基于自然驾驶试验的山区公路纵坡路段驾驶负荷分析

为得到驾驶人在纵坡路段上行车时的驾驶负荷及其影响因素,在山区复杂线形公路上开展了自然驾驶试验,采集了真实驾驶习惯条件下的汽车行驶速度、轨迹、加速度等运行参数和驾驶人心电信号,分析了公路纵面线形参数、汽车加(减)速度与驾驶人心率增长率H_(RI)之间的关系.结果表明,纵坡参数、加速度与H_(RI)三者之间相互影响.坡长与H_(RI)之间存在较弱的正相关性;坡度与H_(RI)之间存在较强的相关性,其中下坡路段的相关性强于上坡路段,并且坡长越长,坡度增加导致H_(RI)的增长越明显;H_(RI)与加(减)速度正相关,坡度越大,H_(RI)对加(减)速度的变化越敏感,且下坡路段减速度与H_(RI)的相关性较上坡路段加速度与H_(RI)的相关性更显著.

汽车转向盘操作与驾驶负荷的相关性

为证实转向盘转速与驾驶负荷之间的相关性,在4条山区复杂双车道公路上开展了长里程的自然驾驶行为实车试验,采集了被试驾驶员的心率信号和转向盘输入数据,以心率增长率HRI为中介,分析了转向盘转速与驾驶负荷之间的关系。试验结果表明:驾驶员超车时的心率显著高于平静状态,超越大型车时的心率增长率明显高于小客车,并且心率在超车行为开始之前就已显著增加;弯道行驶时驾驶员心率会增加,弯道越急、心率增加值越大,在圆曲线范围内,转向盘转角值在达到峰值之后即刻开始回调,即并不是固定在某一个位置;不管是超车工况还是弯道行驶工况,驾驶员的心率增长率与转向盘转速之间都存在很强的正相关性,但超车时驾驶员的心率增长率对转向盘转速更敏感。

基于驾驶员心率变异性的光学隧道驾驶负荷分析

为研究不同光学隧道对驾驶员工作负荷的影响,招募了6位测试驾驶员开展小客车实车试验,采集真实交通状态下的驾驶员心电信号。以驾驶员心率变异性时域指标:心率值(HR)、心跳间期的标准差(SDNN)和相邻心跳间期之差的均方根值(RMSSD)作为驾驶负荷表征参数,分析不同种类的光学隧道对驾驶员心率变异性的影响规律,探讨驾驶负荷与驾驶员心率变异性的相关性。研究结果表明:在不同种类的光学隧道中,驾驶员HR均值显著大于静息状态,心跳间期(RR)均值显著小于静息状态;在隧道驾驶时驾驶员SDNN显著小于静息状态,非光学隧道时驾驶员SDNN小于光学隧道测量值;在不同光学隧道驾驶员RMSSD有明显差异,其中非光学隧道RMSSD平均降幅为41.57%,光学隧道RMSSD平均降幅为30.76%,表明非光学隧道驾驶员心率变异性更大。

山地城市隧道照度与速度对驾驶负荷的影响

为研究山地城市隧道段驾驶员生理特征及驾驶负荷变化规律,在4条城市隧道开展了小客车分段实车试验,采集真实城市交通状态下的驾驶员心电信号(ECG)、车辆速度和隧道照度参数。基于实测数据,分析隧道照度和行驶速度对驾驶员心率增长率的影响规律,探讨隧道照度、行驶速度与心率增长率之间的关系,并建立其回归模型。研究结果表明:在隧道进口段,照度与心率增长率H之间存在较强的负相关性,并且随着速度的增大,H对照度变化的敏感性增加;在隧道中段,由于照度幅值的变化小,照度与H的关系较离散;在隧道出口段,照度与H之间存在较强的正相关性,速度与H之间存在一定的正相关性。

基于驾驶负荷模型的高原弯坡组合路段安全性分析与评价

为了解驾驶员安全舒适度评价指标（驾驶负荷）在高原公路弯坡路段的变化特征,利用生物反馈仪等相关设备,在海拔大于3 000~5 000 m的高原公路选取符合标准的弯坡路段62段进行行车试验。定量分析了驾驶负荷与海拔、高原公路弯坡路段线形组合值之间的变化关系;并且建立了相关模型。结果表明,驾驶员在高原公路弯坡路段行车过程中,驾驶负荷受到海拔与弯坡路段线形组合值的双重影响;驾驶负荷随着海拔的升高而增大;上下行过程中,驾驶负荷随着弯坡路段线形组合值的增大而增大;在海拔与弯坡路段线形组合值的共同作用下,驾驶负荷变化更加明显,海拔越高、弯坡线形组合值越大,驾驶负荷越大。

