（森林工程专业论文）基于心率变异的驾驶员生理负荷研究.pdf

摘要 随着我国交通运输事业的发展，道路交通事故逐年增多，给人们的生产生活带 来了危害。驾驶疲劳是造成交通事故的主要原因之一，其造成的交通事故占交通事 故总数的1 0 左右。因此，研究驾驶疲劳的形成及减缓驾驶疲劳的方法，对于减少 交通事故发生具有重要意义。 本文从人机工程学角度出发，分析了驾驶员行为和驾驶疲劳形成过程，总结并 提出了基于人体生理信号的驾驶疲劳研究方法，并以心率变异为例，研究了生理因 素对驾驶员疲劳的影响，探索减缓驾驶疲劳的途径。 驾驶过程中驾驶员感知、判断、动作三个阶段都对人体形成负荷，导致了疲劳 的形成，在此分析基础上，建立了驾驶疲劳形成过程人机工程学模型，分析了驾驶 疲劳的影响因素，并对影响因素的作用进行了简单分类。驾驶疲劳与驾驶员生理信 号变化存在一定的关系，在此分析基础上，总结并提出了基于人体生理信号的驾驶 疲劳研究与实验方法。 本文的研究方法是：为了动态地反映人的神经系统受环境因素变化的影响，应 用了新兴的衡量心脏负荷的心率变异方法；通过该方法首次获得了整个时域的行驶 对驾驶员心率变异的影响规律。 本文在驾驶疲劳研究方面获得了第一手实验研究成果，为更客观地研究驾驶疲 劳提供新的思路和方法，对减缓驾驶疲劳具有重要的意义。 关键词：人机工程；驾驶负荷；心率变异 s t u d i e so fd r i v e r sp h y s i o l o g i c a ll o a d sb a s e do nh r v a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a , r o a dt r a f f i ca c c i d e n t sh a p p e nm o r e a n dm o r ef r e q u e n t l y , t h e ys e v e r e l yi m p a i rp e o p l e 。sl i v e sa n di n d u s t r y d r i v i n gf a t i g u e0 讣) i so n eo f t h em a i nc a u s e so fa c c i d e n t s ，i tl e a d st o1 0 o f t h e m s o ，s t u d yo ng e n e r a t i o no f d fa n dh o wt oa b a t ei ti ss i g n i f i c a n tt ot h er e d u c i n go f t r a f f i ca c c i d e n t s b a s e do l le r g o n o m i c st h e o r y , d i v e rb e h a v i o ra n dd fg e n e r a t i v ep r o c e s si sa n a l y z e d a ne v a l u a t i o nm e t h o df o rd fb a s e do np h y s i o l o g i c a ls i g n a l si sg e n e r a l i z e da n dd e v e l o p e d h e a r tr a t ev a r i a b i l i t yo - m v ) i st a k e na sa l le x a m p l et oe x p l o r ei t si n f l u e n c eo nd f ，a n d t h ew a yf o rr e d u c i n gf a t i g u ei ss e a r c h e d t h ep e r c e p t i o n , e s t i m a t i o n , a c t i o np r o c e s so fd r i v i n gw o u l db r i n gc e r t a i nl o a dt o d r i v e ra n dd fg e n e r a t e s , b a s e do nt h i s ，a ne r g o n o m i c sm o d e lo fd fg e n e r a t i v ep r o c e s si s c r e a t e d ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f d fa r ea n a l y z e da n dc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h e i re f f e c t ， t h er e l a t i o nb e t w e e nd fa n dp h y s i o l o g i c a ls i g n a l si sa n a l y z e d ，a l le v a l u a t i o nm e t h o df o r d fb a s e do np h y s i o l o g i c a ls i g n a l si sg e n e r a l i z e da