基于HRV的工程車駕駛員疲勞與恢復研究

譚 霞 易燦南教授 龍 桐 劉 巧 冷成杰

(湖南工學院 安全與管理工程學院,湖南 衡陽 421002)

0 引言

疲勞是導致交通事故的主要誘因[1],由于駕駛員疲勞而引發(fā)交通事故的概率是正常駕駛的4～6倍[2]。據(jù)美國高速交通安全管理局統(tǒng)計,每年至少10萬起交通事故是由疲勞駕駛導致[3]。在我國,20%左右的交通事故由駕駛員疲勞駕駛導致[4],其他國家由于駕駛員疲勞導致的交通事故也均在20%左右[5-6]。隨著經(jīng)濟的進一步發(fā)展,工程車輛在物料運輸與吊裝、土方開挖及搶修等工程中發(fā)揮著重要作用,提高了工作效率,加快了工程進度[7]。由于工程車輛的作業(yè)條件較為惡劣,如路況較差、自動化程度低及作業(yè)績效要求等,駕駛員體力負荷和腦力負荷均很大,容易造成疲勞,從而引發(fā)事故[8]。2006年,全國因疲勞駕駛引發(fā)的道路交通事故共3633起,造成1812人死亡、4297人受傷,直接財產(chǎn)損失8千萬元[9]。據(jù)2019年公安部交通管理局的道路交通事故統(tǒng)計,全國共發(fā)生道路交通事故1247.3萬起,造成62763人死亡、256101人受傷,其中貨運車輛肇事死亡人數(shù)占據(jù)交通事故死亡數(shù)量的31.68%[10];在美國,2019年5237 輛工程車和巴士發(fā)生致命撞車事故,比 2018 年上升 2%[11];日本一份專門針對工程車司機的調(diào)查顯示,參與調(diào)查的5410名工程車駕駛員中,6%過度疲勞[12];印度Sontakke在其研究中提到57%的工程車致死事故是由駕駛員疲勞導致[13]。

駕駛員疲勞與恢復是工效學、管理學、安全科學、心理學和交通科學等領(lǐng)域重點關(guān)注的問題。在駕駛疲勞相關(guān)研究中,心率變異性(Heart Rate Variability,HRV)是常用指標[14-17],能夠較好評價疲勞水平及恢復水平。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn),關(guān)于工程車的研究主要集中在關(guān)注硬件設計以提高駕駛安全性,例如,關(guān)注無人駕駛[8]、操縱室人機優(yōu)化[18]、車輛行為識別[19]等。在工程車駕駛員疲勞及恢復方面,現(xiàn)有研究主要關(guān)注工程車駕駛員疲勞,鮮少文獻探究駕駛員疲勞恢復,例如,陳陽堅[20]研究高速公路上重型貨車駕駛員的負荷;顏倩[21]基于工作倦怠及睡眠模式對工程車駕駛員駕駛行為影響研究;張晨驍[22]研究疲勞等級對工程車駕駛員駕駛行為的影響;Zhu等[23]提出一種基于腦電波(Electroencephalogram,EEG)的對工程車駕駛員疲勞檢測的方法;管滿泉和龔巧娜[24]基于事故統(tǒng)計,以事故次數(shù)、受傷人數(shù)、死亡人數(shù)等作為評價指標,分析基于年齡、駕齡及屬地等的工程車駕駛員肇事傾向性。

基于此,本研究關(guān)注工程車駕駛員的疲勞與恢復問題,通過測量駕駛過程與恢復過程駕駛HRV以及主觀疲勞評分數(shù)據(jù),來探究疲勞發(fā)展與疲勞恢復規(guī)律,以期為合理安排駕駛休息時間、采取合理休息方式和保障行車安全等提供理論支持。

1 試驗方案

本試驗在實驗室內(nèi)進行,溫度和濕度分別為(26.3±2.3)℃和(46.3±3.1)%。

1.1 被試

為避免性別及年齡因子對心電信號造成干擾[25-26],有償招募8名男性大學生參與試驗,年齡、身高、體重和駕齡分別為(19.9±1.0)歲、(170±2.6)cm、(63.1±10.5)kg和(1.32±0.72)年。所有被試均身體健康、情緒穩(wěn)定,試驗前要求被試保證充足的睡眠,避免煙、酒、茶和咖啡等任何可能影響心率的食物和藥物,避免劇烈運動。

