駕駛疲勞對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響研究

摘" 要：搭建了駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺，通過對不同疲勞狀態(tài)下駕駛員有效反應(yīng)時間的測試，研究分析了單純困倦和駕駛疲勞對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響。研究表明：隨著困倦或疲勞程度的加深，駕駛員有效反應(yīng)時間有延長的趨勢，但延長的幅度并不特別顯著，約0.1s；而反應(yīng)時間的離散程度變化極為顯著，超長反應(yīng)時間出現(xiàn)的概率大大提高，使駕車的安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。

關(guān)鍵詞：駕駛疲勞；有效反應(yīng)時間；測試平臺

中圖分類號：U467" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0002-07

Study on the Influence of Driving Fatigue on Drivers’ Effective Response Time

ZHANG Zuo-ying1，2， TAN Li-xin2， LU De-min2

（1. Working Station for Doctor of GuangDong Institute of Arts and Sciences， ZhanJiang 524471，China；2. School of Intelligent Manufacturing of GuangDong Institute of Arts and Sciences， ZhanJiang 524471，China）

Abstract： The test platform of driver’s effective response time is built. Through the test of driver’s effective response time under different fatigue states， the effects of simple sleepiness and driving fatigue on driver’s effective response time are studied. The research shows that with the deepening of drowsiness or fatigue， the driver’s effective response time tends to prolong， but the extension range is not particularly significant. From normal state to severe fatigue or drowsiness， the time is extended about 0.1s. However the discrete degree of reaction time changes significantly. The probability of extremely long reaction time is greatly improved. Because of this， the safety risk of driving increases sharply.

Key" Words： Driving Fatigue; Effective Response Time; Test Platform

張佐營

畢業(yè)于山東大學(xué)，工學(xué)博士，現(xiàn)就職于廣東文理職業(yè)學(xué)院，任智能制造學(xué)院副院長，主要從事精密機(jī)械制造與測試、疲勞駕駛干預(yù)技術(shù)研究，曾在《中國機(jī)械工程》等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，獲省部級科技進(jìn)步獎2項(xiàng)。

車輛保有量的不斷攀升，在給人們生活帶來便捷的同時，也產(chǎn)生了一些負(fù)面的社會問題。比如，每年因車輛交通事故造成的生命財(cái)產(chǎn)損失一直居高不下。而在導(dǎo)致交通事故的所有因素中，疲勞駕駛所占比例最高[1]。

關(guān)于駕駛疲勞的概念，業(yè)內(nèi)普遍可以接受的觀點(diǎn)為：因長時間駕駛，伴隨著腦力和體力消耗而產(chǎn)生的一種心理、生理機(jī)能衰退的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為駕駛員大腦反應(yīng)的遲鈍、肢體動作的遲緩，導(dǎo)致的最終結(jié)果是駕駛員對外界環(huán)境的感知、判斷能力和對車輛的控制能力下降[2]。

駕駛疲勞最根本的問題在于駕駛員的反應(yīng)變得遲鈍，反應(yīng)時間變長，導(dǎo)致緊急情況下不能及時控制車輛而引發(fā)交通事故，是交通運(yùn)輸安全的重大隱患。多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者投入了大量的精力，研究駕駛疲勞的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，通過各種現(xiàn)代檢測手段來評價駕駛員的疲勞狀態(tài)，并對駕駛員進(jìn)行疲勞預(yù)警。實(shí)際上，無需檢測，駕駛員自己就可以較為準(zhǔn)確地感知是否已經(jīng)疲勞，但現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)駕駛員會心存僥幸選擇繼續(xù)駕車。文獻(xiàn)[3]指出，單靠疲勞監(jiān)測技術(shù)還不能非常有效地解決駕駛疲勞問題，應(yīng)研究駕駛疲勞的干預(yù)技術(shù)，以阻斷或緩解疲勞，從而更好地保證行車安全。研究駕駛疲勞對駕駛員反應(yīng)時間的影響規(guī)律，可幫助駕駛員認(rèn)清疲勞駕駛的危險(xiǎn)性，主動采取疲勞的干預(yù)措施，亦可為交通管理部門制訂疲勞駕駛的相關(guān)法規(guī)提供科學(xué)依據(jù)，對降低疲勞駕駛的社會危害具有積極而現(xiàn)實(shí)的意義。

