盧章平,張明明,李 瑞,何 仁

(1. 江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

音樂節(jié)奏對單調(diào)高速公路駕駛安全的影響

盧章平1,張明明1,李 瑞1,何 仁2

(1. 江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為研究高速公路環(huán)境下音樂節(jié)奏對駕駛員駕駛狀態(tài)的影響,選取6位駕駛員參加4組實際道路駕駛試驗,4組試驗所對應(yīng)的音樂環(huán)境分別為:無音樂、慢節(jié)奏、中節(jié)奏、快節(jié)奏,當被試駕駛至80 min時開始播放相應(yīng)音樂,并監(jiān)測駕駛員腦電參數(shù)。基于腦電功率譜的比值(α+θ)/β和腦電波SMR波的幅值,分析其變化來研究音樂對駕駛安全的影響。結(jié)果表明:在單調(diào)高速公路駕駛中,當駕駛員行駛到被動疲勞極限時間80 min后,音樂節(jié)奏對駕駛員疲勞狀態(tài)和注意力水平有顯著的影響。

交通工程；高速公路；音樂節(jié)奏；安全駕駛；疲勞；腦電

0 引 言

交通安全涉及人、車、道路及環(huán)境等諸多因素。據(jù)統(tǒng)計:每年世界汽車碰撞事故中25%～30%與疲勞駕駛有關(guān)[1]。不僅疲勞駕駛會造成交通事故,駕駛員注意力分散也是事故的主要因素,其中80%左右的碰撞和65%的幾乎碰撞與駕駛員注意力分散有關(guān)[2]。另有調(diào)查顯示:38.5%的駕駛員認為車載音樂能夠提高警覺；37.6%的駕駛員使用音樂緩解單調(diào)感；47.6%的駕駛員聲稱,音樂可以讓他們放松心情[3]。因此,有必要研究音樂對駕駛安全的影響。

相比于其他道路,高速公路上行駛速度快,事故隱患更大[4]。單調(diào)高速公路是指單一的公路線形、單調(diào)的路邊景觀環(huán)境和較低的交通流量的高速公路。在單調(diào)高速公路上駕駛員機械地重復(fù)做單調(diào)的駕駛動作,缺乏必要的行車信息刺激。國內(nèi)外對單調(diào)的駕駛環(huán)境與聽音樂對駕駛安全的影響已有研究。A.B.UNAL等[5]發(fā)現(xiàn),長時間在單調(diào)情境中駕駛會造成被動疲勞,而長時間在復(fù)雜情境中駕駛或睡眠不足則造成主動疲勞,在單調(diào)性環(huán)境中方向盤轉(zhuǎn)角、頻數(shù)隨駕駛時間變化較大,從而影響駕駛安全；馮舒等[6]通過模擬駕駛試驗發(fā)現(xiàn)長時間的駕駛導(dǎo)致駕駛員生理、心理負荷加重,特別在單調(diào)的高速公路駕駛環(huán)境下,會很快產(chǎn)生疲勞；馬錦飛[2]通過模擬器駕駛試驗發(fā)現(xiàn)輕音樂會使駕駛員放松,特別是在單調(diào)路況中,易誘發(fā)駕駛員困倦,不利于駕駛員的危險感知；P.THIFFAULT等[7]認為當駕駛員因為駕駛的單調(diào)而產(chǎn)生被動疲勞時,播放音樂可以改善其單調(diào)、厭倦和困乏感；F.ADRIAN等[8]認為不能片面地強調(diào)音樂的喚醒作用,淡化注意力資源被音樂過度的占用和消耗而帶來分心的風(fēng)險。因此,研究單調(diào)駕駛環(huán)境下聽音樂對駕駛員疲勞狀態(tài)和注意力水平的影響,對駕駛員的安全性有重要意義。

