車輛環(huán)境溫度對駕駛?cè)苏J(rèn)知能力的影響

翟穎妮 王相霖 牛浩波 王鑫塔

(1 西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710055;2 西安建筑科技大學(xué) 省部共建西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710055)

車輛環(huán)境溫度會(huì)影響駕駛?cè)说闹饔^熱感受,不舒適的車內(nèi)環(huán)境會(huì)對駕駛安全構(gòu)成威脅,使駕駛?cè)藛T出現(xiàn)注意力不集中與決策失誤,可能會(huì)引發(fā)交通事故[1-3]。

現(xiàn)有的關(guān)于車輛環(huán)境溫度對駕駛?cè)擞绊懙难芯恐饕杏谥饔^熱舒適。S. Yun等[4-5]對影響車輛熱舒適關(guān)鍵因素的研究發(fā)現(xiàn)空氣溫度的改變會(huì)導(dǎo)致熱舒適發(fā)生變化。李偉健等[6]研究駕乘艙中人體熱生理響應(yīng)與主觀熱感覺的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)駕乘人員的脈率、血壓與其熱感覺得分具有較強(qiáng)的相關(guān)性。C. Rosaria等[7]研究人體不同部位對車內(nèi)溫度變化的敏感程度,發(fā)現(xiàn)溫度對肩膀和背部區(qū)域的影響最大。Zhou Xiaojie等[8-9]發(fā)現(xiàn)平均皮膚溫度是決定汽車熱舒適程度的重要因素。一些研究表明,駕駛?cè)藛T在炎熱的環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)更多的駕駛失誤,從而引發(fā)交通事故[10-11]。

現(xiàn)有關(guān)于人員的認(rèn)知能力的研究主要集中于室內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域,室內(nèi)環(huán)境溫度的變化不僅影響人的熱舒適,同時(shí)對其認(rèn)知能力也會(huì)產(chǎn)生影響。2020年,H. Kim等[12]分析了不同室內(nèi)熱環(huán)境及其誘導(dǎo)的生理心理參數(shù)變化對大學(xué)生認(rèn)知能力的影響因素,發(fā)現(xiàn)在25.7 ℃時(shí)認(rèn)知表現(xiàn)最好,同時(shí),室內(nèi)熱條件可以通過激活生理反應(yīng)來影響認(rèn)知能力。Wang Dengjia等[13]發(fā)現(xiàn)被試者在感到稍暖(27 ℃)的室內(nèi)環(huán)境中認(rèn)知表現(xiàn)最佳。K. Tham等[14]通過對辦公環(huán)境的模擬,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氣溫對工作表現(xiàn)有較大的影響,較低的室溫會(huì)降低熱舒適度,刺激控制體溫調(diào)節(jié)的神經(jīng)系統(tǒng),提高個(gè)體的警覺性與注意力。Lan Li等[15]發(fā)現(xiàn)高溫導(dǎo)致的熱不舒適會(huì)顯著降低認(rèn)知速度。

綜上所述,車輛環(huán)境溫度變化不僅對駕駛?cè)说闹饔^舒適度產(chǎn)生影響,同時(shí)對認(rèn)知能力也有顯著影響。由于空間大小、人員活動(dòng)強(qiáng)度的不同,室內(nèi)熱環(huán)境對認(rèn)知能力的影響規(guī)律并不適用于駕駛?cè)说恼J(rèn)知能力評價(jià)。本文通過模擬不同車輛環(huán)境溫度下的駕駛?cè)蝿?wù),獲取被試者的生理參數(shù)、主觀感受及認(rèn)知能力測試結(jié)果,分析不同車輛環(huán)境溫度對駕駛?cè)苏J(rèn)知能力的影響機(jī)制,為改善車輛熱環(huán)境,提高駕駛安全提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)布置如圖1所示,被試者在搭建的模擬平臺(tái)上進(jìn)行單一環(huán)境道路(高速)的駕駛[16]、認(rèn)知能力測試和問卷調(diào)查,副駕駛的輔助人員測量被試的生理數(shù)據(jù),并記錄認(rèn)知能力測試完成時(shí)間和錯(cuò)誤次數(shù)。

