草原公路施工作业区驾驶人心理负荷

Psychological Load of Drivers in Construction Work Zones on Prairie Highways

摘要

公路施工作业区域车道数的减少及交通安全设施的设置，会对驾驶人正常的视觉感知、认知及驾驶操作产生短时干扰，导致其心理负荷增加，对行车安全造成威胁。为了探究草原公路施工作业区驾驶人的心理负荷特征，选取40名新老驾驶人开展典型草原公路施工作业区行车场景驾驶模拟试验，同步采集眼动及心电等表征驾驶人心理负荷水平的典型生理指标，对比分析驾驶人行经施工作业区不同阶段心理负荷的变化规律及差异性。研究结果表明，施工作业区阶段和驾驶经验均是驾驶人行经草原公路施工作业区时心理负荷的显著影响因素。施工作业区各阶段驾驶人的眨眼时长与R_MSSD值均显著小于正常行车路段，且在施工作业区的调整阶段达到最小值，而心率增长率则呈现相反的变化趋势；驾驶新手在施工作业区同一阶段的眨眼时长与R_MSSD值均显著小于经验驾驶人，心率增长率则大于经验驾驶人；从施工作业区调整阶段过渡到适应阶段时，驾驶新手各指标的波动小于经验驾驶人；安德鲁斯降维可视化调和曲线反映的规律与之完全一致。

Abstract

The reduction of lanes and the installation of traffic safety facilities in the highway construction work zones creat short-term disruptions to the normal visual perception， cognition， and driving operations of drivers. This leads to an increase in their mental workload and poses a threat to driving safety. To explore the mental workload characteristics of drivers in prairie highway construction work zones， 40 novice and experienced drivers were selected to conduct driving simulation experiments in typical prairie highway construction work zones. Typical physiological indicators such as eye movement and electrocardiogram were synchronously collected to characterize the level of mental workload of drivers. The changes and differences at different stages of construction work zones were compared and analyzed. The results indicated that the stage of construction work zones and driving experience were significant factors affecting the psychological load of drivers in prairie highway construction work zones. The blink duration and R_MSSD value of drivers in each stage of the construction work area were significantly lower than those in the normal driving section， and they reached the minimum value during the adjustment stage of the construction work zone， while the heart rate growth rate showed the opposite trend. The blink duration and R_MSSD value of novice drivers in the same stage of construction work area were significantly lower than those of experienced drivers， while the heart rate growth rate was higher than that of experienced drivers. When transitioning from the adjustment stage of the construction work zone to the adaptation stage， the fluctuations of various indicators for novice drivers were smaller than those for experienced drivers. The patterns reflected by Andrews' dimensionality reduction visualization harmonic curve aligned completely with these findings.

Graphical abstract

关键词

心理负荷 / 施工作业区 / 草原公路 / 心率增长率 / R_MSSD

Key words

Mental workload / Construction work zones / Prairie highway / Heart rate growth rate / R_MSSD

道路施工作业区是由于道路施工、养护等作业影响交通运行而进行交通管控的路段，分为警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区、终止区^［1-2］。道路临时施工养护过程中，由于需要占用行车道及设置大量交通安全设施，对驾驶人短时感知、认知、判断决策及车速控制、车道变换等驾驶行为提出很高要求，易导致其心理负荷瞬时增加，驾驶操作稳定性降低，给道路行车带来安全威胁^［3］。国内外施工路段交通事故统计数据表明，道路施工路段交通事故率均较高^［4-5］。因此，研究道路施工路段驾驶人的视觉感知特征及心理负荷的变化规律，对于深入分析施工路段交通事故形成机理及作业区域交通标志的优化设置，进而提高施工路段的安全水平及通行效率具有重要的理论意义与实践价值。

