基于驾驶员心率变化的隧道照明频闪频率的研究

李默楠，刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海　200433)



基于驾驶员心率变化的隧道照明频闪频率的研究

李默楠，刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海200433)

摘要：在隧道光环境当中，隧道的照明频闪是一个十分重要的参数。本文从人的生理心理反应方面出发，通过记录驾驶员心率的变化，同时结合驾驶员生理方面的主观调查，得到隧道频闪参数的对于驾驶员心理生理的影响结果。

关键词：公路隧道;心率反应;隧道照明频闪;心率增长率

引言

在隧道照明设计中，隧道照明频闪是一个重要的指标。不合理的隧道照明频闪频率会引起驾驶员的烦躁、紧张、焦虑的心理，这极其容易引发交通事故。因此探究隧道照明频闪对人的影响，从而制定合理的隧道照明频闪频率标准，对隧道照明设计十分重要。

1公路隧道频闪现象

1.1光源的频闪效应

当人眼看光源的时候，如果一个光源的光在人眼中一闪即逝，然后紧接着在视网膜上再次成像，当这样的情形在人眼当中反复出现时，就会在人的视网膜上呈现时亮时灭的不连续的光，用每秒钟亮灭的次数表示人眼能够分清闪烁的界限，这个界限就是光源闪烁的临界值。我们可以通过统计学的方式来测得人眼对光源闪烁的感光特性。图1是人眼对不同频率光源闪烁的视觉敏感曲线，从图中可以发现：当光源闪烁的频率小于2.5Hz或大于15Hz时，人眼的视觉敏感系数较小，对光源的闪烁不明显，可以忽略不计；当光源的闪烁频率达到8.8Hz时，人眼的视觉敏感系数最大。光源的闪烁会对人的视觉系统有一定的刺激作用，产生一定的不舒适感。[1]

图1　视觉系数敏感曲线Fig.1　The coefficient curve about sensitivity of vision

1.2公路隧道频闪的成因

在隧道照明设计当中，一般为了节约照明的成本，照明的灯具并非是一个接一个的紧挨着排列，而是每两盏灯中存在一定的间距。当驾驶员行驶在公路隧道中时，眼睛不断受到忽明忽暗的刺激，从而造成一定的烦乱，这种现象与光源的频闪效应十分类似，叫做公路隧道的“频闪效应”。

闪烁频率可由式(1)计算。

(1)

式(1)中，f表示隧道照明的频闪频率(Hz)，v表示车辆行驶的过程中的车速(m/s)，L表示相邻的两个隧道灯之间的间距(m)。[2]

1.3公路隧道频闪效应的相关设计要求

为了防止频闪效应，在进行隧道照明设计时，根据当闪烁的频率小于2.5Hz或大于15Hz时，人眼对光源的闪烁敏感度可以忽略不计这一特点，国际照明协会发布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》中规定，“公路隧道照明的频闪频率应该控制在小于2.5Hz或大于15Hz的范围内”[3]。但是这个规范仅仅是从静态光源的闪烁频率曲线中得到的，并不能真实的反映隧道频闪频率对于驾驶员在行驶过程中的影响。

1.4隧道频闪对人的影响及实验指标的选择

目前，对于驾驶员的心理生理检测主要是用来针对检测驾驶员的疲劳程度。当驾驶员驾驶时的不舒适感到达一定的程度时，此时可以认定驾驶员出现了疲劳驾驶的情况。通常，驾驶员的疲劳驾驶反映在生理和心理两个方面。从生理上来说有眼涨、眼干、头晕、频繁眨眼、心跳加速、打哈欠等。从心理上来说有心烦、浮躁、感到压抑、精神萎靡，无法集中注意力等现象。

为了研究公路隧道频闪效应对人体的影响，本次实验需要一个可靠并且易于实现的检测方式。结合本次实验的特点以及实验设备的需求，本文中采用心率信号作为测试驾驶员心理反应的指标。

2心电信号简介

2.1心电信号反应的心理状况的依据

人体的心率是反应心脏活动的指标之一。通过大量的实验研究，Wilson等研究发现：心率信号是一个整体的指标，它可以作为被测试者在不同任务要求下的生理心理负荷的衡量标准[4]。Hart等也得到结论：心率信号可以反映被测试者的心理受到任务、环境、情绪等多种因素的影响情况。[5]

2.2心率及心率增长率

从医学和心理学上讲，对心电信号的分析主要指的是心率和R-R 间期随时间变化的规律。心率 HR(Heart Rate)是指单位时间心脏搏动的次数，通常以每分钟心率跳动的次数来表示，单位为跳/分(Beats/min，bpm)，“一般情况下，人正常的心率范围为 60bpm～100bpm”。[6]R-R 间期是指两次心跳之间R波峰的时间间隔，单位为毫秒(ms)。通常来说，一个人某一个时刻的心率与R-R间期存在着如下的关系：

(2)

但是因为心率会随着个体的差异而不同，因此仅仅利用心率的增加或较少并不能准确的反应一个人的心理变化情况，因此，北京工业大学王书灵提出“心率增长率”这样一个相对变化值即心率增长率的概念来反映驾驶状态下与平静状态下的心理的对比情况，其公式[7]为：

