基于多指標測試的駕駛疲勞高發(fā)時段

李君羨，潘曉東

（1.上海濟安交通工程咨詢有限公司，上海 200092；2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

疲勞駕駛是造成交通死亡的重要原因之一［1］.根據(jù)英國汽車協(xié)會的數(shù)據(jù)［2］，英國車禍致死的人中，10%死于疲勞駕駛所引發(fā)的事故；紐約高速公路上，30%的致命性車禍是由于駕駛?cè)烁械狡诿壬饫^而引發(fā)的；法國國家警察總署發(fā)布的事故報告稱疲勞瞌睡引發(fā)車禍占人身傷害事故的14.9%，死亡事故的20.6%；中華醫(yī)學(xué)會針對516個樣本駕駛?cè)巳后w的警覺度測試和問卷調(diào)查顯示，僅在測試當(dāng)天就有24%的駕駛?cè)烁惺苓^駕駛疲勞，10%的駕駛?cè)松踔链蜻^瞌睡，而50%的受調(diào)者表示曾在以往的駕車過程中打過瞌睡.

可見，駕駛疲勞作為特大交通事故的罪魁禍首，嚴重地危及到了人們的生命財產(chǎn)安全.減少疲勞駕駛對降低重大交通事故發(fā)生率的意義重大探求駕駛疲勞出現(xiàn)的時間規(guī)律，展開針對實時監(jiān)控駕駛?cè)似跔顟B(tài)的研究刻不容緩.

1 常用指標

1.1 腦電指標

腦電始終被視為研究疲勞的最具說服力的指標，關(guān)于腦電指標的研究相對成熟，腦電指標與人精神狀態(tài)的關(guān)系也相對明確［3］.

1.2 心率指標

駕駛疲勞屬中樞性質(zhì)的肌體反饋，在由清醒轉(zhuǎn)為疲勞的過程中，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)也都會發(fā)生顯著的改變.許多研究指出［4－5］，心電信號中值和變異率是測定自主神經(jīng)與心血管活動之間聯(lián)系的最好方法.

在心電信號的各個指標中，心率（Heart Rate，簡稱為HR）直接由自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，同時受到交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的支配，二者的拮抗作用導(dǎo)致了心率的變化，有部分研究認為HR在疲勞當(dāng)中有顯著的反應(yīng).

1.3 心率變異性

心率變異性（Heart Rate Variability，簡稱為HRV）表示連續(xù)兩次心跳間R－R間期的微小漲落，Dhong［6］等人研究指出，這一指標可以反映體力和腦力的疲勞狀態(tài).

HRV可從時域、頻域兩個方面加以區(qū)分.人們常認為時域指標（均值和標準差等）不含有時間推進的意義，丟失了時間順序，它們在反映心率變化的漲落機制方面發(fā)揮作用十分有限，故在此不做討論.頻域指標是基于頻域分析法的指標.頻域分析法是一種用于分析某曲線變化規(guī)律的數(shù)學(xué)工具.其基本原理是認為復(fù)雜曲線均可以表達成若干個正弦曲線疊加的結(jié)果，通過分析各種正弦曲線的基本性質(zhì)，就可以分析復(fù)雜曲線.而復(fù)雜頻譜曲線的形狀與心率變化表示曲線的形狀存在著對應(yīng)關(guān)系，通過分析頻譜曲線的高、低頻成分就可以得出心率變化曲線的各種特征.頻域分析包含的主要指標見表1［7－8］.

表1 心率變異性頻域分析指標Table 1 Frequency domain index of HRV

在較短時間內(nèi)不同狀態(tài)下，LF和HF是不相同的.若直接用其絕對值進行比較，便會得出錯誤結(jié)論.而對LF和HF標化后再進行比較，則能直接反應(yīng)交感、副交感神經(jīng)調(diào)節(jié)的變化.