1.2 試驗設備

(1)模擬駕駛試驗平臺:由駕駛模擬器(安路迪)、顯示器(AOC U34G3)和工程車座椅(GZ3457型聯(lián)動臺座椅)組成。

(2)心電采集設備:NeXus-10型心理多導儀、一次性心電電極片(康任CH50RB)、筆記本電腦一臺。

(3)秒表:記錄作業(yè)和休息時間。

1.3 試驗過程

長時間連續(xù)駕駛?cè)菀讓е埋{駛員疲勞,在駕駛疲勞研究中,常采用模擬駕駛試驗來探究駕駛員疲勞發(fā)展特征,如Zhang等[27]通過2h模擬駕駛試驗探究駕駛員疲勞。根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第62條[28],駕駛員連續(xù)駕駛機動車的時間不得超過4h。陳陽堅[20]研究結(jié)果顯示重型長途運輸車安全駕駛時間閾值為3h。因此,本試驗采用3h試驗時長。工程車輛的應用環(huán)境特殊,需要經(jīng)常往返于場站和工地之間[29]。試驗模擬環(huán)境采用安路迪駕駛模擬器的城市道路環(huán)境,采用工程車輛模型,實際場景情況如圖1。根據(jù)城市道路限速要求,被試駕駛時應盡量保持40～60km/h的速度勻速行駛。試驗之前被試需要先適應模擬駕駛器直至能夠正常駕駛并簽署知情同意書。試驗具體過程如下:

(1)試驗準備。按照Fontaine導聯(lián)貼放電極片方式獲取心率數(shù)據(jù),即用酒精棉球擦拭駕駛?cè)诵夭啃毓潜ν缓偷谖謇臻g鎖骨中線,并張貼心電電極片。

(2)靜止休息階段。被試安靜靜坐3min,測量安靜時刻的心率數(shù)據(jù)。

(3)駕駛疲勞階段。被試進行3h的模擬駕駛(如圖2),全程記錄心率數(shù)據(jù),被試基于江朝暉等[30]研究中的量表(見表1)每10min匯報一次主觀疲勞評分數(shù)據(jù)。

表1 主觀疲勞評分量表Tab.1 Scaling of subjective fatigue

(4)駕駛疲勞恢復階段。按照朱守林等[31]的經(jīng)驗,被試先靜坐5min(無音樂),然后進行30min音樂條件下的疲勞恢復;參考趙婷等[32]的經(jīng)驗選擇6首流行舒緩音樂并循環(huán)播放:《帶你去旅行》《消愁》《成都》《涼涼》《追光者》和《告白氣球》。全程記錄心率數(shù)據(jù),被試每5min基于表1匯報一次主觀疲勞評分數(shù)據(jù)。

圖1 模擬駕駛場景Fig.1 Simulated driving scenarios

1.4 數(shù)據(jù)處理

(1)心率數(shù)據(jù)提取方法。駕駛疲勞階段:將180min劃分為18個10min時段,每10min選取每個時段后3min的HRV時域和頻域指標作為測評指標。駕駛疲勞恢復階段:將恢復時間35min劃分為7個5min時段,每5min內(nèi)選取每個時段后3min的HRV指標作為測評指標。

(2)HRV測評指標確定。HRV為逐次心跳R-R間期時間值的微小漲落,能定量評估工作負荷中心臟交感和迷走神經(jīng)張力及其平衡性,表達精神疲勞對人體的影響[33]。HRV時域指標全部正常竇性心搏間期標準差(Standard Diviation of NN Intervals, SDNN)是指整個周期內(nèi)所有正常竇性R-R間期標準差, 用于評估HRV的總體變化情況[34]。HRV時域指標平均R-R間期(Mean, MEAN)表達了相鄰R-R間期的平均值,能有效反映心率變異的平均水平。HRV頻域指標HRV低頻譜成分(Low-frequency Component,LF)反映人體對心臟交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)活動的雙重調(diào)控[35]。HRV頻域指標HRV高頻譜成分(High-frequency Component,HF)主要反映迷走神經(jīng)活動的調(diào)節(jié)作用[36]。HRV頻域指標LF/HF反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)對心率調(diào)節(jié)的平衡狀態(tài)。針對各生理評價指標的特點,結(jié)合試驗的實際情況, 文中選擇HRV指標中的SDNN、MEAN、LF、HF、LF/HF作為研究駕駛疲勞和恢復情況的評價指標。