與駕駛疲勞的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究相比，人們在疲勞對駕駛員反應(yīng)時間的影響方面研究卻較少。耿嵐鑫等[4]研究了不同駕駛員年齡、性別、駕駛經(jīng)驗(yàn)情況下，駕駛員的具體反應(yīng)時間，研究結(jié)果主要是為車輛預(yù)警系統(tǒng)提供參數(shù)；張智勇等[5]基于AHP法對影響駕駛員反應(yīng)時間因素的權(quán)重進(jìn)行了研究，研究表明駕駛員的自身狀況及天氣狀況分別在準(zhǔn)則層和指標(biāo)層影響最大。郭夢竹等[6]以駕駛員反應(yīng)時間作為輸入量，疲勞等級作為輸出量，對駕駛疲勞進(jìn)行量化分類，取得了80.67%準(zhǔn)確率。Sonnleitner 等[7]以及Langner 等[8]的研究表明，人們整體的反應(yīng)時間會隨著駕駛時間或執(zhí)行任務(wù)的時間增加而增加，但研究沒有涉及不同疲勞狀態(tài)的反應(yīng)時間變化規(guī)律。ZHANG E等[9]在模擬駕駛器上，測試研究了駕駛員的靜態(tài)和動態(tài)反應(yīng)時間，指出分心會使駕駛員反應(yīng)時間增加，研究沒有涉及駕駛疲勞問題。

本文提出了駕駛員有效反應(yīng)時間的概念，搭建了駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺，通過對不同疲勞狀態(tài)下的駕駛員有效反應(yīng)時間的測試，研究分析了駕駛疲勞程度對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響規(guī)律。

1" " 駕駛員有效反應(yīng)時間的概念

關(guān)于駕駛員反應(yīng)時間，業(yè)內(nèi)普遍采用的概念是指遇到危險(xiǎn)信號時，腳從油門踏板移動到剎車踏板的時間[5]。醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，反應(yīng)時間通常分為兩種：一種為簡單反應(yīng)，其主要是對一種刺激信號所做的反應(yīng)，可分為視覺反應(yīng)、聽覺反應(yīng)以及觸覺反應(yīng)，其反應(yīng)時間較短；另一反應(yīng)為選裝反應(yīng)，是指在復(fù)雜環(huán)境中，人需要經(jīng)過較為復(fù)雜的感知和邏輯判斷才能做出的反應(yīng)，此反應(yīng)時間相對較長[10]。經(jīng)過長期的訓(xùn)練，駕駛員遇到危險(xiǎn)信號時，踩剎車的反應(yīng)可變成一種條件反射，其反應(yīng)時間接近簡單反應(yīng)時間。但一般情況下，駕駛員的反應(yīng)通常為選裝反應(yīng)，也就是說駕駛員要根據(jù)復(fù)雜的駕駛環(huán)境信息，及時做出準(zhǔn)確的判斷，并給出相應(yīng)的操作。

定義駕駛員有效反應(yīng)時間為駕駛員準(zhǔn)確感知駕駛環(huán)境變化并做出正確操作所用的時間。也就是說，在駕駛過程中遇到突發(fā)狀況時，駕駛員慌亂之中，下意識地做出剎車或轉(zhuǎn)向的動作所用時間并不是有效反應(yīng)時間。當(dāng)駕駛員面對突發(fā)狀況時，有效反應(yīng)時間是評價駕駛安全的最直接指標(biāo)。比如，現(xiàn)實(shí)中有很多女性駕駛員面對突發(fā)狀況時，其簡單反應(yīng)也很快，但在操作上卻可能出現(xiàn)錯把油門當(dāng)剎車的錯誤操作，危害更大。因此，有效反應(yīng)時間才是研究安全駕駛的有效指標(biāo)。

