車輛環境溫度對駕駛人認知能力的影響

翟穎妮 王相霖 牛浩波 王鑫塔

(1 西安建筑科技大學機電工程學院 西安 710055;2 西安建筑科技大學 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710055)

車輛環境溫度會影響駕駛人的主觀熱感受,不舒適的車內環境會對駕駛安全構成威脅,使駕駛人員出現注意力不集中與決策失誤,可能會引發交通事故[1-3]。

現有的關于車輛環境溫度對駕駛人影響的研究主要集中于主觀熱舒適。S. Yun等[4-5]對影響車輛熱舒適關鍵因素的研究發現空氣溫度的改變會導致熱舒適發生變化。李偉健等[6]研究駕乘艙中人體熱生理響應與主觀熱感覺的關系,發現駕乘人員的脈率、血壓與其熱感覺得分具有較強的相關性。C. Rosaria等[7]研究人體不同部位對車內溫度變化的敏感程度,發現溫度對肩膀和背部區域的影響最大。Zhou Xiaojie等[8-9]發現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,駕駛人員在炎熱的環境中會出現更多的駕駛失誤,從而引發交通事故[10-11]。

現有關于人員的認知能力的研究主要集中于室內環境領域,室內環境溫度的變化不僅影響人的熱舒適,同時對其認知能力也會產生影響。2020年,H. Kim等[12]分析了不同室內熱環境及其誘導的生理心理參數變化對大學生認知能力的影響因素,發現在25.7 ℃時認知表現最好,同時,室內熱條件可以通過激活生理反應來影響認知能力。Wang Dengjia等[13]發現被試者在感到稍暖(27 ℃)的室內環境中認知表現最佳。K. Tham等[14]通過對辦公環境的模擬,發現室內氣溫對工作表現有較大的影響,較低的室溫會降低熱舒適度,刺激控制體溫調節的神經系統,提高個體的警覺性與注意力。Lan Li等[15]發現高溫導致的熱不舒適會顯著降低認知速度。

綜上所述,車輛環境溫度變化不僅對駕駛人的主觀舒適度產生影響,同時對認知能力也有顯著影響。由于空間大小、人員活動強度的不同,室內熱環境對認知能力的影響規律并不適用于駕駛人的認知能力評價。本文通過模擬不同車輛環境溫度下的駕駛任務,獲取被試者的生理參數、主觀感受及認知能力測試結果,分析不同車輛環境溫度對駕駛人認知能力的影響機制,為改善車輛熱環境,提高駕駛安全提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗布置

試驗布置如圖1所示,被試者在搭建的模擬平臺上進行單一環境道路(高速)的駕駛[16]、認知能力測試和問卷調查,副駕駛的輔助人員測量被試的生理數據,并記錄認知能力測試完成時間和錯誤次數。

圖1 試驗布置與車內環境

1.2 被試對象

研究采用被試內設計,根據統計功效(statistical power,sp)與效應量(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,標準差SD=1.06歲)的在校男性大學生參與試驗,平均身體質量指數(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]。被試者日常生活規律,睡眠充足,身體健康,試驗前均被告知試驗方案,并進行實際操作培訓,確保所有被試者的認知能力測試熟練度穩定,采用平衡拉丁方設計來控制試驗順序,以減少疲勞和練習效應[19]。試驗前保證充足的食物與水分攝入,試驗過程中不再補充,以減少口渴,低血糖等因素的影響。

1.3 試驗過程

為模擬真實車內環境,使用空調控制環境溫度,同時保持濕度在55%±5%范圍內。試驗前30 min打開車內空調,同時被試者進入車輛熱環境適應,前20 min測量被試者各項生理數據(心率、收縮壓、血氧飽和度、皮膚溫度),之后進行認知能力測試;試驗開始后分別進行前、后半段的模擬駕駛任務,生理數據測量與認知能力測試,最后10 min填寫主觀問卷調查。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程

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、環境接受度、腦力負荷得分和心理感受狀況。基于ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)設計熱感覺得分、熱舒適得分(冷不舒適～熱不舒適)與環境接受度[20-21]。通過NASA-TLX量表對被試者的腦力負荷、時間需求等進行主觀評價[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 認知能力測試

為評估車輛環境溫度對駕駛人認知能力的影響,在試驗中進行認知能力測試。測試內容包括記憶、思維、感知和警覺能力,采用測試用時和錯誤次數作為認知能力的評價指標[23],如表1所示。

表1 認知能力測試內容

1.6 數據采集設備

試驗中測量了被試者心率、血壓、皮膚溫度、血氧飽和度等生理數據以及熱環境中的環境溫度、濕度等數據,試驗設備如表2所示,數量均為1。

表2 試驗設備

平均皮膚溫度(MST,mean skin temperature)是反映被試者綜合體溫的指標之一,通過測量被試者4個不同部位(后頸、右肩胛骨、右脛骨和左手)的溫度T來計算[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 數據處理

