基于实车测试的草原公路驾驶疲劳预防设施效用分析

冯星宇, 张鸿鹏, 赵子龙, 刘宝河, 王俊俊

(1.北京首发投资控股集团有限公司, 北京 100161; 2.北京工业大学城市建设学部, 北京 100124;3.内蒙古交通设计研究院有限责任公司, 呼和浩特 010010; 4.包头交通投资集团有限公司, 包头 014020)

0 引言

世界卫生组织报告数据显示,在道路交通事故中丧生的人每年约有125万[1],其中由于操作不当造成的事故在所有的交通事故中超过95%. 在重大交通事故中,疲劳驾驶作为事故致因的比例远远超过其他因素[2]. 疲劳驾驶是指在道路上驾驶机动车辆时,由于长时间的连续驾驶、睡眠不足、生物钟紊乱或其他生理、心理因素引起1种状态. 驾驶疲劳因素可分为生理和环境因素,单调且高重复性的低负荷驾驶环境是引起驾驶疲劳的主要原因之一[3].

由于草原地区通常地势平缓,草原公路可能需要连接较远的地点,具有较长的直线路段. 另外,草原地区通常人口稀少,交通流量相对较低,与城市地区相比,驾驶操作较少,受到的视觉刺激较少,造成精神负荷低等情况,产生疲劳驾驶的感觉,这很大程度上会影响到驾驶安全[4-5]. 因此,有必要面向草原公路驾驶疲劳特点,针对性制定驾驶疲劳防控策略,从而降低行车风险.

疲劳驾驶研究的主要内容包括疲劳的定义和识别[6]、疲劳对驾驶行为的影响[7]、疲劳驾驶与事故之间的关系[8]、疲劳驾驶的生理机制[6]、疲劳监测和预警技术[9]、防疲劳策略[8]以及立法和政策措施[10]等. 针对驾驶疲劳的防控策略研究涉及多个方面,包括道路线形优化、道路环境改善以及车载预警设备的研发. Rosey等[11]通过驾驶模拟实验发现,在路肩上铺装不同颜色的沥青可有效缓解驾驶疲劳. 这种视觉上的变化可吸引驾驶者的注意力,从而减轻疲劳感. 毛科俊[12]提出了在单调环境中缓解驾驶疲劳的景观设计建议,包括景观刺激点的间隔和道路设计速度等因素. 这些建议可帮助改善驾驶者的心理状态,减少疲劳感. 在道路边缘或中线设置隆声装置也是1种常见的驾驶疲劳干预方法,通过发出声音和振动来提醒司机注意驾驶疲劳[13]. 此外,在车载驾驶疲劳预警方面,研究人员已经开发了各种传感器和系统[14],用于监测驾驶人的疲劳状态. 这些系统可通过检测眼睛运动、头部姿势、肢体动作等生理和行为特征来评估驾驶者的状态. 当疲劳状态达到特定阈值时,系统会发出警告信号,包括视觉、听觉和触觉信号.

本研究针对内蒙古草原公路特点,从路端预防驾驶疲劳的角度出发,设计5种防疲劳设施,并通过实际道路测试获取数据,分析不同设施的防疲劳效果,为减少草原公路驾驶疲劳发生概率提供参考.

1 实验方案

1.1 测试设施

实验利用交通标志、交通标线、护栏和防眩设施进行设计,包括主动发光标志、路面限速标识、彩色护栏、彩色防滑道面与路肩黄色导流线和边缘率视错觉减速标线5种防疲劳设施,如图1所示.

图1 实验研究要素

1.2 测试场景

实验路段为国道210线满都拉口岸至白云鄂博段公路,为双向4车道一级公路,限速100 km/h. 公路由长直线和半径反向圆曲线组成,各段长直线、反向圆曲线设计指标均相同.

根据路段长度将数据分为整段分析和设施段分析,设施段指对所有设施所在区段进行分析(包括设施对比段和设施影响段). 通过实验组与对照组以及实验准备路段和设施段之间的对比,分析在时间、空间2个维度下道路防疲劳设施效用. 设施路段共长7 km,为确保选取的道路线形及道路长度以保证驾驶人在进入设施段前进入疲劳状态,达到测试设施预防驾驶疲劳效果的目的,本次就实验组和对照组路段分别选取55 km. 车辆限速120 km/h.

1.3 实验被试

本次实验被试计划在当地招募10名驾驶人,有2a以上实际道路驾驶经验;被试的性别与年龄分布参照当前我国机动车驾驶人的性别及年龄比例;视力或矫正视力在1.0或以上,无色盲、色弱等症状;均在内蒙地区生活或工作.

1.4 测试流程

本实验由正式实验前、正式实验中、正式实验后3部分组成.