圖1 試驗(yàn)布置與車內(nèi)環(huán)境

1.2 被試對象

研究采用被試內(nèi)設(shè)計(jì),根據(jù)統(tǒng)計(jì)功效(statistical power,sp)與效應(yīng)量(effect size,es)確定樣本容量[17],共招募10名年齡在21～24歲(平均值M=22.3歲,標(biāo)準(zhǔn)差SD=1.06歲)的在校男性大學(xué)生參與試驗(yàn),平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)為(22.51±1.38) kg/m2。被試者身著長袖和長褲的夏季服裝,衣服熱阻約為0.9 clo[18]。被試者日常生活規(guī)律,睡眠充足,身體健康,試驗(yàn)前均被告知試驗(yàn)方案,并進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn),確保所有被試者的認(rèn)知能力測試熟練度穩(wěn)定,采用平衡拉丁方設(shè)計(jì)來控制試驗(yàn)順序,以減少疲勞和練習(xí)效應(yīng)[19]。試驗(yàn)前保證充足的食物與水分?jǐn)z入,試驗(yàn)過程中不再補(bǔ)充,以減少口渴,低血糖等因素的影響。

1.3 試驗(yàn)過程

為模擬真實(shí)車內(nèi)環(huán)境,使用空調(diào)控制環(huán)境溫度,同時(shí)保持濕度在55%±5%范圍內(nèi)。試驗(yàn)前30 min打開車內(nèi)空調(diào),同時(shí)被試者進(jìn)入車輛熱環(huán)境適應(yīng),前20 min測量被試者各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)(心率、收縮壓、血氧飽和度、皮膚溫度),之后進(jìn)行認(rèn)知能力測試;試驗(yàn)開始后分別進(jìn)行前、后半段的模擬駕駛?cè)蝿?wù),生理數(shù)據(jù)測量與認(rèn)知能力測試,最后10 min填寫主觀問卷調(diào)查。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)流程

1.4 主觀問卷測量

使用主觀問卷測量被試者的熱感覺、熱舒適、環(huán)境接受度、腦力負(fù)荷得分和心理感受狀況。基于ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)設(shè)計(jì)熱感覺得分、熱舒適得分(冷不舒適～熱不舒適)與環(huán)境接受度[20-21]。通過NASA-TLX量表對被試者的腦力負(fù)荷、時(shí)間需求等進(jìn)行主觀評價(jià)[22],為便于快速評估分值,將NASA-TLX的范圍改為[-3,3],工作滿意度和工作意愿得分的范圍為[-5,5]。

1.5 認(rèn)知能力測試

為評估車輛環(huán)境溫度對駕駛?cè)苏J(rèn)知能力的影響,在試驗(yàn)中進(jìn)行認(rèn)知能力測試。測試內(nèi)容包括記憶、思維、感知和警覺能力,采用測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)作為認(rèn)知能力的評價(jià)指標(biāo)[23],如表1所示。

表1 認(rèn)知能力測試內(nèi)容

1.6 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

試驗(yàn)中測量了被試者心率、血壓、皮膚溫度、血氧飽和度等生理數(shù)據(jù)以及熱環(huán)境中的環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù),試驗(yàn)設(shè)備如表2所示,數(shù)量均為1。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

平均皮膚溫度(MST,mean skin temperature)是反映被試者綜合體溫的指標(biāo)之一,通過測量被試者4個(gè)不同部位(后頸、右肩胛骨、右脛骨和左手)的溫度T來計(jì)算[24],如式(1)所示:

T皮膚=0.28T后頸+0.28T右肩胛骨+

0.28T右脛骨+0.16T左手

(1)

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS Statistics 26和Origin 2018對被試者的客觀生理數(shù)據(jù)、認(rèn)知表現(xiàn)和主觀問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;通過Shapiroe-Wilk′s-W檢驗(yàn)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),對不同環(huán)境溫度下的變量進(jìn)行單因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)和最小顯著差異(leastsignificantdifference,LSD)方法進(jìn)行多重對比,采用Pearson分析計(jì)算各參數(shù)與環(huán)境溫度之間的相關(guān)性,顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 生理反應(yīng)

表3所示為不同環(huán)境溫度下被試者的生理參數(shù)情況。其中,A、B、C、D代表環(huán)境溫度分別為20、23、26、30 ℃的工況。

心率是反映情緒變化和認(rèn)知活動(dòng)的重要生理指標(biāo)之一,不同車輛環(huán)境溫度下被試者的平均心率變化如圖3(a)所示。由圖可知,隨著環(huán)境溫度的升高,平均心率呈上升趨勢,這是因?yàn)楦邷貙π呐K施加的熱應(yīng)力導(dǎo)致心率升高[25]。LSD事后對比發(fā)現(xiàn),心率在20、23 ℃均與30 ℃時(shí)有顯著差異(P<0.05)。

