酒精作用下驾驶人心理生理及眼动特性分析

裴玉龙，周 侃，张 诚

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨 150090;2.重庆市城市交通规划研究所，重庆 400020)

酒精作用下驾驶人心理生理及眼动特性分析

裴玉龙1，周 侃1，张 诚2

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，哈尔滨 150090;2.重庆市城市交通规划研究所，重庆 400020)

酒后驾驶对道路交通安全会产生重大影响。在对驾驶人心理生理及眼动特性指标筛选的基础上，分析驾驶人体内酒精含量与心理特性的关系。对比不同酒精摄入量下驾驶人皮电变化特征，结合心率散点图建立庞卡莱截面，分析酒精作用下驾驶人生理特性。对比不同酒精摄入量下驾驶人注视、眼跳和眨眼的变化特征，分析酒精作用下驾驶人眼动特性。揭示出酒精作用下驾驶人心理生理及眼动特性的变化规律，为制定酒后驾车的相关标准、法规提供理论支持。

酒精作用;驾驶人;心理特性;生理特性;眼动特性

酒后驾驶现象在我国普遍存在，近年来我国通过强化法律追责等途径不断加大对酒后驾驶的打击力度［1］。大量饮酒易引发交通事故已经成为不争的事实［2～3］，但对于少量饮酒是否会严重影响道路交通安全，许多人包括一些专家学者都有不同观点［4～5］。因此，有必要开展酒精作用与驾驶人心理生理及眼动特性关系实验研究，分析酒精作用下驾驶人心理、生理及眼动特性的变化规律，并分析饮酒对驾驶人心理、生理及眼动特性的影响。这有利于增进驾驶人对自身特性的认识，对于改善道路交通安全水平具有重大意义，且为制定酒后驾车相关的标准、法规提供数据及理论支持。

一、酒后驾驶现象的原因

部分驾驶人对酒后驾驶的风险认识不足，认为喝点酒开车凭着多年的开车经验不会出事。公众对酒后驾驶风险缺乏正确有效的认识，没有将酒后驾驶违法行为纳入个人征信体系，作为政府部门、银行等机构办理个人相关事宜及用人单位招聘、个人晋升等过程的参考依据。部分驾驶人素质不高，又没有经过正规系统的驾驶培训，就办理了驾驶证，不了解相关的法律法规。上述原因造成酒后驾驶的陋习长期存在。

二、酒后驾驶的法律界定

根据国家质量监督检验检疫总局发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》(GB19522 －2010)的规定［6］，饮酒驾车(drinking drive)被定义为车辆驾驶人的体内酒精浓度大于或者等于0.20mg/ml、小于0.80mg/ml的驾驶行为;醉酒驾车(drunk drive)被定义为车辆驾驶人的体内酒精浓度大于或者等于0.80mg/ml的驾驶行为。

三、驾驶人心理生理及眼动特性指标筛选

驾驶人的心理生理及眼动特性指标多种多样，每一种指标都有其特定的含义。本文将对各个心理生理及眼动特性指标进行分析，从中筛选出符合研究目的并具有可操作性的心理生理及眼动特性指标。

(一)心理特性指标

具备良好的驾驶能力是驾驶人保证安全行车的前提。驾驶能力包括感知、判断及操作能力，饮酒后驾驶人的这些能力将会发生不同程度的改变。本文主要从感知阶段来分析酒精作用下驾驶人心理特性，因此确定深度知觉与速度知觉为心理特性指标。

(二)生理特性指标

脑电、心电、肌电和皮电均代表人体的生物电，它们都可以表现出神经系统的紧张程度。相关研究表明，脑电研究是一个复杂的领域。相同的脑电反应在大脑的不同位置有不同的分布，而且脑电波非常微弱，在实验中极易受到外界因素的干扰而失真，不适合进行动态实验。与心电和肌电相比，在动态测试过程中皮电测试起来更容易一些，而且皮电指标反应十分明显，符合实验要求。

皮肤温度指标非常敏感，受外界干扰严重;呼吸不能精确地反映驾驶人的生理特性;血容量指标是根据皮肤电阻间接推出来的，与皮电指标有一定的相关性;血压指标由于实验设备的限制也不予采用。而心率指标反映了心脏的功能状态，能够体现出驾驶人的生理负荷，而且设备安装方便，适合做动态测试，符合实验要求。综上所述，本文选取皮电和心率作为生理特性测试指标。

