基于血液酒精濃度和腦電特征的酒后駕車(chē)事故傾向?qū)Ρ妊芯?/h1>
2013-03-10 08:12:24鐘銘恩吳平東彭軍強(qiáng)洪漢池廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院福建省高?，F(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造工程研究中心廈門(mén)6104
鐘銘恩 吳平東 彭軍強(qiáng) 洪漢池(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建省高?，F(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造工程研究中心，廈門(mén)6104)
2(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081)
3(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300160)
引言
酒后駕車(chē)作為引發(fā)交通事故的重要原因之一，是社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)表明:與酒后駕車(chē)有關(guān)的交通事故約占總數(shù)的25% ～33%;發(fā)達(dá)國(guó)家每年因道路交通事故傷害死亡的駕駛員中約19%的血液酒精濃度(blood alcohol concentration，BAC)超過(guò)法律允許值，中低收入國(guó)家約為32% ～69%［1-4］。駕駛員飲酒后的交通事故傾向研究對(duì)道路交通安全和違規(guī)問(wèn)責(zé)都具有重大意義。
目前，駕駛員血液酒精濃度是酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究的主要參數(shù)依據(jù)，其值與飲酒量和駕駛員對(duì)酒精的敏感性有關(guān)。由于不同駕駛員之間的生理、體質(zhì)和生活習(xí)慣等存在著個(gè)體差異，勢(shì)必導(dǎo)致酒精敏感個(gè)體差異性。因此，血液酒精濃度法的嚴(yán)謹(jǐn)性有待進(jìn)一步論證。
腦電認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展為上述問(wèn)題研究提供了一種新思路。苗奪謙等研究表明大腦在醉酒狀態(tài)下復(fù)雜度比正常狀態(tài)要高［5］。范金鋒等利用腦電的非線性特征區(qū)分出醉酒者和正常人的腦電［6］。Wu 等通過(guò)對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析得出腦電信號(hào)對(duì)攝入酒精有顯著反應(yīng)的結(jié)論［7］。Yazdani 等利用具有高斯內(nèi)核并帶KNN 觀測(cè)器的貝葉斯分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)了沉醉人員和正常人腦電的分類(lèi)［8］。Kousarrizi等成功利用SVM 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嗜酒人員腦電的Haar 小波功率譜分類(lèi)［9］。盡管這些研究主要針對(duì)重度飲酒人員，且研究結(jié)論多為定性或聚類(lèi)缺乏度量化，但結(jié)果表明:腦電信號(hào)能夠體現(xiàn)酒精對(duì)大腦中樞神經(jīng)的作用，腦電特征參數(shù)是酒后交通事故傾向分析的一種可行參數(shù)［10］。
本研究擬實(shí)驗(yàn)獲取駕駛員不同程度飲酒后的血液酒精濃度、腦電信號(hào)和事故傾向指標(biāo)，揭示各參數(shù)的變化規(guī)律和相互關(guān)系，并最終對(duì)比血液酒精濃度和腦電數(shù)值特征在酒后事故傾向分析時(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
考慮到酒后駕車(chē)的危險(xiǎn)性，為確保實(shí)驗(yàn)安全并實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)的道路交通環(huán)境，采用模擬駕駛替代實(shí)際駕駛，構(gòu)建如圖1 所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)用駕駛模擬器具備120 度視角和實(shí)時(shí)力反饋。采用美國(guó)INT公司生產(chǎn)的SD400 呼氣式酒精測(cè)試儀測(cè)量駕駛員的呼氣酒精濃度。采用日本光電公司生產(chǎn)的64 導(dǎo)聯(lián)SG224EEG -9200 數(shù)字腦電圖儀記錄駕駛員腦電信號(hào)。全程視頻記錄駕駛過(guò)程。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig． 1 Experiment platform construction for drunk driving
1.2 道路交通環(huán)境
