劉 澳 雷宇乾 萬博鋒 胡 鴻教授 易燦南教授

( 湖南工學(xué)院 安全與管理工程學(xué)院，湖南 衡陽 421102)

0 引言

駕駛作業(yè)普遍存在于生產(chǎn)生活中，由于長時間工作，負(fù)荷大、姿勢不當(dāng)以及車輛行駛過程中存在振動等原因，容易造成駕駛員肌肉疲勞累積，從而導(dǎo)致肌肉骨骼損傷(Musculoskeletal Disorders，MSDs)[1]。據(jù)調(diào)查，80%以上汽車駕駛員不同程度存在MSDs[2]。

駕駛員肌肉疲勞研究一直是國內(nèi)外安全科學(xué)、工效學(xué)、交通工程等學(xué)科研究熱點。例如：Zhang等[3]研究駕駛過程中頸肌疲勞與表面肌電信號(Surface Electromyogramphy，sEMG)近似熵之間的關(guān)系，提出疲勞狀態(tài)預(yù)測方法；王玉化等[4]基于sEMG研究草原公路駕駛員腰部肌肉疲勞恢復(fù)特征；包薩日娜等[5]以積分肌電值(Intergrated Electromyogramphy，IEMG)與中值頻率(Median Frequency，MF)為指標(biāo)，研究駕駛員頸部肌肉疲勞發(fā)展；祝榮欣[6]探究頸部斜角肌IEMG、均方根值(Root Mean Square，RMS)、平均功率(Mean Power Frequency，MPF)、MF和樣本熵隨駕駛時間而變化的特征；陳曉靜等[7-8]研究草原公路駕駛員肌肉疲勞發(fā)展情況；王福旺[9]分析長途客車駕駛員疲勞；張鴻[10]通過測量主觀疲勞和光電容積脈搏信號，研究模擬駕駛作業(yè)疲勞情況；王琳[11]和付榮榮等[12]基于sEMG以及其他多模態(tài)生理信號探究駕駛疲勞信息檢測方法?；谖墨I(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有駕駛員肌肉疲勞相關(guān)研究：較多采用sEMG技術(shù)探究駕駛員疲勞發(fā)展情況；研究對象主要聚焦于草原公路小汽車駕駛、農(nóng)用車輛駕駛、高速公路駕駛以及模擬道路駕駛[3-12]；沒有檢索到城市外環(huán)道路駕駛員肌肉疲勞發(fā)展情況。城市外環(huán)道路在城市交通中占據(jù)重要地位，車流量大、車速普遍較快，且由于行人穿行以及較多車輛合入、分流，車況較為復(fù)雜。在這種駕駛環(huán)境下，駕駛員肌肉疲勞發(fā)展特征還屬未知。

基于此，本研究關(guān)注城市外環(huán)道路上駕駛員肌肉疲勞問題，通過測量行車過程駕駛員各肌群肌肉活動特征以及主觀疲勞評分?jǐn)?shù)據(jù)，探究駕駛員肌肉疲勞特性，以期為合理安排駕駛休息時間、提高行車效率、保障行車安全、降低MSDs等方面提供理論支持。

1 實驗組織

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

駕駛員肌肉疲勞累積風(fēng)險高，容易導(dǎo)致MSDs。因此，本實驗的目的是探究駕駛員在城市外環(huán)道路駕駛時的肌肉疲勞風(fēng)險。駕駛員疲勞研究中一般通過sEMG探究局部肌群肌肉疲勞發(fā)展情況，通過主觀評分評價主觀疲勞感覺。為探究駕駛員在城市外環(huán)道路上駕駛時身體各局部肌群的肌肉疲勞發(fā)展情況，基于文獻(xiàn)[3-12]的經(jīng)驗和調(diào)查結(jié)果，確定測量頸部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二頭肌和腰部左右豎脊肌6個肌群。

