單調環境下駕駛人的警覺性時變規律

路巧珍　孫宇　朱彤

摘要：駕駛人警覺性缺失是導致交通事故的重要原因，尤其是在單調環境下。在高速公路上，由于駕駛任務簡單，環境單調，道路可預測性高，駕駛人的警覺性容易渙散。為研究單調環境下駕駛人的警覺性時變規律，利用仿真軟件構建駕駛環境，共有10名駕駛人參與了駕駛模擬器試驗。利用主觀疲勞量表測量駕駛人駕駛前后的主觀疲勞狀態，運用MP150采集駕駛人的心電數據，駕駛人在駕駛時需發現某種特定信號并報告。結果發現，在單調環境下，駕駛人在駕駛任務開始后30 min，其信號的漏報率在不斷增加，從8%增加到32%.駕駛人的心率在駕駛過程中并無顯著性差異，但其主觀疲勞程度有顯著增加。上述結果表明，在單調環境下駕駛1 h，駕駛人未發生生理疲勞，但其警戒性發生了變化，30 min后警覺性開始下降。也說明了單調環境會導致駕駛人警覺性下降。關鍵詞：交通安全；駕駛人；單調環境；警覺性中圖分類號：U 491

文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2017）01-0036-05

Abstract： Lack of vigilance is an important cause in traffic accident，especially in monotonous environment.Highway design reduces the driving task mainly to a lanekeeping manoeuvre.Such a task is monotonous，and the road is highly predictable，providing little stimulation.Under this environment，the drivers vigilance may easily decrease.In order to study the variation of drivers vigilance with time under the monotonous environment，a simulator test was carried out.In this test，simulation software was used to build the driving environment，in which ten drivers participated voluntarily.Subjective fatigue state was measured by using the subjective fatigue scale，and the MP150 was used to collect the Electrocardiograph （ECG） data of the drivers.Besides，the divers also need to found specific signals and report it.The result shows that drivers miss rate of signal has changed under the monotonous environment.In the final 30 min，the drivers miss rate of signal increased from 8% to 32%.The drivers heart rate has no significant difference during the driving.However，the subjective fatigue level has significant difference.It is concluded that within onehour driving under the monotonous environment，there is no fatigue on physical，but drivers vigilance decreased in 30 min after the driving.It is also proved that drivers vigilance decreased under the monotonous environment.Key words： traffic safety；driver；monotonous environment；vigilance

0引言警覺性是一種持續保持注意的狀態，是指操作者在相當長的一段時間內，對環境中偶然出現的某種信號的察覺并做出反應的持續準備狀態[1]。駕駛任務是一項需要駕駛員持續保持高度注意的任務，在駕駛過程中，駕駛員需要實時觀察車輛周圍的情況，以便對突發狀況及時作出反應，以免發生事故。因此，駕駛任務可以被看作是一項警戒任務。我國相關研究表明：因駕駛人人為因素導致的公路交通事故數、死亡人數、受傷人數占總數的90%左右[2-3]。在過去的研究中發現，決策者在關鍵事件發生時出現了警覺性下降，而警覺性下降被認為是許多災難事故的主要原因。由于困倦和疲勞引起的警覺性的缺失被發現會導致績效下降，是導致很多交通和工業事故的原因[4-5]。事故數據[6]和實驗研究[7-8]證明警覺性的波動對在白日駕駛尤其是在單調環境下駕駛時的安全有著很大的負面影響。因此，有必要對駕駛人的警覺性進行研究。影響警覺性的因素有外因和內因，內因包括性別、年齡、疲勞等，外因主要包括環境的單調性、需求刺激等。在單調環境下駕駛，如高速公路，任務需求低，道理環境具有高預測性和單調性，駕駛人尤其是職業駕駛人會感到單調無聊，對突發事件的反應能力會降低[8]，增加了由于缺乏警覺性而導致事故發生的風險。單調性環境下的駕駛通常在駕駛30 min以上會出現類似疲勞的現象，而從任務時間上來說，疲勞通常在超過1 h的駕駛后才會出現[9-10]。考慮到警覺性一直處于波動狀態，需要選取敏感度高的指標，以往的研究多采用信號擊中率、心電及腦電信號來表征警覺性。研究表明，信號漏失率越高，人的警戒性就越低[11]。心率一般用來評價個體的生理負荷水平，研究發現在單調環境下駕駛時，心率會有很大的下降。綜上所述，已有研究對警覺性的研究較為缺乏。鑒于此，應用仿真模擬軟件構建單調駕駛環境進行短時間的駕駛模擬器試驗，將單調環境與疲勞的影響區分開來。采集駕駛人的心電數據及駕駛績效，分析駕駛人在駕駛過程中的警覺性變化規律。本研究對進一步揭示警覺狀況的理論及警示系統的設計具有理論意義與指導價值。

