音乐节奏对单调高速公路驾驶安全的影响

卢章平,张明明,李 瑞,何 仁

(1. 江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212013；2. 江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

音乐节奏对单调高速公路驾驶安全的影响

卢章平1,张明明1,李 瑞1,何 仁2

(1. 江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212013；2. 江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

为研究高速公路环境下音乐节奏对驾驶员驾驶状态的影响,选取6位驾驶员参加4组实际道路驾驶试验,4组试验所对应的音乐环境分别为:无音乐、慢节奏、中节奏、快节奏,当被试驾驶至80 min时开始播放相应音乐,并监测驾驶员脑电参数。基于脑电功率谱的比值(α+θ)/β和脑电波SMR波的幅值,分析其变化来研究音乐对驾驶安全的影响。结果表明:在单调高速公路驾驶中,当驾驶员行驶到被动疲劳极限时间80 min后,音乐节奏对驾驶员疲劳状态和注意力水平有显著的影响。

交通工程；高速公路；音乐节奏；安全驾驶；疲劳；脑电

0 引 言

交通安全涉及人、车、道路及环境等诸多因素。据统计:每年世界汽车碰撞事故中25%～30%与疲劳驾驶有关[1]。不仅疲劳驾驶会造成交通事故,驾驶员注意力分散也是事故的主要因素,其中80%左右的碰撞和65%的几乎碰撞与驾驶员注意力分散有关[2]。另有调查显示:38.5%的驾驶员认为车载音乐能够提高警觉；37.6%的驾驶员使用音乐缓解单调感；47.6%的驾驶员声称,音乐可以让他们放松心情[3]。因此,有必要研究音乐对驾驶安全的影响。

相比于其他道路,高速公路上行驶速度快,事故隐患更大[4]。单调高速公路是指单一的公路线形、单调的路边景观环境和较低的交通流量的高速公路。在单调高速公路上驾驶员机械地重复做单调的驾驶动作,缺乏必要的行车信息刺激。国内外对单调的驾驶环境与听音乐对驾驶安全的影响已有研究。A.B.UNAL等[5]发现,长时间在单调情境中驾驶会造成被动疲劳,而长时间在复杂情境中驾驶或睡眠不足则造成主动疲劳,在单调性环境中方向盘转角、频数随驾驶时间变化较大,从而影响驾驶安全；冯舒等[6]通过模拟驾驶试验发现长时间的驾驶导致驾驶员生理、心理负荷加重,特别在单调的高速公路驾驶环境下,会很快产生疲劳；马锦飞[2]通过模拟器驾驶试验发现轻音乐会使驾驶员放松,特别是在单调路况中,易诱发驾驶员困倦,不利于驾驶员的危险感知；P.THIFFAULT等[7]认为当驾驶员因为驾驶的单调而产生被动疲劳时,播放音乐可以改善其单调、厌倦和困乏感；F.ADRIAN等[8]认为不能片面地强调音乐的唤醒作用,淡化注意力资源被音乐过度的占用和消耗而带来分心的风险。因此,研究单调驾驶环境下听音乐对驾驶员疲劳状态和注意力水平的影响,对驾驶员的安全性有重要意义。

但是以上研究一方面较多采用模拟驾驶器试验,而由于驾驶员的精神负荷不同,其结果的可靠性往往低于实际道路上试验；另一方面研究重点仅仅放在驾驶中音乐的唤醒作用和音乐对安全的不利影响,缺乏在单调驾驶环境下听音乐对驾驶员的疲劳状态和注意力水平影响较全面的量化研究。因此,笔者使用便携生物反馈仪作为主要的监测工具,在单调的实际高速公路路况下,测试音乐条件下驾驶员疲劳状态和注意力水平的变化规律,总结其对驾驶安全的影响。