(三)眼动特性指标

眼动也就是眼球的运动。在人们的视觉认知过程中，眼动是最重要的感官信息来源。一般情况下，眼动的基本形式主要分为注视、眼跳和眨眼三种类型。

三种基本眼动类型是经常交错在一起的，它们的目的都是选择视野中的有用信息。驾驶人的眼动体现了视觉信息的选择模式，是一个复杂的动态过程，描述其运动规律是非常必要的。根据研究的需要，本文在注视里选取注视点数目和平均瞳孔直径两种眼动特性指标进行研究;在眼跳里选取眼跳次数和眼跳速度峰值两种眼动特性指标进行研究;在眨眼里选取眨眼次数和平均眨眼时间两种眼动特性指标进行研究。

四、实验方案设计

(一)实验设备

酒精作用下驾驶人心理特性指标测试设备:BD－Ⅱ－104A型深度知觉仪、BD－Ⅱ－508型速度知觉仪、数码酒精检测仪。

酒精作用下驾驶人生理及眼动特性指标测试设备:桑塔纳轿车、Nexus－10型多通道生理仪、iView X HED型头盔式眼动仪。

(二)测试样本

酒精作用下驾驶人心理特性指标测试样本:为了确保测试样本能够广泛地代表酒后驾驶这一类人群，选定身体健康的驾驶人10名。其中男性8名，女性2名;年龄24～56岁，平均年龄32岁;驾龄1～22年，平均驾龄6年。

酒精作用下驾驶人生理及眼动特性指标测试样本:考虑到饮酒后驾车的安全性以及测试样本的代表性、时间、经济性等综合因素，选取了3名驾驶人作为酒后驾驶人生理及眼动特性实验的测试样本，各驾驶人的基本资料如表1所示。

表1 驾驶人基本资料

(三)测试地点

酒精作用下驾驶人心理特性指标的测试在实验室内进行，而生理及眼动特性指标的测试则在哈尔滨市没有对外开放的几条道路上进行。这些道路线形条件良好，有清晰的交通标志和标线，交通设施比较完整，能够满足测试要求。

(四)测试方案

酒精作用下驾驶人心理特性指标测试方案:分析10名被试者饮相同量酒时体内酒精含量的差异，从中选取饮酒量相同时体内酒精含量相近的5名被试者，使其能够代表大部分驾驶人的特性。让5名被试者间歇性地进行饮酒和驾驶能力测试，分别用酒精仪进行体内酒精含量测试，用其他五种仪器进行驾驶能力测试，记录实验数据。测试酒为500ml的11°瓶装哈尔滨啤酒，累计饮酒量分别为 125ml、250ml、500ml、750ml、1000ml、1500ml和 2000ml，饮酒后 20min 测试体内酒精含量数据，并立即进行驾驶能力测试。采用多次测量取平均值的方法获得实验数据，可获得饮酒状态下的35组体内酒精含量与驾驶能力的关系数据，不饮酒状态下还可以测得5组实验数据，这样一共得到40组实验数据。

驾驶人生理及眼动特性指标测试方案如下:

1.第一阶段

对3名在三天内均没有饮酒的实验所选驾驶人进行生理及眼动特性指标的静态测试，其中生理特性指标测试5min，眼动特性指标测试3min。为了尽量降低驾驶人接触新鲜事物对测试指标产生的影响，正式开始测试的前几分钟数据予以剔除。测试静态指标首先是为了与实际驾驶数据进行对照，其次还可以让驾驶人增进对生理仪和眼动仪的了解，为实际驾驶测试做准备。

2.第二阶段

分三天分别对3名驾驶人进行饮酒后生理及眼动特性指标动态测试。具体实验过程如下:

一是熟悉道路环境，调整驾驶心态。驾驶人在测试道路附近驾车行驶20min左右，简单熟悉道路环境和行驶路线，尽量减少不必要因素对测试产生的影响，然后停车休息10min。

二是正常状态下驾驶人生理及眼动特性指标测试。停车休息过后，安装生理仪和眼动仪，并进行调试。调试正常后立即开车进行生理及眼动特性指标测试，测试时间为20min，测试完毕后保存实验数据，停车休息10min。

三是饮酒状态下驾驶人生理及眼动特性指标测试。选用500ml的11°瓶装哈尔滨啤酒作为测试酒，驾驶人饮完第1瓶啤酒(累计饮酒量500ml)，20min后开车进行生理及眼动特性指标测试，测试时间为20min，测试完毕后保存实验数据，停车休息10min;驾驶人饮完第2瓶啤酒(累计饮酒量1000ml)，20min后开车进行生理及眼动特性指标测试，测试时间为20min，测试完毕后保存实验数据，停车休息10min;驾驶人饮完第3瓶啤酒(累计饮酒量1500ml)，20min后开车进行生理及眼动特性指标测试，测试时间为20min，测试完毕后保存实验数据，停车休息10min;驾驶人饮完第4瓶啤酒(累计饮酒量2000ml)，20min后开车进行生理及眼动特性指标测试，测试时间为20min，测试完毕后保存实验数据，实验测试完毕。

