基于音樂對(duì)不同道路駕駛疲勞的喚醒作用

周春遠(yuǎn)，柯暢，肖冰，吳永康，羅楊

(福建工程學(xué)院 交通運(yùn)輸學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益增長，汽車保有量也保持著一個(gè)穩(wěn)步上升的趨勢，同時(shí)也伴隨著道路交通事故的發(fā)生頻率越來越高，極大程度的威脅了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，在引發(fā)道路安全事故的眾多因素中，疲勞駕駛儼然已經(jīng)成為了造成道路交通事故的主要原因之一，而疲勞駕駛是一種無法通過定量標(biāo)準(zhǔn)衡量的危險(xiǎn)駕駛行為，在生活中往往還不能被交管部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，研究音樂對(duì)于駕駛疲勞的喚醒作用有利于減輕駕駛員的疲勞程度，從而減少道路交通事故的發(fā)生。

目前，對(duì)駕駛疲勞的檢測方法使用比較多的一般分為4種：生理指標(biāo)的檢測，如心電、腦電、肌電等、面部特征檢測法、主觀評(píng)價(jià)法、車輛行為檢測等[2-4]。各類檢測方法在檢測駕駛疲勞方面均有一定的優(yōu)勢和劣勢，例如生理指標(biāo)檢測法，其檢測結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性較高[4]，尤其心電在檢測駕駛員精神狀況上有很大優(yōu)勢，但實(shí)驗(yàn)過程與駕駛員產(chǎn)生接觸，可能會(huì)對(duì)駕駛員生理指標(biāo)造成一定干擾；主觀評(píng)價(jià)法，數(shù)據(jù)容易提取，不影響駕駛員正常駕駛，因此，本文結(jié)合兩種方法優(yōu)點(diǎn)去研究音樂對(duì)疲勞駕駛的影響在生理指標(biāo)上的變化，從而反映出音樂對(duì)疲勞駕駛的喚醒作用。

研究音樂對(duì)人的喚醒作用，主要采用心率(HR)和心率變異性等指標(biāo)[12]，HR反應(yīng)了音樂對(duì)人的機(jī)體作用的特異性較低，而心率變異性則是較好的衡量指標(biāo)[9]。心率變異(Heart Rate Variation HRV)分析是判斷自主神經(jīng)活動(dòng)的重要指標(biāo)，常用的分析方法有時(shí)域分析、頻域分析、非線性分析。頻域分析可以比較細(xì)致地分別觀察交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的調(diào)節(jié)控制作用，彌補(bǔ)時(shí)域分析的不足[1]。本文采用頻域分析的方法，通過HR和頻域指標(biāo)的變化來分析音樂對(duì)被試者駕駛疲勞的喚醒作用。

HRV表示逐次心動(dòng)周期的差異。研究認(rèn)為：HR在零對(duì)照的過程與聽音樂的過程中都會(huì)降低，并不是一個(gè)很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笜?biāo)，而使用心率變異性評(píng)價(jià)音樂的效果則更為明顯[9]。HF反映副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，頻域分析的低頻成份(LF)是整個(gè)自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)性的反映，頻域分析的低頻成份(LF)活動(dòng)的增強(qiáng)反映了疲勞程度的增加[7]。LF/HF是交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用的一個(gè)反映[10]，而頻域分析低頻與高頻的比值(LF/HF)在聽音樂時(shí)升高[9]。研究疲勞和HRV指標(biāo)的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，疲勞時(shí)頻域分析的低頻成份(LF)值上升，HF值下降，頻域分析低頻與高頻的比值(LF/HF)比值升高[11]。陳安琪等人認(rèn)為，具有一定頻率的聲波傳到人體的各個(gè)器官時(shí)能夠促進(jìn)人體生理活動(dòng)的協(xié)調(diào)，使得頻域分析的低頻成份(LF)活動(dòng)減少，HF活動(dòng)增加，從而減緩身體緊張的心理狀態(tài)[6]。有實(shí)驗(yàn)表明音樂能使LF活動(dòng)降低，影響整個(gè)自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)性;同時(shí)能夠使HF活動(dòng)升高，增強(qiáng)副交感神經(jīng)的興奮性，從而降低人的疲勞程度[1]。

