单调环境下驾驶人的警觉性时变规律

路巧珍　孙宇　朱彤

摘要：驾驶人警觉性缺失是导致交通事故的重要原因，尤其是在单调环境下。在高速公路上，由于驾驶任务简单，环境单调，道路可预测性高，驾驶人的警觉性容易涣散。为研究单调环境下驾驶人的警觉性时变规律，利用仿真软件构建驾驶环境，共有10名驾驶人参与了驾驶模拟器试验。利用主观疲劳量表测量驾驶人驾驶前后的主观疲劳状态，运用MP150采集驾驶人的心电数据，驾驶人在驾驶时需发现某种特定信号并报告。结果发现，在单调环境下，驾驶人在驾驶任务开始后30 min，其信号的漏报率在不断增加，从8%增加到32%.驾驶人的心率在驾驶过程中并无显著性差异，但其主观疲劳程度有显著增加。上述结果表明，在单调环境下驾驶1 h，驾驶人未发生生理疲劳，但其警戒性发生了变化，30 min后警觉性开始下降。也说明了单调环境会导致驾驶人警觉性下降。关键词：交通安全；驾驶人；单调环境；警觉性中图分类号：U 491

文献标识码：A文章编号：1672-7312（2017）01-0036-05

Abstract： Lack of vigilance is an important cause in traffic accident，especially in monotonous environment.Highway design reduces the driving task mainly to a lanekeeping manoeuvre.Such a task is monotonous，and the road is highly predictable，providing little stimulation.Under this environment，the drivers vigilance may easily decrease.In order to study the variation of drivers vigilance with time under the monotonous environment，a simulator test was carried out.In this test，simulation software was used to build the driving environment，in which ten drivers participated voluntarily.Subjective fatigue state was measured by using the subjective fatigue scale，and the MP150 was used to collect the Electrocardiograph （ECG） data of the drivers.Besides，the divers also need to found specific signals and report it.The result shows that drivers miss rate of signal has changed under the monotonous environment.In the final 30 min，the drivers miss rate of signal increased from 8% to 32%.The drivers heart rate has no significant difference during the driving.However，the subjective fatigue level has significant difference.It is concluded that within onehour driving under the monotonous environment，there is no fatigue on physical，but drivers vigilance decreased in 30 min after the driving.It is also proved that drivers vigilance decreased under the monotonous environment.Key words： traffic safety；driver；monotonous environment；vigilance

0引言警覺性是一种持续保持注意的状态，是指操作者在相当长的一段时间内，对环境中偶然出现的某种信号的察觉并做出反应的持续准备状态[1]。驾驶任务是一项需要驾驶员持续保持高度注意的任务，在驾驶过程中，驾驶员需要实时观察车辆周围的情况，以便对突发状况及时作出反应，以免发生事故。因此，驾驶任务可以被看作是一项警戒任务。我国相关研究表明：因驾驶人人为因素导致的公路交通事故数、死亡人数、受伤人数占总数的90%左右[2-3]。在过去的研究中发现，决策者在关键事件发生时出现了警觉性下降，而警觉性下降被认为是许多灾难事故的主要原因。由于困倦和疲劳引起的警觉性的缺失被发现会导致绩效下降，是导致很多交通和工业事故的原因[4-5]。事故数据[6]和实验研究[7-8]证明警觉性的波动对在白日驾驶尤其是在单调环境下驾驶时的安全有着很大的负面影响。因此，有必要对驾驶人的警觉性进行研究。影响警觉性的因素有外因和内因，内因包括性别、年龄、疲劳等，外因主要包括环境的单调性、需求刺激等。在单调环境下驾驶，如高速公路，任务需求低，道理环境具有高预测性和单调性，驾驶人尤其是职业驾驶人会感到单调无聊，对突发事件的反应能力会降低[8]，增加了由于缺乏警觉性而导致事故发生的风险。单调性环境下的驾驶通常在驾驶30 min以上会出现类似疲劳的现象，而从任务时间上来说，疲劳通常在超过1 h的驾驶后才会出现[9-10]。考虑到警觉性一直处于波动状态，需要选取敏感度高的指标，以往的研究多采用信号击中率、心电及脑电信号来表征警觉性。研究表明，信号漏失率越高，人的警戒性就越低[11]。心率一般用来评价个体的生理负荷水平，研究发现在单调环境下驾驶时，心率会有很大的下降。综上所述，已有研究对警觉性的研究较为缺乏。鉴于此，应用仿真模拟软件构建单调驾驶环境进行短时间的驾驶模拟器试验，将单调环境与疲劳的影响区分开来。采集驾驶人的心电数据及驾驶绩效，分析驾驶人在驾驶过程中的警觉性变化规律。本研究对进一步揭示警觉状况的理论及警示系统的设计具有理论意义与指导价值。