1方法

1.1試驗材料通過駕駛模擬器試驗記錄駕駛人對特定信號的辨別情況及心電數據。分析駕駛人對特定信號的漏失率隨時間的變化情況，同時跟駕駛人的心率數據進行對比，利用主觀量表測量駕駛人的主觀疲勞程度。本次試驗共有10名碩士研究生自愿參加，均獲得了駕駛資格證，其中，男性駕駛人6名，女性駕駛人4名。采用的是模擬駕駛，主要設備有駕駛模擬器、電腦和MP150生理記錄儀及疲勞量表，如圖1所示。試驗場景是由UCWinRoad搭建的，場景中道路是雙向四車道，單車道寬3.5 m，有直線道路和曲線道路組成，如圖2所示。

1.2試驗過程在試驗開始前，填寫主觀疲勞量表，并進行模擬駕駛訓練，確認駕駛人可以熟練操作駕駛模擬器后方可進行試驗。訓練后將MP150與被試及電腦進行連接，并設置相應的參數。在試驗前告知被試以下注意事項。

1）在試驗前一晚保證充足的睡眠，試驗前1 h不能飲用刺激性飲料，如茶、咖啡等；

2）駕駛時間為1 h，在駕駛中被試需遵循交通規則；

3）在駕駛時不能發生交通事故，如果發生一次則費用減少40%.被試在本次模擬試驗當中的駕駛任務為保持在某一車道并跟隨前方車輛，與前方車輛保持一定距離；時刻注意前方車輛的狀態，前方車輛會隨時減速，但是速度降低程度不同，一般情況速度會下降5 km/h，偶爾會下降15 km/h，被試需對前方車輛速度降低的多少進行判斷，若發現速度下降15 km/h時進行報告，在駕駛過程中被試要盡力去完成任務。試驗結束后，被試需填寫主觀疲勞量表。

2結果

2.1駕駛人對信號的漏失率比較不同駕駛時間下駕駛人對信號的漏失率變化情況，以10 min為間隔觀察漏失率的變化情況，圖3（a）為10名駕駛人的信號漏報率隨時間變化的箱線圖，圖3（b）位30 min以后駕駛人的信號漏報率的變化圖。總體來看，前30 min可能由于駕駛人對要報告的信號不熟悉，不能很好地辨別出特定的信號，而隨著時間增加，駕駛人對特定信號的熟悉程度增加，因此其漏失率是在逐漸減少的。但是駕駛人在30 min以后的信號漏報率卻是逐漸上升的，從8%上升到了32%，即就是說駕駛人警戒性在逐漸下降的。

對駕駛人30 min后的信號漏報率曲線進行模擬，如圖4所示，預測漏報率逐漸增加到一定程度后將會趨于穩定。

2.2駕駛人的心率駕駛人的心電變化，如圖5所示。利用單因素方差分析對駕駛人的心率進行顯著性分析，將10～20與20～30（Sig.=0.535），30～40（Sig.=0772），40～50（Sig.=0.513），50～60（Sig.=0.473）時間段內的心率均值進行對比，發現駕駛人的心率不存在顯著性差異，說明駕駛人在生理上未產生疲勞現象。

2.3駕駛人的主觀疲勞量表利用疲勞量表測量駕駛人在駕駛前后的主觀疲勞程度，結果如圖6所示，從圖中可以發現駕駛人駕駛后的疲勞程度增加，利用SPSS對駕駛人的主觀疲勞程度進行顯著性分析，發現（Sig.=0.000）這兩者之間存在顯著性差異，從主觀上來說，駕駛人在執行完1 h的駕駛任務后疲勞程度增加，駕駛人付出了較大的努力來完成駕駛任務。