2 對(duì)象與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀顯示，聲音能對(duì)人的心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響[13]，音樂對(duì)交感神經(jīng)活性和副交感神經(jīng)活性有較大的影響。因此，本次實(shí)驗(yàn)將對(duì)不同道路上疲勞駕駛時(shí)，音樂對(duì)周期領(lǐng)域的低頻成分(LF)、高頻成分(HF)、低頻與高頻(LF/HF)的比值以及平均心率(AVHR)和正常心跳間距之間的標(biāo)準(zhǔn)差(SDNN)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，從而分析出音樂對(duì)疲勞的喚醒作用，也能夠區(qū)分不同的道路狀況類型對(duì)人的機(jī)體的作用。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

此次實(shí)驗(yàn)按照道路環(huán)境的不同分別進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，第一組為高速公路組，第二組為城市道路組，在實(shí)驗(yàn)過程中，音樂、播放時(shí)間以及音樂音量均保持不變；被試每天只完成一組實(shí)驗(yàn)，且每組實(shí)驗(yàn)開始前，提醒被試高速公路的駕駛最低速度不得低于60 km/h，且在駕駛過程中不能下高速；被試試開五分鐘適應(yīng)環(huán)境，無異常后，開始實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)共有10名實(shí)驗(yàn)對(duì)象，均為在校大學(xué)生(男女各5人)，年齡為20-22歲。被試人員均有駕駛經(jīng)驗(yàn)，被試人員的裸眼視力或矯正視力均在4.9及以上，聽力正常。實(shí)驗(yàn)開始前無不良情緒。實(shí)驗(yàn)全過程在安靜環(huán)境下進(jìn)行。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)駕駛模擬系統(tǒng)，主要由汽車駕駛模擬艙、圖像顯示系統(tǒng)、三維虛擬圖像生成系統(tǒng)、汽車動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)、音響系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等六個(gè)部分組成?；驹硎怯砂惭b在駕駛艙的傳感器將駕駛員的各種操縱信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)上，由汽車動(dòng)力學(xué)模型軟件計(jì)算出車輛瞬間的位置及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，再將車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳送到圖像計(jì)算機(jī)，由圖像軟件生成與車輛運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的道路交通虛擬場景，最后由顯示系統(tǒng)顯示在駕駛艙正前方的屏幕上。所有這些過程都實(shí)時(shí)發(fā)生，以產(chǎn)生連續(xù)變化的圖像，給駕駛員一個(gè)接近真實(shí)的駕駛感覺。

圖1 駕駛艙

(2)心電采集儀器，用來收取駕駛?cè)藛T駕駛過程中的心電數(shù)據(jù)。

(3)SimlAB軟件中，高速公路和城市道路的場景

2.2.2 實(shí)驗(yàn)材料

(1)音樂的選擇

聲音是一種有規(guī)律的振動(dòng)，可以提高腦部皮層細(xì)胞的興奮性，消除外界、精神以及心理等因素所造成的疲勞狀態(tài)，提高應(yīng)激能力。因此選擇音樂類型為快節(jié)奏音樂。

(2)人體生理學(xué)的研究結(jié)果表明,人在疲勞時(shí),頻繁地打哈欠是最主要的生理表現(xiàn),隨著疲勞程度加深,眼睛由微閉狀態(tài)逐步到完全閉合[5],駕駛員眼睛則分為:精神充沛時(shí)眼睛睜大,精神萎靡時(shí)眼睛微閉,瞌睡時(shí)眼睛閉合3種狀態(tài)[5]。疲勞喚醒程度表及疲勞程度自評(píng)表見表1、表2。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

步驟一：在實(shí)驗(yàn)開始之前，告知被試實(shí)驗(yàn)要求，并讓被試試駕駛5 min，適應(yīng)環(huán)境后開始實(shí)驗(yàn)。