設(shè)置模擬道路交通環(huán)境為夜間、市郊混合模式，與現(xiàn)實(shí)中酒后駕車(chē)的主要駕駛環(huán)境相似。設(shè)置道路總長(zhǎng)約為10 km。市區(qū)路段分別由(0.5 km、3 km 和3 km)長(zhǎng)的單行道、雙向4 車(chē)道和雙向6 車(chē)道路段組成，路面等級(jí)為二級(jí)，具備良好路燈照明。其中4 車(chē)道路段中間設(shè)置隔離柵欄，6 車(chē)道路段中間為雙黃實(shí)線。郊區(qū)路段由各長(zhǎng)1.5 km 的雙向雙車(chē)道和單車(chē)道路段組成，路面等級(jí)分別為三級(jí)和四級(jí)，無(wú)燈光照明。沿途隨機(jī)設(shè)置5 個(gè)限速路段，每段長(zhǎng)0.1 km，限速為40 km/h;隨機(jī)布置10 個(gè)具有交通信號(hào)指示和5 個(gè)無(wú)交通信號(hào)指示的十字路口;隨機(jī)布置10 個(gè)斑馬線。以上道路條件按《道路交通標(biāo)志與標(biāo)線》(GB/T5768 -1999)呈現(xiàn)相應(yīng)的標(biāo)志標(biāo)線。天氣情況設(shè)置為晴朗、微風(fēng)。設(shè)置中等車(chē)流、稀少行人、無(wú)塞車(chē)和道路阻斷。
1.3 步進(jìn)酒后狀態(tài)誘發(fā)
采用某品牌52% 酒精濃度白酒為實(shí)驗(yàn)用酒。引導(dǎo)被試駕駛員進(jìn)行飲酒習(xí)慣自評(píng)，獲取駕駛員主觀認(rèn)為的尚能保持較好身體平衡和意識(shí)時(shí)的最大飲入酒量，定義為主觀最大飲酒量(subjective maximum alcohol to drink，SMAD)。為誘發(fā)各種不同程度的酒后狀態(tài)，要求駕駛員每次飲酒量為主觀最大飲酒量的10%，稱(chēng)為步進(jìn)酒精注入。研究表明飲酒30 min 后，酒精對(duì)駕駛員的作用接近最大化。因此，每次步進(jìn)酒精注入后，等待25 ～35 min，此時(shí)認(rèn)為駕駛員的各種酒后狀態(tài)成功誘發(fā)。步進(jìn)酒精注入總次數(shù)為10，因此可獲得10 種不同程度的酒后狀態(tài)。
1.4 被試對(duì)象
隨機(jī)招募25 名獲得中華人民共和國(guó)C1 駕駛執(zhí)照并具備3 年以上駕齡的駕駛員，年齡介于18 ～45歲之間，身體健康，無(wú)嚴(yán)重精神疾病史和精神類(lèi)藥物服用史，屬于正常人群中選取的個(gè)體。根據(jù)模擬駕駛真實(shí)感反饋和酒后狀態(tài)誘發(fā)自評(píng)進(jìn)行被試樣本刪選。駕駛真實(shí)感設(shè)置“A 很刺激，和真實(shí)駕駛很像”、“B 不是很實(shí)際，但總體感覺(jué)還好”、“C 不難，比實(shí)際開(kāi)車(chē)簡(jiǎn)單”和“D 比實(shí)際開(kāi)車(chē)難”4 種封閉式選項(xiàng)。僅當(dāng)駕駛真實(shí)感為A 或B 且飲酒自評(píng)總體呈現(xiàn)“有醉意”時(shí)，認(rèn)為被試駕駛員屬于合格實(shí)驗(yàn)者，并結(jié)合駕駛員的實(shí)驗(yàn)參與意愿最終篩選出12 位合格被試駕駛員。
1.5 測(cè)量方案
對(duì)應(yīng)每種飲酒狀態(tài)，測(cè)量3 次駕駛員的呼氣酒精濃度取平均值，按照2200:1 的國(guó)際建議標(biāo)準(zhǔn)將駕駛員呼氣酒精濃度轉(zhuǎn)化為血液酒精濃度值。
腦電測(cè)量采用靜態(tài)方案，即在駕駛員靜坐狀態(tài)時(shí)測(cè)量，以減小因駕駛操控和眼部動(dòng)作等誘發(fā)出的腦電干擾。參數(shù)設(shè)置:①腦電采樣頻率為500 Hz;②信號(hào)頻率范圍為0.53 ～60 Hz;③歐洲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式EDF;④電極阻抗小于10 kΩ;⑤國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)10 -20 電極安放標(biāo)準(zhǔn);⑥電極通道選擇:額葉區(qū)F3、F4、C3、C4，頂葉區(qū)P3、P4，枕葉區(qū)O1、O2，顳葉區(qū)T3、T4;⑦左右側(cè)電極分別以左右耳部電極A1 和A2 為參考;⑧單級(jí)導(dǎo)聯(lián)。
1.6 實(shí)驗(yàn)流程
①實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、流程、注意事?xiàng)等介紹，消除駕駛員自發(fā)緊張、激動(dòng)等情緒;②進(jìn)行駕駛員飲酒習(xí)慣自評(píng)，獲取主觀最大飲酒量;③設(shè)置汽車(chē)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的駕駛環(huán)境，開(kāi)展模擬駕駛器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使被試駕駛員能夠熟練規(guī)范駕駛;④測(cè)量駕駛員未飲酒時(shí)BAC 值及腦電信號(hào)，實(shí)施模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，視頻記錄駕駛過(guò)程;⑤逐次誘發(fā)駕駛員各種飲酒狀態(tài)，重復(fù)步驟④，直到飲酒量達(dá)到主觀最大飲酒量為止;⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理。
每種酒后狀態(tài)進(jìn)行3 次駕駛實(shí)驗(yàn)，駕駛過(guò)程總時(shí)間控制在1 h 以內(nèi)，確保駕駛員體內(nèi)酒精含量不顯著變化。應(yīng)注意觀察和消除駕駛員情緒化和駕駛疲勞，以減小二者的誘發(fā)腦電對(duì)酒后腦電的疊加耦合效應(yīng)。
2 數(shù)據(jù)處理
2.1 交通事故傾向
