徐 進 汪 旭 林 偉 王 燦 邵毅明

(1重慶交通大學重慶市交通運輸工程重點試驗室, 重慶 400074)(2重慶交通大學交通運輸學院, 重慶 400074)

基于自然駕駛試驗的山區(qū)公路縱坡路段駕駛負荷分析

徐 進1,2汪 旭2林 偉2王 燦2邵毅明2

(1重慶交通大學重慶市交通運輸工程重點試驗室, 重慶 400074)(2重慶交通大學交通運輸學院, 重慶 400074)

為得到駕駛?cè)嗽诳v坡路段上行車時的駕駛負荷及其影響因素,在山區(qū)復雜線形公路上開展了自然駕駛試驗,采集了真實駕駛習慣條件下的汽車行駛速度、軌跡、加速度等運行參數(shù)和駕駛?cè)诵碾娦盘?分析了公路縱面線形參數(shù)、汽車加(減)速度與駕駛?cè)诵穆试鲩L率HRI之間的關系.結(jié)果表明,縱坡參數(shù)、加速度與HRI三者之間相互影響.坡長與HRI之間存在較弱的正相關性;坡度與HRI之間存在較強的相關性,其中下坡路段的相關性強于上坡路段,并且坡長越長,坡度增加導致HRI的增長越明顯;HRI與加(減)速度正相關,坡度越大,HRI對加(減)速度的變化越敏感,且下坡路段減速度與HRI的相關性較上坡路段加速度與HRI的相關性更顯著.

山區(qū)公路;駕駛負荷;縱斷面;坡度;坡長;心率增長率

近年來,重特大交通事故頻繁發(fā)生,山區(qū)公路縱坡路段的行車安全問題亟待解決.在彎多坡陡的山區(qū)路段行車時,駕駛?cè)艘S時操縱踏板以調(diào)整行車速度,避免速度增長過快或是出現(xiàn)嚴重衰減,并使速度適應不斷變化的道路線形,因此極易造成駕駛?cè)梭w力和精神負荷的累積,從而引起駕駛疲勞,增加發(fā)生交通事故的可能性.為此,基于駕駛?cè)艘暯?以生理/心理參數(shù)為中介,分析道路參數(shù)與駕駛負荷之間的關系,成為近年來研究和改善公路縱坡路段事故風險的一個有效途徑.現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,可以采用駕駛?cè)说闹w動作變化來評價駕駛過程中的疲勞程度[1].與心率相關的指標(如心率值、心率增長率、心率變異性等)能夠有效描述駕駛?cè)说男睦頎顟B(tài)和精神壓力變化[2-4].

國內(nèi)外學者圍繞道路縱面參數(shù)與駕駛?cè)诵穆手g的相關性開展了大量的研究工作,研究對象包括林區(qū)公路[5]、隧道路段[6]、草原公路[7]、山區(qū)雙車道公路[8]、高速公路[9]、高海拔公路[10-12]等,分析了駕駛?cè)诵穆试鲩L率HRI對坡度、坡長等參數(shù)的敏感性.除了直接使用心率指標之外,研究人員還將心率變異率與運行速度相結(jié)合,用于衡量駕駛?cè)说墓ぷ髫摵啥萚13],分析山區(qū)高速行駛環(huán)境下負荷度與坡度之間的相關性[14].

現(xiàn)有研究都是針對技術等級較高的2級及以上公路,而在中國的西南山區(qū),3級、4級雙車道公路線形組合復雜,極限值標使用頻繁,路側(cè)危險度大,駕駛負荷度顯然更高.此外,現(xiàn)有研究及建立的模型都無法反映出汽車運行狀態(tài)(如速度、加速度)對駕駛負荷的影響.為此,本文以3級公路為對象,分析了坡度、坡長、加速度、減速度與駕駛?cè)诵穆试鲩L率之間的相關性,并建立了關系模型,進而為駕駛負荷分析與評價、駕駛疲勞形成機制、道路參數(shù)設計控制等提供數(shù)據(jù)支撐和分析方法.

