（生物医学工程专业论文）驾驶作业的心理疲劳分析.pdf

中图科学技术大学硕士论文 摘要 驾驶疲劳是高速公路上引起货运汽车车祸的重要原因，已成为发达国家交通 领域的研究热点，纷纷投巨资进行相关的研究，不但有重要的理论意义，同时也 将产生重大的社会价值和经济价值。驾驶员在行车驾驶中不仅需要通过感觉器官 观察外界的环境并进行一定的操控作业，由此引起一系列生理疲劳如肌肉酸痛， 眼睛酸胀，视力减退等。更需要大脑不断的分析处理外界行车的信息，而引起一 系列心理疲劳反应，如反应能力下降，注意能力下降等。我国对驾驶员心理疲劳 研究涉及很少。本课题是国家自然科学基金和g m 联合基金项目“我国高速公路 汽车驾驶员的疲劳模式研究和瞌睡检测探讨”( 6 0 4 2 2 2 0 1 ) 的重要组成部分，通 过论文工作，研究驾驶员非疲劳和疲劳状态下的心理状况，并结合所对应的生理 状况，以综合评价长途驾驶引起的疲劳程度。 本论文在以下几个方面完成了有效的工作： 1 介绍和分析了心理疲劳的相关理论，包括感知作业疲劳和信息处理作业 疲劳。 2 设计并实现了一套心理反应测试的软件，包括反应能力，选择性注意力 t 和判断能力，记忆能力等几个心理测试项目。 3 结合引起疲劳的几种主要因素，利用上述软件设计了两组实验，对驾驶 员正常和疲劳下的心理状态进行评测并处理实验结果，并与所对应的生 理状态比较，综合分析驾驶员的疲劳程度。 关键词高速公路驾驶心理疲劳心理反应软件设计心理疲劳检测 4 a b s t r a c t d r i v i n gf a t i g u ei sav e r yi m p o r t a n tc a u s a lf a c t o ri na c c i d e n t so i lh i g h w a yf o rt h e c o m m e r c i a lm o t o rv e h i c l eo p c 豫0 r s ，a n di th a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h e a r e ao fm o d e mt r a f f i ca n dt r a n s p o r ts y s t e m t h eg o v e r n m e n t so fw e s t e r l lc o u n t r i e s p a yl o to fm o n e yo nt h er e s e a r c ho fd r i v i n gf a t i g u e ，a n dm a n ya c h i e v e m e n t sh a v e m a d eb yt h es c i e n t i s t si nt h e s ec o u n t r i e s t h ed r i v e ro p e r a st h ec a rb yo b s e r v i n gt h e e n v i r o n m e n t sa r o u n dt h e m , w h i c hw i l lc a u s eas e r i e so fp h y s i c a lf a t i g u es u c ha s m u s c l ef a t i g u ea n ds o0 n m e a n w h i l e ，t h ed r i v e rn e e d st oa n a l y z ea n dp r o c e s st h e i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h eb r a i n , w h i c hw i l lc a u s eas e r i e so fm e n t a lf a t i g u es u c ha st h e d e c l i n eo f r e a c t i o na b i l i t y h o w e v e r , i ti sa l m o s te m p t yi nt h ed o m a i no f d r i v e rm e n t a l f a t i g u ei no u tc o u n t r y t h i sr e s e a r c hw o r ki sp a r to ft h ep r o j e c t “r e s e a r c ho nf a t i g u e m o d e la n dd r o w s i n e s sd e t e c t i o nf o rh i g h w a yt r u c kd r i v e r si nc h i n a ”，w h i c hi s s u p p o r t e db yn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ) a n dg m ( g e n a r a lm o t o r ) a n dt h ep r o j e c tn u m b e r i s6 0 4 2 2 2 0 1 i ta i m st od or e s e a r c hi nm e n t a l r e a c t i o no fb o t hn o n - f a t i g u ea n df a t i g u e 。