基于駕駛員心率變化的隧道照明頻閃頻率的研究

李默楠，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海　200433)

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基于駕駛員心率變化的隧道照明頻閃頻率的研究

李默楠，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海200433)

摘要：在隧道光環(huán)境當(dāng)中，隧道的照明頻閃是一個(gè)十分重要的參數(shù)。本文從人的生理心理反應(yīng)方面出發(fā)，通過記錄駕駛員心率的變化，同時(shí)結(jié)合駕駛員生理方面的主觀調(diào)查，得到隧道頻閃參數(shù)的對(duì)于駕駛員心理生理的影響結(jié)果。

關(guān)鍵詞：公路隧道;心率反應(yīng);隧道照明頻閃;心率增長率

引言

在隧道照明設(shè)計(jì)中，隧道照明頻閃是一個(gè)重要的指標(biāo)。不合理的隧道照明頻閃頻率會(huì)引起駕駛員的煩躁、緊張、焦慮的心理，這極其容易引發(fā)交通事故。因此探究隧道照明頻閃對(duì)人的影響，從而制定合理的隧道照明頻閃頻率標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隧道照明設(shè)計(jì)十分重要。

1公路隧道頻閃現(xiàn)象

1.1光源的頻閃效應(yīng)

當(dāng)人眼看光源的時(shí)候，如果一個(gè)光源的光在人眼中一閃即逝，然后緊接著在視網(wǎng)膜上再次成像，當(dāng)這樣的情形在人眼當(dāng)中反復(fù)出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)在人的視網(wǎng)膜上呈現(xiàn)時(shí)亮?xí)r滅的不連續(xù)的光，用每秒鐘亮滅的次數(shù)表示人眼能夠分清閃爍的界限，這個(gè)界限就是光源閃爍的臨界值。我們可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式來測得人眼對(duì)光源閃爍的感光特性。圖1是人眼對(duì)不同頻率光源閃爍的視覺敏感曲線，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光源閃爍的頻率小于2.5Hz或大于15Hz時(shí)，人眼的視覺敏感系數(shù)較小，對(duì)光源的閃爍不明顯，可以忽略不計(jì)；當(dāng)光源的閃爍頻率達(dá)到8.8Hz時(shí)，人眼的視覺敏感系數(shù)最大。光源的閃爍會(huì)對(duì)人的視覺系統(tǒng)有一定的刺激作用，產(chǎn)生一定的不舒適感。[1]

圖1　視覺系數(shù)敏感曲線Fig.1　The coefficient curve about sensitivity of vision

1.2公路隧道頻閃的成因

在隧道照明設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般為了節(jié)約照明的成本，照明的燈具并非是一個(gè)接一個(gè)的緊挨著排列，而是每兩盞燈中存在一定的間距。當(dāng)駕駛員行駛在公路隧道中時(shí)，眼睛不斷受到忽明忽暗的刺激，從而造成一定的煩亂，這種現(xiàn)象與光源的頻閃效應(yīng)十分類似，叫做公路隧道的“頻閃效應(yīng)”。

閃爍頻率可由式(1)計(jì)算。

(1)

式(1)中，f表示隧道照明的頻閃頻率(Hz)，v表示車輛行駛的過程中的車速(m/s)，L表示相鄰的兩個(gè)隧道燈之間的間距(m)。[2]

1.3公路隧道頻閃效應(yīng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求

為了防止頻閃效應(yīng)，在進(jìn)行隧道照明設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)當(dāng)閃爍的頻率小于2.5Hz或大于15Hz時(shí)，人眼對(duì)光源的閃爍敏感度可以忽略不計(jì)這一特點(diǎn)，國際照明協(xié)會(huì)發(fā)布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》中規(guī)定，“公路隧道照明的頻閃頻率應(yīng)該控制在小于2.5Hz或大于15Hz的范圍內(nèi)”[3]。但是這個(gè)規(guī)范僅僅是從靜態(tài)光源的閃爍頻率曲線中得到的，并不能真實(shí)的反映隧道頻閃頻率對(duì)于駕駛員在行駛過程中的影響。

1.4隧道頻閃對(duì)人的影響及實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的選擇

目前，對(duì)于駕駛員的心理生理檢測主要是用來針對(duì)檢測駕駛員的疲勞程度。當(dāng)駕駛員駕駛時(shí)的不舒適感到達(dá)一定的程度時(shí)，此時(shí)可以認(rèn)定駕駛員出現(xiàn)了疲勞駕駛的情況。通常，駕駛員的疲勞駕駛反映在生理和心理兩個(gè)方面。從生理上來說有眼漲、眼干、頭暈、頻繁眨眼、心跳加速、打哈欠等。從心理上來說有心煩、浮躁、感到壓抑、精神萎靡，無法集中注意力等現(xiàn)象。

