草原道路行車時(shí)駕駛員心電特性分析

王志平，朱守林，高明星，戚春華

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

1 引言

草原道路交通人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)主要是由人、車、路、環(huán)境共同組成的系統(tǒng)，在交通事故的致因分析中，這4種要素導(dǎo)致的事故比例不同。據(jù)資料記載，約94％～95％的交通事故與人的因素有關(guān)，且由駕駛員直接負(fù)責(zé)任的事故占81％左右[1]。

近年來隨著草原公路總里程和汽車保有量的增加，草原公路交通事故也逐年增加，但國內(nèi)外對(duì)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)公路上[2-4]。草原公路交通事故還沒能得到應(yīng)有的重視，草原公路交通人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)相比于其他公路交通人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)，有其獨(dú)特的交通環(huán)境特點(diǎn)，它一般具有縱坡度小、圓曲線半徑大、線形變化小、長直線多和景觀單一等特點(diǎn)[5]。使得駕駛員在草原道路上行駛更容易產(chǎn)生單調(diào)感和心理疲勞，從而使駕駛員對(duì)速度與距離估計(jì)偏差增大、注意力降低、感知與處理信息的能力下降。這也是交通事故頻發(fā)地的主要原因。

2 測(cè)評(píng)指標(biāo)的選取

人體的心生理指標(biāo)是研究人的身體狀態(tài)、疲勞程度的電信號(hào)參數(shù)。應(yīng)用到交通領(lǐng)域的人體電信號(hào)主要有腦電信號(hào)、皮電信號(hào)、肌電信號(hào)、眼電信號(hào)、心電信號(hào)和呼吸信號(hào)等。但是考慮到其他生理信號(hào)指標(biāo)還不夠穩(wěn)定，易受干擾，本文選取可測(cè)試性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理方法成熟的心率指標(biāo)作為研究草原道路駕駛員心理生理的測(cè)評(píng)指標(biāo)。其常用的心理分析指標(biāo)主要有心率(Heart rate，簡(jiǎn)稱HR)和心率變異(Heart rate variability，簡(jiǎn)稱HRV)。

心率(HR)指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)，單位為bpm。心臟活動(dòng)是自主神經(jīng)(即植物神經(jīng))系統(tǒng)通過末梢對(duì)心血管功能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。外界環(huán)境可影響心率變化，如遇外界環(huán)境突變、精神緊張或情緒改變時(shí)，心率會(huì)加快；在休息或睡眠狀態(tài)下，心率會(huì)減慢[1]。實(shí)驗(yàn)主要研究駕駛員在草原道路行進(jìn)過程中的心理變化規(guī)律，基于駕駛員的個(gè)體差異及動(dòng)態(tài)的草原道路駕駛試驗(yàn)，簡(jiǎn)單的比較心率大小不能體現(xiàn)駕駛員的心率變化規(guī)律，因此選用心率增長率作為衡量駕駛員心理變化的指標(biāo)。

心率變異(Heat Rate Variability，HRV)是指心率波動(dòng)周期存在的微小變化，通常是指逐次心跳間RR間期的微小漲落變化，心率變異能較好的評(píng)價(jià)自主神經(jīng)平衡狀況[6]。心率變異評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3種：時(shí)域分析、頻域分析和非線性分析。頻域分析相對(duì)成熟，且頻域分析能較好的反映草原道路駕駛員的交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)對(duì)心率變化的影響[2]。故本文選用心率變異的頻域分析。

2.1 心率評(píng)價(jià)指標(biāo)

心率增長率：動(dòng)態(tài)行駛時(shí)的心率值與靜態(tài)心率值之差占靜態(tài)心率值的百分比。心率增長率的計(jì)算公式表示為：

(1)

研究表明，心率增長率能夠較好的體現(xiàn)草原道路駕駛員的心率變化；當(dāng)外界環(huán)境突變、精神緊張、注意力集中或情緒改變時(shí)，心率增長率波動(dòng)幅度較大，也較為頻繁；與之相反當(dāng)心率增長率出現(xiàn)波動(dòng)幅度不大，且增長率較低，則說明外界環(huán)境對(duì)駕駛員的影響小，駕駛員精神放松，可以輕松駕駛[7，8]。

2.2 頻域分析指標(biāo)及特點(diǎn)

頻域分析的主要優(yōu)點(diǎn)是敏感和精確?？梢跃唧w的區(qū)分不同時(shí)間段人體迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)對(duì)心臟的影響。缺點(diǎn)在于：頻域分析法很容易受到其他因素干擾、道路環(huán)境干擾及計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤識(shí)別的影響，在草原道路動(dòng)態(tài)駕駛實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中單一指標(biāo)很容易受到環(huán)境因素的影響，所以選用心率變異指標(biāo)LF/HF(LF與HF比值)作為頻域分析指標(biāo)。

