驾驶人公路驾车过程中主要生理参数变化规律研究

胡立伟,林玉珍

(昆明理工大学 交通工程学院,昆明 650500)

驾驶人公路驾车过程中主要生理参数变化规律研究

胡立伟*,林玉珍

(昆明理工大学 交通工程学院,昆明 650500)

为了探究驾驶人在不同等级公路上驾车过程中生理心理指标变化情况,本文利用 Nexus-10 多通道生物生理记录仪,对驾驶人在 4 类等级公路上进行了实车动态测试实验.通过对实验采集的生理特性指标(脑电图、心率、血容量、呼吸等)数据深入分析,得到不同类驾驶人在不同等级公路上驾车过程中的主要生理特性指标动态变化规律,并对规律的差异性及其中的峰值产生原因进行了深入分析.本文实验过程与方法及其分析结论可为公路线形设计、交通设施设计设置、交通环境治理等提供实验依据,为公路交通管理与控制等提供实验与理论参考.

公路运输;生理指标;驾驶人;脑电图;心率;血容量;呼吸

1 引 言

上世纪 90 年代初,我国道路交通领域的学者就以道路参与者的交通需求与生理心理反应特性作为道路线形设计的理论基础.郑柯[1]用动态心电仪、呼吸仪及皮电仪研究了驾驶人的心率、呼吸等生理指标与高等级公路线形之间的联系,并得到驾驶人心率指标变化与车速、公路曲线半径间的回归模型.闫莹[2]研究了公路长大下坡对驾驶人心率的影响,得到心率指标与行车速度、线形指标间的回归模型.乔建刚[3]研究了呼吸率、心率等生理指标与山区公路线形的关系,分析了呼吸率、心率等生理指标与公路的坡度、坡长、车速等之间的联系.唐登科[4]研究了在不同等级公路上,以不同车速行驶时,驾驶人生理变化规律,得出心率与平曲线半径的关系,并得出公路纵坡、平曲线半径的组合指标与车速、心率指标线性相关.张祖怀[5]分析了驾驶疲劳形成过程的心率、呼吸率、肌电等生理指标的变化规律,提出了基于驾驶人生理信号的驾驶疲劳研究方法.潘晓东[6]通过测试驾驶人驾驶过程中的血压、心率等生理指标数据,得出了山区公路曲线半径与驾驶人生理变化规律的关系.

国外道路交通专家在驾驶人生理方面的研究起步较早,取得了许多有益的研究成果,对目前国内在该领域的研究具有一定的参考价值.Peter Richter、Thomas Wagner 等[7]研究了乡村公路上驾驶人生理负荷,建立了皮电、心率等生理指标与公路曲率变化率间的关系模型.Furuichi、 Tomoki等[8]测量了驾驶人在“S”形公路上不同行车速度的心率等生理指标,研究“S”形公路对驾驶人生理产生的影响.Bong -Jo Chung[9]利用脑电图研究不同公路线形与驾驶疲劳的关系,并分析了公路匝道进出口驾驶人生理紧张状况.Ashley Craig 等[10]利用眼动、肌电和脑电等生理指标研究了驾驶疲劳,并采用问卷调查比较了驾驶疲劳产生前后的驾驶人生理指标的变化情况.Sibsambhu Kar 等[11]通过采集四种脑电波( α波、 β 波、θ波、δ波 ),分析了四种脑电波的熵值,据此对驾驶人驾驶疲劳程度进行了评估.

本文运用 Nexus-10 多通道生物生理记录仪,遴选了不同年龄、性别、驾龄及教育程度的驾驶人,采集在不同等级公路上驾驶过程中的脑电图、心率、血容量、呼吸等生理信号,分析了驾驶人驾车过程中脑电图、心率、、血容量、呼吸等生理指标数据在不同等级公路或不同公路交通设施环境下的动态变化规律.

2 实验路线选择

实验路线选取了包括高速公路、一级公路、二级公路及三级公路四类公路类型.通过实地考察选择的实验路线如表1所示.

表1 实验路线Table1 Experimental route

3 驾驶人脑电图(EEG)变化规律分析

对四类脑电波形研究发现:α波的出现表明驾驶人对外界信息刺激不敏感,反应较为迟钝;β 波的出现意味着驾驶人处于兴奋或清醒状态;驾驶人在放松情况下,θ波的出现频率将大幅增加,δ波的出现频率也明显增多(由于这两类波规律相近,本文分析时选择 θ波),这两种波形能够反映驾驶人操作、判断及接收处理公路交通信息能力.对测试对象1 个小时内采集的脑电图(EEG)数据,按 3 min 间隔求取均值,分析驾驶人的 α 波、β 波、θ波(简称三类脑电波)动态变异系数.对所采集的数据进行降噪处理,通过傅里叶变换得到每个时间间隔的 α 波、β 波、θ波功率及出现的概率,得到其均值与标准差如表2所示.