根據(jù)酒后模擬駕駛視頻，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)不良和違規(guī)駕駛行為，分為3 類(lèi):Ⅰ類(lèi)，包括超速、斑馬線不減速、無(wú)信號(hào)燈十字路未減速和未開(kāi)指示燈隨意變更車(chē)道;Ⅱ類(lèi)，包括闖紅燈和壓、跨雙實(shí)線;Ⅲ類(lèi)，包括擦撞隔離柵欄、路邊固定障礙物、周邊車(chē)輛、非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人。定義事故傾向值(accident proneness，AP)為
式中，i 表示第i 次步進(jìn)酒精注入，i = 0 時(shí)表示未飲酒。λ 為事故危害權(quán)值，主要影響AP 值的尺度而很少影響其單調(diào)性(本研究主要研究各參數(shù)間的增減一致性)。根據(jù)3 類(lèi)交通違規(guī)肇事行為的危害度，采用相對(duì)簡(jiǎn)單的拋物線型加速等效法，每級(jí)事故危害度平方增加。最終在多次計(jì)算對(duì)比結(jié)果基礎(chǔ)上選取:λ1= 1，λ2= 3，λ3= 9 。Ni為i 階酒后狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各類(lèi)不良違規(guī)駕駛行為總數(shù)的平均值。
為減小駕駛員駕駛能力和操控熟練程度的個(gè)體差異影響，定義規(guī)范化事故傾向值(normalized accident proneness，NAP)為
NAP 越大，表明事故傾向性越大，駕駛能力越差。NAP0=0 表明駕駛員未飲酒時(shí)事故傾向相對(duì)變化為0，即駕駛能力不變。NAP ＜0 表明事故傾向減小，駕駛能力相比未飲酒時(shí)有所提高。
2.2 腦電特征值
對(duì)象確定:對(duì)比發(fā)現(xiàn)采集于左額葉區(qū)F3 電極通道的腦電隨飲酒量增加而變化明顯，這種變化存在于所有被試駕駛員之間，具有相對(duì)普遍性，其波形如圖2 所示。由圖可知:飲酒量較小時(shí)，腦電中的低頻和高頻成分在各個(gè)通道處的幅值都增加，駕駛員處于相對(duì)興奮狀態(tài);隨著飲酒量的加大，大腦對(duì)外界信息的應(yīng)激能力減弱，大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的隨機(jī)性減小，放電有序性增加，呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的類(lèi)周期波形?？商崛〈祟?lèi)低頻周期信號(hào)作為普遍存在于不同駕駛員間的受酒精影響明顯的腦電信號(hào)成分，將這些腦電分量定義為共變腦電，主要是0.5 ～4Hz 的δ 波。綜上，最終確定左額葉區(qū)腦電δ 波為數(shù)值處理對(duì)象。
信號(hào)提取:利用Daubechies 小波對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分解。通常Daubechies 系中的小波基記為dbN，N 為支撐長(zhǎng)度，N 值越小，可檢測(cè)尺度越小。本研究利用db5 小波分解腦電信號(hào)，得到7 個(gè)分量，按頻率從高到低順序依次為cd1、cd2、cd3、cd4、cd5、cd6 和cd7，分別代表125 ～250 Hz、64 ～125 Hz、32 ～64 Hz、16 ～32 Hz、8 ～16 Hz、4 ～8 Hz 和0 ～4 Hz 頻率范圍的信號(hào)分量?？梢?jiàn):cd7 即為δ 波，是駕駛員受酒精影響顯著的共變腦電。
數(shù)值計(jì)算:計(jì)算cd7 的平均功率值Pδ。為減小駕駛員腦電在數(shù)值上的個(gè)性差異，定義規(guī)范化腦電δ 波功率增益(normalized power gain，NPG)為
式中，Pδi為駕駛員i 次步進(jìn)酒精注入后的腦電δ 波信號(hào)分量的平均功率。
本研究對(duì)比分析血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 分別與規(guī)范化事故傾向值NAP 之間的數(shù)值關(guān)系。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)式(1)～式(3)分別計(jì)算12 位被試駕駛員不同程度飲酒后的規(guī)范化事故傾向值NAP 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG。
3.1 典型分布
12 位駕駛員中，11 位駕駛員的規(guī)范化事故傾向值NAP、血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 符合圖3 所示數(shù)值分布規(guī)律，約占樣本總數(shù)的92%。(不同駕駛員間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅在具體數(shù)值上有所差異，本研究不做討論。)
圖2 駕駛員不同程度飲酒后左額葉區(qū)F3 電極通道腦電圖。(a)未飲酒;(b)飲酒量為20%主觀最大飲酒量;(c)飲酒量為60%主觀最大飲酒量;(d)飲酒量為主觀最大飲酒量Fig．2 EEG acquired from the F3 electrode in the left frontal lobe area of the drunk driver． (a)No drinking;(b)Intake 20% of SMAD;(c)Intake 60% of SMAD;(d)Intake 100% of SMAD
圖3 不同程度飲酒后各指標(biāo)的典型分布規(guī)律Fig．3 Typical distribution of the parameters．