a n dt oe v a l u a t et h ef a t i g u el e v e lc a u s i n gb y d r i v i n go nh i g h w a yw i t ht h ep h y s i c a lf a t i g u e t h et h e s i sa c c o m p l i s h e de f f e c t i v ew o r ki nt h e s ep a r t s ： 1 t h et h e s i si n t r o d u c e dt h et h e o r yo fd r i v i n gm e n t a lf a t i g u e ，i n c l u d i n g t h e a p p e r c e i v ef a t i g u ea n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf a t i g u e 2 t h et h e s i sd e s i g n e da n dr e a l i z e sae v a l u a t i n gs o f t w a r e o fm e n t a lr e a c t i o n ， i n c l u d i n gr e a c t i o na b i l i t y , s e l e c t i v ea t t e n t i o na n ds oo n 3 a c c o r d i n gt os e v e r a lm a i nd r i v i n gf a c t o r s ，t h et h e s i sd e s i g n e dt w oe x p e r i m e n t st o e v a l u a t et h ef a t i g u el e v e lb yb o t hm e n t a lf a t i g u ea n dp h y s i c a lf a t i g u e k e y w o r d h i g hw a y , d r i v i n gm e n t a lf a t i g u e ，m e n t a lr e a c t i o ns o f t w a r ed e s i g n ， m e n t a lf a t i g u ee v a l u a t i o n 中国科学技术大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 驾驶疲劳概述 驾驶疲劳( d r i v i n gf a t i g u e ) 是指机动车驾驶员在一段时间驾车后所产生的 生理及心理反应水平下降，具体表现为感官功能减退，注意力分散，打瞌睡? 驾 驶操作失误或完全丧失驾驶能力等等。按驾驶疲劳产生方式可分为：主观疲劳( 主 观感受) 和客观疲劳( 在任务执行过程中反应机能的下降) 。按疲劳产生内容可 分成生理疲劳和心理的疲劳【l l 。驾驶疲劳的生理反应有：肌肉放松，动作行为不 协调：困倦，眨眼，瞳孔缩小；心率脉率减慢，血压降低等。驾驶疲劳心理反应 有：警觉性下降，反应时延长，注意力分散，短期记忆力下降，产生厌倦急躁情 绪等。一般的说，这些疲劳是相互关联的，生理疲劳必然导致心理疲劳：反过来 心理疲劳也容易引起生理疲劳【2 l 。 近年来，我国道路交通事业发展迅速，但恶性道路交通事故数量也随之逐步 上升，仅2 0 0 5 年l 至2 月，全国共发生交通事故8 3 3 3 4 起，造成1 6 5 8 2 人死亡， 其中因疲劳驾驶导致死亡的有3 8 1 人【3 1 。全国交通部统计资料显示每年因疲劳驾 驶造成的交通事故占总数的2 0 左右，占特大事故的4 0 以上。有人根据安徽 省交警大队的资料统计 4 1 ，1 9 9 5 和1 9 9 6 两年内，沪宁高速公路交通事故的7 6 o 和7 3 2 是驾驶员肇事引起，而疲劳驾驶占比例最大。据美国国家高速交通安全 局( n h t s a ) 的统计表明p l ，每年由于疲劳驾驶引起的车祸大约有1 0 万起，造成 损失达一千二百五十万美元，造成约一千五百左右的人员死亡，疲劳驾驶成为每 年十万多起道路交通事故的首恶。n h t s a 提供的官方数据显示，1 2 - 1 6 的交 通事故直接由疲劳驾驶引发，其中致死性交通事故中有达3 2 是由疲劳驾驶引 起，英国官方公布的相应数据分别是1 7 和2 5 。法国国家警察总署事故报告 表明，因为驾驶疲劳导致的意外占人身伤害事故的1 4 9 ，死亡事故的2 0 6 1 6 1 。 由此可见，驾驶疲劳是导致交通事故的一个重要因素。 疲劳驾驶影响驾驶员的警觉和安全驾驶能力，使驾驶员观察注意力下降，反 应速度下降，对驾驶员和乘坐者而言都非常危险的。 