（机械制造及其自动化专业论文）驾驶疲劳的人机工程学分析和定量评价实验研究.pdf

摘要 随着我国交通运输事业的发展，交通事故的发生也日趋频繁，给 f 人们的生产、生活带来了严重的后果。驾驶疲劳是造成交通事故的主 要原因，也是引发驾驶员职业病的主要原因。因此，驾驶疲劳的研究 工作对于防止和减少交通事故的发生，保护驾驶员的身心健康，具有 、 。 重大的意义。1 7 本文结合国内外驾驶疲劳研究的现状，从人机工程学角度对驾驶 疲劳的产生因素进行了分析，对驾驶疲劳的定量评价进行了实验研 究：( 1 ) 基于人机工程学原理，建立了驾驶疲劳形成的人机工程学模 型，以分析驾驶疲劳产生的各种因素。( 2 ) 根据驾驶精神疲劳与驾驶 体力疲劳产生过程的特点，分别设计了监视操作任务和静态模拟驾驶 操作任务，以实现在实验室条件下，有针对性地模拟精神上和体力上 不同性质驾驶疲劳的产生。( 3 ) 在总结国内外驾驶疲劳评价方法的基 础上，选定量评价驾驶疲劳的具体指标，分别对不同性质驾驶疲劳的 定量评价指标的评价有效性进行了实验研究。( 4 ) 根据实际驾驶过程 的特点，设计了动态模拟驾驶操作任务，模拟驾驶综合疲劳产生的过 程，对驾驶疲劳定量评价指标的评价有效性作了进一步实验研究，同 时分析了不同振动条件对驾驶疲劳产生的影响。通过上述研究，本文 在驾驶疲劳的定量评价方面取得了第一手的实验研究成果，为今后进 一步研究改善驾驶疲劳的有效措施提供了评价体系。 关键词：驾驶疲劳，人机工程学，监视操作，模拟驾驶操作，评价 指标 s t u d y o n d r i v i n gf a t i g u ea n d i t sq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n b a s e do nm a n - m a c h i n e e n g i n e e r i n g a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o n ，t r a 丘 m a c c i d e n t s h a p p e nm o d e f r e q u e n t l y , a n dp e o p l e sl i v e sa n d a s s e t ss u f f e rl o s s d r i v i n gf a t i g u e ( d f ) i st h em a i n c a u s eo ft r a f f i ca c c i d e n t sa n da l s ol e a d st od r i v e r s o c c u p a t i o n a ld i s e a s e r e s e a r c ho n d fh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e t 0 p r e v e n t i n g a n d r e d u c i n g t r a f f ca c c i d e n t sa n d m a i n t a i n i n gd r i v e r s h e a l t h t h et h e s i si sd e v o t e dt oi n v e s t i g a t i n gt h ea c c u m u l a t i n gm e c h a n i s m ，p r o c e s sa n d t h e q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o na p p r o a c h e so fd ef i r s t l y am o d e li se s t a b l i s h e dt o a n a l y z ef a c t o r sp r o m o t i n gd f b a s e do nm a n m a c h i n ee n g i n e e r i n gt h e o r y s e c o n d l y , v i g i l a n c et a s ka n ds t a t i cs i m u l a t e dd r i v i n gt a s ka r ed e s i g n e dt op r o d u c ed i f f e r e n t f a t i g u e o nt e s t - f i gt h r o u g l li n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r so fp r o d u c t i o np r o c e s s e so f m e n t a la n dp h y s i c a lf a t i g u ed u r i n ga c t u a ld r i v i n gs e p a r a t e l y t h i r d l y ，b a s e do nt h e e x i s t i n ge v a l u a t i o nm e