1 試驗

1.1 試驗道路

于重慶市轄域奉節(jié)、巫溪、云陽等縣高山區(qū)內(nèi)選擇3條具有復雜線形的雙車道公路作為試驗道路(見表1).由表可知,試驗道路的技術標準為3級(極個別位置由于受地形條件的嚴格限制采用了4級技術標準的線形指標),具有縱面高差劇烈起伏、路側(cè)危險度大、事故高發(fā)且程度嚴重的特征.道路2和道路3的交通量較低,車輛在絕大部分區(qū)段都處于自由行使狀態(tài);道路1在接近或途徑集市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)處的位置交通量較大,行人和非機動車較多,行駛會受到一定程度的干擾,在后期的數(shù)據(jù)分析中,已將這些位置的數(shù)據(jù)剔除.同時,對超車、會車等行駛工況也進行了排除,避免了各種干擾所引起的生理指標波動.

表1 試驗道路的主要技術參數(shù)

本文分析的是單縱坡路段,即路段的平面為直線或大半徑曲線.不同行駛環(huán)境下駕駛?cè)说乃俣冗x擇行為不同,因此需要界定大半徑曲線的標準:當平曲線的運行速度值等于或者超過直線路段的期望速度值時,可認為該彎道為大半徑曲線.根據(jù)文獻[15]中的模型,可以計算出本試驗道路的期望速度值,根據(jù)該值反算出臨界半徑.道路1～道路3的臨界半徑為405～437 m,取整后本文統(tǒng)一取值為440 m,即半徑超過440 m的大半徑彎道可視為直線路段.

1.2 被試駕駛員

選擇7名技術熟練的男性駕駛?cè)俗鳛楸辉?年齡為26～59歲,平均年齡為41.5歲;實際駕齡為5～31 a,平均駕齡為17.5 a.試驗過程中不對駕駛?cè)颂岢鋈魏晤~外要求,讓其維持平日的駕駛習慣,即保持自然駕駛狀態(tài).道路1和道路2為同一條道路的2個路段,被試駕駛?cè)讼嗤?共計4名;道路3上有3名被試,試驗時每名被試沿道路往返行駛1次.

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗車型為豐田海獅的改裝版,利用整車性能測試系統(tǒng)VBOX采集汽車的連續(xù)行駛軌跡和行駛速度,對VBOX系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進行處理,可得到試驗道路的縱面相對高程和坡度值.利用Forsentek踏板力傳感器測量汽車油門和制動踏板的作用力.采用力康Prince180D心電檢測儀記錄被試駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中的心電信號.利用LPMS微機械式航姿參考系統(tǒng)采集汽車橫向、軸向和豎向的加速度以及行駛姿態(tài).

1.4 評價方法

本文采用駕駛?cè)诵穆试鲩L率來衡量駕駛負荷水平.首先,需要設定一個心率的基準值.以往研究中大都選用駕駛?cè)似届o狀態(tài)下的心率值、試驗過程中的心率平均值或直線路段的心率值作為基準.但筆者在試驗過程中發(fā)現(xiàn),汽車在山區(qū)復雜道路上行駛是一個高度動態(tài)化的過程,動態(tài)的心率增長率更能反映駕駛?cè)松頎顟B(tài)的瞬變性和累積性,因此將其作為駕駛負荷主要表征指標.圖1給出了駕駛?cè)嗽谝粋€下坡路段上行駛時的心率變化曲線.心率增長率的計算公式為

圖1 駕駛?cè)诵穆首兓€

(1)

式中,HRmax為駕駛?cè)嗽谀晨v坡路段上的心率最大值;HRo為駕駛?cè)笋側(cè)肟v坡路段前的心率初始值.

