驾驶人弯道行车生理特性分析

方志海

摘要：为探究驾驶员弯道行驶时生理特征的变化，本章从脑电图、心电图、肌电图、眼球运动、视觉识别行为4个方面总结了轨迹驾驶对驾驶员生理特征的影响，并对国内外弯道行驶驾驶员生理特征的研究现状进行了分类。结果表明，与笔直路段相比，驾驶员在弯道上行驶时生理特征会发生明显变化，包括心率加快、脑电波增大、颈部信号变化、眼球运动变化等。

关键词:弯道行车;驾驶人生理特性;心率变化;视认行为

引言

在引起道路交通事故的多种因素中，道路几何线形不良是其中最为显著的原因之一。特别是弯道路段，由于其复杂的线形条件和车辆行驶环境的多样性，成为道路交通安全的重点难题。  

目前交通领域对驾驶人生理特性的研究，主要通过采集心率、脑电、肌电、眼动及视认行为生理数据来分析驾驶人在试验路段的生理特性变化。本文也将从这四个方面对弯道路段驾驶人生理反应特性进行梳理总结，以期为弯道事故致因分析提供参考。

1驾驶人弯道行车心率特性

心率是指正常人每分钟心跳的次数，当驾驶人感受到外界刺激时，心率会发生变化，考虑到驾驶人的个体异质性，心率的变化可有效反映驾驶人的心理变化情况。   

弯道行车对驾驶人心率影响的研究一直在推进。夏可等在研究了高原公路下道路弯道与驾驶人心率变化的关系后发现，弯道行车会使驾驶人心率加快，并且弯道半径与心率变化直接相关。弯道半径越小，心率增长率上升越快，尤其当半径小于50 m时，心率增长率超过40%，表明驾驶人处于极度紧张状态。徐进等则以心率变异性为指标，发现当驾驶人进入和驶出弯道时，心率连续差异均方根，均有所上升，驾驶负荷显著增加。

过往研究针对小型车较多，但大型车由于重心较高，载重较大，其发生弯道事故的概率一般要高于小型车。乔建刚等对双向四车道公路下，大货车弯道行驶速度与驾驶人心率增长率的关系进行了研究，结果表明，心率增长率同样随弯道半径减小而增大，并且如果考虑道路纵面线形，道路纵坡越大，心率增长率受弯道半径变化影响就越大，该现象货车较其他车辆更为明显。   

虽然使用心率变化率或心率变异性表征驾驶人的精神状态有着易于操作、实时性高、适用范围广等优势，但它们所能提供的信息较为局限，并且心率变化率或心率变异性并不总是能够区分不同类型的认知任务或情感状态，因为心率的变化可能受到多种因素的影响。相比之下，脑电等神经生理信号在不同认知任务和情感状态下可能具有更高的特异性。

2驾驶人弯道行车脑电特性

脑电(Electroencephɑlogrɑm, EEG)记录了在头皮表面和大脑皮层中大脑神经细胞的电生理活动所产生的电位变化，作为最敏感的生理指标之一，常被用来检测驾驶人在驾驶过程中的精神状态。根据电波频率和振幅变化规律的不同。其中，β波常在人体疲劳时出现，因此多被用于监测驾驶人疲劳状况;β波则与驾驶人晕动症关系密切，赵蕾蕾等就通过分析受试者的脑电β波证明了自动驾驶会更容易让驾驶人出现晕动症;ɑ波多在驾驶人放松时出现，β波多在驾驶人警醒时出现。驾驶人在弯道路段行驶时需要全神贯注，因此，通过研究脑电β波的变化，可以间接推断出弯道对驾驶人产生的影响。   

李岩岩等对驾驶人脑电特性与高原公路线形关系进行了研究，发现驾驶人刀频段脑电信号变化值随弯道半径的减小逐渐增大，当弯道半径小于200 m时β波增长得尤为明显。张程程等研究了草原弯道路段是否加装诱导标志与脑电信号间的关系后发现，若不在弯道处加诱导标志，单一的弯道路段刺激并不能显著引起驾驶人的精神紧张和警觉，而加诱导标志的曲线路段能引起驾驶人β波的显著变化，驾驶人的警觉程度显著增加。因此，在弯道路段加装诱导标志，可以引导驾驶人根据外界的刺激在大脑做出相应的判断，来调整自己的驾驶行为。GUO等以基于脑电信号的驾驶人反应时间为评价指标，开发了一套驾驶人警惕水平检测系统，实验结果表明，在弯道上行驶时对引导车辆刹车灯的反应时间明显长于在直道上行驶时，这说明弯道增加了驾驶人对车道保持需求的持续关注，使得分配给察觉其他刺激的资源减少，不利于驾驶人发现潜在危险。