6 中国科学技术大学硕l 论文 1 2 对驾驶员心理研究的国内外现状 1 9 9 1 年，世界标准化组织颁布了经典的i s 0 1 0 0 7 5 精神作业负担有关的人体 工程学原则( e r g o n o m i c sp r i n c i p l er e l a t e dm e n t a lw o r k l o a d - g e n e r a lt e r m sa n d d e f i n i t i o n s ) 1 7 1 ，其背景是进来的作业体系正在从体力疲劳向精神心理疲劳转移。 在日本，在i s o1 0 0 7 5 颁布的同年6 月召开了第3 2 届人体工程学大会，全面介 绍了心理作业疲劳，进而在精神心理疲劳方面的国际研究活动，并在此年的第 3 3 届人体工程学大会上进步研究讨论了题为( 心理作业负担的评价方法) ，同 时发表了一些日本在铁道，航空等交通领域的一些研究实例l 。在这些讨论和 研究中都提到这样的观点，现代作业系统中人的负担正从体力疲劳向心理负疲劳 方面转移，现代作业系统的分析研究和设计要充分考虑人的心理方面的影响。然 而心理作业疲劳是非常复杂的多方面的，其研究需要更加综合性的观点和方法。 人的生理疲劳评价测定可以用一些客观的生理数据测量，但心理疲劳却相对 的要复杂抽象的多，心理疲劳评测主要偏重人的心理，意识的分析调查和主观评 价。在美国广泛采用n a s at l x ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n t a s kl o a di n d e x ) 和s w a t ( s u b j e c t i v ew o r k l o a da s s e s s m e n tt e c h n i q u e ) 主观评价方 法1 8 9 1 。 我国对驾驶心理研究主要集中于知觉方面的研究，对记忆，注意等高级认知 过程涉及还较少【l o l 。国内还有对飞行员睡眠质量与个性心理之间关系的研究， 结果显示性格外向情绪稳定及心理健康水平好者，睡眠质量好i i “。上海交通大 学的李增勇，焦昆等学者对汽车驾驶员模拟精神负荷与心律变异性进行了实验分 析，结果显示出两者h r v 与精神疲劳具有较好的相关性 1 2 1 。综上所述，国内对 模拟驾驶状态下驾驶员心理疲劳的研究还很少涉及。 1 3 论文的研究内容及组织安排 本文首先对驾驶疲劳类型进行了讨论，即驾驶疲劳主要分为肌肉作业疲劳， 感知作业疲劳和信息处理作业疲劳三大类，而我们所论述的驾驶心理疲劳即主要 是感知作业疲劳和信息处理作业疲劳两方面。驾驶中的感知作业主要包括感官能 中国科学技术大学硕一l 二论文 力，如视觉简单反应能力，听觉简单反应能力两方面。驾驶中的信息处理作业则 涉及到复杂视觉判断能力，多任务的复杂反应能力，选择性注意力能力，对速度 和距离的判断能力几个重要方面。 感官知觉，反应能力尤其是复杂反应能力，判断能力及注意能力等能力都是 影响驾驶员行车安全的重要因素，也是驾驶员疲劳状态下心理反应的重要组成部 分。接着我们根据以上理论依据设计了一组心理反应的测试软件，软件包括( 1 ) 感官知觉简单反应能力( 听觉能力，视觉能力) 测试，( 2 ) 选择性注意力测试， ( 3 ) 多任务的复杂反应能力测试，( 4 ) 判断能力( 速度判断，距离判断) 测试， ( 5 ) 记忆能力测试等几大模块。 接下来文章论述了导致驾驶疲劳的几个重要的因素，分别是( 1 ) 不同的驾 驶时间段，( 2 ) 长时间持续驾驶，( 3 ) 睡眠剥夺，( 4 ) 单调路面驾驶，( 5 ) 驾驶 室含氧量等等其他因素。 利用心理反应评测软件，并结合在模拟驾驶舱中进行的模拟驾驶，设计了一 组实验。对驾驶员正常和疲劳下的心理状态进行评测并处理实验结果，并与所对 应的生理状态比较，综合分析驾驶员的疲劳程度。 8 中国科学技术大学硕士论文 第2 章驾驶作业的心理疲劳分析 2 1 驾驶疲劳的类型 按作业类型分，驾驶员作业可分为肌肉作业，感知作业，信息处理作业三大 部分，其中感知作业和信息处理作业是驾驶员的主要作业内容。 i _啊一 曩0 、襁雄谚 一氓销稀o d 珏簸i f 醇 柚0 0 图2 1 与驾驶相关的三种作业比例 ( 1 ) 肌肉作业疲劳：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：感知作业疲劳是指以感知作业为主的作业，由于多种 疲劳因子的联合作用，最终驾驶员未能及时，准确地感知和过滤所需信息。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。 感知疲劳信息：疲劳状态下，驾驶员在行车时看错提示信息。 没有感知到相关信息：疲劳状态下，对侧穿公路行人及相关重要驾驶信 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， 由于多种疲劳因子的联合作用，未能予以及时，快速，准确的处理相关信息，并 形成处理滞后现象3 1 。 9 中国科学技术大学硕i ：论文 状态 图2 2 驾驶行为过程模式 而肌肉作业疲劳就是我们所提的驾驶生理疲劳，主要表现为全身肌肉酸胀， 操作行为下降甚至失控等，而感官作业疲劳和信息处理疲劳则是我们所提的驾驶 心理疲劳的主要部分，表现为感官能力下降，注意力分散，记忆力下降，情绪急 躁等等。 