n dd e v e l o p e d t h er e s e a r c hm e t h o do ft h i sd i s s e r t a t i o ni s ：n 删m e t h o d sa r ea p p l i e do l ld r i v e rb o d y s h r vf o rm e a s u r i n gh e a r tl o a d s ，f o rd e v e l o p i n gr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo nh u m a nn e r v e s y s t e mc a u s e db ye n v i r o n m e n t a lc h a n g e f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ei n f l u e n c er e g u l a t i o n so f h r vc a u s e db yt h ew h o l et i m er e g i o no f d r i v i n ga r ea c q u i r e dt h r o u g ht h i sm e t h o d t h er e s u l t so f t h er e s e a r c hp r o v i d et h ef i r s t h a n dd a t aa b o u td fa n di ta l s os u p p l i e sa m o r eo b j e c t i v er e f e r e n c ea n dm e t h o do f d fs t u d y i ti ss i g n i f i c a n tt ot h er e d u c i n go f d f k e yw o r d s ：e r g o n o m i c ；d r i v i n gl o a d s ；h e a t t r a t ev a r i a b i l i t y ( h r 功 d ir e o t e db y ：p r o f z h us h o u ii n a p p i ic a n t f o rm a s t e rd e g r e e ：s o n go h a n g z h e n ( f o r e s te n 罂n e e n n g ) ( c o l l e g e o f f o r e s t r y f , n g t m m n n g ，i n n e r m o n g o h a a g r i c u l t u r a l u m v e r s ，瓤h o h h o t 0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢阿 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 含为获得我校或其他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了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：玺区抠日期：型2 ：签 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印，缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：重甚拯 指导教师签名：滚2 碰 日 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 l 引言 i 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 随着经济的发展，人民收入的不断提高，汽车的不断普及，我国的汽车消费时 代正在到来。然而，随着公路通车里程和机动车保有量的增加、车辆运行速度的提 高，我国道路交通事故逐年增多。 2 0 0 4 年，中国道路交通事故死亡人数达9 4 万人，居世界第一。因驾驶员因素 导致的交通事故占总数的8 9 8 ，造成的死亡人数、受伤人数分别占到了总数的 8 7 4 和9 0 6 。2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，比2 0 0 4 年减少6 7 6 3 5 起，下降1 3 1 ；造成9 9 万人死亡，同比减少8 3 3 9 人，下降7 8 ；造成4 6 9 9 1 1 人受伤，同比减少1 0 9 5 3 人，下降2 3 ；直接财产损失1 8 8 亿元，同比减少5 i 亿元，下降2 1 2 。2 0 0 6 年全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，比上年下降1 5 9 。 自2 0 0 0 年以来，道路交通事故死亡人数首次回落到9 万人以下，共造成8 9 4 5 5 人死 亡，比上年下降9 4 。 道路交通事故的发生是各种因素综合作用的结果，交通事故原因分析表明：人 是造成交通事故的关键因素。