（交通运输规划与管理专业论文）驾驶疲劳生成机理研究.pdf

己：l i l l l lrllliil l l lilrll f l i y 17 8 912 6 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h yi ne n g i n e e r i n g s t u d yo nd r i v i n gf a t i g u ef o r m a t i o n m e c h a n i s m p h d c a n d i d a t e ：x i ex i a o l i m a j o r s u p e r v i s o r ：t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g a n dm a n a g e m e n t ：l i ux i a o m i n g b e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y b e i j i n g ，p r c h i n a m a r c h ，2 0 1 0 独创性声明 牛人声明所呈支的i 0 文足我i 、人在导师指导下避 j 研宄工津及取碍婚i ： 究成果。尽我所知，除了文中特别加以杯注平致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作丁明确的晚i j | 并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 口fo u 6 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 砰导师签名： ll 切fd ；工8 同期：二 摘要 摘要 汽车驾驶员在疲劳状态下驾驶汽车存在着非常大的安全隐患。至今为止，尽 管已经采取了很多的预防措施，但有效性都不高，疲劳肇事事故仍时有发生。本 文认为，对研究对象的涵义和机理研究不足是造成预防措施有效性较低的主要原 因。为了有效解决驾驶员的疲劳问题，本文从道路和交通工程专业角度出发，重 点研究由道路、交通和环境条件引起的驾驶疲劳的生成机理，内容包括驾驶疲劳 的生成模型、驾驶疲劳的测量指标、驾驶疲劳的阂值，以及驾驶疲劳的预防措施。 在对生理、心理学中与驾驶疲劳有关的唤醒水平的理论进行研究的基础上， 参考国内外学者的相关研究成果，文中引入唤醒水平的概念，对驾驶疲劳的生成 过程进行分析与研究，提出了一系列推理。通过试验研究道路交通环境各组成因 素对驾驶员唤醒水平的影响，验证并完善了所做的推理。在此基础上，以唤醒水 平为评价标准，建立了驾驶疲劳生成模型。应用该模型，以唤醒水平的变化特征 确定了驾驶疲劳的生成时刻，并解释了长时间驾驶疲劳和短时间驾驶疲劳这两种 最常见的驾驶疲劳的生成过程。 接着，通过对驾驶员的驾驶工作过程进行分析，本文确定了已有的驾驶疲劳 测量方法的测量范围。根据驾驶疲劳时唤醒水平的变化特征筛选出了脑电图和心 电图两种驾驶疲劳测量方法，并进一步提出了驾驶疲劳脑电图和心电图变异系数 测量指标。在驾驶模拟舱中进行了室内实验，以刹车反应时为独立指标，研究了 各测量指标的可靠性。在综合考虑测量指标可靠性和实用性的基础上，最终推荐 心电图变异系数测量指标作为测量驾驶疲劳的有效指标。 为了得到对所有驾驶员都适用的判断驾驶疲劳的统一阈值评价标准，本文首 先将心电图变异系数测量指标变换为驾驶疲劳度。在对常用阈值方法进行研究的 基础上，提出了一种综合利用主、客观数据的阈值计算方法。运用该方法对现场 试验采集的数据进行计算，得到了能够确定驾驶疲劳开始产生时刻的驾驶疲劳度 的阈值。 最后，本文运用驾驶疲劳度及其阈值，根据道路交通环境对驾驶疲劳生成的 影响，采用现场试验的方法，对驾驶时间的规定、路侧景观的设置以及路线设计 等提出了一些预防驾驶疲劳的建议。 应用本文的研究成果，可以为相关法律法规的制定提供参考，为道路及相关 设施的设计和管理提供指导，为驾驶疲劳检测系统的设计提供帮助，为驾驶员的 教育和管理提供理论支持，从而减少或减缓驾驶疲劳的发生，提高道路交通安全 水平。 关键词：交通安全；驾驶疲劳；生成机理；测量指标；阈值；预防措施 北京工业大学工学博十学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ee x i s t sl a r g ep o t e n t i a ls a f e t yh a z a r dw h e nd r i v e r sw o r ku n d e rt h es t a t eo f f a t i g u e s of a r , d r i v e rf a t i g u ea c c i d e n t so c c t l r f r e q u e n t l yd e s p i t em a n y c o u n t e r m e a s u r e sa r et a k e n ，w h i c ha r es e l d o me f f e c t i v e t h ep a p e rb e l i e v e st h a tt h e i n s u 街c i e n ts t u d yo ft h em e a n i n ga n dm e c h a n i s mo fd r i v e rf a t i g u ei st h em a i n r e a s o n f o rt h el o w e re f f e c t i v e n e s so fc o u n t e r m e a s u r e s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f d r i v e r f a t i g u ee f f e c t i v e l y , f r o mt h er o a da n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gp o i n to fv i e w , t h ep a p e r f o c u s e so nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fd r i v i n gf a t i g u ec a u s e db yr o a d ，t r a f f i ca n d