2 2 驾驶员感知作业疲劳分析 人的感知响应系统由感觉器官，传入神经，大脑皮层，传出神经和运动器 官组成。人通过各种感觉器官接受外部刺激，经传入神经传给大脑皮层进行信息 处理，神经中枢做出的决定经传出神经下达给运动器官而作出人体运动响应。驾 驶是以感知和信息处理为主的作业，驾驶员的行为是信息感知，判断决策和动作 所组成的一个不断反馈校准的信息处理过程，外界事物及驾驶员自身的所有信息 都来自于感知，驾驶员对交通状态中的各要素进行不断的感知，识别，为信息处 理提供基础资料。 在感知阶段，驾驶员对已存在着的交通状态中要素的识别和理解的正确， 对要素随后状态确定的合理是保证驾驶的基础。在一定的时间和空间内，通过对 存在着的交通状态中要素的识别及其含义的理解来确定随后要素状态的过程，称 为驾驶状态意识。 下图为驾驶状态意识的系统框图。 1 0 中国科学技术大学硕士论文 鬻瑟 鬻) 嚣 l 环境鬟囊? 葛获。蕃。；雹警j 冬。m 一一， ， 一 图2 3 驾驶状态意识的系统框图 识别交通环境中的要素：驾驶员从道路环境，车内显示仪表或直接通过感觉 器官来识别交通状态中的要素及其相应特性。 理解要素的状态：通过对层次中不连贯要素的综合，依据要素间的模式匹配 来形成对要素的全面认识和重要特性的归结。 确定要素的随后状态：结合对交通环境中要素的识别和要素状态的理解结 果，根据对现有状态认识来确定要素的瞬时或随后状态，以便正确判断决策和协 调动作。 驾驶员在驾驶作业中，要时刻不停的对交通系统，交通条件中各种信息进行 感知识别，实时按照新的信息采取适当的操作，使汽车保持安全运行。驾驶员的 作业疲劳是一种以感知疲劳为主的作业疲劳。 图2 4 驾驶感知作业疲劳 中国科学技术大学硕卜论芏 2 2 1 视觉感知疲劳分析 人的视觉是指眼睛在光线作用下，对物体明暗( 光学) ，形状( 形惫觉) ，颜 色( 色觉) ，运动( 动态觉) 和远近深浅( 立体知觉) 等的综合感觉，人的视觉 是由光刺激，眼睛，视觉神经和视觉中枢共同作用的结果。 视觉出了有光能转化为生理能的视觉外部器官外，还必须有传送和处理生理 信号的视觉内部器官，包括神经纤维和大脑。当物体发出的光射入眼睛后，由于 眼的折光作用在视网膜上形成物象。在物象所及部位将由感受细胞吸收光能而发 生化学反应，使感受细胞产生一系列电脉冲信息。这些信息经视神经传送到大脑 的视觉区域进行处理形成视觉映像，视觉系统由眼球，视觉传入神经，大脑皮质 视区组成，眼球系统由角膜，虹膜，晶状体和视网膜构成。视神经系统由视网膜， 视神经，视交差，外膝状体，皮层视区组成【1 4 1 。上述环节每一部分的功能疲劳， 机能减弱都将影响视觉信息的感知与传递。 图2 5眼球系统组成与调节 圆圆回 图2 6 视神经组成与传导 驾驶员的视觉特性主要涉及静视力，动视力，色觉，暗适应，视立体觉，视 野等，驾驶员的视觉特性是驾驶员安全驾驶的基本特性。 2 中国科学技术丈学硕士论文 在驾驶员行车过程中，道路上物体的远近明暗变化是连续而快速的，而眼的 调节也是频繁的，极易疲劳。由于光线的刺激，视网膜引起兴奋并将信息传送到 中枢神经系统，这种视觉过程能振奋整个机体的活动，高级神经系统的活动也因 此加强。当用眼时间过长或照度不足时，视觉活动过程开始减慢，视觉效率便显 著下降，引起视觉疲劳，而且整个神经中枢系统和机体活动也受到抑制，造成眼 睛局部疲劳和全身性疲劳。 2 。2 2 听觉感知疲劳分析 驾驶员的观察不是仅靠眼睛完成的，而是各种感觉器官共同起作用的过程。 听觉是驾驶员获取交通环境信息的最重要器官之一，它仅次于视觉获得的信息 量。有研究发现，驾驶员在行车工作中，观察时眼睛的视觉工作量已趋饱和，超 过一定限度，就会给人带来疲劳感，影响安全行车。因此，就要充分调动各种感 官来配合眼睛共同完成观察任务。听觉对视觉有重要的辅助作用。 听觉的过程为：外界的声波通过外耳道传到骨膜，引起骨膜振动，随后经中 耳听骨链传递，引起内耳耳蜗中淋巴液和基地膜的振动，使耳蜗中的毛细胞产生 兴奋，机械能转变为听神经纤维上的神经冲动，然后被传到大脑皮层听觉中枢， 产生听觉【1 4 1 。 图2 7 听力机理 驾驶员在行车中听觉的作用表现在： ( 1 ) 辅助作用。行驶中，当视觉的注意力不能分散时，驾驶员往往靠听觉来观 察车内情况和车外有关信息。 ( 2 ) 提醒作用，行驶中，若听到发动机的声音发现异常，变速器发出均匀的噪 音，就会警觉。 中国科学技术夫学颂十论文 ( 3 ) 车辆中的些装置，如警报装置，信号反馈装置的功能是靠声音来实现的， 驾驶员只能靠耳朵来获取这些信息。 声音较长时间作用于听觉器官时，听觉感受性会降低，这种生理现象称为听 觉的适应。一股在声音停止刺激l o - 2 0 s 后，听觉器官感受性即恢复正常。但听 觉器官连续几小时受到强刺激后，其感受性会显著降低，这和适应现象不同，往 往经过几小时甚至一昼夜听觉的感受性才能恢复。这种由于长时日j 的强烈刺激引 起听觉感受性较长时间的下降现象称为听觉疲劳。噪声强度超过l o o d b 时，人的 工作效率就受到干扰，产生情绪不安，心烦意乱，感觉功能下降等。 