高原公路连续驾驶时间对驾驶员疲劳影响的分析

李天彪，艾力·斯木吐拉

（新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐830052）

近年来随着高原公路里程和汽车保有量的增加，高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以及草原公路上，仅有姬生强等人就驾驶员特性与交通安全设施间的关系进行了研究，高原公路交通事故还没能得到应有的重视。据相关研究表明:高原地区主要道路上重特大交通事故多发，其发生与高原恶劣的环境和驾驶员因素相关性极大。受高原低氧环境的影响很容易使驾驶员产生驾驶疲劳以及不适感，主要表现为注意广度、注意转移、短时记忆、复杂思维判断力下降，导致驾驶员驾驶能力下降，严重影响到行车安全。由于高原低氧环境的影响，在高原地区连续长时间行驶极易出现驾驶疲劳，从而导致交通事故的发生。本文通过分析在帕米尔高原典型高原公路上驾驶员连续驾驶过程的生理信号，探究驾驶员在高原公路行车时出现生理疲劳状态的时间以及连续驾驶过程中驾驶员生理指标的变化规律。

1 试验方案设计

1.1 被试者及实验设备

因为高原地区自然环境及条件恶劣，很难进行大样本试验。为排除高原习服对实验结果的影响，被试者确定为初上高原、身体健康、无高原行车经历并具有2年以上驾龄的3名男性，并选取当地驾驶员一名与外地人员进行对比，驾驶人员信息见表1所示。

1.2 试验设备

试验设备包括:国产SUV机动车、奥地利公司生产的biofeedback 2000x－pert型生物反馈仪、车载充电器、笔记本电脑、手持GPS等。

表1 测试人员情况表

1.3 驾驶试验路段

试验路段选取314国道塔什库尔干县至红旗拉甫边防检查站哨所为约120km路段。该路段公路设计等级为3级，小汽车设计车速为80km／h。该路段具有典型的高原公路特征，道路两旁主体景观较为单一，道路平面线形以直线和大半径曲线为主，海拔上升较为均匀，道路的长度，宽度，车流量都满足实验要求。

1.4 试验流程

要求驾驶员在试验前1天保证充足睡眠，在试验之前24h内禁止饮酒，3h内禁止喝茶、咖啡。为保证试验数据的可比性，试验保证在每天相同的时间开始，单程需要2h，到达终点休息放松40min后进行返程试验。测试期间要求驾驶员将车速控制在60km／h左右，并在试验过程中记录超车会车等特殊交通状况的具体时间。实验开始前，先用生物反馈仪测量10min驾驶员的静态生理数据。

1.5 数据获取

心率变异性相关数据用生物反馈仪进行采集，连续实时采集驾驶员心电信号。通过自带的数据处理模块分析并输出被试者心率、时域以及心率变异性的频域指标。心率变异性是指逐次心跳RR间期不断波动的现象，表现了心率或心动周期变化程度。

2 指标选取

人体的心理生理指标是研究人体的状态以及疲劳程度的信号参数。在驾驶员疲劳评价指标中用的较多的有:脑电信号、肌电信号、心电信号等。考虑到其他信号在实地行车检测中，易对驾驶员造成干扰，不易获得驾驶试验过程中驾驶员的准确生理数据。本文选用可测试性强，且数据处理方法相对成熟的心电指标作为高原公路驾驶员的生理测评指标。其常用的分析指标有心率（HR）和心率变异性（HRV）。

心率指单位时间内心脏搏动的次数，常用单位次／min。心脏活动由自主神经（即植物神经）系统通过末梢对心血管功能实现调节。外界环境的变化会影响到心率，如遇到外界环境突变、精神紧张或者情绪发生改变时心率会加快；在休息或者睡眠状态下时心率会减慢。试验主要研究在高原公路行车时连续行车时间对驾驶员疲劳的影响，考虑到受测驾驶员的个体差异（如年龄，身体状况等）以及高原公路动态驾驶试验的特点。为更好地反映被试者心律的波动情况，可利用某时刻实际心率值H（t）减去静态测试时心率的平均值，得到心率在该时刻的波动值h（t），即

