（安全技术及工程专业论文）机车司机驾驶疲劳测评方法的研究及应用.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es 删o f d r l v n gi st h e c o r ea n dt h em o s ti m p o 旭mi nr a i r o a d t r a n s p o n 越i o n o n c et 1 a 亓j ca c c i d e 几t s h a p p e n ，廿1 ep r o d u c t i o n s ， s o c i e t y j se n o m ya n dc o u n t sr e p u t a _ “o nw i s u f f 莳i o s s s p e c i a i i y w 髓ht h ed e v e j o p m e n t0 fh e a v l e ri o a da n dm o r es p e e d ym o t i o no f t r a i n si nc h i n a ，t h e r ei sh i g h e rd e m a n di nt h es a f e t yo fi o c o m a t i v e s d r m n g d r i v e rf a t i g u ei so n e o ft h em a i nc a u s e so ft r a 厢ca c c i d e n t s r e s e a r c ho nd r i v e r 俐g u eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et op r e v e n ta n d r e d u c et 1 a 俪ca c c l d e n t s t h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i s ma n dm e a s u r e m e n to fd r i v e r f a t i g u ed e e p i y ，f o u n d sa ne 廿e c t i v ea n d f e a s i b i ee v a i u a t i o ns y s t e mo f i o c o m o t i v e sd r i v e rf a t l g u e 。a n dt h er e i a t i o nb e 如f e e ni n t e r t 毫o em o d e a n dd r i v e rf a 啊g u ej ss t u d l e di ne x p e r j m e n te n v i r o n m e n t t h em a i 几 p r o d u c t i o n so ft h ep a p e ri n c i u d et h ef o l | o w s ： 1 ) i ti s c a r r | e do nt h a tt h er e s e a r c hw o r ko nt h ec a t e g o r i z a t j o n ， m e c h a n i s ma n dm e a s u r e m e n to fd r i v e rf a t i g u ea n dt h ea n a i y s i so f i o a dc o n s t i t u t o ro fr e c e n ti o c o m 0 雠v ed r i v i n g 协s kb a s e do nt h e c h a r a c t e r is t co fi o c o m o t l v e d r i v i n gt a s ka n de n v i r o n m e 九t ， a n e v a l l a t l o ns y s t e mt h a iu s e se f f ls u b i e c t i v ee v a l u 舐o na n dh r v o r l o c a i edr i v e rf 乱i g u e ，sm e a s u r ei se s 诅b l | s h e d 2 ) b yu s i n gt h ee v a i u a 廿o ns y s t e ma n dpr | m a r ya n ds e c o n d a r y p e 哟几t 1 a n c em e t h o d si nt h es i m u i a t e dt a s ke nv r o n m e n ti nl a b ，a n e x p e r j m e n t a n dr e s e a r c ho ndr j v e r f a 廿g u e d u r j n gs p e e d i n s t r u m e m sw a t c h i n 9a n d c o m r o l n gt a s ki sc a m e do n a c c o r d i n g y t h ec u r v e sc