2 3 驾驶员信息处理作业疲劳分析 驾驶员的行为过程按照信息理论解释，实质上是信息的接受，编码，储存， 交换，操作，检索，比较，提取和使用的过程。 驾驶员完成这一过程分为四个系统：即交通信息感知系统，记忆系统，控 制系统和响应系统，每个系统与其他系统相联系且是互动的。交通信息感知系统 主要由视，听，触，方位，空问，平衡等感知觉构成，接受刺激，加工，编码 将物理能量转换为神经冲动，经感觉神经纤维传递到大脑等神经中枢。记忆系统 将传入的刺激信息与长时记忆单元中原有信息相比较。控制系统是神经中枢加工 与处理，得以编码，存储与提取，将指令经神经纤维传递到效应器官。响应系统 是肌体的效应器官产生动作反应，执行控制系统发出的指令，同时将执行过程中 的情况和执行结果分别反馈回控制系统和感知系统，该模式强调驾驶员已有的知 识和知识结构对他的驾驶行为和当前的认知活动起决定作用。但是当驾驶产生疲 劳时，特别是信息处理类疲劳，必定产生对感知，知觉，记忆，反映等系列性抑 制1 5 a 6 1 。 1 4 中国科学技术大学硕士论文 图2 8驾驶员信息加工过程 询 咋 驾驶员疲劳状态下对危险性的判断及处理水平与正常非疲劳状态下的能力 存在差异，称为疲劳差。正常情况下对危险处理能力是大于或等于危险目标水平， 但疲劳状态下产生了疲劳抑制，使危险处理水平显著下降。当小于危险目标水平 时，往往很容易产生疲劳性交通事故。 鼍嘏藏馕 图2 9 疲劳驾驶信息处理危险目标与危险处理能力 驾驶判断是驾驶员在行车过程中对周围道路交通环境信息的分析和估计，其 特点在于判断的迅速性。判断疲劳指驾驶员大脑分析能力下降。驾驶员的认知能 力，辨识能力降低而出现判断出错，导致驾驶失误，如速度判断出错，反应能力 低下，注意能力降低等。 中圃科学技术大学硕l 一论文 2 3 1 判断能力 驾驶员在行车时，总是处于迅速运动之中，因此能否准确地估计速度对行 车安全非常重要。准确地判断时间，距离和速度是驾驶员必备的素质。如超车时 驾驶员需要连续地判断和准确估计对面车辆的车距，车速和两车问的相对速度及 被超车和迎面交通情况，这就是驾驶员速度判断行为。 速度判断是信息处理的典型阶段，是人们对交通事件经由感觉器官接收到判 断处理，把处理后的时间完整映像到决策中的一个完整的心理过程。当驾驶员知 觉目标时，首先对获取的信息进行重建和说明，然后大脑解释这些感觉输入，只 有当这些输入变为有意义时，驾驶员才对目标有知觉。如道路，车辆，标志。 行人等，驾驶员的知觉能力随着对交通信息突出的结构特征的逐渐把握而发展起 来，驾驶员的经验就是知觉所要提取比较的成型信息库，经验越丰富，知觉能力 越强。 图2 1 0 速度判断过程 动态空间知觉是驾驶员对客观存在的空间作出的动态反应，在驾驶员与道路 交通环境的相互关系中起重要作用，行驶中，驾驶员要随时了解车辆，道路集合 状况，距离，速度和方向等，以便正确处理驾驶中出现的问题。 速度判断主要是通过视觉系统把握动态物体的基本特征，如物体的边界线。 三维物体的边界是由两维的面围绕而成，丽二维的面又是由一维的边线围绕而 成，驾驶员准确有效的直觉车辆，道路等交通信息，才能安全行驶。 速度判断能力对驾驶员行车安全的影响是比较重要的，确定驾驶员速度判断 能力水平对限制交通事故的发生具有积极的意义。影响速度判断的相关因素较 多，主要是反应时因素。 1 6 中国科学技术大学硕士论文 2 3 2反应能力 反应是驾驶员队内外刺激的应答。包括反应速度，反映的准确性和反应的灵 活性。衡量驾驶员反应能力的主要指标是反应时间。 人总是先由眼睛等感觉器官获得信息，而后传入大脑，再经大脑处理后发出 命令而产生动作的，这一段时间称为反应时间。它包括神经冲动在感觉神经纤维， 运动神经纤维中传递的时间和大脑的分析综合时间两部分，这两个时间之和就构 成了反应时间。从安全角度看，驾驶员对一信号或障碍物出现的反应时间越短越 好。 汽车驾驶员的反应时间可以从静态反应时和动态反应时两个方面来考察。 图2 1 1反应时分类 静态反应时是指汽车处于静止状态时测得的驾驶员的反应时间，包括简单反 应时和选择复杂反应时两种。 简单反应时间 对于一种刺激，只需要做一个动作就可完成，动作需要的时间称为简单反应 时间。简单反应时间有以下各部分组成：光线到达人眼视网膜o 秒，视网膜 细胞产生兴奋珈0 2 秒，视神经将兴奋传至视觉中枢珈0 2 秒，从视觉中 枢之运动中枢珈0 9 5 秒，从运动中枢之肌肉产生动作o 0 1 7 秒，合计上 述简单反应时间为0 1 5 2 秒。 选择复杂反应时间： 车辆在行驶过程中，作用于驾驶员感觉器官的信息是很多的，不能只用简单 反应时间来评价驾驶员的反应能力，还应用选择反应时间来检查。所谓选择反应 1 7 中国科学技术夫学硕i 论文 时间是指对无规则的向驾驶员显示出的各种信息，完成一个以上的动作所需要的 时间。选择反应时间与技术熟练程度有关。 动态反应时闯是指驾驶员在行车过程中的反应时。相比较而苦，从交通安全 角度考虑，对驾驶员动态反应时迸行测定更重要。前苏联学者指出，在直接影响 交通安全的昕有心理品质中最重要的是驾驶员对道路情景变化的反应速度。 驾驶员的反应能力是生理，心理行为最重要的基础指标。反应事件不仅依赖 于受刺激的感受器，与整个集体的状态有关，当然也与驾驶技术熟练程度有关。 