t h o d sf o rd f , t h ev a l i d i t yo fq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ni n d i c e s s e n s i t i v et oc e r t a i nd fa r ei n v e s t i g a t e db y e x p e r i m e n t s f o u r t h l y , a c c o r d i n gt oa c t u a l d r i v i n gp r o c e s s ，d y n a m i cs i m u l a t e dd r i v i n gt a s ki sd e s i g n e dt os i m u l a t ep r o d u c t i o n p r o c e s s e so fd f u n d e rv i b r a t i o nc o n d i t i o n ，a n dd a t aa n a l y s i ss t u d yi sc o n d u c t e dt o c h e c kt h e v a l i d i t yo fq u a n t i t a t i v ei n d i c e so fd f t h ee f f e c to fd i f f e r e n tv i b r a t i o n f r e q u e n c i e so nd fi s a l s os t u d i e de x p e r i m e n t a l l y , r e v e a l i n gt h a td i f f e r e n tv i b r a t i o n f r e q u e n c yh a sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nm e n t a la n dp h y s i c a ld et h er e s u l t so ft h e s e r e s e a r c h e sp r o v i d eaq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e ma n dv a l i di n d i c e st oa s s e s sd ei t a l s os u p p l i e sa h e l p “r e f e r e n c e t of u r t h e rs t u d yo n r e d u c i n gd e k e y w o r d s ：d r i v i n gf a t i g u e ，m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g ，v i g i l a n c et a s k , s i m u l a t e d d r i v i n gt a s k , e v a l u a t i o ni n d e x 上海交通大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 1 1 问题的提出 随着我国经济水平的不断提高，人民生活水平不断上升，轿车逐渐进入家庭。 交通工具日益增多，交通事业不断发展。但同时，交通事故频繁发生，车毁人亡 的惨祸，威胁人们的生命财产安全，给个人和社会造成重大损失。驾驶疲劳是造 成交通事故的主要原因，据美国公路交通安全委员会的报告，在美国每年由于驾 驶疲劳引发的交通事故有十万起以上，造成1 5 0 0 多人死亡，7 1 0 0 0 多人受伤， 经济损失达1 2 5 亿美元。在我国公安部交通管理局发布的二0 0 一年一月至九月 全国道路交通安全情况报告中，也指出在发生的群死群伤特大交通事故中，以驾 驶员疲劳驾驶最突出。不仅如此，驾驶疲劳还是引起驾驶员腰背部职业病的主要 原因。因此，驾驶疲劳的研究，对于预防和避免交通事故的发生，保持驾驶员的 工作效率，保护驾驶员的身心健康，具有非常重要的现实意义和应用价值。 驾驶疲劳研究的重要内容是驾驶疲劳的量化评价，本文的目的就是在分析驾 驶疲劳产生机理的基础上，设计产生驾驶疲劳的实验任务，通过实验对选定的驾 驶疲劳评价指标的量化评价能力进行研究。该课题是日本高岛屋日发工业株式会 社与上海交通大学汽车与工程研究院的联合研究课题汽车座椅乘坐舒适性 的中西医理论分析与设计的子课题。该课题的研究目标是基于中西医理论分析 驾驶疲劳的机理，并探讨采用中医医疗和保健技术，进行缓解驾驶疲劳的座椅设 计，缓解驾驶疲劳，保护驾驶员身心健康，避免交通事故的发生。本文的研究成 果驾驶疲劳的有效量化评价指标，对于评价缓解驾驶疲劳的措施和设计的有 效性，具有重要的作用。 1 2 人机工程学概述 1 2 1 人机工程学定义 人机工程学是研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。它把人和机器 视为一个有机结合的系统，指出机器应该具有什么样的条件才能使人付出适宜 的代价后可获得整个系统的最佳效益。