1)正式实验前. 驾驶人在实验段起点处,填写基本信息,佩戴智能运动手表;

2)正式实验中. 实验段疲劳实验包括开始前、当实验车行驶至实验段前1 km处和结束后分别填写1份卡洛琳斯卡嗜睡量表(Karolinska Sleepliness Sxale,KSS),实验结束后填写驾驶人对5种防疲劳设施效用的主观评价问卷;

3)正式实验后. 完成1轮疲劳实验后,实验员让被试休息30 min左右时间以恢复清醒.

1.5 数据采集

数据采集包括客观记录驾驶人心率和主观评价问卷获取驾驶人对防疲劳设施效用的主观评价及KSS表. 心率采集采用COROS PACE2竞技运动手表. 驾驶人对防疲劳设施效果的主观评价从主观效用问卷获取,部分问卷如表1所示.

表1 主观评价问卷

2 效用分析

综合考虑设施效用主观评价、主观疲劳感受分析和心率分析. 主观效用为驾驶人对防疲劳设施效用主观评价[15],主观疲劳感受分析采用KSS变化,心率分析采用平均心率变化[16].

2.1 主观评价

本次实车测试实验结束后,收到被试填写的主观问卷10份,其中有效问卷10份,问卷分别从防疲劳设施对驾驶过程的影响、防疲劳设施有效性和防疲劳设施有效性原因3个方面对防疲劳设施进行综合评价得分. 对于防疲劳设施对驾驶过程的影响,如图2所示.

图2 防疲劳设施对驾驶过程的效果

有70%的驾驶人认为他们很有用. 对于这些设施是否影响了调整车速. 所有的驾驶人都认为这些设施能提高驾驶人的警觉性. 80%的驾驶人认为铺设防疲劳设施有助于丰富道路景观. 综上所述,绝大多数的驾驶人认为在实验路段中的防疲劳设施不仅能吸引注意力,也对驾驶人行车起到警醒作用.

根据式(1)计算不同防疲劳设施有效性综合平均得分:

(1)

式中,θ为平均综合得分;f为频数;μ为权值;N为本题填写人次.

各种防疲劳设施的平均综合得分结果如图 3所示.

从图3中可看出,彩色防滑道面与路肩黄色导流线的得分为0.3,边缘率视错觉减速标线的得分为0.23,主动发光标志的得分为0.205,路面限速标识的得分为0.19,彩色护栏的得分为0.105. 由此可见,彩色防滑道面与路肩黄色导流线得分最高,边缘率视错觉减速标线次之,彩色护栏得分最低.

图3 防疲劳设施有效性

图4 实验过程中KSS变化趋势

2.2 KSS变化

通过KSS量表,获取被试在实验前、设施段前后以及实验后的疲劳状态的自评结果. 经过设施效用主观评价可得知彩色防滑道面与路肩黄色导流线效果最好,边缘率视错觉减速标线次之,因此采用上述两种设施. 将10位被试在实验过程中自评的疲劳状态取均值,值越大代表疲劳程度越高. 由图 4可看出,被试在驾驶前处于比较清醒的状态,行驶一段时间后,在进入实验路段前,疲劳感上升,经过鱼刺形减速标线以后,略微缓解了疲劳,在经过彩色防滑道面后,显著减轻疲劳,能在通过实验路段后保持1个清醒的状态.

10位被试在实验过程中的不同阶段的疲劳程度存在差异,如图5所示. 在驾驶前,有7位驾驶人处于非常清醒状态;等到实验路段前,再对驾驶人疲劳状态进行询问,只有1位驾驶人依旧处于非常清醒状态,2位驾驶人已经开始出现疲劳征兆;当通过实验路段后再次询问驾驶人的疲劳状态,有5位非常清醒. 通过对每位被试3个阶段的疲劳程度做方差分析得到,F=6.40,P=0.005 3<0.05. 说明在实验过程中被试的疲劳状态存在显著性差异.

图5 实验过程中各阶段KSS

根据式(2)计算实验前后KSS的变化值. 被试驾驶人在通过实验路段后KSS值均小于实验前,说明实验路段上的防疲劳设施可在一定程度上缓解驾驶人员的疲劳感. 此外,被试在经过不同防疲劳设施后其疲劳状态变化不完全相同,90%的被试在经过彩色防滑道面设施后,疲劳状态有了缓解,只有10%的被试在经过鱼刺形减速标线设施后感到疲劳缓解. 这表明这些设施对缓解驾驶疲劳具有一定的作用,其中彩色防滑道面的作用比较明显,而鱼刺形减速标线的作用则略弱于前者,但也能发挥出减轻疲劳的效果.