1 研究方法

1.1 试验设备

试验设备选择便携Spirit®生物反馈仪1台,用来记录测试者的脑电信号,其采样频率为256 Hz,通过BioTrace软件可以得到基于时间轴的可视化生理数据,也可以将数据以MTALAB格式文件输出,该仪器的使用对正常驾驶无干扰影响；帕萨特汽车1辆,用于试验中执行驾驶任务。

1.2 试验人员

选取6名非职业驾驶员(均持有C1驾驶证)为试验对象。这6名试验人员均具有1.0×104km里程以上驾驶经验(范围:1～12年；平均:3.8年,标准差:3.0年),年龄在22～32岁(平均年龄:26岁,标准差:3.2年),且都有一定高速公路驾驶经验。所有驾驶员矫正视力达到1.0及其以上,身体状况良好,无听力障碍,试验当天精神状态良好。

1.3 试 验

1.3.1 试验路段

试验路段为扬溧高速公路,以镇江为起点,溧阳为终点。道路为双向四车道,路况为一个无弯道和无交叉路口的封闭高速道路,且日车流量低于1 200,高峰小时系数λPHF=0.95,道路总体车流量较少且畅通,可以确保试验安全。试验驾驶平均速度保持在100 km/h左右,驾驶时长大于140 min。

1.3.2 试验音乐

音乐速度:通常将40～70拍/min定义为慢速；85～110拍/min为中速；120拍/min以上为快速[9]。驾驶员将音乐开到中等音量占到约59%,而只有约5%的驾驶员喜欢将音乐开到大音量[3]。考虑驾驶安全,选择60～70 dB的中等音量音乐。从音乐库中选取播放量较多的3种节奏类型音乐(表1),并在试验前让驾驶员试听,最终选择驾驶员不熟悉且没有明显喜好的无歌词音乐作为试验音乐,以保证除音乐节奏外的因素对试验无影响。

表1 不同节奏代表性音乐

1.3.3 试验准备

准备相关仪器,并对驾驶员简短培训,减轻被测额外心理负荷并阐述试验目的、过程和任务。

1.3.4 试验过程

6名驾驶员,分为8 d进行试验,每两天的试验编为1组,1组分2 d进行,每天安排3人。试验前驾驶员都得到充足休息,每人驾驶2.5 h,驾驶时间为07:00—09:30,10:00—12:30,14:00—16:30这3个时间段,试验后安排休息。

第1组进行无音乐环境驾驶试验；第2组进行慢节奏音乐环境驾驶试验。根据Ting Ping-huang等[10]研究发现:长时间驾驶易导致驾驶员疲劳,80 min是单调高速公路安全驾驶的极限时间。因此试验选择在驾驶80 min时播放慢节奏音乐；第3,4组分别以相同方式进行中、快节奏音乐环境驾驶试验。在试验过程中记录脑电参数,同时副驾驶员在规定时间播放和调节音乐并记录驾驶总时间。从试验仪器导出驾驶过程中的相关数据,筛选合格数据。

2 脑电数据预处理

试验数据通过Spirit®生物反馈仪自带软件导出,并在MATLAB软件中剔除驾驶员进行与驾驶行为无关的时间段,利用EEGLAB工具箱除去眼电、肌电伪迹。由于各个脑电波的数据量很大,以播放音乐时间点为始点,每隔5 min分为一段,每段时长为30 s,共取12段。采用快速傅里叶变换方法对脑电信号进行功率谱分析,再通过公式Pyy=abs(y)×abs(y)计算不同波的平均功率值。为了减少功率值波动带来的影响,以30 s内功率值的均值来代表脑电的特征值。另一方面,从经过功率谱分析后的频谱图中提取SMR波幅值,同样以每段30 s内幅值的均值来代表脑电SMR波的特征值。

3 音乐对脑电波的影响分析

脑电活动是一些自发的有节律的神经电活动,其频率及振幅与人的生理状态、注意力等有着密切联系。脑电波由各种频率的波组成,其中:θ波反映情绪受到抑制或休息状态,α波反映大脑淸醒且放松的状态,β波反映精神紧张和情绪激动或亢奋,SMR波即为低β波,反映人的注意力状态。笔者分别研究音乐对驾驶疲劳和注意力的影响。