1方法

1.1试验材料通过驾驶模拟器试验记录驾驶人对特定信号的辨别情况及心电数据。分析驾驶人对特定信号的漏失率随时间的变化情况，同时跟驾驶人的心率数据进行对比，利用主观量表测量驾驶人的主观疲劳程度。本次试验共有10名硕士研究生自愿参加，均获得了驾驶资格证，其中，男性驾驶人6名，女性驾驶人4名。采用的是模拟驾驶，主要设备有驾驶模拟器、电脑和MP150生理记录仪及疲劳量表，如图1所示。试验场景是由UCWinRoad搭建的，场景中道路是双向四车道，单车道宽3.5 m，有直线道路和曲线道路组成，如图2所示。

1.2试验过程在试验开始前，填写主观疲劳量表，并进行模拟驾驶训练，确认驾驶人可以熟练操作驾驶模拟器后方可进行试验。训练后将MP150与被试及电脑进行连接，并设置相应的参数。在试验前告知被试以下注意事项。

1）在试验前一晚保证充足的睡眠，试验前1 h不能饮用刺激性饮料，如茶、咖啡等；

2）驾驶时间为1 h，在驾驶中被试需遵循交通规则；

3）在驾驶时不能发生交通事故，如果发生一次则费用减少40%.被试在本次模拟试验当中的驾驶任务为保持在某一车道并跟随前方车辆，与前方车辆保持一定距离；时刻注意前方车辆的状态，前方车辆会随时减速，但是速度降低程度不同，一般情况速度会下降5 km/h，偶尔会下降15 km/h，被试需对前方车辆速度降低的多少进行判断，若发现速度下降15 km/h时进行报告，在驾驶过程中被试要尽力去完成任务。试验结束后，被试需填写主观疲劳量表。

2结果

2.1驾驶人对信号的漏失率比较不同驾驶时间下驾驶人对信号的漏失率变化情况，以10 min为间隔观察漏失率的变化情况，图3（a）为10名驾驶人的信號漏报率随时间变化的箱线图，图3（b）位30 min以后驾驶人的信号漏报率的变化图。总体来看，前30 min可能由于驾驶人对要报告的信号不熟悉，不能很好地辨别出特定的信号，而随着时间增加，驾驶人对特定信号的熟悉程度增加，因此其漏失率是在逐渐减少的。但是驾驶人在30 min以后的信号漏报率却是逐渐上升的，从8%上升到了32%，即就是说驾驶人警戒性在逐渐下降的。

对驾驶人30 min后的信号漏报率曲线进行模拟，如图4所示，预测漏报率逐渐增加到一定程度后将会趋于稳定。

2.2驾驶人的心率驾驶人的心电变化，如图5所示。利用单因素方差分析对驾驶人的心率进行显著性分析，将10～20与20～30（Sig.=0.535），30～40（Sig.=0772），40～50（Sig.=0.513），50～60（Sig.=0.473）时间段内的心率均值进行对比，发现驾驶人的心率不存在显著性差异，说明驾驶人在生理上未产生疲劳现象。

2.3驾驶人的主观疲劳量表利用疲劳量表测量驾驶人在驾驶前后的主观疲劳程度，结果如图6所示，从图中可以发现驾驶人驾驶后的疲劳程度增加，利用SPSS对驾驶人的主观疲劳程度进行显著性分析，发现（Sig.=0.000）这两者之间存在显著性差异，从主观上来说，驾驶人在执行完1 h的驾驶任务后疲劳程度增加，驾驶人付出了较大的努力来完成驾驶任务。