1.2 實驗方案

在湖南省衡陽市珠暉區(qū)城市外環(huán)線路上進(jìn)行行車實驗，單程約42km，如圖1。公路設(shè)計等級為一級公路，路幅寬約65m，雙向6車道，由于道路限速，行駛過程中車速保持60km/h左右，實驗時間為2h。該路段為該市主要交通干道，是城市道路系統(tǒng)的骨架，聯(lián)結(jié)著城市主要工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)以及商業(yè)區(qū)等，承擔(dān)城市的主要客貨運交通。實驗前課題組對路段進(jìn)行實地調(diào)查，道路的長度、寬度以及車流量等滿足實驗要求，且具有一定代表性。

圖1 研究路段

實驗前，主試1檢查車輛狀況，了解被試狀態(tài)并交代相關(guān)事項，提前查詢被試路段的交通狀況和天氣情況，保證所有被試在天氣晴朗的同一時間段(上午9：00～11：00)進(jìn)行實驗。為減少車內(nèi)環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響，實驗過程中關(guān)閉車載音響、手機(jī)等電子設(shè)備，禁止不必要的交談和搖車窗等動作。被試以個人習(xí)慣自由駕駛，不限制坐姿，駕車路過終點或起點后掉頭行駛直至完成2h駕駛?cè)蝿?wù)。主試1負(fù)責(zé)主觀評分記錄和實驗過程監(jiān)控，主試2負(fù)責(zé)sEMG信號采集和標(biāo)記。

1.3 被試

有償招聘7名駕駛經(jīng)驗豐富的被試參與實驗，平均年齡和駕齡分別為(39.9±8.4)歲、(5.9±1.6)年，見表1。所有被試身體健康狀況良好，無肌肉酸痛、腰部勞損現(xiàn)象，對實驗路段不熟悉，實驗前24h內(nèi)不得飲酒和咖啡，實驗前12h禁止劇烈運動且保證7h以上睡眠。

表1 被試基本信息表

1.4 實驗儀器設(shè)備

(1)實驗車輛：自動擋轎車。

(2)肌電采集設(shè)備：8通道Noraxon無線表面肌電采集系統(tǒng)；醫(yī)用膠帶；固定綁帶；一次性心電電極片(康任CH50RB)；75%醫(yī)用噴式酒精；棉球；筆記本電腦一臺；采樣頻率為2000Hz。

(3)秒表：記錄作業(yè)和休息時間。

(4)高清手機(jī)：拍攝作業(yè)環(huán)境和作業(yè)姿勢。

1.5 實驗過程

(1)實驗準(zhǔn)備。主試1先去除被試頸部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二頭肌和腰部左右豎脊肌總共6個肌群皮膚表面毛發(fā)，再用75%醫(yī)用酒精棉球反復(fù)擦拭，將電極片成對貼于各個肌群肌腹處的皮膚表面(沿肌纖維縱軸方向貼)，每對電極片間隔2cm，電極用繃帶進(jìn)行固定，用醫(yī)用膠帶固定傳感器，并連接好傳感器、記錄儀、電源、電腦等儀器。

(2)實驗過程。當(dāng)被試駕駛車輛進(jìn)入直道且平穩(wěn)行駛時開始計時，主試1每10min詢問一次被試進(jìn)行駕駛疲勞主觀評分(Subjective Ratings of Driving Fatigue，SRDF)[13](見表2)并記錄，同時監(jiān)控實驗過程；主試2實時監(jiān)控sEMG信號并標(biāo)記：每10min標(biāo)記一次，當(dāng)車行駛于彎道、掉頭、遇紅綠燈時也進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)記。實驗結(jié)束后被試基于Borg CR-10量表[14]匯報頸部、腰背、右手和右腿主觀疲勞評分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)。

表2 駕駛疲勞主觀評分

1.6 數(shù)據(jù)處理

實驗總共記錄42組(7位被試×6個肌群)sEMG數(shù)據(jù)，84個(7位被試×12個時刻)SRDF數(shù)據(jù)，28個(7位被試×4個身體部位)RPE數(shù)據(jù)。對sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、整流、濾波(10～500Hz)、平滑和標(biāo)準(zhǔn)化等處理，截取每10min前后10s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(避開彎道、紅綠燈和掉頭)，標(biāo)準(zhǔn)化處理方式為計算每位被試當(dāng)次實驗的最大值并將該值作為標(biāo)準(zhǔn)化的基準(zhǔn)值[15]；參考文獻(xiàn)[16-17]的經(jīng)驗，提取IEMG與MF研究肌肉疲勞發(fā)展；進(jìn)行方差分析以研究不同時刻上SRDF的差異；對實驗結(jié)束后不同身體部位RPE進(jìn)行配對T檢驗以分析不同身體部位RPE評分的差異；對sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析以探究IEMG和MF隨時間而變化的規(guī)律，進(jìn)行回歸分析以獲得MF擬合方程斜率；利用Excel 2019匯總整理數(shù)據(jù)，利用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 主觀評分分析結(jié)果

