湯灃澤，潘曉東，陳 豐

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

在道路交通學(xué)中，由人、車、路及交通環(huán)境組成了一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)的人機(jī)系統(tǒng)［1］。研究駕駛員在不同道路線形上心理、生理反應(yīng)有助于評(píng)價(jià)道路的安全性。駕駛員在行車時(shí)，沿線會(huì)有許多半徑和超高各不相同的彎道，駕駛員在經(jīng)過這些不同彎道時(shí)的心理緊張程度也不相同。研究［2－5］表明，引起駕駛員心率變化的一個(gè)最重要的因素就是交通環(huán)境以及道路線形的復(fù)雜變化。在路況單調(diào)、道路線形特征單一的道路上行駛時(shí)，駕駛員注意力的放松會(huì)導(dǎo)致心率減慢；在道路線形變化復(fù)雜或遇到緊急情況需要采取行動(dòng)時(shí)，駕駛員的心率會(huì)加快。心率長(zhǎng)時(shí)間過慢或者加快都會(huì)引起駕駛員提前產(chǎn)生疲勞［6］，而導(dǎo)致交通事故。

正常成年人在安靜狀態(tài)下的心率有明顯的個(gè)體差異。經(jīng)常進(jìn)行體力勞動(dòng)和體育鍛煉的人，平時(shí)心率較慢［7］。同一個(gè)人，心率在不同時(shí)段不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也有不同，白天心率加快，夜間心率減慢；在安靜或睡眠時(shí)心率減慢，運(yùn)動(dòng)或情緒激動(dòng)時(shí)心率加快；在某些藥物或神經(jīng)體液因素的影響下，會(huì)使得心跳速度加快或減慢。

通過研究各項(xiàng)生理反應(yīng)指標(biāo)的特點(diǎn)及其測(cè)試方法發(fā)現(xiàn)，心率能反映車速和道路線形對(duì)駕駛員行車緊張程度的影響［4－5］。因此，作者擬用心率這個(gè)生理反應(yīng)指標(biāo)來研究駕駛員行車時(shí)心理緊張與車速和道路線形之間的關(guān)系。但是不同素質(zhì)駕駛員在安靜狀態(tài)下的心率是不同的，因此心率不能定量地反映駕駛員的緊張程度。由于每個(gè)人的心率變化是一致的，因此作者擬采用心率增長(zhǎng)率來衡量人的緊張程度。

橫向力是指汽車在彎道上行駛，由于離心力的作用，使車輛沿路面水平方向產(chǎn)生一個(gè)橫向分力。該橫向分力與垂直地面的豎向力之比稱為橫向力系數(shù)。橫向力系數(shù)是設(shè)計(jì)平曲線半徑和超高的最基本的參數(shù)［8］，其極限為橫向摩阻系數(shù)，受路面條件、輪胎材料和氣壓、車速以及荷載等因素的影響。根據(jù)橫向力系數(shù)、超高和平曲線半徑三者之間的關(guān)系，汽車在彎道上行駛時(shí)，隨著橫向力系數(shù)的不同，乘客的感覺也隨之變化［9］，橫向力系數(shù)的大小直接影響到行車的安全、經(jīng)濟(jì)和舒適性［10］。

1 山區(qū)公路曲線段行車試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本實(shí)驗(yàn)通過山區(qū)雙車道公路實(shí)地行車試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)路段的道路信息進(jìn)行了收集和整理，并采集駕駛員在不同半徑曲線段的心率特征和行車速度特征，以此分析不同曲線半徑下駕駛員心率變化率隨車速變化的情況；通過對(duì)駕駛員心率變化率和橫向力系數(shù)的相關(guān)分析，考查二者的相互關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)車輛（馬自達(dá)轎車）、Polar RS800CX BIKE心率表、DCR－SR60SONY數(shù)碼攝像機(jī)、三軸加速度儀及筆記本電腦等。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

選取浙江省省道S210建德段為試驗(yàn)路段，試驗(yàn)路段全部線形資料和圖紙從建德市交通局獲取，如圖1所示。部分試驗(yàn)路段平面線形如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)路段Fig.1 The testing road