e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s i ti si n c l u d e di nt 1 1 ep a p e rt h a tt h ef o r m a t i o nm o d e l ，t h e m e a s u r e m e n ti n d i c a t o r s ，t h et h r e s h o l d ，a n dt h ec o u n t e r m e a s u r e so fd r i v i n gf a t i g u e b a s e do nt h es t u d yo fa r o u s a l1 e v e lt h e o r i e sr e l a t e d t od r i v i n gf a t i g u ei n p h y s i o l o g ya n dp s y c h o l o g y , w i t hr e l e v a n tr e s e a r c h e sa sr e f e r e n c e ，t h ep a p e rb r i n g si n t h ec o n c e p to fa r o u s a ll e v e l ，m a k e sa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h eg e n e r a t i o np r o c e s so f d r i v i n gf a t i g u e ，a n dc o m e su pw i t ha s e r i e so fr e a s o n i n g e x p e r i m e n t sw e r et a k e nt o s t u d yt h ee f f e c to ft h ee l e m e n t so fr o a da n dt r a f f i ce n v i r o n m e n to na r o u s a ll e v e l ，a n d t h ei n f e r e n c e sw e r ev e r i f i e da n di m p r o v e d o nt h i sb a s i s ，d r i v i n gf a t i g u ef o r m a t i o n m o d e lw a se s t a b l i s h e d w i t ha r o u s a ll e v e la st h ee v a l u a t i o nc r i t e r i a t l u d u g ht h e m o d e l ，t h eg e n e r a t i o nt i m eo fd r i v i n gf a t i g u e w a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e c h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a r o u s a l1 e v e l a n dt h ef o r m a t i o np r o c e s so ft h et w om o s t c o m m o nd r i v i n gf a t i g u et h a tt h el o n gt i m ea n dt h es h o r tt i m ed r i v i n gf a t i g u ew e r e e x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so nt h ed r i v i n gp r o c e s sa n dt h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ea r o u s a ll e v e lw h i l ed r i v i n gf a t i g u e ，t w od r i v i n gf a t i g u em e a s u r e m e n tm e t h o d s ， m a te e ga n de c gw e r es e l e c t e d ，a n dt h ec o e f f i c i e n to fv a r i a t i o ni n d i c a t o r so fe e g a n de c gw e r ep u tf o r w a r d i n d o o re x p e r i m e n t sw e r em a d ei nt h ed r i v i n gs i m u l a t o r s y s t e m ，w i t hb r a k er e a c t i o nt i m ea st h ei n d e p e n d e n ti n d i c a t o r , a n dt h er e l i a b i l i t yo f i n d i c a t o r sw a ss t u d i e d b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h er e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yo f t h ei n d i c a t o r s e c gc o e 衔c i e n to fv a r i a t i o ni n d i c a t o r , i 己r c v w a s f i n a l l y r e c o m m e n d e da st h ev a l i dm e a s u r e m e n ti n d i c a t o ro fd r i v i n gf a t i g u e i no r d e rt og a i na ne v a l u a t i o nc r i t e r i o no fd r i v i n gf a t i g u ea p p l i c a b l ef o ra 1 1m e d r i v e r s t h ep a p e rf i r s tc h a n g e di 汛c vt ot h ei n d i c a t o ro