气味干预疲劳驾驶研究综述

彭双凌 巫俊毅 张渝文 曾文昊

基金项目：2021年广东省普通高校特色创新类项目（2021KQNCX203）

第一作者简介：彭双凌（1995-），女，硕士，助教。研究方向为疲劳驾驶检测与干预。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.023

摘  要：随着自动驾驶的发展，如何保证人机协同驾驶紧急情况下驾驶员的顺利接管成为一个重要的研究课题。香氛被证明为一种有效地提高驾驶员注意力水平及驾驶表现的手段。该文从气味对疲劳驾驶的干预机制和不同气味的干预效果2个研究方面对已有文献进行分析。经分析发现各研究普遍采用模拟驾驶方法来实现研究目标，但模拟驾驶实验设计上普遍存在变量控制不够严谨的问题，例如受试控制、试验时间控制、试验环境控制。基于分析结果，该文为研究香氛干预的模拟驾驶实验设计提出建议。

关键词：香氛；疲劳驾驶；模拟驾驶；试验效果；干预机制

中图分类号：U492.8      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0104-04

Abstract： With the development of autopilot， how to ensure the smooth takeover of the driver in case of emergency has become an important research topic. Fragrance has been proved to be an effective means to improve drivers' attention level and driving performance. This paper analyzes the existing literature from two aspects： the intervention mechanism of odor on fatigue driving and the intervention effect of different odors. Through analysis， it is found that simulated driving method is widely used to achieve the research goal， but there are common problems in the design of simulated driving experiment that the variable control is not rigorous enough， such as test control， test time control， test environment control. Based on the analysis results， this paper puts forward some suggestions for the design of simulated driving experiment to study the intervention of fragrance.

Keywords： fragrance; fatigue driving; simulated driving; test effect; intervention mechanism

随着载运工具技术与设备的飞速发展，汽车、列车等交通运输工具自动驾驶程度越来越高。驾驶员的角色正由传统的监督和执行者转向以监督为主进行人机协同驾驶。载运工具环境感知能力和自身决策能力的提升，减少了驾驶员在驾驶时的脑力负荷及体力负荷，从而对驾驶员的注意力水平产生了影响，进而影响驾驶安全。保持持续的较高水平的注意力以随时准备处理运行突发状况成为了自动驾驶背景下对驾驶员提出的新要求。

驾驶疲劳是指在驾驶车辆时感到疲倦或困倦的状态。导致驾驶疲劳的因素包括工作时间长且不规律、睡眠时间表不一致、不良的饮食和运动习惯、心理和身体压力以及睡眠障碍。疲劳会导致判断力和协调能力受损、反应时间延长、认知障碍和警惕性降低，从而损害驾驶性能。这增加了发生错误、近距离碰撞和碰撞的风险，使驾驶疲劳成为发生车祸的主要因素[1-3]。

现已有较多学者提出了驾驶员疲劳驾驶检测方法，如通过机器视觉识别计算驾驶员的眼睛闭合时间比例（PERCLOS）指标或获取驾驶员EEG等生物電信号特征[4-6]。已提出的驾驶员疲劳驾驶的干预手段通常包括声音、振动和气味。相关研究从声音、振动等多种干预方式中筛选出气味，发现气味可以提高驾驶员的警觉性，释放气味1 min间隔5～9 min最有效[7]。相比于声音和振动，气味干预不必在检测到列车驾驶员疲劳驾驶后再作用，与无气味情况相比，在短期和长期暴露于薄荷气味的情况下，模拟驾驶中被试者意识水平增强[7]。

国内外有关气味干预疲劳驾驶的相关研究文献较少，本文拟对气味对疲劳驾驶的干预研究展开综述，以为后续研究提供参考和建议。

1  气味对疲劳驾驶的干预机制

感官系统由多种感官组成，包括视觉、嗅觉、听觉、触觉和味觉。嗅觉是一种比其他感觉非常敏感的感觉，其可以立刻检测到香味。气味对人体的影响机制包括生理和心理影响。从生理学上讲，气味可以直接影响物理机体，而在心理上，其通过嗅觉对嗅觉系统起作用，这反过来可能导致生理变化[8]。研究表明，不同的气味确实会影响一个人的精神状态和注意力。例如，已发现与“镇静”的气味相比，已知具有“活力”的气味可以增加观看视频期间的注意力[9]。但是，气味对注意力的影响可能因使用的特定气味剂而异[10]。气味还会影响神经生理学脑活动、交感神经和副交感神经系统以及心理行为[11]。此外，已发现闻到不同的精油气味时会对注意力成分产生不同的影响，某些气味会降低定向效果，从而防止不自主的注意力转移[12]。

