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道路环境单调性对驾驶疲劳的影响机理及对策研究

【摘要】:道路交通系统是人、车、路和环境构成的复杂动态系统。任何一个因素的功能不能有效发挥或不同因素之间的协作失效都会导致交通事故。在驾驶过程中驾驶员获取、加工、处理信息并完成驾驶操作,是道路交通系统中最重要的构成因素。因此,研究道路参与者,特别是驾驶员的驾驶行为对于预防道路交通事故发生具有重要的意义。 驾驶疲劳是不良驾驶行为的常见形式之一,也是造成重大交通事故的最重要成因之一。影响驾驶疲劳的因素是复杂的,以往研究往往从驾驶员生理周期、睡眠时间等内部因素展开。事实上,驾驶疲劳是由内、外因素共同作用的。疲劳的形成不仅与驾驶员驾驶前的状态有关,还取决于驾驶过程中驾驶时长、道路环境等外部因素。正如Nelson指出的那样,“疲劳不仅仅是在大脑中某些物质,它很大程度上受到你的个性,你正在做什么事情和在什么地方做事情的影响”。本研究从人与环境交互影响出发,利用驾驶模拟舱,围绕道路环境单调性与驾驶疲劳之间的关系展开研究。重点分析驾驶疲劳评价指标;提出基于MPEG压缩技术的道路环境单调性检测方法;建立道路环境单调性对驾驶疲劳的影响模型,确定道路环境单调性评价标准;研究相应的驾驶疲劳对策。具体内容如下:首先,理论分析。明确研究的核心问题是如何采用数学的方法精确描述道路环境单调性对驾驶疲劳的影响机理。分析解决该核心问题的四个关键子问题:驾驶疲劳定义、驾驶疲劳评价指标确定、道路环境单调性分析和道路环境单调性对驾驶疲劳的影响过程。提出驾驶疲劳定义,并介绍驾驶疲劳评价备选指标的选取范围。重点阐述采用MPEG压缩技术检测道路环境单调性的可行性,以及道路环境单调性影响机理的理论模型。 其次,实验系统分析。根据本次研究对实验系统的要求,结合驾驶模拟实验室已有的实验设备,开发能够满足道路交通系统中人、车、路、环境四部分建模和数据采集,以适应微观驾驶行为以及驾驶员特性研究的实验系统平台。介绍了实验平台的设计思路、实施方案以及设计平台功能展示和平台应用。重点阐述了实验设计的基本原理在后续实验中的具体应用。同时,采集驾驶模拟舱与真实道路环境对比实验的方法,验证采用驾驶模拟的手段能够真实再现与驾驶员感知相关的研究。 再次,驾驶疲劳评价指标确定。介绍脑电、心电、眼动等生理信号和驾驶行为数据的一般分析方法;在单调性环境中,分析脑电、心电、眼动、方向盘转向等指标随驾驶时间的变化规律。建立方向盘转向频数与生理指标之间逐步回归模型。考虑到各生理指标作为驾驶疲劳检测指标可能存在的问题,采用Person相关系数分析指标间的相关关系,最终确定心率作为驾驶疲劳评价指标。 第四,建立基于MPEG压缩技术的道路环境单调性检测方法。采用MPEG压缩技术评价道路环境单调性。重点研究采用该技术评价的可行性以及采样频率、采样速度、压缩方式和压缩长度等压缩参数的选取问题;针对驾驶员对道路环境的关注重要程度不同,研究驾驶员最关注信息(MMI)分布规律,采用Victor等人的注视区域划分方法,对不同区域的改变量分配权重,实现考虑驾驶员对道路环境关注重要程度的修正,提出道路环境单调性的计算方法以及刺激点甄别方法。 第五,分析道路环境单调性对驾驶疲劳的影响机理。采用上一部分的道路环境单调性检测方法计算各个场景的刺激密度,作为该场景的单调性水平。研究不同单调性环境下驾驶员生心理指标变化规律,建立在不同刺激密度下,驾驶持续时间和驾驶员生心理之间关系曲线。计算心率的下降速率,建立刺激密度与心率下降速率的关系曲线,确定道路环境单调性评价标准。 最后,驾驶疲劳对策研究。针对道路环境单调性,研究驾驶疲劳的对策。从政策法规上,建议在单调性环境中连续驾驶20min后调整驾驶状态,维持正常的警觉水平;从景观设计上,确定在单调性环境中合理刺激点间隔为5-10min,从安全驾驶角度建议取值为5min;从线形设计上,确定在设计速度60km/h时,长直线后符合驾驶员生心理特征的圆曲线半径为250m。 本次研究主要是从驾驶疲劳外部因素出发,研究道路环境单调性对驾驶疲劳的影响机理,提出相关对策建议。该研究的相关成果能够纳入到驾驶疲劳控制策略的整体系统中,为道路规划建设、道路景观设计和运输管理提供技术支持,进而减少与驾驶疲劳相关的交通事故,提高道路安全水平。

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