高原公路連續(xù)駕駛時間對駕駛員疲勞影響的分析

李天彪，艾力·斯木吐拉

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

近年來隨著高原公路里程和汽車保有量的增加，高原公路交通事故也逐年增加。但國內(nèi)外對于交通事故的研究主要集中在沙漠公路、高速公路和山區(qū)公路以及草原公路上，僅有姬生強等人就駕駛員特性與交通安全設(shè)施間的關(guān)系進行了研究，高原公路交通事故還沒能得到應(yīng)有的重視。據(jù)相關(guān)研究表明:高原地區(qū)主要道路上重特大交通事故多發(fā)，其發(fā)生與高原惡劣的環(huán)境和駕駛員因素相關(guān)性極大。受高原低氧環(huán)境的影響很容易使駕駛員產(chǎn)生駕駛疲勞以及不適感，主要表現(xiàn)為注意廣度、注意轉(zhuǎn)移、短時記憶、復(fù)雜思維判斷力下降，導(dǎo)致駕駛員駕駛能力下降，嚴重影響到行車安全。由于高原低氧環(huán)境的影響，在高原地區(qū)連續(xù)長時間行駛極易出現(xiàn)駕駛疲勞，從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。本文通過分析在帕米爾高原典型高原公路上駕駛員連續(xù)駕駛過程的生理信號，探究駕駛員在高原公路行車時出現(xiàn)生理疲勞狀態(tài)的時間以及連續(xù)駕駛過程中駕駛員生理指標(biāo)的變化規(guī)律。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 被試者及實驗設(shè)備

因為高原地區(qū)自然環(huán)境及條件惡劣，很難進行大樣本試驗。為排除高原習(xí)服對實驗結(jié)果的影響，被試者確定為初上高原、身體健康、無高原行車經(jīng)歷并具有2年以上駕齡的3名男性，并選取當(dāng)?shù)伛{駛員一名與外地人員進行對比，駕駛?cè)藛T信息見表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備包括:國產(chǎn)SUV機動車、奧地利公司生產(chǎn)的biofeedback 2000x－pert型生物反饋儀、車載充電器、筆記本電腦、手持GPS等。

表1 測試人員情況表

1.3 駕駛試驗路段

試驗路段選取314國道塔什庫爾干縣至紅旗拉甫邊防檢查站哨所為約120km路段。該路段公路設(shè)計等級為3級，小汽車設(shè)計車速為80km／h。該路段具有典型的高原公路特征，道路兩旁主體景觀較為單一，道路平面線形以直線和大半徑曲線為主，海拔上升較為均勻，道路的長度，寬度，車流量都滿足實驗要求。

1.4 試驗流程

要求駕駛員在試驗前1天保證充足睡眠，在試驗之前24h內(nèi)禁止飲酒，3h內(nèi)禁止喝茶、咖啡。為保證試驗數(shù)據(jù)的可比性，試驗保證在每天相同的時間開始，單程需要2h，到達終點休息放松40min后進行返程試驗。測試期間要求駕駛員將車速控制在60km／h左右，并在試驗過程中記錄超車會車等特殊交通狀況的具體時間。實驗開始前，先用生物反饋儀測量10min駕駛員的靜態(tài)生理數(shù)據(jù)。

1.5 數(shù)據(jù)獲取

心率變異性相關(guān)數(shù)據(jù)用生物反饋儀進行采集，連續(xù)實時采集駕駛員心電信號。通過自帶的數(shù)據(jù)處理模塊分析并輸出被試者心率、時域以及心率變異性的頻域指標(biāo)。心率變異性是指逐次心跳RR間期不斷波動的現(xiàn)象，表現(xiàn)了心率或心動周期變化程度。

2 指標(biāo)選取

人體的心理生理指標(biāo)是研究人體的狀態(tài)以及疲勞程度的信號參數(shù)。在駕駛員疲勞評價指標(biāo)中用的較多的有:腦電信號、肌電信號、心電信號等?？紤]到其他信號在實地行車檢測中，易對駕駛員造成干擾，不易獲得駕駛試驗過程中駕駛員的準(zhǔn)確生理數(shù)據(jù)。本文選用可測試性強，且數(shù)據(jù)處理方法相對成熟的心電指標(biāo)作為高原公路駕駛員的生理測評指標(biāo)。其常用的分析指標(biāo)有心率（HR）和心率變異性（HRV）。