步驟二：給被試人員戴上心電采集設(shè)備，打開高速公路的道路模擬場景，被試人員進(jìn)入駕駛艙行駛，行駛速度由駕駛員自行掌握，全程記錄心電數(shù)據(jù)。

步驟三：觀察駕駛員的面色及心電圖，在駕駛員長時(shí)間(45 min)的駕駛后，駕駛員繼續(xù)行駛同時(shí)播放音樂對(duì)其進(jìn)行疲勞喚醒，駕駛15 min以后實(shí)驗(yàn)結(jié)束

步驟四：提取駕駛員播放音樂前后10 min的心電數(shù)據(jù)。

步驟五：被試人員駕駛結(jié)束后，對(duì)其進(jìn)行一個(gè)問卷調(diào)查，用模糊綜合評(píng)價(jià)法來進(jìn)行疲勞程度的評(píng)定以及疲勞喚醒程度的一個(gè)評(píng)定。

步驟六：隔天對(duì)同一被試改變駕駛場景為城市道路模擬場景，重復(fù)上述步驟。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，將心理數(shù)據(jù)儀記錄的20組數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對(duì)比實(shí)驗(yàn)人員的主觀感受，若實(shí)驗(yàn)過程中駕駛員出現(xiàn)頭暈不適等現(xiàn)象，則剔除該組數(shù)據(jù)，若駕駛過程正常行駛，則對(duì)其生理指標(biāo)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果

3.1 層次分析法確定模糊綜合評(píng)價(jià)分析中因素集的權(quán)重

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立疲勞程度的的量化模型，分析駕駛一定時(shí)間車輛后駕駛員的疲勞程度。以評(píng)定播放音樂前的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)作為因素集，則駕駛疲勞的模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集為：

F={a1,a2,a3,a4}

式中a1為主觀疲勞感覺；a2為注意力；a3感知能力,a4為操作速度和反應(yīng)能力。

采用層次分析法(AHP)確定因素集中各指標(biāo)的權(quán)重．根據(jù)各類評(píng)價(jià)指標(biāo)在度量疲勞程度中的可靠性，得到因素集的判斷矩陣及權(quán)重見表3。

則因素集的權(quán)重向量為：

WF=(0.515,0.190,0.190,0.105)

根據(jù)對(duì)被試的問卷調(diào)查得：

高速公路各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)隸屬矩陣為：

城市公路各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)隸屬矩陣為：

則喚醒程度的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：

根據(jù)隸屬度最大原則確定駕駛員的綜合喚醒程度，故主觀評(píng)價(jià)播放音樂之前的疲勞程度結(jié)果顯示為輕度疲勞。但輕度疲勞是通過對(duì)整體考慮的，因?yàn)榇嬖趥€(gè)體差異，所以可能會(huì)存在個(gè)別的疲勞狀態(tài)達(dá)到中度疲勞。因此本實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)開始播放音樂之時(shí)被試處于輕度疲勞狀態(tài)。

3.2 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將收集到的有效數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法以圖表的形式呈現(xiàn)出不同道路上播放音樂前后駕駛員心理指標(biāo)的變化趨勢。

圖2 不同道路音樂對(duì)LF心理指標(biāo)的影響

LF是整個(gè)自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)性的反映，LF活動(dòng)的增強(qiáng)反映了疲勞程度的增加；由圖2 可以看出，在兩種道路上，當(dāng)駕駛產(chǎn)生疲勞后，播放音樂對(duì)駕駛員的LF心理指標(biāo)除個(gè)別數(shù)據(jù)的差異外，其他均產(chǎn)生了較為明顯的減小，由此可知，音樂能夠使LF活動(dòng)減少。

圖3 不同道路LF/HF心理指標(biāo)的變化

LF/HF表示自律神經(jīng)平均活性平衡，LF/HF自律神經(jīng)活性越高通過對(duì)播放音樂前后每個(gè)人的數(shù)值折線圖對(duì)比中見圖3，我們可以清楚的看出除了兩組數(shù)據(jù)播放音樂后是稍微升高，其它數(shù)據(jù)都有所下降，從數(shù)據(jù)對(duì)比中可以知道播放音樂能夠使LF/HF的比值減小。