fd r i v i n gf a t i g u ed e g r e e o n t h eb a s i so fr e s e a r c ho nc o m m o nu s e dt h r e s h o l dm e t h o d ，an e wt h r e s h o l dc a l c u l a t i o n m e t h o dw a sp u tf o r w a r du s i n gs u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ed a t ac o m p r e h e n s i v e l y w i t l l t h i sm e t h o d ，d a t ac o l l e c t e df r o mt h ef i e l dt e s tw e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h et h r e s h o l dw a s g a i n e dw h i c hc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h eg e n e r a t i o nt i m eo fd r i v i n gf a t i g u e w i mm ea p p l i c a t i o no ft h ei n d i c a t o ro fd r i v i n gf a t i g u ed e g r e ea n dt h et h r e s h o l d ， a c c o r d i n gt ot h ei m p a c to f r o a da n dt r a f f i ce n v i r o n m e n to nd r i v i n gf a t i g u e ，u s i n gt h e i i i 北京_ t 业大学工学博士掌位论文 f i e l dt e s tm e t h o d s o m er e c o m m e n d a t i o n sa b o u tt h er e g u l a t i o n so f t h ed r i v i n gt l m e ， t h ed e s i 髓o fr o a d s i d el a n d s c a p ea n dr o a da l i g n m e n tt op r e v e n td r i v i n gt a n g u ew 盯e p r o p o s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sc a nb eu s e da sr e f e r e n c ef o re s t a b l i s h m e n to f r e l e v a n tl a w s a n dr e g u l a t i o n s ，g u i d a n c ef o rt h ed e s i g n a n dm a n a g e m e n to fr o a d s a i l dr e i a t e d f a c i l i t i e s h e l pf o rt h ed r i v e rf a t i g u ed e t e c t i o ns y s t e md e s i g n ，a n ds u p p o r t f o rd r i v e r e d u c a t i o na n dm a n a g e m e n t t h u st h eo c c u r r e n c eo fd r i v i n gf a t i g u ec a n b er e d u c e do r m i t i g a t e d ，a n dt r a f f i cs a f e t yc a n b ei m p r o v e d k e yw o r d s ：t r a f f i cs a f e t y , d r i v i n gf a t i g u e ，f o r m a t i o nm o d e l ，m e a s u r e m e n t i n d i c a t o r t h r e s h o l d ，c o u n t e r m e a s u r e i v llllllllllllllllllllllllliili 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状5 1 2 1 驾驶疲劳的影响因素5 1 2 2 驾驶疲劳的生成模型8 1 2 3 驾驶疲劳的测量方法和指标1 1 1 2 4 驾驶疲劳的判别方法1 3 1 3 主要研究内容15 1 4 研究技术路线1 6 第2 章驾驶疲劳的生成模型1 7 2 1 理论分析l7 2 1 1 唤醒水平17 2 1 2 唤醒水平的相关理论1 8 2 1 - 3 理论推理2 0 2 2 试验研究2 3 2 2 1 道路交通环境组成因素分析2 3 2 2 2 试验方案。2 4 2 2 3 数据分析2 8 2 2 4 试验结果分析3 2 2 3 驾驶疲劳的生成模型3 4 2 3 1 模型建立3 4 2 3 2 模型应用3 5 2 4 本章小结3 6 第3 章驾驶疲劳的测量方法和指标3 7 3 1 驾驶员的驾驶工作过程3 7 3 1 1 驾驶工作流程3 7 3 1 2 驾驶工作中的信息传递3 8 3 2 驾驶疲劳的测量方法3 9 3 2 1 驾驶疲劳测量方法的筛选3 9 3 2 2 脑电图测量方法4 0 v 北京工业大学t 学博士学位论文 3 2 3 心电图测量方法4 1 3 3 驾驶疲劳的测量指标4 2 3 3 1 脑电图测量指标：j 4 2 3 3 2 心电图测量指标4 4 3 4 本章小结4 6 第4 章驾驶疲劳测量指标有效性研究4 7 4 1 驾驶模拟舱系统4 7 4 1 1 驾驶模拟舱硬件系统4 7 4 1 2 仿真驱动软件系统4 8 4 2 实验方案4 9 4 2 1 测量指标及仪器设备4 9 4 2 2 实验场景5l 4 2 3 实验对象5 3 4 2 4 实验步骤。