前苏联道路安全专家巴布可夫在道路条件与交通安 全一书中写道：“根据统计，认为所有事故中完全应由驾驶员负责的，联邦德国有 8 2 、巴西7 5 、匈牙利7 4 、意大利4 1 、波兰9 6 ；统计中对道路条件原因则赋 予较小的作用，巴西为6 、联邦德国为8 、爱尔兰为1 7 、美国为1 8 、日本为8 ” 【 】。 在该交通环境背景下，提出了基于心率变异的驾驶员生理负荷研究这一课题。 1 1 2 课题研究的意义 为了减少疲劳驾驶造成的危害，我国已对其作了相关规定，但驾驶疲劳不易检 测，因此存在规定较难执行的问题。另外，由于经济、意识等原因，驾驶疲劳也常 为驾驶员忽视。因此，从汽车和环境方面因素着手对驾驶疲劳进行研究，探索减缓 驾驶疲劳的方法，对减少交通事故的发生和保护驾驶员的身体健康有重要的现实意 义。 本文从人机工程学角度出发，分析了驾驶疲劳的形成过程和各种影响因素，使 用人体的心率变异生理信号为指标研究驾驶疲劳，为更客观地研究驾驶疲劳提供新 思路，探索减缓驾驶疲劳形成的方法。该研究方法也可用于其它因素对驾驶疲劳影 响的研究当中。本文的结论可作为汽车驾驶舒适性的判断标准，减少事故发生，提 高安全驾驶效率的依据，具有长远的意义。 1 2 国内外研究现状 2 基于心率变异的驾驶员生理负荷研究 驾驶疲劳的研究涉及到心理学、生理学、生物化学等多门学科。目前国内外对 驾驶疲劳的研究已取得了许多成果。 1 2 1 国内研究现状 ( 1 ) 国内相关研究主要有：李增勇等人分析了造成驾驶疲劳的环境因素，指出视 觉、听觉、人一座椅、人一操纵等界面是影响驾驶疲劳的主要人机界面，并从人机 界面设计方面提出了防止和缓解驾驶疲劳的有效措施嘲。马国忠等人针对驾驶座椅， 从人体测量、生物力学、心理学、机械振动、作业空间等角度分析了驾驶疲劳的成 因，论述了汽车驾驶用座椅的人机工程设计伽。张鄂等人设计了汽车乘驾体位生物 力学实验台，该实验台可以测试和分析驾驶员的各项体压分布指标和驾驶员腰部肌 肉疲劳过程中的表面肌电信号，为优化人机界面设计和提高驾驶舒适性提供了实验 基础。张开冉等人研究了道路边缘线和标线对驾驶员疲劳的影响，结果表明在有 边缘线的道路上行驶不易疲劳嘲。 ( 2 ) 国内外驾驶疲劳监测技术的研究中普遍存在的问题：尽管国内外关于驾驶疲 劳监测技术的研究已经取得了一定进展，但依然存在以下几方面的问题“1 ， 1 ) 受监测仪器的限制，难以实时监测。由于大部分监测用传感器为接触性的， 在行车过程中会造成驾驶员不适或影响驾驶员操作，如：脑电、心电、肌电的测量 一般需要在人体上粘贴电极，监测驾驶员头部运动装置也需要在驾驶员脸上或头部 做标记，而瞳孔直径更是难以测量。因此，目前大部分研究工作都无法进行实车实 验，而只能通过以下两种方式进行：在驾驶前后测量相关指标，然后进行对比分析； 在驾驶模拟器中进行实时监测实验； 2 ) 利用单一指标监测驾驶疲劳存在局限性。前面介绍的驾驶疲劳的几种指标， 虽然都可用来评价驾驶员的疲劳程度，但又都存在一定的局限性，如：p e r c l o s 的 监测对于那些睁着眼睛睡觉或者戴眼镜的驾驶员误报率很高；由于点头的动作和磕 睡之间数仍然没有找到合适的相关关系，监测头部运动的准确率不高；而监视汽车 行驶方向时要求路面中线标志清晰，而且在晚上光线不足时容易测量失败； 3 ) 监测装置的成本太高，不利于商品化。虽然一些研究机构或汽车生产厂商研 制出了实用的驾驶疲劳监测预警装置，但大多由于成本过高而无法推广。如：法的 雷诺汽车公司花5 年时间成功研制了一套驾驶疲劳预警装置( 一种红外线装置，通过 在仪表盘上安装的红外摄像头监视驾驶员眼睑张合，一旦监测到司机打磕睡就报警 警醒司机) ，但由于该装置需要在汽车上安装摄像头和一台与之相连的电脑，大大提 高了汽车生产成本而无法大面积推广使用。 1 2 2 减缓驾驶疲劳的方法研究 研究驾驶疲劳的目的是为了减少驾驶疲劳的危害，延缓驾驶疲劳的形成。因此， 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 减缓驾驶疲劳的方法研究更显得举足轻重。目前，这方面的研究一般是以驾驶员为 中心，降低驾车负荷，提高驾驶舒适性，改善驾驶环境，从而达到减缓疲劳的目的。 国外目前主要有：s ej i np a r k 等人开发了一套驾驶姿势检测系统，通过实验获得 韩国驾驶员最舒适的驾驶姿势”1 。g i u s e p p ea n d r e o n i 等人分析了舒适的驾驶坐姿 与驾驶室座椅椅垫、靠背之间的关系m 。p a u lh e r r i o t t s 提出为了减少老年人驾驶 负荷，根据老年人身体特点进行汽车设计的思想o 】。d i c kd ew a a r d 等人研究了安全 与舒适驾驶所必需的道路标示信息，实验表明：道路标示的作用非常重要，其对老年 人作用比年轻人大“。y u k i eh i r a t a 提出驾驶员出现疲劳后，用香水和声音进行刺 激，来提高驾驶员警觉性“”。 1 2 3 国内外驾驶疲劳研究内容 目前，国内外对驾驶疲劳的研究主要围绕在驾驶疲劳形成机理、驾驶疲劳监测 技术和减缓驾驶疲劳途径方面。 ( 1 ) 驾驶疲劳形成机理及影响因素研究 主要研究驾驶疲劳的形成、原因、影响因素。目前，该方而研究主要有：s i m o n s m i t h 等人研究了年轻人困倦时的驾驶行为，提出延缓驾驶疲劳出现的措施m 。 