基于駕駛員心率變異性的光學隧道駕駛負荷分析

羅 杰,程 鵬，陸百川，徐 進,洪 進，楊宗平

(1.重慶交通大學， 重慶 400074； 2.重慶交通職業(yè)學院， 重慶 402247)

非光學隧道是距離隧道洞口一個停車視距能看到出口的曲線隧道，具有良好的通視性[1]。非光學隧道與光學隧道視覺環(huán)境有著顯著差異，其對駕駛員環(huán)境感知、信息判斷和駕駛行為有著不同的影響，駕駛員通過不同種類的光學隧道產(chǎn)生的駕駛負荷不同。駕駛負荷包括體力負荷和精神負荷，二者有較強的相關(guān)性。高體力負荷的駕駛?cè)菀讓е埋{駛疲勞，而精神壓力較大會增加駕駛員體力負擔。所以，研究不同種類的光學隧道對駕駛負荷的影響，對提高隧道交通安全有重要意義。

國內(nèi)外學者圍繞隧道駕駛行為和駕駛負荷開展了廣泛的研究，主要集中在2個方面：

1) 圍繞駕駛負荷與視覺特性的研究。如：Bryan Reimer等[2]運用眼動追蹤設(shè)備記錄駕駛?cè)搜蹌犹匦匝芯狂{駛負荷和隧道照度的相關(guān)性；杜志剛等[3-4]利用眼動儀采集駕駛?cè)俗⒁晻r間、瞳孔面積、眨眼次數(shù)等參數(shù)研究了駕駛員在高度公路隧道進出口的視覺負荷特征；胡江碧等[5-6]設(shè)計了隧道駕駛動態(tài)視覺試驗，分析了隧道環(huán)境下造成駕駛?cè)艘曈X差異的原因。

2) 駕駛負荷與心率指標(心率值、心率增長率)方面研究。如：Henrik Wiberg等[7]從實車試驗中采集駕駛員心率值，分析隧道內(nèi)駕駛員精神負荷特征；FENG等[8]根據(jù)模擬駕駛實驗研究了在城市過江隧道最低點駕駛員的心率變異性及生理負荷；Tahmine等[9]運用模擬駕駛器研究了交通流量與駕駛員心率變異性的相關(guān)性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要存在以下局限：① 現(xiàn)有研究主要針對隧道進出口駕駛員視覺特性、心率值、心率增長率，難以得到隧道整體駕駛負荷水平；② 許多研究模擬試驗采集數(shù)據(jù)，由于模擬實驗和實車試驗之間有一定差異，因此研究結(jié)果準確性難以保證。為此，本文開展實車試驗，采集駕駛員心電信號，分析不同光學隧道整體駕駛員心率變異性與駕駛負荷的相關(guān)性，為光學隧道駕駛負荷分析、參數(shù)設(shè)計等提供依據(jù)和參考。

1 研究方法

1.1 試驗道路

在重慶市轄區(qū)內(nèi)選取2條城市隧道作為試驗對象，龍溪隧道和華福隧道同在華福路段，其技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗隧道照片如圖1所示。為減少交通因素對試驗的影響，駕駛員可以保持自然駕駛狀態(tài)，測試時間選擇10∶00—16∶00，此時試驗路段交通量較低。試驗天氣選擇光照較好的晴天，避開陰天、雨天、大風和雷電等天氣，隧道內(nèi)外路面狀態(tài)干燥無積水。

表1 試驗隧道路段主要技術(shù)參數(shù)

編號隧道名稱長度/m類別限速/(km·h-1)車道 1龍溪隧道 448非光學隧道6022華福隧道3 555光學隧道602

圖1 測試隧道

1.2 駕駛?cè)藛T

選擇6名身體健康的駕駛?cè)藛T，年齡為25～55歲，實際駕齡為2～30年，平均駕齡為11年。試驗開始前對每位駕駛員測量靜息狀態(tài)心率，便于駕駛員熟悉心率測試儀。試驗過程中要求駕駛員按照交通規(guī)則駕駛，但不提出任何額外要求，也不進行干擾，讓其根據(jù)自己的習慣自由駕駛。試驗路線為龍溪隧道至華福隧道，每名駕駛員沿著規(guī)定路線往返行駛4次。