方差分析結(jié)果顯示不同時刻上SRDF存在顯著差異(p<0.05)，隨著時間的推進(jìn)，SRDF逐漸上升。Duncan分析[18]結(jié)果(見表3)顯示各時刻上SRDF：120min時刻顯著高于10～90min；90min顯著高于10～60min；60min顯著高于10～30min。實驗結(jié)束后頸部、腰背、右腿和右手RPE評分依次為(3.43±0.98)、(5.00±1.73)、(3.86±2.19)和(2.57±0.98)。不同身體部位之間RPE配對T檢驗結(jié)果顯示(見表4)：腰背RPE與頸部和右手RPE存在顯著性差異(p<0.05)；頸部RPE與右手RPE差異亦顯著(p<0.05)；其他差異不顯著(p>0.05)。綜合各部位RPE均值和配對T檢驗結(jié)果，此實驗腰背疲勞明顯。

表3 SRDF的Duncan 分析結(jié)果

表4 實驗結(jié)束后各身體部位RPE配對T檢驗結(jié)果

2.2 sEMG數(shù)據(jù)分析結(jié)果

sEMG分析通常包括時域分析和頻域分析，時域指標(biāo)包括IEMG，平均肌電值(Averaged Electromyogramphy，AEMG)和RMS，頻域指標(biāo)包括MF和MPF。肌肉疲勞研究中通常結(jié)合時域和頻域指標(biāo)進(jìn)行分析，選取時域的1個或多個指標(biāo)評價運動單位動員或肌纖維募集情況，選取頻域的MF或者M(jìn)PF研究功率譜變化情況[3-8，11-12]。本實驗IEMG隨駕駛時間變化趨勢(如圖2)，6個肌群IEMG上升趨勢都不明顯。

圖2 IEMG隨時間變化趨勢

當(dāng)負(fù)荷不大時，常用MF下降率來評估肌肉疲勞發(fā)展情況[19-21]。MF隨時間變化趨勢，如圖3。雖然圖中各肌群MF下降趨勢不是很明顯，但是將10～120min上各肌群MF值進(jìn)行擬合回歸，發(fā)現(xiàn)除左斜角肌和右豎脊肌以外，其他4個肌群MF均出現(xiàn)下降趨勢，見表5。表5中，t為時間，斜率為負(fù)，則表明擬合方程具有下降趨勢，功率譜左移，肌群疲勞累積較為明顯。

圖3 MF隨時間變化趨勢

表5 擬合方程

3 討論

本實驗通過記錄駕駛過程sEMG和主觀評分?jǐn)?shù)據(jù)，探究城市外環(huán)道路駕駛過程中肌肉疲勞發(fā)展情況。本實驗中(見表3)：0～50min為駕駛員“沒有不舒適”駕駛階段；51～90min為“有些不舒適”階段；100min左右由于疲勞，開始“不舒適”；100～120min皆為“不舒適”。王琳[11]實驗基于SOFI-25(Swedish Occupational Fatigue Inventory-25)獲得120min駕駛?cè)蝿?wù)中主觀評分，將本實驗和王琳[11]實驗中所獲得主觀評分進(jìn)行比較(如圖4)。雖然2個實驗中所用量表不一致，但均為10分制量表，所以對其進(jìn)行對比以探究疲勞發(fā)展過程。2個實驗時長均為120min且均誘發(fā)駕駛疲勞：舒適駕駛時間，王琳[11]實驗中為0～60min，本實驗為0～50min；疲勞開始時間，王琳[11]實驗出現(xiàn)在90min，本實驗出現(xiàn)在90～100min之間(見表3)。這說明2個實驗的駕駛舒適時間和疲勞出現(xiàn)時間具有較好的一致性。2個實驗疲勞評分在80min左右出現(xiàn)交叉(如圖4)：80min之前，本實驗評分高于王琳[11]實驗；80min后，本實驗評分稍低于王琳[11]實驗。這可能是由真實和模擬駕駛環(huán)境下駕駛員心理負(fù)荷差異所致：行車實驗中駕駛員需要一直關(guān)注路況并且實現(xiàn)安全駕駛，初始行車過程駕駛員心理負(fù)荷大于模擬駕駛實驗環(huán)境，因而造成疲勞評分相對較高；在實驗后期，單調(diào)的模擬駕駛實驗環(huán)境導(dǎo)致心理負(fù)荷相對較大，從而導(dǎo)致該環(huán)境下駕駛作業(yè)評分相對較高。本實驗中駕駛員疲勞出現(xiàn)時間與付榮榮等[12]以及于曉東[22]的研究結(jié)果也一致。

