李航天 朱守林 戚春華 楊鋒 高明星

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

責(zé)任編輯:任 俐。

東北林區(qū)道路在森林培育、火災(zāi)與病蟲害防治、木材生產(chǎn)和促進(jìn)林區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面都發(fā)揮著重要作用，但由于林區(qū)道路多為企業(yè)自建，其特點(diǎn)是，道路等級(jí)低、道路窄、道路質(zhì)量差、縱坡大、曲線半徑小和駕駛員視距不足，而且受氣候環(huán)境影響大。此外，路側(cè)遍布高大樹木，使道路的路側(cè)景觀環(huán)境呈半封閉狀態(tài)，影響到駕駛員的視覺及心理狀態(tài)。冬季是東北林區(qū)木材生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)狞S金季節(jié)［1］，但北方冬季時(shí)間長、多雪、氣候寒冷，道路被積雪覆蓋或壓實(shí)硬化成冰面而形成冰雪路面［2］，這種道路附著系數(shù)小，且道路折射反光強(qiáng)烈，直接影響汽車制動(dòng)和行駛穩(wěn)定性，也影響著駕駛員的視覺環(huán)境。東北林區(qū)冰雪道路特殊的交通類型、運(yùn)輸特性、地形地貌等因素給從事木材運(yùn)輸工作的駕駛員帶來了不利的影響，對(duì)駕駛員的刺激強(qiáng)、駕駛員行車的操作轉(zhuǎn)換頻率高，復(fù)雜的駕駛環(huán)境使駕駛員處于一種不合理的“緊張狀態(tài)”，因而，易導(dǎo)致駕駛員心理生理疲勞，進(jìn)而影響到駕駛員的行車安全。

駕駛員是構(gòu)成公路交通人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)的主體，但目前關(guān)于冰雪道路的研究多偏重在積雪特性與駕駛行為分析［3－4］，沒有充分考慮到用路者的生理特性和心理需求［5］。文中針對(duì)東北林區(qū)冰雪道路的特殊性，依據(jù)駕駛員在該道路條件下行車時(shí)的生理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析林區(qū)冰雪道路環(huán)境對(duì)駕駛員心理生理特性造成的影響，并對(duì)駕駛員在該條件下的各項(xiàng)生理和心理指標(biāo)進(jìn)行分析研究，在該研究的基礎(chǔ)上提出了減輕駕駛員緊張與疲勞、提高冰雪道路行車安全的指導(dǎo)性策略和方案。

1 材料與方法

評(píng)價(jià)指標(biāo):心理狀態(tài)可以引起人體生理指標(biāo)的變化，并且人體生理指標(biāo)變化可以定量描述心理狀態(tài)。相關(guān)研究表明，心率變異性(HRV)分析是一種敏感的無創(chuàng)傷性的評(píng)價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的定量方法［6－7］，目前已被廣泛用于與自主神經(jīng)系統(tǒng)功能相關(guān)的生理心理活動(dòng)研究中［8－9］。心率變異(HRV)是指逐次心跳R－R間期不斷波動(dòng)的現(xiàn)象［10－11］，它能反映自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性及其平衡協(xié)調(diào)關(guān)系［12－14］。心電信號(hào)中R－R間期是反映心臟活動(dòng)的重要數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)R－R間期的不同處理方法，心率變異分析有時(shí)域分析、頻域分析和非線性動(dòng)力學(xué)分析這三大類［15－16］。時(shí)域分析是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)R－R間期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出最常用的指標(biāo)是心率(HR)［6］和R－R間期的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)［15］。心率指標(biāo)可以表明心臟和情緒緊張狀況，能夠從本質(zhì)上客觀、直接、方便地測量駕駛員行車時(shí)的心理緊張程度。由于駕駛員個(gè)體差異存在，所以又逐步引進(jìn)心率增長率(Ni)，可以更真實(shí)地衡量駕駛員行駛過程中心率的變化程度，能夠在一定程度上反映駕駛員緊張、煩躁的心理狀態(tài)［17］。相關(guān)研究表明，當(dāng)駕駛員的心率增長率Ni大于20%時(shí)，駕駛員感到有所緊張。研究人員發(fā)現(xiàn)，隨人體精神負(fù)荷和體力負(fù)荷的增大，SD呈降低的趨勢，說明駕駛員SD指標(biāo)可用于對(duì)駕駛疲勞程度進(jìn)行定量化的反映和評(píng)判。SD用于評(píng)估人體心率變異性(HRV)總體變化的大小，主要反映神經(jīng)總體的調(diào)節(jié)水平［18－19］。頻域分析是利用快速傅里葉轉(zhuǎn)換進(jìn)行功率譜密度分析。HRV的高頻(HF)受迷走神經(jīng)活動(dòng)的影響［20］，當(dāng)迷走神經(jīng)興奮時(shí)，可起到保護(hù)機(jī)體、休整恢復(fù)和蓄積能量等功能［21］，而低頻(LF)所表示的生理意義目前觀點(diǎn)尚未統(tǒng)一［20－22］。但歸一化的LF及HF更能直接反映迷走交感神經(jīng)調(diào)節(jié)的變化，分別表示為LF，n，o，r，m和HF，n，o，r，m，其單位為nu。

