朱守林， 嚴杰， 李航天， 解松芳

(內蒙古農業(yè)大學能源與交通工程學院， 呼和浩特 010018)

公路交通是一個由人、車、路和環(huán)境所組成的復雜的人機環(huán)境系統(tǒng)，其中，人是構成該系統(tǒng)的核心要素。據(jù)國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫顯示，2019年全國汽車交通事故量高達近16萬起，造成的經濟損失更是高達11億人民幣[1]。相關統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由駕駛疲勞原因引發(fā)的交通事故量約占40%[2]。為降低因駕駛疲勞引起的交通事故量，在加強監(jiān)管和安全教育、優(yōu)化人機交互界面等基礎上，采用科學的調節(jié)方式更能有效地見降低駕駛疲勞對行車安全的影響。疲勞恢復是指駕駛員的機能和能源物質經過調整后，由行車后的暫時下降狀態(tài)回到或超過行車前的狀態(tài)[3]。其主要表現(xiàn)為外表征兆、思維、判斷能力、駕駛操作靈活性和肌肉疲勞的改善。與其他類型的道路相比，草原地區(qū)連接城鎮(zhèn)之間的道路大多距離較長，且路邊景觀環(huán)境簡單[4]。因此，駕駛員在草原公路上行車更易疲勞，尤其是精神疲勞，長時間處于疲勞狀態(tài)會導致疲勞累積，輕則影響身心健康，重則危害行車安全。為保障該地區(qū)駕駛員的出行效率，同時降低因疲勞駕駛引起的交通事故造成的經濟損失，科學調節(jié)方式的探索顯得尤其重要。

心率變異性(heart rate variability，HRV)代表心跳RR間期心電信號波形中相鄰兩個R波之間的時間間隔時間值的漲落，能有效評估負荷中心臟交感神經與迷走神經的張力和平衡性[5]。研究表明，根據(jù)HRV能夠有效評價駕駛員的整體心理負荷與疲勞狀態(tài)[6]。尚宇等[7]利用BP(back propagation)神經網(wǎng)絡算法對心理壓力相關的HRV特征值分析后提出了一種改進的粒子群優(yōu)化算法，該算法能有效識別人的心理壓力狀態(tài)。唐興亮[8]通過不同疲勞狀態(tài)下心電的標準差、低高頻均衡比、近似熵等參數(shù)以及肌電的相關參數(shù)，構建了運動疲勞識別模型的生物電特征。目前，國內外的相關研究主要關注于運動性疲勞和恢復，駕駛疲勞恢復的研究還沒有引起足夠重視。Wang等[9]發(fā)現(xiàn)穴位電刺激比自然恢復和非穴位電刺激具有更好的恢復效果。畢學翠等[10]通過對比高強間歇運動后軟體高壓氧艙恢復和傳統(tǒng)恢復各項心生理指標的變化，分析軟體高壓氧艙恢復效果。王玉化等[11]發(fā)現(xiàn)休息時駕駛員的心電指標隨著恢復時間的延長呈現(xiàn)為線性相關。

綜上所述，國內外學者雖在心率變異性、疲勞程度和駕駛疲勞恢復等方面有所研究，但未考慮到疲勞恢復過程中不同調節(jié)方式對駕駛員情緒狀態(tài)和心理水平的影響，且忽略了調節(jié)方式的普遍適用性。鑒于此，科學的設定了長時程駕駛，并記錄停車后不同調節(jié)方式下駕駛員HRV指標變化，探索不同調節(jié)方式對駕駛員疲勞恢復程度的影響。為合理安排駕駛休息時間、保障行車安全、降低交通事故經濟損失和提高草原地區(qū)駕駛員的出行效率提供了理論指導，為該地區(qū)交通運輸安全相關法律法規(guī)的完善拓寬了思路。

1 實驗方案設計

1.1 模擬駕駛和試驗路段

為排除其他因素對試驗的干擾，有效地控制實驗條件，使得實驗數(shù)據(jù)具有可比性，本次試驗采用室內模擬駕駛?？刂葡到y(tǒng)、車輛系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成了駕駛模擬器。其中，控制系統(tǒng)主要由2臺計算機和8臺顯示器組成，實現(xiàn)信息交互協(xié)同；車輛系統(tǒng)是由比亞迪F3真實車輛改造而成，可實現(xiàn)模擬上下坡和顛簸路況；顯示系統(tǒng)投影裝置和屏幕組成，可為駕駛員提供虛擬3D道路交通場景。