為了研究公路隧道頻閃效應(yīng)對(duì)人體的影響，本次實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)可靠并且易于實(shí)現(xiàn)的檢測方式。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求，本文中采用心率信號(hào)作為測試駕駛員心理反應(yīng)的指標(biāo)。

2心電信號(hào)簡介

2.1心電信號(hào)反應(yīng)的心理狀況的依據(jù)

人體的心率是反應(yīng)心臟活動(dòng)的指標(biāo)之一。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，Wilson等研究發(fā)現(xiàn)：心率信號(hào)是一個(gè)整體的指標(biāo)，它可以作為被測試者在不同任務(wù)要求下的生理心理負(fù)荷的衡量標(biāo)準(zhǔn)[4]。Hart等也得到結(jié)論：心率信號(hào)可以反映被測試者的心理受到任務(wù)、環(huán)境、情緒等多種因素的影響情況。[5]

2.2心率及心率增長率

從醫(yī)學(xué)和心理學(xué)上講，對(duì)心電信號(hào)的分析主要指的是心率和R-R 間期隨時(shí)間變化的規(guī)律。心率 HR(Heart Rate)是指單位時(shí)間心臟搏動(dòng)的次數(shù)，通常以每分鐘心率跳動(dòng)的次數(shù)來表示，單位為跳/分(Beats/min，bpm)，“一般情況下，人正常的心率范圍為 60bpm～100bpm”。[6]R-R 間期是指兩次心跳之間R波峰的時(shí)間間隔，單位為毫秒(ms)。通常來說，一個(gè)人某一個(gè)時(shí)刻的心率與R-R間期存在著如下的關(guān)系：

(2)

但是因?yàn)樾穆蕰?huì)隨著個(gè)體的差異而不同，因此僅僅利用心率的增加或較少并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)一個(gè)人的心理變化情況，因此，北京工業(yè)大學(xué)王書靈提出“心率增長率”這樣一個(gè)相對(duì)變化值即心率增長率的概念來反映駕駛狀態(tài)下與平靜狀態(tài)下的心理的對(duì)比情況，其公式[7]為：

心率增長率=

(3)

在本次實(shí)驗(yàn)過程中，由于此次研究既要觀察心率與平時(shí)狀態(tài)下的關(guān)系，又要研究在特定頻率下心率波動(dòng)的有關(guān)情況，因此采用心率增長率這一指標(biāo)分析數(shù)據(jù)。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)分別測試駕駛員在一定頻閃下和平時(shí)無頻閃狀況狀態(tài)下的心率，判斷兩者之間是否有不同之處，確定研究是否存在一定的意義。

2)通過測試不同人員在相同的隧道頻閃頻率下的心率變化情況，得到駕駛員在一定頻閃頻率下的心率變化模型。

3)通過測試相同人員在不同的隧道頻閃頻率下的心率變化情況，得到駕駛員能夠適應(yīng)的隧道頻閃頻率范圍。

3.2模擬隧道模型仿真實(shí)驗(yàn)的選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的，為了測試實(shí)驗(yàn)駕駛員適應(yīng)的頻閃頻率范圍，考慮到當(dāng)頻率小于2.5Hz或大于15Hz時(shí)，人眼對(duì)光源頻閃的敏感程度可以忽略不計(jì)，因此研究2.5Hz以下或15Hz以上時(shí)的頻率并沒有意義，因此這本次實(shí)驗(yàn)擬定的測試頻率范圍為1Hz～15Hz?？紤]到如果采用實(shí)際駕駛的實(shí)驗(yàn)方式，將會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)造成一定的難度，因此本實(shí)驗(yàn)采用觀看隧道模型的方式進(jìn)行研究。

3.3制作隧道模型以及模擬行駛的影像

為了制作合理規(guī)范的隧道模型，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)國際照明協(xié)會(huì)發(fā)布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》和我國發(fā)布的JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)隧道光環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制作了隧道模型，隧道模型的照明計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　照明計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，制作的隧道模型基本符合國家和國際上的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)公式(1)計(jì)算出隧道模型合理的燈具間距，同時(shí)利用視頻制作軟件使隧道分別以一定的速度向一側(cè)移動(dòng)，令攝像頭以駕駛員的視角進(jìn)行錄制視頻，通過剪輯整合等方式分別制成時(shí)長為5～10分鐘的15段視頻。

3.4實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有迪卡儂心率表GEONAUTE 310，心率胸帶，筆記本電腦，投影儀。

3.5實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和要求，擬定本次實(shí)驗(yàn)的具體方法如下:

1)一共測試人數(shù)為7人，每二人自由結(jié)組，一共分成四組。測試時(shí)間為連續(xù)的兩個(gè)上午或者下午，預(yù)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束需要6～8天時(shí)間。每組人員采用交替實(shí)驗(yàn)的方式，一人參加測試，一人休息，每人測試的時(shí)間不超過一個(gè)半小時(shí)，避免被測試者產(chǎn)生煩躁情緒。

