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摘要 摘要 道路交通事故是一种世界性的公害。目前,我国已经成为世界上道路交通事 故很严重的国家之一。交通事故是人、车、路和环境动态系统失调的结果。传统 的公路路线设计理论是基于汽车行驶动力学建立的,没有考虑人的因素。本研究 应用医学和心、生理学方面的理论方法和研究手段,通过大量的行车试验,寻找 道路线形与驾驶员行车心、生理需求的内在关系和规律。以此为基础,研究山区 双车道公路纵坡坡度和坡长的极限值。 本文以山区双车道公路为研究对象,以行车试验为依据,以心率作为驾驶员 生心理紧张的指标。通过分析驾驶员心率变化的规律,应用偏相关分析方法确定 道路纵断面线形与驾驶员心理适应性的相关性,从而建立道路纵断面线形与其心 生理变化的关系和模型。通过分析该关系模型,提出适合驾驶员心生理需求的道 路线形指标。 在大量行车实验数据的基础上,分析得到:1 ) 在顺直路段上行驶时,驾驶 员的心率变化率与坡度、坡长和运行速度均有关系,其中速度对心率变化率的影 响最大。2 ) 坡度相同的条件下,速度越大,驾驶员心率变化率越大;速度相等 时,坡度越大,驾驶员心率变化率越大;3 ) 上坡时驾驶员的心率变化率与坡长 关系不大,主要受坡度和速度的影响;下坡时,坡长、坡度和速度对驾驶员心率 变化率都产生影响:4 ) 长陡下坡条件下,坡度越大、坡长越长、速度越快,驾 驶员的心率变化越剧烈。 基于行车实验数据,利用回归分析方法得到驾驶员心率变化率同坡度、坡长 和速度的关系模型。通过对比不同坡度长条件下心率变化率的模型预测值和实测 值,得到下坡的心率变化率模型的平均相对误差为8 5 3 ,上坡模型为7 0 1 。 最后,以驾驶员心率变化率4 0 为限,从驾驶员生心理对公路纵坡坡度要求出发, 建议:山区双车道公路坡度不大于7 。从下坡安全角度对不同坡度下极限坡长 的要求出发,建议:山区双车道公路坡度为3 ,4 ,5 ,6 和7 的坡度条 件下,相应的坡长极值分别为7 0 0 m ,5 5 0 m ,4 5 0 m ,4 0 0 m 和4 0 0 m 。 关键词:驾驶员心生理反应心率变化率极限纵坡极限坡长交通安全 双车道公路 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a f f ca c c i d e n ti st h ef o c u so ft h ew h o l ew o r l d c h i n ah a sb e c o m eo n eo ft h e k g h e s tt r a f f i ca c c i d e n t sc o u n t r i e s t r a f f i ca c c i d e n ti st h er e s u l to fd i s h a r m o n yo f h u m a n ,v e h i c l e , r o a da n de n v i r o n m e n t t h et r a d i t i o n a lt h e o r i e sw a sb a s e do n v e h i c l e d y n a m i c s ,i td i dn o tt a k ea c c o u n tt h ef a c t o ro f h u m a n t h i sp a p e r u s e dp s y c h o l o g i c a l a n dp h y s i o l o g i c a lt h e o r i e sa n dr e s e a r c hm e t h o d ,c a r r i e dal a r g em o u n to f t e s t st of i n d t h er e l a t i o n s h i pa n dr u l e sb e t w e e nh u m a n sp s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a ld e m a n d a n dr o a dg e o m e t r i cd e s i g n t h eh e a r tb e a tc a nb es e e na sar e f l e c t i o no f p s y c h o l o g i c a l a n dp h y s i o l o g i e a ld e m a n d t h i sr e s e a r c ho b j e c to f t h i sp a p e rw a sr u r a l3 恤e l a s sr o a d t h er e l a t i v i t yb e t w e e n r o a dv e r t i c a lg e o m e 饿ca l i g n m e n ta n dh e a r tb e a tc h a n g er a t eo fd r i v e r sw a sa s s u r e d b yp a r t i a lr e l a t i v ea n