秦 偉，朱守林，裴志永，秦 艷

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對大量的交通事故進(jìn)行研究分析，得到了因駕駛員人為因素導(dǎo)致的交通事故占全部交通事故的40%～90%[1]，由駕駛員負(fù)直接責(zé)任的事故占81%左右[2]。其中直接責(zé)任由于疲勞駕駛造成的特重大交通事故是主要原因之一。

草原公路由于其特定的地域決定它具有直線長，景觀單一，坡度小等特點(diǎn)[3]，駕駛員在這樣的路段上行駛，易開快車，放松警惕，出現(xiàn)疲勞駕駛狀況，致使大量交通事故的發(fā)生。筆者以內(nèi)蒙古草原公路上駕駛員連續(xù)駕駛時的生理信號為研究對象，對駕駛員在草原公路行駛出現(xiàn)疲勞狀態(tài)的時間進(jìn)行分析，判斷出駕駛員駕駛疲勞出現(xiàn)點(diǎn)，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)分析方法分析駕駛員時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的關(guān)聯(lián)程度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)人員

筆者根據(jù)分層隨機(jī)法選取5名試驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)駕試驗(yàn)，見表1。

表1 試驗(yàn)人員信息Table 1 Information of laboratory assistants

1.2 試驗(yàn)路段選擇

試驗(yàn)路段為內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市境內(nèi)的S101賽罕塔拉—滿都拉圖段，該路段的設(shè)計(jì)等級為二級，設(shè)計(jì)車速為80 km/h，全長152.494 km。該路段平面線形以直線為主，平曲線較少，而且圓曲線半徑較大，具有典型的草原道路的特征。

1.3 試驗(yàn)要求以及試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)要求選擇在天氣晴朗的白天進(jìn)行，試驗(yàn)前要求試驗(yàn)人員充分休息，避免服用刺激性飲品和藥物。

本試驗(yàn)所測取的駕駛員生理信號利用RM6240多通道生理信號采集處理系統(tǒng)采取，采集過程中應(yīng)保證多通道采集儀數(shù)據(jù)線的長度適中，達(dá)到不干擾駕駛為準(zhǔn)。試驗(yàn)過程中對車速不限制，駕駛員駕駛桑塔納2000，以自由狀態(tài)下往返駕車行駛300 km。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)測取

筆者主要依據(jù)該儀器進(jìn)行心電信號的采取。首先將多通道生理信號采集儀接地置0，然后對駕駛員的胃部和左右鎖骨進(jìn)行酒精擦拭并進(jìn)行電極片的粘貼。其中，胃部的電極片應(yīng)與正極導(dǎo)線相連接，右側(cè)鎖骨電極片應(yīng)與參考極導(dǎo)線相連接，左側(cè)鎖骨電極片應(yīng)與負(fù)極導(dǎo)線相連接，試驗(yàn)過程中采集的參數(shù)指標(biāo)見表2。

表2 采集儀參數(shù)值Table 2 Parameters of instruments

2 測評指標(biāo)的選取

2.1 心電信號指標(biāo)選取

心率變異性 (HRV)是指心率節(jié)奏快慢隨時間所發(fā)生的變化。心率變異性以連續(xù)心搏之間R-R間期的微小漲落為研究目標(biāo)，即體現(xiàn)在竇性心搏間期快慢的差異性[4]。

目前，研究心率變異的分析方法有頻域分析法和時域分析法，筆者主要研究心率變異指標(biāo)時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析。

時域分析方法是對R-R間期中時間序列的指標(biāo)以及幾何分布特征進(jìn)行分析來表征，是一種相對簡單方便并且容易理解的方法。時域分析方法包括以下統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)指標(biāo)[5]。

SDANN(ms)：正常竇性R-R間期標(biāo)準(zhǔn)差；

RMSSD(ms)：相鄰正常竇性R-R間期差值的均方根值或標(biāo)準(zhǔn)差；

MeanRRR-R(ms)：間期序列的均值，反映了心率變異的平均水平；

PNN50：相鄰R-R間期差值大于50 ms的R-R間期數(shù)與全部R-R間期數(shù)之比；

RRCV：心電圖變異系數(shù)；

SDSD(ms)：相鄰R-R間期差值的標(biāo)準(zhǔn)差；

NN50(個)：相鄰R-R 間期差值>50 ms的心跳數(shù)。

SDNN表示在一定時間段內(nèi)，R-R間期序列的總體標(biāo)準(zhǔn)差，對于研究時間段相對短的數(shù)據(jù)分析時有較好的效果。因筆者研究的是出現(xiàn)駕駛疲勞時的時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析，相對于300 km的駕駛時間來說是較小的時間段，因此筆者選取了該指標(biāo)。SDANN與SDANNi都是反應(yīng)心率變異性中緩慢變化的成分，SDANN應(yīng)用于全程，因此選取一項(xiàng)即可，筆者選SDANN。NN50反映相鄰R-R間期數(shù)值大于50 ms的個數(shù)，從駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析上考慮該指標(biāo)的研究意義不大，因此排除。心率變異系數(shù)RRCV研究表明可以用來計(jì)算駕駛疲勞程度[6]，因此筆者研究時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析時，采SDNN、MeanRR、SDANN、r-MSSD、PNN50及RRCV等指標(biāo)進(jìn)行研究。