w b w o o d s o n 把人机工程学定义为：研究 上海交通大学硕士学位论文第一章 人与机器相互关系的合理方案，即对人的知觉显示、操纵控制、人机系统的设计 及其布置和作业系统的组合等进行有效的研究，其目的在于获得最高的效率及作 业时感到安全和好适【”。人机工程学不仅涉及到工程技术理论，还涉及到人体解 剖学、人体测量学、环境科学、生理学、心理学以及劳动卫生学等。 1 2 2 人机工程学的研究内容 人机系统是人机工程学的一个主要观点，也是其主要研究内容。在设计时， 把人和机器作为一个统一的系统来考虑，把人的因素纳入设计因素考虑之中，有 利于人机实现高度协调统一，形成高效、经济、安全的有机系统。人机系统的构 成可分为人、机和环境三个子系统，它们相互交叉则构成人一机一环境系统， 在 、帆一环境系统中，既需要对人、机、环境的每个部分相关属性进行研究， 又需要对人机系统的整体结构及其属性进行研究，以达到总体优化的目的。因 此，人机工程学的具体研究内容有： 1 人的因素 人是人机系统中最活跃的环节，也是最重要的环节。在人机系统中，要研究 机器如何适应人的应用，由人操纵的各个部件、各种显示装置、机具等，都要适 应人体尺寸的特点，适应人的能力和用力特点，对设备信息的接收和传递应与人 的信息感觉通道，以及人的反应相适应。 2 机器因素 机器因素很多，可概括如下：信息传达显示方法、操纵控制技术、安全保障 技术、机器上有关人体舒适性及使用方便性的技术。 3 环境因素 环境是个十分广泛的概念，包括生产环境、生活环境、室内环境、室外环境、 人工环境等，设计中要考虑环境的各种因素对人的健康状态及工作能力的影响。 4 人机系统综合因素 研究人机系统总体设计，主要解决整个机器系统与人相适应问题，使系统达 到最佳效果。人机系统基本设计问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如 何有效地交流信息等问题。 1 2 3 人机工程学原理与驾驶疲劳研究的关系 驾驶疲劳研究是人一汽车系统人机工程学研究的一个重要内容。人一汽车系 上海交通大学硕士学位论文第一章 统是典型的人机系统。驾驶员坐在驾驶室中，通过眼、耳、皮肤等感觉器官接收 外部信息和能量，中枢神经系统对接收的信息作出判断和反应，指挥手、脚等执 行器官操作汽车操纵装置，控制汽车行驶。驾驶疲劳的产生是由于在驾驶过程中， 驾驶员长时间精力高度集中，精神紧张，身体保持相对固定的姿势，肌肉紧张 座椅或操纵机构的不适或不便造成的。驾驶疲劳研究的目的也是为了使人一汽车 系统能更加协调、高效、安全、舒适地运转。所以，在驾驶疲劳的研究中，要运 用人机工程学的观点和方法，对人汽车系统的人、机器、环境及其综合因素进 行分析和研究，设计出驾驶员操作方便、不易疲劳、不产生失误而且效率高的汽 车驾驶系统。 1 3 疲劳的相关理论 1 3 1 疲劳的定义 人类对疲劳的研究，至今已有1 0 0 多年的历史，关于疲劳的定义，迄今仍无 定论。工程实践中，往往根据作业者的行为能力、工作效率等来间接地定义疲劳， 即：疲劳是指劳动生产过程中，作业机能衰退，作业能力出现明显下降，有时伴 有疲倦感等主观症状的一种现象圆。 1 3 2 疲劳产生的机理 目前对于疲劳产生机理的研究还都停留在对假说的研究阶段，主要有以下四 种学说： ( 1 ) 力源消耗论：劳动者在作业中消耗能量，实际上消耗了体内积存的可 转化为能量的高能物质( a ：r p ) ，随着这些物质耗尽，身体转入缺少 a t p 状态，就发生疲劳。 ( 2 ) 生理化学机理变化论：作业过程所进行的新陈代谢，其产物积聚在体 内，使作者生物化学状态发生变化( 体液中的p h 值、k + 、n a + 、 c a + 等离子浓度发生变化) ，形成类似于失调的后果，即疲劳。 ( 3 ) 疲劳物质积累论：作业中由于代谢产物的堆积来不及分解，是人体产生 类似于中毒的效果，造成疲劳。 ( 4 )中枢系统变化论：人体活动是中枢神经作用的结果。持续作业下，中 上海交通大学硕士学位论文第一章 枢神经的功能发生变化而导致对休息的需要，即疲劳。 1 3 3 疲劳的分类 疲劳一般分为两种，即体力疲劳和精神疲劳。 体力疲劳又分为个别器官疲劳和全身性疲劳。体力疲劳基于骨骼肌中的变 化，如能量储存空虚和乳酸堆集( “疲劳物质”) 。这两者都导致作功能力降低， 随后的恢复当中能量储存又被充满，乳酸被移除。根据作功不同，体力疲劳还可 分为动力学劳动时的疲劳与静力学劳动时的疲劳两种。 由于中枢神经调节障碍而引起工作效率下降的疲劳称为精神疲劳。其典型症 状有：信息传递减慢、思维和判断受阻以及感觉和感觉功能受损。除去疲劳决定 的不陕感和工作力衰弱以外，有时也出现以下现象，如激动或抑郁的倾向，无原 由的恐惧或主动力衰弱和情绪的不稳定等。 1 3 4 疲劳的特征 产生疲劳时有以下共同特征： ( 1 ) 自我感觉不佳，有疲倦感，身体局部出现酸痛等不适感 ( 2 ) 反应能力下降，工作质量下降 ( 3 ) 生理、心理功能出现变化 1 4 疲劳的评价方法 由于驾驶疲劳的定量评价涉及精神生理学( p s y c h o p h y s i o l o g y ) 、生物化学 ( b i o c h 朗n i c s ) 等多门学科，有较多的专业术语，因此，在这里对疲劳的评价方 法进行一下介绍。