收縮壓反映心血管的機(jī)能和狀態(tài),即在一定生理負(fù)荷情況下機(jī)體血壓的變化情況。被試者的收縮壓變化如圖3(b)所示,相比于20 ℃,收縮壓在23 ℃至26 ℃時(shí)增大,30 ℃時(shí)出現(xiàn)下降,這是因?yàn)楦邷厥寡軘U(kuò)張,導(dǎo)致血壓下降。

血氧飽和度反映體內(nèi)氧氣代謝狀況,是重要的生命體征指標(biāo)。被試者的血氧飽和度變化如圖3(c)所示,血氧飽和度在不同環(huán)境溫度下變化并不顯著,其均值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。平均血氧飽和度在20 ℃時(shí)最低,26 ℃時(shí)達(dá)到最高。單因素方差分析表明,在4種環(huán)境溫度下,平均血氧飽和度變化幅度在1%以內(nèi),無顯著差異(P>0.05)。

平均皮膚溫度變化能夠有效反映車輛熱環(huán)境中駕駛員的人體熱狀態(tài)[8-9]。被試者的平均皮膚溫度變化如圖3(d)所示,平均皮膚溫度隨環(huán)境溫度的升高而上升,當(dāng)溫度從20 ℃升至30 ℃時(shí),平均皮膚溫度從35.04 ℃升至35.94 ℃,由于體溫平衡調(diào)節(jié)與裸露皮膚的系數(shù)較小,平均皮膚溫度并未表現(xiàn)出顯著升高。

2.2 認(rèn)知能力變化

表4所示為不同環(huán)境溫度下被試者的測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)。

測試項(xiàng)目的用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)如圖4所示。在思維能力測試中,20、23和26 ℃時(shí)的測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)無顯著變化,30 ℃時(shí)的測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)出現(xiàn)明顯上升,此時(shí)的思維能力下降;在記憶能力測試中,測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而上升,較高的溫度降低了被試者的記憶效果;在感知能力測試中,與其余溫度相比,30 ℃時(shí)的測試用時(shí)出現(xiàn)明顯上升,錯(cuò)誤次數(shù)無顯著變化。

圖4 測試項(xiàng)目的用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)

此外,使用測試項(xiàng)目總用時(shí)與總錯(cuò)誤次數(shù)來綜合反映被試的認(rèn)知水平,如圖5所示,思維、記憶、感知等項(xiàng)目的總測試用時(shí)和總錯(cuò)誤次數(shù)均呈上升趨勢,單因素方差分析和LSD事后對比發(fā)現(xiàn),20 ℃和30 ℃時(shí)的測試總用時(shí)和總錯(cuò)誤次數(shù)變化顯著(P<0.05)。

圖5 測試總用時(shí)與總錯(cuò)誤次數(shù)

反應(yīng)時(shí)間可以用來評估被試者的警覺性,如圖6所示,相比于23 ℃和26 ℃,20 ℃和30 ℃的反應(yīng)時(shí)間較少,隨環(huán)境溫度的升高,被試的反應(yīng)時(shí)間先增加后減少,可能的原因是高溫會(huì)增加與警覺性相關(guān)的去甲腎上腺素的分泌,使反應(yīng)時(shí)間減少[14-15]。

圖6 不同環(huán)境溫度下的反應(yīng)時(shí)間

2.3 主觀問卷調(diào)查

表5所示為被試者的主觀問卷調(diào)查結(jié)果。各測試項(xiàng)目隨環(huán)境溫度的升高均發(fā)生顯著變化,熱感覺和熱舒適得分增加,環(huán)境接受度降低;被試者頭暈、疲勞、乏力、注意力不集中和思考能力下降等癥狀加劇。

表5 不同環(huán)境溫度下被試者的主觀心理感受情況

使用三階多項(xiàng)式對熱感覺得分與環(huán)境溫度進(jìn)行擬合,R2=0.899,擬合曲線如圖7所示。隨著環(huán)境溫度的增加,被試者的整體熱感覺呈上升趨勢。當(dāng)環(huán)境溫度分別為20、23、26、30 ℃時(shí),被試者的TSV(thermal sensation vote)分別集中在-2(50%)和-1(50%)、0(70%)和+1(30%)、+1(20%)、+2(60%)和+3(20%)、+2(50%)和+3(50%)。

NASA-TLX得分在不同環(huán)境溫度下變化顯著(P<0.05),如圖8所示。隨著環(huán)境溫度升高,被試者的腦力負(fù)荷、時(shí)間需求、努力程度和體力需求均表現(xiàn)出不同程度的增加。

