駕駛人公路駕車過程中主要生理參數(shù)變化規(guī)律研究

胡立偉,林玉珍

(昆明理工大學 交通工程學院,昆明 650500)

駕駛人公路駕車過程中主要生理參數(shù)變化規(guī)律研究

胡立偉*,林玉珍

(昆明理工大學 交通工程學院,昆明 650500)

為了探究駕駛人在不同等級公路上駕車過程中生理心理指標變化情況,本文利用 Nexus-10 多通道生物生理記錄儀,對駕駛人在 4 類等級公路上進行了實車動態(tài)測試實驗.通過對實驗采集的生理特性指標(腦電圖、心率、血容量、呼吸等)數(shù)據(jù)深入分析,得到不同類駕駛人在不同等級公路上駕車過程中的主要生理特性指標動態(tài)變化規(guī)律,并對規(guī)律的差異性及其中的峰值產生原因進行了深入分析.本文實驗過程與方法及其分析結論可為公路線形設計、交通設施設計設置、交通環(huán)境治理等提供實驗依據(jù),為公路交通管理與控制等提供實驗與理論參考.

公路運輸;生理指標;駕駛人;腦電圖;心率;血容量;呼吸

1 引 言

上世紀 90 年代初,我國道路交通領域的學者就以道路參與者的交通需求與生理心理反應特性作為道路線形設計的理論基礎.鄭柯[1]用動態(tài)心電儀、呼吸儀及皮電儀研究了駕駛人的心率、呼吸等生理指標與高等級公路線形之間的聯(lián)系,并得到駕駛人心率指標變化與車速、公路曲線半徑間的回歸模型.閆瑩[2]研究了公路長大下坡對駕駛人心率的影響,得到心率指標與行車速度、線形指標間的回歸模型.喬建剛[3]研究了呼吸率、心率等生理指標與山區(qū)公路線形的關系,分析了呼吸率、心率等生理指標與公路的坡度、坡長、車速等之間的聯(lián)系.唐登科[4]研究了在不同等級公路上,以不同車速行駛時,駕駛人生理變化規(guī)律,得出心率與平曲線半徑的關系,并得出公路縱坡、平曲線半徑的組合指標與車速、心率指標線性相關.張祖懷[5]分析了駕駛疲勞形成過程的心率、呼吸率、肌電等生理指標的變化規(guī)律,提出了基于駕駛人生理信號的駕駛疲勞研究方法.潘曉東[6]通過測試駕駛人駕駛過程中的血壓、心率等生理指標數(shù)據(jù),得出了山區(qū)公路曲線半徑與駕駛人生理變化規(guī)律的關系.

國外道路交通專家在駕駛人生理方面的研究起步較早,取得了許多有益的研究成果,對目前國內在該領域的研究具有一定的參考價值.Peter Richter、Thomas Wagner 等[7]研究了鄉(xiāng)村公路上駕駛人生理負荷,建立了皮電、心率等生理指標與公路曲率變化率間的關系模型.Furuichi、 Tomoki等[8]測量了駕駛人在“S”形公路上不同行車速度的心率等生理指標,研究“S”形公路對駕駛人生理產生的影響.Bong -Jo Chung[9]利用腦電圖研究不同公路線形與駕駛疲勞的關系,并分析了公路匝道進出口駕駛人生理緊張狀況.Ashley Craig 等[10]利用眼動、肌電和腦電等生理指標研究了駕駛疲勞,并采用問卷調查比較了駕駛疲勞產生前后的駕駛人生理指標的變化情況.Sibsambhu Kar 等[11]通過采集四種腦電波( α波、 β 波、θ波、δ波 ),分析了四種腦電波的熵值,據(jù)此對駕駛人駕駛疲勞程度進行了評估.

本文運用 Nexus-10 多通道生物生理記錄儀,遴選了不同年齡、性別、駕齡及教育程度的駕駛人,采集在不同等級公路上駕駛過程中的腦電圖、心率、血容量、呼吸等生理信號,分析了駕駛人駕車過程中腦電圖、心率、、血容量、呼吸等生理指標數(shù)據(jù)在不同等級公路或不同公路交通設施環(huán)境下的動態(tài)變化規(guī)律.

2 實驗路線選擇

實驗路線選取了包括高速公路、一級公路、二級公路及三級公路四類公路類型.通過實地考察選擇的實驗路線如表1所示.

表1 實驗路線Table1 Experimental route

3 駕駛人腦電圖(EEG)變化規(guī)律分析

對四類腦電波形研究發(fā)現(xiàn):α波的出現(xiàn)表明駕駛人對外界信息刺激不敏感,反應較為遲鈍;β 波的出現(xiàn)意味著駕駛人處于興奮或清醒狀態(tài);駕駛人在放松情況下,θ波的出現(xiàn)頻率將大幅增加,δ波的出現(xiàn)頻率也明顯增多(由于這兩類波規(guī)律相近,本文分析時選擇 θ波),這兩種波形能夠反映駕駛人操作、判斷及接收處理公路交通信息能力.對測試對象1 個小時內采集的腦電圖(EEG)數(shù)據(jù),按 3 min 間隔求取均值,分析駕駛人的 α 波、β 波、θ波(簡稱三類腦電波)動態(tài)變異系數(shù).對所采集的數(shù)據(jù)進行降噪處理,通過傅里葉變換得到每個時間間隔的 α 波、β 波、θ波功率及出現(xiàn)的概率,得到其均值與標準差如表2所示.