式中:h（t）表示心率在某时刻的波动量，次／min；H（t）表示被试者在某时间段的心率，次／min；h表示被试者在静态测试时的平均心率，次／min。

有研究指出，人在不同状态下，心率的变化规律并不相同:人体在正常状态下心率波动最大；当处于临界状态下时心率波动最小几乎不变；处于疲劳状态时心率波动较为平缓且随时间的增加有降低的趋势。

心率变异性（HRV）指心率波动周期存在的微小变化程度。相关研究表明心率变异性能够有效反映脑力和体力疲劳状况，因而能够作为检测驾驶疲劳的重要指标。心率变异性的时域及频域指标主要有:

SDNN:24h内全部正常R－R间期的标准差，它反映24h内心率变异的总和。

LF:心率变异的低频成分，可以反映交感神经调节强度。

HF:心率变异的高频成分，可以反映副交感神经调节强度。

杨渝书等人在实验室中通过动态驾驶模拟实验采集分析了16名被试者90min模拟操作的心电信号，并对心电信号进行时域与频域分析。发现随着疲劳程度的加深，SDNN、LF、LF／HF明显上升，HF显著下降。指出心率变异性的时频域指标中SDNN、LF、HF、LF／HF这四项指标可用于对驾驶疲劳程度进行定量化的反映和评判。其中LF对驾驶疲劳程度的反映最敏感。李增勇等人指出随疲劳程度的加深，LF、LF／HF会显著升高。

本文对行车试验过程中被试者的平均心率，心率波动值、SDNN、LF、HF、LF／HF等指标进行处理，以初步分析在高原公路长时间驾驶过程中驾驶员生理指标的变化规律以及驾驶疲劳出现的时间。

3 数据处理

3.1 数据处理方法

本文在分析过程中仅对被测驾驶员在试验过程中疲劳感觉较为明显的上行过程进行分析。在数据处理之前应对数据的错误记录段进行剔除，然后用EXCEL对数据进行处理。心率指标用平均心率及心率波动值进行分析。计算出全体驾驶员整个驾驶试验过程中每2分钟的平均心率及相对于静态条件下的心率波动值，并绘制曲线图以反映连续驾驶过程中驾驶员心率的变化规律。根据心率分析结果，导出被试者呈现出疲劳的时间段内的心率变异性指标。分别计算每位被试者静态测试以及表现出疲劳时段内的SDNN、LF、HF以及LF／HF数据进行对比分析。

3.2 被试者心率分析

主要分析连续驾驶条件下驾驶员心率及心率波动随驾驶时间的变化规律以及分析出现变化的原因。通过excel计算被试者的平均心率以及心率波动的平均值，并绘制其随驾驶时间的变化的散点图，如图1、图2所示。

图1 心率随时间变化

图2 心率波动值随时间变化

由图1可以看出被试者平均心率随驾驶时间的增加初期有增加的趋势，在20min后整体下降趋势明显。可以说明随驾驶时间的增加，被试者平均心率表明驾驶员出现了疲劳状态。开始时驾驶员心率呈增长态势，原因是驾驶员开始驾驶时对路况及车况不够熟悉，精神较为紧张，导致心率加快，此外高原缺氧环境对驾驶员心率也有一定的影响。

由图2可以看出，从驾驶实验开始到70min时，驾驶员心率波动值随驾驶时间的变化波动较为明显；70～80min驾驶员心率随驾驶时间的变化波动较为平缓几乎没有发生波动；且在80min后心率波动平缓且随驾驶时间的增加呈下降趋势。依据毛喆对不同精神状态下心率波动值变化规律的研究成果可知，被试者在70～80min出现了疲劳状态。

3.3 被试者心率变异性分析

为了验证被试者是否在70～80min出现了疲劳症状，对每位被试者在这一时段的心率变异性指标与静态条件下的心率变异性数据进行对比分析，如表2所示。根据数据作统计图表图3～图6，可以看出:被试者心率变异性时域及频域指标，在70～80min与静态条件下相比均发生了变化。其中，SDNN、LF、LF／HF的值均呈上升变化，HF的值呈下降变化。说明被试者在高原公路上连续驾驶70～80min时均表现出了不同程度的疲劳。