2" " 駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺

2.1" "平臺搭建

駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分如圖1所示，主要由汽車駕駛模擬器1、筆記本電腦5、多通道數(shù)據(jù)采集卡6、置位電路板7組成。

駕駛模擬器1供駕駛員進(jìn)行模擬駕駛，通過模擬駕駛，使駕駛員處于不同的駕駛疲勞程度。筆記本電腦5置于駕駛模擬器顯示屏2一側(cè)，筆記本電腦用來發(fā)出駕駛指令信息、模擬突發(fā)狀況、提示駕駛員進(jìn)行相應(yīng)操作，并通過軟件實(shí)現(xiàn)置位電路板7上不同觸點(diǎn)電位的采集，以及反應(yīng)時間的計(jì)數(shù)工作。模擬駕駛器制動踏板3下面，以及方向盤4轉(zhuǎn)軸左右兩側(cè)分別設(shè)有金屬觸點(diǎn)，用于和置位電路板上的觸點(diǎn)配合，實(shí)現(xiàn)電路的通斷。

測試軟件采用VB6.0編寫，主要包括自動彈窗提示操作信息、采集置位電路板的電位信號、計(jì)時、數(shù)據(jù)的記錄保存，以及數(shù)據(jù)的處理與圖形顯示等功能。

2.2" "測試原理

如圖2所示，置位電路板由12V電瓶供電，串聯(lián)的1KΩ和700Ω兩個電阻之間連接一金屬觸點(diǎn)（靜觸點(diǎn)），制動踏板下面固聯(lián)一金屬觸點(diǎn)（動觸點(diǎn)），靜觸點(diǎn)通過導(dǎo)線接數(shù)據(jù)采集卡的輸入通道，動觸點(diǎn)通過導(dǎo)線連接到電源負(fù)極。當(dāng)駕駛員沒有操作動作時，動、靜觸點(diǎn)不接觸，靜觸點(diǎn)的電位被置位為5V，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，靜觸點(diǎn)與動觸點(diǎn)接觸，靜觸點(diǎn)處電位被拉低為0V。測試軟件根據(jù)隨機(jī)的時間間隔，發(fā)出駕駛員操作指示信息后開始計(jì)時，當(dāng)采集卡采集到的電位由5V跳變?yōu)?V時，停止計(jì)時，所測得的時間間隔即為駕駛員實(shí)際反應(yīng)時間。

在方向盤的轉(zhuǎn)軸左右兩側(cè)同樣固聯(lián)兩個相互絕緣的金屬觸點(diǎn)（動觸點(diǎn)），置位電路板上設(shè)置3組相同的電路結(jié)構(gòu)，其3個靜觸點(diǎn)分別接數(shù)據(jù)采集卡的3個輸入通道，并通過與方向盤軸上左、右兩個動觸點(diǎn)以及踏板下面的動觸點(diǎn)的接觸，改變其電位的高低，用來判斷駕駛員是否按提示信息做出了正確的操作。如果駕駛員的操作與提示信息不符，則不能得到計(jì)時數(shù)據(jù)，因此，其測試結(jié)果即為駕駛員的有效反應(yīng)時間。測試程序流程如圖3所示：

