氣味干預疲勞駕駛研究綜述

彭雙凌 巫俊毅 張渝文 曾文昊

基金項目：2021年廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目（2021KQNCX203）

第一作者簡介：彭雙凌（1995-），女，碩士，助教。研究方向為疲勞駕駛檢測與干預。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.023

摘? 要：隨著自動駕駛的發(fā)展，如何保證人機協(xié)同駕駛緊急情況下駕駛員的順利接管成為一個重要的研究課題。香氛被證明為一種有效地提高駕駛員注意力水平及駕駛表現(xiàn)的手段。該文從氣味對疲勞駕駛的干預機制和不同氣味的干預效果2個研究方面對已有文獻進行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)各研究普遍采用模擬駕駛方法來實現(xiàn)研究目標，但模擬駕駛實驗設計上普遍存在變量控制不夠嚴謹?shù)膯栴}，例如受試控制、試驗時間控制、試驗環(huán)境控制?；诜治鼋Y(jié)果，該文為研究香氛干預的模擬駕駛實驗設計提出建議。

關(guān)鍵詞：香氛；疲勞駕駛；模擬駕駛；試驗效果；干預機制

中圖分類號：U492.8? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0104-04

Abstract： With the development of autopilot， how to ensure the smooth takeover of the driver in case of emergency has become an important research topic. Fragrance has been proved to be an effective means to improve drivers' attention level and driving performance. This paper analyzes the existing literature from two aspects： the intervention mechanism of odor on fatigue driving and the intervention effect of different odors. Through analysis， it is found that simulated driving method is widely used to achieve the research goal， but there are common problems in the design of simulated driving experiment that the variable control is not rigorous enough， such as test control， test time control， test environment control. Based on the analysis results， this paper puts forward some suggestions for the design of simulated driving experiment to study the intervention of fragrance.

Keywords： fragrance; fatigue driving; simulated driving; test effect; intervention mechanism

隨著載運工具技術(shù)與設備的飛速發(fā)展，汽車、列車等交通運輸工具自動駕駛程度越來越高。駕駛員的角色正由傳統(tǒng)的監(jiān)督和執(zhí)行者轉(zhuǎn)向以監(jiān)督為主進行人機協(xié)同駕駛。載運工具環(huán)境感知能力和自身決策能力的提升，減少了駕駛員在駕駛時的腦力負荷及體力負荷，從而對駕駛員的注意力水平產(chǎn)生了影響，進而影響駕駛安全。保持持續(xù)的較高水平的注意力以隨時準備處理運行突發(fā)狀況成為了自動駕駛背景下對駕駛員提出的新要求。

駕駛疲勞是指在駕駛車輛時感到疲倦或困倦的狀態(tài)。導致駕駛疲勞的因素包括工作時間長且不規(guī)律、睡眠時間表不一致、不良的飲食和運動習慣、心理和身體壓力以及睡眠障礙。疲勞會導致判斷力和協(xié)調(diào)能力受損、反應時間延長、認知障礙和警惕性降低，從而損害駕駛性能。這增加了發(fā)生錯誤、近距離碰撞和碰撞的風險，使駕駛疲勞成為發(fā)生車禍的主要因素[1-3]。

現(xiàn)已有較多學者提出了駕駛員疲勞駕駛檢測方法，如通過機器視覺識別計算駕駛員的眼睛閉合時間比例（PERCLOS）指標或獲取駕駛員EEG等生物電信號特征[4-6]。已提出的駕駛員疲勞駕駛的干預手段通常包括聲音、振動和氣味。相關(guān)研究從聲音、振動等多種干預方式中篩選出氣味，發(fā)現(xiàn)氣味可以提高駕駛員的警覺性，釋放氣味1 min間隔5～9 min最有效[7]。相比于聲音和振動，氣味干預不必在檢測到列車駕駛員疲勞駕駛后再作用，與無氣味情況相比，在短期和長期暴露于薄荷氣味的情況下，模擬駕駛中被試者意識水平增強[7]。

國內(nèi)外有關(guān)氣味干預疲勞駕駛的相關(guān)研究文獻較少，本文擬對氣味對疲勞駕駛的干預研究展開綜述，以為后續(xù)研究提供參考和建議。

1? 氣味對疲勞駕駛的干預機制

感官系統(tǒng)由多種感官組成，包括視覺、嗅覺、聽覺、觸覺和味覺。嗅覺是一種比其他感覺非常敏感的感覺，其可以立刻檢測到香味。氣味對人體的影響機制包括生理和心理影響。從生理學上講，氣味可以直接影響物理機體，而在心理上，其通過嗅覺對嗅覺系統(tǒng)起作用，這反過來可能導致生理變化[8]。研究表明，不同的氣味確實會影響一個人的精神狀態(tài)和注意力。例如，已發(fā)現(xiàn)與“鎮(zhèn)靜”的氣味相比，已知具有“活力”的氣味可以增加觀看視頻期間的注意力[9]。但是，氣味對注意力的影響可能因使用的特定氣味劑而異[10]。氣味還會影響神經(jīng)生理學腦活動、交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)以及心理行為[11]。此外，已發(fā)現(xiàn)聞到不同的精油氣味時會對注意力成分產(chǎn)生不同的影響，某些氣味會降低定向效果，從而防止不自主的注意力轉(zhuǎn)移[12]。