五、酒精作用下驾驶人心理特性分析

(一)深度知觉

本文对高速档和低速档条件下的深度知觉误差值求取平均值，将其作为研究对象，从而分析饮酒后被试者体内的酒精含量与深度知觉差异间的关系。研究者经过数据检验并剔除异常点后，将实验测得的40组被试体内酒精含量值与对应的深度知觉差异值列成散点图形式，如图1所示。

图1 被试者体内酒精含量与深度知觉差异之间的关系

对数据进行拟合，可以得到驾驶人体内酒精含量与深度知觉差异之间的函数关系模型:

式中y1——驾驶人的深度知觉差异，mm;

x——驾驶人体内酒精含量，mg/ml。

驾驶人体内酒精含量与深度知觉差异间可建立指数方程模型，判定系数R2为0.9323，说明拟合优度很高，建立的曲线方程是合理的。由拟合曲线可知，驾驶人的深度知觉差异随着体内酒精含量的增加而增大，起初增加得比较缓慢，说明饮酒量较小时，体内酒精含量对深度知觉能力的影响并不十分明显。但当体内酒精含量达到0.60mg/ml(饮酒量约为750ml啤酒)左右时，随着酒精含量的继续增加，驾驶人的深度知觉能力开始迅速下降，并且下降的速度越来越快。

(二)速度知觉

本文将高速档和低速档条件下的速度知觉误差值求取平均值，将其作为研究对象，从而分析饮酒后被试者体内的酒精含量与速度知觉差异间的关系。经数据检验并剔除异常点后，将实验测得的40组被试者体内酒精含量值与对应的速度知觉差异值列成散点图形式，如图2所示。

图2 被试者体内酒精含量与速度知觉差异之间的关系

对数据进行拟合，可以得到驾驶人体内酒精含量与速度知觉差异之间的函数关系模型:

式中 y2——驾驶人的速度知觉差异，s;

x——驾驶人体内酒精含量，mg/ml。

驾驶人体内酒精含量与速度知觉差异间可进行三次多项式拟合，判定系数R2为0.9254，说明拟合优度很高，建立的曲线方程是合理的。由拟合曲线可知，少量饮酒时，驾驶人的速度知觉差异会随着体内酒精含量的增加而略微下降。这说明饮酒量不多时，酒精对驾驶人的速度知觉能力有一定的促进作用;但当体内酒精含量达到0.30mg/ml(饮酒量大约为375～500ml的啤酒)左右时，随着酒精含量的继续增加，驾驶人的速度知觉能力开始迅速下降;当体内酒精含量达到1.10mg/ml(饮酒量大约为1600ml的啤酒)左右时，驾驶人速度知觉能力的下降速度有所变缓。

六、酒精作用下驾驶人生理特性分析

(一)皮电

多通道生理仪所记录的皮电值为皮肤的电阻值，单位是kΩ。皮电值的大小与人的情绪相关，饮酒后驾驶人的情绪会发生一定的变化。如果情绪紧张，驾驶人分泌的汗液会增多，皮肤导电性提高，皮电因此下降。下面分别对不同饮酒状态下的驾驶人皮电指标变化进行分析。驾驶人不同饮酒状态下的皮电测试结果如图5所示。

图5 驾驶人不同饮酒状态下的皮电测试结果

从图5可以看出，尽管由于个体差异，3名驾驶人不同饮酒状态下皮电随时间的变化规律略有差别，但总体趋势仍然比较一致:驾驶人在正常状态下开车时，其皮电值都比较高，而且皮电随时间的波动幅度也比较大。饮酒后驾驶人的皮电值都有大幅度的下降，皮电随时间的波动幅度也变得相对平缓一些，随着饮酒量的增加，皮电值开始逐渐下降，下降的速度比较平稳。皮电随时间的波动幅度越来越小，其中1号和2号驾驶人饮酒2000ml后，皮电随时间变化曲线几乎为一条直线。以上说明饮酒后驾驶人的情绪受到影响，分泌汗液增多，皮肤导电性随饮酒量的增加而提高。