t h o r n yn i l s s o n 等人研究了模拟驾驶条件下人体疲劳症状的变化规律，并提示驾驶 员在驾车过程中不可忽视驾驶疲劳“。p i e r r et h i f f a u l t 等人研究了高速公路单 调道路环境与驾驶疲劳之间的关系，指出了单调的道路环境容易引起驾驶疲劳“”。 c t s o p a n a k i s 等人研究了持续2 4 小时驾驶过程中人体荷尔蒙、油脂、酶的变化情 况，为驾驶疲劳的研究提供了依据 1 5 1 0a | lf e y e r 等人比较长途运输中驾驶员单 独驾驶和两名驾驶员轮流驾驶时的疲劳程度。结果表明轮流驾驶较有利于减缓疲劳 n ”a 国内相关研究主要有：李相勇、蒋葛夫运用层次分析法建立驾驶疲劳致因递阶 层次结构模型，确定了各层元素的单排序权重和总排序权重，对驾驶疲劳致因素相 对重要性进行了排序“”。杨降勇从驾驶员高速行车的生理心理及高速公路行车环境 等方面入手分析了高速公路疲劳驾车交通事故原因“”。刘建新等人分析了汽车驾驶 工作特性，研究汽车驾驶员工作疲劳的成因“”。王海勇、梁锋分析了驾驶疲劳的各 种形成因素，建立了驾驶疲劳形成的人机工程学模型酬。张南等人建立了一种多因 素多级模糊数学评价模型，对驾驶疲劳进行了模糊综合评价嘶1 。焦昆等人依据中西 医学理论对疲劳的解释，分析了形成驾驶疲劳的内外因素，进而建立起体力疲劳和 精神疲劳系统模型嘲。 ( 2 ) 驾驶疲劳监测技术研究 驾驶疲劳监测技术研究主要是指在驾驶过程中监测驾驶员状态，并在驾驶员出 现疲劳症状时进行警报的相关技术。该方面研究是目前的热点，主要包括对驾驶员 4 基于心率变异的驾驶员生理负荷研究 脑电、心电、眼动、头部运动轨迹、方向盘运动、车辆行驶方向等的监测技术。目 前，这方面的研究相对比较成熟。主要有：s h i n j im i t a 等人对驾驶过程驾驶员面 部图像进行采集，开发了基于驾驶员眼睛凝视方向的驾驶疲劳监测系统。 s a r o j k l l a l 等人开发了基于脑电信号的驾驶疲劳监视算法哪! 。m a r t i ne r i k s s o n 等人开发了基于驾驶员眼球运动状态的疲劳监测设备1 。k e i i c h iy a m a m o t o 等人以 驾驶员身体动作为依据监测驾驶疲劳。 国内相关研究主要有：以p e r c l o s ( 眼睛闭合时间占某一时间的百分率) 作为 依据进行驾驶疲劳监测的研究较多：郑培等人开发了机动车驾驶员驾驶疲劳识别算 法酬。首都师范大学的韩相军等人研究了基于d s p 的驾驶疲劳实时监测系统嘶1 。杨 杰等人根据人体疲劳产生后人眼睁开幅度变小这一特征，设计了一种实时监测驾驶 员疲劳的方法酬。王荣本等人设计了一种基于区域标示算法的面部人眼定位算法， 利用驾驶员面部眼睛定位检测驾驶疲劳洲。 1 2 4 现有驾驶疲劳的几种测量方法 驾驶疲劳的测定没有绝对的尺度，一般只是测量与其有关的某些现象或特征量。 目前，一般采用以下几种方法测量驾驶疲劳： ( 1 ) 评价性测定法 评价性测定法主要是让被试者叙述自我疲劳感觉来测量疲劳的方法，一般使用 专门设计的调查表，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 较后得出疲劳程度。评价性测定法可在作业前、作业中、作业后进行，它的优点是 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 和短时记忆消退影响。 ( 2 ) 生理反应测试法 生理反应测试法是依靠驾驶结束后，驾驶员对各种刺激的反应程度来判断驾驶 疲劳程度的。主要有闪频值检查法，膝键反射机能检查法，两点刺激敏感阈值检测 法等。该方法不足之处在于测定疲劳的过程与作业过程不同步，不能反映作业过程 中随作业任务的变化而引起人体生理反应的变化。另外，该方法不够客观，容易受 被试者情绪、身体状态的影响。 ( 3 ) 生理参数测试法 生理参数测定法是通过驾驶过程中，驾驶员生理信号的采集、记录、检测和分 析来判断人体疲劳状态的方法。该方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，测定复杂，需一定 的设备和技术。常用的几个指标有： 脑电图( e e g ，e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h ) ：脑电图可看成是测量磕睡的“金标准”。 根据它可以很容易地判断驾驶员的疲劳程度。但由于其容易受到环境的影响，波动 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 比较大。因此一般只适合在实验室内使用。 心电图( e c g ，e l e c t r o c a r d i o g r a p h ) ：心电信号的检测与分析手段包括心率分 析、心率变异性研究等。其因为简单易行而受到广泛应用，但由于易受其它因素影 响，有时难以可靠地反映负荷水平。 肌电图( e 淞，e l e c t r o m y o g r a m ) ：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图的测试要简单，且结论较明确。 