疲劳的评价方法可分为主观评价法、生理反应测试法、生理参 数测试法和生物化学方法。 1 4 1 主观评价法 即自述症状调查法，主要是被试者叙述自我疲劳感觉。一般使用专门设 计的调查表，调查可在作业前、作业中、作业后分别进行，根据被调查者的主述 症状和各类症状出现的次数，经分析和比较后得出疲劳度。主观评定法的调查表 设计一般是列举出各种症状( 如身体症状，精神症状，神经感受症状等) 和各种 症状的不同程度反应，让被试者选择。主观评定法的优点是比较直接，简单易行， 4 上海交通大学硕士学位论文第一章 不存在侵入性问题，应用较为普遍。缺点是个体差异太，易受环境和短时记忆消 退的影响。 1 4 2 生理反应测试法 生理反应测试法是依靠人体对各种刺激或信号的反应程度来判断疲劳。主要 有闪频值( c f f ，c r i t i c a lf l i c k e rf u s i o no f l i g h t ) 检查法，膝健反射机能检查法， 两点刺激敏感阐限检测法，连续色名呼叫检查法，反应时间巍4 定法等。 ( 1 ) 闪频值检查法，使被试者观察连续的闪光，当闪光频率增大到一定程 度时，人无法分辨断续闪光，而视为连续的融合光，此时称为融合现象，相应的 闪光频率称为闪频值。随着疲劳是加深，闪频值会越来越低。因此，闪频值可阻 作为能力作业或其它作业后疲劳程度的一种度量。 ( 2 ) 膝健反射机能检查法，用医用小硬橡胶锤，按照规定的冲击力敲击被 试者的膝部( 弹跳反应) ，根据小腿弹起的角度来评价疲劳程度。 ( 3 ) 两点刺激敏感阈限检测法，采用两个距离很近的针状物同时刺激皮肤 表面，当两个刺激点间距小到刚刚使被试者感到是一点距离时。称为两点刺激敏 感阈限。疲劳作业时，会导致感觉机能迟钝，因此可以根据这闽限的变化来判断 疲劳程度。 ( 4 ) 连续色名呼叫检查法，通过对作业者识别各种颜色，并能正确地叫出 相应色名的能力检查，来评定作业者的疲劳程度。但其正确性受作业者先天的颜 色识别能力的影响。 ( 5 ) 反应时间( r t ，r e a c t i o n t u n e ) 铡定法，反应时间的变化可以表征中 枢神经系统的迟钝化程度。因此，测定作业者的反应时间，根据其反应时间的长 短，可以判断作业者的疲劳程度。 生理反应测试法的不足是测定疲劳的过程与作业过程不同步，不能反映在作 业过程中随作业任务的变化人体生理反应的变化：另外，这种方法不够客观，容 易受被试者情绪、身体状态的影响。 1 4 3 生理参数测试法 现代医学信号检测与处理技术的发展，为疲劳的研究和测量提供了强有力的 工具。生理参数测定法是通过对人体生理信号如心电( e c g ，e l e c t r o c a r d i o g r a p h ) 、 脑电( e e g ，e l e c t r o e n c e p h a l o 擎a p h ) 、肌电( e m g ，e l e c t r o m y o g r a m ) 、眼动( e a ) 、 上海交通大学硕士学位论文第一章 皮肤电流反应( g s r ) 、鼓膜温度( 1 b ) 、呼吸( r e s p ) 等信号的采集、记录、 检测和分析，来判断人体疲劳状态的方法。生理参数测试法，特别是通过生理电 信号的测试来评价人体的疲劳程度是被广泛运用的手段，如脑电图法、肌电图法、 心电图法、眼动信号测量等。针对驾驶疲劳的定量评价，我们着重讨论肌电图法、 心电图法。 ( 1 ) 肌电图法 肌肉运动会产生微弱的生物电。用“针电极”插入肌肉，或用“表面电极” 放置在体表，肌电变化经导线输入到肌电描记仪里，经放大处理后在示波器上显 示出波形，这就是肌电图。肌电信号的分析和测试手段主要有肌电信号功率谱中 值频率( f m e d 或f c ) 分析、肌电图积分值( i e m g ) 以及肌电平均积分电位( m e a l l e m g ) 分析等。 肌电信号功率谱中值频率( f c ) 是利用肌电图研究肌肉疲劳的最常用的测量 参数。许多研究表明；局部肌肉疲劳主要由肌肉收缩时肌肉中代谢副产物( 乳酸、 丙酮酸等) 的积累使肌纤维传导速度降低，在肌电信号中则表现为其频率成分向 低频段漂移，而f c 能较好地反映这种频率漂移，因此，f c 可用于描述局部肌肉 疲劳。李涛等在测定肌电功率谱中心频率与肌肉疲劳关系的实验中，发现f c 在 肌肉疲劳时向低频转移，并与肌肉疲劳有较好的相关性 3 】；凌烽等在静态施力肌 肉疲劳测试实验中，发现在维持等长、恒力肌肉收缩时，f c 曲线初始段下降率 随肌肉疲劳程度的增加而增加，并认为可以用f c 曲线初始段的下降率来定量判 断局部肌肉疲劳的状态【4 】。王生等在研究坐位作业腰部疲劳时，发现在不同的躯 干角时，肌电图积分值( m g ) 均随坐位时间的延长呈现开始时约有上升，以 后逐渐下降的趋势，且随躯干角增大，这种变化越明显，认为这种变化反映了肌 肉疲劳的发生发展过程【5 1 。 肌电信号用于疲劳测试，主要是局部肌肉疲劳的测试。其测试方法相对于脑 电信号的测试要简单，且结论较明确。 ( 2 ) 心电图法 心电信号的检测与分析手段包括心率( h r ) 分析、心率变异性( h r v ，h e a r t r a t ev a r i a b i l 时) 研究等。心率的分析简单、直观，许多研究者认为心率对不同 的任务要求比较敏感。心率变异性是指人体逐次心跳间期存在的微小变异。其 上海变通大学硕士学位论文第一章 信号处理方法包括功率谱估计、随机点估计等。 许多研究者将h r 和瑚w 信号的研究结合起来进行。心率及心率变异性因简 单易行而受到广泛应用，但由于易受其它因素的影响，有时难以可靠反映负荷水平。一般 认为心率及心率变异性对精神负荷及其疲劳反应更为敏感。心电信号检测方法具有简单易 行，非侵入式，实时进行等优点，但不足之处在与敏感性和诊断性较差，宜结合其它分析 方法进行综合研究。 生理参数测定法的优点是客观性强，能比较准确地反映人体的疲劳状态，缺 点是要在人体不同位置贴电极，不易被人接受，而且指标多，评估诊断性随所选 的指标有变化，测定复杂，需一定的设备和技术。 1 4 4 生物化学方法 生化法是通过检查作业者的血液、尿液、汗液及唾液等液体成分的变化来判 断疲劳。生化法的优点是评价客观，不足之处是测定时需要中断作业者的作业活 动，容易引起被测试者的反感，血液取样对身体有伤害。 1 5 国内外驾驶疲劳的研究状况 驾驶疲劳的研究主要有驾驶疲劳的形成机理和影响因素、驾驶疲劳的量化评 价以及驾驶疲劳的应对措施等几个方面。 国外由于交通事业比较发达，对驾驶疲劳的研究已经有四十多年的历史。驾 驶疲劳的量化评价是研究的一个重点，其意义在于知道驾驶疲劳发生的时间和程 度，及时提出警告，防止交通事故的发生。在驾驶疲劳的量化评价方面，国外研 究者运用精神生理学方法、生物化学方法、主观感受问卷调查等多种方法来评价 疲劳程度，做了大量的实验研究，取得了很多有意义的研究成果。s m i l o e v i 6 在 对长途卡车司机的驾驶疲劳实验研究中，采用生物化学指标( 人体激素含量) 、 生理学指标( 1 f l i 压、心率) 、心理学指标( 视觉、听觉反应时间等) 、声音、主观 疲劳评价等进行研究，发现长途驾驶后，舒张压上升、视觉和听觉反应时间增加、 心率下降以及声音的强度有显著的变化同。田口敏行等在汽车振动对驾驶疲劳的 影响的研究中，用尿液中的肾上腺素含量来评价驾驶疲劳程度，随着驾驶疲劳程 度增大，肾上腺素含量上升 7 1 。野口羲博等研究认为心率变异性是表征精神负荷 和疲劳的有效指标 8 1 。j o h nr i c h a r d s o n 等应用眼动信号和脑电图进行驾驶疲劳发 一一一 上海交通大学硕士学位论文第一章 生规律的研究【9 】。e r w i na n da 1 1 0 1 ，v o l o wa n d e r w i n l l ”，a r t a u d 12 】等研究认为脑电 图e e g 信号是比较有预见性和可靠的驾驶疲劳评价指标。r i e m e r s m a 等在研究中 发现经过长时间的夜间驾驶，驾驶员的心率会下降 1 3 】。0 h a n l o n 在对摩托车驾 驶员的驾驶疲劳实验研究中，发现卸5 w 有显著的变化1 4 1 。h a r f l c ya n da r n o l d 研究 认为心率的变化对于描述驾驶疲劳具有潜在的意义【”1 。此外，研究者还通过驾 驶员驾驶时的面部视觉图象来判断其是否疲劳，并设计出能实时报警的驾驶疲劳 预警系统。这种系统通过车内安装的摄像头实时捕捉驾驶员面部图象，利用图象 识别技术分析驾驶员面部特征，一旦发现驾驶员出现较长时间的闭眼、打哈欠、 缓慢点头等现象，就发出警报，唤醒陷入疲劳状态的驾驶人员，或提醒驾驶人员 已经疲劳，应停止驾驶，防止交通事故的发生 1 6 1 1 7 1 8 】。s t e p h e nh 还研究通过汽 车行驶状态来评价驾驶员的疲劳，认为随着驾驶员疲劳程度的增加，驾驶员驾车 操作的不稳定性会增大，研究通过安装在方向盘、加速踏板上的传感器采集汽车 行驶状态量，比较分析出其不稳定性，从而判断出驾驶员的疲劳程度 1 9 】。 相比国外而言，国内对于驾驶疲劳的研究相对较少，而且起步较晚，这与我 国的经济发展水平相对落后有关。从目前搜集的资料来看，很多文章都是针对驾 驶疲劳的产生因素进行定性的分析，或提出一些预防驾驶疲劳的措施，如行车前 保持充足睡眠、开车时间不宜过长掣2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 。有的研究者通过实验对驾驶疲 劳的影响因素进行了较为细致、深入的研究。卞鸿等通过注意力分配测试、闪光 融合频率测试等实验分析汽车驾驶员疲劳影响因素，发现疲劳与驾驶员的工龄、 车龄、吸烟、饮酒有关m 】。施其州等用闪频值测试法研究高原铁路机车司机驾 驶疲劳与海拔、年龄和工作班次的关系 2 5 1 。赵长城等运用客观指标与主观评价 相结合的方法，对上海市长途客运公司的8 名男性驾驶员的生理心理反应进行 了随车测定。研究结果表明，随着驾驶时间的延续，驾驶员的肌电值显著下降， 反应时间增加，疲劳症状出现，疲劳感觉递增。每运行2 小时驾驶疲劳都显著 加重，且各生理心理指标间相关显著 2 6 1 。纵观国内关于驾驶疲劳的研究，不难发 现，不论在研究深度，还是广度上，都与国外有明显的差距。