国内外学者针对道路施工作业区的相关研究主要集中在驾驶人的视觉特性、驾驶行为特征、行车风险分析、交通标志的视认性及安全防护措施的设置等方面。Costa等^［6］的研究结果表明，当驾驶人在行车过程中发现标志牌时，其视认距离与持续时间存在线性关系。周进^［7］分析了驾驶人经过高速公路施工作业区的道路交通信息的获取过程，并基于驾驶人的眼动指标评价验证了作业区交通安全设施设置的合理性。史博等^［8］通过分析高速公路施工作业区道路条件及标志信息量等因素对驾驶人视觉特性的影响，构建了道路交通标志信息视认优化模型。周帅^［3］通过分析车辆通过养护作业路段的驾驶人的注视及视觉转移特征，构建了基于驾驶人视觉特性指标的高速公路养护作业路段行车安全性评价体系。Shakouri等^［9-10］通过开展施工作业区驾驶模拟试验，对比分析了生理指标与主观评价指标在衡量驾驶人精神负荷方面的有效性。美国《交通控制设施手册》（MUTCD）基于设置位置、文字大小等交通标志对驾驶人视认性的影响，给出了道路在进行养护维修等工作时，交通控制设施的设计、设置及使用原则和标准^［11］。Idewu等^［12］分析了不同的施工区域通行设置方法对驾驶人操作行为的影响。王剑^［13］等发现，当驾驶人行经高速公路改扩建施工作业区时，由于干扰其驾驶的因素增加，大脑皮层控制正确驾驶的区域兴奋度降低，导致驾驶人反应及调节能力减弱，增加了交通事故发生的概率。李耘等^［14］研究了高速公路施工区车辆跟驰追尾冲突风险阈值，提出基于驾驶人特性的高速公路施工区跟驰追尾冲突风险阈值的确定方法。吴彪等^［15］通过集成DEMATEL-ISM方法，将驾驶员判断能力、超速行驶、限速、交通量和安全设施的设置等确定为影响高速公路作业区交通安全的直接因素。

综上，国内外学者针对道路施工作业区的研究主要集中在作业区交通标志的视认性及驾驶操作行为风险等方面，且多数研究集中在高速公路施工作业区，选用的指标多以视觉及车辆运行指标为主。目前，针对其他典型行车环境，基于驾驶人生理多指标的道路施工作业区心理负荷的研究很少。鉴于此，本文在典型草原公路实地调研的基础上，搭建草原公路施工作业区场景，开展驾驶模拟试验，选取表征驾驶人心理负荷的典型眼动与心电等生理指标，对比分析新老驾驶人在施工作业区心理负荷的变化规律及差异性，为草原公路施工作业区交通安全的研究及作业区交通安全设施的优化设计提供理论及实践参考依据。

1 材料与方法

开展道路施工作业区实车试验存在一定的安全风险，且在驾驶过程中易受到行车环境中天气条件、交通状态、道路条件等随机因素的干扰，而驾驶模拟器在安全性、可控性和经济性等方面具有明显的优势，国内外大量模拟驾驶试验结果均已被证明有效^［16-18］，且课题组前期草原公路的实驾和模拟驾驶对比试验结果表明，二者在反映驾驶员心理、生理指标的变化规律方面呈现很好的一致性^［19］。因此，本研究采用驾驶模拟平台开展试验。具体试验方案设计如下：

1.1 试验人员

为了获取有效试验数据，本文首先根据预期方差、目标置信度和误差幅度确定试验所需样本量，样本量计算公式如下：

N=Z^{\mathrm{2}}{\sigma }^{\mathrm{2}}/E^{\mathrm{2}}（1）

式中：N为样本量；Z为标准正态分布统计量；\sigma为标准偏差；E为最大允许误差。显著性水平取10%，则Z=1.25，取\sigma=0.30，取E=10%，根据公式（1）计算得最小样本量N=14。同时考虑驾驶经验因素，因此招募经验驾驶人（experienced drivers， ED）及驾驶新手（novice drivers， ND）各20名，共计40名驾驶人作为被试。其中，驾驶经验综合考虑驾龄和驾驶里程进行划分^［20］。各组被试中男性驾驶人13人，女性驾驶人7人，男女比例基本符合我国男女驾驶人比例，驾驶人均为中青年驾驶人，被试基本信息见表1。要求所有被试在试验前保证充足睡眠，试验前24 h内不得饮酒或服用刺激性药物，确保精神状态和身体情况良好，满足试验条件。

