环境温度与车速对驾驶员认知的影响机理研究

金 涛，吴正新，何家敏，王文睿，顾浩然

(中国石油大学(华东) 机电工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

重大交通事故大概率是由人的失误造成[1]，环境温度是引发因素之一[2]。过高或过低的环境温度限制了人体唤醒程度，如夏冬两季的事故率显著高于春秋两季，驾驶员在行驶过程中认知负担显著增加。夏季高考(NCEE)成绩表明，温度适宜地区的考生平均总得分优于温度较高的地区[3]。在寒冷环境中，运动员、职业工人和军人认知判断的速度显著下降[4]。环境温度是引起人类认知能力下降的重要原因。因此，通过认知环境优化来降低操作者的认知负载是提高认知绩效的有效途径之一。

学者研究了驾驶中环境温度与认知绩效的关系，将环境温度分为3个区间，即低温(5～10 ℃)，中温(20～25 ℃)和高温(30～35 ℃)[5-6]。R.R.MACKIE等[7]通过公路测试研究了热应力对驾驶者唤醒程度的影响，结果表明炎热环境中驾驶员出现了更多技术错误，偏离车道路线的趋势随之增加；H.DAANEN等[5]记录了低温环境下车辆的横向位置偏差，结果表明低温和高温时车辆横向位置的偏差显著大于中温，这与J.PILCHER等[8]的研究结果相似，即过高或过低的环境温度都会导致驾驶员认知能力的下降；但N.F.CHOWDHURY[6]发现，3种环境温度下车辆在车道内的横向位置没有显著差异，车速却产生了显著波动，高温时的车速波动显著大于中温和低温；C.WANG等[9]证实了车速显著影响了驾驶员的认知绩效，通过记录驾驶员注意力的分散时间发现，车速越高驾驶员的横向控制能力越差。此外，S.DAFFY[10]通过皮肤电反应分析发现，车速影响了驾驶员的认知心理。可见，车速是影响驾驶员认知的又一重要因素。在生理层面，一些学者[11-12]记录了驾驶任务期间的EEG (electroencephalo gram)，尝试从生理角度揭示驾驶员的认知绩效。也有学者通过与任务无关的听觉探测技术表明：听觉ERP (event-related potential) 中N100和P200波形是体现驾驶员认知绩效的可靠指标[13]。

综上所述，一方面，学者们对高温、中温与驾驶员认知绩效影响的研究结论相似，但对低温下的研究结果存在争议；另一方面，前人的研究中没有考虑初始车速，也鲜有从生理角度揭示认知机理。

相对于前人的研究方法，笔者对组合效应实验做出了部分改进。将参与者应急响应的反应时作为绩效评估指标，更加符合现实应用场景；通过车辆的刹车灯以不规则的时间间隔进行闪烁，降低参与者对知觉负载的预期；在选定的温度下，将不同车速以随机顺序出现，弥补前人研究的空白。脑电实验通过ERP生理指标揭示了环境温度和车速的组合效应引发驾驶员自上而下的内源性认知机理。

1 组合效应实验

1.1 参与者

选取40名在校学生参加实验，年龄在20～24岁，均为右利手，持有合法驾驶执照1年以上，视力或矫正视力正常，无色盲色弱。所有参与者均未参加过类似实验, 实验后会获得相应报酬。

1.2 环境与设备

实验在中国石油大学(华东)气候室内进行，室内温度精度约为1 ℃，室内相对湿度精度约为50%。参与者均提前进入气候室以适应驾驶环境，在所有温度条件下，参与者衣服热阻不超过0.3 clo[14]。实验采用“易驾星驾驶模拟器”(图1)，包括1个27寸显示屏、力反馈转向系统、可调节的方向盘、油门踏板、刹车踏板以及离合器踏板，为减少手动换挡对实验影响，实验前将驾驶模拟器调节成自动档模式。