2 坡長與HRI的相關性

坡道行車時,駕駛?cè)思纫刂栖囕v行駛方向,又要控制車速,操作動作和操作量較平直路段明顯增加.因此,理論上坡長的增加可能會導致駕駛負荷增加.試驗道路的坡度G分布在2%～10%范圍內(nèi).為了控制坡度對駕駛負荷的耦合影響,將單縱坡路段分為小于6%和大于6%(陡坡)兩組.圖2給出了坡長與HRI的散點圖.由圖可知,當G<6%時,無論上坡或下坡,坡長與HRI之間的關系雖然較離散,但依然存在弱相關性,即隨著坡長的增加,HRI呈增大趨勢;當G>6%時,坡度的增加導致HRI較快增長,即HRI對坡度的變化更加敏感.此外,縱坡坡長大都集中在100～250 m范圍內(nèi).

(a) 上坡,G<6%

(b) 下坡,G<6%

(c) 上坡,G>6%

(d) 下坡,G>6%

圖3給出了S102尖山-沙市段(連續(xù)下坡約19 km)3位被試的心率值連續(xù)變化曲線.由圖可知,被試1的心率值總體上呈下降趨勢;被試2的心率值在前20 min微降,后10 min則呈上升趨勢;被試3心率值變化趨勢則基本保持恒定.由于不同被試的實測結(jié)果存在明顯差別,因此無法得到明確的結(jié)論,還需開展進一步的實測論證.需要說明的是,被試1的心率值在圖3中位置A處突然增加,是因為該時刻汽車右側(cè)車身與路側(cè)護欄發(fā)生剮蹭;被試3的心率值在位置B處急劇上升是因為該駕駛員在狹窄路面上從右側(cè)超越了前方的一輛小貨車.因此,心率值的驟然上升是駕駛?cè)诵睦砭o張所致.

圖3 駕駛?cè)嗽谙缕侣范蔚男穆手底兓?/p>

3 縱坡坡度與HRI的相關性

根據(jù)縱坡的長度值(即坡長LG),將上坡路段分為4組:LG<100 m,100 m≤LG<150 m,150 m≤LG<200 m和LG≥200 m,然后對同一坡長范圍內(nèi)的實測數(shù)據(jù)進行聚類,從而在最大程度上減少坡長的耦合影響.

3.1 上坡路段

圖4為上坡路段的G-HRI散點圖.圖中,h為線性趨勢線的斜率值,表示HRI對坡度變化的敏感性;趨勢線1，2分別為線性和非線性趨勢線.由圖可知,在2%～10%的坡度范圍內(nèi),隨著坡度的增加,HRI明顯增長,即HRI對坡度變化敏感.究其原因在于,坡度越大,上坡時的行駛阻力越大,為了避免行駛速度發(fā)生衰減,駕駛?cè)诵枰┘痈蟮哪_操縱量來提高發(fā)動機的輸出功率,體力負荷增加;與此同時,陡峭的縱坡會給駕駛?cè)嗽斐梢曈X上的壓力,加重駕駛?cè)说木褙摵?此外,由圖4(a)和(b)還可發(fā)現(xiàn),當坡度大于5%時,HRI的增長變得更為顯著.

(a) LG<100 m,h=0.546

(b) 100 m≤LG<150 m,h=0.465

(c) 150 m≤LG<200 m,h=0.406

(d) LG≥200 m,h=0.809

3.2 下坡路段

圖5為下坡路段的G-HRI散點圖.由圖可知,在整個坡度區(qū)間內(nèi),G與HRI之間存在強的正相關性,即坡度的增加會導致HRI增長.同時,這種增長趨勢還受到坡長的影響.整體而言,坡長越長,HRI對坡度變化越敏感.圖5(a)中G-HRI線性趨勢線的斜率值最小,而當坡長大于100 m且坡度超過-5%時,趨勢線的斜率值明顯提高.坡度與HRI正相關,故可認為坡度的增加會導致駕駛負荷增加,即陡坡路段的駕駛負荷水平更高,更應注意行車安全.在下坡路段(尤其是陡坡),駕駛?cè)诵枰粩嗖戎苿犹ぐ鍋砜刂栖囁?同時還需要操縱轉(zhuǎn)向盤對行駛方向進行修正,這些都加大了駕駛?cè)说鸟{車過程中的工作量.