從圖3 可知，隨著駕駛員飲酒量的增加:
①BAC 近似線性單調(diào)遞增。
②NAP 單調(diào)遞增。在飲酒量小于50% 最大主觀飲酒量前，NAP 增加不顯著。當(dāng)飲酒量超過(guò)50%最大主觀飲酒量時(shí)，NAP 迅速增加，且增加的速率加大。飲酒量達(dá)60%最大主觀飲酒量時(shí)，事故傾向相比未飲酒時(shí)約增加1 倍;80% 時(shí)，約增加3 倍;100%時(shí)，盡管駕駛員主觀認(rèn)為此時(shí)尚有較好平衡和意識(shí)狀態(tài)，但事故傾向約增加11 倍。
③NPG 單調(diào)增加，飲酒量小于50%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 增加緩慢;當(dāng)飲酒量超過(guò)50%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 迅速增加，且增加的速率加大。如飲酒量達(dá)60%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 相比未飲酒時(shí)約增加1 倍;80% 時(shí)，約增加2 倍;100% 時(shí)，約增加5 倍。
將這類(lèi)分布規(guī)律歸為典型。
3.2 特殊分布
12 位駕駛員中，1 位駕駛員的NAP、BAC 和NPG 數(shù)值符合圖4 所示規(guī)律，約占樣本總數(shù)的8%。
圖4 各曲線變化趨勢(shì)總體類(lèi)似典型分布，但存在如下主要不同:
①該駕駛員在飲用約25 ～75 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒后(對(duì)應(yīng)BAC 值約為17 ～54 mg/100 mL)，NAP 相比未飲酒時(shí)有所減小，在飲入約50 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒后(BAC 值約為28 mg/100 mL)，NAP 值接近最小值，約為-0.4。這說(shuō)明:此期間駕駛員的事故傾向和未飲酒時(shí)相比有所下降，最大減小約40%概率。
②在飲入約25 ～75 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒這一期間，NPG 數(shù)值單調(diào)性和BAC 嚴(yán)格保持一致:先單調(diào)遞減至最小值后單調(diào)遞增。
將這類(lèi)分布規(guī)律歸為特殊。
圖4 不同程度飲酒后各指標(biāo)的特殊分布規(guī)律Fig．4 Special distribution of the parameters．
4 討論和結(jié)論
大部分駕駛員飲酒后，交通事故傾向性增加，且飲酒達(dá)50% 最大主觀飲酒量后急劇增加。這點(diǎn)結(jié)論和現(xiàn)有主流學(xué)術(shù)觀點(diǎn)相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了防治酒后駕車(chē)行為提高道路交通安全的必要性。
存在某些駕駛員在飲用一定量酒精后，交通事故傾向性指標(biāo)反而減小的現(xiàn)象，即駕駛能力反而有所提高。這點(diǎn)結(jié)論說(shuō)明:酒精對(duì)大腦中樞神經(jīng)的作用機(jī)理除了普遍存在的消極(麻醉)抑制，也存在著積極(刺激)激勵(lì)。我國(guó)自2011 年5 月1 日起，正式施行刑法修正案(八)，即規(guī)定“醉駕一律入刑”的零容忍政策，然而，世界上大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家卻都允許駕駛員飲用一定量酒精后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)。從法律人性化的角度出發(fā)，我國(guó)道路交通安全法規(guī)的基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步完善。
對(duì)于不同的駕駛員，血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化事故傾向值NAP，在駕駛員不同飲酒狀態(tài)下可能具有不一致的單調(diào)區(qū)間，即數(shù)值增減性不完全相同。這說(shuō)明盡管現(xiàn)有以血液酒精濃度為參數(shù)基礎(chǔ)的酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究在大部分情況下是合理有效的，但從某種意義上指出血液酒精濃度在某些應(yīng)用場(chǎng)合可能導(dǎo)致判斷或問(wèn)責(zé)錯(cuò)誤，缺乏充分的嚴(yán)謹(jǐn)性。
相比而言，規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 和NAP 在駕駛員各飲酒狀態(tài)下都保持著較好的增減一致性。這表明:NPG 和BAC 相比，能夠更準(zhǔn)確的反映駕駛員飲酒后的交通事故傾向變化?？梢?jiàn)，從駕駛員腦電生理信號(hào)的角度研究酒后駕車(chē)的預(yù)警和問(wèn)責(zé)技術(shù)是一種可行有效的新穎思路。
血液酒精濃度已被廣泛作為數(shù)值參考應(yīng)用于酒后駕車(chē)預(yù)警技術(shù)研究和事故問(wèn)責(zé)，但本研究表明，規(guī)范化腦電δ 波功率增益相比而言可能是一種更嚴(yán)謹(jǐn)有效的方法。從駕駛員腦電信號(hào)角度開(kāi)展酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究值得更多關(guān)注和期待。需要指出的是，本研究出于安全考慮采用模擬駕駛代替實(shí)際駕駛，且試驗(yàn)樣本總數(shù)較少，因此腦電的規(guī)范化δ 波功率增益和實(shí)際駕駛中的事故傾向值之間的確定性數(shù)值關(guān)系有待進(jìn)一步探討。