对比驾驶人的信号漏报率、心电和主观疲劳量表数据可以发现：在1 h的驾驶任务过程中，驾驶人在生理上未产生疲劳现象，但其主观疲劳程度有较大的提高，信号漏报率先降低后又升高。说明在单调环境下，驾驶人的警觉性会发生变化，30 min后其警觉性处于下降趋势。

3讨论以往对单调环境下的驾驶研究多倾向于疲劳的研究，但对疲劳驾驶研究中存在一个局限性：驾驶过程是一个时刻需要保持高度警觉的过程，一个小小的疏忽都有可能导致较大、致命的交通事故。驾驶人由驾驶走神时的准清醒状态至精神不振、昏昏欲睡状态，再至打磕睡的疲劳状态的过程中，警觉性处于变化的状态，若只是检测驾驶人疲劳再发出警告可能为时已晚，驾驶人很有可能在产生疲劳以前由于其他因素导致警觉性降低，从而发生交通事故，使得车上人员的生命财产安全难以得到有效保障。据统计分析，驾驶人警觉性下降对驾驶安全性的影响比例要高于疲劳驾驶因素的影响的比例[12]。文中参照经典的时钟实验，通过让驾驶人检测驾驶过程中的特定信号来模拟真实驾驶环境中可能遇到的微弱的危险信号，用客观的驾驶绩效即驾驶人未能够检测到特定信号的概率来评测驾驶人的警觉性水平，能够直观地观察其警觉性水平的变化。文中不讨论是何种原因造成的驾驶人警觉性的波动，只讨论驾驶人的警觉性是如何变化的。从驾驶人对特定信号的漏报率变化情况来看，驾驶人在驾驶前面30 min驾驶员的信号漏报率逐渐降低可能是由于刚开始驾驶人对时间的判断上把握不准，随着时间的增加，能够很好地辨识特定信号，所以其漏报率会存在下降的趋势。而在驾驶30 min后的那半个小时中漏报率则在不断上升，这与Mackworth对人的警觉性的研究结果一致。在后来的研究中，心率的变化也经常来表示警戒性的水平，但在此次试验中心率虽然略有降低，但并未有显著性变化，可能是由于驾驶人要集中注意力判断前方车辆的制动情况，其生理上一直处于较为紧张的状态，其主观状态上感觉到疲劳也印证了这一点。驾驶人的主观疲劳感在试验前后有着显著的差异，说明驾驶人在进行试验时付出了较多的努力。结合信号漏报率及心率的变化情况说明即使驾驶人本身主观上想要努力检测到特定信号，依然还是会错过这些信号，并且随着时间的增加，错过的信号会越来越多。在单调环境下，如在高速公路上的驾驶，驾驶任务单调、需求刺激少以及危险信号出现的不确定性会降低驾驶人的警觉性，不能及时发现出现的危险信号并作出反应，使得事故发生的可能性增加。文中研究了1 h的驾驶人的警觉性变化情况，可能还不够深入了解驾驶人警觉性的时变规律，1 h以后的变化情况还未得知，在以后的研究当中，期望研究更长时间的驾驶人警觉性变化规律，以及如何提高驾驶人警觉性。

4结论论文通过驾驶模拟器试验采集驾驶人对信号的辨别情况、心电数据，利用主观疲劳量表测量驾驶前后的驾驶人主观疲劳程度，分析这3个指标在驾驶过程中的变化情况，得到以下结论。1）驾驶人对信号的漏报率先降低后增加，前30 min漏报率逐渐降低，后30 min又不断增加，说明在单调环境下驾驶30 min以后，驾驶人的警戒性在逐渐下降；

2）对各时间段驾驶人的心率均值进行统计学分析，发现1 h内驾驶人的心率并无显著性变化，说明其生理上并未达到疲劳状态；

3）对比驾驶人驾驶前后的主观疲劳量表数据，驾驶人驾驶前后的疲劳程度有显著性差异，说明在执行完驾驶任务后，驾驶人主观感觉疲劳程度增加，驾驶人在执行任务过程中付出了较多的努力。

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