不同香精成分對人體生理和心理的影響機制是復雜而多方面的。香水由可通過嗅覺系統(tǒng)感知的揮發(fā)性化學物質(zhì)組成。人類的嗅覺受體在檢測香味分子方面起著重要作用，可以影響情緒、壓力和認知功能。使用腦電圖（EEG）的電生理學研究表明，各種香精會影響大腦活動和認知功能[13]。香精可以調(diào)節(jié)生理途徑，包括自主神經(jīng)系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，這會影響心理行為和身體機能。研究結(jié)果表明，嗅覺系統(tǒng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能中的作用不僅限于嗅覺，因為氣味化合物會影響人類的壓力生物標志物、脫氫表雄酮、氧化應激、雌二醇、多巴胺、皮膚屏障、皮脂分泌和皮膚免疫系統(tǒng)[10]。香水還可以通過體味傳遞積極的情緒，從而在接收者中產(chǎn)生生理、言語和行為反應[14]。

2? 不同氣味的干預效果

當前已有研究中，薄荷、檸檬、薰衣草、迷迭香和桉樹等香精是用來干預疲勞駕駛的常用氣味。Tang等[15]研究了一種基于氣味覺醒疲勞駕駛的方法，以探索不同氣味和不同濃度的氣味對駕駛疲勞的喚醒作用。薄荷、檸檬和薰衣草氣味對駕駛疲勞有喚醒作用。80% 濃度的薄荷氣味對駕駛疲勞具有最佳的喚醒作用。Yoshida等使用4種香水，例如薄荷、迷迭香、桉樹和檸檬，在改變呈現(xiàn)方法的同時，對每種香水的功效進行研究，以保持對昏昏欲睡駕駛的警惕。有學者查明了在模擬駕駛環(huán)境中存在環(huán)境香氣以減少攻擊性反應的可能性，發(fā)現(xiàn)將薄荷應用于日常駕駛可能有利于減少駕駛員的攻擊性[16]。

3? 氣味對疲勞駕駛的干預試驗

考慮到實驗安全，氣味對疲勞駕駛的干預研究通常在模擬駕駛條件下進行。模擬駕駛環(huán)境下也更利于控制變量，得到更為可靠的結(jié)果。先前基于駕駛模擬器的測量已被證明對于在控制環(huán)境中測試駕駛員是有用的[17]。

Mustafa等為研究薰衣草或香草香精對駕駛性能的影響，設計了模擬駕駛試驗。研究選取了10名身體健康的司機，年齡在20～25歲。其中，有5名男性和5名女性。他們都持有有效的駕駛執(zhí)照，駕駛經(jīng)驗不到8年。該研究使用的駕駛模擬器如圖1所示，屏幕的右上方放置了一個攝像頭，以識別駕駛員在駕駛過程中是否會全神貫注。受試者被要求駕駛的賽道由彎道、直道和環(huán)形交叉路口組成。研究選取了各駕駛員在3個不同地點拐角、直和環(huán)形交叉路口區(qū)域的平均速度。此外，在駕駛模擬器試驗后，發(fā)放了一份調(diào)查問卷來檢查駕駛員的情緒狀態(tài)，使用相對重要指數(shù)（RII）來解釋問卷中的數(shù)據(jù)，以確定答案的重要性并對司機所經(jīng)歷的情緒進行排名。

Moss等為研究薄荷香氣對攻擊性駕駛行為的影響，招募了50名志愿者，他們被隨機分配到2種駕駛環(huán)境下進行試驗，分別為有薄荷精油香氣和無香氣。薄荷測試環(huán)境包括13名男性（M年齡=22.54，SD年齡=2.90）和12名女性（M年齡=21.25，SD年齡=1.82）。對照條件（無薄荷環(huán)境）包括11名男性（M年齡=22.00，SD年齡=2.10）和14名女性（M年齡=21.00，SD年齡=1.75）。Tisserand純薄荷精油用于產(chǎn)生香氣，為天然油不含任何溶劑或添加劑。將5滴未稀釋的油滴在擴散器墊上。芳香流裝置采用未加熱的風扇擴散方法，并放置在測試室中參與者看不到的地方。在每個參與者測試前30 min以及整個測試期間，其都會以最高風扇設置打開。測試室尺寸為5 m×3 m。房間布局示意圖如圖2所示。測試間自然通風，窗戶整夜開著。該研究使用了“Steam”平臺上的“City Car Driving”模擬軟件，以及Oculus Rift VR頭戴設備來創(chuàng)建逼真的駕駛場景。在5 min正常駕駛的練習時間結(jié)束后，對設置進行調(diào)整以創(chuàng)造一種可能刺激駕駛員攻擊性的駕駛體驗。采用了包含24個項目的問卷要求被試對自身攻擊性駕駛行為等級進行主觀評價。