图1 易驾星驾驶模拟器Fig. 1 EASE TO DRIVE STAR simulator

1.3 实验流程

实验采用3(环境温度：低、中、高)×3(车速：低、中、高)参与者内设计，即依次在5～10 ℃(低温)、20～25 ℃(中温)和30～35 ℃(高温)下分别进行时长为15 min的模拟驾驶实验。在选定温度下，低速(50 km/h)、中速(80 km/h)和高速(110 km/h)随机顺序出现，参与者在3种车速条件下各驾驶5 min，实验后进行15 min的休息以消除疲劳并准备下1组实验。驾驶任务场景由“Unity3D”2020版创建，软件模拟了平坦道路上车流量较少的交通状况。在驾驶中，模拟车辆与前方的目标车辆保持恒定距离，参与者需对应急事件做出制动反应，即前车刹车灯亮起时，参与者需做出制动反应，若未采取制动则视为错过响应。前方车辆刹车灯以不规则的时间间隔闪烁500 ms。为保持预定速度，当参与者踩下制动踏板时汽车并未减速，制动踏板的使用实际为驾驶中的响应任务，而不是真正的制动。实验结束后，采用李克特(Likert)7点量表对参与者驾驶感受进行评分。

1.4 实验结果

对参与者踩下制动踏板的平均反应时进行统计，依据数据异常值处理方法[15]，分析过程中排除了2.5%的实验数据。3种环境温度范围中不同车速的平均反应时如图2。

图2 三种温度下不同车速的平均反应时Fig. 2 Average response time of different vehicle speeds at threetemperatures

将平均反应时进行3×3重复测量方差分析，结果表明：环境温度主效应显著(F=371.25，p<0.01；F值为F检验的统计量值，p值为概率值)，驾驶中环境温度对认知绩效有显著影响；速度主效应显著(F=37.46，p<0.05)，速度对认知绩效有显著影响；环境温度与车速的交互效应显著(F=35.28，p<0.05)。对环境温度主效应进行事后多重比较(LSD)的结果表明：中温的平均反应时(523 ms)显著低于高温的平均反应时(817 ms)和低温的平均反应时(659 ms)，(p<0.01)，表明中温环境下驾驶员的认知绩效得到了改善。对驾驶速度主效应进行事后多重比较的结果表明：低速的平均反应时(648 ms)显著低于中速的平均反应时(702 ms)和高速的平均反应时(715 ms)，(p<0.05)。

环境温度与驾驶车速的交互效应如图3，进行简单效应分析，结果如下：

图3 环境温度与车速的交互效应Fig. 3 Interaction between ambient temperature and vehicle speed

1)低温条件下，低速、中速和高速的平均反应时两两间均差异显著(p<0.05)。中温条件下，高速的平均反应时显著低于中速和低速时(p<0.05)，中速和低速时的平均反应时无显著差异(p>0.05)。高温条件下，低速和中速的平均反应时差异显著(p<0.05)，中速和高速的平均反应时无显著差异(p>0.05)。

2)低速行驶时，中温的平均反应时显著低于高温时(p<0.01)，低温和中温时的平均反应时无显著差异(p>0.05)。中速和高速行驶时，3种温度下平均反应时两两之间差异显著(p<0.01)。

驾驶过程中车速的影响不可避免，结合参与者的制动反应时间和主观评价，为将车速的负面影响最小化，仅保留了不同环境温度下的最优车速，以研究不同环境温度下的驾驶员认知机理差异。对低温-低速、中温-高速和高温-低速3种组合效应进行单因素方差分析，如图4。由图4可知：3种组合效应对认知绩效的影响差异具有统计学意义，(F=31.47，p<0.01)。事后分析显示，中温-高速组合平均反应时显著少于低温-低速组合(p<0.05)和高温-低速组合(p<0.01)。

图4 三种组合效应下的平均反应时Fig. 4 Average response time under three combination effects

1.5 小 结

组合效应实验研究了不同环境温度下参与者认知绩效的影响差异，结果发现：参与者在中温环境下的平均反应时间显著低于低温和高温环境，舒适的温度环境有助于认知的提升；但车速是阻碍参与者认知的重要因素，低速的平均反应时显著低于高速和中速。以上表明，环境温度和车速共同影响了驾驶员的认知绩效。为将车速的负面影响最小化，仅保留了不同环境温度下的最优车速进一步研究。在低温-低速、中温-高速和高温-低速3种温度组合效应下，驾驶员的认知绩效与唤醒水平呈现倒U形关系，认知绩效随着环境温度的提高先上升后下降，驾驶员的制动反应时间随着温度的升高先下降后上升。在中温-高速组合下驾驶员应急反应时有效降低，驾驶安全性显著提升，此时的参与者主观评价最高。据推测，复杂的驾驶任务环境会导致驾驶员主观认知努力程度的加深，从而牺牲了制动性能。