心率指單位時間內(nèi)心臟搏動的次數(shù)，常用單位次／min。心臟活動由自主神經(jīng)（即植物神經(jīng)）系統(tǒng)通過末梢對心血管功能實現(xiàn)調(diào)節(jié)。外界環(huán)境的變化會影響到心率，如遇到外界環(huán)境突變、精神緊張或者情緒發(fā)生改變時心率會加快；在休息或者睡眠狀態(tài)下時心率會減慢。試驗主要研究在高原公路行車時連續(xù)行車時間對駕駛員疲勞的影響，考慮到受測駕駛員的個體差異（如年齡，身體狀況等）以及高原公路動態(tài)駕駛試驗的特點。為更好地反映被試者心律的波動情況，可利用某時刻實際心率值H（t）減去靜態(tài)測試時心率的平均值，得到心率在該時刻的波動值h（t），即

式中:h（t）表示心率在某時刻的波動量，次／min；H（t）表示被試者在某時間段的心率，次／min；h表示被試者在靜態(tài)測試時的平均心率，次／min。

有研究指出，人在不同狀態(tài)下，心率的變化規(guī)律并不相同:人體在正常狀態(tài)下心率波動最大；當(dāng)處于臨界狀態(tài)下時心率波動最小幾乎不變；處于疲勞狀態(tài)時心率波動較為平緩且隨時間的增加有降低的趨勢。

心率變異性（HRV）指心率波動周期存在的微小變化程度。相關(guān)研究表明心率變異性能夠有效反映腦力和體力疲勞狀況，因而能夠作為檢測駕駛疲勞的重要指標(biāo)。心率變異性的時域及頻域指標(biāo)主要有:

SDNN:24h內(nèi)全部正常R－R間期的標(biāo)準(zhǔn)差，它反映24h內(nèi)心率變異的總和。

LF:心率變異的低頻成分，可以反映交感神經(jīng)調(diào)節(jié)強度。

HF:心率變異的高頻成分，可以反映副交感神經(jīng)調(diào)節(jié)強度。

楊渝書等人在實驗室中通過動態(tài)駕駛模擬實驗采集分析了16名被試者90min模擬操作的心電信號，并對心電信號進行時域與頻域分析。發(fā)現(xiàn)隨著疲勞程度的加深，SDNN、LF、LF／HF明顯上升，HF顯著下降。指出心率變異性的時頻域指標(biāo)中SDNN、LF、HF、LF／HF這四項指標(biāo)可用于對駕駛疲勞程度進行定量化的反映和評判。其中LF對駕駛疲勞程度的反映最敏感。李增勇等人指出隨疲勞程度的加深，LF、LF／HF會顯著升高。

本文對行車試驗過程中被試者的平均心率，心率波動值、SDNN、LF、HF、LF／HF等指標(biāo)進行處理，以初步分析在高原公路長時間駕駛過程中駕駛員生理指標(biāo)的變化規(guī)律以及駕駛疲勞出現(xiàn)的時間。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

本文在分析過程中僅對被測駕駛員在試驗過程中疲勞感覺較為明顯的上行過程進行分析。在數(shù)據(jù)處理之前應(yīng)對數(shù)據(jù)的錯誤記錄段進行剔除，然后用EXCEL對數(shù)據(jù)進行處理。心率指標(biāo)用平均心率及心率波動值進行分析。計算出全體駕駛員整個駕駛試驗過程中每2分鐘的平均心率及相對于靜態(tài)條件下的心率波動值，并繪制曲線圖以反映連續(xù)駕駛過程中駕駛員心率的變化規(guī)律。根據(jù)心率分析結(jié)果，導(dǎo)出被試者呈現(xiàn)出疲勞的時間段內(nèi)的心率變異性指標(biāo)。分別計算每位被試者靜態(tài)測試以及表現(xiàn)出疲勞時段內(nèi)的SDNN、LF、HF以及LF／HF數(shù)據(jù)進行對比分析。