呼吸( r e s p ) ：一般认为作业者呼吸频率及肺活量与疲劳有很大的关系，疲劳后 肺活量下降，呼吸频率变慢。 皮阻皮温：人体阻抗的变化特征受外界因素影响较大，人体的皮温跟心情及紧 张程度相关。但其受外界影响较大，一般也在实验室才使用。 另外，眼睛闭合时间比率( p e r c l o s ) ，眼动( e a ) 、皮肤电流反应( g s r ) 等信号也 常作为驾驶疲劳测量的指标。 ( 4 ) 生物化学方法 生化法是通过检查驾驶员的血液、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驾驶员的作业活动。 容易引起被测试者的反感，同时它对身体有创伤，因此一般不采用。 1 2 5 基于生理指标驾驶疲劳研究现状 国外交通事业比较发达，对驾驶疲劳的研究已经有四十多年的历史，取得了很 多有意义的研究成果，值得借鉴的主要有：s a r ojk l l a l 等人指出评价驾驶疲 劳的众多人体生理指标中，脑电信号是最适合作为疲劳评价的信号嘶1 ；m a r k a s c h i e r 试图使用脑电信号功率记录模拟驾驶过程中驾驶员的表现，结果表明脑电 信号的变化与驾驶员注意力的变化一致蚴；j t o d da r n e d t 等人使用了脑电图、肌 电图和眼动图研究了驾驶疲劳产生后，主观调查问卷与人体生理信号之间的关系m ； b o r - s h o n gl i u 等人通过心电图研究移动通讯对驾驶员反应时间的影响，结果表明， 移动通讯会增加驾驶员反应时间，并且其作用在郊区比在高速公路大；b y u n gc h a n m i n 等人通过对l o 名大学生的心率、肌电和皮温的测试，研究了年轻驾驶员在不同 速度和不同行驶模式下的自然反应，结果表明驾驶员紧张程度随速度增加而增加， 急停和加速时驾驶员紧张程度增加；i h o s t e n s 等人使用表面肌电信号研究了长 途驾驶人体肌肉疲劳的过程，研究发现肌肉疲劳产生后，表面肌电值上升，肌电平 均频率下降。”；a s h l e yc r a i g 等人通过记录受试者的脸部颜色和眨眼现象，研究了 各种心理信号与驾驶疲劳的关系，指出心理因素与自我评价存在着相关关系m 1 。 相比国外而言，国内驾驶疲劳的研究起步较晚，这与我国的经济发展水平相对落 后有关。目前，国内的成果主要集中在驾驶疲劳监测方面，其它与驾驶相关的成果 主要有：张开冉等人使用心率变异系数研究了道路边缘线对驾驶疲劳的作用，结果 6基于心率变异的驾驶员生理负荷研冤 表明，不同路况下行驶驾驶员的精神疲劳程度相差不多，但晚间行车时相对紧张， 在有边缘线的道路上行驶时相对轻松；陈泽林、松浦让测试了处理突发事态时驾 驶员面部皮肤温度、心率及血压的变化，研究驾驶员在突发事件时的表现方式、反 应时间和反应过程，并提出以人的目视为标准的视觉温度变化判断方法；林英姿 等人测试了车辆转向操作过程中驾驶员的心跳次数、皮肤电反射、血压等指标，并 以其为依据判定驾驶员的生理、心理状态，并指出人的生理心理状态对其操作行为 有着重要的影响；王炳浩等人记录了驾驶员行驶时的动态脑电波，并与静止条件 下的脑电波进行对比，结果表明当驾驶员动作幅度不大时，其脑电波与静止时的脑 电波大致相同1 ；郑柯等人测试了高速公路顺直路段上驾驶员的心电图，结果表明， 驾驶员心理紧张量与车速、超车等要素间存在着关系“妇；杨渝书等人将驾驶疲劳分 为精神疲劳和体力疲劳，使用心电图和肌电图作为指标，对其进行了评价，并研究 了振动对驾驶员疲劳的影响。 1 2 6 心率变异与疲劳之间关系研究现状 2 0 0 6 年张祖怀在其论文中建立了汽车驾驶虚拟实验台，该实验台由驾驶环境重 现系统、驾驶虚拟器和数据采集系统三部分组成，可记录受试者的心率、呼吸和表 面肌电信号。使用该实验台进行了虚拟驾驶实验。得出与呼吸频率、肌电值的变化 相比，心率的变化幅度相对较大，说明心率对疲劳的反应比较敏感。 钟运健等人的研究结果证明，力竭运动导致运动性疲劳后，心率的瞬时的波动 趋向减少、交感神经张力变化降低、迷走神经张力变化降低以及交感神经和迷走神 经之间的对立平衡关系失衡，这也提示可以把h r v 作为诊断运动性疲劳的定性指标。 h r v 的降低与运动性疲劳的出现有关且与运动性疲劳的程度有密切关系。 在运动医学和运动训练学有关心率与运动强度关系的描述。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 驾驶疲劳及其影响因素研究，研究人体疲劳形成的过程，建立人体疲劳形成 的模型，分析驾驶员的作业过程，提出驾驶疲劳形成的人机工程学模型；分析影响 驾驶疲劳的“人”、“汽车”和“环境”因素，并根据各因素与疲劳的关系进行分析 归类。 ( 2 ) 基于人体生理信号的驾驶疲劳研究方法，探讨人体生理信号变化与驾驶疲劳 的关系，分析、总结并提出使用人体生理信号确定驾驶疲劳的方法。 ( 3 ) 介绍了h r v 的基本概念及传统分析方法 ( 4 ) 驾驶疲劳实验研究。实验记录驾驶过程中受试者心率变化数据、分析获得驾 驶过程中驾驶员心率及心率变异的变化规律。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 2 基于生理信号的驾驶员负荷研究 人类对疲劳的研究已有1 0 0 多年的历史，为了更客观地研究驾驶疲劳，先从人 体疲劳研究入手，分析驾驶过程驾驶员行为，掌握驾驶疲劳的特殊性，并采用适当 的研究方法。 