a l y s i s t h i sp a p e ru s e dt h em e t h o do fr e g r e s s i o nt oe s t a b l i s ha m o d e la b o u tr o a dv e r t i c a lg e o m e m ca l i g n m e n ta n dd r i v e r s h e a r tb e a tc h a n g er a t e b a s e do nt h el a r g ea m o u n to fo p e r a t i n gd a t a a n dt h eg e o m e t r i ca l i g n m e n tw h i c hc a n s a t i s f yt h ed r i v e r sp s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a ld e m a n d w a sd i s c u s s e do nt h e b a s eo f t h ee s t a b l i s h e dm o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i s ,t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a r lb em a d e :1 ) t h ec h a n g er a t e o fh e a r tb e a ti sr e l a t e dw i t hs l o p eg r a d e ,s l o p el e n g t ha n dv e h i c l ep e r f o r m a n c e v e l o c i t y , a n dt h ev e l o c i t yh a st h eb i g g e s ti n f l u e n c et ot h ec h a n g er a t e ;2 ) f o r t h es a m e s l o p eg r a d e ,t h ec h a n g er a t eo fh e a r tb e a ti n e r e a s e sw i t ht h ev e h i c l es p e e di n c r e a s e s ; f o rt h es a l n es p e e d ,t h ec h a n g er a t eo fh e a r tb e a ti n c r e a s e sw i t ht h es l o p eg r a d e i n e a s e s ;3 ) i nt h eu p g r a d e ,t h eh e a r tb e a tc h a n g er a t eh a sl i t t l er e l a t i o n s h i pw i t ht h e s l o p el e n g t h ,t h em a j o rf a c t o r sa r es l o p eg r a d ea n do p e r a t i n gs p e e d i nt h ed o w n g r a d e , t h es l o p eg r a d e ,l e n g t ha n do p e r a t i n gs p e e da l lh a v ei n f l u e n c et ot h eh e a r tb e a tc h a n g e r a t e ;4 ) f r o mt h ed a t aa n a l y s i si tc a nb es e e nt h a tt h ec o m b i n a t i o no f s t e e pd o w n g r a d e , l o n gd i s t a n c ea n dh i g hs p e e dw i l ll e a dt ot h eb i g g e s tc h a n g e r a t eo f d r i v e r sh e a r tb e a t t h i sp a p e re s t a b l i s h e dam o d e la b o u td r i v e r sh e a r tb e a tc h a n g er a t ea n ds l o p e g r a d ea n dl e n g t h t h i sp a p e rc o m p a r e dt h ef i e l dh e a r tb e a tc h a n g e r a t ed a t aa n dm o d e l f o r e c a s t i n gd a t a f o rt h eu p g r a d ed a t a t h er e l a t i v em e a nd i f f e r e n c ew a s7 0 1 ,f o rt h e i i 摘要 d o w n g r a d e ,t h er e l a t i v em e a nd i f f e r e n c ew a s8 5 3 i nt h ef i n a lt h i sp a p e rm a d ea s u g g e s t i o nt h a tt h el i m i t e ds l o p eg r a d es h o u l dn o tb i g g e rt h a n7 b a s e do nt h eh e a r t b e a tc h a n g er a t eo f4 0 f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fd r i v e r sf e e l i n g f o rt h eg r a d eo f3 , 4 ,5 ,6 a n d7 ,t h es u g g e s t e dl i m i t e dl e n g t ha l e7 0 0 r n ,5 5 0 m ,4 5 0 ,4 0 0 ma n d 4 0 0 mb a s e do nt h ea n a l y s i so f t r a f f i cs a f e t yo f d o w n g r a d er o a d k e y w o r d s :d r i v e r sp s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lr e f l e c t i o n ,c h a n g er a t eo fh e a r t b e a t ,l i m i t e ds l o p eg r a d e ,l i m i t e ds l o p el e n g t h , t r a f f i cs a f e t y ,r u r a lr o a d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名:圣星是日期:武! 劲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅:学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。 签名:坦导师签名:勘期:喳: 第1 章绪论 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 道路交通事故是一种世界性的公害。国际红十字1 9 9 9 年公布的数据表明, 全世界每年死于道路交通事故的人数达5 0 万余人,受伤者达到5 0 0 多万人,交 通事故已成为严重的世界性问题。据公安部统计,仅2 0 0 3 年,全国发生的可统 计的道路交通事故共6 6 7 万多起,造成10 4 万人死亡,直接经济损失超过3 3 7 亿元。就绝对数而言,我国已经成为世界上道路交通事故最多的国家之一,而且 事故死亡致死率比欧洲发达国家要高出1 0 倍以上,经济损失更加惊人。 我国的西部地区经济水平落后,地形环境复杂,公路交通条件差,交通事 故发生的可能性大,是我国公路交通事故发生的重灾区。据1 9 9 4 1 9 9 8 年5 年 间的交通事故统计资料:在各种道路交通事故次数与死亡人数中,以双车道公路 为主的一般公路所占比重分别达到6 5 5 和7 8 8 t ”。特别是近年来的特大交通 事故多发生在西部省区的山区道路上,由于这些地区道路线形指标低,近年又强 调路面平整而忽视路线改造,平、纵线形指标搭配不合理,产生了高车速与低指 标的矛盾,加之驾驶员疲劳驾驶或进行超载、超限运输,各种因素综合在一起, 导致山区公路上交通事故频发,已成为社会关心的热点和焦点问题【2 】。 这种严重的公路交通安全问题已对国民经济的发展产生了不良影响。因此 亟需根据我国的交通特点、地形特点和交通动态系统中人、车、路及环境的交通 特性,通过深入研究和确切落实人、车、路、环境协调设计的指标和方法体系, 为公路设计和改建提供参考依据例 前苏联道路安全专家巴布可夫在道路条件与交通安全一书中写道:“根 据统计,认为所有事故中完全应由驾驶员负责的,联邦德国有8 2 、巴西7 5 、 匈牙利7 4 、意大利4 1 、波兰9 6 ;统计中对道路条件原因则赋予较小的作 用,巴西为6 、联邦德国为8 、爱尔兰为1 7 、美国为1 8 、日本为8 t 4 ”。 道路交通总是围绕着人、车、路三方面进行的,这三方面只要有两个方面不协调 或发生冲突就有可能发生事故,其中尤以驾驶员与车辆或驾驶员与道路环境发生 冲突时,发生事故的可能性更大【5 1 。如美国的印地安大学在一项对交通事故长达 5 年的综合研究中,将事故的原因分为车辆、道路环境和人的三个方面,发现由 人( 驾驶员对险情的认知延误、判断错误、反应不当等) 引起的交通事故占全部 调查事故的5 7 1 加上由人、车辆和道路共同引起的交通事故,有9 2 6 与人 的因素有关:1 9 7 5 年美国安全委员会根据交通警察的报告,得出有8 5 的交通 事故是由驾驶员不适当的驾驶引起的;英国在一项长达4 年的对2 1 3 0 起交通事 北京工业大学工学硕士学位论文 故的研究表明,由驾驶员单独引起或驾驶员和行人共同引起的交通事故占9 5 ; 西德对1 9 6 2 1 9 7 3 年发生的6 4 0 万起交通事故作了分析,发现有7 7 是由驾驶 员造成的;我国1 9 8 9 年发生的交通事故死亡事故中,属于驾驶员责任造成的占 6 2 2 t 6 1 。 