傅里葉變換基本原理:若f(t)為定義在(- ∞ ,+ ∞ )上的函數(shù),且f(t)在任何一個有限區(qū)間上滿足狄利克雷條件,(f(t) 在 (- ∞ ,+ ∞ )上一定可以積分,即的傅里葉變換收斂),可得到

傅里葉變換與逆變換:若函數(shù) f(t) 滿足傅里葉積分定理條件,稱式為 f(t) 的傅里葉變換,式F(ω) 的逆變換.

表2 三類腦電波各時段出現(xiàn)頻率均值與標準差Table2 The mean and standard deviation of occurrence probability of α,β,θ

根據(jù)三類典型腦電波各時段出現(xiàn)頻率的均值與標準差,計算得其變異系數(shù),如表3 所示.α 波、β波、θ波出現(xiàn)率及其變異系數(shù)隨時間變化規(guī)律如圖1、圖2 所示.

表3 三類腦電波的變異系數(shù)Table3 The coefficient of variation of α,β,θ

圖1 腦電波出現(xiàn)率的變化規(guī)律Fig.1 The variation law of occurrence probability of α,β,θ

圖2 腦電波變異系數(shù)的變化規(guī)律Fig.2 The variation law of coefficient of variation of α,β,θ

研究發(fā)現(xiàn),在公路駕車過程中 α 波、θ波隨駕駛人接收到交通信息量逐漸積累,它們出現(xiàn)頻率呈上升趨勢,而 β 波出現(xiàn)頻率呈下降趨勢,說明隨著外界交通信息量增加,α 波、θ波出現(xiàn)的更加頻繁,而 β波的出現(xiàn)的頻率有所減少,尤其在交通設施多、給駕駛人造成信息過載影響的路段更是如此,這反映了駕駛人對公路交通設施傳遞信息量過多的地方存在接收分析處理能力下降的問題.圖1、圖2中的峰值體現(xiàn)了公路交通環(huán)境復雜、交通設施傳遞的信息過大給駕駛人腦電圖造成的影響.

4 駕駛人心率(HR)變化規(guī)律分析

研究發(fā)現(xiàn),成年人在一般情況下靜態(tài)心率均值為 70 次 /min 左右( 心率范圍一般為 60 ～ 100次 /min).心率會隨著性別、年齡及其它生理因素等呈現(xiàn)個體性差異,如初生的嬰兒心率普遍較快,可達到 130 次 /min 左右;成年的女性心率一般要比成年的男性稍快;人在睡眠或者安靜的狀態(tài)下心率會有所減慢;在情緒激動或運動的狀態(tài)下心率會加快;心率還會受到藥物等作用的影響發(fā)生變化;經常進行體力勞動或體育鍛煉的人心率普遍會較慢.

通過對被測試對象在不同等級公路上駕駛1小時的心率指標數(shù)據(jù),按照 2 min 為一個間隔進行分析,得到 HR 均值分布如圖3 所示,對駕駛人的心率值進行分析得到表4.

表4 不同等級公路上被試駕駛人 HR 分析Table4 Data analysis of drivers’ HR on the different levels highway

從上述被測試對象的心率指標數(shù)據(jù)分析中可得到駕駛人在不同等級公路其心率變化規(guī)律的明顯差異,在高速公路上心率變化規(guī)律總體較為平穩(wěn),波動性不大,其均值為 72.755 次 /min,方差為22.744;二級公路上駕駛人心率波動最大,其均值達到 87.516 次 /min,方差達到 435.370.可以得到二級公路為我國主要的公路形式之一,在各類等級公路中所占比例較高,而且車流量大、車速普遍偏高,二級公路多為平面交叉路口、交通設施較為匱乏,這樣的公路條件導致駕駛人始終處于緊張狀態(tài),尤其缺乏對車輛進出的控制,更容易導致駕駛人心率的突變.雖然三級公路交通設施也較少,但由于車流量小、車速普遍偏低,駕駛環(huán)境較為簡單,從而心率變化規(guī)律較二級公路穩(wěn)定.

圖3 不同等級公路上 HR變化規(guī)律Fig.3 The variation law of drivers'HR on the different levels highway

5 駕駛人血容量(BVP)變化規(guī)律分析

血容量(BVP)指人體有效循環(huán)血量,BVP 可反映人的血壓與心率的變化情況,因此 BVP 指標數(shù)據(jù)能夠反映駕駛人的生理變化情況,也可用BVP 的變化規(guī)律驗證 HR 的變化分析結論.通過對被測試對象在不同等級公路上駕駛1小時的BVP 指標數(shù)據(jù),按照 2 min 為一個間隔進行分析,得到 BVP 均值分布如圖4 所示,對駕駛人的血容量變化規(guī)律統(tǒng)計分析得到表5.由于 BVP 與 HR對駕駛人生理指標規(guī)律的反映具有等效特征,此處不再做詳細分析.