(2)

2.3 心率变化

心率变化[17]是判断疲劳驾驶的1项重要的生理指标. 基于驾驶人在实验组和对照组数据,通过对比每名驾驶人在实验组中的设施段前和设施影响段的心率数据,分析防疲劳设施对驾驶人的心率影响程度. 由主观效用分析可知,护栏、路面限速标识和主动发光标志效果较差,因此生心理效用分析仅对彩色防滑道面与路肩黄色导流线、边缘视错觉减速标线2种设施进行分析.

2.3.1 整段分析

研究表明平均心率与驾驶疲劳有着比较强的相关性[18],驾驶人越疲劳平均心率越低. 首先,考虑从时间和空间维度上整体分析实验组以及实验组和对照组之间的平均心率的变化差异;其次,通过统计彩色防滑道面与路肩黄色导流线、边缘视错觉减速标线这2种设施在设施对比段和设施影响段的平均心率进而分析单个设施的防疲劳效果.

为了对比与实验组路段的影响差异,本次又设计了道路长度相同与道路环境相似但无任何防疲劳设施的对照路段. 利用所采集的10名驾驶人平均心率数据,考虑以20 m为间隔将整段道路分成500段,并分别计算了每段所有驾驶人的平均心率,如图6所示,无论是实验组还是对照组,驾驶人在进入设施路段之前平均心率不断降低,均已出现疲劳状态,但随着继续向前行驶,实验组中的驾驶人的平均心率开始逐渐上升直至平稳,而对照组中的驾驶人的平均心率仍持续下降直至平稳,由此可看出行驶通过设施路段的驾驶人开始由之前的疲劳状态慢慢转变为清醒状态,进而从侧面也反映了防疲劳设施对于缓解驾驶人的驾驶疲劳会产生一定的效果.

图6 间隔20 min平均心率变化

2.3.2 设施段分析

由主观效用分析可知,路面限速标识和主动发光标志效果较差,因此心率分析仅对彩色防滑道面与路肩黄色导流线、边缘视错觉减速标线2种设施进行分析. 分别分析驾驶人在2种防疲劳设施前后段的平均心率变化情况. 其中,设施前段是指驾驶人在某一时刻能看到该设施的前2 min的时间范围;设施后段是指驾驶人在能看到该设施到车辆通过离开该设施的时间范围. 通过对2种设施前后段做独立样本T检验分析得到,彩色防滑道面与路肩黄色导流线设施前后段平均心率的差异具有统计学意义,F=12.000,P=0.013<0.05. 而边缘视错觉减速标线设施前后段平均心率的差异不具有统计学意义,F=0.000,P=1>0.05.

无论是实验组还是对照组,驾驶人在进入设施路段之前其平均心率不断降低,表明其均已出现疲劳状态,但随着继续向前行驶,实验组中的驾驶人的平均心率开始逐渐上升直至平稳,而对照组中的驾驶人的平均心率仍持续下降直至平稳,由此可看出行驶通过设施路段的驾驶人开始由之前的疲劳状态慢慢转变为清醒状态,从侧面反映了防疲劳设施对于缓解驾驶人的驾驶疲劳会产生一定的效果.

3 结论

为分析草原公路防疲劳设施的实际效果,在设置有防疲劳设施的草原公路路段开展了评价防疲劳设施效用的现场实验测试,实验通过设计设施对比段和设施影响段2组实验场景,从主观评价、KSS变化和心率变化3个方面评估草原公路防疲劳设施效果. 主观评价包括防疲劳设施对驾驶过程的影响、防疲劳设施有效性和防疲劳设施有效性原因3个方面,KSS变化包括被试驾驶人在实验前、设施段前后以及实验后的疲劳状态的自评结果,心率变化包括整段和设施段分析驾驶人心率变化. 研究表明:设施效用主观评价问卷得到5种新型防疲劳设施中,彩色防滑道面与黄色导流线的防疲劳设施效果最好,边缘率视错觉减速标线次之,彩色护栏最差. KSS变化和心率变化得出在防疲劳设施整体有效性层面,设置有防疲劳设施的路段显著优于未设置防疲劳设施的对照路段.

因此,在草原公路的单调环境中连续设置防疲劳设施可明显缓解驾驶人的疲劳状态. 同时,防疲劳设施应具有新颖鲜明的色彩,并按照合理的距离交错设置,使防疲劳效果最大程度发挥. 由于本次实车测试实验是小样本测试,未来需要更大样本测试以提升结果的稳定性. 同时随着车路协同技术的快速发展,可将车端和路端刺激相协同,为制定更加科学、合理和更有效的驾驶疲劳预防策略提供了可能. 因此,未来可考虑将车路协同技术引入驾驶疲劳预防策略中,提高防疲劳设施和设备的应用效果.