桥隧群环境对驾驶人驾驶行为及生理反应的影响

朱敏清，李昕晔，崔洪军，王玉帛

（1.河北工业大学 建筑与艺术学院，天津 300401；2.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401）

0 引言

高速公路桥隧群路段结合了隧道、桥梁和道路3种不同的构造物形式，桥隧群路段具有缩短出行时间、降低工程成本、发展地方经济和良好经济效益等优点。但桥隧群路段交通环境复杂多变，因此同样也是发生交通事故的主要空间分布点。驾驶员在复杂的桥隧群环境中，将同时经历光环境交替循环突变、视觉明暗适应快速转换等过程，容易引起驾驶人的视觉障碍，从而严重影响驾驶人对环境信息的正确判断和快速反应，导致驾驶行为不当，交通事故频发[1]。由统计数据显示，驾驶人驾驶行为决策失误导致事故发生占事故总数的93%左右[2]。因此，有必要从驾驶人的角度入手，研究桥隧群环境对驾驶人驾驶行为和生理参数反应时间的影响，探索驾驶行为改变的内在机理。

近年来，国内外学者针对高速公路桥隧群路段对驾驶人驾驶行为和生理参数的影响做了一系列的研究，对驾驶行为影响方面Meng[3]通过采集驾驶人方向盘转角等数据，进而量化了桥隧连接段横向间隙与驾驶人方向盘转角的关系。Domenichini L等[4]研究了单体隧道环境光照强度对驾驶人速度及车道偏移量的影响。对驾驶人生理影响方面，Healry等[5]通过采集自然驾驶中驾驶人心率和呼吸率等参数，得出心率指标和注视持续时间与驾驶人心理压力呈正相关。郝瑞娜[6]通过测量驾驶员心率变化率，分析单体隧道环境特性、道路特性和交通特性对驾驶人心率变化的影响。崔洪军等[7]通过采集驾驶员的瞳孔面积变化率，得到了单体长隧道入口满足行车舒适性的合理照明动态阈值区间。

驾驶人反应时间与事故发生概率呈正相关[8]，因此驾驶人的反应时间也成为交通安全研究的热点。王亚楠[9]通过采用隧道驾驶人识别障碍物的反应时间，确定了隧道光照强度对驾驶人反应时间的影响。Wang等[10]研究了冲突紧迫度对驾驶人制动反应时间的影响。张玉婷[11]通过采集紧急状况下驾驶员制动速度及制动反应时间，建立了制动速度和反映时间的混合效应模型。然而目前国内外对高速公路桥隧连接段、单体隧道、隧道群的安全研究比较多，将三者作为相互影响的整体综合考虑的研究工作还不够[12]，且数据采集比较单一，仅从驾驶员的驾驶行为、生理参数或反应时间等单方面进行数据采集和分析，未能综合考虑反映驾驶人桥隧路段驾驶行为改变的本质。

本文设计桥隧群实车实验，通过对比桥隧群段与普通高速公路段驾驶人驾驶行为参数和生理参数的差异性，为高级驾驶辅助系统（ADAS）补充桥隧群道路环境下驾驶人驾驶行为和生理参数。同时通过分析桥隧群隧道内和桥隧连接段对驾驶人反应时间的影响，印证在桥隧群环境下驾驶人员的驾驶行为变化，为提升高速公路桥隧群的安全性提供了理论和实践支撑。

1 实验

1.1 桥隧群的定义

桥隧群是指同时存在2座或者2座以上桥梁和隧道（隧道和隧道，桥梁和桥梁）间隔一定距离且不规则排列的路段。根据有关研究成果[13]，其间隔距离参考隧道群定义，以1 000 m长度作为临界值。

1.2 道路实车平台的搭建

本文采用SMART EYE眼动仪，TLC5000动态心电图仪，VBoxs数据采集盒，行车记录仪等仪器搭建驾驶人心理、生理及驾驶行为特性分析道路实验平台。如图1所示。