使用SPSS Statistics 26和Origin 2018對被試者的客觀生理數據、認知表現和主觀問卷進行統計分析;通過Shapiroe-Wilk′s-W檢驗進行正態性檢驗,對不同環境溫度下的變量進行單因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)和最小顯著差異(leastsignificantdifference,LSD)方法進行多重對比,采用Pearson分析計算各參數與環境溫度之間的相關性,顯著性水平設定為P<0.05。

2 試驗結果

2.1 生理反應

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

心率是反映情緒變化和認知活動的重要生理指標之一,不同車輛環境溫度下被試者的平均心率變化如圖3(a)所示。由圖可知,隨著環境溫度的升高,平均心率呈上升趨勢,這是因為高溫對心臟施加的熱應力導致心率升高[25]。LSD事后對比發現,心率在20、23 ℃均與30 ℃時有顯著差異(P<0.05)。

收縮壓反映心血管的機能和狀態,即在一定生理負荷情況下機體血壓的變化情況。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 ℃時增大,30 ℃時出現下降,這是因為高溫使血管擴張,導致血壓下降。

血氧飽和度反映體內氧氣代謝狀況,是重要的生命體征指標。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境溫度下變化并不顯著,其均值在一定范圍內波動。平均血氧飽和度在20 ℃時最低,26 ℃時達到最高。單因素方差分析表明,在4種環境溫度下,平均血氧飽和度變化幅度在1%以內,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境中駕駛員的人體熱狀態[8-9]。被試者的平均皮膚溫度變化如圖3(d)所示,平均皮膚溫度隨環境溫度的升高而上升,當溫度從20 ℃升至30 ℃時,平均皮膚溫度從35.04 ℃升至35.94 ℃,由于體溫平衡調節與裸露皮膚的系數較小,平均皮膚溫度并未表現出顯著升高。

2.2 認知能力變化

表4所示為不同環境溫度下被試者的測試用時和錯誤次數。

測試項目的用時和錯誤次數如圖4所示。在思維能力測試中,20、23和26 ℃時的測試用時和錯誤次數無顯著變化,30 ℃時的測試用時和錯誤次數出現明顯上升,此時的思維能力下降;在記憶能力測試中,測試用時和錯誤次數隨環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 ℃時的測試用時出現明顯上升,錯誤次數無顯著變化。

圖4 測試項目的用時和錯誤次數

此外,使用測試項目總用時與總錯誤次數來綜合反映被試的認知水平,如圖5所示,思維、記憶、感知等項目的總測試用時和總錯誤次數均呈上升趨勢,單因素方差分析和LSD事后對比發現,20 ℃和30 ℃時的測試總用時和總錯誤次數變化顯著(P<0.05)。

圖5 測試總用時與總錯誤次數

反應時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 ℃的反應時間較少,隨環境溫度的升高,被試的反應時間先增加后減少,可能的原因是高溫會增加與警覺性相關的去甲腎上腺素的分泌,使反應時間減少[14-15]。

圖6 不同環境溫度下的反應時間

2.3 主觀問卷調查

表5所示為被試者的主觀問卷調查結果。各測試項目隨環境溫度的升高均發生顯著變化,熱感覺和熱舒適得分增加,環境接受度降低;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 不同環境溫度下被試者的主觀心理感受情況

使用三階多項式對熱感覺得分與環境溫度進行擬合,R2=0.899,擬合曲線如圖7所示。隨著環境溫度的增加,被試者的整體熱感覺呈上升趨勢。當環境溫度分別為20、23、26、30 ℃時,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得分在不同環境溫度下變化顯著(P<0.05),如圖8所示。隨著環境溫度升高,被試者的腦力負荷、時間需求、努力程度和體力需求均表現出不同程度的增加。

圖8 NASA-TLX得分

對被試者的工作意愿和工作滿意度進行調查結果如圖9所示。由圖9可知,在20 ℃時有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%的被試者認為他們有繼續工作的想法(工作意愿得分為[+1,+2]),同時他們對該任務的完成表現都比較滿意(工作滿意度得分≥+1);與20 ℃相比,在23 ℃時被試者的工作意愿與滿意度并無明顯的改變;在26 ℃時,被試者的工作意愿出現了下降,同時認為自己并未很好地完成任務(工作滿意度得分出現負值);在30 ℃時被試者工作意愿均為負值,即被試者產生了逃離該環境的想法,并對已完成的工作感到并不滿意(工作滿意度≤0)。

圖9 工作情況投票結果

圖10 被試者出汗部位投票得分

此外,通過調查發現,隨著環境溫度升高,被試者不同部位的排汗量都有所增加。在20 ℃時,總體出汗量較少;23 ℃時手心、背部出汗量增加;26 ℃時,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,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,以達到體溫平衡。因此,在車內溫度超過26 ℃時,駕駛員更應注意手心、后背、額頭的防汗。

