吉林大学学报(工学版) ›› 2024, Vol. 54 ›› Issue (10): 2807-2818.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20221522

• 交通运输工程·土木工程 • 上一篇    

基于心电数据的高速公路高密度互通立交驾驶负荷

徐进1,2(),陈正欢1,廖祺硕3,郑展骥1,张河山1   

  1. 1.重庆交通大学 交通运输学院 重庆 400074
    2.重庆交通大学 山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室 重庆 400074
    3.重庆城市交通开发投资(集团)有限公司,重庆 401121
  • 收稿日期:2022-11-28 出版日期:2024-10-01 发布日期:2024-11-22
  • 作者简介:徐进(1977-),男,教授,博士.研究方向:人-车-路系统协同、道路安全性设计以及驾驶行为.E-mail: yhnl_996699@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(52172340);重庆市高校创新研究群体项目(CXQT21022)

Mental workload of drivers at high-density interchanges of freeways based on ECG data

Jin XU1,2(),Zheng-huan CHEN1,Qi-shuo LIAO3,Zhan-ji ZHENG1,He-shan ZHANG1   

  1. 1.School of Traffic & Transportation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China
    2.Chongqing Key Laboratory of "Human-Vehicle-Road" Cooperation and Safety for Mountain Complex Environment,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China
    3.Chongqing City Transportation Development & Investment Group Co. ,Ltd. ,Chongqing 401121,China
  • Received:2022-11-28 Online:2024-10-01 Published:2024-11-22

摘要:

为了明确高密度互通立交行驶环境对驾驶负荷的影响,本文在G50沪渝高速公路重庆段一处高密度立交群开展了38名被试的小客车实车驾驶试验,使用PhysioLAB生理仪采集了驾驶人在自然行驶状态下的心电数据。基于心率和心率变异性指标,采用因子分析法构建了心理负荷量化模型,分析了不同立交净距条件下驾驶人的心理负荷差异及其影响因素。结果表明:立交净距的缩小会导致驾驶人心理负荷增加,驾驶人在小净距立交的平均心理负荷比常规净距立交增加了15.15%;不同驾驶风格、不同性别驾驶人之间的心理负荷均存在差异,立交净距的缩小对焦虑型驾驶人和女性驾驶人的影响更大;驾驶人心理负荷随着对行驶环境熟悉度的增加而减小;车辆交织会导致驾驶人心理负荷显著增加,驾驶人在小净距立交合流过程中的平均心理负荷比分流过程增加了13.89%。

关键词: 道路工程, 互通立交, 高速公路, 高密度立交, 小净距立交, 心理负荷

Abstract:

To clarify the effects of high-density interchange environments on the mental load of drivers, a field driving test with 38 drivers was conducted in high-density interchange scenarios of “Shanghai Chongqing Expressway” (No.G50) in Chongqing, China. And the ECG data were collected under natural driving conditions using PhysioLAB physiological instrument. Subsequently, a quantitative model of mental workload was developed using factor analysis based on heart rate and heart rate variability indexes to explain drivers' mental workload differences under different interchange spacing. The results show that: The reduction of interchange spacing increases drivers' mental workload, and the average mental workload in small spacing interchanges increases by 15.15% compared with normal-spacing interchanges. Between the different driving styles of drivers and other genders, there are differences in the mental workload. And the reduction in interchange spacing significantly impacts anxious drivers and female drivers. The mental workload decreases after the increased familiarity with the driving environment. Vehicle weaving can lead to a significant increase in the mental workload of the driver. The average mental workload of drivers during the merging of small spacing interchanges increasesby 13.89% compared to the diverging process.