圖4 不同等級公路上 BVP 變化規(guī)律Fig.4 The variation law of drivers'BVP on the different levels highway

表5 不同等級公路上被試駕駛人 BVP 分析Table5 Data analysis of drivers’ BVP on the different levels highway

6 駕駛人呼吸(RSP)變化規(guī)律分析

對駕駛人在不同等級公路上測得的 RSP 一小時數(shù)據(jù),按照 2min 為一個間隔進行分析,得到 RSP的均值如圖5,對 RSP 變化規(guī)律進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到表6.

表6 不同等級公路上被試駕駛人 RSP 分析Table6 Data analysis of drivers’ RSP on the different levels highway

從分析的數(shù)據(jù)結果中可知,駕駛人在不同等級公路上駕車時,RSP 呈梯度分布,駕駛人在 4 類等級公路上駕車時 RSP 均值(見表6)上下輕微波動,RSP 變化規(guī)律能表征駕駛人的緊張與興奮程度.從數(shù)據(jù)分析可知,由于高等級公路設施完善、環(huán)境優(yōu)越、所提供的信息量較大,容易引起駕駛人緊張或興奮,而低等級公路(尤其是三級公路)交通環(huán)境較為簡單、設施匱乏,很難引起駕駛人的緊張或興奮.

圖5 不同等級公路上 RSP 變化規(guī)律Fig.5 The variation law of drivers'RSP on the different levels highway

7 研究結論

通過對駕駛人在不同等級公路上駕駛過程中的生理指標測試實驗,針對不同類駕駛人的腦電圖(EEG)、心率(HR)、血容量(BVP)、呼吸(RSP)等主要生理指標在不同等級公路上動態(tài)變化規(guī)律進行了深入探討與分析.本文可為公路線形設計、交通設施設計設置、交通環(huán)境治理等提供基礎實驗依據(jù),為公路交通管理與控制等提供理論參考.

[1] 鄭柯.基于駕駛人心理生理反應的高速公路線形研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學,2003:36-54.[ZHEN K.Freeway alignment research based on driver's psychological and physiological reaction[D].Beijing University of Technology,2003:36-54.]

[2] 閆瑩.公路長大下坡路段線形指標對駕駛人心理生理影響的研究[D]. 西安:長安大學,2006:26-32. [YAN Y.Research on highway downhill section alignment index influence on the psychological and physiological drivers[D].Chang'an University,2006: 26-32.]

[3] 喬建剛.基于駕駛人因素的山區(qū)雙車道公路關鍵參數(shù)研究 [D]. 北 京:北京工業(yè)大學,2006:25-36. [QIAO J G.Study on the key parameter of two-lane highway in mountain area based on drivers factors [D]. Beijing University ofTechnology,2006: 25-36.]

[4] 唐登科.駕駛人駕車生理心理反應與道路線形關系研究[D]. 南京:東南大學,2006:24-36.[TANG D K.Research on the relationship of driver s physical and mental reaction, and road line type[D]. Southeast University,2006:24-36.]

[5] 張祖懷.基于人體生理信號的駕駛疲勞研究方法及應用[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006:16-24. [ZHANG Z H.A Research method for driving fatigue based on physiological signal and its application[D]. Harbin Institute of Technology,2006:16-24.]

[6] 潘曉東,杜志剛,蔣宏,等.駕駛人心率和血壓變動與山區(qū)公路線形關系的實驗研究[J].人類工效

Variation Law of Driver's Main Physiological Indicators Driving on Highway

HU Li-wei,LIN Yu-zhen
(Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to explore the variation of driver's physiological and psychological indicators in driving different levels of highway,a series of real car dynamic experimental is carried out to test the drivers on four categories highway(freeway,first-class highway,second-class highway and third-class highway)utilizing NeXus-10,which is a 10 channel physiological monitoring and a battery powered biofeedback device, intended to monitor and feed back physiological parameters on the human body for relaxation training,muscle reeducation and prescription use.Through analyzing and discussing the physiological characteristics indicators datum(EEG,HR,BVP,RSP,etc.)which are collected by experiment,the dynamic variation law of six types of drivers'physiological indicators is got on the different levels of highway.The conclusions provide experimental evidence for the highway alignment design,traffic facilities design and set, transportation environmental governance,etc..It also provides some theoretical reference for the highway traffic management and control.

highway transportation;physiological indicators;driver;EEG;HR;BVP;RSP

1009-6744(2014)01-0041-06

U491

A

2013-06-04

2013-08-27錄用日期:2013-09-23

國家自然科學基金(51208238);昆明理工大學人才培養(yǎng)基金(14118579).

胡立偉(1977-),男,山東濰坊人,講師,工學博士.*通訊作者:liweihukm@sina.com