1.2 试验设备

试验仪器包括驾驶模拟车辆、视景仿真系统、眼动及心电设备。其中，驾驶模拟车辆为比亚迪F3实车，视觉仿真系统包括视景生成计算机及控制软件（SCANer DT）、投影系统、显示屏等，该系统可实现三维可视道路场景的真实再现，屏幕尺寸为12.9 m×3.0 m，分辨率为3 072×768像素，主观视角视窗为180°，驾驶模拟车辆及视景仿真系统见图1-a。试验使用的眼动设备为I view X HED型眼动仪，配套BeGaze 2.4分析软件，眼动仪及眼动数据采集界面见图1-b与图1-c。使用的心电设备为MP150多通道生理仪，配套Acknowledge分析软件，MP150多通道生理仪及心电数据采集界面见图1-d与图1-e。试验结束后，采用BeGaze2.4数据分析软件对眼动数据进行提取和分析，数据分析界面见图1-f，采用Kubios HRV心率变异性分析软件对心率变异性时域指标进行分析。

1.3 试验方案

经实地调研，典型的草原一级公路直线段占比达80%，景观单调，车流量较少，小型车占比近80%。因此，本模拟试验路段为一条长10 km的草原一级公路直线路段，双向六车道，车道宽度为3.75 m，路段限速100 km/h，道路交通标志、标线等管理设施及安全设施均按实际道路进行设置。车流为自由流状态，车型均为小汽车。在第4 km处布置施工作业区，作业工况设定为紧邻中央分隔带的内侧车道作业，外侧两条车道正常通行，封闭车道与通行车道之间用锥形路标进行隔离，并按《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）将施工作业区分为警告区、上游过渡区、纵向缓冲区、工作区、下游过渡区及终止区，并在施工作业区各区段设置相应的安全设施，试验路段施工区域各区段及各类安全设施布置示意图见图2。

驾驶模拟试验分两个阶段进行：第一阶段为预试验，首先，告知被试驾驶任务及相关要求，并为其佩戴眼动仪及多通道生理仪；其次，引导被试按程序启动车辆，进行约10 min的驾驶模拟器适应性训练以适应驾驶模拟环境。第二阶段为正式试验，要求被试按照日常驾驶习惯进行驾驶，行车速度控制在最高限速范围内，试验全过程持续时间约30 min。

1.4 数据提取与筛选

行经施工作业区的不同区段时，因交通安全设施的设置及道路行车环境出现变化，驾驶人的视觉感知与心理特征也随之产生改变^［13］。本文结合驾驶人行经施工作业区的眼动及生理指标的变化规律，并参照王剑等^［13］对施工作业区驾驶过程的分段方法，将驾驶员驾驶过程划分为调整、稳定和恢复3个阶段。其中，车辆行驶至警告区及上游过渡区称为调整阶段（adjustment stage，AS），车辆行驶至纵向缓冲区及工作区称为稳定阶段（stable stage，SS），车辆行驶至下游过渡区及终止区段称为恢复阶段（recovery stage，RS），各个阶段与施工作业控制区各区段之间的对应关系见图3。试验结束后，按照各阶段提取眼动及心电数据，并依据拉依达准则法剔除异常数据。同时，截取施工区域前正常行车路段驾驶人的眼动与心电数据作为空白对照阶段（blank control， BC），以便全面反映驾驶人行经施工作业区的眼动与心电指标的变化规律。

2 结果与分析

2.1 眼动指标

2.1.1 平均眨眼时长（B）

眨眼时长指驾驶人在驾驶过程中眼睛由完全睁开到闭合再到完全睁开的全过程所用的时间，常用于反映驾驶人的认知负荷特征，眨眼时长越短，说明驾驶人认知负荷越大^［21-22］。Stern等^［23］认为一次眨眼时长最长为500 ms，Benedetto等^［21］选择70 ms作为最短眨眼时长，Mcintire等^［24］选择80 ms作为最短眨眼时长。结合本文驾驶模拟试验眼动仪采集频率，同时考虑到眨眼时长小于80 ms及大于350 ms出现的频数极少，因而选取80\sim350 ms作为阈值范围对眨眼时长数据进行统计分析，求取驾驶人行经施工作业区不同阶段时的平均眨眼时长。