通過對內蒙古自治區(qū)東、中、西部地區(qū)中的一級、二級和三級草原道路的設計文獻查閱和實際調查，最終草原公路場景的制作選擇依據(jù)錫林浩特市境內的省S101賽罕塔拉—滿都拉圖段，該公路等級為二級，設計車速為80 km/h。本實驗依據(jù)該路段的道路設計參數(shù)和對路側及路域景觀的實地拍攝來進行公路場景的制作，力求接近真實道路環(huán)境。

1.2 研究對象

相關研究表明[12]，疲勞駕駛交通事故調查中男性駕駛員事故率高達98.06%；抽樣調查中的計算樣本量公式為

N≥(Zσ/E)2

(1)

式(1)中：N為樣本量；Z為標準正態(tài)分布統(tǒng)計量；σ為標準偏差；E為最大容許誤差。當置信度為90%時，Z=1.25，考慮試驗人數(shù)的限制，取σ=0.35，E=10%；計算所需最小樣本量為19。

綜上考慮，招募了20名擁有法定駕照、年齡在24～50歲、駕齡在3年以上的男性駕駛員。所有駕駛員試驗前需簽訂描述試驗要求的知情同意書，并且進行30 min以上的模擬駕駛適應性訓練，確認無不良反應。同時確定駕駛員實驗前沒有飲酒、喝咖啡及功能飲料，沒有服用對心臟、精神有刺激的藥物，無劇烈運動。

1.3 休息時間和方式的選擇

通過對內蒙古錫林浩特市境內的省道S101公路上的100名機動車駕駛員的休息時間、調節(jié)方式等信息進行了問卷調查，發(fā)現(xiàn)駕駛員經過長時程行車后選擇的休息時間主要集中在30 min之內，休息方式主要是車外自由活動和車內音樂調節(jié)休息。其中，關于音樂的種類，最終選取問卷上最受歡迎的6首舒緩、流行音樂作為實驗音樂。

1.4 實驗過程

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》中的第六十二條明確規(guī)定[13]，司機連續(xù)駕駛機動車的時間不得超過4 h。結合草原地區(qū)長距離出行的特點，本次實驗研究駕駛員連續(xù)行車4 h后疲勞恢復過程中的HRV變化。將20位駕駛員隨機均分為兩組，所有駕駛員模擬駕駛前均需填寫主觀調查問卷；上車后調節(jié)座椅，靜坐5 min；之后進行4 h的模擬駕駛試驗，車速要求控制在80 km/h左右。駕駛結束后，連接設備，休息時間為30 min，第一組駕駛員安排以車外自由活動方式休息，休息期間盡能放松，同時進行HRV數(shù)據(jù)采集；第二組駕駛員安排以車內聽音樂的方式休息，休息期間可調整座椅，盡可能放松，同時進行數(shù)據(jù)采集。試驗結束后要求駕駛員再次填寫主觀問卷調查。

2 結果分析

2.1 基于配對樣本T檢驗和主成分分析的疲勞恢復敏感指標選取

配對樣本T檢驗，可用于檢驗被試組在不同條件下是否存在顯著差異。該方法不僅可以檢驗出音樂調節(jié)休息和車外自由活動調節(jié)方式對駕駛疲勞恢復是否存在顯著性差異，而且可以對疲勞敏感的HRV指標進行篩選。主成分分析方法可從實測的原始變量導出少數(shù)主成分，不僅使它們盡可能保留原始變量信息，并且彼此互不相關。因此可以通過主成分分析方法實現(xiàn)降維的目的。利用SPSS20統(tǒng)計分析軟件對HRV指標群進行配對樣本T檢驗，結果如表1和表2所示。