(3)進行方差分析以探究不同時刻工程車駕駛員主觀疲勞評分與HRV的差異性,進行鄧肯(Duncan)事后多重比較以探究不同駕駛時刻及恢復時刻主觀疲勞評分差異;進行配對T檢驗以對比不同階段HRV差異性;進行相關(guān)分析以探究主觀疲勞評分、HRV數(shù)據(jù)與時間的關(guān)系,進行回歸分析以探究HRV隨時間變化的規(guī)律。利用Excel 2019匯總整理數(shù)據(jù),利用SPSS 27進行統(tǒng)計分析,顯著性水平α=0.05。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 主觀疲勞數(shù)據(jù)分析

2.1.1 駕駛疲勞階段

時間顯著影響主觀疲勞評分(顯著性檢驗水平p<0.0001),隨著時間的推進,主觀疲勞評分越高。Duncan分析結(jié)果顯示(見表2):150、160、170和180min時刻評分顯著高于10-120min時刻所有時刻點評分;130和140min時刻評分顯著高于10-110min時刻所有時刻點評分;120min時刻評分顯著高于10-70min時刻所有時刻點評分;80、90和100min時刻顯著高于10-50min時刻所有時刻點評分;60min時刻評分顯著高于10、20和30min時刻評分;其他時刻評分差異不大。100、130和160min時刻分別達到有點疲勞、比較疲勞和非常疲勞。

表2 駕駛疲勞階段主觀疲勞評分結(jié)果Tab.2 Subjective ratings of driving fatigue during driving test

2.1.2 駕駛疲勞恢復階段

時間顯著影響主觀疲勞評分(p<0.0001),隨著時間的推進,主觀疲勞評分降低。Duncan分析結(jié)果顯示(見表3):180min主觀評分顯著高于其他所有時刻;185min時刻顯著高于215min;其他時刻評分差異均不明顯。185min時刻,駕駛員疲勞恢復至有點疲勞;190min時刻,駕駛員恢復至略有松懈;210min時刻恢復至較清醒;215min恢復至完全清醒。

表3 駕駛疲勞恢復階段主觀疲勞評分結(jié)果Tab.3 Subjective ratings of driving fatigue during fatigue recovery test

2.2 HRV數(shù)據(jù)分析

2.2.1 靜止休息、駕駛疲勞及疲勞恢復階段HRV對比分析

對靜止休息階段(以下簡稱“靜測點”)、駕駛疲勞階段180min時刻及疲勞恢復階段215min時刻的HRV數(shù)據(jù)進行方差分析(見表4),結(jié)果顯示:僅不同階段SDNN存在顯著差異,其他差異不顯著。對3個時刻HRV數(shù)據(jù)進行配對T檢驗(見表5),發(fā)現(xiàn):靜測點與180min時刻及靜測點與215min時刻的所有HRV數(shù)據(jù)存在顯著差異(p<0.05);對于180和215min時刻,僅LF/HF存在顯著差異。

表4 不同時間段HRV方差分析Tab.4 Analysis of HRV variance at different time periods

表5 不同時間段HRV配對T檢驗結(jié)果(p值)Tab.5 HRV paired T-test results at different time periods (p value)

2.2.2 駕駛疲勞試驗階段HRV數(shù)據(jù)隨時間變化特征

參考王玉化等[33]的經(jīng)驗,繪制靜測點以駕駛疲勞試驗10-180min時間段的HRV數(shù)據(jù)隨時間而變化的數(shù)據(jù),如圖3。發(fā)現(xiàn)駕駛疲勞期:SDNN、LF和LF/HF呈現(xiàn)總體上升趨勢;MEAN和HF呈現(xiàn)總體下降趨勢;整個試驗過程MEAN值波動較大。

(a)SDNN、LF、HF

2.2.3 駕駛疲勞恢復階段HRV數(shù)據(jù)隨時間變化特征

同樣參考王玉華等[33]的經(jīng)驗,繪制靜測點和駕駛恢復試驗180-215min時間段的HRV數(shù)據(jù),如圖4。在駕駛疲勞恢復期:SDNN和MEAN呈現(xiàn)總體上升趨勢;LF和LF/HF雖然總體趨勢不明顯,但兩者趨勢線斜率為正,因此總體上升;HF呈現(xiàn)總體下降趨勢。

(a)SDNN、LF、HF

3 討論

本試驗通過記錄駕駛過程心率和主觀疲勞評分數(shù)據(jù)探究工程車模擬駕駛試驗疲勞及恢復。在試驗設計時,課題組通過文獻檢索,最終依據(jù)趙婷和朱守林等[31-32]的建議確定駕駛疲勞恢復方案:采用聽音樂休息的方式進行疲勞恢復,聽音樂恢復之前休息5min。