o m e ；n t ob e i n gb e t 、 ，e e nd u r 龇i o no ft a s k sa n dj n d e x e s a n dt h es e n s ；t i v j t ya n dv a i i d t yo fe a c hi n d e a r ev a d a t e d ，w h i c h w o u i dc o n t n b u t et ot h ef u r t h e rl o c a l es t u d vo ni o c o m o t j v e sd r i v e r f a 士i g u e i i 北京交通大学硕士学位论文 3 ) t h e m p a r s o no fd r i v e rf a t i g u ea n dw o r k i o a db e t w e e nt w o d j f f e r e 几ti n t e r f a c em o d eo fs p e e dw a t c h i n ga n dc o n t r o i n gt a s kj s s t u d i e di ni a b t h ei n f i u e n c e st h a tt h ec h a n a eo fi n t e r f a c em o d e m a k e so ne a c hi n d e xa r ed i s c u s s e da n dni sc o n c i u d e dt h a tt h e r ei s f e wd i 仃e r e n c eb e t w e e nt h e m 。w h i c hp 删d ean e wc d n s i d e r a t i o nt o t h ef u r t h e rs t u d yo nd e s i g n i n gm a n - m a c h i n ei n t e 瞻c eo fl o m o t i v e c a b s k e y w o r d s ：l 0 c o m 0 埘v e d r i v e ld r i v e rf a “g u e ，m e a s u r e m e n t ， s m u l a t e dd r l v i n gt a s k ，i n t e n a c em o d e i 北京交通大学硕士学位论文 y 8 7 9 9 3 3 北京交通大学学位论文独创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北囊交通大学或其他教学机构的学 位或证书而使月过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的 任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：过垄细 日期： 2 q q 主年月一日 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题意义和背景 铁路运输系统在我国交通运输系统中占有举足轻重的地位。安全 是铁路运输企业的生命线。列车运行安全，即行车安全，是铁路运输 安全中最重要、最核心的部分。铁路旅客运输安全和货物运输安全在 很大程度上取决于行车安全。当某一次旅客列车发生冲突、脱轨事故 时，后果是及其严重的。一是随之而来的运输中断，往往使工矿企业 的生产不能正常、顺利的进行，而且造成的经济损失是巨大的，一些 特大恶性事故造成的直接经济损失少则几百万，多则上亿元；社会间 接经济损失更大。据测算，间接经济损失一般约为直接经济损失的1 0 倍。二是危机人民的生命、财产，直接影响社会安定。三是损害国家 声誉，影响国际交往和对外开放【l j 。 近年来，我国不断发展铁路交通，机车保有量不断增加。随着列 车提速和铁路系统服务质量的提高，越来越多的人选择将它作为首选 长途交通工具。火车与飞机、汽车、轮船相比，在安全性上有一定的 优势。但是一旦发生行车事故，将会造成巨大的人亡伤害和经济损失。 这些事故中有相当一部分是由于司机的疲劳驾驶造成的。 根据h 认的j o l e n em o l i t o i i s 在1 9 9 8 年9 月的一次会议上所述， 约1 ，3 的铁路交通及人员伤亡事故是人的因素造成的，其中绝大多数 为疲劳驾驶所致【2 】。 据报道，+ 我国铁路1 9 7 8 年1 2 月一1 9 8 0 年1 0 月问，机车乘务员 因打瞌睡而造成的行车重大、大事故占总事故的4 2 【3 】。 据我国铁路系统事故统计，自1 9 7 8 年1 2 月2 6 日至1 9 8 7 年7 月 6 日，因司机疲劳打盹造成重大、特大事故3 4 起1 4 j 。 郑州铁路局对全路1 9 9 1 2 0 0 0 年间发生的6 9 件因机车乘务员责 任而造成的机务责任行车险性及其以上事故进行了统计，其中因疲倦 北京交通大学硕士学位论文 瞌睡造成的事故就达2 7 件( 重大事故8 件，险性事故1 9 件) ，占3 7 1 3 ；后5 年因疲劳原因造成的事故比例达5 6 5 2 ，比前5 年的2 9 1 7 上升了2 7 3 5 ，呈明显上升趋势【5 】。