1.3 試驗車輛及儀器

采用力康Prince180D心率測試儀采集駕駛員試驗過程中的心電周期信號。使用LAUNCH X- 431-PRO3車載ECU解碼儀采集車輛連續(xù)行駛的速度參數(shù)。采用1個行車記錄儀記錄車輛正前方交通情況，便于后期數(shù)據(jù)處理時排除跟車、變道和急剎車等干擾工況。試驗車輛選擇了小客車，車型為帝豪-博瑞(2014款2.0 L自動)，見圖2(a)。試驗現(xiàn)場見圖2(b)，試驗人員見圖2(c)。

1.4 評價指標

心率變異性(heart rate variability，HRV)是逐次心跳周期之間時間上的微小變異特性?，F(xiàn)有研究已經(jīng)證明HRV是描述駕駛員精神疲勞和心理壓力的有效指標[10-13]，所以本文使用駕駛員HRV來衡量隧道路段的駕駛負荷水平。在分析駕駛負荷時，需要設(shè)定HRV基準值，本文使用駕駛員靜息狀態(tài)下HRV為基準值，并且通過生理測量得到駕駛員連續(xù)心電圖(electrocardiogram，ECG)周期信號。ECG周期信號由QRS序列波組成，如圖3所示。其中QRS波的峰值點為Ri點，Ri點對應時刻為ti，相鄰QRS波之間的時間間隔(ti-1-ti)為RRi間期，即RRi間期序列。本文采用HRV時域統(tǒng)計參數(shù)SDNN與RMSSD來衡量駕駛精神負荷，其計算公式為：

(1)

(2)

式中：SDNN為全部正常竇性RRi間期標準差；RMSSD為相鄰RRi間期之差的均方根。

圖2 光學隧道實車駕駛試驗

圖3 ECG周期信號

2 駕駛員的RR與HR分析

2.1 RR統(tǒng)計分析

對6名駕駛員測得的ECG信號數(shù)據(jù)進行R波提取，得到駕駛員在不同隧道駕駛期間的RR間期數(shù)據(jù)。隨機選取1名駕駛員繪制RR間期統(tǒng)計分析直方圖，如圖4所示。其中駕駛員靜息狀態(tài)R波樣本600個，非光學隧道R波樣本208個，光學隧道R波樣本682個。從圖4可以看出：駕駛員靜息狀態(tài)時RR間期主要集中在0.6～0.64 s，其中0.62 s發(fā)生的概率最高；駕駛員在非光學隧道的RR間期主要集中在0.52～0.53 s，范圍在0.48～0.56 s；駕駛員在光學隧道的RR間期主要集中在0.52～0.54 s，其中0.52 s發(fā)生的概率最高，超過0.56 s發(fā)生概率降低。

采用單因素方差分析對駕駛員RR間期進行差異性檢驗發(fā)現(xiàn)：駕駛員靜息狀態(tài)與光學隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間存在顯著差異(F(33,541)=2.826 82，p=0.000)，并且與非光學隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間也存在顯著差異(F(26,180)=2.352 55，p=0.000)，光學隧道與非光學隧道的RR間期數(shù)據(jù)之間差異性顯著 (F(29,177)=1.841 49，p=0.008)。

圖4 駕駛員RR間期直方圖

表2給出了駕駛員RR間期統(tǒng)計值，包括均值、方差、最大值和最小值。根據(jù)表2分析可得：駕駛員靜息狀態(tài)時的RR間期均值最大為618 ms，非光學隧道RR間期均值最小為525 ms，以駕駛員靜息狀態(tài)RR間期為基準，非光學隧道RR間期均值下降了15.05%，光學隧道RR間期均值下降了14.07%；駕駛員靜息狀態(tài)時的RR間期方差最大值為0.023 77，非光學隧道的RR間期方差最小值為0.013 52，這表明非光學隧道RR間期比駕駛員靜息狀態(tài)時離散程度更??；非光學隧道RR間期波動范圍最小為72.5 ms，光學隧道RR間期波動范圍為115 ms，靜息狀態(tài)RR間期最大為150 ms。

表2 駕駛員RR間期統(tǒng)計分析結(jié)果

名稱均值/s方差最小值/S最大值/S靜息狀態(tài)0.618 430.023 770.550 00.700 0非光學隧道0.525 870.013 520.482 50.555 0光學隧道0.530 720.015 030.492 50.607 5