驾驶种复杂反应时问通过练习可以缩短，减少决策时间。 在行车人一机一环系统中，往往是有很多刺激引起的复杂反应时问，反应事件 不是指执行反应所占的时间，而是从机体接受刺激做出回答反应所需要的时间。 反应时间包括如下时间：刺激人体感受器发生兴奋，神经冲动从感受器传到大脑 所需要的时间，在中枢神经系统判断所需要的时间，作出动作相应时间，这三个 时间作为独立的系统来处理，但是相互联系，反馈，制约。 2 3 3 注意能力 图2 1 2反应时过程 注意是心理活动对一定事物有选择的集中，它不是种独立的心理活动，而 是一种心理状态，是表现各种心理活动的一种积极和紧张程度的状态。注意到某 一个对象后在大脑皮质的一定区域就会产生一个兴奋中心，根据神经过程的相 互诱导规律，在大脑皮层上发生的每一兴奋中心都会引起周围区域的抑制。某一 瞬间，注意高度集中，大脑皮质上的兴奋中心处于优势地位，就可以清楚地反映 引起这个优势兴奋中心的对象，所以紧张持续的主意就使人对某个对象产生清 晰，准确和完善的反映。驾驶员在行车过程中，必须时刻高度集中注意与往来车 1 8 中国科学技术大学硕士论文 辆，行人以其他障碍物，以使这个兴奋中心居于优势地位。 驾驶员，车辆，道路组成的人机系统中需要随时收集有关信息，为安全行驶 提供必要条件。因此要使驾驶员具有良好的注意品质，即具有注意广度和注意稳 定性，能合理分配注意，能主动转移注意，同时以最短时间对外界情况做出正确 驾驶操作反应。 行车时，注意表现为行将出现的交通情况产生方向性的认识。对驾驶员来讲， 重要的不是看见目标，而是要了解看见的目标。不注意的驾驶员，即是看见危险 情况，也不理解其状态，采取错误驾驶操作，导致交通事故。驾驶操作技能是注 意效应的综合体现，注意不良，驾驶操作必然有误。注意是认识选择性的高度表 现，它是系统性状态，牵涉到身体各部分动作协调配合，是神经中枢各部分兴奋 与抑制的协调作用。在驾驶过程中，表现为操作技能。 图2 1 3 注意过程 注意分为不随意主义和随意注意，不随意注意实质上是一种随意注意的常态 转变，不需要意志努力，自然而然的发生注意。随意注意是一种新认识的选择， 又自觉目的，努力搜索的认识过程，易引起疲劳。随意注意和不随意注意可以相 互转化，这是因为随意注意的结果产生动力定型后变为不随意注意。随意注意与 不随意注意常常处于一种竞争状态，行车过程，也是驾驶员注意与不注意不断转 化的过程，交通信息相对恒定，驾驶员一般处于不随意注意。交通信息改变时， 驾驶员必须转变为随意注意，才能有正确的驾驶。 驾驶员在操作过程中充分体现了驾驶行为的综合性，当然更重要体现在动作 的准确性与灵活性。由于行驶过程中道路信息和交通信息复杂，注意负荷较重， 从而引起注意力疲劳。 ( 1 ) 驾驶员注意的稳定性 注意的稳定性，或称注意的持久性，是指在一定事物上主义所能持续的时 1 9 中圆 ： 学技求大学_ 回if + 论文 白j 。驾驶车辆需要驾驶员能将注意长时间的集中在驾驶行为上，即需要驾驶员的 注意有很好的稳定性和持久性。如果驾驶员注意很易分散，不断地从一种事物转 移到另一种事物上，就很可能导致事故的发生。 驾驶员注意稳定程度和对象本身的特点有关系，也和驾驶员本身的特点有关 系。例如，驾驶员身体处于不正常状况( 如失眠，头痛和过度疲劳时) ，就不容 易保持长久丽集中的注意。 ( 2 ) 驾驶员注意的广度 驾驶员在同一时间内能感知到的对象的数量，叫驾驶员注意的广度，也可叫 做注意的范围。驾驶员在驾驶过程中，除了需要注意自身车内的情况，还需要注 意周围较大范围内的道路交通情况。因此，为了保证行车安全驾驶员必须具有较 大的注意广度。 驾驶员注意的广度与驾驶经验有密切的关系，一般来说人对越熟悉的东西， 注意的广度就会越大，由此可通过训练提高驾驶员的注意广度。 ( 3 ) 驾驶员注意的分配 注意的分配是指在同一时间内注意分配到两种或几种不同的动作上，驾驶员 应把主要的注意放在有用的信息上，才能保证行车安全。 驾驶员注意分配的条件主要由两个方面：一是驾驶员注意的能力方面，善于 分配注意，才能保证行车安全。二是驾驶活动的熟练方面，因为驾驶员在驾驶过 程中，即要观察车内的情况，还要随时注意车外道路的交通情况，而且同时要进 行驾驶操作。如果驾驶员不熟悉驾驶操作，必然会分配较多的注意在驾驶操作上， 这就不利于随时观察交通信息，对安全行车不利。 ( 4 ) 驾驶员注意的转移 注意转移是指有目的地，及时地把注意从一个对象转移到另一个对象。活动 的目的性，是注意转移的主要条件。驾驶车辆是由高度目的性的活动，驾驶员必 须能够随着驾驶环境的情况变化而善于主动地，迅速地转移注意，这是驾驶行车 安全所必要的。如驾驶员对于突然的刺激( 如红灯) 要能够作出迅速地反应，就 得养成注意的高度机动性。 驾驶员应当善于控制注意的紧张度，注意的紧张度与注意广度有密切的联 系。越紧张的加强注意，注意的范围就越小。注意的范围越大，要保持高度紧张 中国科学技术大学硕士论文 的注意就越困难。但长时间的高度紧张注意，易于产生疲劳现象，这是紧张度也 会逐渐减弱，注意即趋于分散或紧张度处于下降的趋势，易于产生危险。 