草原道路行车时驾驶员心电特性分析

王志平，朱守林，高明星，戚春华

(内蒙古农业大学 能源与交通工程学院，呼和浩特 010018)

1 引言

草原道路交通人机环境系统主要是由人、车、路、环境共同组成的系统，在交通事故的致因分析中，这4种要素导致的事故比例不同。据资料记载，约94％～95％的交通事故与人的因素有关，且由驾驶员直接负责任的事故占81％左右[1]。

近年来随着草原公路总里程和汽车保有量的增加，草原公路交通事故也逐年增加，但国内外对于交通事故的研究主要集中在沙漠公路、高速公路和山区公路上[2-4]。草原公路交通事故还没能得到应有的重视，草原公路交通人机环境系统相比于其他公路交通人机环境系统，有其独特的交通环境特点，它一般具有纵坡度小、圆曲线半径大、线形变化小、长直线多和景观单一等特点[5]。使得驾驶员在草原道路上行驶更容易产生单调感和心理疲劳，从而使驾驶员对速度与距离估计偏差增大、注意力降低、感知与处理信息的能力下降。这也是交通事故频发地的主要原因。

2 测评指标的选取

人体的心生理指标是研究人的身体状态、疲劳程度的电信号参数。应用到交通领域的人体电信号主要有脑电信号、皮电信号、肌电信号、眼电信号、心电信号和呼吸信号等。但是考虑到其他生理信号指标还不够稳定，易受干扰，本文选取可测试性强、数据处理方法成熟的心率指标作为研究草原道路驾驶员心理生理的测评指标。其常用的心理分析指标主要有心率(Heart rate，简称HR)和心率变异(Heart rate variability，简称HRV)。

心率(HR)指单位时间内心脏搏动的次数，单位为bpm。心脏活动是自主神经(即植物神经)系统通过末梢对心血管功能实现调节。外界环境可影响心率变化，如遇外界环境突变、精神紧张或情绪改变时，心率会加快；在休息或睡眠状态下，心率会减慢[1]。实验主要研究驾驶员在草原道路行进过程中的心理变化规律，基于驾驶员的个体差异及动态的草原道路驾驶试验，简单的比较心率大小不能体现驾驶员的心率变化规律，因此选用心率增长率作为衡量驾驶员心理变化的指标。

心率变异(Heat Rate Variability，HRV)是指心率波动周期存在的微小变化，通常是指逐次心跳间RR间期的微小涨落变化，心率变异能较好的评价自主神经平衡状况[6]。心率变异评价指标主要有3种：时域分析、频域分析和非线性分析。频域分析相对成熟，且频域分析能较好的反映草原道路驾驶员的交感神经与迷走神经对心率变化的影响[2]。故本文选用心率变异的频域分析。

2.1 心率评价指标

心率增长率：动态行驶时的心率值与静态心率值之差占静态心率值的百分比。心率增长率的计算公式表示为：

(1)

研究表明，心率增长率能够较好的体现草原道路驾驶员的心率变化；当外界环境突变、精神紧张、注意力集中或情绪改变时，心率增长率波动幅度较大，也较为频繁；与之相反当心率增长率出现波动幅度不大，且增长率较低，则说明外界环境对驾驶员的影响小，驾驶员精神放松，可以轻松驾驶[7，8]。

2.2 频域分析指标及特点

频域分析的主要优点是敏感和精确。可以具体的区分不同时间段人体迷走神经和交感神经对心脏的影响。缺点在于：频域分析法很容易受到其他因素干扰、道路环境干扰及计算机错误识别的影响，在草原道路动态驾驶实验过程当中单一指标很容易受到环境因素的影响，所以选用心率变异指标LF/HF(LF与HF比值)作为频域分析指标。

频率指标HF是受迷走神经活动的影响，当迷走神经兴奋时，可起到保护机体、休整恢复和蓄积能量等功能；LF是反映交感神经活动的主要指标，交感神经的作用是促使机体迅速适应环境的急剧变化[9]。

研究发现心率变异指标LF/HF值能够更好的反映在草原道路行车时驾驶员交感神经与迷走神经对心脏的作用。当LF/HF增大时说明交感神经活性增强，下降说明副交感神经开始活跃[10]。