基于HRV量化的高速公路出口匝道区域驾驶负荷特性研究

为提高高速公路主线出口匝道区域的行车安全性,基于HRV指标量化分析该区域的驾驶负荷特性和影响因素。分析了交通标志设计方案对主线出口匝道区域交通安全影响特性。采用HRV指标对驾驶负荷进行量化分析,同时采用不同信息量的交通标志对驾驶负荷进行定量加载,以汉十高速公路沿线匝道区为场景,设计并开展了主线出口匝道区域驾驶负荷的实车道路试验,采集不同试验场景下多个驾驶人的生理指标和驾驶特性。结果表明,交通标志信息量可以作为认知负荷加载的方式。从2 km到500 m到出口位置的预告标志,表征驾驶负荷的HRV指标呈先下降后上升的趋势。驾驶人在通过主线出口匝道区域不同路段时的行驶车速的变化趋势与驾驶负荷强度的变化趋势具有较好的一致性。

驾驶负荷与交通信息整合系统探讨

基于驾驶行为特性与信息的外在刺激特性,论述行为与信息的耦合机理,强调信息与驾驶负荷整合与匹配,并从驾驶行为角度建立驾驶负荷与交通信息的整合及评价系统。

毗邻互通立交特长隧道驾驶负荷研究

为研究毗邻互通立交特长隧道的运行特性和驾驶行为变化规律,选取10名驾驶员在雅康高速公路二郎山隧道进行实车实验,利用Tobii眼动仪、前向碰撞预警系统Mobileye及Cirelet单导脑电系统等仪器,采集真实交通状态下车辆位置、时间、行驶速度、驾驶员瞳孔直径及专注度等数据,划分毗邻互通立交特长隧道特征区,给出二郎山隧道入口前和毗邻互通立交分流点段的行驶速度和瞳孔直径分布特性和变化曲线,建立二郎山隧道进出口区瞳孔直径线性模型,并评价洞内景观带专注度等级,分析定向变道影响点至互通立交分流点驾驶行为规律。实验结果表明,设置洞内景观带可以缓解驾驶员视觉疲劳,且景观带国旗区效果优于星空区。驾驶员看到定向变道标线白色虚线后,瞳孔直径逐渐减小至3.65 mm,行驶速度维持在71~73 km·h^(-1),在变道操作期的视觉负荷和心理紧张度最大,在条件观察期专注度最高,驾驶员需要根据等待可插车间隙迅速反馈和进行是否变道等操作。

考虑驾驶负荷的高速公路作业区换道预测模型

为预防高速公路养护作业区车辆换道引起的交通事故,首先,开展不同车流密度的驾驶模拟对比试验,采集车辆换道位置距离过渡区末端长度、车辆换道距离和驾驶人心率数据;然后,基于试验数据,通过车辆运行轨迹和方向盘转角,定义车辆换道位置和换道距离,分析车流密度和驾驶员心率对车辆换道位置和换道距离的影响;最后,采用强迫进入变量法,构建基于车流密度和驾驶员心率的车辆换道预测模型。结果表明:车辆换道位置随车流密度的增大先增大后减小,随驾驶员心率的增大而增大;车辆换道距离随车流密度的增大先增大后减小,随驾驶员心率增大而减小。车辆换道预测模型能够预测驾驶人心率与高速公路养护作业区车辆换道的关系。

不同天气状况下高原公路纵坡路段驾驶负荷分析

为研究驾驶员在纵坡路段上行车时不同天气状况对驾驶负荷的影响,在高原公路进行了行车试验,采集了在不同天气状况下的心电信号,进一步分析了在不同天气状况下纵断面线形参数与驾驶员心率增长率之间的关系,并建立了在不同天气状况下驾驶负荷多元线性回归模型。结果表明:天气、海拔高度、坡长和坡度对驾驶负荷有着显著的影响;在海拔高度3000~3500 m纵坡路段,雪天+浓雾恶劣天气的驾驶负荷明显高于晴朗天气的驾驶负荷;在相同路段及海拔高度下,雪天+浓雾恶劣天气对驾驶负荷影响更为显著。当坡长超过200 m时,心率增长率对坡长的变化较为敏感;当坡度大于5%(陡坡)时,心率增长率对坡度的变化较为敏感。