1.4 眼動指標

根據(jù)前期研究，以時段內(nèi)眨眼次數(shù)、閉眼總持續(xù)時間和眨眼時間平均值作為眼部行為的代表指標，驗證疲勞程度.該測試方法克服了接觸式測試對被試干擾較大以及傳統(tǒng)測試方法儀器復(fù)雜的缺點.經(jīng)過穩(wěn)定性對比與顯著性分析，平均一次眨眼時間均值被認為是三者中評價駕駛疲勞程度的最佳指標，其對應(yīng)不同年齡段人群不同精神狀態(tài)的閾值已確定［9］.

1.5 注意力指標

駕駛疲勞所引發(fā)的交通事故多由駕駛?cè)俗⒁饬o法集中導(dǎo)致，故針對注意力的研究是駕駛疲勞研究中重要的一部分.常見的與注意力相關(guān)的心理現(xiàn)象有非注意盲現(xiàn)象、變化盲現(xiàn)象以及注意順脫現(xiàn)象等［10］.針對注意力實驗的技術(shù)有反應(yīng)時技術(shù)、多導(dǎo)生理指標測量技術(shù)、眼動技術(shù)和腦電技術(shù)等.

直觀而言，駕駛疲勞中的注意力分散多指駕駛?cè)碎L時間面臨變化較少的道路狀況，導(dǎo)致后期駕駛活動中，盡管大腦接收到視覺信號，卻并沒有對周圍的環(huán)境產(chǎn)生認知，無法對外界信息迅速而有效地反饋并做出相應(yīng)的反應(yīng).本研究意在模仿真實駕駛活動中駕駛?cè)藢π畔⒌姆答佭^程，要求被試者完成對信息的搜索、理解認知與判斷.

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗設(shè)備及材料

2.1.1 腦電

延續(xù)以往研究［3，9，11］，采用相同儀器，對被試者的腦電進行測試.

2.1.2 心率表

心率測試使用Polar RS800CXSD型心率表.它的測試對象僅為心率本身，不涉及電信號范疇.應(yīng)用該儀器能夠記錄被試者的實時心率，并可以借助配套的心率軟件自動分析最高、最低和平均心率，自動計算心電相關(guān)指標VLF，LF，HF以及LF／HF的數(shù)值.儀器本身由一個傳感器和測試微型電腦構(gòu)成.其精度可以達到±0.1%或1bpm，所能測試的心率范圍在15～240bpm.

心率表同時具備秒表功能，實驗記錄可以精確到秒，并且每3min有蜂鳴提示，它可作為記錄各儀器開啟、關(guān)閉和對時等時間點的工具使用.

2.1.3 攝像機

選用的攝像機型號分別為SONY HDRPJ50E 和 SONY HDR－XR350E.SONY HDRPJ50E用于室外實驗的路況拍攝，SONY HDRXR350E用于在室內(nèi)、室外實驗中拍攝被試者的眼部行為.

為與前期研究良好銜接，室內(nèi)實驗使用原有的路況錄像.錄像資料由兩個部分組成，一部分為真實的行車錄像，于浙江省省道S210的K19＋400到K30＋000（桐廬段）行車時拍攝，內(nèi)容為行車時駕駛?cè)艘曇皟?nèi)所看到的前方路況.另一部分為按照規(guī)范標準用CAD制作并填充的交通指路標志，共計32個.錄像和標志牌的制作原則同前期研究［11］.含有標志的錄像片段如圖1所示.

本研究以被試者對標志信息內(nèi)容識別的正確率作為評價標準，測試被試者的疲勞狀態(tài)以及精神集中程度，須明確各標志在視頻中出現(xiàn)的時間，3.5h內(nèi)32個標志在錄像中出現(xiàn)的時間見表2.

表2 32個標志在錄像中出現(xiàn)的時間Table 2 Time of 32signals appeared in the video

2.1.4 問卷制作

問卷共有32題，與視頻中的標志對應(yīng).其內(nèi)容為給定目的地，請被試者根據(jù)標志牌指路信息對下階段的行進方向進行判斷.要求給出的答案為路名或方向（左／右，東／南／西／北）或?qū)o出的方向做出判斷（是／否），從而分別模擬真實駕駛活動中在對目標位置有所認知的狀態(tài)下，根據(jù)標志擇路或?qū)︻A(yù)先的判斷進一步確認的情況，答案均控制在3個字以內(nèi).