3.1 音乐对驾驶疲劳的影响

当驾驶员处于疲劳状态时,β波减少,α波增多；当驾驶员从疲劳状态转为瞌睡状态时,θ波则占主导地位。采用脑电功率谱比值R=(α+θ)/β来描述驾驶疲劳的脑电特征[11],如表2。

经过80 min的高速公路驾驶后,播放事先准备好的音乐。把播放音乐后驾驶时间分为时间段1和时间段2,即对应前30 min和后30 min两段时间。计算4组驾驶试验每5 min时间段对应的疲劳特征参数R的均值与标准差,图1反映两段时间内驾驶员的疲劳变化。之后分别在时间段1和时间段2内对不同音乐条件下的R值进行显著性检验,如表3。

表2 基于脑电的疲劳评测

图1 音乐对驾驶疲劳的影响Fig.1 The influence of music on driving fatigue 表3 表征驾驶疲劳的R值显著性检验 Table 3 R values significant test for driving fatigue

/min

注:均值差的显著性水平为0.05。

由图1(a)可看出:在时间段1内,无音乐情况下,R值随时间逐渐上升,说明驾驶员逐渐变得疲劳；ANOVA方差分析结果显示:F(3, 20)=17.707,p=0.000,试验均值差的显著性水平为0.05,因此音乐节奏对R值影响显著。经过事后检验,由表3以看出:在慢节奏与无音乐之间,R值不存在显著性差异(p>0.05)；而中节奏、快节奏分别与无音乐之间存在显著性差异(p<0.05)。结合图1(b)可得出:在时间段1播放音乐时,中节奏(M=1.09,S=0.07)和快节奏(M=1.05,S=0.08)下R值明显低于无音乐(M=1.18,S=0.10)。

经ANOVA方差分析,时间段2内音乐节奏对R值有显著影响。F(3, 20)=12.063,p=0.000,再经过事后检验,慢节奏、快节奏都与无音乐情况下的R值存在显著性差异(p<0.05),而中节奏与无音乐情况无显著性差异(p>0.05)。结合图1(b)可看出:慢节奏(M=1.33,S=0.11)下相较于无音乐(M=1.28,S=0.08)R值明显升高；而快节奏(M=1.19,S=0.08)相较于无音乐则呈现降低。

由以上结果可看出:快节奏音乐可以长时间改善驾驶员疲劳状态。中节奏音乐在前段时间改善明显,后段时间无明显改善。慢节奏音乐前段时间无明显改善,后段时间使疲劳状态恶化,甚至达到中度疲劳阶段。

3.2 音乐对驾驶注意力的影响

注意力容易受到执行任务与周围环境的影响。有研究表明,微弱的持续刺激环境能提高人脑网状系统的唤醒程度,从而有助于人们保持注意力的稳定性,然而吵闹复杂的驾驶环境容易干扰人们对任务的注意力[12]。并且枯燥乏味的环境使人的注意水平降低,尤其在单调的高速公路上执行驾驶任务[13]。因此有必要研究在高速公路上驾驶时音乐对驾驶员注意力的影响。笔者通过反馈仪采集驾驶员脑电SMR波幅值作为衡量注意力水平指标,如表4。

表4 基于脑电的注意水平评测

通过同样的方法计算脑电SMR波幅值的均值、标准差。图2分别反映了驾驶人注意力水平在两段时间内的变化。并分别在时间段1和时间段2内对不同音乐条件下的SMR幅值进行显著性检验,如表5。

图2 音乐对驾驶注意力的影响Fig.2 The influence of music on driving attention 表5 表征驾驶注意力的SMR幅值显著性检验 Table 5 SMR amplitude significant test for driving attention