随着我国交通事业 的不断发展，这方面的研究工作急需加强。 t 上海交通大学硕士学位论文 第一章 1 6 本文的研究工作 本文针对驾驶疲劳的人机工程学形成机理和驾驶疲劳的定量评价进行研究。 主要研究内容如下： 1 运用人机工程学原理，建立驾驶疲劳形成的人机工程学模型，对驾驶疲劳的 成因进行分析。 2 根据不同性质驾驶疲劳产生过程的特点，设计不同的实验任务，实现在实验 室条件下，有针对性地模拟不同性质驾驶疲劳的产生过程。 3 总结国内外驾驶疲劳的评价方法，选择合适的驾驶疲劳定量评价指标，通过 不同目的的实验操作任务，对这些指标进行疲劳定量评价的有效性分别进行 研究。 4 根据实际驾车特点和人体振动特性，设计在振动环境下的模拟驾驶疲劳产生 的实验任务，进一步研究疲劳定量评价指标的评价有效性，并研究不同振动 条件对驾驶疲劳产生的影响。 上海交通太学硕士学位论文 第二章 第二章驾驶疲劳的人机工程学分析 汽车驾驶工作属于操作复杂的机械类作业，人一汽车环境系统是典型地人 机系统。在这个系统中，驾驶员要不断接收外部信息，监视车辆运行和道路状况， 并根据需要操纵汽车驾驶机构，使汽车安全地行驶。因此，对驾驶疲劳的形成机 理分析，应该在人一汽车一环境系统中进行。本章基于人机工程学原理，建立了 驾驶疲劳形成的人机工程学模型，并从人机工程学的角度分析了驾驶疲劳的各种 形成因素。 2 1 驾驶疲劳形成的人机工程学模型 2 1 1 人一汽车一环境系统的信息交流 在驾驶过程中，驾驶员接收车内外各种信息，由中枢神经系统作出反应，指 挥手脚等执行器官操纵汽车安全行驶。这整个过程就是人汽车一环境系统的信 息交流过程。综合系统中的各种信息要素，可以建立如图2 1 所示的人汽车 一环境系统信息流程图。 从图中我们可以对驾驶员与汽车和环境的信息交流情况进行分析。首先，部 分环境信息( 仪表盘显示、道路状况、路牌标识等) 由人的感觉器官( 眼、耳等) 认知，进而反应到人的中枢神经系统，中枢神经系统对信号做出分析、判断，并 对人的行动器官( 手、脚等) 发出指令信号，作出处理。处理信号经过人的行动器 官转化为操作动作，并通过汽车的操作部( 方向盘、制动器等) 控制汽车的运动 情况。这整个活动过程在驾驶员意识控制下完成，需要驾驶员精力集中，保持高 度警惕，并且为了能快速作出反应，整个驾驶过程中必须保持相对固定的驾驶姿 势，手扶方向盘，脚踩加速踏板。这就造成驾驶员神经兴奋，局部肌肉紧张，长 时间维持这种状态，就会造成综合精神疲劳和体力疲劳的驾驶疲劳。其次，另 些环境信息( 如车辆的振动、驾驶室内的温度、空气质量、车外景物的闪现、室 内外噪声等) 被人体被动地接收，对人体的生理、心理产生影响，引起头晕目眩、 内分泌紊乱等身体不适，加重了疲劳程度，严重的甚至危害健康。这就是驾驶员 汽车一环境系统的整个信息交流状况。 m 一 黜蠼喵，旱g辗幡郫瞬i*蜒l一in函 世 晕姜星懈 芈挚警删晕世 耋甏娶茎 尝 确 璀蜷艰聋璀鞋 田 匠臀鼙器罂鞭 集 辩辈件牺翟2 星星耐。 寒 森 拽 _ 一“n 叶n d 忡 塾缸箍7 壁蹬希 + 鞘器蜊蔼靼令- 翰 毒曼鼍鬓幢警 莓，、 制 掣母1 ：| 1 _ 莘剥_ 划。鼎崔蛔堡时 稍 趔 霉疃嚣蓝卜弗曹 一 g 脚 箍 噼； g - _ 围塑翠攀地礁毒c 剐 卜一 星 量 擐稍h f + 藻 强 味 谜 掣 餐 司 椎 璃 髓 芸螯 摊 鞋带厘 嚣 搬摧倒摊 杂 ，嚣霍矿 甏萄 蛞恤，*硐f 冒暮 鬟萋 雅 辫湘喇旷 舡 ，擎掣鞋 矿枯学 墨 氍，韶稍 制l最 非收乱 罢铽按壤h 嚣羹 耀缸， 甘g ，罂瘿， 鬓 悱 稚 窭鞭霉蟮， 非妊 矿熏艏 ，札辩g髯 娄 驾美兽 赴f嘿啦乎 嶷蛊，撼 霉 r ，避f扭 州 彩辎，蛙 蒜 罡匣，* 蓑莲剥螂恤撩嫁 隶肄扭， 毒霉 鼎 ， i 卜，联幅，昔卜 蜒趟一 睁! ! 糕靶韫靠 烈牺营 利镣拮 僻，替，。韫 蝈勰，眯甜，*暮，靼f 忙 粕苍 晕婪 掣肆髻缸证蛊艟 碴糕螭赠辖捌昭篁需京，制， 一冒 。憬靶孽替摊靛厦曹避f 。g弓蜮 蜊骺婶，辱艇 窭盖 霉。g 嵘 捉招捌! 匡挚g 憬辱崔 壤基 霉蛙 骣鄣* 。 誊藿童 譬 晨糕件霉蛙蛙卅霉。 好霹褂薄挥 罡足辱螭。苷矿虻好彝暖暖 暖暖 蠹罡蟠 犁毒 巾搭厦招厦 针针抖型疆翘靶挺旧挚锚站晕 世晕 蠢啬* * # *皿*捉 宿 靛靛麓佥拦懊目毗卅排茸目蝠 抻 ：二氰 uv 疑 留s 黎糕誉越戗当斗誊牡蝥粗 1 尊 婆兰 + 幅哦璃晕 ，。如一2 ) 时，则否定假设h o ，认为x 与y 之间具有显著线性关系。 3 4 实验结果分析 3 4 1 闪频值测试结果分析 9 0 分钟监视操作任务前后各被测试者闪频值的变化如图3 - - 1 1 所示。从图 中我们可以看出，监视操作任务后各被测试者的闪频值均有不同程度的降低，最 大的降低幅度达到1 5 3 ，平均降幅为5 7 ，且实验前后的两组数据比较具有 显著性差异( p l 壬 t i m 【r n i n 图3 1 8h f 随疲劳程度变化曲线 1 i r i l e ( m i n ) 图3 1 9v l f h f 随疲劳程度变化曲线 t c n e ( r a i n ) 图3 - - 2 0l f i - i f 随疲劳程度变化曲线 4 1 一 、 一 上海交通大学硕士学位论文第三章 在表3 5 中，2 1 表示各项指标的第二段数据取值与第一段数据取值相比 较，由于实验样本数为n = 1 0 ，由公式3 一( 2 ) ，查表知显著性水平a = o 0 5 时， 自由度为1 8 的t 检验的临界值为t = 2 1 0 1 ，表中用颜色标出的t 值均表明这两 组数据具有显著性差异。 