因此,本课题将从驾驶员角度研究道路线形对安全的影响,项目的研究成果 作为现行标准规范的补充,不仅可以完善国家标准、规范体系,而且可以正确指 导山区双车道公路的路线设计,提高运行安全,减少公路建设对生态环境直接或 间接的影响,作到公路建设与工程投资和环境保护的最佳平衡。 1 2 问题的提出 1 2 1 基本概念介绍 双车道公路:指双向两条行车道的一般公路( 即二、三、四级的一般公路) ,不 包括分离式单向两条行车道的高速公删。”。 运行车速:在特定长度路段上的车辆实际的行驶速度,在特定的路段上通常测定 第8 5 个百分点上的车速吼 中位车速:在该车速以下行驶的车辆数等于在该车速以上行使的车辆数时的车 速。也称5 0 位车速瞵j 。 8 5 位车速:即在观测到的车辆总数中,有8 5 的车辆的地点车速小于或者等于 该速度。8 5 位速度用于确定观测路段的最大限制车速弘】。 心率:是指人的心脏每分钟跳动的次数【9 】。 心率增长率:是指人在运动状态下的心率与静止状态下的心率之差值被静止状态 下的心率去除所得的百分数。它可准确的反映人的紧张程度一】。 驾驶适性:是指准备从事或已经从事汽车驾驶工作的人员的心理品质适合于驾驶 工作的程度。驾驶适性研究的实质是驾驶员的心理活动【l o 。 1 2 2 道路设计新理论的提出 任福田教授于9 0 年代初首次提出“道路线形设计新理论”。该新理论认为: 现行以“汽车行驶理论”为基础的道路设计理论仅仅是保障了汽车在运动学方面 的最小安全性,而未充分考虑用路者的心理、生理特性与要求。道路线形设计新 理论提出:以用路者的交通需求和生理心理反应特征作为道路线形设计的理论 基础,用动的观点设计路线的各个元素,力求协调【l “。 纵断面设计时,最重要的控制性指标是最大纵坡、最大坡长和最小坡长:其 第1 章绪论 次有凹凸竖曲线半径。最大纵坡和最大坡长的确定是根据汽车的动力特性、道路 等级、自然条件以及工程、运营经济的分析等因素综合考虑的。如纵坡过大及陡 坡过长,汽车沿陡坡上行时,车速降低,水箱出现开锅、气阻情况,严重时,发 动机熄火,从而影响驾驶的连续性;沿陡坡下行时,又因制动次数多,制动器热 衰退性,而易使制动失效引起车祸t 7 l 。此外下坡的最大坡度值确定也适当地考虑 了驾驶员操纵车辆便利性的因素。以上对最大纵坡、最大坡长的确定,在汽车方 面可谓考虑得周全备至。但是除了下陡坡时考虑到了驾驶员的因素外,其他方面 都没有考虑用路者的感受与反应。如果从用路者的安全感、期望性出发,标准规 范中的极限道路纵坡和坡长是否会与以汽车行驶理论得出的结果一致,这个问题 将成为本论文研究的关键所在。 1 2 3 道路交通中的人类工效学需求 人类工效学也称人机工程学、工程心理学、人因工程学等。人类工效学在国 外开始于3 0 年代,成长于3 0 - - - 6 0 年代,7 0 年代以来开始兴盛;在国内则是7 0 年代末8 0 年代初引进,9 0 年代开始繁荣起来。 人类工效学的基本定义为:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合, 使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特征,达到在生产中提高效率、 安全、健康和舒适的目的 1 2 】。综合来说,人类工效学就是按照人的特性设计和改 进人机一环境系统的科学。人机环境系统是指由若处于同一时间和空间的人与 其所操纵的机器以及他们所处的周围环境所构成的系统,也可简称为人机系统。 在上述系统中,人是处于主体地位的决策者,也是操纵者或使用者:机是指人所 操纵或使用的一切物的总称,它可以是机器,也可以是设施,工具或用具等:环 境是人、机所处的物质和社会环境。人、机、环境在其构成的综合系统中相互依 存,相互制约和相互作用,完成特定的工作过程【l “。 道路交通是由人、机、环境组成的一个复杂的动态的人机系统。在此,“机” 不光是指汽车,还包括道路。因为道路也是人设计建设出来的一种供人使用的设 施,在道路交通中,环境也不光是指驾驶员所处的驾驶室,还指道路沿线与行车 有关的除路和车辆以外的方方面面。与一般人一机系统相比,道路交通系统是一 个更复杂的“人机”系统。一般人机系统的“机”与环境都是相对固定和静止 的,而道路交通系统中的“机”和环境则是动态变化的。以往,对道路交通系统 中的人与汽车之间的“小”人机系统研究得较多,如驾驶室内的刹车、加速、换 档、座位、仪表等设施的位置和适用性怎样符合人的心理、生理、习惯要求等。 但对道路设旌怎样符合动态的驾驶员的心理、生理要求研究欠少,因而常常发生 交通安全问题。在本课题研究中,应当把人机工程学理论和原理应用于其中,体 北京工业大学工学硕士学位论文 现处处以人为主体的,人、机、路、环境系统的最佳协调,从而保证道路交通安 全及追求人在道路交通中的最大舒适性。 