/min

注:均值差的显著性水平为0.05。

从图2(a)可以看出:在时间段1内,无音乐情况下,SMR波幅值总体呈下降趋势,说明注意力水平逐渐降低。经ANOVA方差分析,发现此时间段音乐节奏对SMR幅值影响显著,F(3, 20)=4.741,p=0.012,再经过事后检验；由表5可看出,慢节奏、中节奏下SMR波幅值与无音乐有显著差异(p<0.05),快节奏与无音乐无显著差异(p>0.05)。慢节奏(M=16.25,S=1.45)和中节奏(M=15.50,S=1.68)相较于无音乐(M=12.88,S=1.73)脑电波SMR幅值显著增高,而快节奏(M=12.32,S=1.38)相较于无音乐无明显差异。

由图2(b)可看出:在时间段2内,SMR值在无音乐情况下平稳下降。经ANOVA方差分析,发现此时间段音乐节奏对SMR幅值影响显著,F(3, 20)=4.865,p=0.011,再经过事后检验；如表5,中节奏相比无音乐SMR波幅值无显著性差异(p>0.05),但与慢节奏、快节奏之间存在显著性差异(p>0.05)。中节奏音乐(M=11.05,S=1.48)较无音乐(M=9.47,S=1.37)下SMR幅值高。而快节奏(M=8.00,S=0.95)和慢节奏(M=8.82,S=1.33)下SMR幅值较无音乐低。

上述分析表明:快节奏音乐降低驾驶员注意力水平,中节奏提高驾驶员注意力水平,慢节奏音乐在时间段1内明显提高注意力,而在时间段2内无明显改善。

4 结 语

以单调的高速公路为驾驶环境,当驾驶员行驶到被动疲劳极限时间80 min时,播放不同节奏音乐,同时获取表征驾驶员疲劳和注意力状态的脑电数据。探求不同节奏音乐在驾驶员达到被动疲劳的状态时对驾驶员的疲劳和注意力状态有何种影响,相较于无音乐驾驶有无改善。研究表明:当驾驶时间达到80 min后,① 节奏音在1 h内有助于明显改善疲劳和提高注意力水平；② 节奏音乐仅仅在0.5 h内明显提高注意力水平,而后相较于无音乐,疲劳状态和注意力水平都呈现显著恶化态势；③ 节奏音乐虽在1 h内缓解疲劳效果显著,然而相比于无音乐驾驶员注意力变得更为恶化。

研究结果部分验证了关于慢节奏音乐使驾驶员放松,降低驾驶员的生理唤醒和认知负荷；快节奏吸引驾驶员的注意,导致注意力分散,不利于危险感知这一论断。

笔者针对性选择单调的高速公路驾驶环境,同时引入了不同驾驶时长对研究的影响。研究结果可以指导驾驶员通过在不同时间段切换不同节奏音乐来改善驾驶状态,同时避免不利影响,也可以为车载智能音乐播放设备开发提供参考。

由于试验条件限制,笔者选取的被试样本较少,虽然在选择音乐时尽可能减少了其他因素对驾驶员的干扰,然而实际驾驶过程中存在着其他因素干扰(例如:驾驶员对不同节奏音乐的快慢喜好、认知水平,以及驾驶人员的年龄、性别、文化背景等),需要将来进一步的分类研究；而且笔者只研究了在播放音乐后1 h内音乐节奏对驾驶状态的影响；将来的研究可扩大被试样本容量,进一步研究更长时间内的影响。

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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

河北省自然科学基金项目(E2013202228)；河北省交通运输厅科技计划项目(Y-090123；C080213)

卢章平(1958—)，男，江苏扬州人，教授，博士，主要从事计算机辅助设计、人机交互理论及应用方面的研究。E-mail:lzping@ujs.edu.cn。

张明明(1992—)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事交通安全方面的研究。E-mail:1163822667@qq.com。

U491

A

1674-0696(2016)05-115-05