另外，為盡量使被試者作答時的心理狀態(tài)符合真實情況，要求駕駛?cè)嗽诳匆娔硞€標志之前預(yù)先閱讀與其相關(guān)的問題，獲悉所要尋找的信息內(nèi)容，并在標志出現(xiàn)時及時定位所需要的信息，并對問題做出回答.因為在實際的駕駛活動中，駕駛?cè)艘彩菍酥旧系男畔?nèi)容有所估計才獲取信息的.這一設(shè)計保證了實驗中被試者心理狀態(tài)上與駕駛?cè)说囊恢滦?

2.2 其他

為延續(xù)前期研究［11］，室內(nèi)實驗選擇同樣的12名被試者參與，實驗室環(huán)境保持不變.

室外實驗在室內(nèi)實驗開展次年4～7月之間完成，時間跨度較大，溫度變化明顯，要求被試者根據(jù)自身感覺適當(dāng)調(diào)節(jié)駕駛室的溫度.室外實驗均選擇天氣良好、日照充足的時間完成，實驗路段為上海A20公路.該路段路況良好，無視線遮擋.

參與室外實驗的人員共計6人，均為男性，年齡范圍為26～46歲，年齡均值為36歲 （s＝11.75），均持有駕照；除1人外，所持有駕照的時間均超過5年.

為排除被試者因其他原因（如：進食和休息不充分）等引起的疲勞對實驗結(jié)果有干擾，所有室內(nèi)實驗均選擇在14∶00進行，之前要求被試者于中午時間正常進食并充分休息；室外實驗則在9∶00或14∶00開始.實驗車型號為馬自達PREMACY普力馬汽車.

2.3 實驗設(shè)計

2.3.1 室內(nèi)實驗

該此次實驗涉及儀器眾多，須對應(yīng)各儀器數(shù)據(jù)記錄時間，故設(shè)計實驗程序為：實驗者開啟心率表，測試到被試者心率后，記錄被試者心率，實驗正式開始.以心率表上所顯示的時間為基準時間，依次開啟攝像機（在心率表正式開始記錄1min后啟動）、腦電儀（在心率表正式開始記錄3min后啟動），經(jīng)過一段時間儀器試用，確保被試者適應(yīng)測試之后，開始播放行車錄像（在心率表正式開始記錄5min后）.由此，可以形成時間軸、室內(nèi)實驗儀器啟動順序和時間如圖2所示.

圖2 室內(nèi)實驗儀器啟動順序和時間Fig.2 The implementation sequences and time of instruments of indoor experiments

2.3.2 室外實驗

室外實驗路況變化多、外界干擾大、實施風(fēng)險大.考慮到被試者的安全，室外實驗的時間設(shè)置為2.5h.考慮到儀器供電問題，采取階段性測試方案，對測量的時間段作合理的安排.為滿足數(shù)據(jù)對比和提高后期測試密度需求，制定了腦電儀測試時間安排（見表3）.

與室內(nèi)實驗相類似，實驗開始前，實驗者需向被試者解釋實驗的方式，并要求被試者填寫個人情況調(diào)查問卷.實驗者為被試者佩戴儀器，調(diào)試儀器正常工作，并確定儀器及儀器連線的擺放不會影響被試者的視線或干擾被試者的駕駛操作.

實驗者先開啟心率表，測試到被試者心率之后，開始記錄被試者心率，實驗正式開始.以心率表上所顯示的時間為基準時間，依次開啟攝像機（在心率表正式開始記錄1min后啟動）、腦電儀（在心率表正式開始記錄3min后啟動），在心率表正式開始記錄8min后（即所有儀器使用時間均超過5min，測試到被試者5min的生理數(shù)據(jù)之后），被試者啟動車輛.室外實驗照片如圖3所示室外實驗儀器啟動順序和時間如圖4所示.

表3 腦電儀測試時間安排Table 3 Testing sequence for electro－encephalograph of outdoor experiments

圖3 室外實驗照片F(xiàn)ig.3 The photo of outdoor experiments

圖4 室外實驗儀器啟動順序和時間Fig.4 The implementation sequences of instruments of outdoor experiments

室內(nèi)實驗僅需要一臺攝像機對被試者的眼部行為進行取像記錄即可；室外實驗則存在路況記錄和被試者眼動記錄兩方面需求，需要兩臺攝像機.室外實驗車中攝像機位置如圖5所示.