但是以上研究一方面較多采用模擬駕駛器試驗,而由于駕駛員的精神負荷不同,其結(jié)果的可靠性往往低于實際道路上試驗；另一方面研究重點僅僅放在駕駛中音樂的喚醒作用和音樂對安全的不利影響,缺乏在單調(diào)駕駛環(huán)境下聽音樂對駕駛員的疲勞狀態(tài)和注意力水平影響較全面的量化研究。因此,筆者使用便攜生物反饋儀作為主要的監(jiān)測工具,在單調(diào)的實際高速公路路況下,測試音樂條件下駕駛員疲勞狀態(tài)和注意力水平的變化規(guī)律,總結(jié)其對駕駛安全的影響。

1 研究方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備選擇便攜Spirit?生物反饋儀1臺,用來記錄測試者的腦電信號,其采樣頻率為256 Hz,通過BioTrace軟件可以得到基于時間軸的可視化生理數(shù)據(jù),也可以將數(shù)據(jù)以MTALAB格式文件輸出,該儀器的使用對正常駕駛無干擾影響；帕薩特汽車1輛,用于試驗中執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)。

1.2 試驗人員

選取6名非職業(yè)駕駛員(均持有C1駕駛證)為試驗對象。這6名試驗人員均具有1.0×104km里程以上駕駛經(jīng)驗(范圍:1～12年；平均:3.8年,標準差:3.0年),年齡在22～32歲(平均年齡:26歲,標準差:3.2年),且都有一定高速公路駕駛經(jīng)驗。所有駕駛員矯正視力達到1.0及其以上,身體狀況良好,無聽力障礙,試驗當天精神狀態(tài)良好。

1.3 試 驗

1.3.1 試驗路段

試驗路段為揚溧高速公路,以鎮(zhèn)江為起點,溧陽為終點。道路為雙向四車道,路況為一個無彎道和無交叉路口的封閉高速道路,且日車流量低于1 200,高峰小時系數(shù)λPHF=0.95,道路總體車流量較少且暢通,可以確保試驗安全。試驗駕駛平均速度保持在100 km/h左右,駕駛時長大于140 min。

1.3.2 試驗音樂

音樂速度:通常將40～70拍/min定義為慢速；85～110拍/min為中速；120拍/min以上為快速[9]。駕駛員將音樂開到中等音量占到約59%,而只有約5%的駕駛員喜歡將音樂開到大音量[3]?？紤]駕駛安全,選擇60～70 dB的中等音量音樂。從音樂庫中選取播放量較多的3種節(jié)奏類型音樂(表1),并在試驗前讓駕駛員試聽,最終選擇駕駛員不熟悉且沒有明顯喜好的無歌詞音樂作為試驗音樂,以保證除音樂節(jié)奏外的因素對試驗無影響。

表1 不同節(jié)奏代表性音樂

1.3.3 試驗準備

準備相關(guān)儀器,并對駕駛員簡短培訓(xùn),減輕被測額外心理負荷并闡述試驗?zāi)康摹⑦^程和任務(wù)。

1.3.4 試驗過程

6名駕駛員,分為8 d進行試驗,每兩天的試驗編為1組,1組分2 d進行,每天安排3人。試驗前駕駛員都得到充足休息,每人駕駛2.5 h,駕駛時間為07:00—09:30,10:00—12:30,14:00—16:30這3個時間段,試驗后安排休息。

第1組進行無音樂環(huán)境駕駛試驗；第2組進行慢節(jié)奏音樂環(huán)境駕駛試驗。根據(jù)Ting Ping-huang等[10]研究發(fā)現(xiàn):長時間駕駛易導(dǎo)致駕駛員疲勞,80 min是單調(diào)高速公路安全駕駛的極限時間。因此試驗選擇在駕駛80 min時播放慢節(jié)奏音樂；第3,4組分別以相同方式進行中、快節(jié)奏音樂環(huán)境駕駛試驗。在試驗過程中記錄腦電參數(shù),同時副駕駛員在規(guī)定時間播放和調(diào)節(jié)音樂并記錄駕駛總時間。從試驗儀器導(dǎo)出駕駛過程中的相關(guān)數(shù)據(jù),篩選合格數(shù)據(jù)。

