车辆环境温度对驾驶人认知能力的影响

翟颖妮 王相霖 牛浩波 王鑫塔

(1 西安建筑科技大学机电工程学院 西安 710055;2 西安建筑科技大学 省部共建西部绿色建筑国家重点实验室 西安 710055)

车辆环境温度会影响驾驶人的主观热感受,不舒适的车内环境会对驾驶安全构成威胁,使驾驶人员出现注意力不集中与决策失误,可能会引发交通事故[1-3]。

现有的关于车辆环境温度对驾驶人影响的研究主要集中于主观热舒适。S. Yun等[4-5]对影响车辆热舒适关键因素的研究发现空气温度的改变会导致热舒适发生变化。李伟健等[6]研究驾乘舱中人体热生理响应与主观热感觉的关系,发现驾乘人员的脉率、血压与其热感觉得分具有较强的相关性。C. Rosaria等[7]研究人体不同部位对车内温度变化的敏感程度,发现温度对肩膀和背部区域的影响最大。Zhou Xiaojie等[8-9]发现平均皮肤温度是决定汽车热舒适程度的重要因素。一些研究表明,驾驶人员在炎热的环境中会出现更多的驾驶失误,从而引发交通事故[10-11]。

现有关于人员的认知能力的研究主要集中于室内环境领域,室内环境温度的变化不仅影响人的热舒适,同时对其认知能力也会产生影响。2020年,H. Kim等[12]分析了不同室内热环境及其诱导的生理心理参数变化对大学生认知能力的影响因素,发现在25.7 ℃时认知表现最好,同时,室内热条件可以通过激活生理反应来影响认知能力。Wang Dengjia等[13]发现被试者在感到稍暖(27 ℃)的室内环境中认知表现最佳。K. Tham等[14]通过对办公环境的模拟,发现室内气温对工作表现有较大的影响,较低的室温会降低热舒适度,刺激控制体温调节的神经系统,提高个体的警觉性与注意力。Lan Li等[15]发现高温导致的热不舒适会显著降低认知速度。

综上所述,车辆环境温度变化不仅对驾驶人的主观舒适度产生影响,同时对认知能力也有显著影响。由于空间大小、人员活动强度的不同,室内热环境对认知能力的影响规律并不适用于驾驶人的认知能力评价。本文通过模拟不同车辆环境温度下的驾驶任务,获取被试者的生理参数、主观感受及认知能力测试结果,分析不同车辆环境温度对驾驶人认知能力的影响机制,为改善车辆热环境,提高驾驶安全提供参考。

1 研究方法

1.1 试验布置

试验布置如图1所示,被试者在搭建的模拟平台上进行单一环境道路(高速)的驾驶[16]、认知能力测试和问卷调查,副驾驶的辅助人员测量被试的生理数据,并记录认知能力测试完成时间和错误次数。

图1 试验布置与车内环境

1.2 被试对象

研究采用被试内设计,根据统计功效(statistical power,sp)与效应量(effect size,es)确定样本容量[17],共招募10名年龄在21～24岁(平均值M=22.3岁,标准差SD=1.06岁)的在校男性大学生参与试验,平均身体质量指数(body mass index,BMI)为(22.51±1.38) kg/m2。被试者身着长袖和长裤的夏季服装,衣服热阻约为0.9 clo[18]。被试者日常生活规律,睡眠充足,身体健康,试验前均被告知试验方案,并进行实际操作培训,确保所有被试者的认知能力测试熟练度稳定,采用平衡拉丁方设计来控制试验顺序,以减少疲劳和练习效应[19]。试验前保证充足的食物与水分摄入,试验过程中不再补充,以减少口渴,低血糖等因素的影响。

1.3 试验过程

为模拟真实车内环境,使用空调控制环境温度,同时保持湿度在55%±5%范围内。试验前30 min打开车内空调,同时被试者进入车辆热环境适应,前20 min测量被试者各项生理数据(心率、收缩压、血氧饱和度、皮肤温度),之后进行认知能力测试;试验开始后分别进行前、后半段的模拟驾驶任务,生理数据测量与认知能力测试,最后10 min填写主观问卷调查。试验流程如图2所示。