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鐘銘恩 吳平東 彭軍強(qiáng) 洪漢池(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建省高?，F(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造工程研究中心，廈門(mén)6104)
2(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081)
3(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300160)
引言
酒后駕車(chē)作為引發(fā)交通事故的重要原因之一，是社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。數(shù)據(jù)表明:與酒后駕車(chē)有關(guān)的交通事故約占總數(shù)的25% ～33%;發(fā)達(dá)國(guó)家每年因道路交通事故傷害死亡的駕駛員中約19%的血液酒精濃度(blood alcohol concentration，BAC)超過(guò)法律允許值，中低收入國(guó)家約為32% ～69%［1-4］。駕駛員飲酒后的交通事故傾向研究對(duì)道路交通安全和違規(guī)問(wèn)責(zé)都具有重大意義。
目前，駕駛員血液酒精濃度是酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究的主要參數(shù)依據(jù)，其值與飲酒量和駕駛員對(duì)酒精的敏感性有關(guān)。由于不同駕駛員之間的生理、體質(zhì)和生活習(xí)慣等存在著個(gè)體差異，勢(shì)必導(dǎo)致酒精敏感個(gè)體差異性。因此，血液酒精濃度法的嚴(yán)謹(jǐn)性有待進(jìn)一步論證。
腦電認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展為上述問(wèn)題研究提供了一種新思路。苗奪謙等研究表明大腦在醉酒狀態(tài)下復(fù)雜度比正常狀態(tài)要高［5］。范金鋒等利用腦電的非線性特征區(qū)分出醉酒者和正常人的腦電［6］。Wu 等通過(guò)對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析得出腦電信號(hào)對(duì)攝入酒精有顯著反應(yīng)的結(jié)論［7］。Yazdani 等利用具有高斯內(nèi)核并帶KNN 觀測(cè)器的貝葉斯分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)了沉醉人員和正常人腦電的分類(lèi)［8］。Kousarrizi等成功利用SVM 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嗜酒人員腦電的Haar 小波功率譜分類(lèi)［9］。盡管這些研究主要針對(duì)重度飲酒人員，且研究結(jié)論多為定性或聚類(lèi)缺乏度量化，但結(jié)果表明:腦電信號(hào)能夠體現(xiàn)酒精對(duì)大腦中樞神經(jīng)的作用，腦電特征參數(shù)是酒后交通事故傾向分析的一種可行參數(shù)［10］。
本研究擬實(shí)驗(yàn)獲取駕駛員不同程度飲酒后的血液酒精濃度、腦電信號(hào)和事故傾向指標(biāo)，揭示各參數(shù)的變化規(guī)律和相互關(guān)系，并最終對(duì)比血液酒精濃度和腦電數(shù)值特征在酒后事故傾向分析時(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
考慮到酒后駕車(chē)的危險(xiǎn)性，為確保實(shí)驗(yàn)安全并實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)的道路交通環(huán)境，采用模擬駕駛替代實(shí)際駕駛，構(gòu)建如圖1 所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)用駕駛模擬器具備120 度視角和實(shí)時(shí)力反饋。采用美國(guó)INT公司生產(chǎn)的SD400 呼氣式酒精測(cè)試儀測(cè)量駕駛員的呼氣酒精濃度。采用日本光電公司生產(chǎn)的64 導(dǎo)聯(lián)SG224EEG -9200 數(shù)字腦電圖儀記錄駕駛員腦電信號(hào)。全程視頻記錄駕駛過(guò)程。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig． 1 Experiment platform construction for drunk driving
1.2 道路交通環(huán)境