1 0 年案例事故中，曾出现过 司机副司机同时睡觉、2 台机车重联4 人同时睡觉等机班同睡列车无 人驾驶的问题。 机车驾驶员在工作中打盹睡觉属于严重的违章违纪行为，是绝对 不允许的，但这一现象的深层次原因是驾驶疲劳。对机车驾驶员的驾 驶疲劳进行研究，确立一个可行、有效的机车驾驶员驾驶疲劳测试系 统，有助于帮助我们了解目前我国机车驾驶员的驾驶疲劳状况及其影 响因素，从管理上，包括思想教育、班次安排、行车指挥、定员定编 等方面，提出相应的改善措施，最终实现安全行驶，预防因驾驶员疲 劳而造成行车事故发生，保证人身安全和国家财产的安全。 另一方面，本课题是铁道部项目机车单司机作业条件标准的研 究( 2 0 0 4 j 0 2 0 ) 的一部分内容。 由我院“交通安全与人机工程实验室”进行的机车、动车组司 机室设计规范研究，所推出的机车司机室设置与布置倚统化模式， 已被部运输局装备部所采纳，以“运装验批文”方式在全路推行，自 2 0 0 2 年下半年起所有新造车均按此实行司机室的规范化。规范化司机 室最大特点就是取消了副台的设置，机车驾驶的信息输入与输出。完 全由司机一人承担，为推行单司机值乘打下了操纵作业的基础。单司 机值乘在国际上是一种通行的乘务制，由来已久，已具各相应的人 机环一管的条件。我国实行单司机值乘，具有如下一些特点： ( 1 ) 我国实施单司机值乘制，一开始就面临着提速、重载、高 密度、点对点直达等司机高负荷作业状态，加上我国铁路道口情况复 杂，社会人群素质尚不理想以及司机作业时间长，等等。因此，我国 司机作业负荷与行车安全的关系就成了一个突出的闻题，应该提出一 个相应的标准。 ( 2 ) 我国铁路长期以来一直实行着正、副司机值乘制，一般司 北京交通大学硕士学位论文 机对副司机存在着一种可期待、可分担的心理状态和作业模式。一旦 转变为司机单独一人值乘，司机就有可能感到紧张、无援、不自信和 心理孤单的现象。同时，国外还有资料表明，当司机适应工作状态后， 有可能产生松懈的现象；而不适应者则易引发忧郁症等。因此，为保 证行车安全，除需对单司机从业者加强职业技能培训外，还需从身心 条件对单司机从业者进行职业适应性筛选，为此，需建立一套科学的、 符合单司机值乘身心条件的职业适应性测试方法和系统。 ( 3 ) 就司机室条件而言，我国机车司机室经过规范化后，虽然 已基本做到了可单人驾驶，但是在规范化过程中，由于没有明确提出 要满足单司机值乘的条件，因此对单司机值乘尚存在着一些欠缺和不 适宜之处，必须通过调研，分析和研究对规范化司机室提出补充和改 进的建议。 本课题所要解决的正是其中的第一部分，即确定机车司机驾驶疲 劳测评方法，对驾驶疲劳的定量分析进行实验研究，尤其是探讨作业 持续时间对驾驶疲劳的影响，为今后的机车驾驶疲劳研究奠定基础。 1 2 驾驶疲劳问题国内外研究现状 随着社会经济，人类文明和科学技术的发展，世界各国都在逐步 完善自己的交通系统，与此同时，随之而来的安全问题成为各国日益 关注的问题。交通事故中，人的因素占的比例最大，而疲劳驾驶是引 发事故的主要原因。驾驶疲劳问题已经引起了人们的关注，各国纷纷 展开对驾驶疲劳的实验研究，西方发达国家投入巨大的人力、物力广 泛开展驾驶疲劳的研究工作，并取得了许多有意义的研究成果。 驾驶疲劳的研究主要包括驾驶疲劳的形成机理、驾驶疲劳的影响 因素、驾驶疲劳的量化评价以及驾驶疲劳的应对措旖等几个方面，其 中驾驶疲劳的量化评价一直是研究的重点，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。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 1 国外研究情况 驾驶疲劳测评方法的研究，可追溯到1 9 3 5 年美国公共卫生服务 署u s p h s ( u n i t e d s t a t ep 1 1 b l i c h e a l t h s e i c e ) 在美国交通部管辖的洲 际商业协会i c c ( h t e r s t a t ec o 衄e d c cc o 衄i s s i o n ) 的要求下，负责 调查城市间商业机动车驾驶的服务时间h o s ( t h e h o u r so f s e r v i c e ) 的 管理条例。驾驶疲劳实质性的研究工作是从2 0 世纪8 0 年代由美国国 会批准交通部实施的驾驶服务时间h o s 改革，研究商业机动车驾驶 时间与交通安全的关系，健全卡车和公共汽车安全管理条例开始的。 此时，美国已把驾驶疲劳的研究提高到了立法高度【6 j 。 s m i l o s e v i c 在对长途卡车司机的驾驶疲劳实验研究中，采用人体 激素含量、血压、心率、视听觉反应时间、声音、主观评价等进行研 究，发现长途驾驶会使驾驶员的舒张压上升、视听觉反应时闻延长、 心率下降、声音强度有显著变化n 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【8 】0 e 刑i a d 锄， b l o wa n de 刑i n ，a n a u d 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【9 】 10 】【1 1 】。 