3 试验方法

3.1 试验人员

实验采集14名驾驶员的心生理数据，选取其中有代表性的5名驾驶员作为研究对象。这几位驾驶员的年龄在29～50岁，身体健康且没有其他方面生理疾病史，对实验路段的路况均不太熟悉。驾龄为3 a以上，每周平均驾驶两次，每年至少驾驶有5 000 km。驾驶员的详细信息见表1。

表1 驾驶员基本资料

3.2 实验道路

实验路段选择在内蒙古锡林浩特市境内的省道S101赛罕塔拉——满都拉图段，该路段公路设计等级为二级，总里程152.494 km，设计车速80 km/h，该路段具有典型的草原道路特征；选择其中150 km的路段为实验路段，道路平面线形以直线为主，平曲线较少且圆曲线半径较大；道路景观比较单调，道路配套设施相对完善，道路的长度，宽度，交通流量都满足实验要求。

3.3 实验仪器以及实验要求

实验过程中采用美国BIOPAC公司生产的MP150多导生理记录仪对所有驾驶员的生理信号进行连续采集，实验过程要求选择在天气晴朗的相邻日期的同一时间段(上午9∶00～12∶00或下午2∶00～5∶00)内进行行车实验，以确保样本间的可比性。实验前驾驶员应保证充足的睡眠，避免烟、酒、茶和咖啡等任何可能影响心率的食物和药物，避免剧烈运动。实验中驾驶员自由驾驶，不限制车速，关闭车载音频、视频、手机，禁止交谈以及摇动车窗和调节车载空调等对驾驶员和实验采集系统的影响。实验开始前，先利用多通道生理采集仪器测量5 min驾驶员的静态生理数据，以便于对实验前后的生理指标作对比分析。

4 试验数据与分析

试验利用多通道采集所有驾驶员在全程(150 km)驾驶时的心电信号，并通过与之配套的AcqKnowledge软件进行数据提取，对每名驾驶员的心电信号进行了简单的滤波和预处理后，将数据导出到Excel中。利用公式(1)得到每个时间段心率增长率；利用KubiosHRV-2.0 软件得到每个时间段心率变异指标(LF/HF值)。依照数据绘制曲线图以直观的反应连续驾驶过程中心率的变化规律。

4.1 心率评价指标分析

由图1结合表1可以看出：

图1 驾驶员心率增长率随时间的变化

(1)随着时间的增加，总体来说几位驾驶员前20 min心率增长率相对稳定，20～50 min波动较为频繁，且波动幅度较大。50 min以后，心率增长率相对稳定，之后出现不同程度下降趋势。由此可见，各位驾驶员在20～50 min这段时间心率波动较大，注意力集中。一段调整期过后，心态相对稳定，随着驾驶时间的增加，心率增长率有所降低说明驾驶员的精神开始变得放松。对照随车录像发现20～50 min这段时间的行车道路线形比较复杂，其中包括连续转弯路段，以及平纵线形组合路段等。从以上分析可以看出几位驾驶员全程都几乎保持了稳定的心态和注意力集中驾驶，直到行使的末段才出现一些心率增长率降低可能引发的注意力下降，精神不集中。说明草原道路这段线形组合对这条道路行车有非常重要的作用，它有效地延迟了驾驶员可能发生的草原道路驾驶单调感和心理疲劳。

(2)从全程来看1和4号驾驶员走势相对稳定，且变化幅度也不大，说明这两位驾驶员自我调节和控制能力很强。对照表1可知他们的驾龄相对大一些，而驾龄的大小是决定驾驶技术和驾驶经验。这说明在草原道路驾驶时驾驶技术和驾驶经验对稳定心态有重要意义。

(3)从全程来看，2号驾驶员呈增加趋势，且均值较高。说明驾驶员在驾驶过程中心率值较高，精神比较紧张，这种精神状态的驾驶可能与他驾龄小且不熟悉道路环境有关；5号驾驶员呈明显的下降趋势，说明驾驶员精神放松，长时间可能进入休眠状态。这种现象的出现可能与驾驶员的年龄大有关。

(4)3号驾驶员心率增长率走势为先增加后减少，波动范围较大也较为频繁，说明驾驶员行车的前半段注意力比较集中。当达到自己可适应范围后，开始上下波动自我调节，但随着行驶时间的增加疲劳感的加强，精神也开始有所放松。这可能与女性驾驶员的谨慎驾驶有关，但有于本次实验的女性驾驶员较少还需进一步研究。