图1 道路实车实验平台的搭建Fig.1 The construction of road vehicle test platform

驾驶行为的数据由VBoxs数据采集盒采集，数据记录在软件中，采样频率为10 Hz，生理数据的采集采用TLC5000动态心电图仪和SMART EYE公司生产的ETG 2W型便携眼镜式眼动仪。心电模块采用ECG100C心电放大器，数据储存在ACQ Knowledge软件中，采样频率为250 Hz。注视持续时间数据存储在SMI眼动仪自带的软件SMI Pro中，采集频率为60 Hz。为去除运动伪影与心跳的影响，采用频率为0.5 Hz的高通滤波过滤无效数据。最后，为保证生理参数与驾驶行为参数的同步性，将编辑后的生理数据保存，采样率降低为10 Hz。

1.3 实验时间与地点安排

参考荣乌高速保定段日落时间表，本次调查分为白天和晚上2个时间段，调查时间为2019年12月21和12月22日，每日9：30—12：30，14：00—17：00为调查的白天时段。18：00—21：00为调查的傍晚时段。

为确保实验结果的代表性和准确性拟选取特长隧道营尔岭隧道和寨头隧道群两条具有代表性的桥隧群路段，分别对高速公路段和每条隧道的隧道入口段、过渡段、中间段、出口段、路基连接段进行调查，实验路段中隧道均为分离式隧道，车道形式为单向双车道，各隧道线形、路面条件及亮度设施均完好，实验路线图如图2和图3所示，实验车辆行驶状态如图4所示，部分隧道基本参数如表1所示。

图2 营尔岭特长隧道Fig.2 Ying′er ling long tunnel

图3 寨头隧道群Fig.3 Zhaitou tunnel group

图4 实验车辆行驶状态图Fig.4 Test vehicle driving state diagram

表1 部分隧道基本参数Tab.1 Part of the tunnel basic parameters

图5 驾驶人障碍物识别Fig.5 Driver obstacle recognition

1.4 被试人反应时间的测量

被试人反应时间测量作为本次实验的重点和难点对实验的成功与否尤为重要，为了完成驾驶人反应时间的测量，在开始实验之前，由主试人员提前在实验路段的隧道内和隧道连接段中摆放好安全警示锥。为不影响驾驶人行为，要求主试人员将警示锥摆放到隧道内的检修便道上或连接段的应急车道外，以此来模拟行车过程中障碍物。同时搭配VBOX中的制动模块，测量驾驶人看见障碍物时的制动时间。本次实验的驾驶人反应时间定义为驾驶人看到警示墩（障碍物）的时间到驾驶人采取制动的时间，即驾驶人注视点落在目标警示墩上的时间开始到VBOX数据软件采集到驾驶人的制动时间为止。如图5所示为被试驾驶人识别到障碍物目标的情况，其中红色标记为驾驶人的注视点位置。反应时间的测量通过软件的AOI功能实现，在软件中通过标定障碍物区域可计算其总持续时间、扫视时间和注视持续时间，通过数据采集盒采集车辆瞬时速度及区间速度。

1.5 被试选择与实验流程

为满足实验中样本量的人群代表性，共招募不同年龄、性别和驾驶里程的63名被试人参与本实验，且被试人需满足视力情况在矫正后都保持良好且驾驶技术娴熟，无生理缺陷和交通事故经历，所有驾驶人在实验前对实验路段均不了解，以此剔除熟悉路段对驾驶人驾驶行为的影响。在正式实验前，需要筛除出与设备不匹配的实验人员：所有被试人员佩戴设备在实验路段进行短距离的预实验，若预实验中被试人员的样本数据异常，则剔除无效样本。经预实验筛选出的剩余51个样本进行正式实验，其中男生34名，女生17名。被试人在过去一年的驾驶里程范围为0～15 000 km，均值（M）为8 760.46 km，标准差（SD）为3 348.65 km。所有参与者持有中国正式驾驶执照，并持有驾驶执照最少一年（M：3.46，SD：1.53）。实验开始前主试人员应确保驾驶员保持清醒、休息充足、精神饱满，无饮酒和引用咖啡。并告知驾驶员测试路段，为实验驾驶员讲解实验目的和实验注意事项，消除驾驶员的紧张感。驱车抵达实验路段后，由主试人员进行实验设备调试工作。即安装VOBX数据采集盒，调试心电图仪各项系数，并固定连接线。打开眼动仪，进行眼动仪的校准工作。眼动仪的校准采用精度较高的三点校准，以保证眼动仪能准确捕捉到注视点位置的变化。完成校准工作后，需将眼动仪后方头部固定线拉紧，以确保后期实验过程眼动仪不会隧车辆抖动而偏离。打开VBOX数据采集盒，完成速度、位移和制动时间等数据的校准。开始实验，要求被试人按照自己驾驶习惯完成实验。实验结束后，将实验数据保存相应人员的文件夹，完成数据的第2次同步。当被试驾驶员完成实验段的驾驶实验时，更换驾驶员重新开始实验，重新开始实验前，需要对新的驾驶人进行眼动仪校准。