2.2 HR數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

隨機選取1名駕駛員的HR數(shù)據(jù)，對駕駛員心率HR數(shù)據(jù)進行整理，得到圖5的統(tǒng)計直方圖。從圖5可以看出：駕駛員靜息狀態(tài)時HR主要集中在110～115(beats/min)，其中115(beats/min)發(fā)生的概率最高；駕駛員在非光學隧道的HR間期主要集中在112～116(beats/min)，其中114(beats/min)發(fā)生的概率最高；駕駛員在光學隧道的HR間期主要集中在96～100(beats/min)，其中98(beats/min)發(fā)生的概率最高，超過102(beats/min)的發(fā)生概率降低。

對駕駛員HR進行顯著性差異分析，其結(jié)果為：光學隧道的HR與駕駛員靜息狀態(tài)HR之間存在顯著差異(F(26,548)= 16.834 24，p=0.000)，非光學隧道的HR與駕駛員靜息狀態(tài)HR也存在顯著差異(F(15,191)= 2.378 69，p=0.002 9)，光學隧道與非光學隧道的HR間期數(shù)據(jù)之間差異性顯著 (F(29,177)= 1.841 49，p=0.014 34)。

圖5 駕駛員HR直方圖

表3給出了1#駕駛員HR統(tǒng)計分析值。駕駛員靜息狀態(tài)時的HR均值最大為97(beats/min)，光學隧道與非光學隧道HR均值無顯著差別，以駕駛員靜息狀態(tài)HR為基準，光學隧道與非光學隧道HR均值上升了17.53%。但是光學隧道與非光學隧道HR的方差有一定差異，其中光學隧道HR方差為3.17，非光學隧道HR方差為2.97，這表明光學隧道HR比非光學隧道HR的離散程度更大。非光學隧道RR間期波動范圍最小為16(beats/min)，光學隧道RR間期波動范圍為23(beats/min)，靜息狀態(tài)RR間期最大為24(beats/min)。

表3 駕駛員HR統(tǒng)計分析結(jié)果

(beats·min-1)

名稱均值方差最小值最大值靜息狀態(tài)97.123.7885.54109.23非光學隧道114.32.97108.6124.68光學隧道113.53.1798.48121.48

圖6為不同隧道6位被測駕駛員HR變化，每位駕駛員的HR值為3～4次試驗樣本的算術(shù)平均值，誤差棒是HR均值的標準誤差。從圖6可以看到：除3#被測試駕駛員之外其余5位駕駛員均表現(xiàn)出一個共同點，即非光學隧道比光學隧道駕駛員HR較高，說明通過非光學隧道時心理負荷更大。其原因如下：非光學隧道長度較短，駕駛員在短時間通過隧道，眼睛需要快速適應隧道照度的明暗變化，容易導致駕駛員心理緊張；由于非光學隧道通視性較好，絕大多數(shù)駕駛員會選擇較高的行駛速度通過隧道，這必然導致駕駛員精神壓力增大。

圖6 6位駕駛員HR均值

3 駕駛員的HRV時域分析

3.1 SDNN統(tǒng)計分析

根據(jù)隧道行駛過程中駕駛員RR間期變化，分時間段(其中非光學隧道20 s為一段、光學隧道60 s為一段)計算出駕駛員心率變異性SDNN值，繪制駕駛員SDNN隨時間變化的散點圖，如圖7所示。從圖7中可以觀察到:SDNN在駕駛過程中以正回歸線增加，非光學隧道與光學隧道的SDNN線性回歸表達式為式(3)和式(4)。由于SDNN可以反映駕駛員精神負荷波動程度，由此可以認為隨著駕駛時間的增加，駕駛負荷越大，越容易導致駕駛疲勞。

圖7 駕駛員SDNN變化過程

(3)

(4)