對比駕駛人的信號漏報率、心電和主觀疲勞量表數據可以發現：在1 h的駕駛任務過程中，駕駛人在生理上未產生疲勞現象，但其主觀疲勞程度有較大的提高，信號漏報率先降低后又升高。說明在單調環境下，駕駛人的警覺性會發生變化，30 min后其警覺性處于下降趨勢。

3討論以往對單調環境下的駕駛研究多傾向于疲勞的研究，但對疲勞駕駛研究中存在一個局限性：駕駛過程是一個時刻需要保持高度警覺的過程，一個小小的疏忽都有可能導致較大、致命的交通事故。駕駛人由駕駛走神時的準清醒狀態至精神不振、昏昏欲睡狀態，再至打磕睡的疲勞狀態的過程中，警覺性處于變化的狀態，若只是檢測駕駛人疲勞再發出警告可能為時已晚，駕駛人很有可能在產生疲勞以前由于其他因素導致警覺性降低，從而發生交通事故，使得車上人員的生命財產安全難以得到有效保障。據統計分析，駕駛人警覺性下降對駕駛安全性的影響比例要高于疲勞駕駛因素的影響的比例[12]。文中參照經典的時鐘實驗，通過讓駕駛人檢測駕駛過程中的特定信號來模擬真實駕駛環境中可能遇到的微弱的危險信號，用客觀的駕駛績效即駕駛人未能夠檢測到特定信號的概率來評測駕駛人的警覺性水平，能夠直觀地觀察其警覺性水平的變化。文中不討論是何種原因造成的駕駛人警覺性的波動，只討論駕駛人的警覺性是如何變化的。從駕駛人對特定信號的漏報率變化情況來看，駕駛人在駕駛前面30 min駕駛員的信號漏報率逐漸降低可能是由于剛開始駕駛人對時間的判斷上把握不準，隨著時間的增加，能夠很好地辨識特定信號，所以其漏報率會存在下降的趨勢。而在駕駛30 min后的那半個小時中漏報率則在不斷上升，這與Mackworth對人的警覺性的研究結果一致。在后來的研究中，心率的變化也經常來表示警戒性的水平，但在此次試驗中心率雖然略有降低，但并未有顯著性變化，可能是由于駕駛人要集中注意力判斷前方車輛的制動情況，其生理上一直處于較為緊張的狀態，其主觀狀態上感覺到疲勞也印證了這一點。駕駛人的主觀疲勞感在試驗前后有著顯著的差異，說明駕駛人在進行試驗時付出了較多的努力。結合信號漏報率及心率的變化情況說明即使駕駛人本身主觀上想要努力檢測到特定信號，依然還是會錯過這些信號，并且隨著時間的增加，錯過的信號會越來越多。在單調環境下，如在高速公路上的駕駛，駕駛任務單調、需求刺激少以及危險信號出現的不確定性會降低駕駛人的警覺性，不能及時發現出現的危險信號并作出反應，使得事故發生的可能性增加。文中研究了1 h的駕駛人的警覺性變化情況，可能還不夠深入了解駕駛人警覺性的時變規律，1 h以后的變化情況還未得知，在以后的研究當中，期望研究更長時間的駕駛人警覺性變化規律，以及如何提高駕駛人警覺性。

4結論論文通過駕駛模擬器試驗采集駕駛人對信號的辨別情況、心電數據，利用主觀疲勞量表測量駕駛前后的駕駛人主觀疲勞程度，分析這3個指標在駕駛過程中的變化情況，得到以下結論。1）駕駛人對信號的漏報率先降低后增加，前30 min漏報率逐漸降低，后30 min又不斷增加，說明在單調環境下駕駛30 min以后，駕駛人的警戒性在逐漸下降；

2）對各時間段駕駛人的心率均值進行統計學分析，發現1 h內駕駛人的心率并無顯著性變化，說明其生理上并未達到疲勞狀態；

3）對比駕駛人駕駛前后的主觀疲勞量表數據，駕駛人駕駛前后的疲勞程度有顯著性差異，說明在執行完駕駛任務后，駕駛人主觀感覺疲勞程度增加，駕駛人在執行任務過程中付出了較多的努力。

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