心率增长率=

(3)

在本次实验过程中，由于此次研究既要观察心率与平时状态下的关系，又要研究在特定频率下心率波动的有关情况，因此采用心率增长率这一指标分析数据。

3实验设计

3.1实验目的

1)分别测试驾驶员在一定频闪下和平时无频闪状况状态下的心率，判断两者之间是否有不同之处，确定研究是否存在一定的意义。

2)通过测试不同人员在相同的隧道频闪频率下的心率变化情况，得到驾驶员在一定频闪频率下的心率变化模型。

3)通过测试相同人员在不同的隧道频闪频率下的心率变化情况，得到驾驶员能够适应的隧道频闪频率范围。

3.2模拟隧道模型仿真实验的选择

根据实验的目的，为了测试实验驾驶员适应的频闪频率范围，考虑到当频率小于2.5Hz或大于15Hz时，人眼对光源频闪的敏感程度可以忽略不计，因此研究2.5Hz以下或15Hz以上时的频率并没有意义，因此这本次实验拟定的测试频率范围为1Hz～15Hz。考虑到如果采用实际驾驶的实验方式，将会对本实验造成一定的难度，因此本实验采用观看隧道模型的方式进行研究。

3.3制作隧道模型以及模拟行驶的影像

为了制作合理规范的隧道模型，本实验根据国际照明协会发布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》和我国发布的JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》中有关隧道光环境的标准制作了隧道模型，隧道模型的照明计算结果如表1所示。

表1　照明计算结果

经计算，制作的隧道模型基本符合国家和国际上的有关标准。

根据公式(1)计算出隧道模型合理的灯具间距，同时利用视频制作软件使隧道分别以一定的速度向一侧移动，令摄像头以驾驶员的视角进行录制视频，通过剪辑整合等方式分别制成时长为5～10分钟的15段视频。

3.4实验设备

主要的实验设备有迪卡侬心率表GEONAUTE 310，心率胸带，笔记本电脑，投影仪。

3.5实验方法

根据以上的实验准备和要求，拟定本次实验的具体方法如下:

1)一共测试人数为7人，每二人自由结组，一共分成四组。测试时间为连续的两个上午或者下午，预计整个实验结束需要6～8天时间。每组人员采用交替实验的方式，一人参加测试，一人休息，每人测试的时间不超过一个半小时，避免被测试者产生烦躁情绪。

2)实验步骤如下：

①实验开始前，安排本次的实验人员，为其讲解心率仪等仪器的用法，等待实验人员完全熟悉后，静坐十分钟，测试在正常状态下的心率。

②交代被测人员，令其想象自己在一个隧道中行驶的情形(如图2所示)，身心放松，不要紧张。如果在实验过程中有头晕、呕吐等不舒适的现象及时举手示意。

③播放隧道模拟仿真影像，每段时长在5～10分钟之间，并开始收集数据。

④一段视频播放以后，填写被测试者的主观感受表以及备注信息(如受到外界的干扰等)，同时换另一个被测试者观看视频。

⑤实验结束后对整个数据进行分析和整合。

图2　动态实验模拟驾驶图Fig.2　The statistics about computation of illumination

4实验数据分析

4.1生理信号的处理结果

首先对测试者进行1～7号编号，分别在安静无干扰的情况下测得他们的平均心率，其结果如表2所示。

表2　7位被测试者安静状态下的平均心率

4.2各阶段心率增长率的统计

首先将每一个时刻的心率读出来，考虑到本实验中实验数据量较大，我们先计算出7个人每时刻的平均心率增长率，并制成统计图形，统计的结果如图3～图17所示。

图3　1Hz下的平均心率增长率Fig.3　The drivers’ average heart rate growth under 1Hz

图4　2Hz下的平均心率增长率Fig.4　The drivers’ average heart rate growth under 2Hz

图5　3Hz下的平均心率增长率Fig.5　The drivers’ average heart rate growth under 3Hz

图6　4Hz下的平均心率增长率Fig.6　The drivers’ average heart rate growth under 4Hz

图7　5Hz下的平均心率增长率Fig.7　The drivers’ average heart rate growth under 5Hz

图8　6Hz下的平均心率增长率Fig.8　The drivers’ average heart rate growth under 6Hz

图9　7Hz下的平均心率增长率Fig.9　The drivers’ average heart rate growth under 7Hz

图10　8Hz下的平均心率增长率Fig.10　The drivers’ average heart rate growth under 8Hz

图11　9Hz下的平均心率增长率Fig.11　The drivers’ average heart rate growth under 9Hz

图12　10Hz下的平均心率增长率Fig.12　The drivers’ average heart rate growth under 10Hz

图13　11Hz下的平均心率增长率Fig.13　The drivers’ average heart rate growth under 11Hz

图14　12Hz下的平均心率增长率Fig.14　The drivers’ average heart rate growth under 12Hz

图15　13Hz下的平均心率增长率Fig.15　The drivers’ average heart rate growth under 13Hz

图16　14Hz下的平均心率增长率Fig.16　The drivers’ average heart rate growth under 14Hz

图17　15Hz下的平均心率增长率Fig.17　The drivers’ average heart rate growth under 15Hz

从图中7个人的平均心率增长率中我们大致可以得到以下几个结论：

1)以上各图的心率增长率都是由公式(2)算出的，它以被测试者安静状态下的心率作为标准，从图中可以看出，从1～15Hz的几乎所有心率增长率都在0值以上，这说明被测试的人员心理压力较平常安静的自然状态下的心理压力大。