1 3 研究意义 双车道公路线形指标的研究具有重大的现实意义和深远的历史意义,其体现 为: 1 、对于新道路设计理念的一次探索性试验研究 道路上交通事故多发点的出现除少部分是由其他因素引起外,大部分都与设 计因素有关。所以交通事故多发点的现状分布反映了各条道路设计的不足。但道 路设计是严格按设计规范进行的,它的各种几何尺寸和指标选用及其搭配都不会 超出规范的范围。那么存在事故多发点的原因就是现行的设计理论还有待完善。 前面已提到,现行的公路路线设计规范是以汽车行驶理论为依据的,虽然某 些部分也考虑了人的因素,但那是附属的,零星的,许多是定性的,没有充分体 现以人的心理、生理需求为主体的原则。本课题研究希望在现有规范的基础上, 把人的心理、生理需求作为主要因素体现到公路设计理论中1 4 】,并力求使其定量 化,以便对现行公路路线设计规范上的一些参数和指标进行重新审定和改进。 2 、为检查事故黑点提供新的科学依据 统计数年的交通事故资料能找出一条道路的事故多发点。现有事故黑点的统 计必须等到这条路上交通事故数积累到一定的程度,代价很大。希望通过本课题 的研究,能够提出符合驾驶员心、生理特点的道路线形设计指标,为检验道路上 的事故黑点提供新的科学依据。 3 、体现以人为本的设计理念 道路建设的目的是为用路者提供安全、快捷和舒适的服务。本文正是从用路 者的角度出发,提出道路线形设计指标。使得在道路设计阶段,就将“以人为本” 的理念具体化,体现了人文关怀,有助于促进社会的协调发展。 1 4 研究思路 本文的研究思路如下图( 1 - 1 ) 所示: 1 ) 首先根据以往的研究经验,确定在纵坡路上行驶时,对驾驶员心率产生 影响的因素,即纵坡、坡长和运行速度: 2 ) 根据确定的影响因素,进行相关的实验设计,从而采集到所需要的数据: 3 ) 对数据进行偏相关分析,确定各种因素对驾驶员心率变化的影响程度, 4 第1 蕈绪论 采用回归的方法建立心率变化模型: 4 )因为心率变化模型中包括运行速度,因此需要对不同纵坡情况下的速度进 行预测,因此本文标定了公路通行能力研究中的纵坡速度预测模型, 并对模型精度进行了验证: 5 )将不同的坡度、坡长和在此情况下的预测速度带入心率变化模型,可以计 算得到驾驶员的心率变化情况; 6 )根据驾驶员的心率变化,确定坡度和坡长的极限值: 7 )最后以陕西山区一条双车道公路的事故数据佐证本文提出的极限坡度和坡 长值。 查阅国内外研究文献 l 根据文献回顾确定影响心率的因素,即坡度、坡长和运行速度 实验设计及数据采集 i j3 i 建立并验证心率模型,变量包括坡度、i1 标定并验证纵坡路段的速度 f 城长和运行速度r 1 预测模型 i l 将由速度预测模型计算的运行速度带入心率模型,计算驾驶员在不同坡度、坡 j 长和运行速度下的心率变化情况 l 确定纵坡坡度和坡长的极限值 图1 - 1 论文结构图 f i g u r e l - 1c h a r to f p a p e rf r a m e w o r k 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章国内外研究现状 2 。1 国外研究的历史和现状 利用人体各种生物电( 如脑电、心电、皮电、肌电等) 的测量来研究道路设 计和交通安全问题,所能查到的国外已有文献较少。这主要是因为早期对于道路 线形的讨论主要是从车的性能方面考虑的,因此可借鉴的成果不多。还有一点原 因是测量人的心率和生理反应的实验设备和手段还不完善。可能的原因如下:l 、 早期这些测生物电的仪器自身不够完备,如只能用于静态而不能用于动态,体积 笨重不易野外操作,测量的数据不稳定、不准确等。这些妨碍了采集驾驶员行车 时的动态生理数据,只能在实验室里摸拟测量。2 、上述这些仪器,发明制造的 目的主要是为医学、生理学和心理学等的研究和应用,若应用于驾车动态中的驾 驶员,需对原仪器根据具体情况和需要作一定的改装处理。这种改装处理不是由 交通部门的人能够完成的,必须依赖于研究制造这些仪器的单位,这给它们在交 通研究上的推广应用带来了一定障碍。3 、应用心理、生理学研究交通问题,需 要有较广泛、较深入的心理、生理学方面的知识,而这些知识与传统的交通研究 是不相干的,所以大部分从事交通研究者不会首先考虑用这方面的知识和理论研 究交通问题。正是由于上述原因,所以报道的应用心理、生理学理论研究交通的 文献不多。尽管这样,许多年来,特别是上世纪八十年代以来随着这些生理测试 仪器的不断发展和便于应用,断断续续地还是有一些学者做着这方面的研究。下 面介绍这些研究成果。 2 1 1 驾驶适性 1 驾驶适性研究的原则和内容 驾驶适性研究的实质是驾驶员的心理活动。驾驶员的生理、神经生化基础 是保证驾驶员驾驶适性的前提,当然,与驾驶员的心理活动存在着必然联系,因 而有必要采用生理学、心理学的原理和方法。 2 驾驶适性诊断方法 驾驶适性是针对驾驶员心理品质提出来的,从而主要是根据心理学及人体工 程学来进行诊断。不少国家都在注意研究驾驶适性的诊断问题,有些研究成果已 经用于实践,并取得了良好的效果”】。但目前世界上还没有一种能获得普遍公认 并且具有法律权威的诊断方法。 现有的驾驶适性诊断方法可分为实验心理学方式和人体工程学方式两种类 6 第2 章国内外研究现状 型: 1 ) 实验心理学方式,根据汽车安全行驶的需要,拟定出若干心理测试项目,对 被试驾驶员逐项测试,然后由有关专家综合分析各项测试结果,对驾驶适性做出 诊断。