不同香精成分对人体生理和心理的影响机制是复杂而多方面的。香水由可通过嗅觉系统感知的挥发性化学物质组成。人类的嗅觉受体在检测香味分子方面起着重要作用，可以影响情绪、压力和认知功能。使用脑电图（EEG）的电生理学研究表明，各种香精会影响大脑活动和认知功能[13]。香精可以调节生理途径，包括自主神经系统、神经内分泌系统、神经递质和神经调节剂，这会影响心理行为和身体机能。研究结果表明，嗅觉系统在中枢神经系统功能中的作用不仅限于嗅觉，因为气味化合物会影响人类的压力生物标志物、脱氢表雄酮、氧化应激、雌二醇、多巴胺、皮肤屏障、皮脂分泌和皮肤免疫系统[10]。香水还可以通过体味传递积极的情绪，从而在接收者中产生生理、言语和行为反应[14]。

2  不同气味的干预效果

当前已有研究中，薄荷、柠檬、薰衣草、迷迭香和桉树等香精是用来干预疲劳驾驶的常用气味。Tang等[15]研究了一种基于气味觉醒疲劳驾驶的方法，以探索不同气味和不同浓度的气味对驾驶疲劳的唤醒作用。薄荷、柠檬和薰衣草气味对驾驶疲劳有唤醒作用。80% 浓度的薄荷气味对驾驶疲劳具有最佳的唤醒作用。Yoshida等使用4种香水，例如薄荷、迷迭香、桉树和柠檬，在改变呈现方法的同时，对每种香水的功效进行研究，以保持对昏昏欲睡驾驶的警惕。有学者查明了在模拟驾驶环境中存在环境香气以减少攻击性反应的可能性，发现将薄荷应用于日常驾驶可能有利于减少驾驶员的攻击性[16]。

3  气味对疲劳驾驶的干预试验

考虑到实验安全，气味对疲劳驾驶的干预研究通常在模拟驾驶条件下进行。模拟驾驶环境下也更利于控制变量，得到更为可靠的结果。先前基于驾驶模拟器的测量已被证明对于在控制环境中测试驾驶员是有用的[17]。

Mustafa等为研究薰衣草或香草香精对驾驶性能的影响，设计了模拟驾驶试验。研究选取了10名身体健康的司机，年龄在20～25岁。其中，有5名男性和5名女性。他们都持有有效的驾驶执照，驾驶经验不到8年。该研究使用的驾驶模拟器如图1所示，屏幕的右上方放置了一个摄像头，以识别驾驶员在驾驶过程中是否会全神贯注。受试者被要求驾驶的赛道由弯道、直道和环形交叉路口组成。研究选取了各驾驶员在3个不同地点拐角、直和环形交叉路口区域的平均速度。此外，在驾驶模拟器试验后，发放了一份调查问卷来检查驾驶员的情绪状态，使用相对重要指数（RII）来解释问卷中的数据，以确定答案的重要性并对司机所经历的情绪进行排名。

Moss等为研究薄荷香气对攻击性驾驶行为的影响，招募了50名志愿者，他们被随机分配到2种驾驶环境下进行试验，分别为有薄荷精油香气和无香气。薄荷测试环境包括13名男性（M年龄=22.54，SD年龄=2.90）和12名女性（M年龄=21.25，SD年龄=1.82）。对照条件（无薄荷环境）包括11名男性（M年龄=22.00，SD年龄=2.10）和14名女性（M年龄=21.00，SD年龄=1.75）。Tisserand纯薄荷精油用于产生香气，为天然油不含任何溶剂或添加剂。将5滴未稀释的油滴在扩散器垫上。芳香流装置采用未加热的风扇扩散方法，并放置在测试室中参与者看不到的地方。在每个参与者测试前30 min以及整个测试期间，其都会以最高风扇设置打开。测试室尺寸为5 m×3 m。房间布局示意图如图2所示。测试间自然通风，窗户整夜开着。该研究使用了“Steam”平台上的“City Car Driving”模拟软件，以及Oculus Rift VR头戴设备来创建逼真的驾驶场景。在5 min正常驾驶的练习时间结束后，对设置进行调整以创造一种可能刺激驾驶员攻击性的驾驶体验。采用了包含24个项目的问卷要求被试对自身攻击性驾驶行为等级进行主观评价。