4.2 频域分析

根据图2结合相关资料研究有如下分析：

(1)由上图可以看出0～20 min各位驾驶员的心率变异值呈增加趋势，交感神经兴奋。说明这段时间驾驶员精神紧张，注意力集中以适应草原道路的驾驶环境。20～50 min心率变异指标波动比较频繁，没有固定走势。说明交感神经与迷走神经交替作用，驾驶员各自进行调整，做出适合自己的合理的驾驶状态；50 min后心率变异指标相对稳定，末尾有所提高。说明这段时间各位驾驶员可以相对稳定驾驶，直到行车的最后时刻驾驶员才心率变化，有所兴奋。

图2 心率变异指标(LF/HF)随时间变化

(2)1和4号两位驾驶员的心率变异指标波动范围不大，突变点几乎没有，且心率变异值较小。说明在驾驶过程中HF值较高，迷走神经起主导作用，驾驶员在驾驶过程中精神放松，驾驶员也没有过度紧张造成的心率变异值突增，说明草原交通环境变化对驾驶员的影响小，驾驶员可以在草原道路轻松驾驶。

(3)2号驾驶员在全程维持了较高的心率变异值，3号驾驶员在四十分钟以前呈增加趋势，之后相对稳定且维持了较高的心率变异值。这两位驾驶员的心率变异值明显高于其他三位驾驶员，突变点较多。说明在驾驶过程中LF值较高，交感神经起主导作用，驾驶员在驾驶过程中精神比较紧张，注意力集中，外界交通环境的微小变化就可能会造成驾驶员的过渡紧张。

(4)5号驾驶员在25～50 min的时间段内维持了较高心率变异值，其他时间内维持了相对稳定且较低的心率变异值。说明驾驶员在25～50 min内LF值较高，交感神经起主导作用，驾驶员注意力

集中。在其他时间HF值较高，迷走神经兴奋，驾驶员精神放松。

5 结 论

本文通过分析静止状态下和在草原道路连续驾驶150 km的驾驶员生理信号，可以得到以下结论：

(1)在草原公路上不同驾驶员有一定的个体差异，通过1和4号驾驶员与2和3号驾驶员的心率变异差异的对比分析，说明驾驶技术和经验对稳定心态有重要意义。

(2)5号驾驶员的心率增长率下降明显，说明驾驶员的年龄对草原道路驾驶的影响很大。

(3)通过以上指标分析，发现这段草原道路行驶的驾驶员在通过20～50 min的调整路段后，对驾驶员在这段时间及之后的驾驶心理都带来了一定影响。说明合理的线形组合可以有效避免或是延迟草原道路单调环境对驾驶员可能带来的影响(如疲劳感增强，注意力下降，精神放松等)。

【参 考 文 献】

[1]李香红，朱守林，戚春华.草原道路环境对驾驶员心率影响实验研究[J].内蒙古农业大学学报，2009，30(4)：197-200.

[2]艾力·斯木吐拉，李 鑫，魏建东.沙漠公路驾驶员心理、生理特性初探[J].中国安全科学学报，2006，16(10)：9-14.

[3]郑 柯，任福田.高速公路顺直路段上驾驶员行车紧张性研究[J].北京工业大学学报,2003，29(2)：199-202.

[4]潘晓东，杜志刚.驾驶员心率和血压变动与山区公路线形关系的实验研究[J].人类工效学，2006，12(2)：16-18.

[5]姚 娜.基于驾驶员心理与生理反应的草原二级公路交通事故分析[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2006.

[6]明 东，田锡惠，杨春梅，等.心率变异(HRV)信号的谱分析方法研究[J].北京生物医学工程，2001，20(4)：252-274.

[7]唐登科.驾驶员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.

[8]李香红.草原公路景观对驾驶员心理生理影响研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2010.

[9]朱文玉，田 仁，孔晓霞.人体生理学(3版)[M].北京：北京大学医学出版社，2011.

[10]Zhu S，Qi C，Gao M，et al.Research on the effect of grassland highway curves on driver’s HRV[J].Advanced Materials Research 2013，779-780：584-591.