2)从4～13Hz被测试人员的心率增长率都会有一个较高的峰值，且这个峰值一般都为整个测试阶段的最大值，我们可以认为在这个时刻的被测试人员的心理压力很大，普遍出现了心理紧张，烦躁不安的状态。

3)1～3Hz和14～15Hz这几张图中，被测试人员的心率增长率并没有出现一个峰值和最大值，整个心率增长率大致呈现波动下降的趋势，我们可以认为在这几个频闪频率下的测试人员心理变化波动不明显，几乎没有出现特别烦躁或紧张的心理状态。

4)考察每一张图形当中心率增长率的最大值，发现在1～6Hz和12～15Hz阶段的心率增长率的最大值都小于20%，而在7～11Hz时，心率增长率的最大值甚至会达到25%，由此可以看出在7～11Hz频闪频率下被测试人员的心理变化情况较其他频闪下的变化情况更大。

5主观调查问卷的处理

在每次视频播放以后，每一位参与测试的实验人员都被要求填写一份主观调查问卷。调查问卷主要研究的是每一位被测试者观看视频的主观感受，主观感受主要分为生理心理两类：心理上有心烦、压抑、恶心、犯困，生理上的主观感受有眼干、眼涨、流泪、恶心。被测试者要求在观看视频以后在相应的主观感受下面打勾，最后由参与实验的人员统计出不同频闪频率下产生以上各种主观感受的人数。*由于每个人的主观感受不尽相同，为了保证实验的准确性，除了上述参与心率信号搜集的7位人员，本实验又调查了其他13名测试者的观察视频后主观感受。因此参加主观感受调查的人共计有20人

为了从整体上掌握隧道频闪对人的影响，我们将15个频率下的主观感受人数相加得到图18与表3。

从图18、表3中可以发现：

1)被测试者观察视频以后主要的主观感受为眼干，眼涨和压抑，其中眼干和眼涨是人出现视觉疲劳的主要感受之一，这说明隧道频闪会对人的视觉产生一定的影响。而被测试者感到压抑是人心理活动的体现，这从另一方面说明了隧道频闪会给人带来一定的心理压力。

表3　被测试人员主观感受人数统计表

图18　各频率下主观感受人数累计图Fig.18　The total number of subjective feelings at different frequencies

2)当隧道频闪增加到一定的频率时，部分被测试者会逐渐感到流泪、心烦、恶心等现象，同时这些现象大多集中在7～9Hz。

3)随着频率的增加，有不良主观感受的人数大致呈先增加后减少的趋势。当频率为8Hz时，被测试人员的不良主观感受最多，这与人体对光源闪烁的视觉敏感曲线大致相符。

6实验总结

从以上的分析中可以看出，当频率在4～13Hz时，被测人员的心率会随着时间出现一个峰值，这表明了在这段频率下驾驶员的心理会出现明显的不舒适感，在隧道照明设计当中应当避开这一段频闪频率。同时，根据主观调查表的分析,也验证了这样的结果。综上所述，合适的隧道频闪频率应该小于4Hz或大于13Hz。

参考文献

[1] 潘旭辉，牟同升. 光源的闪烁效应及闪烁的测量方法[C]//走近 CIE26th——中国照明学会(2005)学术年会论文集.北京：中国照明学会，2005:94-96.

[2] 项立榕. 公路隧道应该避开的“频闪”区间[J]. 福建建筑，2014，7(193)：1-2.

[3] CIE 88—2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses.

[4] Wilson G F，Donnell R D. Measurement of operator workload with the neuropsychological workload test battery// In P.A. Haneoek, N.Meshkati (Eds.).Advances in Psychology，1988，(52)：63-100．

[5] Hart S G, Wiehens C D. Workload assessment and predietion//H.R.Booher(Ed.).ManPrint:an approach to systems integration. New York: VanNostrandReinhold，1990:257-296.

[6] 陈灏珠. 心率变异性的测定及其临床意义[J]. 临床心电学杂志，1994(4):55-58.

[7] 王书灵. 基于驾驶员心理反应的山区双车道公路极限坡度坡长研究[D]. 北京：北京工业大学，2005：31-32.

A Study on Tunnel Flicker’s Frequency based on Drivers’ Heart Rate

Li Monan，Liu Muqing

(InstituteforElectricLightSource,EngineeringResearchCenterofAdvancedTechnology,Ministryof

Education,fudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract：The tunnel flicker’s frequency is an important parameter in highway illumination design. This paper is based on human’s psychology and physiology indictor, through recording the changes of the heart rate and people’s subjective experience to analyze the influence of flicker’s frequency on drivers.

Key words:highway tunnel；heart rate；tunnel flicker frequency；heart rate growth

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.018