以日本汽车事故对策中心采用的j 1 r 式诊断方法为例,共有8 个测试项目: 速度估计测试,在被测者前面1 2 0 e r a 处有一直立面板,板上有一条横缝, 横缝左侧被一定宽度的挡板遮住。有一小灯泡沿横缝由右向左以一定的速度移 动。当灯泡移动至挡板右边缘时,即熄灭。令被测者想象小灯泡仍在挡板后面向 左移动,并估计小灯泡恰好从挡板左边缘处重新露出时按下开关。记录按下开关 的时刻与小灯泡应该露出的真实时刻之间的差值。 选择反应时间测试,在被测者前面1 5 0 e m 处的直立面板上,随机地呈现 红、绿、黄三种灯光信号,令被测者分别以左、右手和右脚进行反应( 按下相应 的电键) 记录反应时间及误反应次数。 动作协调性测试,在一个直径约3 0 c m 水平放置的圆盘平面上,无次序地 设置一些触点。圆盘是转动的,有两根触针放置在转动圆盘的平面上。令被测者 通过方向盘操纵触针左右移动,竭力避免触针与触点相碰。记录一定时间内,触 针与触点接触的次数。 视野检查,用视野计检查被试者的两眼视野。 动态视力,用动态视力计检测被测者的动态视力( 即当视标以某一速度相 对被测者运动时的视力) 。 静态视力、辩色力、立体视觉能力的检查。 问卷法性格测试,在发给被测者的问卷上有许多问题,令被试者对每一个 问题回答“是”或“不是”。 脑电图测试,用脑电图机测试被测者的脑电图。 由于人的个体差异较大,因此实验心理学方式诊断法必须由有经验的专家来 判断,否则发生误诊的可能性很大。 2 ) 人体工程学方式,根据人体工程学基本原理,对人体的判断、动作及行为特 性进行分析,归纳出数学模型,并据此定出检测项目,设计相应的检测设备,对 被测者进行测试。将测试结果代入特定的计算式内,求出驾驶适性指标,根据指 标数值的大小做出诊断结果 1 6 】。例如日本的d c i s 式驾驶适性诊断法,即属于人 体工程学方式。 2 1 2 动态心、生理研究状况 2 1 2 1 脑电仪在道路交通研究中的应用 在上世纪8 0 年代末9 0 年代初,t o r s v a l l ,a k e r s t e d t 及k e c k l u n d 等人把脑电 北京工业大学工掌硕士学位论文 图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ,简称e e g ) 应用于道路交通中驾驶员瞌睡与事故之 间关系的研究。k e c k l u n d 在文献【1 7 】中用e e g 研究了夜间长距离卡车驾驶中瞌睡 与生理心理反应之间的关系。他把1 8 名驾驶员分成两组,一组的连续驾驶时间 在夜里2 2 :0 0 至0 4 :0 7 ( 称a 组) ,另一组则为夜里2 4 :0 0 至0 7 :2 4 ( 称b 组) 。实 验开始时,分别观察两组驾驶员的驾驶操作状况和瞌睡状况,并用脑电仪测量他 们的脑电波数据。试验完毕后,对所测数据进行分析处理,得到如图2 - 1 、图2 2 所示的各种规律。 从图中可见,两组相比,b 组的瞌睡( s l e e p i n e s s ) 状况比a 组严重,驾驶 操作( p e r f o r m a i l c e ) 的质量则下降。在脑电波中,与困倦及浅度睡眠相关的0 ( t h e t a ) 波及与清醒闭眼相关的a ( a l p h a ) 波,b 组比a 组的变化激烈得多。特别是b 组 越到早上这种变化越大。而与深度睡眠相关的6 ( d e l t a ) 波及与大脑兴奋相关的b ( b e 啪波,b 组虽比a 组变化要大些,但与同组的a 波、0 波相比变化较平缓。 后来,c h u n g 用e e g 来研究不同的道路线形( 如同样长度的直线段和曲线 段) 对驾驶员行车疲劳的影响。c h a n g 则用e e g 来研究匝道进口处不同部位驾 驶员行车的紧张状况。 c h u n g 在同一条道路上分别选了两个试验路段。一段为l o k m 长的直线路段, 一段为l o k m 长的曲线路段。分别测驾驶员行进在这两个路段上脑电图的且波。 对数据分析整理后,得如下结果。见图2 3 、图2 4 。 图2 3 、图2 - 4 分别是驾驶员行车在l o k m 直线段和曲线段上在脑的左前部 和后部两个部位测得的路段起、终点处的b 波。可以看出,直线段上起、终点处 脑后部( o c c i p i t a l 管视觉刺激) b 波之差为2 2 2 ,而曲线段上的则为o 8 2 :直线 段上起、终点处b 波变化比曲线段上的大2 7 倍【18 1 。b 波反映了人的兴奋性程度, b 波的变化说明,长时间在直线段上行车与曲线段相比,人的兴奋性大大降低, 也即很快就产生疲劳感。 关于直线长度,c h u n g 做了如下试验。在图2 5 中,c h u n g 在1 0 k m 直线段 上从2 4 k m 开始,其后每隔0 6 k m 计算一次驾驶员b 波值,则发现驾驶员行驶至 4 2 k m 处b 波值突然大幅降低,说明行车至此处,人已开始产生疲倦。所以c h u n g 提出:保持驾驶员适当的觉醒水平的道路直线长度因该是4 2 k m 。 c h a n g 用脑电图来研究匝道进口处的行车兴奋状况。