日本汽车事故对策中心的j t 式检查方法检查项目有速度估计、 选择反应、注意分配和持续能力、视野、动态视力、静态视力、辨色 力、立体视觉能力、脑电图检查。检查结果由检测人员做出驾驶是否 适合及其是否疲劳的评估【1 2 】。 野口一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【1 3 j 。 d a v i dw w a t s o n 应用心率变异性( w ) 和主观评价法对飞行员 起飞和降落时的负荷和疲劳程度进行研究，研究表明，平均r r 间期 随着负荷的增大而降低；h r v 的高频段数据h f 在飞机起飞和降落的 过程中有明显降低【1 4 】。 北京交通大学硕士学位论文 s a c h i oh a y a s h i ，h a n l y u 醢m i a j t a d i ，k u n s 0 0s h i n 对2 0 名受试 者进行问卷调查( a 陋i 和p o m s ) ，将他们分为两组( 即疲劳组b 和 无疲劳组g ) ，让他们完成相同的实验任务，实验过程中对其e c g 信 号进行记录。实验结果表明两组的指标存在差异；依据h f 、u h f 等w 指标，能够在人体出现慢性疲劳症状前，判断疲劳累积的程 度【1 5 】。 驾驶作业是以感知和信息处理为主的作业类型，驾驶员获得的8 0 的信息来自于视觉，长时间驾驶极易出现视觉疲劳。因而，世界上 许多专家和学者提出了不少基于视觉方法的驾驶疲劳检测方法。这一 方法最大的特点是可以对疲劳进行实时监测。 1 9 9 6 年美国贼p l i n g ，w 抽g 和k a n i a n t h r a 等人测量眼睛的开闭、 运动和生理学表现形态来研究驾驶员的疲劳问题，他们认为利用眼睛 来判断疲劳是非常恰当和行之有效的【垌。这种方法是目前比较好的预 测行车中驾驶员的警觉状态的方法。 1 9 9 9 年4 月美国联邦公路管理局( f c d e r a l 胁曲w a y a d m i n i s 仃a t i o n ) 的技术论坛上发表题为“o c i l l 缸m e a s u r e so fd r i v e r 趟e n n e s s ”的文章，提出把p e r c l 0 s ( 单位时间内眼睛闭合时间所占 的百分率) 作为预测驾驶员驾驶疲劳的可行方法【切。 n a r c 0 1 e p s yr e s e a r c hc c n t e r 研究了用瞳孔测量计测量瞌睡的可靠 性和有效性。瞳孔测量计是实时的测量眼睛的瞳孔尺寸变化的装置， 根据瞳孔的变化关系来评测疲劳度 1 8 。 弗尼亚大学的精神生理学教授w 砒tw i e 刑i l l e 博士提出精神生理 的疲劳测量方法采用班弧c l o s 作为疲劳测量指标，脑电图仪e e g ( e l e c 嘶c e p h 山髀p h ) 、头部运动探测器等来进行辅助测量【1 9 1 。随 着计算机图像技术和信号系统的高速发展，探测p e r c l d s 的方法己 被公认是最有效的、车载的、实时的驾驶疲劳评测方法。 在对驾驶疲劳测评方法进行理论研究的同时，各国也研发出了一 系列电子测量装置： 北京交通大学硕士学位论文 打瞌睡驾驶员侦探系统d d d s ( d m w s vd 咖e rd e t e c t i o ns v s t e m ) ， 用多普勒雷达和复杂的信号处理来测量驾驶员打瞌睡或睡着的活动， 包括不安烦躁的情绪活动、眨眼频率、眨眼的持续时间和眼皮的活动。 该系统的特点是通过能耗低的多普勒雷达系统非接触式的采集驾驶 员的活动和眼皮的活动，以此来分析驾驶员的疲劳状况。 反应时测试仪p v t ，在p c 机屏幕上产生闪动黄光，应试者以敲 击键盘来测试反应时间进而反映疲劳的程度。 日产( n i s s a nd m w s yd r i v e rw a n l i n gs y s t e m ) 在仪表盘用摄像机 监视驾驶员面部的表情来识别驾驶员早期疲劳状态。当驾驶员疲劳 时，它会引发告警声音。 日本富山大学和企业合作开发成功通过检查唾液判定疲劳程度 的仪器1 2 0 j 。这种仪器的原理是：人感到疲劳时，血液中的特殊激素一 一糖皮质激素的数量就会增加，唾液里会分泌出阿尔法淀粉霉，仪器 通过测量这种霉的数量来确定疲劳程度。 日本科学家还研制出一种仪器，可以从飞行员或航管人员的声音 变化中提早察觉他们的疲劳状态1 2 ”。由日本电子导航研究所研制的 “疲劳侦测器”把声音讯号转化成图形，从图形的变化中得出疲倦征 兆。 驾驶疲劳与睡眠情况及作业时间有着密切的关系。一些国家的政 府部门为了保障交通安全，完善安全管理条例，在这一领域进行了深 入的调研。 日本铁道综研开发了一种能推测司机在轮乘每个时刻疲劳度的 “工作负荷评价指标”作为辅助工具进行遵循人类工程学规律的轮乘 编组【丑j 。日本人类工程学会会长大岛推出了“工作负荷评分表”和“睡 眠效果评分表”，认为两组数值间有相互抵消的作用。池田在此基础 上对各种工作和休息进行了加权，构成了“工作负荷评价指标”。 