3 討論

3.1 生理、心理、認知能力與熱環境的相關性分析

Pearson相關系數用于衡量變量之間的線性關系,是相關性分析重要的指標。采用Pearson分析對環境溫度和各參數之間的相關性進行計算(雙尾),結果如表6所示,心率、平均皮膚溫度、測試用時、錯誤次數與環境溫度存在顯著低度正相關;主觀問卷調查中的熱感覺、熱舒適、腦力負荷與環境溫度存在顯著高度正相關(P<0.001);環境接受度與環境溫度存在顯著高度負相關(P<0.001)。收縮壓、血氧飽和度與環境溫度無顯著相關性。

表6 環境溫度與各參數的相關性分析

3.2 生理變化與熱環境的關聯分析

隨著環境溫度的升高,被試者交感神經激活,導致血液中腎上腺素和去甲腎上腺素水平升高,此時心肌收縮力增強、心率加快。血液循環加快也會使心率加快,同時導致收縮壓降低[26]。

平均皮膚溫度與環境溫度呈正相關。隨著環境溫度的升高,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。偏冷環境中血氧飽和度平均值低于熱中性環境,這是由于低溫時人體為減少熱量損失降低呼吸速率引起的[6]。

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

3.3 生理變化與認知能力的關聯分析

不同心率和收縮壓下的認知能力測試結果如圖11所示。由圖11(a)、圖11 (c)可知,隨著心率升高,認知能力測試用時和錯誤次數增加,綜合問卷調查結果顯示,被試者心率加快時,人體處于緊張、焦慮等心理狀況,從而引起認知能力的降低。由圖11(b)、圖11 (d)可知,測試用時在收縮壓為110～120 mmHg時最小,錯誤次數隨著收縮壓的升高而降低。該現象與文獻[28]相同,大腦需要持續大量的血流來維持功能運轉,但高血壓會導致靜息狀態下的腦血流量減少,使認知能力下降,即高血壓與認知功能減退密切相關,是造成認知能力下降的危險因素。

圖11 不同心率和收縮壓下的認知能力

3.4 熱感覺與認知能力的關聯分析

試驗發現,駕駛過程中被試者的認知能力在環境溫度為20 ℃時達到最佳狀態,這與一些室內熱環境研究[12-13]結論不同,即26～27 ℃時的室內認知表現最佳。由于空間大小、人員活動強度、勞動性質及服裝熱阻等方面存在差異,導致了室內環境與車輛環境的熱中性溫度的差異。駕駛人在長時間駕駛時需要保持高度集中的注意力,較低的車內溫度可以促進垂體-腎上腺皮質和交感神經的激活,增加皮質醇和兒茶酚胺的分泌,提高駕駛人員的認知能力。

為調查被試者的熱感覺是否影響認知能力,本文進一步分析了熱感覺得分與認知能力之間的關系,如圖12所示,在熱感覺得分值為+2和+3時,認知測試用時和錯誤次數最大。這與一些文獻[15,23]相似,即高溫導致的熱不滿會顯著降低認知速度。當被試者熱感覺較高時,一般伴隨著心神不安、頭暈疲勞等心理現象,因此認知能力測試用時和錯誤次數增加。

圖12 認知能力隨TSV的變化

由圖7、圖12可知,當被試者處于熱中性(TSV=0)環境時的車內溫度為23 ℃,此時的認知能力并未達到最佳。因此為了使駕駛人保持良好的認知能力,建議在進行駕駛任務時應當保持稍冷(20 ℃)的車內環境。

4 結論

為探究車輛熱環境對駕駛人認知能力的影響,本文搭建了模擬駕駛試驗平臺,獲取駕駛人在不同環境溫度下的生理數據、主觀感受以及認知能力結果,通過對試驗數據的分析,得到如下結論:

1)隨著環境溫度的升高,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 ℃時上升,在30 ℃下降,同時頭暈、疲勞、乏力和出汗等不舒適狀態加劇;熱感覺、熱舒適得分和腦力負荷隨環境溫度的升高而升高,環境接受度、工作滿意度和工作意愿隨環境溫度的升高而降低。

2)認知能力測試用時和錯誤次數隨心率升高而增加,隨著收縮壓升高而降低。

3)相關性分析表明,心率、平均皮膚溫度、測試用時、錯誤次數與環境溫度存在顯著低度正相關;主觀問卷調查中的熱感覺、熱舒適、腦力負荷與環境溫度存在高度正相關(P<0.001);環境接受度與環境溫度存在高度負相關(P<0.001)。

4)被試者的認知測試用時和錯誤次數隨環境溫度的升高而增加。在20 ℃時,駕駛人能夠保持較高的認知能力,在23 ℃時,駕駛人主觀熱舒適度達到最佳,在車輛環境溫度超過26 ℃時,應注意手心、前額和背部的防汗保護,因此,為達到較高的認知能力和熱舒適,車輛環境溫度應保持在20～23 ℃。

為保證被試者的人身安全,本試驗先在模擬駕駛環境中進行,后續將在真實道路上進行試驗,同時開展偏冷環境(<20 ℃)以及更長駕駛時長的試驗,綜合本文的生理參數和主觀感受數據,進一步分析車輛環境溫度對駕駛人認知能力變化的生理心理機制。