(a) LG<100 m,h=-0.31

(b) 100 m≤LG<150 m,h=-0.46

(c) 150 m≤LG<200 m,h=-1.03

(d) LG≥200 m,h=-0.71

4 加(減)速度與HRI的相關性

4.1 上坡路段

從試驗數(shù)據(jù)中提取出上坡路段的連續(xù)行駛速度,觀察其變化特征.可以發(fā)現(xiàn),在絕大多數(shù)情況下,駕駛?cè)藭鼉A向于加速上坡,即在坡底有沖坡行為.圖6給出了3個上坡路段的速度連續(xù)變化曲線.由圖可知,3個上坡路段上都出現(xiàn)了加速沖坡現(xiàn)象.

(a) 上坡路段Ⅰ

(b) 上坡路段Ⅱ

(c) 上坡路段Ⅲ

圖7為上坡路段不同坡度范圍內(nèi)的HRI-ac散點圖.由圖可知,即使是緩坡路段,HRI與ac之間也存在正相關性.隨著坡度的增加,HRI對ac的變化更加敏感(線性趨勢線的斜率值增加),HRI-ac散點圖的離散性減弱,即二者之間的關系更明顯,這表明在陡坡上HRI與加速度之間的相關性更強.此外,坡度越大,加速度值的分布區(qū)間越寬,上坡時出現(xiàn)的最大加速度值越大,即沖坡行為越明顯.

(a) G≤2%,h=0.70

(b) 2%

(c) 4%

(d) G>6%,h=5.56

HRI與ac之間的正相關性可以從以下2個方面來解釋:① 加速時,縱向力和縱向震蕩會導致駕駛員生理不適,進而引起駕駛員心跳加快(即HRI增加);② 駕駛員在陡坡上的速度控制難度加大,調(diào)整后的速度與預期值之間難以一致,即操縱車輛的難度加大,導致駕駛?cè)司窬o張.

4.2 下坡路段

從試驗數(shù)據(jù)中提取出下坡路段的汽車連續(xù)變化數(shù)據(jù),分析其變化特征以及模式.可以發(fā)現(xiàn),駕駛?cè)擞谙缕虑巴ǔ谄马斘恢貌扇≈苿有袨橐越档托旭偹俣?增加車輛的可控性.圖8為隨機選取的3個下坡路段速度變化曲線.由圖可知,車輛在剛下坡時會減速,進而產(chǎn)生行車減速度.

(a) 下坡路段Ⅰ

(b) 下坡路段Ⅱ

圖9為下坡路段的HRI-ab散點圖.由圖可知,無論是在哪一個坡度范圍內(nèi),HRI與減速度之間均存在明顯的正相關性,表明減速度增加時駕駛?cè)诵奶涌?即駕駛負荷增加.基于此,可以認為下坡行駛時坡度與減速度共同影響著駕駛?cè)说墓ぷ髫摵?究其原因在于,下坡路段行駛時,車輛重力在坡向上的分力導致車速增加,駕駛?cè)藶榱丝刂菩旭偡€(wěn)定性會踩制動踏板使車輛減速,較大的坡度導致對踏板力的需求增加,同時,產(chǎn)生的制動減速度會引發(fā)駕駛?cè)松聿贿m,這些因素都會導致駕駛?cè)说男睦韷毫υ龃?進而使得駕駛負荷增加.