通過SPSS20軟件分析，分別對兩種調節(jié)方式下的HRV各指標進行正態(tài)性檢驗，由于樣本量較小，選擇S-W結果為準，由表1可知，除RR間期的標準差(SDNN)和相鄰RR間期差值的均方根(RMSSD)外其他各指標的Sig.(雙側)>0.05，因此，音樂調節(jié)休息與車外自由活動調節(jié)方式下的相鄰RR間期的均值(MEAN)、相鄰RR間期差值大于50 ms的個數(shù)與總RR間期個數(shù)之比(PNN50)、低頻(LF)、高頻(HF)、低頻高頻均衡比(LF/HF)、近似熵(ApEn)、樣本熵(SampEn)和關聯(lián)維度(D2)指標均符合正態(tài)分布，可以進行配對樣本T檢驗。通過對上述8個指標進行配對樣本T檢驗，由表2可知，MEAN、HF、LF/HF、ApEn和SampEn指標的Sig.(雙側)<0.05，即存在顯著性差異，即在車外自由活動和音樂調節(jié)休息兩種調節(jié)方式下的上述5個指標存在顯著性差異。

表1 HRV指標正態(tài)性檢驗Table 1 Normality test of HRV index

利用SPSS20統(tǒng)計分析軟件對MEAN、HF、LF/HF、ApEn和SampEn指標進行主成分分析，結果如表3和表4所示。

表3 HRV指標總方差累計貢獻率Table 3 Cumulative contribution rate of total variance of HRV indicator

表4 HRV指標成分矩陣表Table 4 HRV index component matrix table

表2 HRV指標配對樣本T檢驗Table 2 paired-samples T test of HRV indicator

由表3可知，經主成分分析后HRV指標只有一個主成分，方差貢獻率達58.864%，即大部分信息被包括。同時由表4可知，除HF指標外其他指標成分矩陣特征值的絕對值均大于0.5，即MEAN、LF/HF、ApEn和SampEn在該主成分上有較高荷載。ApEn可通過較短的數(shù)據(jù)就能得到較穩(wěn)定的估計值，但所需數(shù)據(jù)點一般是1 000點左右，本次實驗數(shù)據(jù)點較少。同時，與ApEn相比，SampEn具有兩個優(yōu)勢：樣本熵的計算不依賴于數(shù)據(jù)長度；樣本熵具有更好的一致性[14]。為了全面描述兩種調節(jié)方式下駕駛員疲勞恢復過程中的HRV變化特征，上述指標經篩選后時域指標、頻域指標和非線性動力學指標應分別至少包含一個。綜上考慮，選取 MEAN、LF/HF和SampEn指標作為表征駕駛員長時程疲勞恢復的HRV敏感指標。

2.2 各敏感指標隨時間變化趨勢分析

時域指標MEAN表達了相鄰RR間期的平均值，其值大小能有效反映心率變異的平均水平。有研究表明[15]，駕駛員在行車過程中的RR間期均值小于靜息狀態(tài)，即MEAN指標越低，精神壓力越大，駕駛員越疲勞。頻域指標LF/H能有效反映心臟交感神經和迷走神經對心率調節(jié)的平衡狀態(tài)。相關研究表明[16]，隨著模擬駕駛時間的延長，LF/HF指標逐漸上升，駕駛員的神經緊張性加強，同時迷走神經興奮降低，因此LF/HF指標越大，駕駛員越疲勞。非線性動力學指標SampEn表征HRV序列的復雜程度。實驗證明[17]，隨著駕駛時間的增加，樣本熵曲線呈下降趨勢，表明駕駛疲勞程度隨著駕駛時間的延長逐漸加深，駕駛員心臟調節(jié)的能力降低，HRV序列的復雜度在駕駛過程中降低，同時自身調控變能力逐漸減弱，對外界環(huán)境變化的適應能力也隨之降低。通過Origin2019軟件繪制出疲勞恢復階段MEAN、LF/HF和SampEn指標隨時間的變化，如圖1～圖3所示。

由圖1可見，在兩種不同的調節(jié)方式下，MEAN指標在770～850范圍內波動，整體上呈現(xiàn)出先下降后波動上升的總體趨勢，同時總體可大致分為三個階段。第一階段(0～5 min)，指標呈下降趨勢，說明駕駛員在兩種調節(jié)方式下心理負擔加重，疲勞程度加重。其原因如下：駕駛員經過長時程的行車后身心疲憊，亟須安靜休息，而車外環(huán)境或車載音樂導致駕駛員精神壓力增大。第二階段(5～16 min)，指標呈現(xiàn)穩(wěn)定增長狀態(tài)，說明駕駛員已經適應駕駛后的環(huán)境變化，駕駛員心理負擔和精神壓力逐漸減小，疲勞程度逐漸緩解。第三階段(16～30 min)，音樂調節(jié)休息方式下的指標呈現(xiàn)波動上升趨勢，說明駕駛員的精神壓力進一步減小，HRV活性得到進一步提高，疲勞程度得到進一步恢復；車外自由活動方式下的指標呈現(xiàn)緩慢向上波動狀態(tài)，說明該調節(jié)方式對駕駛員的精神壓力緩解效果開始減弱。休息時間從5 min左右后，音樂調節(jié)休息方式下MEAN指標值較大，故駕駛員在該調節(jié)方式下的精神狀態(tài)更好。