p o u a r dj & ，p i l c h e rj j 分析了机车司机疲劳与醒觉数据资料，评 价机车司机不同工作周期对睡眠质量、觉醒水平的影响【捌1 2 4 j 。 北京交通大学硕士学位论文 澳大利亚开发了一种预测铁路执勤人员疲劳的模式软件，d r e w d a w s o n 对1 9 3 名列车司机的驾驶疲劳进行了数据采集、分析，并与 预测疲劳值进行比较，对该软件的实用性和有效性进行了验证【捌。 美国联邦铁路管理局( h 渔) 开发了一种评价工作时间表的模型 软件1 2 6 】。用以帮助铁路管理者和工人评估工作表对他们警醒水平的影 响，和制定更符合工效学的工作时间表。 a k e r s t e 此7 r t 认为工作小时制度的主要问题是它会削弱安全，因为 没有考虑司机的生物节律，迫使司机在完全清醒的情况下休息【2 7 】。 1 2 2 国内研究情况 我国对驾驶疲劳的研究工作开展的较晚，可以追溯到六十年代。 中国军事医学科学院陈信等利用脑电图、读书实验、唾液分泌、 闪光融合频率测试来判别飞行员的疲劳，认为a 脑波节律变化缓慢说 明产生飞行疲劳。 北京医科大学王生教授在肌肉疲劳过程肌电变化实验观察中对 2 0 名受试者在实验室取坐姿，手持不同负荷，记录和分析肌肉疲劳过 程肌电变化情况，结果表明肌电积分值( m g ) 低于初始值时出现 疲劳，疲劳时肌电功率左移。该研究探讨了肌电技术作为判断肌肉疲 劳的一个客观指标。 李增勇，焦昆等人，应用m 功率谱分析并结合主观评估，分 析了模拟精神疲劳任务下实验者的心脏自主神经功能状态。结果表明 实验者的m w 表现出明显的变化，如交感神经活动性增加，迷走神 经活动性降低。并指出w 是神经负荷敏感的指标，可用于定量评 估驾驶疲劳【2 9 1 3 0 】f 3 1 l 。 1 9 9 8 年深圳长途汽车公司周鹏提出消除疲劳事故隐患必须消除 司机驾驶时的大脑麻痹和异常疲劳，并根据这个想法成功研究出了佩 戴于司机小腿部与手腕部的“司机疲劳事故预防器”，该仪器能在十 几分钟至一二小时的时间内消除司机已有的异常疲劳【3 2 】。 北京交通大学硕士学位论文 铁路系统劳卫所和某些路局对机车司机驾驶疲劳曾做过一些研 究，也进行了现场的测量和数据分析。但在研究目的、方法等方面与 本课题还存在一定的差别。 施其洲，张国宝等人采用临界闪烁融合频率法和疲劳主观问卷调 查法，对我国高原铁路机车司机在不同条件下的驾驶疲劳进行了研 究。分析比较了高原铁路机车司机在不同海拔、不同年龄及不同班次 条件下驾驶疲劳的发展规律。为高原铁路管理局在机车乘务员的乘务 交路安排、机务段机车乘务员定员编制和机车乘务员后勤管理提供了 科学依据l “。 李福敏，叶玉华等人，采用逐时添乘法( 即在驾驶过程中每间隔 一段时间，对司机的心电进行检测，此时由预先配备好的副司机代为 执行驾驶任务) ，分析了客运机车乘务员工作过程中的心率变异性， 探讨提速对机车乘务员生理、心理的影响。结果表明，提速对机车乘 务员的交感神经有轻度影响，对迷走神经影响不大，即提速对机车乘 务员的神经紧张性和均衡性影响不明显【3 4 】。 铁道部劳动卫生研究所的宋子中，于洋等研究人员选取全路具代 表性的六个机务段中1 0 0 名乘务员，采用添乘测量和逐时观察法，进 行疲劳主观症状的调查和适宜运用时间的询问。多数地区的乘务员运 行4 小时后闪光融合频率明显降低，色名读唱时间显著延长，提示有 疲劳现象。主观疲劳症状也有增多趋势。大部分乘务员建议运行时间 为4 - 5 小时【3 5 】。 辛鹏，李铭为了掌握铁路列车员的疲劳程度，对2 4 9 名长、中、 短途列车员进行调查，测定闪光融合临界频率、视觉运动反应时、剂 量作业、短期记忆和视觉再生五项指标。结果表明长、中、短途列车 员总体疲劳无统计显著性差异，男女列车员疲劳无统计显著性差异， 闪光融合临界频率、短期记忆、视觉再生测定疲劳与不疲劳人数有统 计显著性差异，视觉运动反应时与剂量作业测定疲劳与不疲劳人数无 统计显著性差异。铁路列车员疲劳状况明显【3 6 】。 北京交通大学硕士学位论文 目前国内铁路驾驶疲劳研究存在的不足和缺点： ( 1 ) 疲劳症状调查表多采用日本产业疲劳研究会开发的疲劳症 状自评量表1 9 5 4 或1 9 7 0 年版，在因子( 项目群别) 结构和数目的设 定方面不尽妥当，目前已不再适应现今产业结构、劳动方式、作业形 态。 ( 2 ) 多采用逐时测量，只对行程中的某些时刻进行检测，有些 方法甚至只能在发车前和到站后检测，数据无连续性，没有对作业负 荷与驾驶环境和作业方式的关系模型进行系统研究。 ( 3 ) 国内已有研究的时间多在2 0 世纪9 0 年代，对于针对我国 2 0 0 2 年开始实行的规范化司机室单司机驾驶疲劳的研究，目前没有相 关国内文献的报道。 1 3 论文研究的主要内容 1 3 1 研究目标 疲劳导致驾驶失误是造成铁路安全事故的原因之一。机车驾驶作 业是以感知和信息处理为主的作业，驾驶员在作业中需要处理大量的 感知信息并做出正确的反应。一旦这些信息和操作超出驾驶员的工作 负荷阈限值，此时驾驶员就需要缓解疲劳，否则将进入疲劳驾驶状态， 导致驾驶能力下降甚至丧失，极易引发事故。机车驾驶员驾驶疲劳研 究中的一个关键问题就是驾驶疲劳测评方法的确立。