圖8 NASA-TLX得分

對被試者的工作意愿和工作滿意度進(jìn)行調(diào)查結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,在20 ℃時(shí)有60%的被試者有較高的工作意愿(工作意愿得分為[+3,+5]),其余40%的被試者認(rèn)為他們有繼續(xù)工作的想法(工作意愿得分為[+1,+2]),同時(shí)他們對該任務(wù)的完成表現(xiàn)都比較滿意(工作滿意度得分≥+1);與20 ℃相比,在23 ℃時(shí)被試者的工作意愿與滿意度并無明顯的改變;在26 ℃時(shí),被試者的工作意愿出現(xiàn)了下降,同時(shí)認(rèn)為自己并未很好地完成任務(wù)(工作滿意度得分出現(xiàn)負(fù)值);在30 ℃時(shí)被試者工作意愿均為負(fù)值,即被試者產(chǎn)生了逃離該環(huán)境的想法,并對已完成的工作感到并不滿意(工作滿意度≤0)。

圖9 工作情況投票結(jié)果

圖10 被試者出汗部位投票得分

此外,通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)境溫度升高,被試者不同部位的排汗量都有所增加。在20 ℃時(shí),總體出汗量較少;23 ℃時(shí)手心、背部出汗量增加;26 ℃時(shí),有70%被試者反映手心和后背大量出汗,50%的被試者反映額頭大量出汗;30 ℃時(shí),所有被試者均反映手心部位大量出汗,有90%的被試者反映額頭、后背大量出汗,被試者通過排汗來降低身體溫度,以達(dá)到體溫平衡。因此,在車內(nèi)溫度超過26 ℃時(shí),駕駛員更應(yīng)注意手心、后背、額頭的防汗。

3 討論

3.1 生理、心理、認(rèn)知能力與熱環(huán)境的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)系數(shù)用于衡量變量之間的線性關(guān)系,是相關(guān)性分析重要的指標(biāo)。采用Pearson分析對環(huán)境溫度和各參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算(雙尾),結(jié)果如表6所示,心率、平均皮膚溫度、測試用時(shí)、錯(cuò)誤次數(shù)與環(huán)境溫度存在顯著低度正相關(guān);主觀問卷調(diào)查中的熱感覺、熱舒適、腦力負(fù)荷與環(huán)境溫度存在顯著高度正相關(guān)(P<0.001);環(huán)境接受度與環(huán)境溫度存在顯著高度負(fù)相關(guān)(P<0.001)。收縮壓、血氧飽和度與環(huán)境溫度無顯著相關(guān)性。

表6 環(huán)境溫度與各參數(shù)的相關(guān)性分析

3.2 生理變化與熱環(huán)境的關(guān)聯(lián)分析

隨著環(huán)境溫度的升高,被試者交感神經(jīng)激活,導(dǎo)致血液中腎上腺素和去甲腎上腺素水平升高,此時(shí)心肌收縮力增強(qiáng)、心率加快。血液循環(huán)加快也會(huì)使心率加快,同時(shí)導(dǎo)致收縮壓降低[26]。

平均皮膚溫度與環(huán)境溫度呈正相關(guān)。隨著環(huán)境溫度的升高,被試者的平均皮膚溫度也隨之上升[27]。

高溫和低溫下血氧飽和度無顯著差異。偏冷環(huán)境中血氧飽和度平均值低于熱中性環(huán)境,這是由于低溫時(shí)人體為減少熱量損失降低呼吸速率引起的[6]。

問卷調(diào)查顯示,隨著環(huán)境溫度升高,被試者出現(xiàn)更多熱不舒適狀態(tài),手心、背部和額頭出汗量增加。原因可能是當(dāng)處于較高溫度下,體溫調(diào)節(jié)中樞使人體的新陳代謝加快,散熱加速,排汗量上升。

3.3 生理變化與認(rèn)知能力的關(guān)聯(lián)分析

不同心率和收縮壓下的認(rèn)知能力測試結(jié)果如圖11所示。由圖11(a)、圖11 (c)可知,隨著心率升高,認(rèn)知能力測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)增加,綜合問卷調(diào)查結(jié)果顯示,被試者心率加快時(shí),人體處于緊張、焦慮等心理狀況,從而引起認(rèn)知能力的降低。由圖11(b)、圖11 (d)可知,測試用時(shí)在收縮壓為110～120 mmHg時(shí)最小,錯(cuò)誤次數(shù)隨著收縮壓的升高而降低。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[28]相同,大腦需要持續(xù)大量的血流來維持功能運(yùn)轉(zhuǎn),但高血壓會(huì)導(dǎo)致靜息狀態(tài)下的腦血流量減少,使認(rèn)知能力下降,即高血壓與認(rèn)知功能減退密切相關(guān),是造成認(rèn)知能力下降的危險(xiǎn)因素。