基于驾驶负荷的改扩建高速公路行车风险评估

在改扩建高速公路路面施工阶段,路段存在转序、交织等复杂施工、区环境,半幅施工、半幅行车时存在潜在的安全风险。为探求高速公路改扩建施工区行车风险、驾驶负荷与行车参数三者之间的关系,本文利用16名驾驶员自然驾驶时的车辆速度、方向盘角度、横向位置(距离右车道距离)等行车和驾驶人的实时心率参数,采用生理参数度量驾驶负荷,结合跟车参数车头时距建立基于驾驶负荷的改扩建高速公路风险评价模型,利用无具体目标函数的优化模型建立施工区风险评价分级机制。研究结果表明,驾驶员驾驶时各行车参数对驾驶负荷和车头时距具有线性关系并且显著,驾驶负荷控制系数的选择对行车参数具有约束作用,当驾驶负荷控制系数m减小时,驾驶速度、方向盘角度、偏离右车道距离需保持在较小的变化区间。在保证合理的驾驶负荷水平上,控制行车线形的均匀性、连续性和速度均衡性,驾驶方向的保持以及合适的侧向净空能提高改扩建高速公路行车安全性,避免潜在的碰撞风险。基于驾驶负荷评价模型,本文给出了不同驾驶负荷控制系数时改扩建高速公路行车参数的建议区间,即当驾驶负荷控制系数m=2、3时,驾驶负荷对偏离右车道距离没有约束性,此时参数偏离右车道距离由车头时距约束,当车辆偏离右车道距离大于2.6 m时,驾驶员能保持较优的车头时距。当驾驶负荷控制系数m=1时,偏离右车道距离不能大于6.4 m,此时车速的建议范围为77.8~77.9 km/h,方向盘角度的建议范围为-13.9~9.7°。

基于因子分析与熵值法的不同隧道侧向宽度下驾驶负荷模型

为探究隧道侧向宽度对驾驶心理及行为的影响机理,采用眼动仪、CAN-OBD测速仪等设备在滨莱高速试验场开展不同侧向宽度场景实车试验,获取30名男性驾驶人在不同侧向宽度场景下生心理及驾驶行为数据;以心率均值、车速差、速度标准差、平均注视持续时间和注视时间标准差为关键变量,建立基于因子分析与熵值法的驾驶负荷量化模型,量化评价不同侧向宽度下驾驶负荷变化规律;基于K-means聚类算法确定不同等级驾驶负荷阈值,结合ROC曲线的分类判别和最大约登指数值,提出隧道侧向宽度临界阈值计算方法。研究结果表明:当设计速度为120km·h^(-1)时,采用较大的隧道侧向宽度不仅有利于提高运行车速,同时可减小驾驶负荷;相较于左、右侧侧向宽度分别为0.75m和1.25m的标准断面设计尺寸,隧道左、右侧侧向宽度增加至1.00m和1.50m时,小型车和大型车驾驶人运行车速分别提升4.5%和3.6%,驾驶负荷分别减小31%和29%;不同侧向宽度下驾驶负荷低、中、高3个等级对应的阈值为0.23和0.42,隧道左侧最佳侧向宽度阈值为0.75~1.00m,右侧最佳侧向宽度阈值为1.25~1.50m。研究成果可为高速公路隧道横断面设计及安全高效运行提供技术支撑。

基于规避行为的城市水下特长隧道驾驶负荷评价

为明确城市水下特长隧道驾驶负荷与驾驶特性,在武汉市公铁水下特长隧道开展了自然驾驶实车试验,选取侧壁规避程度、速度限速差和扫视角度动态变化量等3个指标,对驾驶模式进行分类,并基于熵权法计算驾驶负荷综合评价值,研究驾驶人在城市水下特长隧道驶入段与驶离段的驾驶特性与负荷。结果表明:在多数情况下,驾驶人会处于本车道内向右侧方偏移的道路行驶,但随着行驶距离的增加,规避行为逐渐减弱;驶离段速度限速差较低,扫视角度动态变化量较小,行驶速度规范程度高,且速度变化与侧壁规避程度相关性强;驶入段处驾驶人的主要驾驶负荷集中于对隧道内行驶环境变化的观测与判断,而出隧道时,对于速度的控制成为了驾驶人主要的负荷来源;胆小型、保守型、激进型三类驾驶人的驾驶负荷综合评价值在驶入段分别为7.21、9.91、16.22,在驶离段分别为6.61、9.47、17.25。研究结果可为城市水下特长隧道的安全改善提供理论性的支撑。