2)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①實(shí)驗(yàn)開始前，安排本次的實(shí)驗(yàn)人員，為其講解心率儀等儀器的用法，等待實(shí)驗(yàn)人員完全熟悉后，靜坐十分鐘，測試在正常狀態(tài)下的心率。

②交代被測人員，令其想象自己在一個(gè)隧道中行駛的情形(如圖2所示)，身心放松，不要緊張。如果在實(shí)驗(yàn)過程中有頭暈、嘔吐等不舒適的現(xiàn)象及時(shí)舉手示意。

③播放隧道模擬仿真影像，每段時(shí)長在5～10分鐘之間，并開始收集數(shù)據(jù)。

④一段視頻播放以后，填寫被測試者的主觀感受表以及備注信息(如受到外界的干擾等)，同時(shí)換另一個(gè)被測試者觀看視頻。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整合。

圖2　動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M駕駛圖Fig.2　The statistics about computation of illumination

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1生理信號(hào)的處理結(jié)果

首先對(duì)測試者進(jìn)行1～7號(hào)編號(hào)，分別在安靜無干擾的情況下測得他們的平均心率，其結(jié)果如表2所示。

表2　7位被測試者安靜狀態(tài)下的平均心率

4.2各階段心率增長率的統(tǒng)計(jì)

首先將每一個(gè)時(shí)刻的心率讀出來，考慮到本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，我們先計(jì)算出7個(gè)人每時(shí)刻的平均心率增長率，并制成統(tǒng)計(jì)圖形，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖3～圖17所示。

圖3　1Hz下的平均心率增長率Fig.3　The drivers’ average heart rate growth under 1Hz

圖4　2Hz下的平均心率增長率Fig.4　The drivers’ average heart rate growth under 2Hz

圖5　3Hz下的平均心率增長率Fig.5　The drivers’ average heart rate growth under 3Hz

圖6　4Hz下的平均心率增長率Fig.6　The drivers’ average heart rate growth under 4Hz

圖7　5Hz下的平均心率增長率Fig.7　The drivers’ average heart rate growth under 5Hz

圖8　6Hz下的平均心率增長率Fig.8　The drivers’ average heart rate growth under 6Hz

圖9　7Hz下的平均心率增長率Fig.9　The drivers’ average heart rate growth under 7Hz

圖10　8Hz下的平均心率增長率Fig.10　The drivers’ average heart rate growth under 8Hz

圖11　9Hz下的平均心率增長率Fig.11　The drivers’ average heart rate growth under 9Hz

圖12　10Hz下的平均心率增長率Fig.12　The drivers’ average heart rate growth under 10Hz

圖13　11Hz下的平均心率增長率Fig.13　The drivers’ average heart rate growth under 11Hz

圖14　12Hz下的平均心率增長率Fig.14　The drivers’ average heart rate growth under 12Hz

圖15　13Hz下的平均心率增長率Fig.15　The drivers’ average heart rate growth under 13Hz

圖16　14Hz下的平均心率增長率Fig.16　The drivers’ average heart rate growth under 14Hz

圖17　15Hz下的平均心率增長率Fig.17　The drivers’ average heart rate growth under 15Hz

從圖中7個(gè)人的平均心率增長率中我們大致可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1)以上各圖的心率增長率都是由公式(2)算出的，它以被測試者安靜狀態(tài)下的心率作為標(biāo)準(zhǔn)，從圖中可以看出，從1～15Hz的幾乎所有心率增長率都在0值以上，這說明被測試的人員心理壓力較平常安靜的自然狀態(tài)下的心理壓力大。

2)從4～13Hz被測試人員的心率增長率都會(huì)有一個(gè)較高的峰值，且這個(gè)峰值一般都為整個(gè)測試階段的最大值，我們可以認(rèn)為在這個(gè)時(shí)刻的被測試人員的心理壓力很大，普遍出現(xiàn)了心理緊張，煩躁不安的狀態(tài)。

3)1～3Hz和14～15Hz這幾張圖中，被測試人員的心率增長率并沒有出現(xiàn)一個(gè)峰值和最大值，整個(gè)心率增長率大致呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢，我們可以認(rèn)為在這幾個(gè)頻閃頻率下的測試人員心理變化波動(dòng)不明顯，幾乎沒有出現(xiàn)特別煩躁或緊張的心理狀態(tài)。

4)考察每一張圖形當(dāng)中心率增長率的最大值，發(fā)現(xiàn)在1～6Hz和12～15Hz階段的心率增長率的最大值都小于20%，而在7～11Hz時(shí)，心率增長率的最大值甚至?xí)_(dá)到25%，由此可以看出在7～11Hz頻閃頻率下被測試人員的心理變化情況較其他頻閃下的變化情況更大。