圖1 MEAN隨時間變化規(guī)律Fig.1 Changes of mean over time

圖2 LF/HF指標隨時間變化規(guī)律Fig.2 Changes of LF/HF index over time

圖3 SampEn指標隨時間變化規(guī)律Fig.3 Changes of SampEn index over time

由圖2可知，疲勞恢復階段LF/HF指標在1.25～3.5范圍內波動，整體呈現(xiàn)為先上升后逐漸下降的總體趨勢。音樂調節(jié)休息方式下(0～8 min)，指標呈現(xiàn)上升趨勢，車外自由活動方式下(0～12 min)，指標呈現(xiàn)劇烈波動上升趨勢，即停車后駕駛員交感神經持續(xù)興奮，同時迷走神經興奮降低，因此LF/HF不平衡性增加。其原因如下，駕駛員駕駛結束后處于極度疲勞狀態(tài)，此時的車外環(huán)境和車內音樂環(huán)境導致駕駛員的精神負荷沒有減輕，在適應新環(huán)境過程中駕駛員付出了更大的精力，導致交感神經活性增大。音樂調節(jié)休息方式下(8～30 min)，車外自由活動方式下(12～22 min)，LF/HF指標呈現(xiàn)劇烈波動下降趨勢，說明駕駛員已經適應了環(huán)境的變化，代謝降低，交感神經張力逐漸減少，迷走神經持續(xù)占優(yōu)勢，LF/HF指標逐漸降低，駕駛員疲勞程度得到一定的緩解。車外自由活動方式下(22～30 min)，LF/HF指標呈現(xiàn)上升趨勢，說明交感神經性增大，車外自由活動方式開始阻礙疲勞恢復。整個恢復過程中，LF/HF指標始終大于1，因此駕駛員在疲勞恢復階段過程中交感神經占優(yōu)勢，并逐漸向兩者平衡狀態(tài)轉移。休息時間從9 min左右后，音樂調節(jié)休息方式下LF/HF指標值較小，故駕駛員在該調節(jié)方式下的疲勞程度恢復較好。

由圖3顯示，在兩種不同的調節(jié)方式下，非線性動力指標SampEn值在1.2～1.7范圍內波動，整體上亦呈現(xiàn)出先下降后劇烈波動上升的趨勢，總體亦可分為三個階段。第一階段音樂調節(jié)休息方式下(0～6 min)，指標呈現(xiàn)下降趨勢，車外自由活動方式下(0～10 min)，指標呈現(xiàn)劇烈波動下降趨勢，表明駕駛員在極度疲勞狀態(tài)下適應車外或音樂環(huán)境HRV序列的復雜度降低，自身調控能力減弱；第二階段，音樂調節(jié)休息方式下(6～20 min)，車外自由活動方式下(10～22 min)，指標呈現(xiàn)平緩波動上升趨勢，說明駕駛員在兩種不同調節(jié)方式下得到了不同程度的恢復，心臟交感神經系統(tǒng)與迷走神經系統(tǒng)相互調節(jié)能力提高，適應外界環(huán)境變化的能力逐漸增強。第三階段，音樂調節(jié)休息方式下(20～30 min)，車外自由活動方式下(22～30 min)，指標呈現(xiàn)劇烈波動上下波動狀態(tài)，表明駕駛員的心臟調控能力與外界環(huán)境的適應能力處于波動狀態(tài)。休息時間從5 min左右后，音樂調節(jié)休息方式下樣本熵值較大，故駕駛員在該調節(jié)方式下的疲勞程度恢復較好。