2 腦電數(shù)據(jù)預(yù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過Spirit?生物反饋儀自帶軟件導(dǎo)出,并在MATLAB軟件中剔除駕駛員進行與駕駛行為無關(guān)的時間段,利用EEGLAB工具箱除去眼電、肌電偽跡。由于各個腦電波的數(shù)據(jù)量很大,以播放音樂時間點為始點,每隔5 min分為一段,每段時長為30 s,共取12段。采用快速傅里葉變換方法對腦電信號進行功率譜分析,再通過公式Pyy=abs(y)×abs(y)計算不同波的平均功率值。為了減少功率值波動帶來的影響,以30 s內(nèi)功率值的均值來代表腦電的特征值。另一方面,從經(jīng)過功率譜分析后的頻譜圖中提取SMR波幅值,同樣以每段30 s內(nèi)幅值的均值來代表腦電SMR波的特征值。

3 音樂對腦電波的影響分析

腦電活動是一些自發(fā)的有節(jié)律的神經(jīng)電活動,其頻率及振幅與人的生理狀態(tài)、注意力等有著密切聯(lián)系。腦電波由各種頻率的波組成,其中:θ波反映情緒受到抑制或休息狀態(tài),α波反映大腦淸醒且放松的狀態(tài),β波反映精神緊張和情緒激動或亢奮,SMR波即為低β波,反映人的注意力狀態(tài)。筆者分別研究音樂對駕駛疲勞和注意力的影響。

3.1 音樂對駕駛疲勞的影響

當駕駛員處于疲勞狀態(tài)時,β波減少,α波增多；當駕駛員從疲勞狀態(tài)轉(zhuǎn)為瞌睡狀態(tài)時,θ波則占主導(dǎo)地位。采用腦電功率譜比值R=(α+θ)/β來描述駕駛疲勞的腦電特征[11],如表2。

經(jīng)過80 min的高速公路駕駛后,播放事先準備好的音樂。把播放音樂后駕駛時間分為時間段1和時間段2,即對應(yīng)前30 min和后30 min兩段時間。計算4組駕駛試驗每5 min時間段對應(yīng)的疲勞特征參數(shù)R的均值與標準差,圖1反映兩段時間內(nèi)駕駛員的疲勞變化。之后分別在時間段1和時間段2內(nèi)對不同音樂條件下的R值進行顯著性檢驗,如表3。

表2 基于腦電的疲勞評測

圖1 音樂對駕駛疲勞的影響Fig.1 The influence of music on driving fatigue 表3 表征駕駛疲勞的R值顯著性檢驗 Table 3 R values significant test for driving fatigue

/min

注:均值差的顯著性水平為0.05。

由圖1(a)可看出:在時間段1內(nèi),無音樂情況下,R值隨時間逐漸上升,說明駕駛員逐漸變得疲勞；ANOVA方差分析結(jié)果顯示:F(3, 20)=17.707,p=0.000,試驗均值差的顯著性水平為0.05,因此音樂節(jié)奏對R值影響顯著。經(jīng)過事后檢驗,由表3以看出:在慢節(jié)奏與無音樂之間,R值不存在顯著性差異(p>0.05)；而中節(jié)奏、快節(jié)奏分別與無音樂之間存在顯著性差異(p<0.05)。結(jié)合圖1(b)可得出:在時間段1播放音樂時,中節(jié)奏(M=1.09,S=0.07)和快節(jié)奏(M=1.05,S=0.08)下R值明顯低于無音樂(M=1.18,S=0.10)。