圖4 不同道路音樂對(duì)SDNN心理指標(biāo)的影響

SDNN表示正常心跳間距的標(biāo)準(zhǔn)差，SDNN值越大，說明人的心率波動(dòng)越大，由圖4可知疲勞程度加深時(shí)，SDNN值大部分呈現(xiàn)升高趨勢。而在播放音樂以后，SDNN值普遍低于播放音樂前值。這說明了播放音樂對(duì)駕駛疲勞時(shí)駕駛員的心理指標(biāo)SDNN有明顯的影響趨勢。

圖5 不同道路音樂對(duì)HR心理指標(biāo)的影響

根據(jù)圖5 大致可以看出，在兩種道路上，播放音樂前后平均心率的變化是沒有一個(gè)明顯的趨勢的，因此，我們可以認(rèn)為平均心率與音樂對(duì)疲勞的喚醒程度是沒有明顯關(guān)聯(lián)的，因此，不能將平均心率作為評(píng)價(jià)音樂對(duì)不同道路駕駛疲勞喚醒程度的心理指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，兩組LF和HF比值上升的數(shù)據(jù)人員詢問時(shí)發(fā)現(xiàn)被試在實(shí)驗(yàn)過程中已經(jīng)達(dá)到中度疲勞以上，此時(shí)的音樂已經(jīng)無法對(duì)被試產(chǎn)生作用，甚至?xí)觿”辉嚨钠?。因此，?dāng)駕駛員在駕駛過程中達(dá)到中度疲勞時(shí)，應(yīng)盡快尋找地方停車休息，確保行駛安全。

3.3 可重復(fù)雙因素方差分析

最后對(duì)收集到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行可重復(fù)雙因素方差分析，判斷音樂、道路以及音樂和道路的交互作用對(duì)各項(xiàng)心電指標(biāo)影響的顯著性，結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析結(jié)果

由可重復(fù)雙因素方差分析得知，由于F>P，音樂對(duì)駕駛疲勞前后駕駛員的心理指標(biāo)參數(shù)LF、LF/HF、SDNN的變化有顯著影響，對(duì)AVHR、HF的變化沒有顯著影響；因?yàn)镕

3.4 基于駕駛員對(duì)疲勞喚醒程度主觀判斷的模糊綜合評(píng)價(jià)分析

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立喚醒程度的的量化模型，分析音樂駕駛員的疲勞喚醒程度。以評(píng)定播放音樂前后的比較指標(biāo)作為因素集，則駕駛疲勞的模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集為：

F={f1,f2,f3}

式中f1為自我感覺喚醒程度；f2為播放音樂前后精神狀態(tài)；f3播放音樂前后的眨眼頻率。

采用層次分析法確定因素集中各指標(biāo)的權(quán)重．根據(jù)各類評(píng)價(jià)指標(biāo)在度量駕駛疲勞中的可靠性和穩(wěn)定性以及被試人員的反應(yīng)，得到因素集的判斷矩陣及權(quán)重見表5。

表5 喚醒程度各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

則因素集的權(quán)重向量為：

WF=(0.6249,0.2386,0.1365)

根據(jù)對(duì)被試的問卷調(diào)查得：

高速公路各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)隸屬矩陣為：

城市公路各個(gè)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)隸屬矩陣為：

則喚醒程度的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為：

根據(jù)隸屬度最大原則確定駕駛員的綜合喚醒程度，故被試主觀評(píng)價(jià)音樂對(duì)疲勞的喚醒程度結(jié)果顯示為較明顯。因?yàn)?.5273<0.61021，故根據(jù)人為的主觀評(píng)價(jià)分析得，音樂對(duì)高速道路疲勞的喚醒程度稍高于對(duì)城市道路疲勞的喚醒，但兩者喚醒程度差別不大。