经Shapiro-Wilk检验，驾驶人的平均眨眼时长数据满足正态性（P>0.05），经Levene检验，总体方差并非显著不同［F（7，152）=0.85，P=0.55］，同时由于驾驶人行经施工作业区各阶段时存在重复测量的情况，且考虑到驾驶经验及施工作业区各阶段行车环境对眨眼时长的影响，采用双因素重复测量方差分析方法（two-way repeated-measures ANOVA）对作业区各阶段的眨眼时长进行差异性分析。双因素重复测量方差分析结果见表2。从表2可以看出，驾驶经验与作业区阶段两个主效应均显著，说明驾驶新手与经验驾驶人在作业区眨眼时长差异显著，且施工作业区各阶段眨眼时长差异显著；而两者的交互作用并不显著，说明驾驶经验与作业区阶段的影响模式无协同差异。施工作业区不同阶段及空白对照组眨眼时长的组间差异显著性见表3，眨眼时长对比图见图4。

结合表2与图4可以看出，驾驶人在正常行车路段与施工作业区各阶段的眨眼时长差异显著，新老驾驶人在施工作业区的调整阶段（AS）的眨眼时长最短，适应阶段（SS）次之，在正常行车路段眨眼时长最长。由此说明，道路行车环境情况的突变使驾驶人短时信息感知、判断决策等需求瞬时增加，驾驶人必须通过缩短眨眼时长以应对行车环境瞬时变化带来的感知与认知需求，导致其心理负荷出现较大的波动。

通过表3与图4中经验驾驶人与驾驶新手眨眼时长数据发现，二者在行经施工作业区各阶段时的眨眼时长差异显著，在行经施工作业区同一阶段时驾驶新手的眨眼时长均较经验驾驶人短，这说明由于缺乏经验，驾驶新手在驶经施工作业区段时面临相对较大的认知负荷，而经验驾驶人由于驾驶经验丰富且技术娴熟，在行经施工作业区时对行车环境中信息的获取、认知等能力更强。同时，从调整阶段（AS）过渡到适应阶段（SS）时，经验驾驶人的眨眼时长有较大幅度的提升，增长率为5.4%，而驾驶新手的眨眼时长增长率只有2.1%，说明驾驶新手面对复杂道路行车环境时的心理负荷较大，且持续时间更长。

2.1.2 作业区不同阶段眨眼时长分布特征

为了深入分析驾驶人行经施工作业区不同阶段眨眼时长的分布特征，以10 ms为间隔，统计作业区不同阶段新老驾驶人眨眼时长出现的频数，并以眨眼时长各统计间隔为横坐标，以各间隔内眨眼时长出现的频数为纵坐标绘制点线图（图5），并采用高斯非线性函数对施工作业区不同阶段的眨眼时长频数分布进行拟合。从图5可以看出，施工作业区不同阶段新老驾驶人眨眼时长的频数分布，均可用高斯非线性曲线很好地拟合（见图5中红色拟合曲线），且R² 均在0.90以上。

从图5可以看出，经验驾驶人与驾驶新手行经施工作业区不同阶段时，眨眼时长频数分布曲线呈现相似的规律。行经调整阶段（AS）时，眨眼时长频数分布曲线偏向于时长较小的一侧，经验驾驶人频数极大值出现在130 ms左右，驾驶新手频数极大值出现在120 ms左右；其次是稳定阶段（SS），频数极大值分别出现在151 ms与140 ms左右。相较于调整阶段与稳定阶段，新老驾驶人在恢复阶段（RS）时的眨眼时长频数明显偏向于时长较长一侧，极大值分别出现在159 ms与170 ms左右。而无论在作业区的哪个阶段，相较于非施工作业区的空白对照段（BC），新老驾驶人的眨眼时长均倾向于时长偏小一侧，这充分说明驾驶人行经施工作业区时，认知负荷会出现显著提升，尤其是刚进入施工作业区的调整阶段，由于道路行车条件的改变及道路施工设施的设置，驾驶人眨眼时长较短的频数显著增加。