(二)心率

庞卡莱截面(Poincare section)是一种有效的心率分析手段［7～8］。它把全部相邻的心率数据标记在直角坐标系上，形成有规律的散点图。庞卡莱截面不仅能体现出心率整体特点，而且还能直观地表现出心率在瞬间的变化情况，因此可以揭示出心率变异性所具有非线性特点［9］。对驾驶人在各个饮酒状态下的心率指标数据进行统计处理，绘制庞卡莱截面，如图6所示。

从图6可以看出，驾驶人在正常状态下开车时，大部分的散点集中在45°角直线附近，但也有很多散点分布于45°角直线两侧，说明有一点窦性心率不齐的现象，而且心率不齐程度对称，心率变化速度较快。饮酒500ml后，散点在45°方向分布的距离比正常状态下要长一些，说明心率变化程度变大。继续饮酒后，心率变化程度变小，这表明刚开始饮酒时，酒精使得中枢神经变兴奋，加重了心脏的负担;但随着体内酒精含量的增加，中枢神经受到了抑制。随着饮酒量的增加，散点在45°方向分布的距离逐渐变短，说明心率变化幅度逐渐减小，散点越来越紧密，心率趋于一致。以上说明饮酒量不多时，酒精能够使驾驶人的中枢神经变兴奋，但当饮酒量增多时，酒精会对其中枢神经起抑制作用，十分不利于行车安全。

图6 驾驶人的心率庞卡莱截面

七、酒精作用下驾驶人眼动特性分析

(一)注视

1.注视点数目

注视点反映了驾驶人在指定时间内所注意的空间点，注视点的数目和驾驶人需要处理的信息量相关。驾驶人视野遇到感兴趣的区域时，注视点的数目会增多［10］。图7所示为驾驶人在不同饮酒状态下的注视点数目指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的注视点数目逐渐减少，而且3名驾驶人的注视点数目也越来越接近。这说明饮酒后驾车，驾驶人视野中的兴趣区域会减少，能够收集的有用信息也就会相应地减少。

图7 驾驶人不同饮酒状态下注视点数目指标对比

2.平均瞳孔直径

瞳孔是人眼虹膜中央的小圆孔，其直径主要靠虹膜平滑肌的伸缩来控制。平均瞳孔直径是指在一段时间内驾驶人所有瞳孔直径的平均数，可以反映驾驶人驾车过程中的紧张程度。图8所示为驾驶人在不同饮酒状态下的平均瞳孔直径指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的平均瞳孔直径逐渐增大。这说明饮酒后驾车，酒精会导致驾驶人产生紧张情绪，虹膜平滑肌的伸缩性会发生变化。饮酒量越多，平均瞳孔直径越大。

图8 驾驶人不同饮酒状态下平均注视时间指标对比

(二)眼跳

1.眼跳次数

眼跳次数可以反映驾驶人驾车过程中的注意力集中程度。图9所示为驾驶人在不同饮酒状态下的眼跳次数指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的眼跳次数逐渐减少。这说明饮酒后驾车，酒精会麻痹驾驶人的神经系统，导致驾驶人的注意力下降。饮酒量越多，眼跳次数越少。

图9 驾驶人不同饮酒状态下眼跳次数指标对比

2.眼跳速度峰值

眼跳是一种变速运动。眼跳速度峰值是指在一次连续的眼跳过程中眼跳速度的最大值，可以反映驾驶人获取信息的速度。图10所示为驾驶人在不同饮酒状态下的眼跳速度峰值指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的眼跳速度峰值逐渐减小。这说明饮酒后驾车，酒精会导致驾驶人获取信息的速度下降。饮酒量越多，眼跳速度峰值越小。

图10 驾驶人不同饮酒状态下眼跳速度峰值指标对比

(三)眨眼

1.眨眼次数

正常情况下眨眼与人的心理状况有关。紧张的时候眨眼次数会比较多，聚精会神的时候眨眼次数会比较少［11］。但是饮酒后，酒精会麻痹驾驶人的大脑，使得驾驶人目光呆滞。图11所示为驾驶人在不同饮酒状态下的眨眼次数指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的眨眼次数逐渐减少。这说明饮酒后驾车，酒精会导致驾驶人精神麻痹。饮酒量越多，眨眼次数越少。

图11 驾驶人不同饮酒状态下眨眼次数指标对比

2.平均眨眼时间

平均眨眼时间指的是在一段时间内驾驶人所有眨眼时间的平均数，可以反映驾驶人的疲劳程度。图12所示为驾驶人在不同饮酒状态下的平均眨眼时间指标对比情况。可以看出，随着饮酒量的增加，3名驾驶人在行车过程中的平均眨眼时间逐渐增大。这说明饮酒后驾车，酒精会导致驾驶人产生疲劳感。饮酒量越多，平均眨眼时间越长。