經(jīng)ANOVA方差分析,時間段2內(nèi)音樂節(jié)奏對R值有顯著影響。F(3, 20)=12.063,p=0.000,再經(jīng)過事后檢驗,慢節(jié)奏、快節(jié)奏都與無音樂情況下的R值存在顯著性差異(p<0.05),而中節(jié)奏與無音樂情況無顯著性差異(p>0.05)。結(jié)合圖1(b)可看出:慢節(jié)奏(M=1.33,S=0.11)下相較于無音樂(M=1.28,S=0.08)R值明顯升高；而快節(jié)奏(M=1.19,S=0.08)相較于無音樂則呈現(xiàn)降低。

由以上結(jié)果可看出:快節(jié)奏音樂可以長時間改善駕駛員疲勞狀態(tài)。中節(jié)奏音樂在前段時間改善明顯,后段時間無明顯改善。慢節(jié)奏音樂前段時間無明顯改善,后段時間使疲勞狀態(tài)惡化,甚至達到中度疲勞階段。

3.2 音樂對駕駛注意力的影響

注意力容易受到執(zhí)行任務(wù)與周圍環(huán)境的影響。有研究表明,微弱的持續(xù)刺激環(huán)境能提高人腦網(wǎng)狀系統(tǒng)的喚醒程度,從而有助于人們保持注意力的穩(wěn)定性,然而吵鬧復(fù)雜的駕駛環(huán)境容易干擾人們對任務(wù)的注意力[12]。并且枯燥乏味的環(huán)境使人的注意水平降低,尤其在單調(diào)的高速公路上執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)[13]。因此有必要研究在高速公路上駕駛時音樂對駕駛員注意力的影響。筆者通過反饋儀采集駕駛員腦電SMR波幅值作為衡量注意力水平指標,如表4。

表4 基于腦電的注意水平評測

通過同樣的方法計算腦電SMR波幅值的均值、標準差。圖2分別反映了駕駛?cè)俗⒁饬λ皆趦啥螘r間內(nèi)的變化。并分別在時間段1和時間段2內(nèi)對不同音樂條件下的SMR幅值進行顯著性檢驗,如表5。

圖2 音樂對駕駛注意力的影響Fig.2 The influence of music on driving attention 表5 表征駕駛注意力的SMR幅值顯著性檢驗 Table 5 SMR amplitude significant test for driving attention

/min

注:均值差的顯著性水平為0.05。

從圖2(a)可以看出:在時間段1內(nèi),無音樂情況下,SMR波幅值總體呈下降趨勢,說明注意力水平逐漸降低。經(jīng)ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)此時間段音樂節(jié)奏對SMR幅值影響顯著,F(3, 20)=4.741,p=0.012,再經(jīng)過事后檢驗；由表5可看出,慢節(jié)奏、中節(jié)奏下SMR波幅值與無音樂有顯著差異(p<0.05),快節(jié)奏與無音樂無顯著差異(p>0.05)。慢節(jié)奏(M=16.25,S=1.45)和中節(jié)奏(M=15.50,S=1.68)相較于無音樂(M=12.88,S=1.73)腦電波SMR幅值顯著增高,而快節(jié)奏(M=12.32,S=1.38)相較于無音樂無明顯差異。

由圖2(b)可看出:在時間段2內(nèi),SMR值在無音樂情況下平穩(wěn)下降。經(jīng)ANOVA方差分析,發(fā)現(xiàn)此時間段音樂節(jié)奏對SMR幅值影響顯著,F(3, 20)=4.865,p=0.011,再經(jīng)過事后檢驗；如表5,中節(jié)奏相比無音樂SMR波幅值無顯著性差異(p>0.05),但與慢節(jié)奏、快節(jié)奏之間存在顯著性差異(p>0.05)。中節(jié)奏音樂(M=11.05,S=1.48)較無音樂(M=9.47,S=1.37)下SMR幅值高。而快節(jié)奏(M=8.00,S=0.95)和慢節(jié)奏(M=8.82,S=1.33)下SMR幅值較無音樂低。