2 1 驾驶疲劳及其形成过程模型 2 1 1 人体疲劳形成过程分析 一般认为：疲劳是指工作过程中人体工作能力和绩效下降、错误和事故发生概 率增大的现象。其表现为：反应迟钝、判断不准、作业机能下降、疲倦感等症状 出现，是一种自然的人体防御反应。人体疲劳的形成是一个逐渐积累的过程，其过 程可用图1 所示的“容器”模型说明。 围1 人体疲劳形成过程模型 f i m o d e io ff a t i g u ob e n o r a t i v ep r o c e s s “容器”模型将疲劳看成是具有特定容量容器内的液体，液面的高低反映疲劳 积累的程度，容器的容量大小与人体抗疲劳能力相对应，导致疲劳的因素作为液体 源在工作过程中不断地倒入容器内，致使容器内液面上升。当液面高度到达感觉刻 度时，人体便会感到疲劳；液面高度到达阂值刻度时，便会对人体形成伤害；液体 溢出容器，表明疲劳达到人体极限。为了减缓液面的上升速度，可减缓液体输入速 度或者加快液体输出速度。 人机系统中的各因素，根据其对人体疲劳程度影响的作用方式，可分成加深型 因素( 加深疲劳程度的因素，如作业、疾病等) 、减弱型因素( 减缓疲劳的因素，如休 息、营养等) 和不定型因素( 对疲劳影响未知，如心率等) 三种。作业过程中，加深型 因素作为疲劳源往容器中注入液体，减弱型因素则排出液体，减缓疲劳的形成。因 8 基于心率变异的驾驶员生理负荷研究 此，研究减缓疲劳的方法，必须先明确系统中各因素的作用。明确加深型因素，减 弱型因素；确定不定型因素的作用方式。然后减弱加深型因素作用，加强减弱型因 素作用。 2 1 2 驾驶过程驾驶员行为分析 驾驶疲劳是指驾驶员在正常驾车过程中，受各种因素影响，引起作业能力和绩 效下降、从而导致交通事故发生概率增大的现象，它的形成也是一个逐步积累的过 程。研究驾驶疲劳的形成过程必须先对驾驶员行为进行分析。 随着科技的发展，汽车驾驶系统已不再是单纯的串联式人机系统，其信息交流 过程如图2 所示。该系统中，一部分信息已经逐步交给汽车智能系统处理，人的工 作越来越轻松，但人在系统中仍起着主导作用。 图2 汽车驾驶人机系统信息交流过程 f i 9 2o o m m u n i o a t i o np r o o e s 8i nm a n l i l a o h i n es y s t e mf o rd r i v i n g 驾驶过程中，驾驶员通过感觉器官( 眼、耳等) 感知环境信息与车辆信息( 仪表盘 显示、道路交通状况等) ，并将信息反应到人体中枢神经；中枢神经根据相关知识和 经验对信息进行分析、判断和处理，发出指令；人的运动器官( 手、脚、腰等) 按到 指令后，完成相应的操作动作；汽车接到人的操作指令后，执行相关的动作，并将 信息通过仪表盘等设备反馈给驾驶员。随着科技的发展，汽车上配备了越来越多的 智能装置，如语音报警装置、汽车黑匣子、安全气囊等。它们一般能自主感知环境 信息，并通过中央处理器对信息进行处理，做出相应的动作，然后将执行的结果反 馈给驾驶员。 根据对人行为的s o _ r ( 刺激一中间变量一动作) 经典模式的拓展，将驾驶汽车 过程中驾驶员的行为分为感知阶段、判断阶段和动作阶段。 驾驶员通过眼、耳等器官感知环境信息和车辆信息这一个阶段主要由感知器官 完成，称为感知阶段。中枢神经系统对信息进行处理判断，称为判断阶段。驾驶员 的运动系统依据中枢神经传来的指令，做出相应的动作。这一阶段主要由运动器官 完成，称为动作阶段。驾驶行为过程就是以上三个阶段组成的不断往复进行的信息 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 处理过程，同时也是这三个阶段连锁反应的综合。 2 1 3 驾驶疲劳形成过程模型的建立 在驾驶员行为分析的基础上建立驾驶疲劳形成过程的人机工程学模型如图3 所 示。图中箭头代表了信息传递的方向，箭头的形状代表在该过程形成的疲劳类型。 单向空心箭头代表了体力疲劳，双向空心箭头代表精神疲劳，单实线箭头代表体力 疲劳与精神疲劳引起的综合疲劳。 图3 驾驶疲劳形成过程的人机工程学模型 f i s 3e r g o n 佩i cm o d e io ff - t i g u eg o n o r a t i v p r o c e s si nc a rd r i v i n g 通过模型，可得到以下结论： ( 1 ) 驾驶疲劳是精神疲劳与体力疲劳的综合，一次信息处理过程当中，既有精神 负荷又有体力负荷。精神疲劳和体力疲劳不可以截然分开。精神疲劳贯穿于人的整 个操作过程。 ( 2 ) 人的感知阶段是一个多输入单输出的过程，人的感觉器官在这个过程中担负 着接收车内外环境与汽车工作状态等原始信息的任务。它的输入输出环节引起精神 疲劳和体力疲劳。 ( 3 ) 判断阶段主要由人的中枢神经系统完成，它的输入输出环节引起精神疲劳。 中枢神经疲劳跟信息量输入的大小有很大的关系，信息量过大或者过小，都容易导 致精神疲劳。 ( 4 ) 动作阶段由人体的运动器官完成，其输出输入环节主要引起体力疲劳，同时 也伴随着一定的精神疲劳。驾驶员的体力疲劳主要形成于局部肌肉组织( 腰、背、肩、 颈等器官) 。 