为揭示最优车速下的3种组合效应对认知绩效的影响机理，脑电实验在组合效应实验基础上采集脑电数据作进一步分析。

2 脑电实验

2.1 参与者

选取40名在校生参加了实验，所有参与者均未参加组合效应实验，其余要求与组合效应实验保持一致。

2.2 实验流程与设备

在低温-低速、中温-高速和高温-低速3种组合效应条件下，使用Neuroscan EEG系统和包含64个Ag/AgCl电极帽连续记录脑电图(EEG)信号，基于扩展的国际10～20系统放置电极。参考文献[12]，以双耳乳突作为参考电极，所有的EEG电极阻抗均保持在5 kΩ以下，并通过Curry 7.0以1 000 Hz速率采样，并以0.1～30.0 Hz之间进行带通滤波。参与者在整个驾驶任务中佩戴无线EEG帽，其余条件与组合效应实验相同。

2.3 与驾驶任务无关的听觉探测刺激

听觉探测刺激被用作辅助任务来引发ERP，探测刺激与文献[16]一致，刺激序列以大约75 dB/SPL的频率提供，由500～1600 Hz的12个纯音组成，音调出现顺序随机，每个音调的持续时间为50 ms(包括10 ms的上升和下降时间)，刺激间隔从400～800 ms(平均值M=600 ms)不等，每组实验中共呈现75个刺激。

在探测技术中参与者执行驾驶任务的同时离散地呈现听觉刺激，并且要求参与者忽略探测刺激。探测刺激的呈现不会干扰驾驶任务，未有参与者因听觉刺激的呈现而感到不适。

2.4 数据处理与分析

离线数据通过应用Curry 7.0 SBA进行处理。为计算由听觉刺激引起的事件相关电位(ERP)，从刺激开始前200 ms到刺激开始后800 ms计算EEG信号。此外，对刺激开始前的200 ms内的脑电信号进行基线校正并去除眼动伪影，振幅大于50 μV的时期(平均0.5%的时期)被排除在外。随后分别对每个通道和刺激类型的事件相关电位进行平均，然后用单个参与者的ERP，得到总平均波形用于显示和分析。

参考文献[17]，从选定的15个电极位置(FP1，FPz，FP2，F3，Fz，F4，C3，Cz，C4，P3，Pz，P4，O1，Oz和O2)分析了N100和P200成分。以上电极对应着5个脑区：额极区(FP1，FPz，FP2)，额叶区(F3，Fz，F4)，中央区(C3，Cz，C4)，顶区(P3，Pz，P4)和枕区(O1，Oz和O2)。N100(在100 ms左右出现的负波)和P200(在200 ms左右出现的正波)波形的平均振幅分别在50～150 ms和150～250 ms[18]时间区间内测量得到，通过重复测量方差方法分析了测量结果。

2.5 ERP结果

50～250ms内不同脑区的N100和P200波形振幅的平均值(M)和标准偏差(SD)，如表1、表2。

表1 在50～150 ms内不同脑区N100波形振幅的M和SDTable 1 Average value (M) and standard deviation (SD) of N100amplitudes in different brain regions within 50-150 ms μV

表2 在150～250 ms内不同脑区P200波形振幅的M和SDTable 2 Average value (M) and standard deviation (SD) of P200amplitudes in different brain regions within 150-250 ms μV

对“组合效应”(3个组合：低温-低速，中温-高速，高温-低速)和“电极部位”(5个级别：额极，额叶，中央，顶叶和枕叶)进行3×5重复测量方差分析。

N100波形振幅方差分析结果表明：组合效应和电极位置之间没有交互作用(F=2.42，p>0.05)；组合效应主效应显著(F=16.98，p<0.01)，在50～150 ms的时间范围内，中温-高速组合下N100振幅更低；电极部位也具有显著影响(F=128.52，p<0.01)。事后分析显示，额叶区引起的N100振幅显著大于其他脑区(p<0.01)。

P200波形振幅方差分析结果表明：组合效应和电极位置间没有相互作用(F=2.36，p>0.05)；组合效应主效应显著(F=13.69，p<0.01)，在150～250 ms的时间范围内，中温-高速组合下P200振幅更高；电极部位具有显著影响(F=47.79，p<0.01)。事后分析显示，额叶区引起的P200振幅显著大于其他脑区(p<0.01)。