1.6 因变量

本研究的因变量可以分为驾驶行为、生理测量和反应时间3个部分，驾驶行为指标包括：速度与限速比、车道位置标准差、油门踏板下压及制动踏板下压等指标，其中速度与限速比指标为车辆运行速度与路段限速的比值，分别取平均值（Av）、标准差（SD）和最大值（Max）等统计参数；车道位置改变量是指对应车辆从当前车道中心线处的车道位置偏移量，当偏移量在右边时为正，当偏移量在左边时为负，分别取标准差和最大值等统计参数；油门踏板和制动踏板的下压指标由VBOX数据采集盒采集，取值在0～1之间，分别取标准差和最大值等统计参数。生理参数的指标包括心率和注视持续时间等相关参数，各项指标取平均值、标准差、最小值（Min）和最大值等统计参数。驾驶人制动反应时间测量中取平均值和标准差统计指标。

2 实验结果分析

为研究驾驶环境对驾驶人生理反应和驾驶行为影响的显著程度，首先使用夏皮洛-威尔克检验（Shapiro-Wilk）检测数据的正态性。在95%置信度水平上有部分数据向量不符合（sig.＜0.05），如驾驶人在桥隧群路段的平均速度（sig.=0.012）和最大心率（sig.=0.036）。因此本文数据采用非参数检验。在普通路段和桥隧群路段进行被试人配对分析，以测试桥隧群对驾驶人驾驶行为及生理参数的影响。

2.1 驾驶行为分析

使用符号秩检验（Wilcoxon signed-rank）方法检测桥隧群路段和普通高速公路段间驾驶人驾驶行为的差异。其中，桥隧群路段和普通高速公路段驾驶行为参数因变量的中位数（M）和四分位数区间（IQR）及其结果的p值描述统计如表2所示。

表2 不同路段驾驶人驾驶行为Tab.2 Driving Performance of Drivers in Different Sections

如表2所示，驾驶行为指标中在95%置信度水平上，有显著性差异的指标为：速度限速比平均值（p=0.007），速度限速比最大值（p=0.022）、制动踏板的最大值（p=0.000）。

同普通路段相比，复杂的桥隧群环境，会引起驾驶人额外的心理负荷，进而引起驾驶员驾驶行为的下降。在纵向控制行为上，驾驶行为的下降主要体现在：平均速度比、最大速度比、油门踏板标准差的下降和制动踏板最大值的增加。这是因为同普通路段相比，驾驶人在桥隧群环境中需经历频繁的光暗适应度转换，进而增加驾驶人额外的心理负荷。驾驶人为应对额外心理负荷，采取了一系列降低驾驶绩效的补偿行为。如：与普通路段相比，桥隧群速度比限速的中值降低了7.32，制动踏板最大值增加了0.25。

相关研究表明，高负荷下驾驶人的补偿行为会随着时间的推移而耗尽，因此，桥隧群驾驶人平均速度比的降低和最大制动值的增加作为一种补偿行为，虽然在一起定程度对驾驶安全起到了改善作用，但同时存在随时间推移而耗尽的风险，不容忽视。

2.2 生理参数分析

使用符号秩检验（Wilcoxon signed-rank）方法检测桥隧群路段与普通高速公路段间驾驶人生理参数的差异显著性如表3所示。

表3 不同路段驾驶人生理参数表Tab.3 Physiological measures of drivers in different sections

在普通路段和桥隧群路段驾驶人心理生理指标中在95%的置信水平上有显著性差异的指标为：心率平均值（p=0.000）、最大值（p=0.000）和最小值（p=0.009）与注视持续时间的平均值（p=0.000）、标准差（p=0.000）和最大值（p=0.000）。