5 3 4 3 实验数据分析5 4 4 3 1 测量指标的计算5 4 4 3 2 测量指标随驾驶时间的变化5 4 4 3 3 相关性计算方法5 6 4 3 4 脑电图指标与反应时的相关性5 7 4 3 5 心电图指标与反应时的相关性5 8 4 4 实验结论5 9 4 5 本章小结5 9 第5 章驾驶疲劳的阈值分析6 1 5 1 驾驶疲劳度6 1 5 2 阈值计算方法6 1 5 3 确定阈值6 3 5 3 1 试验方案一6 3 5 3 2 阈值计算6 4 5 4 本章小结6 7 第6 章驾驶疲劳的预防措施6 9 1 驾驶时间6 9 6 1 1 试验方案6 9 6 1 2 数据分析7 0 6 1 3 预防措施建议7 2 6 2 路侧景观7 2 v i 目录 6 3 路线设计7 3 6 3 1 直线7 3 6 3 2 隧道j ：。j 7 6 6 4 本章小结7 7 结论7 9 参考文献8 l 攻读学位期间发表的学术论文和主要科研工作8 7 致谢8 9 v i i 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 4t h ed e t e r m i n em e t h o d so fd r i v i n gf a t i g u e 13 1 3m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 15 1 4r e s e a r c ht e c h n i c a ll i n e 16 c h a p t e r2t h e f o r m a t i o nm o d e lo fd r i v i n gf a t i g u e 1 7 2 1t h e o r e t i c a la n a l y s i s 1 7 2 1 1a r o u s a l1 e v e l 17 2 1 2t h er e l a t e dt h o e r i e sa b o u ta r o u s a l1 e v e l 18 2 1 3t h e o r e t i c a lr e a s o n i n g 2 0 2 2f i e l dt e s tr e s e a r c h 2 3 2 2 1t h ee l e m e n t so f r o a da n dt r a 伍ce n v i r o n m e n t 2 3 2 2 2e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 2 4 2 2 3d a t aa n a l y s i s 2 8 2 2 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 2 2 3t h ef o r m a t i o nm o d e lo fd r i v i n gf a t i g u e 3 4 2 3 1t h ee s t a b l i s h m e n to f t h em o d e l 3 4 2 3 2t h ea p p l i c a t i o no f t h em o d e l 3 5 2 4c h a p t e rs u m m a r y 3 6 c h a p t e r3d r i v i n gf a t i g u em e a s u r e m e n tm e t h o d sa n d i n d i c a t o r s 3 7 3 1d r i v e r sw o r kp r o c e s s 3 7 3 1 1d r i v i n gw o r k f l o w 3 7 3 1 2t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i t t e dw h e nd r i v i n g 3 8 3 2t h em e a s u r e m e n tm e t h o d so fd r i v i n gf a t i g u e 3 9 3 2 1s c r e e n i n go f d r i v i n gf a t i g u em e a s u r e m e n tm e t h o d s 3 9 3 2 2e e gm e a s u r e m e n tm e t h o d 4 0 i x 北京工业大学工学博士学位论文 3 2 3e c gm e a s u r e m e n tm e t h o d 4 1 ：；3d r i v i n gf a t i g u em e a s u r e m e n ti n d i c a t o r s 4 2 3 3 1e e gm e a s u r e m e n ti n d i c a t o r ：4 2 3 3 2e c gm e a s u r e m e n ti n d i c a t o r 4 4 3 4c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r 4v a i i d i t ya n a l y s i sa b o u t d r i v i n gf a t i g u em e a s u r e m e n ti n d i c a t o r s 4 7 4 1d r i v i n gs i m u l a t o rs y s t e m 4 7 4 1 1h a r d w a r es y s t e m 4 7 4 1 2s o f t w a r es y s t e m 4 8 4 2e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 4 9 4 2 1m e a s u r e m e n ti n d i c a t o i 暑a n dt o o l s 4 9 4 2 2e x p e r i m e n t a ls c e n a r i o 51 4 2 3e x p e r i m e n t a ls u b j e c t s 5 3 4 2 4e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s 5 3 4 3d a t aa n a l y s i s 5 4 4 3 1i n d i c a t o rc a c u l a t i o n 5 4 4 - 3 21 1 1 ec h a n g e so f i n d i c a t o r sw i t hd r i v i n gt i m e 5 4 4 3 3c o r