图2 试验流程

1.4 主观问卷测量

使用主观问卷测量被试者的热感觉、热舒适、环境接受度、脑力负荷得分和心理感受状况。基于ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)设计热感觉得分、热舒适得分(冷不舒适～热不舒适)与环境接受度[20-21]。通过NASA-TLX量表对被试者的脑力负荷、时间需求等进行主观评价[22],为便于快速评估分值,将NASA-TLX的范围改为[-3,3],工作满意度和工作意愿得分的范围为[-5,5]。

1.5 认知能力测试

为评估车辆环境温度对驾驶人认知能力的影响,在试验中进行认知能力测试。测试内容包括记忆、思维、感知和警觉能力,采用测试用时和错误次数作为认知能力的评价指标[23],如表1所示。

表1 认知能力测试内容

1.6 数据采集设备

试验中测量了被试者心率、血压、皮肤温度、血氧饱和度等生理数据以及热环境中的环境温度、湿度等数据,试验设备如表2所示,数量均为1。

表2 试验设备

平均皮肤温度(MST,mean skin temperature)是反映被试者综合体温的指标之一,通过测量被试者4个不同部位(后颈、右肩胛骨、右胫骨和左手)的温度T来计算[24],如式(1)所示:

T皮肤=0.28T后颈+0.28T右肩胛骨+

0.28T右胫骨+0.16T左手

(1)

1.7 数据处理

使用SPSS Statistics 26和Origin 2018对被试者的客观生理数据、认知表现和主观问卷进行统计分析;通过Shapiroe-Wilk′s-W检验进行正态性检验,对不同环境温度下的变量进行单因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)和最小显著差异(leastsignificantdifference,LSD)方法进行多重对比,采用Pearson分析计算各参数与环境温度之间的相关性,显著性水平设定为P<0.05。

2 试验结果

2.1 生理反应

表3所示为不同环境温度下被试者的生理参数情况。其中,A、B、C、D代表环境温度分别为20、23、26、30 ℃的工况。

心率是反映情绪变化和认知活动的重要生理指标之一,不同车辆环境温度下被试者的平均心率变化如图3(a)所示。由图可知,随着环境温度的升高,平均心率呈上升趋势,这是因为高温对心脏施加的热应力导致心率升高[25]。LSD事后对比发现,心率在20、23 ℃均与30 ℃时有显著差异(P<0.05)。

收缩压反映心血管的机能和状态,即在一定生理负荷情况下机体血压的变化情况。被试者的收缩压变化如图3(b)所示,相比于20 ℃,收缩压在23 ℃至26 ℃时增大,30 ℃时出现下降,这是因为高温使血管扩张,导致血压下降。

血氧饱和度反映体内氧气代谢状况,是重要的生命体征指标。被试者的血氧饱和度变化如图3(c)所示,血氧饱和度在不同环境温度下变化并不显著,其均值在一定范围内波动。平均血氧饱和度在20 ℃时最低,26 ℃时达到最高。单因素方差分析表明,在4种环境温度下,平均血氧饱和度变化幅度在1%以内,无显著差异(P>0.05)。

平均皮肤温度变化能够有效反映车辆热环境中驾驶员的人体热状态[8-9]。被试者的平均皮肤温度变化如图3(d)所示,平均皮肤温度随环境温度的升高而上升,当温度从20 ℃升至30 ℃时,平均皮肤温度从35.04 ℃升至35.94 ℃,由于体温平衡调节与裸露皮肤的系数较小,平均皮肤温度并未表现出显著升高。

2.2 认知能力变化

表4所示为不同环境温度下被试者的测试用时和错误次数。

测试项目的用时和错误次数如图4所示。在思维能力测试中,20、23和26 ℃时的测试用时和错误次数无显著变化,30 ℃时的测试用时和错误次数出现明显上升,此时的思维能力下降;在记忆能力测试中,测试用时和错误次数随环境温度的升高而上升,较高的温度降低了被试者的记忆效果;在感知能力测试中,与其余温度相比,30 ℃时的测试用时出现明显上升,错误次数无显著变化。