3驾驶人弯道行车肌电特性

肌电是记录众多肌纤维中运动单元动作电位(Motor Unit ɑction Potentiɑ, MUɑP)在时间和空间上的叠加过程。在车辆运行过程中，驾驶人往往需要保持头部的稳定，这一动作需要颈部肌肉的配合来完成，因此，研究人员在用EMG信号评测驾驶人弯道行车特性时，通常选择颈部肌肉的EMG信号进行分析。   

胡宏宇等对专业驾驶人和新手驾驶人入弯时的肌电信号进行了对比，发现随着入弯车速的增加，弯道行驶时车辆侧向加速度也相应增大，专业驾驶人颈部肌肉的肌电信号特征也随之增加，证明颈部肌肉对于车辆弯道行驶有着显著的响应。王宏鹏等对驾驶人颈部肌电特性与高速公路线形关系进行了更为细致的研究，通过对肌电信号的频域分析发现，驾驶人为保持头部稳定，颈部平均功率频率(Meɑn Power Frequency, MPF)随着弯道半径的减小而逐渐减小，当弯道半径小于100 m时，驾驶人颈部MPF小于110 Hz。当弯道半径大于400 m时，驾驶人颈部MPF逐渐趋于平缓。但李显生等在研究交通冲突对驾驶人生理特性的影响时却发现转弯冲突对驾驶人的肌电信号影响最弱(15.60 Hz)，这可能是由于在城市道路，驾驶人易于提前发现弯道的存在，尽早地采取减速行为，使得进入弯道时的车速较低，遭遇交通冲突时不需要大幅度动作即可避免事故的发生，转弯冲突对驾驶肌电信号的影响也随之减弱。   

尽管肌电信号能够反映驾驶人的精神紧张程度，然而人体是一个高度协调的整体，肌电信号往往只能呈现整体活动的一部分电信号，这在一定程度上限制了其表征精准度和全面性。与之相比，分析驾驶人在弯道驾驶时的眼动特性及视认行为是一种更为综合的方式。

4眼动特性及视认行为

驾驶人用于决策和判断的信息来源中90%以上为视觉信息，心率、脑电、肌电等生理信号所受到的刺激也大多要先经过视觉系统的接收，因此，探究弯道对驾驶人眼动特性及视认行为的影响至关重要。   

驾驶人眼动特性指驾驶人在驾驶过程中的眼球运动模式和行为。人的眼球会在观察环境时产生各种类型的运动，如注视、扫视、眨眼等。研究驾驶人的眼动特性可以揭示他们的视觉注意分配方式、信息获取策略以及对道路上不同元素的关注程度。吴付威等系统地研究了驾驶人弯道行车时的眼动行为，发现在一般弯道行驶时，水平视角均值与弯道半径成二次函数关系。JEONG等则对驾驶人在弯道执行次任务时的扫视行为进行了研究，发现弯道半径越小，驾驶人向下扫视的概率越高，并且在急弯时，驾驶人更有可能长时间地扫视少数感兴趣的区域，无法检测到潜在的视觉危险。在实车环境下，吕贞等发现，相比于直线路段，驾驶人弯道行驶时的眨眼持续时间短、眨眼频率较慢，说明驾驶人处于紧张状态。

5总结

驾驶人在弯道行驶时，为保持专注，眨眼频率会降低，注视范围较窄并且更长时间地扫视感兴趣区域，对潜在风险的识别能力下降。设计不合理的弯道不仅影响驾驶人视距，还会造成驾驶人视觉误差，严重影响驾驶人弯道行车安全。利用驾驶人的眼动及视认行为来分析其在弯道驾驶时的生理特性，有着高时域分辨率、精细的认知信息、实验可操作性强等优点，通过优化驾驶人在弯道中的视觉认知来减少弯道事故，也逐渐成为车辆弯道运行风险防控领域的研究热点。

参考文献

[1]夏可，艾力斯木叶拉.驾驶员心率变化与高原公路平曲线关系的试验研究[J].中国安全科学学报，2014,24(11):36-41.

[2]徐进，刘小明，胡静.基于自然驾驶数据的螺旋匝道(桥)驾驶人心理负荷分析[J].交通运输系统工程与信息，2020,20(3):212-218.

[3]朱晓军.浅谈弯道路段车辆安全行驶的速度要求[J].汽车实用技术，2019,44(7):214-215,224.

[4]乔建刚，李维东，郭蕊，等.双向四车道公路大货车弯道运行速度及驾驶员注视与心率特性研究[J].安全与环境学报，2021,21(2):700-706.