注：A為模擬駕駛器；B為控制臺；C為存儲單元；D為香氛機所在位置；R為研究者。

圖2? 測試房間布局[16]

Sakakibara等為研究在模擬駕駛時視覺搜索任務獲取視覺信息過程中氣味對駕駛員帶來的生理影響，對20名健康成年人（男性10人，女性10人）展開了試驗。參與者的平均年齡為35.2歲，在參與研究之前，參與者接受了小組選擇測試，以確認他們的嗅覺正常。每位參與者總共參加了10項實驗，始終是同一時間。在每項實驗中，測試了10種不同氣味條件中的一種，包括無味狀態(tài)。擴散器中每種氣味溶液的濃度是通過初步實驗確定的。目標是確保在六分制氣味強度表上將氣味強度控制在2（微弱氣味）和3（易于察覺的氣味）之間。該等級范圍從 0（無氣味）到 5（極強的氣味）。通過仔細調(diào)整每種氣味劑的濃度，研究人員旨在為參與者創(chuàng)造一致和可控的氣味體驗。為了進一步驗證室內(nèi)空氣中氣味劑的濃度，使用了熱解吸附-氣相色譜-質(zhì)譜法。這種分析技術(shù)使研究人員能夠測量空氣中存在的氣味劑的濃度。該分析的結(jié)果列在表1中，提供了有關(guān)實驗環(huán)境中氣味劑的存在和強度的更多信息。每位參與者執(zhí)行了6個區(qū)塊的視覺搜索任務。每個區(qū)塊之間有1 min的休息時間。在第二個方塊之后，香薰擴散器開啟。從第三個區(qū)塊到第六個區(qū)塊的盡頭，都有氣味。這種設計允許檢查氣味對參與者的任務表現(xiàn)和生理反應的影響。研究人員根據(jù)Roken Arousal量表（RAS）收集了參與者的主觀情緒評分。RAS是一種用于評估疲勞和警覺性的工具，提供6種不同狀態(tài)的定量指數(shù)：困倦、活躍、放松、緊張、注意力不集中及缺乏動力。要求參與者在行為任務之前和之后報告他們的主觀情緒。同時，研究人員使用心電圖（ECG）監(jiān)測技術(shù)收集了參與者生理反應的數(shù)據(jù)，通過測量參與者的心電圖信號，研究人員旨在評估香水對自主神經(jīng)系統(tǒng)的影響。

表1? 每種氣味條件下使用的氣味劑的信息[18]

4? 結(jié)論

隨著自動駕駛的發(fā)展，如何保證人機協(xié)同駕駛緊急情況下駕駛員的順利接管成為一個重要的研究課題。香氛被證明為一種有效提高駕駛員注意力水平及駕駛表現(xiàn)的手段。目前，香氛對駕駛員影響的研究主要集中在香氛對疲勞駕駛干預機制和不同香氛的干預效果研究上。設計合理的模擬駕駛實驗對以上問題進行研究是一種科學和有效的方法，但分析已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)各研究人員在香氛干預模擬駕駛試驗設計上普遍存在變量控制不夠嚴謹?shù)膯栴}。本文涉及的文獻中存在的模擬駕駛試驗設計問題包括但不限于受試控制、試驗時間控制、試驗環(huán)境控制和香氛濃度控制，以及擴散方式控制等。

未來有必要開展系統(tǒng)和科學的研究，從以下幾個方面完善香氛對駕駛員影響的研究。建立嚴格控制變量的模擬駕駛實驗設計模式，明確試驗流程、受試者選擇標準、香氛分量和濃度、環(huán)境參數(shù)等，消除變量的不確定性；根據(jù)駕駛?cè)蝿盏牟煌A段（如停車待命期、急加速轉(zhuǎn)彎期等），設計出匹配任務需求的定制香氛方案；探討香氛在自動駕駛下車時期和完全手動駕駛下車時期的應用區(qū)別，為人機協(xié)同駕駛提供理論依據(jù)；加大樣本量，擴大地域范圍，檢驗結(jié)論的普適性。將研究成果應用到實際駕駛場景中，為自動駕駛落地應用提供安全保障。

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