图4 测试项目的用时和错误次数

此外,使用测试项目总用时与总错误次数来综合反映被试的认知水平,如图5所示,思维、记忆、感知等项目的总测试用时和总错误次数均呈上升趋势,单因素方差分析和LSD事后对比发现,20 ℃和30 ℃时的测试总用时和总错误次数变化显著(P<0.05)。

图5 测试总用时与总错误次数

反应时间可以用来评估被试者的警觉性,如图6所示,相比于23 ℃和26 ℃,20 ℃和30 ℃的反应时间较少,随环境温度的升高,被试的反应时间先增加后减少,可能的原因是高温会增加与警觉性相关的去甲肾上腺素的分泌,使反应时间减少[14-15]。

图6 不同环境温度下的反应时间

2.3 主观问卷调查

表5所示为被试者的主观问卷调查结果。各测试项目随环境温度的升高均发生显著变化,热感觉和热舒适得分增加,环境接受度降低;被试者头晕、疲劳、乏力、注意力不集中和思考能力下降等症状加剧。

表5 不同环境温度下被试者的主观心理感受情况

使用三阶多项式对热感觉得分与环境温度进行拟合,R2=0.899,拟合曲线如图7所示。随着环境温度的增加,被试者的整体热感觉呈上升趋势。当环境温度分别为20、23、26、30 ℃时,被试者的TSV(thermal sensation vote)分别集中在-2(50%)和-1(50%)、0(70%)和+1(30%)、+1(20%)、+2(60%)和+3(20%)、+2(50%)和+3(50%)。

NASA-TLX得分在不同环境温度下变化显著(P<0.05),如图8所示。随着环境温度升高,被试者的脑力负荷、时间需求、努力程度和体力需求均表现出不同程度的增加。

图8 NASA-TLX得分

对被试者的工作意愿和工作满意度进行调查结果如图9所示。由图9可知,在20 ℃时有60%的被试者有较高的工作意愿(工作意愿得分为[+3,+5]),其余40%的被试者认为他们有继续工作的想法(工作意愿得分为[+1,+2]),同时他们对该任务的完成表现都比较满意(工作满意度得分≥+1);与20 ℃相比,在23 ℃时被试者的工作意愿与满意度并无明显的改变;在26 ℃时,被试者的工作意愿出现了下降,同时认为自己并未很好地完成任务(工作满意度得分出现负值);在30 ℃时被试者工作意愿均为负值,即被试者产生了逃离该环境的想法,并对已完成的工作感到并不满意(工作满意度≤0)。

图9 工作情况投票结果

图10 被试者出汗部位投票得分

此外,通过调查发现,随着环境温度升高,被试者不同部位的排汗量都有所增加。在20 ℃时,总体出汗量较少;23 ℃时手心、背部出汗量增加;26 ℃时,有70%被试者反映手心和后背大量出汗,50%的被试者反映额头大量出汗;30 ℃时,所有被试者均反映手心部位大量出汗,有90%的被试者反映额头、后背大量出汗,被试者通过排汗来降低身体温度,以达到体温平衡。因此,在车内温度超过26 ℃时,驾驶员更应注意手心、后背、额头的防汗。

3 讨论

3.1 生理、心理、认知能力与热环境的相关性分析

Pearson相关系数用于衡量变量之间的线性关系,是相关性分析重要的指标。采用Pearson分析对环境温度和各参数之间的相关性进行计算(双尾),结果如表6所示,心率、平均皮肤温度、测试用时、错误次数与环境温度存在显著低度正相关;主观问卷调查中的热感觉、热舒适、脑力负荷与环境温度存在显著高度正相关(P<0.001);环境接受度与环境温度存在显著高度负相关(P<0.001)。收缩压、血氧饱和度与环境温度无显著相关性。

表6 环境温度与各参数的相关性分析

3.2 生理变化与热环境的关联分析

随着环境温度的升高,被试者交感神经激活,导致血液中肾上腺素和去甲肾上腺素水平升高,此时心肌收缩力增强、心率加快。血液循环加快也会使心率加快,同时导致收缩压降低[26]。