由于目前还没有 一个方法能够独立的作为疲劳测试方法，因而针对机车驾驶环境特 性、驾驶员工作和疲劳特性，选取适宜的疲劳测试指标，是完成课题 的关键。 本课题的研究目标是确立机车驾驶员驾驶疲劳测评系统，在实验 室内进行模拟任务的驾驶疲劳定量分析研究，验证选取指标的敏感性 和有效性，并对其在作业界面设计上的应用做初步的探索，为进一步 在实验室内模拟环境下进行驾驶疲劳研究和实车实验奠定基础。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 ( 1 )研究机车驾驶疲劳的产生机理和分类。 ( 2 )在实验室模拟环境下对确立的机车驾驶疲劳测试方法的敏感 ( 3 ) 性和有效性进行实验研究，探讨作业持续时间和指标之间的相 关性。 研究不同机车速度跟踪模式( 界面模式) 对驾驶疲劳的影响。 北京交通大学硕士学位论文 第二章驾驶疲劳的概念、分类和机理 本章根据研究内容的需要，介绍了疲劳、机车驾驶疲劳的基本概 念，重点论述了驾驶疲劳的产生机理和生理、心理表现。 2 1 驾驶疲劳 2 1 1 疲劳概述 从生物学上看，疲劳本身是一种自然的防护性反应，是人体一种 正常的生理活动规律，可以防止机体身心负荷过载。疲劳出现等于向 作业者发出工作负荷过度的报警信号。疲劳最本质的定义是人体清醒 和睡眠状态之间的短暂过程；g r a n d j e a n 和b r o w 将疲劳定义为人体 效率降低和不愿从事工作的一种状态p 飞朱祖祥认为疲劳是人们在工 作中由于经受的活动力度较大或时间较长而产生的工作能力减退的 状态【翊。到目前为止，世界上对疲劳在理论和现象上都缺乏统一的定 义。津琴科等人认为，很难给疲劳下个严密的、具有特定涵义的定 义，但是可以通过疲乏感、生理机能的改变或工作能力特殊变化而给 以鉴定。 疲劳的产生是由于人体内贮备能量和资源的消耗造成的。如果消 耗的能量得不到及时的补充而继续进行活动，就会造成人体损伤。因 此，人在感受到疲劳时，会意识到需要暂时中断活动进行休息，通过 休息使消耗的能量资源得以恢复。疲劳时大多会出现瞌睡、精力不集 中，正常反应减慢，交感神经活动减弱，副交感神经增强等现象。 为了更好的理解疲劳的概念，将疲劳分解为体力疲劳、脑力疲劳、 心理疲劳和混合性疲劳加以论述。 1 体力疲劳 北京交通大学硕士学位论立 当人体在持续长时间、大强度的体力活动时，肌肉群力量和活动 能力减弱的现象被称为体力疲劳。肌肉( 骨骼肌) 群的收缩过程中， 肌肉内的能源物质不断消耗，同时产生乳酸、二氧化碳和水等代谢产 物，这些代谢产生的废物如在肌肉内堆积过多，就会妨碍肌肉细胞的 活动能力，肌肉组逐渐开始发酸。 2 脑力疲劳 脑力活动持续时间过久，人会感到头昏脑胀，记忆力下降，思维 迟钝，这就是脑力疲劳。它产生的机制与体力疲劳相似，是细胞活动 所需的氧气和营养物质供不应求的结果，也是脑力劳动活动中产生的 疲劳因素堆积造成的。大脑在维持高度觉醒水平时，比身体其他器官 需要更多的氧。长时间的作业会使人体脑部供氧不足，出现疲劳现象， 并会随连续工作时间的增加而加剧。 3 心理疲劳 心理疲劳也称为心因性疲劳。它与体力疲劳和脑力疲劳不同，一 般不是发生在驾驶过程之中，而往往在刚刚驾驶开始甚至还没有开始 时，就表现出觉得很累，不想活动，对驾驶失去兴趣，甚至感到厌烦， 这些都属于心理疲劳，所以，心理疲劳的人不是不能做，而是不愿意 做。心理疲劳大多是由情绪低落引起的，而且多为长期性疲劳。 4 混合性疲劳 混合性疲劳，又名综合性疲劳，是几种疲劳同时存在，最常见的 有体力疲劳与脑力疲劳并存、脑力疲劳与心理疲劳并存。驾驶疲劳即 属于此类。 2 1 2 机车驾驶疲劳 铁路机车司机的驾驶疲劳是指其在乘务工作中所产生的疲劳，它 是体力疲劳、精神疲劳、心理疲劳综合的结果。它在整个司机室人机 系统中的产生过程可见图2 1 。 北京交通大学硕士学位论文 精 图2 - 1人机系统疲劳信息流程图p w 司机室内的人机关系非常复杂，司机处于信息高度密集的驾驶环 境中，其在整个驾驶过程中要同时执行多项任务：机车信号和线路上 的地面信号要靠司机去感知和理解；司机要对机车运行状态进行监 控；列车运行过程中的突发事件需要司机及时处理。同时，由于驾驶 动作反复、工作任务单调，线路环境复杂恶劣等原因，司机在生理和 心理上发生种种变化( 例如循环机能的变化、血液的变化、呼吸机能 的变化、尿的变化、神经机能的变化、体温的变化等) ，出现驾驶机 能低落的现象，这些变化可以通过驾驶员的自觉症状和他觉症状来反 映。 机车司机在驾驶过程中，身体负荷除了与一般的劳动有相同点之 外，由于长时间精神高度集中、作业空间狭小、动作受到一定限制、 忙于判断处理车内外刺激信息等原因，精神状态格外紧张，从而很容 易出现驾驶疲劳。机车司机在疲劳时，感觉机能减弱，特别容易发生 北京交通大学硕士学位论文 颜色对比的错觉，导致接收信号故障及判断错误。以至于误操作。同 时，司机的注意力难以集中，记忆力下降。过度疲劳时，会产生强烈 的保护性抑制反应睡觉，失去对机车的控制，极易引发交通事故。 2 2 驾驶疲劳的分类 研究人员根据对驾驶疲劳研究的角度和侧重点的不同，将驾驶疲 劳按照三种方式进行分类，详见表2 1 。 