設(shè)置模擬道路交通環(huán)境為夜間、市郊混合模式，與現(xiàn)實(shí)中酒后駕車(chē)的主要駕駛環(huán)境相似。設(shè)置道路總長(zhǎng)約為10 km。市區(qū)路段分別由(0.5 km、3 km 和3 km)長(zhǎng)的單行道、雙向4 車(chē)道和雙向6 車(chē)道路段組成，路面等級(jí)為二級(jí)，具備良好路燈照明。其中4 車(chē)道路段中間設(shè)置隔離柵欄，6 車(chē)道路段中間為雙黃實(shí)線。郊區(qū)路段由各長(zhǎng)1.5 km 的雙向雙車(chē)道和單車(chē)道路段組成，路面等級(jí)分別為三級(jí)和四級(jí)，無(wú)燈光照明。沿途隨機(jī)設(shè)置5 個(gè)限速路段，每段長(zhǎng)0.1 km，限速為40 km/h;隨機(jī)布置10 個(gè)具有交通信號(hào)指示和5 個(gè)無(wú)交通信號(hào)指示的十字路口;隨機(jī)布置10 個(gè)斑馬線。以上道路條件按《道路交通標(biāo)志與標(biāo)線》(GB/T5768 -1999)呈現(xiàn)相應(yīng)的標(biāo)志標(biāo)線。天氣情況設(shè)置為晴朗、微風(fēng)。設(shè)置中等車(chē)流、稀少行人、無(wú)塞車(chē)和道路阻斷。
1.3 步進(jìn)酒后狀態(tài)誘發(fā)
采用某品牌52% 酒精濃度白酒為實(shí)驗(yàn)用酒。引導(dǎo)被試駕駛員進(jìn)行飲酒習(xí)慣自評(píng)，獲取駕駛員主觀認(rèn)為的尚能保持較好身體平衡和意識(shí)時(shí)的最大飲入酒量，定義為主觀最大飲酒量(subjective maximum alcohol to drink，SMAD)。為誘發(fā)各種不同程度的酒后狀態(tài)，要求駕駛員每次飲酒量為主觀最大飲酒量的10%，稱(chēng)為步進(jìn)酒精注入。研究表明飲酒30 min 后，酒精對(duì)駕駛員的作用接近最大化。因此，每次步進(jìn)酒精注入后，等待25 ～35 min，此時(shí)認(rèn)為駕駛員的各種酒后狀態(tài)成功誘發(fā)。步進(jìn)酒精注入總次數(shù)為10，因此可獲得10 種不同程度的酒后狀態(tài)。
1.4 被試對(duì)象
隨機(jī)招募25 名獲得中華人民共和國(guó)C1 駕駛執(zhí)照并具備3 年以上駕齡的駕駛員，年齡介于18 ～45歲之間，身體健康，無(wú)嚴(yán)重精神疾病史和精神類(lèi)藥物服用史，屬于正常人群中選取的個(gè)體。根據(jù)模擬駕駛真實(shí)感反饋和酒后狀態(tài)誘發(fā)自評(píng)進(jìn)行被試樣本刪選。駕駛真實(shí)感設(shè)置“A 很刺激，和真實(shí)駕駛很像”、“B 不是很實(shí)際，但總體感覺(jué)還好”、“C 不難，比實(shí)際開(kāi)車(chē)簡(jiǎn)單”和“D 比實(shí)際開(kāi)車(chē)難”4 種封閉式選項(xiàng)。僅當(dāng)駕駛真實(shí)感為A 或B 且飲酒自評(píng)總體呈現(xiàn)“有醉意”時(shí)，認(rèn)為被試駕駛員屬于合格實(shí)驗(yàn)者，并結(jié)合駕駛員的實(shí)驗(yàn)參與意愿最終篩選出12 位合格被試駕駛員。
1.5 測(cè)量方案
對(duì)應(yīng)每種飲酒狀態(tài)，測(cè)量3 次駕駛員的呼氣酒精濃度取平均值，按照2200:1 的國(guó)際建議標(biāo)準(zhǔn)將駕駛員呼氣酒精濃度轉(zhuǎn)化為血液酒精濃度值。
腦電測(cè)量采用靜態(tài)方案，即在駕駛員靜坐狀態(tài)時(shí)測(cè)量，以減小因駕駛操控和眼部動(dòng)作等誘發(fā)出的腦電干擾。參數(shù)設(shè)置:①腦電采樣頻率為500 Hz;②信號(hào)頻率范圍為0.53 ～60 Hz;③歐洲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式EDF;④電極阻抗小于10 kΩ;⑤國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)10 -20 電極安放標(biāo)準(zhǔn);⑥電極通道選擇:額葉區(qū)F3、F4、C3、C4，頂葉區(qū)P3、P4，枕葉區(qū)O1、O2，顳葉區(qū)T3、T4;⑦左右側(cè)電極分別以左右耳部電極A1 和A2 為參考;⑧單級(jí)導(dǎo)聯(lián)。
1.6 實(shí)驗(yàn)流程
①實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、流程、注意事?xiàng)等介紹，消除駕駛員自發(fā)緊張、激動(dòng)等情緒;②進(jìn)行駕駛員飲酒習(xí)慣自評(píng)，獲取主觀最大飲酒量;③設(shè)置汽車(chē)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的駕駛環(huán)境，開(kāi)展模擬駕駛器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使被試駕駛員能夠熟練規(guī)范駕駛;④測(cè)量駕駛員未飲酒時(shí)BAC 值及腦電信號(hào)，實(shí)施模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，視頻記錄駕駛過(guò)程;⑤逐次誘發(fā)駕駛員各種飲酒狀態(tài)，重復(fù)步驟④，直到飲酒量達(dá)到主觀最大飲酒量為止;⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理。
每種酒后狀態(tài)進(jìn)行3 次駕駛實(shí)驗(yàn)，駕駛過(guò)程總時(shí)間控制在1 h 以內(nèi)，確保駕駛員體內(nèi)酒精含量不顯著變化。應(yīng)注意觀察和消除駕駛員情緒化和駕駛疲勞，以減小二者的誘發(fā)腦電對(duì)酒后腦電的疊加耦合效應(yīng)。
2 數(shù)據(jù)處理
2.1 交通事故傾向