2.2 駕駛疲勞度計(jì)算

駕駛疲勞度是反應(yīng)駕駛疲勞的程度，可以通過駕駛員的心電信號計(jì)算得出具體的數(shù)值來反映駕駛員的駕駛狀態(tài)。具體計(jì)算公式如式(1)[4]：

(1)

2.3 生理指標(biāo)隨駕駛時間變化

利用試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和Excel處理后，以時間間隔為5 min提取的時域分析指標(biāo)值MeanRR、RMSSD、PNN50、SDANN、SDNN，計(jì)算出5名試驗(yàn)員各時域分析指標(biāo)的算數(shù)平均值，然后繪制出各時域分析指標(biāo)與駕駛員連續(xù)駕駛時間的關(guān)系，如圖1，為了直觀的體現(xiàn)各指標(biāo)隨時間的變化，將MeanRR的具體測得數(shù)值進(jìn)行了縮小10倍的處理，以便在一張關(guān)系圖中進(jìn)行各指標(biāo)隨駕駛時間的比較。

圖1 生理指標(biāo)隨駕駛時間變化Fig.1 Change of physiological index along with driving time

由圖1可以看出，在連續(xù)駕駛時間為120 min左右時，駕駛員各時域分析生理指標(biāo)的變化出現(xiàn)拐點(diǎn)，我們可以判斷駕駛員在此時范圍內(nèi)出現(xiàn)了駕駛疲勞狀態(tài)，即駕駛疲勞時間點(diǎn)。筆者因此選取駕駛員在草原公路上連續(xù)駕駛115～125 min時的各項(xiàng)生理指標(biāo)，其中所用的采樣間隔為1 min進(jìn)行駕駛員時域分析生理指標(biāo)駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析。

3 灰色評估方法

3.1 灰關(guān)聯(lián)分析的整體思路

灰關(guān)聯(lián)分析是一種定量分析比較的方法，是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)序列所構(gòu)成的曲線幾何形狀進(jìn)行定性分析。通過對構(gòu)成的曲線幾何形狀的分析得出，曲線幾何形狀越接近，表示關(guān)聯(lián)度越大。其中，關(guān)聯(lián)度所指的是數(shù)據(jù)列之間關(guān)聯(lián)程度大小的量度[7]。

灰關(guān)聯(lián)分析的整體思路：首先建立子序列，并依據(jù)選優(yōu)原則構(gòu)成一個母序列，即參考序列，母序列中的各個元素為各子序列中的最佳值；然后計(jì)算出關(guān)聯(lián)系數(shù)，即各子序列中各個元素對應(yīng)母序列的關(guān)系數(shù)，依據(jù)該原理求出各子數(shù)據(jù)列對母序列的整體關(guān)聯(lián)度；最后根據(jù)算出的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行排序，并最終獲得關(guān)聯(lián)序，排序在最前面的子序列相對母序列的關(guān)聯(lián)度最大，稱為最優(yōu)子序列[8]。

3.2 灰關(guān)聯(lián)分析模型的建立方法

一般設(shè)有：

子序列：Xi={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)}={Xi(K)}

母序列：Xo={Xo(1)，Xo(2)，…，Xo(n)}={Xo(K)}

其中：i=1，2，…，m；m為子序列個數(shù)；K=1，2，…，n；n為每個序列的元素個數(shù)。

(2)

式(2)為母序列Xo與子序列Xi在采樣點(diǎn)K的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

對于每個采樣點(diǎn)，都可按式(1)計(jì)算與之相對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。最后綜合分析各點(diǎn)的goi(K)，得到每個子序列Xi與母序列Xo的關(guān)聯(lián)度：

(3)

3.3 駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)灰分析理論我們確定母序列為駕駛疲勞度序列，子序列為駕駛員處于駕駛疲勞狀態(tài)時對應(yīng)的生理指標(biāo)序列。由連續(xù)駕駛時間為115～125 min的各項(xiàng)生理指標(biāo)值，通過式(1)駕駛疲勞度的計(jì)算得出各時間的駕駛疲勞度母序列為：

Xo={0.78, 0.89, 0.72, 0.99, 0.65, 0.91, 1.11, 1.03, 0.68,1.14}

子序列 (其中1為RMSSD；2為PNN50；3為SDANN；4為MeanRR；5為SDNN) 為：

X1={28.93,22.57,44.93,26.9925.92,26.44,33.28,35.13, 25.54, 22.87, 25.23}

X2={92.68, 90.16, 96.10, 92.97, 98.46, 97.90, 98.13,96.02,94.38, 92.51 , 99.08}

X3={37.05,44.53,45.98,48.69,36.68,47.65,53.64,51.55,38.16,56.81}

X4={892.00,916.43,928.00,912.00,923.00,932.11,960.14,960.78,965.73,947.47,954.18}

X5={34.54, 40.89, 32.90, 45.80, 47.00, 40.91, 46.50, 49.60, 50.70, 52.20}

筆者研究采用以下方法對于母序列和子序列的初值化的指標(biāo)需作無量綱處理。

(4)