他把匝道进1 2 1 处的行车 状态分成3 部分,如图2 - 6 所示。测驾驶员行车在这3 个部分上的平均b 波值, 如图2 7 所示【1 9 】。 第2 章国内外研究现状 9 7 s 3 1 s l 坤i m t l p 蝈嚆o ,- t n c 2 4似 t i m e fd q 2 4 0 4 t i l lo fd 蚌 图2 - 1 两组驾驶员在夜间不同的驾驶时问里瞌睡和驾驶操作状况对比 f i g u r e2 - 1c o n t r a s to f t w og r o u pd r i v e r s s l e e p i n e s sa n dp e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n tt i m ed u r i n gn i g h t 2 0 2 4 0 4 0 82 02 40 4 0 8 2 40 4:0 82 0 t i m e o f d a y 2 40 40 8 t i m e 畦蛐? 图2 - 2 两组驾驶员在夜间不同的驾驶时间里各种脑电波状况对比 f i g u r e 2 - 2c o n t r a s to f t w og r o u pd r i v e r s b r a i ne l e c t r i cw a v eo f d i f f e r e n tt i m e d u r i n gn i g h t 9 北京工业大学工学硕士学位论文 4 3 2 1 o 一1 图2 _ 3 在l o k m 直线路段起、终点处两个不同脑部位的b 波值 f i g u r e 2 - 3bw a v eo f d i f f e r e n tp a r t so f b r a i na to r i g i na n d d e s t i n a t i o no f 1 0k m s t r a i g h tl i n e l d b e 图2 - 4 在l o k m 曲线路段起、终点处两个不同脑部位的b 波值 f i g u r e 2 4bw a v eo f d i f f e r e n tp a r t so f b r a i na to r i g i na n dd e s t i n a t i o no f 1 0 k m c u r v e 1 0 5 4 3 2 , o 叫 吨 03i巳uo焉n节星oz giuo写n蜀oz 3 2 5 2 1 5 1 0 5 o 图2 - 5b 波值沿长直线路段分布状况 f i g u r e 2 - 5d i s t r i b u t i o no fbw a v ea l o n gl o n gs t r a i g h tl i n e s 图2 - 6 匝道进口处的不同行车状态部位划分 f i g u r e2 - 6s e c t i o nd i v i s i o no f d i f f e r e n tp e r f o r m a n c ei nm e r g i n g a r e a 2 3 s e c t i o n 图2 7 匝道进口处的不同行车状态部位平均b 波值 f i g u r e 2 - 7a v e r a g ebw a v eo f d i f f e r e n c ep e r f o r m a n c ei nm e r g i n ga r e a 从图2 7 可见,匝道进口合流路段驾驶员的脑电b 波大大高于进入合流车道 的匝道部分和合流后的部分,分别是它们的2 0 3 倍和1 8 1 倍。可见驾驶员在匝 ou|fec石in 北京丁业大学工学硕士学位论文 道进口处正在作合流驾驶时,心理状态是比较紧张兴奋的。 2 1 2 2 心电仪在交通研究中的应用 尽管心电图( e l e e t r o a r d i o g r a m ,简称e c g ) 在医疗临床上的应用已有相当长 的历史【l 叫。但把它应用于研究正常人的心理紧张或心理负荷,则是二十世纪六十 年代以后的事。以1 9 6 3 年k a l s b e e k 和e t t e m c l 等人出版该方面的研究报告为标 志。其后,心电图用于正常人的心理紧张、精神负荷或工作负荷方面的研究增多。 在航空上,研究人员用心电图来研究航空中的飞行安全问题。如欧洲某一航空研 究机构,在二十世纪八十年代初,对1 2 名民航飞行员进行了长达一年的心电图 追综监测,获得了大量的飞行员在各种精神、身体和飞行状态下的心电信息数据, 为民航的飞行安全和飞行员的选拔研究做出了很多贡献。在道路交通上,研究人 员用心电图对比驾驶员在不同交通状况下的心理反应情况2 0 。如驾驶员在畅通的 高速公路上和在拥挤的城市快速路上行车时的心理反应情况。下面简略介绍心电 图在航空和道路交通中的应用情况。 上世纪9 0 年代初,j o r n a 研究了飞行员试飞新机型时飞机着陆的心电图。 j o m a 用心电仪测试试飞新机型的飞行员着陆过程的第一次试飞、试飞测验、 试飞完成三个阶段的心率变化状况1 2 ”。如图2 - 8 是飞机从放下起落架到安全着地 时三个阶段的心率和心搏问期的记录图。 