表2 1驾驶疲劳分类 分类依据内容 作业类型肌肉作业疲劳 感知作业疲劳没有感知到信息 感知到信息 没有感知到相关信息 信息处理作业疲劳 行为过程感知疲劳 判断疲劳 动作疲劳 作用部位局部疲劳 整体疲劳 1 按作业类型划分 作业可划分为五种类型：肌肉作业、感知作业、信息处理作业、 思维作业、创作性作业。机车驾驶作业多为肌肉作业、感知作业和信 息处理作业。其中感知作业是机车司机的主要作业内容。 ( 1 ) 肌肉作业疲劳是指局部肌肉作业效率下降，并出现一定的 特征反应，未能及时的、准确的动作定位。 ( 2 ) 感知作业疲劳是指以感知作业为主的作业，如驾驶作业， 受多种因素的联合影响，最终驾驶员未能及时、准确的感知和过滤所 北京交通大学硕士学位论文 需信息。主要分为三类： 没有感知到信息：疲劳状态下，视觉系统感知能力下降，静视力 和动视力低、视野感知迟钝、视立体觉和暗适应功能减弱，听觉水平 下降等。 感知到信息：疲劳状态下，驾驶员看错提示信息。 没有感知到相关信息：疲劳状态下，对相关重要驾驶信息没有感 知。 ( 3 ) 信息处理作业疲劳：信息处理作业疲劳是指在大量的信息 处理过程中，受多种因素的联合影响，未能予以及时、快速、准确的 处理相关信息，并形成处理滞后的现象。 2 按行为过程划分 司机驾驶行为过程是：感知判断动作，并将结果反馈到 以上各个环节不断循环的动态实时过程。如果某一环节出现障碍，则 会影响整体的行为效果。感知疲劳、判断疲劳、动作疲劳就是在这三 个环节出现问题时所对应的疲劳。 3 按作用部位划分 作业可划分为局部疲劳和整体疲劳。 ( 1 ) 局部疲劳是指人体某一部分由于进行较强或较长时间的活 动而产生的疲劳。例如，机车司机长时间驾驶，以固定姿势就坐，腰 部血液流动不畅，产生酸胀的感觉，就属于局部疲劳。 ( 2 ) 整体疲劳是全身性的疲劳，它的表现是多维度的，一般表 现为体力衰减，活动速度变慢，效率降低，差错增多，注意不能集中， 思维迟缓，动机减弱，精神不振。整体疲劳与局部疲劳有一定联系， 人产生局部疲劳后若继续持续工作，就可能由于疲劳积累、漫延，发 展成整体疲劳。 2 3 驾驶疲劳的生理学机理 从生理学角度来分析，疲劳大致分为肌肉疲劳和精神疲劳。 北京交通大学硕士学位论文 2 3 1 肌肉疲劳 肌肉疲劳是由肌纤维进行大力度的或长时间收缩活动引起的。肌 肉收缩时需要消耗能量，收缩的力度越大，消耗的能量越多。 驾驶员在驾驶过程中，四肢和腰部有局部的体力活动，这需要肌 肉群联合作用对外做功。当肌肉收缩做功时，其自身发生非常复杂的 生化反应。肌肉细胞中的三磷酸腺苷( 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做功，这 一过程不需要氧的参与，称为无氧代谢过程。当a 田消耗过多，以致 a d p 增多时肌肉中的另一种高能磷酸化合物磷酸肌酸( c p ) 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a 职和 c p 的含量很有限，只能供肌肉收缩活动短时间之用。 在长时间的肌肉活动中，体内真正的储能成分( 糖、脂肪和蛋白 质) 不断分解，放出能量供瑚噜的再合成，以维持肌肉的继续活动。 一旦供氧不足，糖元便大量迅速消耗，乳酸集聚过多，从而引起肌肉 酸痛，导致疲劳，甚至不能继续工作。乳酸必须与血液中的氧化合， 才能变成水和二氧化碳，从而减轻肌肉疲劳程度或延缓肌肉疲劳的发 生。肌肉作业时人体所需要的氧量取决于作业强度，强度越大，需氧 量也越多。 肌肉疲劳的产生过程，除了肌肉中发生生化物质的变化外，还与 中枢神经的活动状态存在一定的关系。这主要表现在两方面：一方面 是在肌肉疲劳的开始阶段，中枢神经系统将会控制更多的肌纤维参与 工作，这样可以使肌肉的总工作力量得到补偿；另一方面中枢神经也 随着肌肉疲劳的加深和体内活动能源的消耗而产生疲劳。 2 3 2 精神疲劳 精神疲劳被认为是逐渐积累的过程，其主要表现为全身乏力、头 晕、恶心、思睡或失眠、心情压抑、思维能力减弱、努力程度下降、 北京交通大学硕士学位论文 工作效率和警醒水平降低等。人的大脑中存在两种神经组织，形成两 个系统：一种组织的机能是增加大脑皮层的激活程度，形成为活动系 统：另一种组织的机能是降低大脑皮层的激活程度，形成为抑制系统。 一个人在任何特定时刻的功能状态，均取决于活动与抑制两个系统的 均衡情况，如果活动系统占优势，则人的机体处于对刺激的准备应答 能力增强的状态，其生理表现为对周围事物和工作感到新鲜、兴趣浓 厚和非常清醒；如果抑制系统占优势，则人的机体处于对刺激的准备 应答能力减弱的状态，其生理表现为疲倦、思睡和思维活动减少。从 熟睡状态到警觉状态，根据大脑的皮层激活程度的不同，可分为熟睡、 浅睡、思睡、疲倦、发呆、懈怠、静止、新鲜、机敏、机灵、兴奋、 警觉等状态。精神疲劳一般被认为是从懈怠、发呆、疲倦、思睡、浅 睡、熟睡的一种变化过程。 驾驶过程中产生精神疲劳的因素是多方面的。例如司机的睡眠情 况、驾驶持续时间、司机室环境、道路条件、任务难度等。机车驾驶 员的工作特性决定了他们要从事长时间的驾驶任务，且工作时间十分 不规律，极易发生疲劳，导致大脑中枢神经麻痹、困倦等症状。这是 导致铁路交通事故的主要原因之一。 2 3 3 生物钟节律 人体昼夜觉醒水平存在着一定的规律性( 通常人们所说的2 4 小 时生物钟节律) ，且很难改变。