圖8給出了6名被測駕駛員在靜息狀態(tài)、非光學隧道和光學隧道的SDNN統(tǒng)計結(jié)果。從圖中可以看出6位駕駛員都表現(xiàn)出一個特點，即靜息狀態(tài)SDNN均高于隧道駕駛狀態(tài)，表明駕駛員靜息時全部RR間期的標準差大于隧道駕駛時的標準差。除了1#駕駛員以外，其余5位駕駛員的試驗結(jié)果均呈現(xiàn)了非常強的規(guī)律性，即非光學隧道駕駛員SDNN小于光學隧道測量值，其中6名被測駕駛員非光學隧道SDNN平均降幅為47.42%，光學隧道SDNN平均降幅為36.08%，說明駕駛員通過非光學隧道更緊張，由此產(chǎn)生的精神壓力更大。

3.2 RMSSD統(tǒng)計分析

應用數(shù)理統(tǒng)計方法對被測駕駛員RR間期序列進行分析，計算每位駕駛員連續(xù)RR間期之差的均方根RMSSD，隨機選擇1位駕駛員的統(tǒng)計結(jié)果，繪制駕駛員的RMSSD隨時間變化的趨勢,如圖9所示。圖9(a)、(b)分別為非光學隧道和光學隧道駕駛員RMSSD統(tǒng)計分析，其線性回歸表達式分別為式(5)、(6)。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)3個明顯的規(guī)律：① 隨著駕駛時間的增加，駕駛?cè)说腞MSSD逐步升高。② 當駕駛時間超過100 s以后，RMSSD波動平緩，表明駕駛?cè)诉m應隧道環(huán)境后心率間期波動減小。③ 非光學隧道駕駛員RMSSD均值為40.71 ms，其變化范圍為41.90～42.35 ms，而光學隧道駕駛員RMSSD均值為44.70 ms，其變化范圍為44.82～46.74 ms。這說明非光學隧道環(huán)境對駕駛員的精神刺激更強。

圖8 6位駕駛員SDNN均值

圖9 駕駛員RMSSD變化過程

(5)

(6)

圖10給出了6名被測駕駛員在靜息狀態(tài)、非光學隧道和光學隧道的RMSSD統(tǒng)計結(jié)果。6位駕駛員靜息狀態(tài)RMSSD均高于隧道駕駛狀態(tài)，并且靜息狀態(tài)2#駕駛員RMSSD均值最高為51.79 ms，1#駕駛員最低為17.02 ms；非光學隧道2#駕駛員RMSSD均值最高為40.71 ms，5#駕駛員最低為5.88 ms；光學隧道2#駕駛員RMSSD均值最高是44.41 ms，1#駕駛員最低為7.66 ms。

圖10 6位駕駛員RMSSD均值

以駕駛員靜息狀態(tài)RMSSD為參照基準，不同種類光學隧道駕駛員的RMSSD降幅有較大差異，如表4所示。6名被測駕駛員非光學隧道RMSSD平均降幅為41.57%，光學隧道RMSSD平均降幅為30.76%。其原因如下：① 不同駕駛員之間個體差異，導致RMSSD差異性顯著；② 隧道環(huán)境讓駕駛員產(chǎn)生緊張感，心理壓力導致駕駛員心率發(fā)生變化，越緊張相鄰RR間期差值的均方根越小。

4 結(jié)論

1) 在隧道駕駛時駕駛員HR均值顯著大于靜息狀態(tài)，RR間期均值顯著小于靜息狀態(tài)；非光學隧道與光學隧道駕駛員HR均值無顯著差異。

2) 駕駛員在隧道駕駛時SDNN均顯著小于靜息狀態(tài)，非光學隧道SDNN均小于光學隧道測量值，并且非光學隧道SDNN平均降幅為47.42%，光學隧道時平均降幅為36.08%，說明非光學隧道環(huán)境對駕駛員產(chǎn)生的精神壓力更大。

3) 駕駛員在隧道駕駛時RMSSD均顯著小于靜息狀態(tài)，非光學隧道與光學隧道駕駛員心率變異性有一定差異，其中非光學隧道RMSSD平均降幅為41.57%，光學隧道RMSSD平均降幅為30.76%，表明非光學隧道駕駛員心率變異性更大。

4) 本文分析了非光學隧道與光學隧道駕駛員HRV時域變化趨勢。但是研究尚處于基礎(chǔ)研究階段，缺乏試驗數(shù)據(jù)和參考標準，駕駛員HRV與駕駛負荷的相關(guān)性需要進一步深入探討。此外，除了駕駛員HRV時域分析，駕駛員HRV頻域分析和非線性分析也是后續(xù)研究的重點。