頻率指標(biāo)HF是受迷走神經(jīng)活動(dòng)的影響，當(dāng)迷走神經(jīng)興奮時(shí)，可起到保護(hù)機(jī)體、休整恢復(fù)和蓄積能量等功能；LF是反映交感神經(jīng)活動(dòng)的主要指標(biāo)，交感神經(jīng)的作用是促使機(jī)體迅速適應(yīng)環(huán)境的急劇變化[9]。

研究發(fā)現(xiàn)心率變異指標(biāo)LF/HF值能夠更好的反映在草原道路行車時(shí)駕駛員交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)對(duì)心臟的作用。當(dāng)LF/HF增大時(shí)說明交感神經(jīng)活性增強(qiáng)，下降說明副交感神經(jīng)開始活躍[10]。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)人員

實(shí)驗(yàn)采集14名駕駛員的心生理數(shù)據(jù)，選取其中有代表性的5名駕駛員作為研究對(duì)象。這幾位駕駛員的年齡在29～50歲，身體健康且沒有其他方面生理疾病史，對(duì)實(shí)驗(yàn)路段的路況均不太熟悉。駕齡為3 a以上，每周平均駕駛兩次，每年至少駕駛有5 000 km。駕駛員的詳細(xì)信息見表1。

表1 駕駛員基本資料

3.2 實(shí)驗(yàn)道路

實(shí)驗(yàn)路段選擇在內(nèi)蒙古錫林浩特市境內(nèi)的省道S101賽罕塔拉——滿都拉圖段，該路段公路設(shè)計(jì)等級(jí)為二級(jí)，總里程152.494 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h，該路段具有典型的草原道路特征；選擇其中150 km的路段為實(shí)驗(yàn)路段，道路平面線形以直線為主，平曲線較少且圓曲線半徑較大；道路景觀比較單調(diào)，道路配套設(shè)施相對(duì)完善，道路的長度，寬度，交通流量都滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.3 實(shí)驗(yàn)儀器以及實(shí)驗(yàn)要求

實(shí)驗(yàn)過程中采用美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150多導(dǎo)生理記錄儀對(duì)所有駕駛員的生理信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集，實(shí)驗(yàn)過程要求選擇在天氣晴朗的相鄰日期的同一時(shí)間段(上午9∶00～12∶00或下午2∶00～5∶00)內(nèi)進(jìn)行行車實(shí)驗(yàn)，以確保樣本間的可比性。實(shí)驗(yàn)前駕駛員應(yīng)保證充足的睡眠，避免煙、酒、茶和咖啡等任何可能影響心率的食物和藥物，避免劇烈運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中駕駛員自由駕駛，不限制車速，關(guān)閉車載音頻、視頻、手機(jī)，禁止交談以及搖動(dòng)車窗和調(diào)節(jié)車載空調(diào)等對(duì)駕駛員和實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)開始前，先利用多通道生理采集儀器測(cè)量5 min駕駛員的靜態(tài)生理數(shù)據(jù)，以便于對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的生理指標(biāo)作對(duì)比分析。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)利用多通道采集所有駕駛員在全程(150 km)駕駛時(shí)的心電信號(hào)，并通過與之配套的AcqKnowledge軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，對(duì)每名駕駛員的心電信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的濾波和預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel中。利用公式(1)得到每個(gè)時(shí)間段心率增長率；利用KubiosHRV-2.0 軟件得到每個(gè)時(shí)間段心率變異指標(biāo)(LF/HF值)。依照數(shù)據(jù)繪制曲線圖以直觀的反應(yīng)連續(xù)駕駛過程中心率的變化規(guī)律。

4.1 心率評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

由圖1結(jié)合表1可以看出：

圖1 駕駛員心率增長率隨時(shí)間的變化

(1)隨著時(shí)間的增加，總體來說幾位駕駛員前20 min心率增長率相對(duì)穩(wěn)定，20～50 min波動(dòng)較為頻繁，且波動(dòng)幅度較大。50 min以后，心率增長率相對(duì)穩(wěn)定，之后出現(xiàn)不同程度下降趨勢(shì)。由此可見，各位駕駛員在20～50 min這段時(shí)間心率波動(dòng)較大，注意力集中。一段調(diào)整期過后，心態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，隨著駕駛時(shí)間的增加，心率增長率有所降低說明駕駛員的精神開始變得放松。對(duì)照隨車錄像發(fā)現(xiàn)20～50 min這段時(shí)間的行車道路線形比較復(fù)雜，其中包括連續(xù)轉(zhuǎn)彎路段，以及平縱線形組合路段等。從以上分析可以看出幾位駕駛員全程都幾乎保持了穩(wěn)定的心態(tài)和注意力集中駕駛，直到行使的末段才出現(xiàn)一些心率增長率降低可能引發(fā)的注意力下降，精神不集中。說明草原道路這段線形組合對(duì)這條道路行車有非常重要的作用，它有效地延遲了駕駛員可能發(fā)生的草原道路駕駛單調(diào)感和心理疲勞。