針對(duì)心電生理評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)和試驗(yàn)研究需要，文中選擇心率增長率(Ni)、R－R間期的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)、歸一化的高頻(HF，n，o，r，m)作為研究分析駕駛員心生理的指標(biāo)，表征駕駛員心理緊張度、心率變異大小、迷走神經(jīng)活性。

試驗(yàn)路段、設(shè)備和人員:試驗(yàn)路段為內(nèi)蒙古大興安嶺森工集團(tuán)根河林業(yè)局木材生產(chǎn)運(yùn)輸專線，線路全長50 km，冬季為冰雪道路(圖1)。設(shè)計(jì)車速40～60 km·h－1，長度L(直線)∶L(曲線)=2．63∶1．00，線路為逆時(shí)針單向運(yùn)行;除少量超車情況外，無其他行車事件干擾。

圖1 試驗(yàn)路段

為滿足試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集儀等設(shè)備的空間要求、試驗(yàn)安全，以及保持試驗(yàn)過程中微環(huán)境的一致性，使用同一輛試驗(yàn)車為豐田4500越野車型。采用美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150 WSW16通道多導(dǎo)生理信號(hào)記錄儀采集駕駛員在林區(qū)冰雪道路行車過程中的心電信號(hào)，數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)定為500 Hz［22］。利用生理信號(hào)記錄儀配套軟件AcqKnowledge對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析，采用集思寶MG838手持GPS測速，并對(duì)道路數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，利用GISOffice軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?；驹O(shè)備如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備、車輛

考慮排除個(gè)體差異，選擇具備駕駛職業(yè)資格的6名林區(qū)企業(yè)熟練男性司機(jī)工人為被測試駕駛員，要求其自身和家庭直系親屬無神經(jīng)病和心臟病史，并都非常熟悉路況，平均年齡(43．5±4．76)a，平均駕齡(14．6±3．66)a，駕駛員基本信息見表1所示。

表1 駕駛員基本情況

試驗(yàn)要求及過程:試驗(yàn)要求選擇在天氣晴朗、照度相近、相鄰日期內(nèi)進(jìn)行，以確保樣本間的可比性和試驗(yàn)環(huán)境的一致性。為了減少不必要的因素對(duì)行車時(shí)駕駛員生理指標(biāo)的影響，駕駛員在試驗(yàn)前的睡眠、飲食要加以控制，并熟悉駕駛車輛和試驗(yàn)儀器，試驗(yàn)中要求駕駛員和車內(nèi)其他人員保持安靜，車內(nèi)所有人員關(guān)掉手機(jī)。