中田年4 学技术大学硕l + 论文 第3 章心理反应测试软件的设计 根据第二章所述的驾驶心理疲劳的理论知识，我设计了一个心理反应测试软 件，以综合评测驾驶员的重要心理反应状态。 心理反应测试软件以d e l p h i 为开发平台，主要涉及驾驶员注意能力、反应能 力、记忆能力、判断能力等心理方面的测量，此外，还有简单的操控能力测试。 在每一测试项中，又分为若干小项，主要评测驾驶员的以下心理状态： 反应能力( 包括简单反应能力及复杂反应能力) 。 注意能力 判断能力( 包括速度判断及距离判断) 。 其他能力 图3 1心理反应测试软件结构图 中国科学技术大学硕士论文 图3 2心理测试软件界面 3 1 反应能力测试 该软件设计的反应能力测试包括简单反应测试和复杂反应测试。 3 1 1 简单反应能力测试 简单反应能力测试主要测试被试者的反应时，即从产生刺激到完成动作的时 间。简单反应又可分为视觉简单反应和听觉简单反应，即对被试者产生视觉刺激 和听觉刺激。 1 视觉简单反应测试 本测试主要评测驾驶员对视觉简单刺激的反应能力即反应时。由于考虑对红 绿色交通灯的变换的及时反应是驾驶员安全行车驾驶中的一个重要因素，我们在 屏幕中问设计了一盏绿色的交通灯，测试开始界面如图3 3 所示，绿色交通灯随 时会变为红色，要求被试者看到交通灯变为红色时立刻用鼠标点击交通灯下的 中国科学技术欠学顽i 一论空= “我点”的按钮，如图3 4 所示。测试要求被试者尽可能的在最快的时间内对交 通灯变换产生刺激而做出相应的反应，而且不要抢点。 该测试重复1 0 次，软件将自动记录下1 0 次的视觉反应时数据视觉r t 0 r t 9 ， 并计算出平均反应时视觉r t 一。 图3 3视觉简单测试界面t 2 听觉简单反应测试 本测试主要测试被试者对听觉刺激的简单反应时，要求被试者佩戴上耳机后 集中注意力，在听到“滴”的警报声后，迅速点击“我点”的按钮，测试重复 1 0 次，软件自动记录下l o 次的反应时间数据听觉r t o - r r 9 ，并计算出平均反 应时听觉r t 。 测试界面如图3 5 所示。 中国科学技术大学硕士论文 图3 4视觉简单测试界面2 图3 5 听觉简单反应测试界面 中国科学技术大学硕i ：论文 3 1 2 复杂反应能力测试 车辆在行驶过程中作用于驾驶员感觉器官的信息是很多的，不能只用简单 反应时问来评价驾驶员的反应能力，还应用选择反应时间来检查。所谓选择反应 时间是指对无规则的向驾驶员显示出的各种信息，完成一个以上的动作所需要的 时间。 对复杂反应测试我们设计了两种测试方案，分别是点选交通灯和视觉复杂反 应测试。 点选交通灯测试主要考察被试者的复杂反应能力和注意能力的综合，本测试 屏幕左侧出现三个字母和三盏交通灯，字母和灯一一对应，注意它们的组合，然 后观察屏幕右侧出现的其中一盏交通灯，快速点击它所对应的字母，点击之后自 动进行下一组测试，屏幕左侧的字母和灯的组合会发生变化，右侧的测试灯也会 改变。测试总共持续1 0 0 秒；每次点对一个加一分，点错则扣一分，最后纪录总 分值和点错次数。 图3 6 点选交通灯测试软件界面 复杂视觉反应测试主要考验被试者的对视觉刺激的选择反应能力即选择反 应时。在测试屏幕中央的交通灯，随时可能变为红灯或者绿灯，要求被试者如果 观察到红灯，则快速左键单击；如观察到绿灯，则快速右键单击，测试反复十次， 最后纪录每次的反应时间复杂视觉r t o r t 9 及错误次数n 。 计算错误率= n 1 0 * 1 0 0 中国科学技术大学硕士论文 测试界面如下图3 7 所示。 图3 7 复杂视觉反应测试界面 3 2选择性注意力测试 选择性注意是指人们专注于某些有关信息而忽略其他无关信息的能力。它是 由注意的选择性和搜寻两个维度相结合而成的口t 。选择性注意在许多作业中都 是一个重要的影响因素。c o p h e r ，k a h n e m a n 首先采用双耳分听技术探讨了驾驶员 听觉选择性注意的特点，并据此来预测驾驶员交通事故的发生情况【嘲。不少研 究者认为视觉通道在信息加工作业中比其他的感觉通道具有更重要的作用。因此 a v o l i o 等设计了以听觉选择性注意测验为模型的视觉选择性注意测试，初步研究 表明该测验具有一定的结构效应，并发现驾驶员选择性注意测试成绩与事故存在 显著相关刚。 该心理反应测试软件的选择注意力测试方案是点选数字。测试屏幕中央有一 个l 由0 至9 的数字构成的1 5 1 5 矩阵。测试前被试者无法看见矩阵内的数字分 布。测试开始后，矩阵中的0 - 9 数字将随机分布，被试者要求集中注意力找出其 中是5 的数字，并将其点中。当一页为5 的数字点选到一定数量时，屏幕将自动 中国科肇技术大学硕卜论z 跳转为另一页，重新随机分布数字矩阵的值。该测试将持续两分钟，被试者要求 尽量同时保持正确率和点选速度。 图3 8注意力测试点选数字测试软件界面1 图3 9注意力测试点选数字铡试软件界面2 中国科学技术大学硕士论文 3 3 判断能力测试 判断能力测试主要包括速度判断能力测试和距离判断能力测试两部分。 3 3 1 速度判断能力测试 速度判断能力测试是对运动物体速度的感知能力及对速度过高或过低的估 计偏向。速度估计准确性是驾驶安全性的一个有效指标。因为驾驶员在驾驶中通 常依据其他车辆的行驶速度来顾及自身车速，从而保持必要的行车距离。