(2)從全程來看1和4號(hào)駕駛員走勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，且變化幅度也不大，說明這兩位駕駛員自我調(diào)節(jié)和控制能力很強(qiáng)。對(duì)照表1可知他們的駕齡相對(duì)大一些，而駕齡的大小是決定駕駛技術(shù)和駕駛經(jīng)驗(yàn)。這說明在草原道路駕駛時(shí)駕駛技術(shù)和駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)穩(wěn)定心態(tài)有重要意義。

(3)從全程來看，2號(hào)駕駛員呈增加趨勢(shì)，且均值較高。說明駕駛員在駕駛過程中心率值較高，精神比較緊張，這種精神狀態(tài)的駕駛可能與他駕齡小且不熟悉道路環(huán)境有關(guān)；5號(hào)駕駛員呈明顯的下降趨勢(shì)，說明駕駛員精神放松，長時(shí)間可能進(jìn)入休眠狀態(tài)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與駕駛員的年齡大有關(guān)。

(4)3號(hào)駕駛員心率增長率走勢(shì)為先增加后減少，波動(dòng)范圍較大也較為頻繁，說明駕駛員行車的前半段注意力比較集中。當(dāng)達(dá)到自己可適應(yīng)范圍后，開始上下波動(dòng)自我調(diào)節(jié)，但隨著行駛時(shí)間的增加疲勞感的加強(qiáng)，精神也開始有所放松。這可能與女性駕駛員的謹(jǐn)慎駕駛有關(guān)，但有于本次實(shí)驗(yàn)的女性駕駛員較少還需進(jìn)一步研究。

4.2 頻域分析

根據(jù)圖2結(jié)合相關(guān)資料研究有如下分析：

(1)由上圖可以看出0～20 min各位駕駛員的心率變異值呈增加趨勢(shì)，交感神經(jīng)興奮。說明這段時(shí)間駕駛員精神緊張，注意力集中以適應(yīng)草原道路的駕駛環(huán)境。20～50 min心率變異指標(biāo)波動(dòng)比較頻繁，沒有固定走勢(shì)。說明交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)交替作用，駕駛員各自進(jìn)行調(diào)整，做出適合自己的合理的駕駛狀態(tài)；50 min后心率變異指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，末尾有所提高。說明這段時(shí)間各位駕駛員可以相對(duì)穩(wěn)定駕駛，直到行車的最后時(shí)刻駕駛員才心率變化，有所興奮。

圖2 心率變異指標(biāo)(LF/HF)隨時(shí)間變化

(2)1和4號(hào)兩位駕駛員的心率變異指標(biāo)波動(dòng)范圍不大，突變點(diǎn)幾乎沒有，且心率變異值較小。說明在駕駛過程中HF值較高，迷走神經(jīng)起主導(dǎo)作用，駕駛員在駕駛過程中精神放松，駕駛員也沒有過度緊張?jiān)斐傻男穆首儺愔低辉?，說明草原交通環(huán)境變化對(duì)駕駛員的影響小，駕駛員可以在草原道路輕松駕駛。

(3)2號(hào)駕駛員在全程維持了較高的心率變異值，3號(hào)駕駛員在四十分鐘以前呈增加趨勢(shì)，之后相對(duì)穩(wěn)定且維持了較高的心率變異值。這兩位駕駛員的心率變異值明顯高于其他三位駕駛員，突變點(diǎn)較多。說明在駕駛過程中LF值較高，交感神經(jīng)起主導(dǎo)作用，駕駛員在駕駛過程中精神比較緊張，注意力集中，外界交通環(huán)境的微小變化就可能會(huì)造成駕駛員的過渡緊張。

(4)5號(hào)駕駛員在25～50 min的時(shí)間段內(nèi)維持了較高心率變異值，其他時(shí)間內(nèi)維持了相對(duì)穩(wěn)定且較低的心率變異值。說明駕駛員在25～50 min內(nèi)LF值較高，交感神經(jīng)起主導(dǎo)作用，駕駛員注意力

集中。在其他時(shí)間HF值較高，迷走神經(jīng)興奮，駕駛員精神放松。

5 結(jié) 論

本文通過分析靜止?fàn)顟B(tài)下和在草原道路連續(xù)駕駛150 km的駕駛員生理信號(hào)，可以得到以下結(jié)論：

(1)在草原公路上不同駕駛員有一定的個(gè)體差異，通過1和4號(hào)駕駛員與2和3號(hào)駕駛員的心率變異差異的對(duì)比分析，說明駕駛技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)穩(wěn)定心態(tài)有重要意義。

(2)5號(hào)駕駛員的心率增長率下降明顯，說明駕駛員的年齡對(duì)草原道路駕駛的影響很大。

(3)通過以上指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)這段草原道路行駛的駕駛員在通過20～50 min的調(diào)整路段后，對(duì)駕駛員在這段時(shí)間及之后的駕駛心理都帶來了一定影響。說明合理的線形組合可以有效避免或是延遲草原道路單調(diào)環(huán)境對(duì)駕駛員可能帶來的影響(如疲勞感增強(qiáng)，注意力下降，精神放松等)。

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