駕駛前靜測每位駕駛員5 min心電信號(hào)，要求駕駛員安靜坐在駕駛座椅位置，雙手握住方向盤，心理生理呈最大放松狀態(tài)，以便確定每位駕駛員的初始基準(zhǔn)指標(biāo)。根據(jù)道路條件，在確保安全的前提下駕駛員以正常的習(xí)慣和自由速度駕駛，從試驗(yàn)路段起點(diǎn)行駛至終點(diǎn)，連續(xù)采集駕駛員在典型草原公路行車過程的心電信號(hào)。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)記錄人員標(biāo)記路段路遇各種突發(fā)事件(停車、超車等)，并記錄開車及停車時(shí)間。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:行車過程中，駕駛員的心率采集過程會(huì)受到車輛震動(dòng)、內(nèi)部噪聲、電信號(hào)等環(huán)境因素的影響，會(huì)給試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來一定的影響。為保證數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，結(jié)合試驗(yàn)過程中記錄的突發(fā)情況，在數(shù)據(jù)分析前首先對(duì)采集的心電信號(hào)中部分失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，既要增強(qiáng)心電信號(hào)中的有效成分，又要消除噪聲和偽跡。研究表明，正常心電信號(hào)頻率主要分布在0．25～40 Hz［22］，通過MP150生理信號(hào)記錄儀配套軟件AcqKnowledge進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波設(shè)置。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，使用軟件AcqKnowledge對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。為了保證相同的數(shù)據(jù)長度，將每位駕駛員每5 min的R－R間期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的心率變化率與心率變異時(shí)頻值。通過對(duì)行車速度統(tǒng)計(jì)描述，1、2、5、6號(hào)駕駛員均在30 km·h－1左右列為低速組，3、4號(hào)駕駛員均在40 km·h－1左右列為高速組，分別對(duì)比分析兩速度組生理指標(biāo)變化。

2 結(jié)果與分析

2．1 試驗(yàn)動(dòng)態(tài)指標(biāo)與靜測指標(biāo)對(duì)比

一般認(rèn)為駕駛員行車試驗(yàn)前的靜測狀態(tài)指標(biāo)能提供相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)基準(zhǔn)值［8］，對(duì)比靜測穩(wěn)定指標(biāo)與試驗(yàn)過程指標(biāo)的平均值，如表2所示為兩組駕駛員靜測與實(shí)駕試驗(yàn)指標(biāo)均值統(tǒng)計(jì)。

表2 駕駛員靜測與動(dòng)態(tài)指標(biāo)

從表2可以直觀看出，試驗(yàn)前后指標(biāo)均發(fā)生了不同程度的變化:兩組駕駛員實(shí)駕狀態(tài)的心率增長率Ni大于零，說明實(shí)駕的心率值高于靜測值，表明駕駛員駕駛過程心理緊張程度增加;實(shí)駕指標(biāo)值與靜測值相比，SD、HF，n，o，r，m增加，表明駕駛員實(shí)駕過程中心率變異性增大，迷走神經(jīng)活性產(chǎn)生變化，并且迷走神經(jīng)興奮性增強(qiáng)。結(jié)果說明，心率增長率Ni、SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)能直觀顯著地反映林區(qū)冰雪道路駕駛員的心理和生理狀態(tài)，駕駛員自主神經(jīng)系統(tǒng)起了調(diào)控作用。實(shí)駕與靜測狀態(tài)相比，變化率能夠直觀地反應(yīng)駕駛員試驗(yàn)前后指標(biāo)的變化程度，其計(jì)算方法為，變化率=(|動(dòng)態(tài)指標(biāo)－靜測指標(biāo)|/靜測指標(biāo))×100%。低速組心率增長率指標(biāo)為11．75%，低速組SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)變化率分別為45．27%、9．61%;高速組心率增長率指標(biāo)為17．06%，高速組SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)變化率分別為53．98%、28．62%，則高速組實(shí)駕與靜測指標(biāo)值和兩種狀態(tài)的指標(biāo)變化率均高于低速組的，說明在林區(qū)冰雪道路環(huán)境下行車高速組駕駛員心理緊張程度、心率變異性、迷走神經(jīng)張力更大，從而得出，速度是影響駕駛員心生理反應(yīng)的一個(gè)因素。

2．2 駕駛員行車過程中的心電指標(biāo)

分別分析兩組駕駛員每5 min Ni、SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)均值的全程變化，如圖3～圖5所示。