2.3" "平臺測試結(jié)果有效性驗(yàn)證

通過軟件設(shè)置提示信息為單一信息，駕駛員不需做任何判斷推理，看到提示信息即做剎車動作，此時所測反應(yīng)時間為駕駛員的簡單反應(yīng)時間。分別對20歲左右和50歲左右兩組被試進(jìn)行測試，前一組的測試數(shù)據(jù)均值為0.33s，后一組平均值為0.37s。測試結(jié)果說明就簡單反應(yīng)而言，年輕人反應(yīng)略快。這一測試結(jié)果與文獻(xiàn)[6]和[11]所提及的駕駛員視覺簡單反應(yīng)的研究結(jié)果高度吻合。這就說明測試平臺能夠滿足對反應(yīng)時間測試的要求，所測結(jié)果能夠反應(yīng)真實(shí)情況，可以用于對駕駛員反應(yīng)時間的測試研究。

3" " 駕駛疲勞程度對有效反應(yīng)時間的影響規(guī)律

3.1" "實(shí)驗(yàn)測量方案

參與測試的駕駛員按年齡分成2組，A組為20歲左右的青年組，B組為50歲左右的中年組，每組10人。為剔除設(shè)備操作熟練程度對測試結(jié)果的影響，正式測試前，駕駛員先熟悉測試裝置的操作，待每位測試者完全熟悉了測試裝置后再進(jìn)行測試。

測試時，駕駛員通過在模擬駕駛器上的模擬駕駛，逐漸累積疲勞程度。對疲勞程度的評價，采取駕駛員自我評價的方式。為考查單純的睡眠不足引起的困倦與正常的駕駛疲勞對反應(yīng)時間的影響，疲勞程度按照疲勞和困倦兩個維度劃分，每個維度劃分3個等級。疲勞等級0為完全清醒或休息充分的狀態(tài)，等級1為有困意或感覺較累狀態(tài)，等級2為特別困倦或勞累狀態(tài)。困倦狀態(tài)下的測試選擇午后人容易困倦的時候進(jìn)行。評價量表如表1所示：

3.2" "測試結(jié)果與分析

測試數(shù)據(jù)精確到10毫秒，由軟件記錄保存，測試結(jié)果導(dǎo)入Excell進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用均值表征反應(yīng)時間的平均水平，用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征數(shù)據(jù)的平均偏離程度，用Frequency函數(shù)統(tǒng)計(jì)反應(yīng)時間的分布概率。其中標(biāo)準(zhǔn)偏差采用式1計(jì)算：

式中n為樣本大小，xi為樣本中的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過對A、B兩組被試的大量測試，收集了約30000個數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的初步分析，發(fā)現(xiàn)被試個體之間反應(yīng)時間的長短因人而異，A、B兩組中，組內(nèi)差異較大，組間差異卻不顯著。不同疲勞程度下，個體被試的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，因此，為了剔除不同被試對疲勞程度自我評價的誤差，確保分析數(shù)據(jù)的可對比性，后面的分析主要以個體被試為分析對象。

3.2.1 提示信息的形式對駕駛員反應(yīng)時間的影響

將測試軟件中的駕駛操作提示信息的形式分別設(shè)置為文字提示和圖像提示時，A、B兩組的反應(yīng)時間的測試結(jié)果如表2所示：

從測試結(jié)果可以看出，青年組的反應(yīng)時間稍低于中年組，但無論是青年組還是中年組，當(dāng)提示信息為文字時，反應(yīng)時間明顯高于提示信息為圖像時的反應(yīng)時間，且此時的標(biāo)準(zhǔn)偏差也偏高。這說明文字比較抽象，而圖像更直觀，駕駛員對文字信息的反應(yīng)時間要高于對圖像的反應(yīng)時間，文字信息越復(fù)雜，反應(yīng)時間越長?，F(xiàn)實(shí)駕車過程中，駕駛員需要處理的信息大多數(shù)情況下為實(shí)物圖像情境，因此，圖像信息提示更符合實(shí)際駕車狀況，后面的測試統(tǒng)一采用圖像提示信息。