4 討論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，在模擬仿真駕駛實(shí)驗(yàn)中，由于長時(shí)間的駕駛導(dǎo)致駕駛員進(jìn)入一個(gè)疲勞狀態(tài)，而研究表明，在駕駛員產(chǎn)生疲勞的情況下，通過播放音樂并控制一定的音量模擬自然聲音對(duì)駕駛員產(chǎn)生一定的心理刺激，從而達(dá)到增加駕駛員的駕駛能力的效果；即通過音樂的聲音對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)產(chǎn)生一定的喚醒作用。上述實(shí)驗(yàn)說明音樂對(duì)高速道路和城市道路駕駛疲勞均存在顯著的喚醒作用，但沒有證據(jù)表明音樂對(duì)高速道路和城市道路的喚醒作用有顯著的差異。本次實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上存在的一定差異，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有差異性。

在時(shí)間上，當(dāng)駕駛員長時(shí)間駕駛后，身體開始產(chǎn)生疲勞，并隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛員的疲勞程度逐漸加深，本實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)駕駛員達(dá)到輕度疲勞時(shí)，可以通過播放音樂提高駕駛員的駕駛能力，對(duì)駕駛員起到疲勞喚醒的作用，但隨著駕駛時(shí)間的增加，當(dāng)駕駛員達(dá)到中度疲勞后，此時(shí)播放音樂已經(jīng)無法對(duì)駕駛員產(chǎn)生作用，甚至?xí)觿●{駛員的疲勞程度，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有差異性。

在空間上，本次實(shí)驗(yàn)選取城市道路和鄉(xiāng)村道路作為實(shí)驗(yàn)場景，通過對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)場景的模擬駕駛以及對(duì)播放音樂前后駕駛員的心電指標(biāo)參數(shù)的變化分析表明：不同道路以及音樂和路段的交互作用對(duì)駕駛疲勞前后的心理指標(biāo)參數(shù)的變化均無顯著影響，但對(duì)駕駛員人為主觀評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)分析表明：音樂對(duì)高速道路疲勞的喚醒程度稍高于對(duì)城市道路疲勞的喚醒，但兩者喚醒程度差別不大。因此，在空間上，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定差異性，但差異不明顯。

5 結(jié)論

本文通過主觀的定性分析和客觀的定量分析結(jié)果顯示，我們有理由認(rèn)為音樂對(duì)高速道路和城市道路駕駛疲勞均存在顯著的喚醒作用，但沒有證據(jù)表明音樂對(duì)高速道路和城市道路的喚醒作用有顯著的差異。但本文仍存在一些不足之處，會(huì)在接下來的學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)過程中不斷加強(qiáng)完善。

6 不足之處

以上實(shí)驗(yàn)存在的一定誤差，收集的數(shù)據(jù)規(guī)模過小，且僅從心率參數(shù)中幾個(gè)有代表性的指標(biāo)來進(jìn)行分析，所以所得的結(jié)論具有一定的局限性。實(shí)驗(yàn)中存在以下不足：

(1)被試者均為在校大學(xué)生，雖選擇的是已擁有駕駛證的被試者，但無法完全反應(yīng)正常的駕駛狀況；

(2)使用駕駛艙的道路場景與真實(shí)道路存在一定的區(qū)別，且在城市道路場景的模擬時(shí)，有微弱場景晃動(dòng)；

(3)在實(shí)驗(yàn)過程中音樂的選擇不全面。每個(gè)人喜歡的音樂類型不同，對(duì)被試而言，聽不喜歡的音樂，甚至有可能引起心情的煩躁不安，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，對(duì)此，在后面的研究中我們可以單獨(dú)研究每種類型的音樂對(duì)疲勞喚醒的作用，最后對(duì)幾種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析分析比較，從而最大程度的降低音樂的選擇造成的誤差。

(4)駕駛疲勞屬于腦力疲勞，因此以心電的指標(biāo)去反映腦力的疲勞程度以及喚醒程度不如腦電指標(biāo)，最好的是能夠?qū)⒛X電與心電指標(biāo)結(jié)合分析，可使實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論更具說服力。