圖3 駕駛員心率增長率變化圖

從圖3可知，低速組Ni值波動(dòng)于9．52%～16．06%，整體呈先增加后變?yōu)榫徛陆抵疗椒€(wěn)的趨勢;高速組Ni值波動(dòng)于14．96%～19．55%，整體呈波動(dòng)狀態(tài)。兩組駕駛初期Ni指標(biāo)都升高，這是由于駕駛員在林區(qū)冰雪道路行車隨著速度逐漸提升，駕駛員要不斷適應(yīng)冰雪道路環(huán)境，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)整期，初期都會(huì)出現(xiàn)緊張感，心率會(huì)升高。高速組Ni指標(biāo)值整體均高于低速組的，且前者除兩處突變點(diǎn)外指標(biāo)值持續(xù)較高沒有下降趨勢，這表明在冰雪道路上，車速的增加將直接增大駕駛員的心理緊張程度。

從圖4可知，低速組SD指標(biāo)值波動(dòng)于64．28～88．55 ms，呈先增加后逐漸降低趨勢，在60 min之后指標(biāo)呈平穩(wěn)狀態(tài);高速組SD指標(biāo)值波動(dòng)于64．0～89．4 ms，呈波動(dòng)下降趨勢，30 min前指標(biāo)值較高，35 min之后迅速下降且變化率為13．74%，在60 min處有一個(gè)突變下降點(diǎn)。兩組駕駛員SD指標(biāo)都呈減小趨勢，因?yàn)楸┑缆诽厥庑?，駕駛員要不斷控制車輛的穩(wěn)定行駛，經(jīng)過連續(xù)駕駛，精神負(fù)荷和體力負(fù)荷都會(huì)增大，注意力較為集中，則SD值減小，這一結(jié)果與前人研究［19］結(jié)論一致。高速組SD指標(biāo)值高于低速組的，且前者指標(biāo)值波動(dòng)劇烈，特別在行車后期，低速組指標(biāo)基本穩(wěn)定不變，而高速組波動(dòng)劇烈。這一結(jié)果看似與前面結(jié)果相悖，實(shí)則不然，因?yàn)楦咚俳M行車負(fù)荷要比低速組大，SD值應(yīng)該較小，但駕駛員在冰雪道路環(huán)境行車若車速較高，駕駛員的心理緊張程度也會(huì)增加，導(dǎo)致駕駛員心電R－R間期離散程度大，則SD就會(huì)增大，心率變異程度大。所以會(huì)出現(xiàn)高速組的SD值高于低速組這一結(jié)果。表明在林區(qū)冰雪道路連續(xù)行車速度越高導(dǎo)致駕駛員心率變異程度增大。

圖4 駕駛員S D變化圖

圖5 駕駛員H F，n，o，r，m變化圖

從圖5可知，低速組HF，n，o，r，m指標(biāo)值波動(dòng)于42．15～73．97 nu，整體呈波動(dòng)下降趨勢，其中在30～35、60～70、70～80 min處指標(biāo)波動(dòng)劇烈;高速組HF，n，o，r，m指標(biāo)值波動(dòng)于52．0～83．9 nu，整體呈劇烈波動(dòng)下降趨勢，20 min之后指標(biāo)波動(dòng)劇烈，在20～25、25～30、30～35、35～50、50～55、55～65 min處均出現(xiàn)突變點(diǎn)。說明HF，n，o，r，m受環(huán)境變化影響明顯。兩組指標(biāo)值初期較高，表明迷走神經(jīng)張力較高，這是由于駕駛員初期會(huì)出現(xiàn)緊張感，自主神經(jīng)系統(tǒng)功能起調(diào)控作用，向迷走神經(jīng)張力增強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)移，抑制和平復(fù)緊張感。兩組指標(biāo)隨著駕駛時(shí)間增加均呈減小趨勢，表明駕駛員迷走神經(jīng)活性逐漸減弱，交感神經(jīng)活動(dòng)逐漸增強(qiáng)，這是由于駕駛員要不斷控制車輛的穩(wěn)定行駛，注意力集中，經(jīng)過連續(xù)駕駛，精神負(fù)荷和體力負(fù)荷都會(huì)增大。高速組Ni指標(biāo)值高于低速組的，且前者指標(biāo)值波動(dòng)劇烈，這可能因?yàn)樗俣雀?，駕駛員心理緊張程度大，自主神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)向迷走神經(jīng)張力增加方向轉(zhuǎn)移，不斷的進(jìn)行恢復(fù)儲(chǔ)蓄機(jī)體能量，抑制和平復(fù)行車帶來的緊張感。這一結(jié)果表明車速的增加會(huì)影響自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的調(diào)控作用。