低估两 车的相对速度易造成尾撞，超车时与对向车相逢，速度估计偏低或距离估计偏大， 也会造成正面冲撞1 2 1 2 2 1 。 测试屏幕左侧有一辆用竖线表示的车辆，行驶速度保持恒定( 高速或低速) 的由左向右行驶。在进入灰色阴影挡板后将无法看见车辆行驶，要求被试者根据 之前的车辆行驶速度自行判断，当认为车辆到达终点位置时，按下停止按钮。测 试中车辆行驶速度高速和低速交替进行。测试共进行1 0 次，软件自动记录下每 次判断的时间t 爿听与t 正_ 之间的t ，并计算出平均值和方差。 图3 1 0速度判断测试界面1 中国科学技求大学硕l 。论艾 图3 1 1速度判断测试界面2 图3 1 2速度判断测试界面3 3 0 中国科学技术大学硕士论文 3 3 2 长度判断能力测试 长度判断能力测试是对物体的宽度感知能力，在行驶过程中有时需要判断车 辆与周围车辆的间距，来做出车辆能否安全穿行的决定。该软件测试屏幕中左侧 有一辆车，右侧有一条马路，马路宽度每次都会发生变化。要求被试者自行判断 车辆宽度与马路宽度的差，如果车辆宽度小于马路宽度则判断车辆可以通过，选 择“可以通过”，如果车辆宽度大于马路宽度则车辆无法通过。 图3 1 3 长度判断测试界面1 图3 1 4 长度判断测试界面2 ( 汽车无法通过马路) 中图科学技术大学硕_ | - 论文 图3 1 5 长度判断测试界面2 ( 汽车可以通过马路) 3 4其他测试 记忆能力也是反应大脑信息处理功能的一个重要能力，长期的心理疲劳也会 导致人的记忆力减退，我们设计的记忆力测试共分为三个项目分别是数字记忆。 空问位置记忆，配对翻图。 3 4 1 数字记忆测试 其中数字记忆主要考察驾驶员对数字的记忆能力。点击开始后，程序自动产生一 组随机数字，在屏幕上依次显示，然后消失。要求被试者根据记忆，依次重复刚 才的数字。如果输入结果正确，则自动加一位数字，进行下一组数字记忆。如果 输入结果错误，则数字长度不变，进行下一组数字记忆。如果发生三次错误，则 测试结束。 3 4 2 空间位置记忆测试 空间位置记忆主要考察驾驶员对空间位置的记忆能力。屏幕中间有1 6 个阴 3 2 中国科学技术大学硕士论文 影方格，点击开始后，方格将会顺次变为红色，再恢复为阴影方格。要求被试者 根据记忆力，依次点击刚才变为红色的方格，如果输入结果正确，则自动加一个 方格的数量，进行下一组空间记忆测试，如果输入结果错误，则方格数量不变。 进行下一组空间记忆测试。如果发生三次错误，则测试结束。 3 4 3 配对翻图测试 配对翻图则是对驾驶员的空间位置能力和图形能力的综合记忆能力测试。我们选 择了驾驶员在高速公路上最常遇到的8 对交通标志牌来作为配对图形。点击开始 后8 对交通标志牌随即分布在4 * 4 的方格内，正面朝上，要求被试者在短时间记 住它们的空间位置，见图3 1 6 。接着交通牌会自动翻为背面，如图3 1 7 所示， 要求被试者根据记忆，连续点击你认为是两张相同的交通牌，将它们两两配对。 如果配对成功，则交通牌一直显示为正面。如果不成功，交通牌还会自动翻为背 面。直到所有的牌两两配对后，全部翻成正面朝上，则测试结束。 图3 1 6 配对翻图测试界面1 ( 记忆交通牌空间位置) 中固科学技术天学颈l 。论支 图3 1 7 配对翻图测试界面2 ( 点击配对交通图) 以上就是我设计并编程实现的驾驶心理反应测试的主要内容，共包括反应能 力测试，选择性注意能力测试，判断能力测试，记忆能力测试和操控能力测试5 大测试项目，可以对驾驶员的心理状态即感知信息作业能力和信息处理作业能力 进行一个比较综合的评测。 中国科学技术大学硕士论文 第4 章驾驶疲劳的因素分析及实验设计 汽车驾驶的情景如图4 1 所示。 一方面，驾驶员通过手和脚对汽车的方向盘，离合器踏板，制动器踏板和其 他的开关按钮进行的肌肉作业对驾驶员来说，根本不算多大的作业负荷。但另一 方面，从道路交通环境中得到的大量信息并对此进行识别和正确处理，判断而使 得视觉，听觉和脑神经处于紧张状态，这样的精神和神经负荷却显然占有很大的 比例。 导致驾驶疲劳有很多因素，最主要的因素有以下几种： 4 1 驾驶时间段 图4 1 汽车驾驶情景 人类的各种生理功能都随着一天中时间段而产生波动，并同时依赖于各种自 身因素如生物钟、体温、荷尔蒙水平等。实验表明，即使经过一夜充足的睡眠休 息，第二天人的警觉性在2 4 d , 时内仍然至少会出现两次周期性的降低，分别发生 在1 3 ：o o 至1 6 ：o o 和o l ：o o 至0 6 ：o o 之间，特别是在0 1 ：o o 至0 6 ：o o 之间降低更加迅速。 3 5 中国 4 学技术大学硕l 一论文 因此由疲劳导致的交通事故也多发在这两个时段【1 1 。 据合宁高速公路交通事故统计资料显示，每日不同时间与交通事故的关系： 夜 a j 2 2 ：0 0 - - 凌晨6 ：0 0 仅占2 4 , i x 时时间的l 3 ，但发生交通事故的起数1 9 9 5 年和 1 9 9 6 年分别占2 4 4 , 时事故总数的5 6 1 和3 5 5 ；死亡人数分别占2 4 d 时死亡总 人数的7 5 o 和6 1 9 ，受伤人数分别占2 4 d 时受伤总人数的6 3 8 和6 6