾驶人的心率增长率和呼吸频率影响程度较大,尤其是隧道洞口照度剧烈变化给驾驶人生理带来一定的冲击, 造成紧张甚至是恐惧的心理状态。因此,在高海拔公路隧道入口段的交通设计和管理中应做好减光遮光措施,最大限度的减少照度变化对驾驶人生理的影响,保障驾驶人的行车安全性和生理舒适性。

4 结 论

为了提高高海拔隧道入口段交通安全,开展了低氧环境下的实车试验研究了照度对驾驶人心理状态的影响,得到以下结论。

1)低氧环境的试验符合驾驶人初次到达 3 200 m 的高海拔地区的生理指标,高海拔低氧环境相较于平原地区导致驾驶人出现更为强烈的心理紧张感。

2)隧道洞口前 100 m 和洞口内 100 m 范围内驾驶人生理不适性较强,出现紧张甚至恐惧的状态。

3)心率增长率和呼吸频率随照度的增加均呈现先增后减的趋势,且两者均在隧道洞口附近产生最大值;关系模型表明照度与心率增长率和呼吸频率呈现强相关性。