2 2 汽车驾驶疲劳影响因素分析 驾驶疲劳是各种因素综合作用的结果，以下分析了驾驶员行为感知、判断和动 作三个阶段中影响驾驶疲劳的各种因素。 1 0基于心率变异的驾驶员生理负荷研究 2 2 1 感知阶段驾驶疲劳影响因素分析 人体的主要感觉类型分为视觉、听觉、嗅觉、味觉、皮肤感觉、深部感觉和平 衡感觉七种。驾驶员得到的外界事物及自身信息都依靠于本身的感官。获得正确的 信息是安全驾车和减缓驾驶疲劳的基础。 ( 1 ) 驾驶员视觉感知疲劳及其影响因素 视觉信息输入是驾驶员感知信息最主要的渠道，行车过程中，8 0 以上的信息输 入是靠视觉获得的。驾驶员驾车时，视觉器官和中枢神经系统必须时刻保持注意力 高度集中的状态。人眼不断被迫接受信息，极容易引起疲劳。 直接作用于视觉系统的因素包括：阳光、大气等气候因素；交通信号标志、交通 状况、行人、道路状况、地形地貌等道路环境因素；车内照明、内饰等车内环境因 素；仪表板、指示灯等显示装置；驾驶眼镜、药水等驾驶员用品。其中，驾驶员驾 车过程中除了可以改变车内环境以及使用驾驶员用品外，无法改变其它因素的状态。 在影响疲劳方面，除了驾驶员用品可适当减轻视觉疲劳，车内环境变化对疲劳作用 不确定外，其它因素都会增加驾驶员负荷。 ( 2 ) 驾驶员听觉感知疲劳及其影响因素 听觉也是驾驶员获得信息最重要的途径之一，靠它获得的信息量仅次于视觉。 驾驶员可根据声音判断汽车的运行状况，有用的声音信息可以提高驾驶员的警戒性， 音乐可以减缓驾驶疲劳，而噪声会降低驾驶员的注意力，增加反应时间，加速产生 驾驶疲劳。 直接作用于听觉系统的因素主要包括：风、雨声等自然环境声音；喇叭声、轮 胎擦地声等道路环境声音：发动机、车体共振等汽车运行声音；收音机等车载设备 声音。驾车过程中，只有车载设备是驾驶员可控的，选择适合的音乐可降低疲劳。 其它声音驾驶员无法控制，一般认为它们会加速疲劳的形成。 ( 3 ) 驾驶员嗅觉感知疲劳及其影响因素 虽然驾驶过程中通过嗅觉感知获得的信息较少，但嗅觉对疲劳有很大的影响。 舒适的空气环境能使人保持清醒，减缓疲劳的生成；适当的香味刺激还能提高驾驶 员的觉醒程度。不舒适的气体环境会让人觉得烦躁、恶心，影响人脑的判断，加剧 疲劳程度。 直接作用于嗅觉系统的因素包括：空气、植物散发的气味等自然环境因素；汽 车尾气等道路交通因素；汽油味等汽车内部因素以及香水、乘客、行李等车载物因 素。行驶过程中，驾驶员只能控制车载物因素，其它因素都是不可控的。这些因素 对人体疲劳程度的影响是随实际情况改变的，是未定的。 ( 4 ) 驾驶员其它感知疲劳及其影响因素 肤觉是仅次于听觉的一种感觉。汽车驾驶过程中，肤觉的感受主要体现在乘坐 舒适性和驾驶室温湿度感知上。其影响因素主要包括：驾驶座椅的舒适性，是可调 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 的，舒适的座椅可以降低疲劳；气候、温度等环境因素，是不可控的；汽车排风设 备，是可控的，减缓驾驶员疲劳；以及驾驶员用品等等。 深部感觉主要体现在驾驶员对撞击、重力、姿势等的反应上，驾驶过程中，主 要体现在驾驶坐姿的影响上。其主要与驾驶座椅和各装置相对位置相关，一般是可 调的。舒适的姿势可以减缓驾驶疲劳。不舒适的姿势会使局部肌肉承受过重的压力， 加速疲劳的形成。 平衡感觉是人体对旋转运动、直线运动、摆动等运动的感觉，驾驶过程中，主 要体现在振动对驾驶员的影响上。其影响因素主要是道路状况、自然地形、道路线 性等道路交通环境因素和减震系统等汽车因素。这些因素都是不可控因素，振动只 能加深驾驶员的疲劳程度。 2 2 2 判断阶段驾驶疲劳影响因素分析 驾驶员的判断过程主要在中枢神经系统中完成，它是引起驾驶精神疲劳的主要 原因。人脑对输入信息的觉察率和处理能力与输入信息量密度有关。信息较少时， 觉察率较低，随着信息密度的增大，觉察率越来越高，当到达某个程度后，觉察率 开始随着信息量密度的增大而变小，因此驾驶员工作负荷和信息量密度存在一个最 佳值问题。 对影响感知输入的因素分析可知，驾驶员行驶过程中，很多因素是不确定的， 因此驾驶员处理的信息量也无法确定，难以使工作负荷和信息量密度在最佳位置， 驾驶过程中很容易形成精神疲劳。 直接影响中枢神经系统处理信息能力的因素主有： ( 1 ) 持续工作时间：一般认为，人一天内的持续工作时间不应超过9 个小时， 信息处理量大的工作持续工作时间应适当降低。 ( 2 ) 睡眠：睡眠充足，大脑内部激活系统作用能力增强，处理能力变大，有利 于信息处理。 ( 3 ) 人体节律：人的状态与自身的各种节律相关，长时间作业情况下，午夜是 最危险的驾驶时间。 ( 4 ) 驾驶经验与技术：熟练的驾驶员可以从容不迫地面对各种情况，不容易造 成精神上的疲劳。 ( 5 ) 驾车速度：驾车速度过高，接受的信息量就大，驾驶员容易形成疲劳。 ( 6 ) 驾驶员性格、情绪：性格上过于偏激、易冲动，情绪上不够稳定，容易造 成误判断，造成事故。药物作用。另外，驾驶员的性别、年龄、身体素质、体形、 信仰等因素也在一定程度上影响信息处理过程。 2 2 3 动作阶段驾驶疲劳影响因素分析 1 2基于心率变异的驾驶员生理负荷研冤 驾驶员动作阶段包括信息输出阶段和执行阶段两个阶段。信息输出阶段是指中 枢神经系统传出指令的过程，主要引起精神疲劳。执行阶段是指运动器官完成动作 的过程和身体姿势维持，主要引起体力疲劳。 