经验驾驶人眨眼时长频数极值所在的眨眼时长特征线（图5中黑色线条）与驾驶新手频数分布曲线图（图5中蓝色虚实线）进行对比发现，在空白对照段及施工作业区各个阶段，新老驾驶人眨眼时长频数分布曲线均呈现显著差异。驾驶新手频数极值均出现在经验驾驶人的频数极值左侧10 ms左右，说明驾驶新手在施工作业区的行驶过程中趋向于更短的眨眼时长，以应对道路行车环境条件改变带来的挑战。

2.2 心电指标

2.2.1 心率增长率H_GRHR

为直观反映施工作业区道路行车环境变化对驾驶人生理心理的影响，选用心率增长率分析驾驶人行经施工作业区不同阶段的心理负荷变化。心率增长率H_GRHR的计算公式如下：

H_{\mathrm{G}\mathrm{R}\mathrm{H}\mathrm{R}}=(H_{\mathrm{J}\mathrm{S}}-H_{\mathrm{J}\mathrm{C}})/H_{\mathrm{J}\mathrm{C}}（2）

式中：H_{\mathrm{J}\mathrm{S}}为驾驶过程中的实时心率值，次/min；H_{\mathrm{J}\mathrm{C}}为静测时的平均心率值，次/min。

新老驾驶人在正常行车段及施工作业区各阶段的心率增长率统计分析。首先，经Shapiro-Wilk检验，驾驶人的心率增长率数据均满足正态性（P>0.05），经Levene检验，总体方差并非显著不同［F（7，152）=0.56，P=0.79］。采用双因素重复测量方差分析对作业区各阶段的心率增长率进行差异性分析，分析结果见表4。从表4可以看出，驾驶经验与作业区阶段两个主效应均显著，说明驾驶新手与经验驾驶人在作业区心率增长率差异显著，且施工作业区各阶段心率增长率差异显著；而两者的交互作用并不显著，说明驾驶经验与作业区阶段的影响模式无协同差异。施工作业区不同阶段及空白对照组心率增长率的组间差异显著性见表5，心率增长率对比图见图6。

结合表4与图6可以看出，新老驾驶人在正常行车路段与施工作业区各阶段的心率增长率存在显著差异，且在施工作业区调整阶段（AS）的心率增长率最大，稳定阶段（SS）次之，在恢复阶段（RS）心率增长率较小，但相较于正常行车路段其心率增长率差异仍显著（P<0.01）。在施工作业区的调整阶段，前方道路施工相关安全设施的设置及行车路线调整，使得驾驶人面临短时信息感知、判断决策及操作需求，驾驶人的心理负荷瞬时增加，直接表现为心率的瞬时增加^［25］。随着驾驶人对行车环境改变的适应及行车路线的调整，行驶至纵向缓冲区及作业区组成的稳定阶段时，心率增长率有所降低，到恢复阶段时心率增长率放缓到略高于空白对照段，这充分说明行车过程中道路前方施工作业区的突然出现，会使驾驶人的心理负荷显著增加。

结合表5与图6可以看出，新老驾驶人在行经施工作业区各阶段时的心率增长率差异显著。无论行驶至施工作业区的哪个阶段，驾驶新手的心率增长率均显著高于经验驾驶人，说明与经验驾驶人相比，驾驶新手因为缺乏驾驶经验且驾驶技术不娴熟，在遇到道路行车环境及条件的瞬时变化时，对道路交通信息的获取和处理能力均低于经验驾驶人，面临较大的心理负荷。同时，从表5和图6中可以看出，经验驾驶人由调整阶段进入到适应阶段时，心率增长率有显著的降低，降幅为11.26%，而驾驶新手的心率增长率降幅较小，仅为6.73%，说明驾驶新手应对行车环境变化的能力明显低于经验驾驶人，尽管已进入稳定阶段，其心理负荷仍较高。