根据以上图表，我们可以做以下的分析： ( 1 ) 由表3 5 中6 1 对比组的t 值可以看出，9 0 分钟监视操作作业前后， 在7 项指标中，s d r r i 、l f 、l f h f 表现出显著性的差异，初步说明这三 项数据对疲劳比较敏感。 ( 2 ) 从s d r r i 、l f 、l f i - - i f 的变化曲线可以看出，这三项指标体现出较好的线 形变化规律，随疲劳程度的增加逐渐上升。由s d r r i 随疲劳程度的变化曲 线可以看出，作业开始到作业进行4 5 分钟时间段，s d r r i 的上升非常明 显相邻数据具有显著性差异；从4 5 分钟到作业结束，s d r r i 上升缓慢， 相邻各段数据差异不显著，休息时间段的值显著降低。在l f 随疲劳程度 的变化曲线中，l f 在9 0 分钟的作业过程中逐渐上升，在作业开始的1 5 3 0 分钟出现一个峰值，作业结束时，l f 值达到最高休息时段1 5 分钟 l f 显著下降。由l f h f 的变化曲线可以看出，作业开始到作业6 0 分钟 时，l f h f 上升比较显著，6 0 分钟9 0 分钟变化不显著，基本比较平缓， 休息时段1 5 分钟显著下降。因此，我们认为这三项指标能够较好的表征 驾驶精神疲劳，可以作为驾驶精神疲劳定量评价的指标。 ( 3 ) 从v l f 、h f 和v l f p r l f 的变化曲线看出，这三项指标随疲劳程度的变化 不呈线形规律，而且各相邻数据段的比较也基本没有显著性差异。h r 随 上海交通大学硕士学位论文 第三章 疲劳程度的变化曲线虽然有较好的线形变化趋势，作业开始后，心率先上 升，在1 5 3 0 分钟达到最高，然后逐渐下降。但在作业结束后，休息时段 的l5 分钟心率仍呈降低趋势，而且相邻各段数据对比均没有显著性差异。 所以，我们认为这四项指标对疲劳程度不敏感，不能作为驾驶精神疲劳的 定量评价指标。 ( 4 ) 结合心电图频域指标的生理意义，我们可以作出进一步的分析。心率变异 性的高频成分h f 反映心脏迷走神经的活性，低频成分l f 反映交感神经 的活性，l f h f 反映了交感神经和迷走神经对心率调节的平衡状态。在安 静的情况下，心率的变化主要受到迷走神经的调节，而在运动、情绪紧张 等情况下，交感神经兴奋占优势口”。由实验结果可见，随着疲劳程度增 加，l f 明显上升，表明交感神经兴奋加强，心率的调节主要受交感神经 的控制，i - i f 总体呈下降趋势，表明迷走神经兴奋降低。l f h f 增大，表 明心率调节的平衡向交感神经倾斜。由于疲劳程度增大人体的作业能力 呈下降趋势，而作业难度设有变化，即人体所受的精神负荷没有减轻，为 了完成作业任务，维持作业能力，就必须付出更大的精力，神经紧张性加 强，从而导致交感神经活性增大，体现为l f 和l f h f 的显著上升。而 在实验开始时，由于被测试者不熟悉实验任务，进行操作时神经比较紧张， 此时的交感神经活性也比较大，从l f 和心率的变化曲线我们可以看出由 于这种神经紧张而导致的l f 峰值和心率的上升。 3 4 5 心电图有效评价指标的相关性分析 通过上面的分析，我们认为s d r d 、l f 、l f h f 能有效的反映驾驶精神疲劳 的程度，是有效的定量评价指标。为了考察三种指标的变化趋势具有什么样的相 互关系，我们对这三种指标进一步做了相关性分析，具体结果如图3 2 l 所示。 图中r 为相关系数，p 为两个指标没有显著线形相关关系的概率，如果我们 给定相关性的显著性水平为q = o 0 1 ，即当p 0 0 1 时，我们认为这两个指标具 有显著线性关系。从图中结果可以看出，l f h f 与l f 和s d r r i 均具有显著线性 关系，l f 与s d r r i 没有显著线性关系。所以，我们认为l f i i f 可以同时反映” 和s d r r i 的变化，可以作为首选的驾驶精神疲劳定量评价指标。 上海交通大学硕士学位论文 第三章 3 j 2 3o 2 。 2 _ l ： 2 0 1 l 1b r - - 0 6 1 6 7 p 0 1 4 0 2 ( a ) s d r r i 与l f 的相关性 r = 0 8 5 7 9 ，p 0 0 1 3 5 c o ) l f i - i f 与l f 的相关性 s dr r il m m 时 r = 0 8 6 6 6 ，p 0 0 1 1 6 ( c ) l f h f 与s d t r i 的相关性 图3 2 ls d r d 、l f 、l f i - i f 的相关性分析 让 柏 惦 “ 娃 坤 一譬-ee8 r 娃 一 ， _ 一 ， 1 a 一 一 ， t 一 _ 珏=：暑播孙托：三协 上海交通大学硕士学位论文 第三章 3 4 5 结论 ( 1 ) 监视操作任务的设计能够模拟驾驶精神疲劳的产生。