r e l a t i o nc a c u l a t i o nm e t h o d 5 6 4 3 4t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e ne e gi n d i c a t i o r sa n dr e a c t i o nt i m e 5 7 4 3 5t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e ne c gi n d i c a t i o r sa n dr e a c t i o nt i m e 5 8 4 4e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n s 5 9 4 5c h a p t e rs u m m a r y 5 9 c h a p t e r5d r i v i n gf a t i g u et h r e s h o l da n a l y s i s 6 1 5 1d r i v i n gf a t i g u ed e g r e e 6 1 5 2t l 玳s h o l dc a l c u l a t i o nm e t h o d 6 1 5 3t h r e s h o l dd e t e r m i n a t i o n 6 3 5 3 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 。6 3 5 3 2t h r e s h o l dc a l c u l a t i o n 6 4 5 4c h a p t e rs u m m a r y 6 7 c h a p t e r6d r i v i n gf a t i g u ec o u n t e r m e a s u r e s 6 9 6 1d r i v i n gt i m er e g u l a t i o n j 6 9 6 1 1e x p e r i m e n t a lp r o g r a m 6 9 6 1 2d a t aa n a l y s i s 7 0 6 1 3c o u n t e r m e a s u r es u g g e s t s 7 2 6 2r o a d s i d el a n d s c a p ed e s i g n 7 2 x 目录 曼曼曼鼍曼皇曼! 曼皇曼! ! 蔓曼曼曼曼曼! 曼皇鼍皂! 曼i i i i 蔓曼曼鼍量曼鼍曼曼曼皇曼! 曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 鼍曼曼! ! ! ! ! 蔓 6 3r o a dd e s i g n 7 3 6 3 1s t r a i g h tl i n e 7 3 6 3 2t u n n e l ：j ：7 6 6 4c h a p t e rs u m m a r y 7 7 c o n c l u s i o n s 7 9 r e f e r e n c e s 81 a c a d e m i cp a p e r sa n dm a i nr e s e a r c hw o r k s 8 7 a c k n o w l e d g m e n t s 8 9 x i 北京工业大学工学博士学位论文 i 图目录 l is t o fflg u r e s 图1 1 驾驶员疲劳的影响因素3 f i g u r e1 1e f f e c tf a c t o r so f d r i v e rf a t i g u e 3 图1 2 心理、生理适应能力和紧张水平的关系9 f i g u r e 1 - 2 p h y s i o l o g i c a la d a p t i v ec a p a b i l i t y a n d p s y c h o l o g i c a la d a p t i v e c a p a b i l i t ya sf u n c t i o n so f s t r e s sl e v e l 9 图1 3 驾驶员的驾驶需求和注意力1 0 f i g u r e1 3a t t e n t i o nc a p a c i t ya n dd r i v i n gd e m a n d sf o r d r i v e r s 1 0 图1 4 驾驶疲劳的人机工程学模型1 0 f i g u r e1 - 4d r i v i n gf a t i g u ee r g o n o m i c sm o d e l 1 0 图1 - 5 驾驶疲劳原理1 0 f i g u r e1 5t h et h e o r yo fd r i v i n gf a t i g u e 10 图1 - 6 论文研究技术路线：1 6 f i g u r e1 - 6r e s e a r c ht e c h n i c a ll i n e 1 6 图2 1 卡恩曼的注意能量模型1 9 f i g u r e2 - lk a h n e m a n sc a p a c i t ym o d e lo f a t t e n t i o n 。1 9 图2 2 耶基斯一多德森定律1 9 f i g u r e2 - 2y e r k e s - d o d s o nl a w 1 9 图2 3 环境不定性与唤醒水平的关系2 0 f i g u r e2 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lu n c e r t a i n t ya n da r o u s a ll e v e l 2 ( ) 图2 4 试验一路段2 5 f i g u r e2 4t e s tn o 1r o a ds e c t i o n s 2 5 图2 5 试验一路段典型道路场景2 5 f i g u r e2 5t y p i c a lr o a ds c e n e so ft e s tn o 1r o a ds e c t i o n s 2 5 图2 6g p s 设备2 6 f i g u r e2 6g p sd e v i c e s 2 6 图2 7 试验二路段2 7 f i g u r e2 7t e s tn o 2r o a ds e c t i o n s 2 7 图2 8 试验二路段典型道路场景2 8 f