2.2.2 心率变异性时域指标（R_MSSD）

（R_MSSD）指相邻正常心动周期差值均方根，是评估心率变异性的重要时域指标，其正常值在（27±12） ms。（R_MSSD）值越低，表明心理负荷越高^［26-27］。心率变异性时域指标（R_MSSD）计算公式如下：

R_{\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{D}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{N-\mathrm{1}}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{N-\mathrm{1}}}(t_{\mathrm{R}\mathrm{R},i+\mathrm{1}}-t_{\mathrm{R}\mathrm{R},i}{)}^{\mathrm{2}}}（3）

式中：N为正常心动周期的总个数；t_{\mathrm{R}\mathrm{R},i}和t_{\mathrm{R}\mathrm{R},i+\mathrm{1}}为相邻两个窦性心动周期的长度，ms。

驾驶人在正常行车段及施工作业区不同阶段的R_MSSD统计分析。首先经正态性检验，驾驶人的R_MSSD满足正态性（P>0.05）；经Levene检验，总体方差并非显著不同［F（7，152）=1.66，P=0.12］。采用双因素重复测量方差分析方法（two-way repeated-measures ANOVA）对R_MSSD数据进行分析，分析结果见表6，可见驾驶经验与作业区阶段两个主效应均显著，说明驾驶新手与经验驾驶人在作业区R_MSSD差异显著，且施工作业区各阶段R_MSSD差异显著；而两者的交互作用并不显著，说明驾驶经验与作业区阶段的影响模式无协同差异。施工作业区各阶段与空白对照段R_MSSD的组间差异显著性见表7，R_MSSD对比图见图7。

结合表6与图7可以看出，驾驶人在正常行车路段与施工作业区各阶段的R_MSSD差异显著，在施工作业区的调整阶段（AS）的R_MSSD值最小，适应阶段（SS）次之，在正常行车路段R_MSSD值最大。这说明道路行车环境突变越大，驾驶人面临的短时信息感知、判断决策及操作需求越大，导致心理负荷出现较大的波动。可见，施工作业区各阶段R_MSSD的变化规律与心率增长率H_GRHR的变化规律有很好的一致性，这充分证明了道路行车环境的突变会导致驾驶人的心理负荷明显增加，但经过调整适应阶段后其影响明显降低。

进一步结合表7与图7可以看出，经验驾驶人和驾驶新手在行经施工作业区各阶段时的R_MSSD有显著差异，驾驶新手在施工作业区同一阶段的R_MSSD值均小于经验驾驶人，说明驾驶新手在驶经施工作业区段时面临较大的心理压力，心理负荷均较大，这与心率增长率反映的规律一致。同时，从调整阶段过渡到适应阶段时，经验驾驶人的R_MSSD有较大幅度的提升，增长率为10.39%，而驾驶新手的R_MSSD增长率为9.97%，说明经验驾驶人面对复杂道路行车环境时的调整能力更强^［25］。

2.3 基于安德鲁斯调和曲线的精神负荷可视化对比

为了直观展示新老驾驶人行经施工作业区不同阶段精神负荷的变化规律及其差异性，采用安德鲁斯曲线（Andrews curve）对眨眼时长、心率增长率及R_MSSD这3项指标构成的数据集进行降维可视化处理。安德鲁斯调和曲线原理如下^［28］：

将多元数据用一个向量形式表示，如p维向量\mathit{y}=(y_{\mathrm{1}},y_{\mathrm{2}},\cdots ,y_p)\mathrm{\text{'}}可表示为具有p个观测指标，且每个指标有n个样本观测值的p×n多元数据集。每个样本的p个指标在p维空间中构成一个点，这个点可用二维空间中的一条曲线表示，Andrews调和曲线的表达式如下：

f_{\mathit{y}}(t)=\frac{{\mathit{y}}_{\mathrm{1}}}{\sqrt[]{\mathrm{2}}}+{\mathit{y}}_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(t)+{\mathit{y}}_{\mathrm{3}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(t)+{\mathit{y}}_{\mathrm{4}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}t)+{\mathit{y}}_{\mathrm{5}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{2}t)+\cdots（4）