在实验任务完成后， 被测试者达到了一定的精神疲劳程度。 ( 2 ) 心电图时频域指标中，h r v 的时域指标s d r r i 、频域指标l f 、l f h f 能 有效表征精神疲劳程度，三个指标均随疲劳程度的增加而增大，可作为驾 驶精神疲劳定量评价的有效指标。 ( 3 ) l f ，h f 与l f 、s d r r i 分别具有显著线性相关关系，可作为首选的驾驶精 神疲劳的评价指标。 上海交通大学硕士学位论文第四章 第四章肌电图指标在驾驶体力疲劳定量评价的有效性研究 驾驶过程中的体力疲劳主要产生在局部肌肉组织，主要表现为驾驶员腰背部 的肌肉酸痛，肌肉疲劳的长期积累，会影响肌肉的正常功能，造成局部肌肉的永 久性损伤，形成职业病，危害驾驶员的身体健康。肌肉疲劳的评价，传统的方法 是用氧耗及血液中的乳酸含量来进行，在紧张和太强度运动中可以观察到这些指 标的变化，对于劳动强度不大的作业，通过这些方法则很难作出评价。国内外有 研究者用肌电图方法来进行肌肉疲劳的评价3 2 1 1 3 3 】【m l ，但把肌电图方法用于驾驶 体力疲劳的定量评价，国内还未见报道。本章将研究肌电图指标在定量评价驾驶 体力疲劳时的有效性。 4 1 肌电图疲劳评价指标的介绍 4 1 1 肌电图 肌肉是人体的重要组成部分，人体共有四百三十四块肌肉。每块肌肉通过神 经末梢与运动神经连接在一起，因此肌肉的收缩是在运动神经支配下进行的。每 块肌肉都是由许多肌纤维( 又称作肌细胞) 组成。运动单位是用来表示肌肉基本功 能的单位，它是由一个运动神经元和由它所支配的肌纤维构成的，一个运动单位 所包括的肌纤维数目有多有少，一般约有1 0 至1 0 0 0 根。当运动神经兴奋时，便 通过神经末梢将兴奋传递给肌纤维，使肌细胞膜内外的离子平衡发生变化，产生 电位而引起肌肉收缩，于是产生了运动单位的动作电位。 肌电图是反映肌肉神经系统的生物电活动规律的波形图。从肌细胞外用电 极导出肌肉运动单位的动作电位，并送入肌电图机加以记录便可获得肌电图。 其振幅一般为2 0 微伏至5 0 毫伏，频率范围为2 0 、5 0 0 0 赫兹，如图4 一l 所示。 1 2 5 0 0 肌电 m v 图4 一l 肌电信号 4 6 一_ - _ _ - _ l - _ 一一 上海交通大学硕士学位论文第四章 4 1 2 肌肉疲劳的肌电图评价指标 肌肉疲劳的肌电图评价指标主要有肌电信号功率谱中值频率p c ( c e n t r a l f r e g u e n c e ) 分析、肌电图积分值( i e m g ) 以及肌电平均积分电位( m e a ne m g ) 分析等。肌电图积分值为肌电图时域波形在时间段上的积分，肌电平均积分电位 则是肌电图时域波形绝对值积分的平均，两者具有一定相关性，肌电平均积分电 位的计算公式如下： ，= 言f ”f 川。枷 4 一( 1 ) i 一肌电平均积分电位 t 一积分周期 m ( t ) 一肌电信号的幅值 肌电信号功率谱中值频率是对肌电信号进行功率谱分析得到的指标。一般认 为肌电功率谱的高频范围为1 5 0 2 5 6 h z ，低频范围为2 5 4 5 h z 。中值频率的计 算公式则为： 一( 2 ) 其中f 为频率，p ( f ) 为功率谱。 在离散情况下，公式变为： 2 5 6 ， f c = 2 5 4 4 一( 3 ) ) 根据文献显示，把肌电图信号用于肌肉疲劳的评价，一般是针对手臂等部位 静力施力条件下的疲劳研究，其肌肉施力大小容易控制。而在模拟驾驶过程中， 肌肉施力大小不好控制，这无疑会影响肌电信号的时域波形的幅值，通过时域信 号计算出的评价指标就不能真实地反映肌肉的疲劳程度。所以，我们认为肌电功 率谱中值频率f c 作为驾驶体力疲劳的评价指标更为合适，在本次实验中，我们 主要对f c 的疲劳定量评价有效性进行实验研究。 4 7 1 s p ” = c 上海交通大学硕士学位论文第四章 4 2 驾驶体力疲劳的模拟实现 4 2 1 肌肉疲劳的生理学原因 人的任何作业动作都需要肌肉群联合作用对外作功。当肌肉收缩作功时，其 自身也发生非常复杂的化学作用。肌细胞中的三磷酸腺苷( a t p ) 发生分解，产生 二磷酸腺苷( a d p ) 和磷酸，同时放出能量供肌肉完成机械活动而作功，这一过程 不需要氧的参与，称为无氧代谢过程。但肌肉的a t p 储备量很少，必须边分解 边合成才能使肌肉的收缩活动持续下去，所以实际上a t p 一旦被分解，就要立 即从其他物质吸取能量而重新再合成。当a t p 消耗过多，以致a d p 增多时，肌 肉中的另一种高能磷酸化台物硝酸肌酸就会立即分解为磷酸和肌酸，放出能 量供a d p 再合成a t p ，但肌肉中磷酸肌酸的含量也很有限，只能供肌肉收缩活 动短时间之用。体内真正的储能分子是糖、脂肪和蛋白质，它们不断分解，放出 能量供a t p 的再合成，以维持肌肉的继续活动。糖、脂肪和蛋白质的分解代谢 取决于劳动时机体的供氧情况。当供氧充足时( 中等强度的肌肉活动时) ，糖和脂 肪是通过氧化、磷酸化过程提供能量来合成a t p 的，当供氧不足时( 高强度的肌 肉活动时) ，则主要通过糖的无氧酵解提供的能量来合成a t p ，同时生成大量乳 酸。这样，在工作的肌肉内便存在着