圖4 主觀評分隨時間而變化

120min駕駛實驗后：腰背肌肉疲勞明顯(5.00±1.73)，達(dá)到“強(qiáng)烈”等級；頸部(3.43±0.98)和右腿部(3.86±2.19)次之，屬于“中等”；右手最弱(2.57±0.98)，僅為“輕微”級別。腰背肌肉疲勞“強(qiáng)烈”，這與駕駛中久坐有關(guān)，但表5中僅左豎脊肌出現(xiàn)疲勞，這可能與駕駛中駕駛員右腳需要進(jìn)行加速與減速所致，右腳運動過程帶動右豎脊肌而緩解了久坐疲勞。當(dāng)然這也可能是由于腰背部疲勞肌群可能為腰背部其他肌群如背闊肌所致，實驗中為了防止豎脊肌處電極片受壓而引起數(shù)據(jù)變化，在被試腋窩下方放置一U型枕以使被試貼放電極片處不必緊貼座椅且保持駕駛舒適，可能U型枕的放置使得背闊肌受力增強(qiáng)，豎脊肌疲勞累積減緩。頸部疲勞的原因可能是由于路況比較復(fù)雜，駕駛員需要頻繁觀察反光鏡所致，表5數(shù)據(jù)顯示右斜角肌出現(xiàn)疲勞，這與駕駛中需要較多觀察右邊路況而進(jìn)行相關(guān)操作的情況一致。右手RPE評分較低，但表5數(shù)據(jù)顯示右肱二頭肌出現(xiàn)疲勞，這可能與肱二頭肌較多參與日?；顒樱m然產(chǎn)生疲勞，但人的主觀感覺并不明顯。實驗中所有肌群IEMG上升趨勢不明顯，可能是由于實驗設(shè)計有關(guān)，為使實驗條件與真實行車盡可能一致，并不限制坐姿，而且所有被試在行車駕駛中，特別在90min后，都存在調(diào)整坐姿、四肢伸展等動作，可能就是這些原因共同導(dǎo)致IEMG上升趨勢不明顯、MF下降率不大。

4 結(jié)論

(1)城市外環(huán)道路駕駛中，駕駛員肌肉疲勞明顯，且隨時間逐漸增強(qiáng)。駕駛結(jié)束后，腰背RPE達(dá)到“強(qiáng)烈”，要重點關(guān)注這個部位的肌肉疲勞累積問題，建議休息時要加強(qiáng)腰背的運動，以緩解肌肉疲勞。

(2)0～50min駕駛員“沒有不舒適”駕駛，90～100min駕駛員出現(xiàn)疲勞，建議在90min后采取一些干預(yù)措施，緩解疲勞累積。

(3)本研究存在以下缺陷。首先，僅招募到7名被試，sEMG數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)可能就是由于被試數(shù)量較少導(dǎo)致。其次，腋窩下方放置U型枕導(dǎo)致腰背受力發(fā)生變化，但由于沒有采集姿勢數(shù)據(jù)，所以無法對腰背具體受力情況進(jìn)行分析。在后期實驗中，將調(diào)整相關(guān)實驗條件，進(jìn)行進(jìn)一步研究。