3.2.2 單純困倦對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響

瞌睡通常被認(rèn)為是駕駛疲勞的最高等級，在駕駛疲勞監(jiān)測中，基于面部特征及頭部姿態(tài)的監(jiān)測就是監(jiān)測駕駛員是否有瞌睡的現(xiàn)象[3]。實(shí)際上，駕駛員即使沒有長時間駕車，由于睡眠不足或生物鐘等原因，也會在午后或凌晨出現(xiàn)困倦乃至瞌睡的狀況。

為考察單純困倦對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響，測試了被試個體睡眠充足、感覺有些困倦和非常困倦三種困倦等級下的反應(yīng)時間，每種狀況下的數(shù)據(jù)采集數(shù)量為300個。測試結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差變化情況如圖4所示，反應(yīng)時間概率密度分布情況如圖5所示。

測試結(jié)果可以看出，隨著困倦等級的升級，駕駛員反應(yīng)時間略有升高，但數(shù)值變化幅度并不顯著，在本例測試中，從困倦等級0到困倦等級2反應(yīng)時間均值升高了約0.1s。標(biāo)準(zhǔn)偏差則有非常顯著的變化，困倦等級0時，該數(shù)值為0.055s，而困倦等級2狀態(tài)下，該數(shù)值達(dá)到了0.249s，約是困倦等級0狀態(tài)下的4倍。這說明隨著困倦等級的升高，駕駛員的總體反應(yīng)時間雖然沒有顯著變化，但反應(yīng)時間的離散程度卻有極為顯著的變化。在困倦等級0狀態(tài)下，反應(yīng)時間最大值為0.74s，而困倦等級2狀態(tài)下，反應(yīng)時間最大值達(dá)到了3.58s。

從反應(yīng)時間概率密度分布圖上，可以更清晰地看出，隨著困倦等級的升高，反應(yīng)時間分布圖的重心逐漸向右偏移。在困倦等級0狀態(tài)下，反應(yīng)時間在0.5～0.6s之間的次數(shù)最高，而在困倦等級2狀態(tài)下，反應(yīng)時間在0.6～0.7s之間的次數(shù)最高。在困倦等級2狀態(tài)下，多次出現(xiàn)了反應(yīng)時間超過1.0s的情況，出現(xiàn)了2次超過3s的情況。

國內(nèi)外有關(guān)高速公路安全行車距離的研究，多是以1.0s或1.2s作為正常制動反應(yīng)時間的上限計(jì)算研究的[12]。也就是說，駕駛員即使在高速公路上保持了規(guī)定的安全行車距離，如果反應(yīng)時間超過了這一數(shù)值，也無法保證行車安全。因此，測試中多次出現(xiàn)了反應(yīng)時間超過1.0s的情況，說明駕駛的安全風(fēng)險(xiǎn)在不斷增大。測試中，反應(yīng)時間還出現(xiàn)了超過3s的情況，這說明測試過程中出現(xiàn)了文獻(xiàn)[13]所定義的微睡眠狀態(tài)。這種微睡眠狀態(tài)的出現(xiàn)，使駕駛員的有效反應(yīng)時間大大延長，安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增大，疲勞駕駛而導(dǎo)致的交通安全事故也大多是因此而發(fā)生的[1]。

3.2.3 疲勞對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響

被試駕駛員在測試前睡眠充足，精神狀態(tài)良好，通過長時間模擬駕駛逐漸累積疲勞程度。分別測試了駕駛員剛開始駕駛、駕駛3小時后、駕駛4.5小時后的反應(yīng)時間，三個測試時間段的狀態(tài)分別對應(yīng)于表1中的三個疲勞等級。每種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集數(shù)量為300個。測試結(jié)果的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差變化情況如圖6所示，反應(yīng)時間概率密度分布情況如圖7所示。