图12 驾驶人不同饮酒状态下平均眨眼时间指标对比

八、结论

本文对酒精作用下驾驶人心理生理及眼动特性进行了实验测试与分析。首先进行了驾驶人心理生理及眼动特性指标的筛选，然后通过深度知觉与速度知觉指标分析了酒精对驾驶人心理特性的影响;以皮电和心率指标分析了酒精对驾驶人生理特性的影响;以注视、眼跳和眨眼指标分析了酒精对驾驶人眼动特性的影响。

研究表明:第一，少量酒精作用下驾驶人的深度知觉影响不大，并且能在一定程度上促进速度知觉能力;大量酒精作用下驾驶人的深度知觉与速度知觉迅速下降，选择反应时间延长，注意分配能力呈线性降低。第二，酒精作用下驾驶人的皮电降低，心率升高，注视点数目减少，平均瞳孔直径变大，眼跳次数减少，眼跳速度峰值降低，眨眼次数减少，平均眨眼时间增加等。第三，少量酒精作用下驾驶人的中枢神经变兴奋，并有可能提升部分驾驶人副交感神经系统的功能。

［1］蒋晓莉.从审判视角论交通事故损害赔偿责任主体［D］.重庆:西南政法大学，2010.

［2］赵新才.从一组国外数据看饮酒与驾车安全［J］.道路交通管理，2007，(5):21.

［3］National Highway Traffic Safety Administration.State Alcohol Related Fatality Rates［R］.Washington，D.C:NCSA，2002.

［4］HOLUBOWYCZ O T，KLOEDEN C N，et al.Usual Drinking and Drink Driving Behavior of Injured Male Drivers and Riders:Acomparison between Those with Zero and High Blood Alcohol Concentrations［J］.Proceedings of the Australasian Drink－Drive Conference，2007:121－130.

［5］欧居尚，赵晓华，毛科俊，荣健，刘小明.虚拟场景下饮酒对驾驶操作的影响分析［J］.北京工业大学学报，2010，36(12):1663－1668.

［6］GB19522－2010.车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验［S］.北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2011.

［7］宋长振.基于心率变异的驾驶员生理负荷研究［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2007.

［8］KARMAKAR C K，KHANDOKER A H，et al.Sensitivity of Temporal Heart Rate Variability in Poincare Plot to Changes in Parasympathetic Nervous System Activity［J］.Biomed Eng Online，2011，10(1):17.

［9］Task Force of the European Society of Cardiology the North American Society of Pacing Electrophysiology.Heart Rate Variability:Standards of Measurement，Physiological Interpretation and Clinical Use［J］.Circulation，1996，93(5):1043－1065.

［10］郭应时，付锐，张建峰，袁伟.不同通道宽度条件下汽车驾驶员注视点分布规律［J］.交通运输工程学报，2006，6(2):51 －54.

［11］袁伟.城市道路环境中汽车驾驶员动态视觉特性试验研究［D］.西安:长安大学，2008.

［责任编辑 张莲英］

Analysis of Driver’s Psycho－physiological and Eye Movement Characteristics under Alcohol Effect

PEI Yu-long1，ZHOU Kan1，ZHANG Cheng2
(1.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;2.Chongqing Institute of Urban Transport Planning，Chongqing 400020，China)

Drink － driving has a significant impact on road traffic safety.On the basis of the choice of driver’s psychological，physiological，and eye movement characteristics indicators，this paper analyzes the relationship between alcohol concentration and psychological characteristics，compares driver＇s skin electricity change characteristics under different alcohol intake，uses heart rate scatter diagram to establish the poi care section，and analyzes driver’s physiological characteristics under alcohol effect.Driver’s fixation，saccade and blink are compared under different alcohol intake to study the change of some characteristics.This paper reveals the change law of the driver’s physiological and eye movement characteristics under alcohol effect，which provides the theoretical evidence for constituting the standards and regulations of prohibiting drunk driving.

alcohol effect;driver;psychological characteristics;physiological characteristics;eye movement characteristics

U491.2;R33

A

1009-1971(2011)05－0080－07

2011－09－02

国家自然科学基金资助项目(51178149)

裴玉龙(1961－)，男，黑龙江桦川人，教授，博士生导师，从事道路交通安全与交通规划研究;周侃(1984－)，男，江西宜春人，硕士研究生，从事道路交通安全研究;张诚(1986－)，男，内蒙古呼伦贝尔人，助理工程师，从事道路交通安全研究。