青岛胶州湾海底隧道位于黄岛区与青岛主城区之间，双向6车道，隧道全程最高限速80 km/h．线路全长7. 8 km，其中，跨海域段长度为4. 1 km，最深段在海平面以下82. 8 m，纵坡坡度为-4. 00%～4. 00%．

根据纵坡坡度的不同，胶州湾海底隧道被分成10段，各个坡段之间的变坡区长度为20~40 m^[10]．胶州湾海底隧道各段纵坡的坡度分布及变坡区编号如图1．其中，黄岛至青岛方向的变坡区编号为A₁—A₉；青岛至黄岛方向的变坡区编号为B₁—B₉．

图1 胶州湾海地隧道纵坡坡度分布及变坡区编号Fig. 1 The longitudinal slope distribution and the serial number of the longitudinal slope change area of Jiaozhou Bay Undersea Tunnel

由图1可知，胶州湾海底隧道任一单向有9个变坡区．其中，在黄岛区至青岛主城区方向，变坡区A₁—A₄位于下坡区域，变坡区A₆—A₉位于上坡区域；在青岛主城区至黄岛区方向，变坡区B₁—B₄位于上坡区域，变坡区B₆—B₉位于下坡区域；变坡区A₅和B₅位于上坡与下坡区域的过渡区，故未列入研究范围．

本研究实验车辆为雪佛兰牌小轿车，车辆状况良好；使用车载电子坡度记录仪进行坡度测量，精度为0. 01°；使用Emotiv脑电仪测量脑电数据，其测量范围为0. 2～45. 0 Hz，采样频率为258次/s，脑电仪采用国际10-20系统电极放置法，共有14+2个通道（含2个参考点位），各通道位置如图2．其中，通道AF3、F3、F7、AF4、F4及F8位于额叶区；通道P3、P7、P4及P8位于顶叶区；通道FC5、T7、FC6及T8位于颞叶区；通道O1和O2位于枕叶区（AF代表前额、F代表额叶、P代表顶叶、FC代表额中央、T代表颞叶及O代表枕叶）^[11]．

图2 电极名称及位置Fig. 2 Electrodes and their locations

本研究实车实验时间为2020-07-01至2020-08-30．为避免车流对驾驶人产生干扰，实验选择在平峰时段09∶00—11∶00与14∶00—16∶00．实验驾驶人被要求按照70 km/h的速度匀速通过海底隧道全程．参与本次实车实验的驾驶人共26位，其驾龄均>2 a，且身体状况良好．在实车实验前3 d，所有驾驶人均确保合理饮食与良好睡眠，且无饮酒和服药行为．为使驾驶人更好地适应实验车辆，在实验前每位驾驶人均有1～2次在实验场地外道路上的试驾机会．

每次实车实验均需要3位实验辅助人员，其中，副驾驶座位上的辅助人员负责对实验车右侧路况进行录像；后排左侧辅助人员负责对实验车左侧路况进行录像，并负责测量脑电数据；后排右侧辅助人员负责对实验车前方路况及实验车速度表盘进行录像．在进行实验数据分析之前，需根据3位实验辅助人员记录的录像视频及海底隧道内的交通卡口视频，并结合驾驶人的脑电图变化规律，剔除受到车流干扰的脑电数据；还需根据后排右侧辅助人员记录的实验车车速及海底隧道内交通卡口检测的实验车车速，结合驾驶人的脑电图变化规律，剔除车速异常时的脑电数据．

人体脑电波是一种有序的神经电活动，脑电频率一般为1～30次/s，根据频率由低到高可将脑电波分为δ波、θ波、α波及β波．脑电频率在一定程度上能够反映神经元的兴奋程度，脑电频率越高，大脑状态越活跃；脑电频率越低，表明神经元兴奋被抑制．脑电功率谱密度（简称功率谱）是反映大脑兴奋或抑制程度的指标．当大脑处于兴奋状态时，低频率信号逐渐减少，高频率信号逐渐增多；当大脑处于抑制状态时，高频率信号逐渐减少，低频率信号逐渐增多^[12]．

变坡区B₃位于下坡段的中间位置，是典型的纵坡变化区域．本研究以B₃变坡区为研究对象，取变坡区前后相同长度的路段为对照组，对比分析驾驶人经过变坡区附近区域时的脑电功率谱变化．图3为实验驾驶人经过变坡区及变坡区前后的脑电功率谱对照图．可见，驾驶人在变坡区的脑电δ波和θ波功率谱明显小于变坡区前后，脑电α波和β波功率谱明显大于变坡区前后，表明驾驶人大脑在变坡区更兴奋，驾驶人在经过变坡区附近区域时，受纵坡坡度变化影响，大脑的活跃水平呈现先增强后降低的过程．

对脑电信号的功率谱做进一步处理，即可求出脑电信号的功率．将脑电信号视为随机信号，脑电信号功率P_i为^{[1 3]}

其中，i为不同的脑电波，i=δ波、θ波、α波及β波；S_i (t)为不同脑电波的功率谱；x(k)为4种脑电波离散点的幅值；n为任一数据集中的数据个数．

在研究驾驶人的生理状态时，常通过脑电功率来表征驾驶人的大脑活跃程度，其中，β波对大脑活动变化最为敏感，β波功率越大，驾驶人大脑越兴奋；β波功率越小，驾驶人大脑越抑制．