(a) G≥-2%

(b) -4%≤G<-2%

(c) -6%≤G<-4%

(d) G<-6%

5 坡度、加(減)速度與HRI的關系模型

根據(jù)以上分析可知,在各因素中,縱坡坡度(屬道路因素)和加(減)速度(屬汽車運行狀態(tài)因素,為人車路協(xié)同作用的結(jié)果)對駕駛負荷的影響較大,而坡長對駕駛負荷的影響較小,可以忽略不計.下面將分別建立上、下坡路段行車時HRI,ax,ab,G之間的關系模型.

5.1 上坡模型

HRI=0.281G+3.39ac+0.313R2=0.672

(2)

根據(jù)本文試驗道路的線形條件,該模型的適用范圍為G∈[0.5%, 12.0%].

5.2 下坡模型

采用SPSS軟件對下坡路段的實測數(shù)據(jù)進行偏相關分析,ab,G與HRI之間偏相關系數(shù)等于0的概率分別為 0.002和0,均遠低于0.05,通過了相關性檢驗,下坡數(shù)據(jù)的樣本量N=48.比較不同函數(shù)形式的擬合精度后,選擇擬合精度較高且形式簡潔的線性表達式作為最終的模型形式,即

R2=0.782

(3)

該模型的適用范圍為G∈[-12.0%,-0.5%].

6 結(jié)論

1) 單縱坡路段的坡長與心率增長率HRI之間存在較弱的正相關性,坡度超過 6%(陡坡)時,HRI對坡度的敏感性增加.連續(xù)下坡行駛時,不同駕駛?cè)说男穆手底兓厔荽嬖诿黠@差別.

2) 坡度與心率增長率存在較強的相關性,其中下坡路段的相關性高于上坡路段.坡度大于5%時,HRI對坡度的變化更敏感,且坡長越長,坡度導致HRI的增長越明顯.

3)HRI與加(減)速度之間存在正相關性,并且隨著坡度的增加,HRI對加(減)速度的變化敏感度增加.下坡路段減速度與HRI的相關性較上坡路段加速度與HRI的相關性顯著,表明駕駛?cè)嗽谙缕侣范蔚木o張感高于上坡路段.

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Analysis of driver workload on slopes of mountain highways based on naturally driving tests

Xu Jin1,2Wang Xu2Lin Wei2Wang Can2Shao Yimin2

(1Chongqing Key Laboratory of Transportation Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)(2College of Traffic and Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To obtain the driver workload during travelling on slopes and the corresponding influencing factors, the field driving tests on mountain roads with complex alignment with the drivers’ natural behaviors were conducted, and the operating parameters of the cars such as the vehicle running speed, the track, the acceleration,and the electrocardiograph (ECG) signal of the drivers were collected. The relationship among the vertical alignment parameters, the acceleration/deceleration rate and the heart rate increaseHRIof the drivers was analyzed. The results show that there exists an interaction among the slope parameters, the acceleration rate andHRI. A weak positive correlation between the slope length andHRIexists. There is a strong correlation betweenHRIand the gradient, and the correlation of the downhill is stronger than that of the uphill. The longer the slope length, the higherHRIcaused by an increase in the gradient. A positive correlation betweenHRIand the acceleration/deceleration exists. With the increase of the slope gradient,HRIis more sensitive to the changes in the acceleration/deceleration. The correlation betweenHRIand the deceleration of the downhills is more significant than that betweenHRIand the deceleration of the uphills.

mountain road; driver workload; vertical alignment; grade; slope length; heart rate increase

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.033

2016-08-14. 作者簡介: 徐進(1977—),男,博士,教授,yhnl_996699@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51278514,51678099)、交通運輸部應用基礎研究資助項目(2015319814050)、重慶市科技計劃資助項目(cstc2014jcyjA30024).

徐進，汪旭，林偉,等.基于自然駕駛試驗的山區(qū)公路縱坡路段駕駛負荷分析[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(3):619-625.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.033.

U491.254;U412.33

A

1001-0505(2017)03-0619-07