与普通路段相比其中驾驶人在隧道群路段中心率平均值、最大值、最小值和注视持续时间的平均值、标准差和最大值的中值更高，这表明与普通路段相比，隧道群驾驶员心率和注视持续时间均显著性增加。而心率和注视持续时间的增加，表示驾驶人处于一个更高层次的压力阶段，视觉和心理负荷更大。图3为普通路段驾驶人和桥隧群路段驾驶人平均心率箱型图，如图6所示，与普通路段想比，桥隧群路段驾驶员平均心率中值大约增加13次/min。

2.3 桥隧群环境对反应时间的影响

图6 不同路段驾驶人平均心率箱型图Fig.6 Average Heart Rate Boxplot of Drivers in Different Sections

研究桥隧群不同环境对驾驶人反映时间的影响，使用符号秩检验（Wilcoxon signed-rank）方法检验普通高速公路段、桥隧群隧道内与桥隧连接段驾驶人反应时间的差异性。给定显著性水平P为0.05，在95%置信度水平上，驾驶人桥隧群隧道内（p=0.037）、桥隧连接段（p=0.000）与普通路段反应时间相比存在显著差异。

如图7所示，与普通高速段相比，驾驶人在桥隧群段隧道内反应时间中值低了0.22 s，这表明驾驶人在桥隧群段隧道内比在普通高速段遇到突发事件，能更快的做减速反应。这可能是两方面造成的，一方面隧道内限速调控，驾驶人行驶速度较低，更容易发现危险的发生。另一方面，同普通路段相比，隧道内驾驶人处于高度紧张的心理状态，因此精神和注意力高度集中，进而对突发状况表现出更高的警惕性和更快的反应时间。

与普通高速段相比，驾驶人在桥隧群桥隧连接段反应时间中值高出了0.47 s，表明驾驶人在桥隧群桥隧连接段表现出更长的反应时间，更容易发生交通事故。这可能是因为，一方面驾驶人在隧道内高负荷，因而保持加速驶出隧道，相对运行速度较高，因此，表现出更长的反应时间。另一方面可能是因为驾驶人在经历了隧道内高负荷路段，进入桥隧连接段后，相对放松了警惕，从而在突发状况出现时，表现出了更长的反应时间。

桥隧段隧道内驾驶人反应时间的降低，可以认为是高负荷下补偿行为效应力的发挥，一定程度上起到驾驶安全的改善作用，但更长的桥隧连接段反映时间，印证了持续时间高负荷下的调节行为会使调节行为的下降，从而大大的增加了驾驶人行车风险，这也证明了补偿行为的降低会对驾驶安全造成更大危害。

图7 不同路段驾驶人反应时间箱型图Fig.7 Reaction time Boxplot of Drivers in Different Sections

3 结论

本文基于符号秩检验方法对驾驶人在普通高速公路段与桥隧群路段的驾驶行为、生理参数及反应时间进行了差异性分析，结果表明，桥隧群环境对驾驶人驾驶行为和驾驶人生理参数具有显著性影响。

1）与普通路段相比，驾驶人在桥隧群路段驾驶行为显著下降。如反映在纵向控制上的平均限速比、最大限速比、油门标准差的下降和制动踏板最大值的增加；反映在横向控制行为上的车道位置标准差降低。

2）与普通路段相比，驾驶人在桥隧群行驶过程中表现出更高的心理负荷，具体表现在心率平均值、最小值、最大值和注视持续时间平均值、标准差和最大值的增加，过高的心理负荷容易引起驾驶人的失误，危害驾驶安全。

3）不同于以往研究，与普通高速段相比，在桥隧群环境中隧道内表现出较短的反应时间，这表明：驾驶行为的下降作为高心理负荷的补偿行为一定程度上改进了驾驶的风险。而更长的桥隧连接段反映时间表明，紧张情绪的释放和补偿行为的降低对驾驶安全具有抑制性影响。