圖5 室外實驗車中攝像機位置照片F(xiàn)ig.5 The photo of the positions of cameras in outdoor experiments

3 指標分析

3.1 腦電分析

室內(nèi)腦電指標的有效性已被證明，本研究中腦電用于參照以評價其他指標的準確性，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)本次腦電測試指標結(jié)論與前期實驗相符，被試者在實驗開始后100～120min最為疲勞.

由于實驗人員最初經(jīng)驗不足，室外實驗中第1組實驗樣本腦電數(shù)據(jù)沒有完整保存，故腦電數(shù)據(jù)有效組數(shù)為5組.需要注意的是，室外實驗中各被試者駕駛的路線類似，因此實驗持續(xù)的時間與被試者的駕駛習(xí)慣（如：駕駛速度）有很大關(guān)系，也受到當(dāng)日交通流特性影響.在參與室外實驗的被試者中，用時最短的一位僅僅駕駛了近2h，用時最長的一位則駕駛了近3h.

室外實驗為間斷測試，故需根據(jù)被試者各自在這些時間條帶上的腦電波數(shù)據(jù)對照分析出駕駛疲勞出現(xiàn)的時間，另外，實驗前準備的5min也可以作為正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)用以對比.腦電指標Eθ＋慢α／E中α＋快α和E慢α／Eβ顯示室外實驗中被試者疲勞的時間段見表4.

3.2 心率指標分析

室內(nèi)實驗中每10min計算一次心率均值，分析發(fā)現(xiàn)：心率均值作為評價駕駛疲勞的指標顯著性較差，全程顯示為平穩(wěn)曲線，變化較小.一旦被試者適應(yīng)了儀器，了解了實驗流程，心率會從較高初值迅速下降，在實驗開始30min之后趨于平穩(wěn)，難以得到被試者的疲勞狀況.

表4 室外實驗?zāi)X電指標指示被試者的疲勞時間Table 4 Fatigue time of the samples in outdoor experiments based on EEG min

同樣，以10min為單位，將室內(nèi)實驗分成若干段，每一段計算出一個對應(yīng)的LF／HF指標，得出LF／HF這一指標所指示的各時間條帶中處于疲勞狀態(tài)的被試者人數(shù)（如圖6所示）.

圖6 LF／HF指標顯示各時間條帶疲勞樣本數(shù)量Fig.6 Number of fatigued samples in indoor experiments based on LF／HF

從圖6中可以看到，所體現(xiàn)的疲勞時間條帶較為明顯，有幾個條帶甚至無一樣本體現(xiàn)疲勞LF／HF指標所指示的疲勞時間條帶為：100～120 min，170～180min.其中，110～120min這一時間條帶上有10名被試者為疲勞狀態(tài)，最為突出.

室外實驗中LF與HF的比值也同樣相對于單獨的指標更能正確地指示出被試者的疲勞狀態(tài).并且通過與心率變異性的時域指標對比發(fā)現(xiàn)頻域指標的極值點是相對更為敏感的指標LF／HF顯示被試者的疲勞時間見表5.

3.3 眼動分析

眼動錄像分析沿襲了以往人工判讀的方法這種方法將錄像分解為連續(xù)多張圖片（75幀／s）可以通過分析每張圖片清楚地觀察眼睛閉合的狀態(tài).但是工作量極大，分析10s的數(shù)據(jù)就需要觀察750幀圖像.全程分析眼動數(shù)據(jù)不現(xiàn)實，故本實驗中眼動行為指標僅僅作為驗證之用.通過前期被試者的疲勞時間，在這些典型的時間條帶中分別提取10s的視頻錄像，統(tǒng)計平均一次眨眼時間，并與已知的均眨眼時間指標閾值對比，驗證被試者的狀態(tài).眼動指標顯示被試者的疲勞時間見表6.