上述分析表明:快節(jié)奏音樂降低駕駛員注意力水平,中節(jié)奏提高駕駛員注意力水平,慢節(jié)奏音樂在時間段1內(nèi)明顯提高注意力,而在時間段2內(nèi)無明顯改善。

4 結(jié) 語

以單調(diào)的高速公路為駕駛環(huán)境,當駕駛員行駛到被動疲勞極限時間80 min時,播放不同節(jié)奏音樂,同時獲取表征駕駛員疲勞和注意力狀態(tài)的腦電數(shù)據(jù)。探求不同節(jié)奏音樂在駕駛員達到被動疲勞的狀態(tài)時對駕駛員的疲勞和注意力狀態(tài)有何種影響,相較于無音樂駕駛有無改善。研究表明:當駕駛時間達到80 min后,① 節(jié)奏音在1 h內(nèi)有助于明顯改善疲勞和提高注意力水平；② 節(jié)奏音樂僅僅在0.5 h內(nèi)明顯提高注意力水平,而后相較于無音樂,疲勞狀態(tài)和注意力水平都呈現(xiàn)顯著惡化態(tài)勢；③ 節(jié)奏音樂雖在1 h內(nèi)緩解疲勞效果顯著,然而相比于無音樂駕駛員注意力變得更為惡化。

研究結(jié)果部分驗證了關(guān)于慢節(jié)奏音樂使駕駛員放松,降低駕駛員的生理喚醒和認知負荷；快節(jié)奏吸引駕駛員的注意,導(dǎo)致注意力分散,不利于危險感知這一論斷。

筆者針對性選擇單調(diào)的高速公路駕駛環(huán)境,同時引入了不同駕駛時長對研究的影響。研究結(jié)果可以指導(dǎo)駕駛員通過在不同時間段切換不同節(jié)奏音樂來改善駕駛狀態(tài),同時避免不利影響,也可以為車載智能音樂播放設(shè)備開發(fā)提供參考。

由于試驗條件限制,筆者選取的被試樣本較少,雖然在選擇音樂時盡可能減少了其他因素對駕駛員的干擾,然而實際駕駛過程中存在著其他因素干擾(例如:駕駛員對不同節(jié)奏音樂的快慢喜好、認知水平,以及駕駛?cè)藛T的年齡、性別、文化背景等),需要將來進一步的分類研究；而且筆者只研究了在播放音樂后1 h內(nèi)音樂節(jié)奏對駕駛狀態(tài)的影響；將來的研究可擴大被試樣本容量,進一步研究更長時間內(nèi)的影響。

[1] 秦偉,朱守林,裴志永,等.草原公路駕駛員時域分析指標與駕駛疲勞灰關(guān)聯(lián)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,33(6):142-145. QIN Wei, ZHU Shoulin, PEI Zhiyong, et al. Gray relation analysis of time domain index and driving fatigue of prairie highway drivers[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(6):142-145.

[2] 馬錦飛.不同音樂條件對駕駛員注意及危險知覺的影響[D].大連:遼寧師范大學(xué), 2014. MA Jinfei.TheInfluenceofDifferentMusicConditionsonDrivers’AttentionandHazardPerception[D]. Dalian: Liaoning Normal University,2014.

[3] 馬錦飛,高遠,邱歡,等.車載音樂對駕駛員情緒狀態(tài)和事故傾向性的影響[J].中國健康心理學(xué)雜志,2014,22(3):379-381. MA Jinfei, GAO Yuan, QIU Huan, et al. The influence of in-vehicle music on mood of drivers and accident proneness while driving[J].ChinaJournalofHealthPsychology,2014,22(3):379-381.

[4] 王暢,郭應(yīng)時,付銳,等.視線離開前方區(qū)域時的駕駛?cè)瞬僮餍袨閇J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,33(3):120-124. WANG Chang, GUO Yingshi, FU Rui, et al. Driver’s operation behavior during eyes off road[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(3):120-124.