采用Matlab绘制新老驾驶人在3项指标共同作用下的安德鲁斯调和曲线，见图8与图9。为了简洁明了反映空白对照段及施工作业区不同阶段的差异性，此处仅选取空白对照段及各阶段的均值曲线（图中实线）及25%、75%分位数曲线（两侧点划线）进行展示。

对比图8与图9可以看出，对于经验驾驶人而言，不同阶段的调和曲线之间均差异显著，正常行车段与施工作业区各阶段各成一类。而对于驾驶新手而言，不同阶段的调和曲线大致可以分为三类。其中，调整阶段与适应阶段的f_{y_{}}(t)函数变化规律基本一致，归为一类；恢复阶段则与之有一定的差异性，归为第二类；正常行车段的f_{y_{}}(t)差异性最大，归为第三类。与上述各指标的定量化心理负荷对比分析结果完全一致。

3 讨论

道路施工作业区因车道变窄、标志复杂、车流运行轨迹突变等因素，驾驶人心理负荷增加，易引发分心、误判等危险行为，因此量化研究驾驶人在公路施工作业区的心理负荷变化规律，可以为施工区交通工程设施布局提供科学依据，以降低作业区交通事故概率。

典型草原公路地形地貌变化小，路域景观单调，线形单一，以长直线居多，道路上交通量较小。驾驶人长时间在单调道路交通环境条件下驾车时，心理负荷小，需要接受和理解的信息量少，容易引起注意衰减，产生心理惰性。而一旦遇到道路前方施工，行车环境的突变使驾驶人感知、认知反应、决策处理的需求瞬间增加，精神紧张，心理负荷显著增加^［22-30］。从表征驾驶人心理负荷的3个典型指标来看，相较于草原公路正常行车路段（空白对照段，BC），驾驶人在施工作业区的各指标均出现了较大突变。为了量化、体现作业区行车环境突变带来的心理负荷“突变”特征，选择眨眼时长突变率\alpha、心率增长率突变率\beta、心率变异性时域指标R_MSSD突变率\gamma等指标，对新老驾驶人在正常行车段及行经施工作业区的心理负荷突变规律进行对比分析。各指标的定义如下：

{\alpha }_i=\frac{B_i-B_{\mathrm{1}}}{B_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%},i=\mathrm{2,3},\mathrm{4}（5）

{\beta }_i=\frac{H_{\mathrm{H}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{R},i}-H_{\mathrm{H}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{R},\mathrm{1}}}{H_{\mathrm{H}\mathrm{R}\mathrm{G}\mathrm{R},\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%},i=\mathrm{2,3},\mathrm{4}（6）

{\gamma }_i=\frac{R_{\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{D},i}-R_{\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{D},\mathrm{1}}}{R_{\mathrm{M}\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{D},\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%},i=\mathrm{2,3},\mathrm{4}（7）

式中，下标1代表正常行车路段各指标值，下标2、3、4分别代表调整阶段、适应阶段及恢复阶段各指标值。相较于正常行车路段，施工作业区3个不同阶段各指标的突变率见图10。

从图10可以看出，与正常行车段相比，施工作业区各阶段3个指标均有较大的突变率，尤其是从正常行车段进入作业区的调整阶段，道路交通环境由单一到复杂的突变给驾驶人带来的心理负荷的“突变”最大，经过调整适应后，驾驶人在适应阶段和恢复阶段的心理负荷有所降低。樊杰玉^［31］针对城市道路开展的驾驶试验结果表明，驾驶人在进入复杂形势路段时，眨眼时长减小，与本文结论一致，但其眨眼时长的降幅为17.8%，比本文降幅较小，这说明相较于城市道路，草原公路行车环境的突变带来的心理负荷变化更显著。戚胜辉等^［32］发现，在高速公路涉路工程作业区路段内，驾驶人心率增长率均值比一般路段提高了16.34%，且驾驶人在经过警告区、上游过渡区和工作区的标准差比缓冲区、下游过渡区和终止区大，心率增长率波动更明显，与本文结论基本一致。