表2 上行过程驾驶员心率变异性时域及频域指标

图3 驾驶员试验前后SDNN变化

3.4 心率变异性与驾驶时间的关系

对驾驶员行驶过程中心率变异性时频域指标以1min为单位进行划分，并求各时间段的平均值，并对心率变异性时频域指标与驾驶时间做相关性分析，如表3所示。

图4 驾驶员试验前后LF变化

图5 驾驶员试验前后HF变化

图6 驾驶员试验前后LF／HF变化

表3 心率变异性时频域指标与时间的相关性分析

由表3中数据可知在高原公路驾驶过程中LF／HF和LF与时间的相关性较高且显著相关（显著性水平小于0.01），即LF／HF和LF对驾驶疲劳的敏感度较高，在今后的研究中可以将LF／HF和LF作为评价高原公路驾驶员疲劳的心率变异性指标。通过对比以相关性最高的比率指标LF／HF作为评价疲劳的指标。

驾驶员的LF／HF做单样本K－S检验，结果表明驾驶员心率变异性比率指标LF／HF呈正态分布（样本量N＝120，双侧检验Z值为0.482，显著性概率P＝0.978＞0.05）。用驾驶员在20～30min的心率变异性比率指标LF／HF作为参考值，来排除被试者在开始驾驶时适应阶段的心率变异性指标变化，其余以10min为时间间隔对LF／HF进行划分，将试验过程数据各时段与参考时段进行配对T检验，其检验结果见表4所示。

表4 驾驶员心率变异性比率指标LF／HF配对T检验结果

根据配对T检验分析结果可知，0～10min差异性显著，这个时间段驾驶员刚开始进行驾驶作业需要一个适应阶段来适应高原环境的驾驶作业，因此表现出的显著性差异不是由疲劳引起的。在70min左右再次表现出了显著性差异，但在100min左右LF／HF没有表现出显著性差异，对比行车记录仪记录的试验视频资料，发现在这一时间段驾驶员所经路段线形变化较大，且有连续弯道，可能是道路环境的变化对驾驶员刺激较大所致。随着驾驶员行车时间的增加，差异性显著（P＜0.05），驾驶员心率变异性比率指标的差异性逐渐增大。驾驶员在高原地区行车时，连续驾驶70min左右时出现疲劳症状，随着连续驾驶时间的增加驾驶员疲劳程度加深，并且驾驶员的疲劳会受到道路状况的影响，但是疲劳不会消失。随着连续驾驶时间的增加不断积累，致使驾驶员疲劳程度进一步加重。

4 结 论

通过分析高原公路驾驶试验被试者生理信号检测数据，可以得到以下结论:

1）心率变异比率指标LF／HF对疲劳最敏感，适合作为评价高原公路驾驶疲劳的评价指标；

2）在高原公路上连续驾驶70～80min时，被试者疲劳生理指标显现，表现出疲劳症状，被试者心率波动较为平缓且随驾驶时间的增加，心率波动值呈下降趋势；

3）连续驾驶70～80min时，被试者心率变异性指标中SDNN、LF、LF／HF的值均增大，HF的值减小，表明被试者均出现了不同程度的疲劳，以LF／HF作为疲劳程度评价指标，外地被试者的疲劳程度较本地被试者更深，说明高原缺氧环境对外地初上高原驾驶员的影响较为明显，会使人体疲劳程度加深；

4）根据对LF／HF配对T检验结果表明，驾驶员在连续驾驶70min左右时会出现疲劳症状，并且随驾驶时间的增加疲劳不断累积，疲劳程度增大。此时驾驶员已经不适合继续驾车，应当停车适当休息放松，以保证行车安全。

由上述分析结果表明:驾驶员心电信号中LF／HF对疲劳的影响较为敏感可以作为评价高原地区驾驶员疲劳的评价指标。根据对心率波动值以及心率变异性比率指标LF／HF的配对T检验结果分析，认为驾驶员在高原地区连续驾驶70min左右会出现疲劳症状。但是由于高原地区自然条件恶劣，很难进行大样本实地驾驶试验，故本文结论仅是对驾驶试验中的测试数据进行连续驾驶时间方面的分析，没有对海拔对驾驶疲劳的影响进行分析。有关疲劳指标的量化以及高原地区公路驾驶员疲劳出现的时间还需结合其它指标及海拔变化和道路线形等因素进行进一步的论证。心率及心率变异性指标反应出的是精神和心理方面的疲劳，在今后的研究中还应该对驾驶员的视觉以及体力方面的疲劳进行进一步的分析。

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