圖2 部分試驗(yàn)路段平面線形Fig.2 Horizontal alignment of some testing roads

駕齡2年以上的駕駛員5名，駕駛試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)路段正常行駛，測(cè)量駕駛員在雙車道山區(qū)公路曲線段行駛過程中的心率變化狀況及車輛速度和加速度等行駛特性。試驗(yàn)過程中須保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量同步，即試驗(yàn)儀器均設(shè)為同一時(shí)間，精確到秒，并盡量保證試驗(yàn)人員合作有效，使所有儀器同一時(shí)間開啟或記錄，將行車數(shù)據(jù)記錄文檔保存。

2 運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率的相關(guān)性

心率增長(zhǎng)率（GR）即某一時(shí)刻（段）的心率增長(zhǎng)量與駕駛員在安靜狀態(tài)下平均心率的比值。對(duì)不同半徑范圍下的運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，可得出不同半徑下駕駛員的行車感受變化規(guī)律。

在圓曲線半徑大于150m、小于等于200m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?0～80km／h，運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系如圖3（a）所示。當(dāng)車速小于70km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率較小；當(dāng)車速大于70km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率有增加的趨勢(shì)。

在圓曲線半徑大于200m、小于等于300m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?5～85km／h運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系如圖3（b）所示。當(dāng)車速小于75km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率較??；當(dāng)車速大于75km／h，小于等于80km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率有所增加；當(dāng)車速大于80km／h時(shí)，心率增長(zhǎng)率繼續(xù)增加。

在圓曲線半徑大于300m、小于等于400m的曲線段上，運(yùn)行車速大多數(shù)時(shí)候?yàn)?5～90km／h（如圖3（c）所示）。當(dāng)車速小于80km／h時(shí)心率增長(zhǎng)率較?。划?dāng)車速大于80km／h時(shí)心率增長(zhǎng)率比較離散。

圖3 運(yùn)行車速與心率增長(zhǎng)率散點(diǎn)的關(guān)系Fig.3 Relationship between the driving speed and the change of the driver’s heart rate

3 橫向力系數(shù)與心率增長(zhǎng)率相關(guān)性分析

選取半徑為150～400m平曲線路段上獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算駕駛員在不同來回、同一彎道處的心率增長(zhǎng)率，并計(jì)算駕駛員在該處的橫向力系數(shù)。橫向力系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：R為平曲線半徑，m；μ為橫向力系數(shù)；V為行車速度，km／h；i為橫向超高坡度。

運(yùn)用SPSS軟件，對(duì)橫向力系數(shù)和心率增長(zhǎng)率進(jìn)行擬合。采用3種數(shù)學(xué)模型（線性模型、對(duì)數(shù)模型及指數(shù)模型）分別驗(yàn)證，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 駕駛員行車時(shí)，橫向力系數(shù)與心率增長(zhǎng)率的關(guān)系Fig.4 Relationship betweenμand the change of the driver’s heart rate

從圖4中可以看出，線形函數(shù)擬合程度最高（相關(guān)性系數(shù)為0.446），因此選擇線性函數(shù)作為擬合模型。該曲線的方程為：

半徑變化范圍為150～400m的平曲線上行駛時(shí)，駕駛員心率增長(zhǎng)率隨橫向力系數(shù)的增加呈線性增加趨勢(shì)。

4 結(jié)論

1）駕駛員心率變化率與曲線半徑及運(yùn)行車速有關(guān)，曲線半徑一定時(shí)，駕駛員心率變化率隨運(yùn)行車速的增加而增加，曲線半徑越小，則心率變化率隨車速變化越明顯。

2）橫向力系數(shù)與運(yùn)行車速、曲線半徑和超高等具有密切聯(lián)系，可以用橫向力系數(shù)作為一個(gè)綜合指標(biāo)來分析山區(qū)公路曲線段行車情況對(duì)駕駛員心率變化率的影響。得出的結(jié)論是：在半徑變化范圍為150～400m的平曲線上行駛時(shí)，駕駛員心率增長(zhǎng)率隨橫向力系數(shù)的增加呈線性增加趨勢(shì)。

（References）：

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