圖11 不同心率和收縮壓下的認(rèn)知能力

3.4 熱感覺與認(rèn)知能力的關(guān)聯(lián)分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),駕駛過程中被試者的認(rèn)知能力在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài),這與一些室內(nèi)熱環(huán)境研究[12-13]結(jié)論不同,即26～27 ℃時(shí)的室內(nèi)認(rèn)知表現(xiàn)最佳。由于空間大小、人員活動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)性質(zhì)及服裝熱阻等方面存在差異,導(dǎo)致了室內(nèi)環(huán)境與車輛環(huán)境的熱中性溫度的差異。駕駛?cè)嗽陂L時(shí)間駕駛時(shí)需要保持高度集中的注意力,較低的車內(nèi)溫度可以促進(jìn)垂體-腎上腺皮質(zhì)和交感神經(jīng)的激活,增加皮質(zhì)醇和兒茶酚胺的分泌,提高駕駛?cè)藛T的認(rèn)知能力。

為調(diào)查被試者的熱感覺是否影響認(rèn)知能力,本文進(jìn)一步分析了熱感覺得分與認(rèn)知能力之間的關(guān)系,如圖12所示,在熱感覺得分值為+2和+3時(shí),認(rèn)知測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)最大。這與一些文獻(xiàn)[15,23]相似,即高溫導(dǎo)致的熱不滿會(huì)顯著降低認(rèn)知速度。當(dāng)被試者熱感覺較高時(shí),一般伴隨著心神不安、頭暈疲勞等心理現(xiàn)象,因此認(rèn)知能力測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)增加。

圖12 認(rèn)知能力隨TSV的變化

由圖7、圖12可知,當(dāng)被試者處于熱中性(TSV=0)環(huán)境時(shí)的車內(nèi)溫度為23 ℃,此時(shí)的認(rèn)知能力并未達(dá)到最佳。因此為了使駕駛?cè)吮３至己玫恼J(rèn)知能力,建議在進(jìn)行駕駛?cè)蝿?wù)時(shí)應(yīng)當(dāng)保持稍冷(20 ℃)的車內(nèi)環(huán)境。

4 結(jié)論

為探究車輛熱環(huán)境對駕駛?cè)苏J(rèn)知能力的影響,本文搭建了模擬駕駛試驗(yàn)平臺(tái),獲取駕駛?cè)嗽诓煌h(huán)境溫度下的生理數(shù)據(jù)、主觀感受以及認(rèn)知能力結(jié)果,通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,得到如下結(jié)論:

1)隨著環(huán)境溫度的升高,心率與平均皮膚溫度均呈上升趨勢;收縮壓和血氧飽和度在20～26 ℃時(shí)上升,在30 ℃下降,同時(shí)頭暈、疲勞、乏力和出汗等不舒適狀態(tài)加劇;熱感覺、熱舒適得分和腦力負(fù)荷隨環(huán)境溫度的升高而升高,環(huán)境接受度、工作滿意度和工作意愿隨環(huán)境溫度的升高而降低。

2)認(rèn)知能力測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)隨心率升高而增加,隨著收縮壓升高而降低。

3)相關(guān)性分析表明,心率、平均皮膚溫度、測試用時(shí)、錯(cuò)誤次數(shù)與環(huán)境溫度存在顯著低度正相關(guān);主觀問卷調(diào)查中的熱感覺、熱舒適、腦力負(fù)荷與環(huán)境溫度存在高度正相關(guān)(P<0.001);環(huán)境接受度與環(huán)境溫度存在高度負(fù)相關(guān)(P<0.001)。

4)被試者的認(rèn)知測試用時(shí)和錯(cuò)誤次數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而增加。在20 ℃時(shí),駕駛?cè)四軌虮３州^高的認(rèn)知能力,在23 ℃時(shí),駕駛?cè)酥饔^熱舒適度達(dá)到最佳,在車輛環(huán)境溫度超過26 ℃時(shí),應(yīng)注意手心、前額和背部的防汗保護(hù),因此,為達(dá)到較高的認(rèn)知能力和熱舒適,車輛環(huán)境溫度應(yīng)保持在20～23 ℃。

為保證被試者的人身安全,本試驗(yàn)先在模擬駕駛環(huán)境中進(jìn)行,后續(xù)將在真實(shí)道路上進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)開展偏冷環(huán)境(<20 ℃)以及更長駕駛時(shí)長的試驗(yàn),綜合本文的生理參數(shù)和主觀感受數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析車輛環(huán)境溫度對駕駛?cè)苏J(rèn)知能力變化的生理心理機(jī)制。