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基于心率变异性的高密度立交出入口驾驶人精神负荷特性

牟俊龙 杨迪 矫成武 孔繁星 陈正欢 徐进

牟俊龙, 杨迪, 矫成武, 孔繁星, 陈正欢, 徐进. 基于心率变异性的高密度立交出入口驾驶人精神负荷特性[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 28-40. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.004
引用本文: 牟俊龙, 杨迪, 矫成武, 孔繁星, 陈正欢, 徐进. 基于心率变异性的高密度立交出入口驾驶人精神负荷特性[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(1): 28-40. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.004
MU Junlong, YANG Di, JIAO Chengwu, KONG Fanxing, CHEN Zhenghuan, XU Jin. Drivers' Mental Load Characteristics at the Entrance and Exit of High-density Interchanges Based on Heart Rate Variability[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 28-40. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.004
Citation: MU Junlong, YANG Di, JIAO Chengwu, KONG Fanxing, CHEN Zhenghuan, XU Jin. Drivers' Mental Load Characteristics at the Entrance and Exit of High-density Interchanges Based on Heart Rate Variability[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(1): 28-40. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.004

基于心率变异性的高密度立交出入口驾驶人精神负荷特性

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.01.004
基金项目: 

国家自然科学基金面上项目 52172340

重庆市高校创新研究群体项目 CXQT21022

详细信息
    作者简介:

    牟俊龙(1999—),硕士研究生. 研究方向:道路交通安全. E-mail: 540542347@qq.com

    通讯作者:

    徐进(1977—),博士,教授. 研究方向:人-车-路协同、交通环境影响及驾驶行为. E-mail:yhnl_996699@163.com

  • 中图分类号: U491.2

Drivers' Mental Load Characteristics at the Entrance and Exit of High-density Interchanges Based on Heart Rate Variability

  • 摘要: 互通式立交承担着不同方向交通流的流向转换功能,是道路交通网络的重要节点。目前高密度立交在城市道路网络中已愈发常见,高密度立交之间的间距比普通立交更小,车辆交织更为密集,驾驶人需要在更短的时间内进行分合流驾驶操作。为探究立交间距对驾驶人精神负荷的影响与高密度立交出入口区段的驾驶人精神负荷统计特性,在重庆市内环快速路上选择了1段包含4座连续立交的路段作为实验对象,其中3座立交为高密度立交。通过车载仪器采集47名驾驶人在实车实验过程中的心电数据,对在高密度立交出入口区段与普通间距立交出入口区段的驾驶人心率变异性时域和频域指标进行差异性分析,得到了驾驶人在高密度立交与普通间距立交出入口区段的精神负荷分布特征。研究结果表明:驾驶人在经过普通间距立交出入口区段和高密度立交出入口区段时的心率变异性时域指标不存在显著性差异,频域指标心率变异性的低、高频功率的比值(ratio of low-frequency to high-frequency,LF/HF)存在显著性差异,频域指标LF/HF可作为评价驾驶人精神负荷在立交出入口区段的主要指标;驾驶人在经过高密度立交入口区段时,频域指标LF/HF比经过普通间距立交入口区段时显著增加,立交间距不足会增加驾驶人在立交入口区段的精神负荷;驾驶人在经过普通间距立交出口区段时的心率变异性频域指标LF/HF比经过高密度立交出口区段时显著增加,即驾驶人通过普通间距立交出口区段的精神负荷更大;对于高密度立交群,驾驶人在入口区段的精神负荷水平要略高于出口区段。

     

  • 图  1  实验立交与行驶路线

    Figure  1.  Experimental interchange and driving route

    图  2  车载仪器和实验车辆

    Figure  2.  On board instruments and test vehicles

    图  3  数据截取范围示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of data intercept range

    图  4  驾驶人HRV指标均值

    Figure  4.  Average value of drivers' HRV indicators

    图  5  入口时域指标中位值与均值分布

    Figure  5.  Median and mean distribution of time domain index at the entrance

    图  6  入口LF/HF中位值与均值分布

    Figure  6.  Distribution of median and mean values of entrance LF/HF

    图  7  出口时域指标中位值与均值分布

    Figure  7.  Median and mean distribution of exit time domain indicators

    图  8  出口LF/HF中位值与均值分布

    Figure  8.  Median and mean distribution of LF/HF at the exit

    图  9  入口时域指标分布与累计频率曲线

    Figure  9.  Time domain index distribution and cumulative frequency curve at the entrance