傅里叶变换基本原理:若f(t)为定义在(- ∞ ,+ ∞ )上的函数,且f(t)在任何一个有限区间上满足狄利克雷条件,(f(t) 在 (- ∞ ,+ ∞ )上一定可以积分,即的傅里叶变换收敛),可得到

傅里叶变换与逆变换:若函数 f(t) 满足傅里叶积分定理条件,称式为 f(t) 的傅里叶变换,式F(ω) 的逆变换.

表2 三类脑电波各时段出现频率均值与标准差Table2 The mean and standard deviation of occurrence probability of α,β,θ

根据三类典型脑电波各时段出现频率的均值与标准差,计算得其变异系数,如表3 所示.α 波、β波、θ波出现率及其变异系数随时间变化规律如图1、图2 所示.

表3 三类脑电波的变异系数Table3 The coefficient of variation of α,β,θ

图1 脑电波出现率的变化规律Fig.1 The variation law of occurrence probability of α,β,θ

图2 脑电波变异系数的变化规律Fig.2 The variation law of coefficient of variation of α,β,θ

研究发现,在公路驾车过程中 α 波、θ波随驾驶人接收到交通信息量逐渐积累,它们出现频率呈上升趋势,而 β 波出现频率呈下降趋势,说明随着外界交通信息量增加,α 波、θ波出现的更加频繁,而 β波的出现的频率有所减少,尤其在交通设施多、给驾驶人造成信息过载影响的路段更是如此,这反映了驾驶人对公路交通设施传递信息量过多的地方存在接收分析处理能力下降的问题.图1、图2中的峰值体现了公路交通环境复杂、交通设施传递的信息过大给驾驶人脑电图造成的影响.

4 驾驶人心率(HR)变化规律分析

研究发现,成年人在一般情况下静态心率均值为 70 次 /min 左右( 心率范围一般为 60 ～ 100次 /min).心率会随着性别、年龄及其它生理因素等呈现个体性差异,如初生的婴儿心率普遍较快,可达到 130 次 /min 左右;成年的女性心率一般要比成年的男性稍快;人在睡眠或者安静的状态下心率会有所减慢;在情绪激动或运动的状态下心率会加快;心率还会受到药物等作用的影响发生变化;经常进行体力劳动或体育锻炼的人心率普遍会较慢.

通过对被测试对象在不同等级公路上驾驶1小时的心率指标数据,按照 2 min 为一个间隔进行分析,得到 HR 均值分布如图3 所示,对驾驶人的心率值进行分析得到表4.

表4 不同等级公路上被试驾驶人 HR 分析Table4 Data analysis of drivers’ HR on the different levels highway

从上述被测试对象的心率指标数据分析中可得到驾驶人在不同等级公路其心率变化规律的明显差异,在高速公路上心率变化规律总体较为平稳,波动性不大,其均值为 72.755 次 /min,方差为22.744;二级公路上驾驶人心率波动最大,其均值达到 87.516 次 /min,方差达到 435.370.可以得到二级公路为我国主要的公路形式之一,在各类等级公路中所占比例较高,而且车流量大、车速普遍偏高,二级公路多为平面交叉路口、交通设施较为匮乏,这样的公路条件导致驾驶人始终处于紧张状态,尤其缺乏对车辆进出的控制,更容易导致驾驶人心率的突变.虽然三级公路交通设施也较少,但由于车流量小、车速普遍偏低,驾驶环境较为简单,从而心率变化规律较二级公路稳定.

图3 不同等级公路上 HR变化规律Fig.3 The variation law of drivers'HR on the different levels highway

5 驾驶人血容量(BVP)变化规律分析

血容量(BVP)指人体有效循环血量,BVP 可反映人的血压与心率的变化情况,因此 BVP 指标数据能够反映驾驶人的生理变化情况,也可用BVP 的变化规律验证 HR 的变化分析结论.通过对被测试对象在不同等级公路上驾驶1小时的BVP 指标数据,按照 2 min 为一个间隔进行分析,得到 BVP 均值分布如图4 所示,对驾驶人的血容量变化规律统计分析得到表5.由于 BVP 与 HR对驾驶人生理指标规律的反映具有等效特征,此处不再做详细分析.