基于驾驶负荷的山区高速公路长大下坡路段安全性评价模型

分析了已有的驾驶心生理指标与安全性评价方法,进行了典型山区高速公路连续长大下坡路段实车试验,采集了22个试验路段27名货车驾驶人的23 549个心率变异性指标。以心率变异性表征驾驶负荷,建立了关于纵坡坡度、坡长和行车速度的驾驶负荷模型,确定了长大下坡路段驾驶舒适度的区间范围。基于驾驶负荷的阈值划分范围,分析了长大下坡路段驾驶负荷与纵坡指标的关系,并进行了实例验证。验证结果表明:当车速不大于75km·h-1,坡度范围在-6%^-3%之间时,利用建立的模型确定的风险路段包含所有事故多发路段;确定的高风险路段发生交通事故38起,确定的较高风险路段发生交通事故11起,2个路段的死亡人数占总死亡人数的84%。评价结果与实际交通事故分布相吻合,提出的模型有效。

基于交通标志信息量的驾驶负荷加载有效性研究

过高的驾驶负荷是导致驾驶绩效受损和交通事故的重要原因,因此驾驶行为和交通安全研究中需要采用适当的负荷加载形式;通过试验分析不同信息量的交通标志对驾驶人认知负荷的影响规律,验证交通标志信息量对负荷加载的有效性。基于不同信息量的交通标志,对驾驶人的驾驶负荷进行试验验证。招募44名被试在静态控制环境下进行交通标志认知试验,采用信息理论对交通标志信息量进行量化计算,用不同信息量的交通标志进行认知负荷加载,采集被试对每个标志的主观负荷评价及反应时间。试验结果表明:主观驾驶负荷与交通标志信息量有高度相关性,反应时间随着信息等级的增加而增加;而驾驶人性别和驾驶经验对交通标志视认反应时间和主观驾驶负荷量化没有显著影响,这说明在驾驶试验中,交通标志信息量可以用于驾驶试验中的认知负荷的加载,而这种负荷的加载对于驾驶人的性别和驾驶经验是无差别的。该研究更多地考虑了驾驶人的认知特性,研究成果可用于驾驶负荷试验的次任务加载,帮助进行交通安全理论研究。

山区公路纵坡段驾驶人脚操纵特征及驾驶负荷

为证实山区道路纵坡参数与驾驶人生理指标之间的相关性,明晰纵坡路段参数影响驾驶负荷的内在机制,在3条山区双车道公路上开展了小客车实车驾驶试验,采集道路纵坡参数、真实驾驶习惯条件下的驾驶人心电信号、加速踏板力和制动踏板力。基于实测数据,描述制动和加速踏板力幅值的分布特性,分析坡度值对踏板力的影响;探讨加速踏板力、制动踏板力与心率增长率H之间的关联度,并建立H与踏板力之间的回归模型,最终从体力和精神负担两方面揭示了纵坡路段驾驶负荷的形成机制。研究结果表明:制动踏板力的均值和特征分位值均高于加速踏板力,对应最高使用频率的制动踏板力幅值也高于加速踏板力,即下坡路段踩踏板操作的体力负荷更大;踏板力与H正相关,其中下坡制动踏板力与H之间的相关性更强,表明下坡路段尤其是陡坡路段的踏板操作更容易导致精神负担;当踏板力超过某幅值之后,部分驾驶人的H对踏板力的增加变得敏感;对纵坡单元各被试驾驶人的H和踏板力数据取均值,发现在消除驾驶人的个体差异之后,H踏板力的相关性变得更高。