表5 室外實驗中LF／HF顯示被試者的疲勞時間Table 5 Fatigue time of the samples in outdoor experiments based on LF／HF min

表6 室內(nèi)實驗中眼動行為顯示被試者的疲勞時間Table 6 Fatigue time for every sample in indoor experiments based on eye motion min

已知的均眨眼時間數(shù)據(jù)是通過室內(nèi)實驗得到的.在該實驗中，容許被試者自由進入睡眠狀態(tài)，而所給出的結(jié)果中“疲倦”狀態(tài)所代表的含義多為被試者接近或已經(jīng)進入睡眠狀態(tài)，這在實際駕駛過程中是很難達到的.因此，室外眼動結(jié)果分析時，是以研究臨界狀態(tài)為主要目標.表7中所討論的“疲勞狀態(tài)”是以各年齡段的臨界狀態(tài)對應(yīng)指標值進行評價的.

表7 室外實驗中眼動行為顯示被試者的疲勞時間Table 7 Fatigue time for every sample in outdoor experiments based on eye motion min

3.4 問卷結(jié)果

與標志相關(guān)題目的正確率直接地反映了被試者對變化環(huán)境的認知能力以及反應(yīng)能力.在室內(nèi)實驗過程中，如果被試者入睡、錯過標志均認為被試者答錯題目.12名被試者各個題目的正確率統(tǒng)計如圖7所示.

圖7 測試題正確率示意Fig.7 Correct ratio of every question

從圖7中可以看到，多數(shù)情況下，大部分被試者都能夠回答測試卷上的題目.正確率趨勢圖上有3處明顯的極小值，分別在實驗初期，第16題到第21題之間以及第28到第31題之間.

在實驗開始時，盡管經(jīng)過了詳細的說明，很多被試者仍然不能理解實驗的過程或者不能適應(yīng)實驗的方式，不得不中途要求實驗者再次解釋.從他們的腦電波看來，大多數(shù)的被試者（有2個被試者除外）在實驗初期都處于較為興奮的狀態(tài)，可見這一階段的高錯誤率與他們的疲勞狀態(tài)無關(guān).

根據(jù)題目時間軸，第16題到第21題對應(yīng)90～130min的時間，即這段時間內(nèi)，被試者的判斷力顯著下降，精神很難集中.對照腦電分析，這一階段也是被試者較為困倦的一段時間.根據(jù)實驗人員的現(xiàn)場記錄可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)被試者瞌睡甚至入睡的記錄也在這一時段，可見這一時段的正確率下降與被試者的疲勞有關(guān).最后的一個低谷為第28到第31題之間，同樣也是各生理指標指示被試者較為疲勞的一段時間.

可以認為，對應(yīng)第16到第21題之間、第28到第31題之間是疲勞影響到被試者注意力和判斷力的時間段.具體到時間為：120～140min，180～210min.

4 室內(nèi)、外實驗對比

腦電方面，室內(nèi)、外實驗的數(shù)據(jù)均顯示在實驗開始初期（30min以內(nèi)）以及120～130min時間段被試者有疲勞的跡象.但在室外實驗中，由于要切實從事駕駛活動，數(shù)據(jù)受被試者自身條件的影響較大，被試者的駕駛經(jīng)驗和行動能力等都將引起測試結(jié)果的變化，腦電數(shù)據(jù)分析起來較為困難.而且室外實驗為不連續(xù)測試，其數(shù)據(jù)完整性不及室內(nèi)實驗的.

心率方面，室、內(nèi)外實驗均證明心率均值作為評價駕駛疲勞的指標其敏感性和顯著性不佳；也都顯示LF／HF比心率變異性時域指標更加敏感.室外實驗中LF／HF的數(shù)值水平普遍比室內(nèi)實驗中的偏小.例：室內(nèi)實驗中，有多位被試者的LF／HF達到500%甚至高于700%，而在室外，卻沒有被試者在任何時間段的LF／HF高于400%，大多數(shù)被試者的LF／HF為100%～300%.