汽车操纵主要包括手操纵、脚操纵和驾驶姿势维持。驾驶员完成操作过程的准 确性和舒适程度，与驾驶座椅舒适性、操纵器的相对位置、操纵器的设计有很大关 系。操纵器的大小、形状、相对位置、操作方式、识别方式设计不当，容易造成驾 驶员姿势不舒适、操纵复杂、操纵力过大等现象，增加操纵难度，加速驾驶员消耗， 引起疲劳。 手操纵器主要包括：方向盘、变速杆、手刹、喇叭、开关等；脚操纵器主要包 括油门、离合器和刹车三个部件。与驾驶姿势维持相关的部件主要是驾驶座椅。它 们的大小、形状、相对位置、操作方式、识别方式等都会直接影响到动作阶段形成 的疲劳。一般认为，驾驶的过程中，驾驶员无法对其进行调节。 驾驶员的身体素质也是影响因素之一，强壮的体魄，良好的意识可以减少不必 要操作，减缓疲劳的形成。 2 2 4 影响驾驶疲劳形成的其它因素 驾驶过程中，还有一些其它的因素影响驾驶疲劳的形成。例如，酒后驾车：驾 驶员酒后导致精神系统麻痹，形成疲劳；驾驶心态：驾驶员保持良好的心态，从容 地面对应变，可减缓疲劳的形成；驾驶员心情：心情良好，利于信息的处理，一旦 存在悲伤、激动等情绪，容易导致疲劳的形成；疾病；汽车功能的失效等等。 2 3 基于生理信号的驾驶疲劳研究 基于人体生理信号的驾驶疲劳研究方法，是以驾驶员负荷为中心，驾驶员生理 信号为指标对驾驶疲劳进行评价的方法。它通过人体生理信号的变化来反映驾驶疲 劳程度，建立了系统因素变化与人体疲劳之间的联系，体现了“以人为本”的思想。 目前国内对这方面的理论研究较少，实验研究主要集中在使用生理信号的变化监测 疲劳程度上面，而基于人体生理信号研究汽车驾驶人机系统因素变化对疲劳影响的 研究还未见报道。 2 3 1 驾驶员生理变化与疲劳关系分析 从驾驶员驾车过程行为分析可知：驾车过程中，驾驶员不仅要监视( 感知) 汽车 的运行状态，根据需要进行相应的操作；同时还会受到各种环境因素( 噪声、振动等) 的刺激。因此，必然会在精神和体力上存在一定的负荷。上文已经阐述了驾驶员驾 车过程中形成的各种疲劳及其性质。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 国4 承担驾驶负荷的人体系统 f i l i t 4b o d y s y s t e mw h i c hb e a r st h oi o a do fd r i v i n k 系统给驾驶员带来的各种负荷将由驾驶员的各种器官承担，如图4 所示。其中， 感觉器官( 眼、耳、鼻等) 承受着感知过程形成的精神和体力负荷。中枢神经系统承 受着精神负荷，运动器官承受着体力负荷。状态支持系统( 呼吸、循环等系统) 承受 着精神与体力负荷。 随着负荷的变化及积累效应，人体各种器官将产生一定的应激反应。这种反应 会体现在人体行为、人体生理和心理信号上。 一般情况下，当驾驶员有以下生理或心理变化时，说明疲劳已经形成： ( 1 ) 感觉器官功能降低，感知能力下降。具体表现为：频繁揉、眨眼，眼睛发红 发干，叹气，打哈欠，脸部肌肉麻木，表情变化减少，不自觉地点头、低头，难以 保持抬头的姿势等等。 ( 2 ) 记忆思维、判断能力下降。具体表现为：反应迟钝、反应时间变长，判断迟 缓，经常丢失重要的行车信息或忘记驾车技术规范、交通法规，注意力无法集中， 思维能力下降等等。 ( 3 ) 驾驶操作动作不灵活、不协调。动作的连贯性降低，力量减弱，操作不到位； 动作僵硬，节奏缓慢，失去方向感；有时伴随着脊椎变弯，上体前屈，关节变直等 等现象的出现。 ( 4 ) 主观上无其它目的不愿意驾车，信心、耐心和自我控制能力减退，易于激动、 急躁和开快车，或无法按驾驶操作规程要求继续行车。 ( 5 ) 表现在工作上，车速不稳定，行车方向控制不好，车辆左右摇摆“s ”形前 进等等现象的出现。 因此，可以通过测量驾驶员的上述表现来对疲劳进行客观的描述。 2 3 2 研究方法的提出 在分析驾驶员生理变化和疲劳关系的基础上，总结前人的经验，提出了基于驾 驶员生理信号的驾驶疲劳研究方法。其箱子模型如图5 所示。 1 4 基于心率变异的驾驶员生理负荷研究 图5 研究方法框图 f i | 5t h eb l o c kd i a b r a mo fm e t h o d 将人体看成是一个系统，将人体生理信号的变化看成是系统的一个输出。驾驶 过程信息的输入输出使人体形成一定负荷，导致了人体器官相应的生理反应因此 通过测量生理信号的变化来反映人体负荷与疲劳程度。改变系统因素的输入方式或 作用，测量这个过程中人体生理信号的变化情况，可判断该因素与驾驶疲劳之间的 关系。由于该方法是建立在人体生理信号变化基础之上，与目前普遍采用的调查问 卷相比，显得更为客观。 2 3 3 研究方法的应用步骤 应用该方法进行疲劳研究，一般包括以下几个阶段： 首先，对系统中疲劳的影响因素及各因素的影响方式进行分析，实验设计，控 制并减弱无关因素对疲劳的影响。 其次，生理指标的选择和有效性验证：根据所要研究疲劳的特点选择恰当的生 理指标。本课题选用了心率信号来反映驾驶员的疲劳。 最后，设计实验，控制信息输入的方式和输入量的大小，记录工作过程中人体 的生理信号。对生理信号的变化情况进行数据统计分析，寻找人体生理信号的变化 规律，对因素进行评价，得出最终结果。 2 ，4 本罩小结 ( 1 ) 研究了人体疲劳的形成过程，建立了人体疲劳形成