    图  10  入口频域指标分布与累计频率曲线

    Figure  10.  Frequency domain index distribution and cumulative frequency curve at the entrance

    图  11  出口HRV指标分布与累计频率曲线

    Figure  11.  Distribution and cumulative frequency curve of HRV indicators at the exit

    图  12  高密度立交出入口时域指标分布曲线

    Figure  12.  Time domain index distribution curve of small spacing interchange entrance and exit

    表  1  实验立交基本情况

    Table  1.   Basic information of experimental interchange

    立交名称 立交类型 出入口简称 出入口类型 行驶工况 匝道车道数 主线车道数
    人和立交 普通立交 PR1 普通立交入口 主线行驶,途径入口 2 4
    PC1 普通立交出口 由主线驶入匝道 1 4
    GR1 高密度立交入口 由匝道汇入主线 2 4
    东环立交 高密度立交 GC1 高密度立交出口 由主线驶入匝道 2 4
    PR2 普通立交入口 由匝道汇入主线 3 4
    PC2 普通立交出口 由主线驶入匝道 2 4
    GR2 高密度立交入口 由匝道汇入主线 2 4
    五童立交 高密度立交 GR3 高密度立交入口 主线行驶,途径入口 2 4
    GC2 高密度立交出口 主线行驶,途径出口 1 4
    GC3 高密度立交出口 由主线驶入匝道 2 3
    五桂立交 高密度立交 GR4 高密度立交入口 由匝道汇入主线 2 4
    GC4 高密度立交出口 由主线驶入匝道 2 4
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    表  2  心率变异性指标

    Table  2.   Heart rate variability metrics

    名称 说明
    SDNN 所有RR间期标准差,值越小代表人体精神负荷越大
    RMSSD 相邻RR间期差值的均方根,值越小代表人体精神负荷越大
    LF/HF 低频功率/高频功率,值越大代表人体精神负荷越大
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    表  3  立交入口段心率变异性指标非参数检验

    Table  3.   Nonparametric test of heart rate variability index in the interchange entrance segment

    指标 对比工况 R2 DF 渐进显著性
    RMSSD 高密度立交入口(匝道) 普通立交入口(匝道) 0.211 09 1 0.645 9
    高密度立交入口(主线) 普通立交入口(主线) 0.003 62 1 0.952 0
    SDNN 高密度立交入口(匝道) 普通立交入口(匝道) 0.097 4 1 0.755 0
    高密度立交入口(主线) 普通立交入口(主线) 0.101 88 1 0.749 4
    LF/HF 高密度立交入口(匝道) 普通立交入口(匝道) 17.628 66 1 < 0.01
    高密度立交入口(主线) 普通立交入口(主线) 0.430 56 1 0.511 71
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    表  4  立交出口段心率变异性指标非参数检验

    Table  4.   Nonparametric test of heart rate variability index in the interchange exit segment

    指标 对比工况 卡方 DF 渐进显著性
    RMSSD 高密度立交出口(匝道) 普通立交出口(匝道) 0.809 19 1 0.368 36
    SDNN 高密度立交出口(匝道) 普通立交出口(匝道) 1.466 54 1 0.225 89
    LF/HF 高密度立交出口(匝道) 普通立交出口(匝道) 4.934 09 1 0.026 33
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    表  5  立交出入口驾驶人HRV指标特征分位值提取

    Table  5.   Extraction of driver HRV index characteristic quantile value at interchange entrance and exit

    指标 出入口 10th 15th 25th 50th 75th 85th 90th 95th 均值
    RMSSD/ms 入口 6.00 8.00 11.00 17.00 25.00 29.00 33.00 37.00 18.33
    出口 7.00 8.00 11.00 16.00 27.00 31.00 34.00 37.00 18.70
    SDNN/ms 入口 10.60 11.84 13.51 20.40 31.12 39.78 45.66 53.11 24.33
    出口 9.95 11.39 13.87 20.73 29.24 35.74 40.29 40.29 23.71
    LF/HF 入口 0.20 0.20 0.40 1.20 2.70 4.00 5.10 6.60 1.97
    出口 0.10 0.20 0.40 1.00 2.60 3.90 4.70 6.90 1.91
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  • 收稿日期:  2023-07-25
  • 网络出版日期:  2024-05-31

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