眼動方面，室外光線不穩(wěn)定，駕駛?cè)祟l繁轉(zhuǎn)動頭部，給觀測和分析工作增加了難度，其準確程度不及室內(nèi)實驗，而且室外的眼動指標相對室內(nèi)而言有更大的不穩(wěn)定性.室外眼動情況與天氣情況有極大的關(guān)系，即使是相同的被試者，在不同天氣下在同樣路段駕駛體現(xiàn)的眼動情況也不一致.即是說，如果要開發(fā)出針對室外實際駕駛活動實時觀測的眼動指標系統(tǒng)尚要考慮多變的環(huán)境影響.

5 結(jié)論與展望

室內(nèi)實驗所測試的腦電指標顯示與前期實驗結(jié)果一致，其他生理指標所指示的疲勞曲線與腦電所示疲勞趨勢類似，大多數(shù)被試者在實驗開始后100～120min以及170～180min顯示出疲勞而關(guān)于標志內(nèi)容的測試問卷所顯示的被試者注意力不集中時間相對滯后，為120～140min以及180～210min.可見，以問卷測試被試者的注意力集中與否可行，這一指標與疲勞也有一定關(guān)系，但相關(guān)度還需進一步研究.

室外實驗環(huán)境較為復(fù)雜，由于是在從事真實的駕駛活動，測試結(jié)果與被試者的駕駛經(jīng)驗有較大關(guān)聯(lián).但仍可以得出，大多數(shù)的被試者在實驗開始20～30min顯示出一定程度的疲勞，實驗開始后60～80min以及120min之后的一段時間被試者較為疲勞.

室內(nèi)、外實驗結(jié)果的對比可以作為后續(xù)模擬實驗方案制定的參考.

（References）：

［1］Yihong T，Biaoqin H.Drivers drowsiness detection in the embedded system［J］.IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety，2007（12）1—5.

［2］王榮本，郭克友，儲江偉，等.駕駛員駕駛行為監(jiān)測中的面部定位方法的研究［J］.公路交通科技，200320（2）：96—99.（WANG Rong－ben，GUO Ke－you CHU Jiang－wei，et al.Study on the face location method in driver behavior surveillance［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2003，20（2）：96—99.（in Chinese））

［3］李君羨.基于生理指標的駕駛疲勞時間曲線實驗研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2012.（LI Jun－xian.A research on the fatigue driving－time curve based on physiological index［D］.Shanghai：Tongji University 2012.（in Chinese））

［4］Jap B T，Lal S K L，F(xiàn)ischer P，et al.Using EEG spectral components to assess algorithms for detecting fatigue［J］.Expert Systems with Applications 2009，36（2）：2352—2359.

［5］Force T.Heart rate variability standards of measurement，physiological interpretation，and clinical use［J］.Circulation，1996，93（5）：1043—1064.

［6］Lee D H，Park K S.Multivariate analysis of mental and physical load components in sinus arrhythmia scores［J］.Ergonomics，1990，33（1）：35—47.

［7］吳群.基于心電信號的駕駛疲勞檢測方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.（WU Qun.Measuring method to monitor driving fatigue based on electrocardiogram［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2007.（in Chinese））

［8］Patel M，Lal S K L，Kavanagh D，et al.Applying neural network analysis on heart rate variability data to assess driver fatigue［J］.Expert Systems with Applications，2011，38：7235—7242.

［9］潘曉東，李君羨.基于眼部行為的駕駛疲勞監(jiān)測方法［J］.同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，39（2）：231—235.（PAN Xiao－dong，LI Jun－xian.An approach of fatigue drive monitoring based on eye state［J］.Journal of Tongji University：Natural Science Edition 2011，39（2）：231—235.（in Chinese））

［10］郭秀艷.實驗心理學(xué)［M］.北京：人民教育出版社2009.（GUO Xiu－yan.Experimental psychology［M］.Beijing：People’s Education Press，2009.（in Chinese））

［11］李君羨，潘曉東.基于腦電分析的連續(xù)駕駛疲勞高發(fā)時間判斷［J］.交通科學(xué)與工程，2012，28（4）72—79.（LI Jun－xian，PAN Xiao－dong.Study on high－risk period for drivers committing long－time driving based on EEG［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2012，28（4）：72—79.（in Chinese））