根據(jù)酒后模擬駕駛視頻，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)不良和違規(guī)駕駛行為，分為3 類(lèi):Ⅰ類(lèi)，包括超速、斑馬線不減速、無(wú)信號(hào)燈十字路未減速和未開(kāi)指示燈隨意變更車(chē)道;Ⅱ類(lèi)，包括闖紅燈和壓、跨雙實(shí)線;Ⅲ類(lèi)，包括擦撞隔離柵欄、路邊固定障礙物、周邊車(chē)輛、非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人。定義事故傾向值(accident proneness，AP)為
式中，i 表示第i 次步進(jìn)酒精注入，i = 0 時(shí)表示未飲酒。λ 為事故危害權(quán)值，主要影響AP 值的尺度而很少影響其單調(diào)性(本研究主要研究各參數(shù)間的增減一致性)。根據(jù)3 類(lèi)交通違規(guī)肇事行為的危害度，采用相對(duì)簡(jiǎn)單的拋物線型加速等效法，每級(jí)事故危害度平方增加。最終在多次計(jì)算對(duì)比結(jié)果基礎(chǔ)上選取:λ1= 1，λ2= 3，λ3= 9 。Ni為i 階酒后狀態(tài)對(duì)應(yīng)的各類(lèi)不良違規(guī)駕駛行為總數(shù)的平均值。
為減小駕駛員駕駛能力和操控熟練程度的個(gè)體差異影響，定義規(guī)范化事故傾向值(normalized accident proneness，NAP)為
NAP 越大，表明事故傾向性越大，駕駛能力越差。NAP0=0 表明駕駛員未飲酒時(shí)事故傾向相對(duì)變化為0，即駕駛能力不變。NAP ＜0 表明事故傾向減小，駕駛能力相比未飲酒時(shí)有所提高。
2.2 腦電特征值
對(duì)象確定:對(duì)比發(fā)現(xiàn)采集于左額葉區(qū)F3 電極通道的腦電隨飲酒量增加而變化明顯，這種變化存在于所有被試駕駛員之間，具有相對(duì)普遍性，其波形如圖2 所示。由圖可知:飲酒量較小時(shí)，腦電中的低頻和高頻成分在各個(gè)通道處的幅值都增加，駕駛員處于相對(duì)興奮狀態(tài);隨著飲酒量的加大，大腦對(duì)外界信息的應(yīng)激能力減弱，大腦皮層神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的隨機(jī)性減小，放電有序性增加，呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的類(lèi)周期波形?？商崛〈祟?lèi)低頻周期信號(hào)作為普遍存在于不同駕駛員間的受酒精影響明顯的腦電信號(hào)成分，將這些腦電分量定義為共變腦電，主要是0.5 ～4Hz 的δ 波。綜上，最終確定左額葉區(qū)腦電δ 波為數(shù)值處理對(duì)象。
信號(hào)提取:利用Daubechies 小波對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行分解。通常Daubechies 系中的小波基記為dbN，N 為支撐長(zhǎng)度，N 值越小，可檢測(cè)尺度越小。本研究利用db5 小波分解腦電信號(hào)，得到7 個(gè)分量，按頻率從高到低順序依次為cd1、cd2、cd3、cd4、cd5、cd6 和cd7，分別代表125 ～250 Hz、64 ～125 Hz、32 ～64 Hz、16 ～32 Hz、8 ～16 Hz、4 ～8 Hz 和0 ～4 Hz 頻率范圍的信號(hào)分量?？梢?jiàn):cd7 即為δ 波，是駕駛員受酒精影響顯著的共變腦電。
數(shù)值計(jì)算:計(jì)算cd7 的平均功率值Pδ。為減小駕駛員腦電在數(shù)值上的個(gè)性差異，定義規(guī)范化腦電δ 波功率增益(normalized power gain，NPG)為
式中，Pδi為駕駛員i 次步進(jìn)酒精注入后的腦電δ 波信號(hào)分量的平均功率。
本研究對(duì)比分析血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 分別與規(guī)范化事故傾向值NAP 之間的數(shù)值關(guān)系。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)式(1)～式(3)分別計(jì)算12 位被試駕駛員不同程度飲酒后的規(guī)范化事故傾向值NAP 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG。
3.1 典型分布
12 位駕駛員中，11 位駕駛員的規(guī)范化事故傾向值NAP、血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 符合圖3 所示數(shù)值分布規(guī)律，約占樣本總數(shù)的92%。(不同駕駛員間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅在具體數(shù)值上有所差異，本研究不做討論。)
圖2 駕駛員不同程度飲酒后左額葉區(qū)F3 電極通道腦電圖。(a)未飲酒;(b)飲酒量為20%主觀最大飲酒量;(c)飲酒量為60%主觀最大飲酒量;(d)飲酒量為主觀最大飲酒量Fig．2 EEG acquired from the F3 electrode in the left frontal lobe area of the drunk driver． (a)No drinking;(b)Intake 20% of SMAD;(c)Intake 60% of SMAD;(d)Intake 100% of SMAD
圖3 不同程度飲酒后各指標(biāo)的典型分布規(guī)律Fig．3 Typical distribution of the parameters．
從圖3 可知，隨著駕駛員飲酒量的增加:
①BAC 近似線性單調(diào)遞增。