-200～800 ms内额叶区域不同组合效应下平均N100波形和P200波形如图5。由图5可知：在中温-高速组合下，N100波形显著低于低温-低速组合和高温-低速组合，而P200波形显著高于低温-低速组合和高温-低速组合；3种组合效应下额叶区域的N100波形和P200波形的平均振幅两两间均差异显著。由如图6脑区地形图可知，N100和P200平均振幅具有中央分布的典型特征。

图5 在-200～800 ms额叶区域电极的ERP波形的平均值Fig. 5 The average value of the ERP waveform of theelectrodes in the frontal areas between -200 and 800 ms

图6 3种组合效应下N100和P200平均振幅的地形图Fig. 6 Topographic map of the average amplitude ofN100 and P200 under three combination effects

2.6 小 结

脑电实验证明，环境温度和车速的组合效应显著刺激了大脑的额叶区域，中温-高速组合效应中N100波形的振幅显著下降，P200波形的振幅显著升高；且N100波形和P200波形符合中央分布的ERP典型特征。不同驾驶环境下驾驶员的认知可通过脑电信号的变化体现出来，与文献[19]一致，当参与者体验到主观驾驶乐趣或困难时，与任务无关的听觉探针引起的ERP的振幅会降低。总体而言，N100和P200波形的振幅与驾驶员的认知工作量存在相关性，因此中温-高速组合效应反应时少于低温-低速组合和高温-低速组合，从脑神经认知角度解释了3种组合效应对认知绩效的影响机理。

在中温-高速组合效应下，额叶区域的N100波形的平均振幅均显著低于其他组合，驾驶员的主观驾驶乐趣评分较高，故驾驶员获得了较好的认知表现。

高温-低速组合及低温-低速组合效应下驾驶员的认知绩效将显著降低。高温-低速组合效应下驾驶员制动反应时较长的原因如下：高温下额叶区域的P200波形平均振幅均显著低于其他水平，驾驶员的主观驾驶困难感较高；人体对环境温度敏感度高，尤其是高温容易造成驾驶员认知能力下降，在温度相关的研究中[3,20]可以得到验证；温度的升高还会影响人体的血液循环，导致供给大脑的血液减少从而产生困意，这也是造成驾驶员认知绩效下降的重要原因。

低温组合下额叶区域的N100和N200波形的振幅均与中温、高温组合两两间均存在差异显著，这解释了3种温度环境下的制动反应时均存在显著影响的根本原因。低温-低速组合效应中驾驶员制动反应时较长的原因如下：低温时驾驶员认知占据量较大、操作敏捷性大幅降低，但有些参与者在实验过程中发抖也可能会干扰驾驶任务。尽管有大量证据表明低温会导致人体认知能力的下降，但也有证据表明暴露于低温环境下会改善认知能力[21]。目前的研究中，低温区间的划分未达成共识，参与者暴露于低温环境下的时间也不同。

3 结 论

不适的环境温度限制了人体认知能力，优化驾驶员认知环境是减少交通事故的有效途径之一。笔者探讨了不同驾驶环境任务下驾驶员的认知表现，基于最优车速对组合效应进行“行为-生理”的综合探究。结论如下：

1)环境温度与车速共同影响了驾驶员的认知绩效，其中车速起调节作用。低温或高温环境下车速过高会干扰驾驶任务；而中温环境下高速行驶驾驶员能够维持良好的驾驶表现。驾驶者处于高温或低温环境时极易引发认知资源的稀释，从而牺牲了制动性能。以上基于不同环境温度下的最优车速，揭示了低温-低速、中温-高速和高温-低速的组合效应的认知机理。

2)环境温度引发了参与者自上而下的内源性认知差异。通过ERP生理技术监测了脑区的活动差异，N100和P200可作为实时监测驾驶员认知的可靠信号，为驾驶员认知绩效的评估提供依据，也为车内环境温度的智能调控提供新的思路。

为减少其他因素给实验结果带来负面影响，模拟驾驶是在短期气候室内进行的。由于疫情影响，参与者选择了在校学生。以后的研究中将考虑不同年龄的参与者样本进行封闭道路的驾驶，采用连续的温度区间深入研究环境温度与驾驶认知机制间的映射模型。