取变坡区B₃及其前后2倍长度的路段为研究区域，以5m为间隔，分别求出全体实验驾驶人在该区域的β波功率均值（图4）．可见，驾驶人在经过变坡区B₃时，脑电信号β波功率发生了剧烈变化．在B₃之前，β波的平均功率为3.30×10^-8 V²；在B₃内，β波平均功率快速增加至3.68×10^-8 V²，之后逐渐回落；在B₃之后，β波减小速度持续放缓并逐渐恢复到原始水平．

图3 变坡区与变坡区前后的功率谱对比Fig. 3 Comparison of power spectrum before the variable slope area, in the variable slope area, and after the variable slope area

图4 驾驶人经过变坡区B3及其附近区域时的β波功率变化过程Fig. 4 The β wave power change process when the driver passing through the gradient zone B3

脑地形图是将脑电信号各个波段的功率值用不同颜色表示成人脑形状的平面图，脑地形图能够清晰反映大脑不同区域的活跃程度．将驾驶人脑电信号功率进行处理，得到脑地形图如图5．红色代表高频脑电波活跃，红色越深，代表大脑活跃水平越高，驾驶人越兴奋；蓝色代表低频脑电波活跃，蓝色越深，代表大脑活跃水平越低，驾驶人越平静．由图4可见，驾驶人位于变坡区B₃及其后5 m时，脑电活跃水平高，大脑处于兴奋状态．相比较于变坡区前后，在变坡区中，驾驶人各个脑区的脑电活跃水平均有不同程度的提高，其中，以额叶区最为明显．无论在变坡区之中，还是变坡区前后，额叶区的脑电活动水平均处于较活跃状态．在变坡区附近区域行驶时，驾驶人大脑的各个脑区均参与到驾驶活动中，其中，与该驾驶活动关联性最强的脑区为额叶区，此外，对于纵坡坡度变化最敏感的区域也是额叶区．

图5 驾驶人经过变坡区B3及其附近区域时的脑地形图Fig. 5 The topographic map of the driver's brain when passing through the gradient zone B3

由以上结果可见，对驾驶人大脑而言，变坡区是一个明显的外界刺激，驾驶人经过变坡区时，大脑脑电活跃水平明显上升，并在离开纵坡变化区域后逐渐回落至初始水平．结合图4可知，驾驶人进入变坡区B₃时，β波功率增加了0.38×10^-8 V²．同理可得驾驶人经过其他变坡区时的脑电β波功率变化，如图6．

由图6可见，从驾驶人脑电β波功率变化量的均值来看，对驾驶人心理负荷影响程度由大到小的变坡区依次为：A₃、B₆、A₂、B₉、B₈、A₁、A₄、B₇（下坡）；B₃、A₆、B₂、A₉、A₈、B₁、B₄、A（7 上坡）．该顺序与纵坡坡度变化量的大小顺序相同，上坡与下坡的趋势相同．驾驶人脑电β波功率变化量与纵坡变化量密切相关，纵坡变化量越大，脑电β波功率变化量越大．按照上下坡的不同，将变坡区分为两组，并对两组变坡区的β波功率变化量做显著性检验，单因素方差分析结果表明，两组数据间的P值为0. 007，故两组数据之间具有显著性差异，即可认为在上坡或下坡过程中相同的纵坡坡度变化，对驾驶人的影响程度不同．

图6 驾驶人经过变坡区时的脑电β波功率变化情况Fig. 6 Power changes of β waves in the brain waves

海底隧道内驾驶人脑电β波功率变化的离散程度可反映驾驶人生理和心理的变化，以及驾驶人对驾驶环境的适应性．不同纵坡变化量对应的β波功率变化离散程度存在明显差异，通过引入离均系数进一步分析不同纵坡变化对驾驶人脑电β波功率的影响规律．离均系数^[14]为驾驶人在经过不同坡度变化量时的脑电β波功率及其均值绝对偏差的平均值，计算为

其中，S_m为驾驶人脑电β波功率变化的离均系数（m∈A₁—A₄、B₆—B₉；B₁—B₄、A₆—A₉）；n为坡度变化量为m时，驾驶人脑电β波功率值的个数；X_mi为坡度变化量为m时，第i个脑电β波的功率值；-X_m为坡度变化量为m时，驾驶人脑电β波的功率均值．计算坡度变化量为A₁—A₄、 B₆—B₉； B₁—B₄、A₆—A₉情况下，驾驶人脑电功率β波的离均系数，结果如图7．

由图7可见，海底隧道纵坡变化量与驾驶人脑电功率β波离均系数的变化趋势相同．当纵坡变化量小于1. 5%时，海底隧道下坡时驾驶人脑电功率β波的离均系数与上坡离均系数近乎重叠，上下坡的离均系数均无明显波动，驾驶人的驾驶感轻松，行车安全性良好．当纵坡变化量小于1. 5%时，驾驶人脑电功率β波的离均系数随纵坡坡度变化量的增加而快速增加，驾驶人的紧张感增强，行车安全性降低；下坡离均系数明显大于上坡离均系数，下坡过程中的行车安全性更差．

图7 纵坡变化量及脑电功率β波离均系数变化Fig. 7 Change of longitudinal slope and EEG power β wave mean coefficients