②NAP 單調(diào)遞增。在飲酒量小于50% 最大主觀飲酒量前，NAP 增加不顯著。當(dāng)飲酒量超過(guò)50%最大主觀飲酒量時(shí)，NAP 迅速增加，且增加的速率加大。飲酒量達(dá)60%最大主觀飲酒量時(shí)，事故傾向相比未飲酒時(shí)約增加1 倍;80% 時(shí)，約增加3 倍;100%時(shí)，盡管駕駛員主觀認(rèn)為此時(shí)尚有較好平衡和意識(shí)狀態(tài)，但事故傾向約增加11 倍。
③NPG 單調(diào)增加，飲酒量小于50%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 增加緩慢;當(dāng)飲酒量超過(guò)50%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 迅速增加，且增加的速率加大。如飲酒量達(dá)60%最大主觀飲酒量時(shí)，NPG 相比未飲酒時(shí)約增加1 倍;80% 時(shí)，約增加2 倍;100% 時(shí)，約增加5 倍。
將這類(lèi)分布規(guī)律歸為典型。
3.2 特殊分布
12 位駕駛員中，1 位駕駛員的NAP、BAC 和NPG 數(shù)值符合圖4 所示規(guī)律，約占樣本總數(shù)的8%。
圖4 各曲線變化趨勢(shì)總體類(lèi)似典型分布，但存在如下主要不同:
①該駕駛員在飲用約25 ～75 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒后(對(duì)應(yīng)BAC 值約為17 ～54 mg/100 mL)，NAP 相比未飲酒時(shí)有所減小，在飲入約50 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒后(BAC 值約為28 mg/100 mL)，NAP 值接近最小值，約為-0.4。這說(shuō)明:此期間駕駛員的事故傾向和未飲酒時(shí)相比有所下降，最大減小約40%概率。
②在飲入約25 ～75 mL 實(shí)驗(yàn)用白酒這一期間，NPG 數(shù)值單調(diào)性和BAC 嚴(yán)格保持一致:先單調(diào)遞減至最小值后單調(diào)遞增。
將這類(lèi)分布規(guī)律歸為特殊。
圖4 不同程度飲酒后各指標(biāo)的特殊分布規(guī)律Fig．4 Special distribution of the parameters．
4 討論和結(jié)論
大部分駕駛員飲酒后，交通事故傾向性增加，且飲酒達(dá)50% 最大主觀飲酒量后急劇增加。這點(diǎn)結(jié)論和現(xiàn)有主流學(xué)術(shù)觀點(diǎn)相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了防治酒后駕車(chē)行為提高道路交通安全的必要性。
存在某些駕駛員在飲用一定量酒精后，交通事故傾向性指標(biāo)反而減小的現(xiàn)象，即駕駛能力反而有所提高。這點(diǎn)結(jié)論說(shuō)明:酒精對(duì)大腦中樞神經(jīng)的作用機(jī)理除了普遍存在的消極(麻醉)抑制，也存在著積極(刺激)激勵(lì)。我國(guó)自2011 年5 月1 日起，正式施行刑法修正案(八)，即規(guī)定“醉駕一律入刑”的零容忍政策，然而，世界上大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家卻都允許駕駛員飲用一定量酒精后駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)。從法律人性化的角度出發(fā)，我國(guó)道路交通安全法規(guī)的基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步完善。
對(duì)于不同的駕駛員，血液酒精濃度BAC 和規(guī)范化事故傾向值NAP，在駕駛員不同飲酒狀態(tài)下可能具有不一致的單調(diào)區(qū)間，即數(shù)值增減性不完全相同。這說(shuō)明盡管現(xiàn)有以血液酒精濃度為參數(shù)基礎(chǔ)的酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究在大部分情況下是合理有效的，但從某種意義上指出血液酒精濃度在某些應(yīng)用場(chǎng)合可能導(dǎo)致判斷或問(wèn)責(zé)錯(cuò)誤，缺乏充分的嚴(yán)謹(jǐn)性。
相比而言，規(guī)范化腦電δ 波功率增益NPG 和NAP 在駕駛員各飲酒狀態(tài)下都保持著較好的增減一致性。這表明:NPG 和BAC 相比，能夠更準(zhǔn)確的反映駕駛員飲酒后的交通事故傾向變化?？梢?jiàn)，從駕駛員腦電生理信號(hào)的角度研究酒后駕車(chē)的預(yù)警和問(wèn)責(zé)技術(shù)是一種可行有效的新穎思路。
血液酒精濃度已被廣泛作為數(shù)值參考應(yīng)用于酒后駕車(chē)預(yù)警技術(shù)研究和事故問(wèn)責(zé)，但本研究表明，規(guī)范化腦電δ 波功率增益相比而言可能是一種更嚴(yán)謹(jǐn)有效的方法。從駕駛員腦電信號(hào)角度開(kāi)展酒后駕車(chē)問(wèn)題及對(duì)策研究值得更多關(guān)注和期待。需要指出的是，本研究出于安全考慮采用模擬駕駛代替實(shí)際駕駛，且試驗(yàn)樣本總數(shù)較少，因此腦電的規(guī)范化δ 波功率增益和實(shí)際駕駛中的事故傾向值之間的確定性數(shù)值關(guān)系有待進(jìn)一步探討。
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