重 董 吾 图2 - 8 飞机从放下起落架到安全着地时三个阶段的心率和心搏问期的记录图 f i g u r e 2 - 8r e c o r do f h e a r tr a t ea n dp u l s eo f t h r e es e g m e n t sw h i l ep l a n el a n d s 从图中可见,从总体看,试飞测验时人的心理最紧张,即心率曲线高高地在 第2 苹国内外研冤现状 另两条曲线之上,并且心率变化减少;试飞完成后再飞行时的心率最慢,即此情 况飞行员已不显太紧张:第一次试飞的心率介于两曲线之间。从某一条曲线来看, 虽然测验曲线因为自始至终心率太高,并没有显示出飞行员心率从起落架放下到 完全着陆时段逐渐加快的趋势。但后两条曲线这种趋势是明显的,而且在心率较 小的起落架放下阶段,心率很不平稳,心率变化性大;随着着陆的不断逼近,心 率不断加快而心率变化性则渐渐消夫。这种现象在第一次试飞的曲线上反映最明 显。j o m a 解释这种随心率加快心率变异性减少的现象为:在起落架放下阶段, 飞行员更多的心思是放在理解如何着陆的事上,所以心率表现出波动;而在具体 着陆时期,则注意力高度集中在如何准确着陆的事上,所以心率加快而心率变化 减少。从中我们得到这样的启示:心率变化较大时,驾驶员处于思考活跃的状态; 当心率较快,而心率变化不大时,是驾驶员思维和行为比较专注的时候。 r o s c o e 也是在上世纪9 0 年代初,用心电图研究不同机型在一段式和两段式 飞机着陆时飞行员的心理负荷状况 埘。如图2 - 9 是飞行员在同一机型中用一段式 与两段着陆的心率变化曲线; 埘e 三三三三;z 亨习 ,率= = 二= = 二二二剽 图2 - 9 飞行员用两段式着陆时心率的变化曲线 f i g u r e2 - 9v a r i e t yc u r v eo f h e a r tr a t ew h i l ep l a n el a n d sw i t ht w os e g m e n t s 从图2 - 9 中可见,一段式着陆心率较两段式为低。因为一段式着陆飞行员可 以从一定的高度始终以一个坡度角的方式着陆;两段式则是从一定的高度开始, 先用一个坡度角下降,降到一定的程度后,又改用另一坡度角继续降落直至着陆。 由此可见,两阶段方式由于增加了飞行员的操纵任务而使其心理变紧张心率加 快。但从图2 - 9 中可见,不管是一段式还是二段式降落,飞机在轮子着地时刻, 都对应着心率的最高点,即在整个飞机着陆过程中,飞机轮子着地的那一刻是飞 行员心理最紧张最兴奋的时刻。这与一般的常识也是相对应的。因为不管是从人 们乘飞机的体验,还是从飞行历史事故的记录资料中都能得出,飞机着陆是整个 飞行中最不安全的过程。 上世纪9 0 年代初,b r o o k h u i s 等人用心电图结合脑电图研究了分别在城市拥 北京工业大学工学硕士学位论文 u i ! ! 自! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! 曼 挤的快速环线和畅通无阻的高速公路上行车时驾驶员的心理压力】。从心电脑电 不同的电信号的反映规律来看,两者的结果是比较一致的。如图2 1 0 是分别在 环线和高速公路不同的路段上试验时测得的驾驶员心跳间期时间和脑电n 波与 波比值的对比情况。 口e e g_ e ( t , - i b i 图2 1 0 驾驶员在不同功能的道路上行车时心电脑电的变化状况 f i g u r e2 - 1 0v a r i e t yo f h e a r ta n db r a i ne l e c t r i c i t yi nd i f f e r e n th i g h w a y sd r i v i n g 从该图中可以看出,心电比脑电更有规律,即总体上,在环线上驾驶员心跳 间期时间一般都比在高速公路上小1 0 0 毫秒左右。这意味着在拥挤的快速环线上 驾车比在畅通的高速公路上驾驶心理更紧张。但脑电反映这种规律则较模糊些。 日本在二十世纪七十年代末八十年代初,开始陆续有学者用主要包含心率、 血压等生理指标在内的多道生理记录仪,研究驾驶员在驾车时的劳动负荷和心理 负荷与交通安全间的关系。李卿、前原直树等人利用多道生理记录仪研究驾驶员 行车时心率、血压变动情况:岩川治、古谷士郎等人用心率、血压等指标研究林 区道路线形指标与驾驶员行车时心理、生理反应的关系。 1 9 9 4 年m r r t e k 等人报告了用心电图来研究培u i i 驾驶员时,新驾驶员在学习 驾驶中心理变化和动作行为等与心率及心率变异之间的关系。最终得到操作动 作、驾驶熟练程度、车速快慢、心理紧张等状态与心电信号之间的关系。 2 2 国内研究的现状和进展 如何评价道路几何构造对驾驶员行车时施加的心理压力和生理负担的程度, 近年国内也进行了一些研究2 5 2 6 1 ,但更多仍然停留在心理、驾驶行为、统计 模型、线形组合等定性分析上。同济大学的潘晓东博士和北京工业大学的郑柯博 1 4 士在这方面做了大量的研究。 2 2 1 同济大学潘晓东的研究成果 同济大学的潘晓东博士在其完成的博士后课

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