5主觀調(diào)查問卷的處理

在每次視頻播放以后，每一位參與測試的實(shí)驗(yàn)人員都被要求填寫一份主觀調(diào)查問卷。調(diào)查問卷主要研究的是每一位被測試者觀看視頻的主觀感受，主觀感受主要分為生理心理兩類：心理上有心煩、壓抑、惡心、犯困，生理上的主觀感受有眼干、眼漲、流淚、惡心。被測試者要求在觀看視頻以后在相應(yīng)的主觀感受下面打勾，最后由參與實(shí)驗(yàn)的人員統(tǒng)計(jì)出不同頻閃頻率下產(chǎn)生以上各種主觀感受的人數(shù)。*由于每個(gè)人的主觀感受不盡相同，為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，除了上述參與心率信號(hào)搜集的7位人員，本實(shí)驗(yàn)又調(diào)查了其他13名測試者的觀察視頻后主觀感受。因此參加主觀感受調(diào)查的人共計(jì)有20人

為了從整體上掌握隧道頻閃對(duì)人的影響，我們將15個(gè)頻率下的主觀感受人數(shù)相加得到圖18與表3。

從圖18、表3中可以發(fā)現(xiàn)：

1)被測試者觀察視頻以后主要的主觀感受為眼干，眼漲和壓抑，其中眼干和眼漲是人出現(xiàn)視覺疲勞的主要感受之一，這說明隧道頻閃會(huì)對(duì)人的視覺產(chǎn)生一定的影響。而被測試者感到壓抑是人心理活動(dòng)的體現(xiàn)，這從另一方面說明了隧道頻閃會(huì)給人帶來一定的心理壓力。

表3　被測試人員主觀感受人數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖18　各頻率下主觀感受人數(shù)累計(jì)圖Fig.18　The total number of subjective feelings at different frequencies

2)當(dāng)隧道頻閃增加到一定的頻率時(shí)，部分被測試者會(huì)逐漸感到流淚、心煩、惡心等現(xiàn)象，同時(shí)這些現(xiàn)象大多集中在7～9Hz。

3)隨著頻率的增加，有不良主觀感受的人數(shù)大致呈先增加后減少的趨勢。當(dāng)頻率為8Hz時(shí)，被測試人員的不良主觀感受最多，這與人體對(duì)光源閃爍的視覺敏感曲線大致相符。

6實(shí)驗(yàn)總結(jié)

從以上的分析中可以看出，當(dāng)頻率在4～13Hz時(shí)，被測人員的心率會(huì)隨著時(shí)間出現(xiàn)一個(gè)峰值，這表明了在這段頻率下駕駛員的心理會(huì)出現(xiàn)明顯的不舒適感，在隧道照明設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)避開這一段頻閃頻率。同時(shí)，根據(jù)主觀調(diào)查表的分析,也驗(yàn)證了這樣的結(jié)果。綜上所述，合適的隧道頻閃頻率應(yīng)該小于4Hz或大于13Hz。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘旭輝，牟同升. 光源的閃爍效應(yīng)及閃爍的測量方法[C]//走近 CIE26th——中國照明學(xué)會(huì)(2005)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國照明學(xué)會(huì)，2005:94-96.

[2] 項(xiàng)立榕. 公路隧道應(yīng)該避開的“頻閃”區(qū)間[J]. 福建建筑，2014，7(193)：1-2.

[3] CIE 88—2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses.

[4] Wilson G F，Donnell R D. Measurement of operator workload with the neuropsychological workload test battery// In P.A. Haneoek, N.Meshkati (Eds.).Advances in Psychology，1988，(52)：63-100．

[5] Hart S G, Wiehens C D. Workload assessment and predietion//H.R.Booher(Ed.).ManPrint:an approach to systems integration. New York: VanNostrandReinhold，1990:257-296.

[6] 陳灝珠. 心率變異性的測定及其臨床意義[J]. 臨床心電學(xué)雜志，1994(4):55-58.

[7] 王書靈. 基于駕駛員心理反應(yīng)的山區(qū)雙車道公路極限坡度坡長研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005：31-32.

A Study on Tunnel Flicker’s Frequency based on Drivers’ Heart Rate

Li Monan，Liu Muqing

(InstituteforElectricLightSource,EngineeringResearchCenterofAdvancedTechnology,Ministryof

Education,fudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract：The tunnel flicker’s frequency is an important parameter in highway illumination design. This paper is based on human’s psychology and physiology indictor, through recording the changes of the heart rate and people’s subjective experience to analyze the influence of flicker’s frequency on drivers.

Key words:highway tunnel；heart rate；tunnel flicker frequency；heart rate growth

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.018