(5)

式中：n=5；K=1，2，…，5。

計(jì)算得出初始化序列為：

Xo={0.88,1.00,0.81,1.11,0.73,1.02,1.25,1.16,0.76,1.28}

X1={0.99,0.77,1.54,0.92,0.89,0.90,1.14,1.20,0.87,0.78}

X2={0.98,0.95,1.01,0.98,1.04,1.03,1.03, 1.01,0.99,0.97}

X3={0.80,0.97,1.00,1.06,0.80,1.03,1.16,1.12,0.83,1.23}

X4={0.96,0.98,0.99,0.98,0.99,1.00,1.03,1.03,1.03,1.01}

X5={0.79,0.94,0.75,1.05,1.08,0.94,1.06,1.13,1.16，1.10}

3.3.1 計(jì)算絕對差值

表3 絕對差值計(jì)算Table 3 Calculation of absolute difference value

3.3.2 求Δ(min)和Δ(max)

根據(jù)：Δoi(max)=max{Δoi(K)}；Δoi(min) =min {Δoi(K)}；Δ(max)=max{Δo1(max),Δo2(max)，…,Δok(max)}；Δ(min)=min{Δo1(min),Δo2(min)，…,Δok(min)}。得：Δ(max)=0.73；Δ(min)=0.01。

3.3.3 求關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

由式(2)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4。

表4 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of correlation coefficient

由式(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)度：ro1=0.69，ro2=0.73，ro3=0.88，ro4=0.74，ro5=0.77。

所以關(guān)聯(lián)順序?yàn)閞o3>ro5>ro4>ro2>ro1。即駕駛員時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的關(guān)聯(lián)順序?yàn)椋篠DANN，SDNN，PNN50，MeanRR，RMSSD。

4 結(jié) 論

1)通過駕駛員生理指標(biāo)隨連續(xù)駕駛時間變化圖分析，在連續(xù)駕駛時間為120 min時，MeanRR和SDNN呈下降趨勢，PNN50、SDANN、RMSSD呈上升趨勢。這表明駕駛員在草原公路上連續(xù)行駛120 min左右時出現(xiàn)駕駛疲勞。

2)通過駕駛員時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析，得出時域分析指標(biāo)與駕駛疲勞關(guān)聯(lián)程度由強(qiáng)到弱為SDANN，SDNN，PNN50，MeanRR，RMSSD。

3)筆者對草原公路駕駛員的駕駛疲勞指標(biāo)的選取進(jìn)行了初步探討和分析，為詳細(xì)研究草原公路行車疲勞做了前期基礎(chǔ)研究。

[1] B.Φ.巴甫可夫.道路條件與交通安全[M].景天然,譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版,1990.

Pavlov B Φ.Road Conditions and Traffic Safety [M].Jing Tianran translate.Shanghai:Tongji University Press,1990.

[2] Saroj K L L,Ashley C.Physiological indicators of driver fatigue[C]// 2000 Road Safety Research,Policing & Education Conference.Brisbane,Queensland:[s.n.],2000.

[3] 霍月英.基于駕駛員心生理反應(yīng)的草原公路最大直線長度研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

Huo Yueying.Research on the Longest Straight Line Length of Prairie Highway Based on Drivers Psychological and Physiological Reaction[D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural University,2010.

[4] 秦偉.駕駛員生理指標(biāo)對行車疲勞響應(yīng)的敏感性研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

Qin Wei.The Study on Sensitivity of Driver’s physiological Indices on Travel Fatigue[D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural University,2011.

[5] 蘭麗.室內(nèi)環(huán)境對人員工作效率影響機(jī)理與評價研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

Lan Li.Mechanism and Evaluation of the Effects of Indoor Environmental Quality on Human Productivity[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2010.

[6] 姚娜.基于駕駛員心理與生理反應(yīng)的草原二級公路交通事故分析[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

Yao Na.Accidental Analysis of Prairie Secondary Highway Based on the Psychological and Physiological Reaction of Driver[D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural University,2010.

[7] 鄧聚龍.灰色預(yù)測與決策[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1986.

Deng Julong.Grey Prediction and Decision[M].Wuhan:Huazhong Institute of Technology Press,1986.

[8] 王浩.灰關(guān)聯(lián)分析在評估投標(biāo)公司綜合實(shí)力中的應(yīng)用[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27(2):234-326.

Wang Hao.Application of grey relational analysis to comprehensive strength appraisement of each bidder in bid evaluation[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(2):234-326.