人体觉醒度高时，适宜进行日常工作 和活动：觉醒度低时，工作效率降低，且易产生疲劳。睡眠可以缓解 疲劳，对人体机能有一定的恢复作用。但由于睡眠受昼夜节律的影响， 即使白天睡眠时间充足，仍不能完全避免夜间行车时疲劳状态的产 生。 图2 2 描述了人体昼夜觉醒水平的变化规律。从图中可以看出， 人体昼夜觉醒水平在上午1 0 一1 2 时最为警觉，早晨6 时最低。如果 驾驶员从午夜到黎明时执行任务，就很容易产生疲劳。同时驾驶员执 北京交通大学硕士学位论文 行任务时间与生物钟节律有明显的相依性。如果执行任务时间过长 就可能使驾驶员觉醒水平达到低谷，从而产生疲劳。 八一 卡时间c 钟点， 图2 2人体昼夜觉醒水平的变化规律 r o s e k i n d 等认为生物钟节律的混乱会导致人体生理上的变化，例 如体温、睡眠清醒状态、激素分泌、血压，还有工作表现等，在进行 驾驶疲劳的研究时有必要考虑生物钟节律的影响。本文作者建议铁路 管理部门在今后的驾驶疲劳研究和制定司机工作值乘制度时，应通过 跟踪调查或测试等手段对生物节律对疲劳及工效的影响做深入探讨。 2 4 驾驶疲劳的心理学机理 2 4 1 驾驶疲劳的心理学分析 机车驾驶是复杂的人机环系统，在该系统里，司机的心理状态受 多种因素的影响而发生各种各样的变化。司机室内各种控键和显示仪 表繁多，司机需要集中精力注意信息显示；司机应熟悉操作规程，行 车前准各和驾车过程都要严格按照规程进行操作；行驶过程中线路状 况异常复杂，司机需要时刻注意道路信息，同时突发事件需要驾驶员 做出相应的紧急处理：司机室内的光照度不足、通风不良、噪音和辐 射等现象都会对司机心理产生一定的影响。 由于机车司机工作的复杂性，及其在安全行驶中的重要作用，要 求他们能够做出及时而准确的反应。这就要求司机不断提高技术的熟 练程度，增强迅速接受及处理各种信息的心理承受能力。同时还应训 北京交通大学硕士学位论文 练自己的心理承受力，以提高接受和处理信息的能力。 驾驶疲劳的心理体现是相当复杂的。家庭关系，单位人事关系、 领导关系、个人的喜好等等，这些都影响着人的心理状况。机车驾驶 任务、工作程序的单调性，列车运行中车轮与钢轨撞击发出的有节奏 的声响，发动机的轰鸣声，形成了机车司机视觉、听觉上的单调性。 在连续作业中，驾驶员要多次重复相同的操作，经历相同的场面，感 觉器官长时间受到单调性刺激，易于产生漫无边际的遐想或被其他事 情吸引而分散注意力，使工作兴趣下降导致行动怠慢，产生厌烦情绪 【4 1 】。行车路线和驾驶时间长以及工作时间的不规律性也必然造成司机 的身心疲惫。 人的心理状态体现着人在从事某种活动时心理的激活程度与脑 功能的积极性水平。因而，驾驶员应注意随时调整自己的心理状态， 确保自己在良好的心理状态驾车，保证列车的安全行驶。由于单司机 机车驾驶的整个过程都是由一个驾驶员单独完成的，机车的行驶不能 依靠任何人帮忙，其独立性和风险性更大，驾驶员要有较充分的事先 心理准各和自我心理调节能力。 2 4 2 驾驶疲劳的心理表现 1 对驾驶操作缺乏信心，主动性降低，无法按驾驶操作规程要求继 续行车【4 2 1 。 2 注意分散，判断能力下降，注意分配不均衡并且转移速度降低， 丢失重要的行车信息。 3 感觉器官的功能发生减退或紊乱，如视觉模糊、听力下降、判断 迟缓。 4 驾驶动作不灵活，节律失调，动作的自动化程度减低。 5 记忆和思考能力下降。在过度疲劳情况下，忘记操作技术规程。 6 驾驶员的决心、耐性和自我控制能力减退，缺乏坚持不懈的精神。 易于激动、急躁。 北京交通大学硕士学位论文 7 过度疲劳会在行车途中产生困倦，甚至打瞌睡。 2 5 本章小结 本章对疲劳、驾驶疲劳，特别是机车驾驶疲劳的基本概念，驾驶 疲劳的分类及其生理学、心理学机理和表现进行了阐述和研究，为论 文后续工作提供理论基础。 北京交通大学硕士学位论文 第三章机车司机驾驶疲劳测评方法的确定 本章对目前国内外的多项疲劳测评方法进行了探讨，针对机车驾 驶作业和环境特点( 即以精神疲劳为主的作业类型) ，确立了机车司 机驾驶疲劳钡4 评系统，并对选用的方法进行了详细的阐述和研究。 3 1 疲劳的测评方法 驾驶疲劳的定量评价涉及精神生理学、生物化学等多门学科，其 评价方法大致可分为主观评价法、生理参数测试法、生理反应测试法、 生物化学法。 3 1 1 主观评价法 对疲劳的主观评定是疲劳测量中使用最广也是最有效的方法p ”。 人对疲劳很敏感，能根据切身体验判断自己所处的疲劳程度。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。 主观评价法的优点是比较直接，简单易行，不存在侵入性问题， 应用较为普遍。缺点是个体差异大，易受环境和短时记忆消退的影响。 3 1 2 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 f a p h ) 、脑电( e e g ，e l c c t r o e n c 印h “o 掣印h ) 、肌电( e m g ， e l e 咖m y o g r a m ) 、眼动( e a ) 、皮肤电流反应( g s r ) 、鼓膜温度( 珊) 、 e l e c t r o m y o 孕a ) 、眼动( e a