图4 不同等级公路上 BVP 变化规律Fig.4 The variation law of drivers'BVP on the different levels highway

表5 不同等级公路上被试驾驶人 BVP 分析Table5 Data analysis of drivers’ BVP on the different levels highway

6 驾驶人呼吸(RSP)变化规律分析

对驾驶人在不同等级公路上测得的 RSP 一小时数据,按照 2min 为一个间隔进行分析,得到 RSP的均值如图5,对 RSP 变化规律进行数据统计分析得到表6.

表6 不同等级公路上被试驾驶人 RSP 分析Table6 Data analysis of drivers’ RSP on the different levels highway

从分析的数据结果中可知,驾驶人在不同等级公路上驾车时,RSP 呈梯度分布,驾驶人在 4 类等级公路上驾车时 RSP 均值(见表6)上下轻微波动,RSP 变化规律能表征驾驶人的紧张与兴奋程度.从数据分析可知,由于高等级公路设施完善、环境优越、所提供的信息量较大,容易引起驾驶人紧张或兴奋,而低等级公路(尤其是三级公路)交通环境较为简单、设施匮乏,很难引起驾驶人的紧张或兴奋.

图5 不同等级公路上 RSP 变化规律Fig.5 The variation law of drivers'RSP on the different levels highway

7 研究结论

通过对驾驶人在不同等级公路上驾驶过程中的生理指标测试实验,针对不同类驾驶人的脑电图(EEG)、心率(HR)、血容量(BVP)、呼吸(RSP)等主要生理指标在不同等级公路上动态变化规律进行了深入探讨与分析.本文可为公路线形设计、交通设施设计设置、交通环境治理等提供基础实验依据,为公路交通管理与控制等提供理论参考.

[1] 郑柯.基于驾驶人心理生理反应的高速公路线形研究[D]. 北京:北京工业大学,2003:36-54.[ZHEN K.Freeway alignment research based on driver's psychological and physiological reaction[D].Beijing University of Technology,2003:36-54.]

[2] 闫莹.公路长大下坡路段线形指标对驾驶人心理生理影响的研究[D]. 西安:长安大学,2006:26-32. [YAN Y.Research on highway downhill section alignment index influence on the psychological and physiological drivers[D].Chang'an University,2006: 26-32.]

[3] 乔建刚.基于驾驶人因素的山区双车道公路关键参数研究 [D]. 北 京:北京工业大学,2006:25-36. [QIAO J G.Study on the key parameter of two-lane highway in mountain area based on drivers factors [D]. Beijing University ofTechnology,2006: 25-36.]

[4] 唐登科.驾驶人驾车生理心理反应与道路线形关系研究[D]. 南京:东南大学,2006:24-36.[TANG D K.Research on the relationship of driver s physical and mental reaction, and road line type[D]. Southeast University,2006:24-36.]

[5] 张祖怀.基于人体生理信号的驾驶疲劳研究方法及应用[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006:16-24. [ZHANG Z H.A Research method for driving fatigue based on physiological signal and its application[D]. Harbin Institute of Technology,2006:16-24.]

[6] 潘晓东,杜志刚,蒋宏,等.驾驶人心率和血压变动与山区公路线形关系的实验研究[J].人类工效

Variation Law of Driver's Main Physiological Indicators Driving on Highway

HU Li-wei,LIN Yu-zhen
(Faculty of Transportation Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to explore the variation of driver's physiological and psychological indicators in driving different levels of highway,a series of real car dynamic experimental is carried out to test the drivers on four categories highway(freeway,first-class highway,second-class highway and third-class highway)utilizing NeXus-10,which is a 10 channel physiological monitoring and a battery powered biofeedback device, intended to monitor and feed back physiological parameters on the human body for relaxation training,muscle reeducation and prescription use.Through analyzing and discussing the physiological characteristics indicators datum(EEG,HR,BVP,RSP,etc.)which are collected by experiment,the dynamic variation law of six types of drivers'physiological indicators is got on the different levels of highway.The conclusions provide experimental evidence for the highway alignment design,traffic facilities design and set, transportation environmental governance,etc..It also provides some theoretical reference for the highway traffic management and control.

highway transportation;physiological indicators;driver;EEG;HR;BVP;RSP

1009-6744(2014)01-0041-06

U491

A

2013-06-04

2013-08-27录用日期:2013-09-23

国家自然科学基金(51208238);昆明理工大学人才培养基金(14118579).

胡立伟(1977-),男,山东潍坊人,讲师,工学博士.*通讯作者:liweihukm@sina.com