從測試結(jié)果可以看出，隨著疲勞程度的加深，駕駛員反應(yīng)時間略有升高，從疲勞等級0到疲勞等級2反應(yīng)時間均值變化超過了0.1s。標(biāo)準(zhǔn)偏差更是有非常顯著的變化，疲勞等級0狀態(tài)下，該數(shù)值為0.055s，疲勞等級2狀態(tài)下，該數(shù)值達(dá)到了0.175s，是疲勞等級0狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍。這說明隨著疲勞等級的升高，駕駛員的總體反應(yīng)時間整體呈上升趨勢，變化并不是特別顯著，但反應(yīng)時間的離散程度變化顯著。在疲勞等級0狀態(tài)下，反應(yīng)時間最大值為0.74s，而疲勞等級2狀態(tài)下，反應(yīng)時間最大值達(dá)到了1.68s。

從反應(yīng)時間概率密度分布來看，隨著疲勞等級的升高，反應(yīng)時間分布圖的重心逐漸向右偏移。在疲勞等級0狀態(tài)下，反應(yīng)時間在0.5～0.6s之間的次數(shù)最高；疲勞等級1狀態(tài)下，反應(yīng)時間在0.6～0.7s之間的次數(shù)最高；疲勞等級2狀態(tài)下，反應(yīng)時間在0.6～0.7s、0.7～0.8s之間的次數(shù)最高。在疲勞等級2狀態(tài)下，多次出現(xiàn)了反應(yīng)時間超過1.0s的情況。

本測試中，被試在長時間模擬駕駛后，感覺身體極為疲勞、眼睛干澀、視線模糊、但并未出現(xiàn)困倦瞌睡感覺。這說明使駕駛員長時間駕車后，雖然不是每個人都會感到困倦，但反應(yīng)時間依然會有較明顯的延長，尤其是感覺非常疲勞時，多次出現(xiàn)反應(yīng)時間超過1.0s的情況。出現(xiàn)這種情況的原因是由于駕駛員的疲勞，導(dǎo)致其視線模糊、注意力分散所致。此種狀態(tài)下駕車，偶遇緊急情況時，就可能因反應(yīng)不及時，導(dǎo)致操作的慌亂，使安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。

4" " 結(jié)論

本文提出了駕駛員有效反應(yīng)時間的概念，基于模擬駕駛儀搭建了駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺，通過對駕駛員簡單反應(yīng)時間的測試，驗(yàn)證了平臺測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了單純困倦和駕駛疲勞對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響。測試研究表明：

（1）無論是駕駛疲勞還是單純困倦，都會導(dǎo)致駕駛員的有效反應(yīng)時間的延長，極度疲勞或者非常困倦時，有效反應(yīng)時間均值約延長0.1s左右，較正常狀態(tài)下提高了約18%。

（2）單純困倦或駕駛疲勞時，反應(yīng)時間的離散程度大大提高，變化極為顯著，超長反應(yīng)時間出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多，使駕車的安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增大，這才是疲勞駕駛的最大危險(xiǎn)。

駕駛時的疲勞感因人而異，即使駕車沒有超過4小時，依然會有很多駕駛員會感覺非常疲勞，繼續(xù)駕車是非常危險(xiǎn)的。這時駕駛員應(yīng)主動停車休息，以緩解疲勞，降低繼續(xù)駕車的危險(xiǎn)性，單純依靠被動的監(jiān)測、預(yù)警手段或者法律的強(qiáng)制是很難杜絕疲勞駕駛的。

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專家推薦語

吳道俊

合肥工業(yè)大學(xué)" 博士

廈門金龍客車" 高級工程師

本文提出了駕駛員有效反應(yīng)時間的概念，基于模擬駕駛儀搭建了駕駛員有效反應(yīng)時間測試平臺，通過對不同疲勞狀態(tài)下駕駛員有效反應(yīng)時間的測試，研究分析了單純困倦和駕駛疲勞對駕駛員有效反應(yīng)時間的影響，總結(jié)其規(guī)律。相關(guān)研究對駕駛風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的評估和對安全駕駛的建議，具有指導(dǎo)和借鑒意義。