3.2 被試者心率分析

主要分析連續(xù)駕駛條件下駕駛員心率及心率波動隨駕駛時間的變化規(guī)律以及分析出現(xiàn)變化的原因。通過excel計算被試者的平均心率以及心率波動的平均值，并繪制其隨駕駛時間的變化的散點圖，如圖1、圖2所示。

圖1 心率隨時間變化

圖2 心率波動值隨時間變化

由圖1可以看出被試者平均心率隨駕駛時間的增加初期有增加的趨勢，在20min后整體下降趨勢明顯。可以說明隨駕駛時間的增加，被試者平均心率表明駕駛員出現(xiàn)了疲勞狀態(tài)。開始時駕駛員心率呈增長態(tài)勢，原因是駕駛員開始駕駛時對路況及車況不夠熟悉，精神較為緊張，導(dǎo)致心率加快，此外高原缺氧環(huán)境對駕駛員心率也有一定的影響。

由圖2可以看出，從駕駛實驗開始到70min時，駕駛員心率波動值隨駕駛時間的變化波動較為明顯；70～80min駕駛員心率隨駕駛時間的變化波動較為平緩幾乎沒有發(fā)生波動；且在80min后心率波動平緩且隨駕駛時間的增加呈下降趨勢。依據(jù)毛喆對不同精神狀態(tài)下心率波動值變化規(guī)律的研究成果可知，被試者在70～80min出現(xiàn)了疲勞狀態(tài)。

3.3 被試者心率變異性分析

為了驗證被試者是否在70～80min出現(xiàn)了疲勞癥狀，對每位被試者在這一時段的心率變異性指標(biāo)與靜態(tài)條件下的心率變異性數(shù)據(jù)進行對比分析，如表2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計圖表圖3～圖6，可以看出:被試者心率變異性時域及頻域指標(biāo)，在70～80min與靜態(tài)條件下相比均發(fā)生了變化。其中，SDNN、LF、LF／HF的值均呈上升變化，HF的值呈下降變化。說明被試者在高原公路上連續(xù)駕駛70～80min時均表現(xiàn)出了不同程度的疲勞。

表2 上行過程駕駛員心率變異性時域及頻域指標(biāo)

圖3 駕駛員試驗前后SDNN變化

3.4 心率變異性與駕駛時間的關(guān)系

對駕駛員行駛過程中心率變異性時頻域指標(biāo)以1min為單位進行劃分，并求各時間段的平均值，并對心率變異性時頻域指標(biāo)與駕駛時間做相關(guān)性分析，如表3所示。

圖4 駕駛員試驗前后LF變化

圖5 駕駛員試驗前后HF變化

圖6 駕駛員試驗前后LF／HF變化

表3 心率變異性時頻域指標(biāo)與時間的相關(guān)性分析

由表3中數(shù)據(jù)可知在高原公路駕駛過程中LF／HF和LF與時間的相關(guān)性較高且顯著相關(guān)（顯著性水平小于0.01），即LF／HF和LF對駕駛疲勞的敏感度較高，在今后的研究中可以將LF／HF和LF作為評價高原公路駕駛員疲勞的心率變異性指標(biāo)。通過對比以相關(guān)性最高的比率指標(biāo)LF／HF作為評價疲勞的指標(biāo)。

駕駛員的LF／HF做單樣本K－S檢驗，結(jié)果表明駕駛員心率變異性比率指標(biāo)LF／HF呈正態(tài)分布（樣本量N＝120，雙側(cè)檢驗Z值為0.482，顯著性概率P＝0.978＞0.05）。用駕駛員在20～30min的心率變異性比率指標(biāo)LF／HF作為參考值，來排除被試者在開始駕駛時適應(yīng)階段的心率變異性指標(biāo)變化，其余以10min為時間間隔對LF／HF進行劃分，將試驗過程數(shù)據(jù)各時段與參考時段進行配對T檢驗，其檢驗結(jié)果見表4所示。