考虑初始情绪的个性化驾驶负荷状态评价

利用驾驶人生理数据对驾驶人的负荷状态进行评价已成为交通心理学的研究热点,该方法通常需要采集驾驶人在静息状态的生理信号特征作为其负荷基准,因此负荷基准的提取将影响驾驶人状态评价结果的准确性。基于此,研究搭建驾驶模拟试验平台,招募15名志愿者开展驾驶模拟试验,设计不同任务诱导其产生3种程度的精神负荷,采集志愿者在不同负荷状态下的生理信号。基于试验数据研究驾驶人初始情绪对心电信号负荷基准值的影响,设计初始情绪提取处理方案,并提出基于个性化敏感生理特征的驾驶负荷评价方法。首先对原始心电信号进行滤波,修订心跳间隔异常值;其次计算心率变异性序列(HRV)时频域特征,利用线性回归对静息状态驾驶人情绪特征进行提取,并利用归一化处理消除初始情绪对驾驶人静息状态负荷的影响,完成驾驶人心电信号时域和频域特征的计算提取;最后采用Fisher-score特征选择算法完成不同驾驶人个体敏感特征的选取,并对个性化特征提取前后的驾驶人负荷评价结果进行对比分析。研究结果表明:研究设计的考虑初始情绪的个性化特征分类器可有效消除初始情绪对驾驶人静息状态负荷的影响,且提高了驾驶人负荷状态识别的准确率,可为进一步研究驾驶任务对驾驶人负荷状态的影响并改进车内外分心源的设计提供依据。

基于EEG熵值的驾驶员脑力负荷水平识别方法

为了对驾驶员脑力负荷予以有效识别,基于脑电信号指标构建了一种驾驶员脑力负荷识别方法.对驾驶员脑电信号进行快速傅里叶变换（FFT）,选取θ（4~8 Hz）,α（8~13 Hz）,β（13~30 Hz）3个频段的频谱幅值分别进行熵处理,对所得到的熵值作为脑力负荷识别参数,并对识别参数进行Kruskal-Wallis检验,选取差异最为显著的10项参数作为脑力负荷特征指标,在此基础上结合BP模型构建了驾驶员脑力负荷识别模型.基于驾驶模拟器实验数据,模型识别正确率为87.8%~90.4%.结果表明,该模型对驾驶员脑力负荷识别具有较高准确性,可实现不同驾驶员脑力负荷的有效识别,为未来自动辅助驾驶系统构建及车载信息系统优化设计提供算法依据.

不同天气状况下驾驶员驾驶工作负荷分析

为有效提高驾驶员在不良天气条件下的运行安全,针对晴天、中雨、中雨+雾(能见度100 m)和中雨+雾(能见度50 m)4种不同驾驶条件,利用心率变异性(HRV)指标,对驾驶员驾驶工作负荷特性进行研究.通过随机抽取3名驾驶员,在室内进行对于高速公路不同天气场景的仿真实验,对获得的数据进行统计分析发现,驾驶员在不同天气条件下驾驶工作负荷是有差异的,驾驶工作负荷随天气条件的恶劣程度增加,驾驶环境的能见度对驾驶员驾驶工作负荷影响最大.

高速公路隧道侧向宽度对大型车驾驶负荷的影响

高速公路主线向隧道过渡时,侧向宽度的压缩变化会造成驾驶人心理紧张等不良反应。为了研究高速公路隧道侧向宽度对大型车驾驶人的影响,设置了3种隧道右侧侧向宽度方案,利用眼动仪、心电仪等仪器在某高速试验场隧道进行实车试验,采集了30名被试人在不同隧道侧向宽度下的心率、动态视觉性能等数据。运用数理统计方法分析了不同方案下驾驶人心率均值、心率增长率、平均注视持续时间及平均扫视持续时间等指标的差异性变化。以心率均值及平均注视持续时间作为驾驶负荷的表征指标,统计分析了隧道不同侧向宽度下驾驶负荷的变化规律。结果表明:通过增加高速公路隧道右侧侧向宽度,可有效改善大型车驾驶人的心理负荷和视觉负荷,特别是在隧道出入口段,驾驶人心率指标明显下降;右侧侧向宽度从1.25 m增加至1.50 m时,驾驶人心率均值下降9.3%,平均注视持续时间下降9.8%;右侧侧向宽度从1.25 m增加至1.75 m时,驾驶人心率均值下降8.9%,平均注视持续时间下降10.8%;右侧侧向宽度从1.50 m增加至1.75 m时,驾驶人的驾驶负荷无显著差异;3种方案中,右侧侧向宽度为1.50 m时驾驶人心理负荷最小且更为稳定,视觉负荷也较小。