在本試驗中,通過100min模擬工程車駕駛后,駕駛員感覺有點疲勞;130min時刻后,駕駛員感覺比較疲勞;160min時刻后,駕駛員感覺達到非常疲勞。王琳[37]和劉澳等[38]研究中對駕駛員疲勞主觀評分規(guī)律進行分析,王琳模擬轎車駕駛試驗中駕駛員疲勞出現(xiàn)在90min時刻,劉澳等真車轎車駕駛試驗中,駕駛疲勞開始在90-100min時間段。本試驗中駕駛疲勞出現(xiàn)在100min時刻,3個研究中,雖然駕駛環(huán)境和駕駛車型不一致,但駕駛員疲勞出現(xiàn)時刻基本一致。因此,可以推測,轎車駕駛和工程車駕駛中,駕駛員疲勞的出現(xiàn)時刻基本一致。在朱守林等[31]研究中,經(jīng)過4h模擬駕駛試驗后,被試感覺精疲力盡、非常疲憊;經(jīng)過30min聽音樂靜坐休息后,80%駕駛員主觀疲勞程度達到無影響。雖然本試驗與朱守林等[31]試驗時長和主觀疲勞評分問卷不一樣,但是可以根據(jù)駕駛員的疲勞狀態(tài)來進行對比分析。將本試驗中時間與主觀疲勞評分進行相關(guān)分析,皮爾森相關(guān)系數(shù)r=0.87(p<0.0001),可構(gòu)建以主觀疲勞評分為因變量、時間t為自變量的回歸方程:主觀疲勞評分=0.038×t(R2=0.94,p<0.0001)?；谠摲匠?可以發(fā)現(xiàn):t為185min時刻,主觀疲勞評分達到7,駕駛員極度疲勞。因此,2個試驗中,駕駛疲勞狀態(tài)相似。在駕駛員疲勞駕駛恢復試驗中,經(jīng)過30min音樂恢復試驗后:朱守林等[31]試驗中80%駕駛員恢復,20%有點疲勞;本試驗中,215min時刻主觀疲勞評分分別為1、2、3和4的被試數(shù)量分別為4、2、1和1人,基于表1中不同疲勞評分所對應的疲勞狀態(tài)描述,以評分≥4作為駕駛員疲勞的評價標準,則215min時刻約75%的駕駛員疲勞恢復,25%的被試仍然感覺疲勞。因此,2個試驗中,駕駛員疲勞恢復情況基本一致。

在駕駛疲勞試驗中:駕駛疲勞試驗HRV數(shù)據(jù)隨時間逐漸增加,與主觀疲勞評分數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致;SDNN、LF和LF/HF呈現(xiàn)總體上升趨勢;MEAN和HF呈現(xiàn)總體下降趨勢。SDNN指標用于評估HRV的總體變化情況,SDNN隨時間增大,說明駕駛員精神負荷逐漸增加,疲勞程度增加。LF增加,HF降低,LF/HF增加,說明駕駛員精神在持續(xù)應激狀態(tài)下,交感神經(jīng)張力增加,迷走神經(jīng)功能減退,導致LF/HF不平衡性增加。MEAN數(shù)據(jù)反映心率變異的平均水平,MEAN指標越低,精神壓力越大,駕駛員越疲勞。本試驗中MEAN呈現(xiàn)總體下降趨勢,說明隨著駕駛時間的增加,駕駛員疲勞累積明顯,緊張程度增加,精力壓力增大。

在駕駛疲勞恢復試驗中:MEAN指標上升,駕駛員緊張程度降低,迷走神經(jīng)持續(xù)占優(yōu)勢,精神壓力有緩解;LF升高,HF趨于靜測值,LF/HF高于靜測值,交感神經(jīng)活動性降低?；谥焓亓值萚31]分析草原公路駕駛員疲勞恢復HRV數(shù)據(jù)方法,來對比分析本試驗中駕駛疲勞恢復階段HRV數(shù)據(jù)。朱守林等[31]進行的是草原公路的4h模擬駕駛試驗,本試驗是城市道路環(huán)境3h模擬駕駛試驗,但在駕駛疲勞恢復階段MEAN和LF/HF出現(xiàn)相似規(guī)律。朱守林等[31]試驗中為探究不同恢復時刻疲勞恢復水平以及心理、精力壓力狀態(tài),依據(jù)數(shù)據(jù)的特征對其進行分段討論,本試驗參考其方法對數(shù)據(jù)分段分析,并對2個試驗的MEAN和LF/HF數(shù)據(jù)進行比較(如圖5、6)。本試驗中MEAN值在740～820ms范圍內(nèi)波動,LF/HF值在1.5～4范圍內(nèi)波動;朱守林等[31]試驗MEAN指標在770～850ms范圍內(nèi)波動,LF/HF指標在1.25～3.5范圍內(nèi)波動。由此可見,兩者MEAN值和LF/HF范圍相近。對圖5、6中的各指標進行分段對比分析:

(1)0-5min時段。本試驗的MEAN指標呈上升趨勢,LF/HF指標呈下降趨勢,說明精神負荷緩解,心率調(diào)節(jié)主要受迷走神經(jīng)作用,交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)之間的平衡逐步向迷走神經(jīng)轉(zhuǎn)移,交感神經(jīng)興奮性減弱;朱守林等[31]試驗的MEAN指標呈下降趨勢,LF/HF指標呈上升趨勢,說明駕駛員精神壓力沒有得到有效緩解。這可能由2個試驗中試驗設計的差異導致,本試驗采用先不聽音樂休息5min,后再聽音樂休息;朱守林等[31]試驗中則是聽音樂。0-5min時段MEAN數(shù)據(jù)的差異是由音樂導致。

(2)5-20min時段。本試驗的MEAN指標呈上升趨勢,LF/HF指標呈先下降后上升的趨勢,上升幅度大于下降幅度,說明精神負荷持續(xù)降低,音樂條件下,雖然駕駛員疲勞有所緩解,但是隨著靜坐休息時間增長,交感神經(jīng)張力增加,迷走神經(jīng)功能減退。朱守林等[31]試驗的MEAN指標呈上升趨勢,LF/HF指標持續(xù)波動并呈下降趨勢,駕駛員精神負荷有效緩解,駕駛員疲勞逐漸恢復。本試驗中,10-20min階段被試LF/HF升高,駕駛員疲勞恢復效果不如朱守林等[31]試驗,這可能由試驗環(huán)境所導致。本試驗中,為了減少環(huán)境、行為等因素的干擾,實驗室全密封且采用空調(diào)調(diào)節(jié)溫度,被試要求靜坐聽音樂休息,單調(diào)枯燥的試驗環(huán)境使得駕駛員10min開始疲勞累積,從而使得LF/HF增加。

(3)20-30min時段。本試驗的MEAN指標呈下降趨勢,LF/HF指標呈先上升后下降的趨勢;朱守林等[31]試驗MEAN上升,LF/HF下降。本試驗中駕駛員精神負荷增加,駕駛員疲勞增加后又降低。朱守林等[31]試驗中精神負荷降低,駕駛員疲勞逐漸恢復。兩者差異的原因可能與5-20min時段數(shù)據(jù)差異原因一致。

圖5 MEAN隨時間而變化Fig.5 MEAN changes over time

圖6 LF/HF隨時間而變化Fig.6 LF/HF changes over time

本研究亦存在缺陷。首先,僅招募到8名被試,HRV數(shù)據(jù)規(guī)律性不強與被試數(shù)量較少、駕駛環(huán)境相當于密閉的“車內(nèi)環(huán)境”和恢復階段要求被試靜坐不可到處走動關(guān)系密切;其次,本試驗在疫情階段開展,沒有招募到具有相關(guān)駕駛經(jīng)驗的工程車駕駛員入校進行試驗,大學生和具有一定駕駛經(jīng)驗的駕駛員的駕駛習慣、疲勞發(fā)展存在一定的差異,還需要進一步探究;最后,本試驗僅進行了一種恢復方式下的駕駛疲勞恢復研究,后續(xù)將進行更多恢復方式下的研究以對比不同恢復方式的差異。

4 結(jié)論

(1) 工程車駕駛作業(yè)中,駕駛員疲勞累積明顯,且隨時間逐漸增強;駕駛員在100min時刻開始有點疲勞,建議在此時刻點左右采取一些緩解疲勞措施;駕駛?cè)碎L時間駕駛導致緊張程度增加,精神壓力增大,建議長時間駕駛后注意休息,避免影響行車安全。

(2) 聽音樂有利于工程車駕駛員精神壓力緩解,但是靜坐聽音樂條件下,神經(jīng)緊張得不到有效緩解,迷走神經(jīng)興奮降低。

5 致謝

本試驗執(zhí)行過程中,馬薇、劉逸帆、龍彬、馬瞻、黃馨怡和蔣安婷作為主試人員參與試驗設計與組織,何佳媛、吳文、趙彩俊、胡鴻、李開偉和唐范對試驗數(shù)據(jù)采集、整理與分析提供了指導。