平均皮肤温度与环境温度呈正相关。随着环境温度的升高,被试者的平均皮肤温度也随之上升[27]。

高温和低温下血氧饱和度无显著差异。偏冷环境中血氧饱和度平均值低于热中性环境,这是由于低温时人体为减少热量损失降低呼吸速率引起的[6]。

问卷调查显示,随着环境温度升高,被试者出现更多热不舒适状态,手心、背部和额头出汗量增加。原因可能是当处于较高温度下,体温调节中枢使人体的新陈代谢加快,散热加速,排汗量上升。

3.3 生理变化与认知能力的关联分析

不同心率和收缩压下的认知能力测试结果如图11所示。由图11(a)、图11 (c)可知,随着心率升高,认知能力测试用时和错误次数增加,综合问卷调查结果显示,被试者心率加快时,人体处于紧张、焦虑等心理状况,从而引起认知能力的降低。由图11(b)、图11 (d)可知,测试用时在收缩压为110～120 mmHg时最小,错误次数随着收缩压的升高而降低。该现象与文献[28]相同,大脑需要持续大量的血流来维持功能运转,但高血压会导致静息状态下的脑血流量减少,使认知能力下降,即高血压与认知功能减退密切相关,是造成认知能力下降的危险因素。

图11 不同心率和收缩压下的认知能力

3.4 热感觉与认知能力的关联分析

试验发现,驾驶过程中被试者的认知能力在环境温度为20 ℃时达到最佳状态,这与一些室内热环境研究[12-13]结论不同,即26～27 ℃时的室内认知表现最佳。由于空间大小、人员活动强度、劳动性质及服装热阻等方面存在差异,导致了室内环境与车辆环境的热中性温度的差异。驾驶人在长时间驾驶时需要保持高度集中的注意力,较低的车内温度可以促进垂体-肾上腺皮质和交感神经的激活,增加皮质醇和儿茶酚胺的分泌,提高驾驶人员的认知能力。

为调查被试者的热感觉是否影响认知能力,本文进一步分析了热感觉得分与认知能力之间的关系,如图12所示,在热感觉得分值为+2和+3时,认知测试用时和错误次数最大。这与一些文献[15,23]相似,即高温导致的热不满会显著降低认知速度。当被试者热感觉较高时,一般伴随着心神不安、头晕疲劳等心理现象,因此认知能力测试用时和错误次数增加。

图12 认知能力随TSV的变化

由图7、图12可知,当被试者处于热中性(TSV=0)环境时的车内温度为23 ℃,此时的认知能力并未达到最佳。因此为了使驾驶人保持良好的认知能力,建议在进行驾驶任务时应当保持稍冷(20 ℃)的车内环境。

4 结论

为探究车辆热环境对驾驶人认知能力的影响,本文搭建了模拟驾驶试验平台,获取驾驶人在不同环境温度下的生理数据、主观感受以及认知能力结果,通过对试验数据的分析,得到如下结论:

1)随着环境温度的升高,心率与平均皮肤温度均呈上升趋势;收缩压和血氧饱和度在20～26 ℃时上升,在30 ℃下降,同时头晕、疲劳、乏力和出汗等不舒适状态加剧;热感觉、热舒适得分和脑力负荷随环境温度的升高而升高,环境接受度、工作满意度和工作意愿随环境温度的升高而降低。

2)认知能力测试用时和错误次数随心率升高而增加,随着收缩压升高而降低。

3)相关性分析表明,心率、平均皮肤温度、测试用时、错误次数与环境温度存在显著低度正相关;主观问卷调查中的热感觉、热舒适、脑力负荷与环境温度存在高度正相关(P<0.001);环境接受度与环境温度存在高度负相关(P<0.001)。

4)被试者的认知测试用时和错误次数随环境温度的升高而增加。在20 ℃时,驾驶人能够保持较高的认知能力,在23 ℃时,驾驶人主观热舒适度达到最佳,在车辆环境温度超过26 ℃时,应注意手心、前额和背部的防汗保护,因此,为达到较高的认知能力和热舒适,车辆环境温度应保持在20～23 ℃。

为保证被试者的人身安全,本试验先在模拟驾驶环境中进行,后续将在真实道路上进行试验,同时开展偏冷环境(<20 ℃)以及更长驾驶时长的试验,综合本文的生理参数和主观感受数据,进一步分析车辆环境温度对驾驶人认知能力变化的生理心理机制。