注：A为模拟驾驶器；B為控制台；C为存储单元；D为香氛机所在位置；R为研究者。

图2  测试房间布局[16]

Sakakibara等为研究在模拟驾驶时视觉搜索任务获取视觉信息过程中气味对驾驶员带来的生理影响，对20名健康成年人（男性10人，女性10人）展开了试验。参与者的平均年龄为35.2岁，在参与研究之前，参与者接受了小组选择测试，以确认他们的嗅觉正常。每位参与者总共参加了10项实验，始终是同一时间。在每项实验中，测试了10种不同气味条件中的一种，包括无味状态。扩散器中每种气味溶液的浓度是通过初步实验确定的。目标是确保在六分制气味强度表上将气味强度控制在2（微弱气味）和3（易于察觉的气味）之间。该等级范围从 0（无气味）到 5（极强的气味）。通过仔细调整每种气味剂的浓度，研究人员旨在为参与者创造一致和可控的气味体验。为了进一步验证室内空气中气味剂的浓度，使用了热解吸附-气相色谱-质谱法。这种分析技术使研究人员能够测量空气中存在的气味剂的浓度。该分析的结果列在表1中，提供了有关实验环境中气味剂的存在和强度的更多信息。每位参与者执行了6个区块的视觉搜索任务。每个区块之间有1 min的休息时间。在第二个方块之后，香薰扩散器开启。从第三个区块到第六个区块的尽头，都有气味。这种设计允许检查气味对参与者的任务表现和生理反应的影响。研究人员根据Roken Arousal量表（RAS）收集了参与者的主观情绪评分。RAS是一种用于评估疲劳和警觉性的工具，提供6种不同状态的定量指数：困倦、活跃、放松、紧张、注意力不集中及缺乏动力。要求参与者在行为任务之前和之后报告他们的主观情绪。同时，研究人员使用心电图（ECG）监测技术收集了参与者生理反应的数据，通过测量参与者的心电图信号，研究人员旨在评估香水对自主神经系统的影响。

表1  每种气味条件下使用的气味剂的信息[18]

4  结论

随着自动驾驶的发展，如何保证人机协同驾驶紧急情况下驾驶员的顺利接管成为一个重要的研究课题。香氛被证明为一种有效提高驾驶员注意力水平及驾驶表现的手段。目前，香氛对驾驶员影响的研究主要集中在香氛对疲劳驾驶干预机制和不同香氛的干预效果研究上。设计合理的模拟驾驶实验对以上问题进行研究是一种科学和有效的方法，但分析已有研究结果发现各研究人员在香氛干预模拟驾驶试验设计上普遍存在变量控制不够严谨的问题。本文涉及的文献中存在的模拟驾驶试验设计问题包括但不限于受试控制、试验时间控制、试验环境控制和香氛浓度控制，以及扩散方式控制等。

未來有必要开展系统和科学的研究，从以下几个方面完善香氛对驾驶员影响的研究。建立严格控制变量的模拟驾驶实验设计模式，明确试验流程、受试者选择标准、香氛分量和浓度、环境参数等，消除变量的不确定性；根据驾驶任务的不同阶段（如停车待命期、急加速转弯期等），设计出匹配任务需求的定制香氛方案；探讨香氛在自动驾驶下车时期和完全手动驾驶下车时期的应用区别，为人机协同驾驶提供理论依据；加大样本量，扩大地域范围，检验结论的普适性。将研究成果应用到实际驾驶场景中，为自动驾驶落地应用提供安全保障。

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