表4 駕駛員心率變異性比率指標(biāo)LF／HF配對T檢驗結(jié)果

根據(jù)配對T檢驗分析結(jié)果可知，0～10min差異性顯著，這個時間段駕駛員剛開始進行駕駛作業(yè)需要一個適應(yīng)階段來適應(yīng)高原環(huán)境的駕駛作業(yè)，因此表現(xiàn)出的顯著性差異不是由疲勞引起的。在70min左右再次表現(xiàn)出了顯著性差異，但在100min左右LF／HF沒有表現(xiàn)出顯著性差異，對比行車記錄儀記錄的試驗視頻資料，發(fā)現(xiàn)在這一時間段駕駛員所經(jīng)路段線形變化較大，且有連續(xù)彎道，可能是道路環(huán)境的變化對駕駛員刺激較大所致。隨著駕駛員行車時間的增加，差異性顯著（P＜0.05），駕駛員心率變異性比率指標(biāo)的差異性逐漸增大。駕駛員在高原地區(qū)行車時，連續(xù)駕駛70min左右時出現(xiàn)疲勞癥狀，隨著連續(xù)駕駛時間的增加駕駛員疲勞程度加深，并且駕駛員的疲勞會受到道路狀況的影響，但是疲勞不會消失。隨著連續(xù)駕駛時間的增加不斷積累，致使駕駛員疲勞程度進一步加重。

4 結(jié) 論

通過分析高原公路駕駛試驗被試者生理信號檢測數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論:

1）心率變異比率指標(biāo)LF／HF對疲勞最敏感，適合作為評價高原公路駕駛疲勞的評價指標(biāo)；

2）在高原公路上連續(xù)駕駛70～80min時，被試者疲勞生理指標(biāo)顯現(xiàn)，表現(xiàn)出疲勞癥狀，被試者心率波動較為平緩且隨駕駛時間的增加，心率波動值呈下降趨勢；

3）連續(xù)駕駛70～80min時，被試者心率變異性指標(biāo)中SDNN、LF、LF／HF的值均增大，HF的值減小，表明被試者均出現(xiàn)了不同程度的疲勞，以LF／HF作為疲勞程度評價指標(biāo)，外地被試者的疲勞程度較本地被試者更深，說明高原缺氧環(huán)境對外地初上高原駕駛員的影響較為明顯，會使人體疲勞程度加深；

4）根據(jù)對LF／HF配對T檢驗結(jié)果表明，駕駛員在連續(xù)駕駛70min左右時會出現(xiàn)疲勞癥狀，并且隨駕駛時間的增加疲勞不斷累積，疲勞程度增大。此時駕駛員已經(jīng)不適合繼續(xù)駕車，應(yīng)當(dāng)停車適當(dāng)休息放松，以保證行車安全。

由上述分析結(jié)果表明:駕駛員心電信號中LF／HF對疲勞的影響較為敏感可以作為評價高原地區(qū)駕駛員疲勞的評價指標(biāo)。根據(jù)對心率波動值以及心率變異性比率指標(biāo)LF／HF的配對T檢驗結(jié)果分析，認為駕駛員在高原地區(qū)連續(xù)駕駛70min左右會出現(xiàn)疲勞癥狀。但是由于高原地區(qū)自然條件惡劣，很難進行大樣本實地駕駛試驗，故本文結(jié)論僅是對駕駛試驗中的測試數(shù)據(jù)進行連續(xù)駕駛時間方面的分析，沒有對海拔對駕駛疲勞的影響進行分析。有關(guān)疲勞指標(biāo)的量化以及高原地區(qū)公路駕駛員疲勞出現(xiàn)的時間還需結(jié)合其它指標(biāo)及海拔變化和道路線形等因素進行進一步的論證。心率及心率變異性指標(biāo)反應(yīng)出的是精神和心理方面的疲勞，在今后的研究中還應(yīng)該對駕駛員的視覺以及體力方面的疲勞進行進一步的分析。

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