从计算结果看出，表征驾驶人在施工作业区心理负荷的眨眼时长、心率增长率及心率变异性时域指标（R_MSSD）这3项指标具有很好的一致性。进一步采用相关性分析对3项指标的一致性进行验证，3项指标的Pearson相关系数见图11。可以看出，各变量之间的相关系数均在0.7左右，说明各变量之间具有良好的相关性。

本次试验通过驾驶模拟平台开展，尽管国内外大量对比试验验证了模拟驾驶的有效性及结果的一致性，但也有部分研究成果表明驾驶模拟器与自然驾驶试验结果存在一定差异，尤其在复杂道路行车环境中^［33］。针对草原公路施工作业区段行车环境，驾驶模拟器无法完全复现实车风险（如施工区噪声、震动），可能因唤醒水平不足导致驾驶人风险补偿行为减少，心理负荷偏小。另外，本试验仅覆盖小型车驾驶人，且驾驶人均为中青年群体。对此，下一步将补充草原公路施工作业区实驾验证试验，并挖掘驾驶人类别、年龄及施工作业区位置等因素对驾驶人行经施工作业区时心理负荷的影响，使结论更具有普适性与推广应用价值。

4 结论

采用表征驾驶人心理负荷的眨眼时长、心率增长率、R_MSSD等典型生理指标，对比分析行经草原公路施工作业区不同阶段时新老驾驶人心理负荷的变化规律及差异性，并应用安德鲁斯调和曲线对多指标综合作用下不同阶段心理负荷差异性进行可视化分析，得出结论如下：

①驾驶人在正常行车路段与施工作业区各阶段的眨眼时长、心率增长率及R_MSSD均存在显著差异。不论是经验驾驶人还是驾驶新手，在施工作业区调整阶段（AS）的眨眼时长与R_MSSD值最小，稳定阶段（SS）次之，在恢复阶段（RS）较大，但相较于正常行车路段差异仍显著（P<0.01）。而心率增长率则相反，驾驶人在施工作业区调整阶段（AS）的心率增长率最大，在恢复阶段（RS）较小，但相较于正常行车路段差异同样显著。

②新老驾驶人在正常行车路段与施工作业区各阶段的心理负荷差异显著。经验驾驶人在同一阶段的眨眼时长均较驾驶新手长，心率增长率均低于驾驶新手，R_MSSD值则均大于驾驶新手。从调整阶段过渡到适应阶段时，驾驶新手的各项指标均有较大幅度的变化，而经验驾驶人的各项指标的波动较小。

③驾驶人行经施工作业区不同阶段的眨眼持续时长频数分布，均可用高斯分布进行拟合，且调整阶段眨眼时长频数分布曲线偏向于时长较小的一侧。

④安德鲁斯降维可视化调和曲线f_{y_{}}(t)，可以很好地展示施工作业区不同阶段3项指标综合作用的心理负荷差异性，所呈现规律与定量分析结果完全一致，说明安德鲁斯调和曲线在多指标降维分类展示驾驶行为规律方面具有很好的适用性。

⑤鉴于草原公路施工作业区驾驶人心理负荷的“突变”特征，为了保障驾驶人行车安全，建议加强草原公路施工作业区段的精细化布局管理，调整施工作业区前置段及作业区道路交通标志密度和位置，减少信息量由不足到过载的“突变”。同时，驾驶新手在施工作业区段的心理负荷突变更大，可以通过开发针对施工区的行车环境场景，加强对驾驶新手的培训与干预，增强其应急能力。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2023LHMS05051)

内蒙古农业大学高层次及优秀博士人才引进科研启动项目(NDYB2023-33)

内蒙古自治区高等学校青年科技人才发展项目(NMGIRT2304)