[5] UNAL A B, STEG L, EPSTUDE K. The influence of music on mental effort and driving performance[J].AccidentAnalysis&Prevention,2012,48(5): 271-278.

[6] 馮舒,段靚瑜,江朝暉,等.長時間單調(diào)模擬駕駛對疲勞的影響研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2007,17(2):66-71. FENG Shu, DUAN Liangyu, JIANG Zhaohui, et al. Study on the effect of long-duration driving and monotonous environment on drivers′ fatigue based on simulation[J].ChinaSafetyScienceJournal,2007,17(2):66-71.

[7] THIFFAULT P, BERGERON J. Fatigue and individual differences in monotonous simulated driving[J].PersonalityandIndividualDifferences,2003,34(1):159-176.

[8] ADRIAN F, LISA S. Music is as distracting as noise: the differential distraction of background music and noise on the cognitive test performance of introverts and extraverts[J].Ergonomics,2002,45(3):203-217.

[9] 戴翔宇.音樂情感對駕駛員情緒的影響[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2014. DAI Xiangyu.InfluenceofMusicalEmotionontheDriver’sMood[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology,2014.

[10] TING Ping-huang, HWANG Jiun-ren, DOONG Ji-liang, et al. Driver fatigue and highway driving: a simulator study[J].Physiology&Behavior,2008,94(3):448-453.

[11] 吳紹斌,高利,王劉安.基于腦電信號的駕駛疲勞檢測研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2009,29(12):1072-1075. WU Shaobin, GAO Li, WANG Liu’an. Detecting driving fatigue based on electroencephalogram[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology,2009,29(12):1072-1075.

[12] 余靖.歐洲舒緩古典樂提高大學(xué)生注意水平的實驗研究[D].荊州:長江大學(xué),2012. YU Jing.AnExperimentResearchofUsingEuropeanSoothingClassicalMusictoImproveCollegeStudents'AttentionLevels[D].Jingzhou: Yangtze University,2012.

[13] 陳建新,成鑫,陳飛.高速公路駕駛疲勞影響因素分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2010(6):265-268. CHEN Jianxin, CHENG Xin, CHEN Fei. Analysis of influence factors on driving fatigue of highway[J].HighwayandTransportationResearchandDevelopment(ApplicationTechnologyEdition),2010(6):265-268.

Music Rhythm Effect on the Safety of Monotonous Driving on Highway

LU Zhangping1, ZHANG Mingming1, LI Rui1, HE Ren2

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China; 2. School of Automotive & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China)

In order to study the influence of music rhythm on the safety of monotonous driving on highway, 6 drivers were selected to receive 4 groups of actual road driving tests. The corresponding music environments to the 4 group tests in the said experiment contained 4 situations as no-music, slow rhythmic music, moderate rhythmic music, fast rhythmic music. After driving for 8 minutes, the experimenter started playing music and meanwhile recording the driver’s EEG signals. Based on the ratio of EEG power spectrum(α+θ)/βand SMR wave amplitude, its changes were analyzed to research the influence of music on driving safety. The results show that the musical rhythm exert a significant effect on the driver fatigue state and the attention level when the driver is driving monotonously for 80 minutes up to the passive fatigue time limit on highway.

traffic engineering; highway；music rhythm；safety driving; fatigue；EEG

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.23

2015-09-28；

2015-12-09

河北省自然科學(xué)基金項目(E2013202228)；河北省交通運輸廳科技計劃項目(Y-090123；C080213)

盧章平(1958—)，男，江蘇揚州人，教授，博士，主要從事計算機輔助設(shè)計、人機交互理論及應(yīng)用方面的研究。E-mail:lzping@ujs.edu.cn。

張明明(1992—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事交通安全方面的研究。E-mail:1163822667@qq.com。

U491

A

1674-0696(2016)05-115-05