2．3 兩組駕駛員差異性

通過以上對(duì)各個(gè)指標(biāo)全程分析對(duì)比可看出，不同速度組駕駛員的各項(xiàng)指標(biāo)存在差異，為進(jìn)一步分析不同速度組駕駛員的指標(biāo)差異，下面分別對(duì)兩組駕駛員的3個(gè)指標(biāo)作差異性配對(duì)t檢驗(yàn)(表3)。

表3 兩組駕駛員心電指標(biāo)配對(duì)t檢驗(yàn)

從表3中可以看出，兩組駕駛員心電的3個(gè)指標(biāo)檢驗(yàn)t＜0，表明高速組指標(biāo)均高于低速組指標(biāo)值，P＜0．01，表明兩組心電指標(biāo)值差異性非常顯著。因此，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析，高速組和低速組的3個(gè)心電指標(biāo)隨駕駛時(shí)間變化存在顯著差異，且前者指標(biāo)值均高于后者。表明在林區(qū)冰雪道路行車過程中，速度對(duì)駕駛員心生理反應(yīng)影響是顯著的。所以從心生理角度，為確保行車安全，在林區(qū)冰雪道路管理方面應(yīng)該注意車速的控制要求。

3 結(jié)論與討論

駕駛員在林區(qū)冰雪道路行車過程與靜測狀態(tài)比較，都會(huì)出現(xiàn)不同程度心理緊張，心率變異增大，迷走神經(jīng)活動(dòng)興奮，說明冰雪條件增大了駕駛員的心生理的負(fù)荷。無論速度高低，駕駛員生理指標(biāo)都會(huì)受到一定的影響，但影響的程度是有差異的，并且高速組指標(biāo)值和變化率都要高于低速組的;兩組駕駛員Ni、SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)值在駕駛初期較高且都有升高趨勢，說明駕駛員行車初期心理緊張程度大，心率變異性大，自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控向迷走神經(jīng)張力增強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)移，抑制和平復(fù)緊張感;低速組Ni隨駕駛時(shí)間增加呈逐漸減小趨勢，表明，隨著時(shí)間增加駕駛員的心理緊張程度下降，而高速組Ni值隨駕駛時(shí)間增加呈較高狀態(tài)，表明，車速的增加將直接增大駕駛員的心理緊張程度;低速組和高速組的SD、HF，n，o，r，m指標(biāo)隨駕駛時(shí)間增加呈逐漸減小趨勢，表明駕駛員在冰雪道路行車時(shí)精神負(fù)荷和體力負(fù)荷都會(huì)增大，駕駛員迷走神經(jīng)活性是逐漸減弱，交感神經(jīng)活動(dòng)逐漸增強(qiáng)。高速組3個(gè)心電指標(biāo)值均高于低速組指標(biāo)值，且兩組駕駛員指標(biāo)值均具有顯著差異(t＜0，P＜0．01)，說明速度是影響林區(qū)冰雪道路駕駛員心生理反應(yīng)的一個(gè)重要因素，在林區(qū)冰雪道路連續(xù)行車，車速的增加直接增大駕駛員的心理緊張程度，速度越高導(dǎo)致駕駛員心率變異程度增大，速度會(huì)影響駕駛員自主神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控功能。因此，在林區(qū)冰雪道路環(huán)境行車，速度是影響駕駛員心生理反應(yīng)和安全行車的一個(gè)重要因素，則建議在林區(qū)冰雪道路行車時(shí)應(yīng)注意對(duì)駕駛員行車速度的控制與管理，以保證行車安全。但基于林區(qū)冰雪道路環(huán)境特殊性，以駕駛員心生理反應(yīng)為依據(jù)的合理速度還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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