2.3 基于主觀調查問卷的疲勞程度驗證

經過對所有駕駛員疲勞主觀評價調查問卷的統(tǒng)計分析，由圖4可知，95%駕駛員認為經過長時程的模擬駕駛由駕駛前的輕松狀態(tài)達到了駕駛后筋疲力盡狀態(tài)，經過30 min的疲勞恢復，兩種調節(jié)方式下駕駛員的疲勞狀態(tài)得到了不同程度的恢復，但是都沒有完全恢復到駕駛前的輕松狀態(tài)。30 min休息后，在音樂調節(jié)休息方式后，80%的駕駛員最終主觀疲勞程度達到了無影響；但在車外自由活動調節(jié)方式后，僅有40%的駕駛員最終主觀疲勞程度達到了無影響。由此可見，經過30 min的休息時間，音樂調節(jié)休息方式整體上優(yōu)于車外自由活動，該主觀分析結果與試驗結果基本吻合。

圖4 調查問卷統(tǒng)計圖Fig.4 Questionnaire statistics chart

2.4 結果與討論

經過音樂調節(jié)休息或車外自由活動方式調節(jié)后，HRV指標客觀顯示，駕駛疲勞恢復程度主要經過三個階段。第一階段，疲勞程度加重，時域指標MEAN在0～5 min處于下降趨勢，頻域指標LF/HF在0～10 min處于上升趨勢，非線性動力學指標SampEn在0～8 min處于下降趨勢。第二階段，疲勞程度迅速恢復，MEAN指標主要表現(xiàn)在5～16 min內上升，LF/HF指標主要表現(xiàn)在10～22 min，SampEn指標表現(xiàn)在8～20 min左右內上升。第三階段，疲勞恢復程度各指標表現(xiàn)不一，MEAN指標在16～30 min表現(xiàn)為上升，表明心理疲勞程度得到緩解；LF/HF指標在22～30 min內，音樂調節(jié)休息方式下波動下降趨勢，車外自由活動方式下有上升趨勢；SampEn指標在20～30 min內處于上下波動狀態(tài)。

研究成果部分驗證了音樂調節(jié)和車外自由活動能調節(jié)駕駛疲勞；同時長時間的音樂調節(jié)對駕駛疲勞恢復有抑制作用。

主觀調查問卷顯示，經過長時程的模擬駕駛，駕駛員處于筋疲力盡或非常疲勞狀態(tài)，車外自由活動或車內音樂調節(jié)休息雖能調節(jié)心緒、改善情緒，但在短時間內會吸引駕駛員的注意力，導致駕駛員會付出更大的精力，因此不建議駕駛員長時程駕駛后立刻采用聽音樂或下車活動調節(jié)方式，車內安靜的休息更適合駕駛員。調節(jié)時間近22 min時，駕駛員的逐漸熟悉新的輕松環(huán)境，精神壓力疲勞程度得到迅速的恢復，HRV指標顯示，音樂調節(jié)休息下駕駛員的整體精神狀態(tài)較好，建議休息時間在20 min左右時駕駛員選擇音樂調節(jié)休息方式。調節(jié)時間大約在22 min以后，時域指標依舊上升，頻域指標和非線性動力學開始出現(xiàn)劇烈波動，可能是因為恢復過程中的調節(jié)方式過于單一，疲勞恢復效果開始減弱，因此建議駕駛員采用單一的調節(jié)方式時間不宜過長，且宜采用多種方式組合來調節(jié)駕駛疲勞。

駕駛疲勞恢復的研究是一個極其復雜的過程，由于試驗條件的限制，探索了兩種常用的方法對駕駛疲勞恢復的影響過程，下一步研究應關注組合調節(jié)方法對駕駛疲勞恢復影響。

3 結論

通過開展草原公路長時程模擬駕駛后駕駛員的疲勞恢復實驗，研究了車外自由活動和音樂調節(jié)休息方式對駕駛員疲勞恢復的影響，通過對HRV指標和主觀問卷調查分析，得到如下結論。

(1)疲勞恢復過程中兩種調節(jié)方式下，駕駛員的疲勞程度表現(xiàn)為先加重再迅速恢復后波動的現(xiàn)象。

(2)長距離駕駛后，不建議駕駛員立刻采用聽音樂或下車活動方式調節(jié)疲勞，車內安靜休息更適合駕駛員。

(3)休息時間在20 min左右時，相比較車外自由活動，建議駕駛員采用音樂調節(jié)休息方式；休息時間超過20 min，駕駛員應采取多種方式調節(jié)駕駛疲勞。