Key words: road engineering, interchange, freeways, high-density interchanges, small spacing interchanges, mental workload

中图分类号: 

  • U491.2

图1

试验地点"

表1

试验立交相关信息"

试验对象立交净距/m立交类型行驶路线编号行驶工况
白杨沟—跑马坪420小净距立交BP1匝道→主线
BP2主线→匝道
跑马坪—白杨沟480小净距立交PB1主线行驶
PB2辅道行驶
跑马坪—黑石子540小净距立交PH主线→匝道
黑石子—跑马坪840小净距立交HP匝道→主线
白杨沟—东环3200常规净距立交BD主线行驶
东环—白杨沟2800常规净距立交DB主线行驶

图2

试验仪器和车辆"

图3

被试的基本情况"

图4

指标间的相关性"

表2

KMO和Bartlett球形检验"

KMO 取样足够检验0.639
巴特利特球形检验近似卡方1538.372
自由度6
显著性0.000

表3

变量共同度"

标准化变量初始提取
ZDRMSSD1.0000.869
ZDSDNN1.0000.896
ZHRm1.0000.928
ZHRmax1.0000.954

表4

总方差解释"

成分初始特征值提取载荷平方和旋转载荷平方和
特征值方差贡献率/%累积/%特征值方差贡献率/%累积/%特征值方差贡献率/%累积/%
12.74068.49068.4902.74068.49068.4901.85646.40846.408
20.90822.71191.2020.90822.71191.2021.79244.79391.202
30.2315.78196.982
40.1213.018100.000

图5

碎石图"

表5

因子分析成分矩阵"

标准化变量旋转前成分旋转后成分
1212
ZDRMSSD0.8480.3880.8790.310
ZDSDNN0.7810.5350.9340.157
ZHRm0.913-0.3070.4440.855
ZHRmax0.760-0.6140.1200.969

表6

因子得分系数矩阵"

标准化变量成分
12
ZDRMSSD0.519-0.092
ZDSDNN0.614-0.226
ZHRm0.0050.475
ZHRmax-0.2700.679

图6

心理负荷模型中各指标贡献率"

表7

方差分析结果"

场 景心理负荷值
均值方差
BP10.4060.040
PH0.4050.040
HP0.3630.037
PB10.3430.037
BP20.3630.041
PB20.3160.028
BD0.3450.034
DB0.3180.027
F2.400
Fcrit2.026
P0.020

图7

不同立交净距下的心理负荷"

图8

不同评价方法的心理负荷"

图9

心理负荷热力图"

表8

方差分析结果"

驾驶风格小净距立交常规净距立交
均值方差均值方差
焦虑型0.370.040.310.03
愤怒型0.430.040.370.03
冒险型0.360.040.310.03
F3.0651.813
Fcrit3.0273.059
P0.0480.167

图10

不同风格驾驶人的心理负荷"

图11

不同性别驾驶人的心理负荷"

图12

不同驾驶圈数的心理负荷"

图13

不同行驶工况的心理负荷"

图14

不同场景的换道形式定义"

表9

不同场景的换道形式描述"

场景(工况)换道形式模式特征换道涉及 车道数面临的主要冲突来源
匝道→主线(BP1)从匝道进入辅道后驶入车道3,直行通过交织区2

①来自主线3条车道的分流车辆变道驶入辅道;

②车道3的车辆加速直行;

③与前车保持合理间距的行为。

从匝道进入辅道后驶入车道2,直行通过交织区3

①来自主线3条车道的分流车辆变道驶入辅道;

②车道2、3的车辆加速直行;

③与前车保持合理间距的行为。

从匝道进入辅道后驶入车道1,直行通过交织区4

①来自主线3条车道的分流车辆变道驶入辅道;

②车道1、2、3的车辆加速直行;

③与前车保持合理间距的行为。

主线→匝道(BP2)

从主线车道3驶出进入辅道,

完成分流操作

2

①来自匝道的汇入车辆换道驶入主线;

②与前车保持合理间距的行为。

从主线车道2驶出进入辅道,

完成分流操作

3

①来自匝道的汇入车辆换道驶入主线;

②与前车保持合理间距的行为;

③车道3的车辆加速直行。

从主线车道1驶出进入辅道,

完成分流操作

4

①来自匝道的汇入车辆换道驶入主线;

②与前车保持合理间距的行为;

③车道2、3的车辆加速直行。

图15

不同换道形式的心理负荷"

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