汽车驾驶员脑氧参数的振动响应特性分析.doc

山东大学硕士学位论文汽车驾驶员脑氧参数的振动响应特性分析姓名：张亮亮申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：李增勇20110510 氧是 维 持人 体 正 常 生 命活 动 的 最 重 要 物 质 之一 ， 缺氧是 导 致 人 体 疲劳 的 重 要原因。 因此 实 时 检 测 人 体 组 织 的 氧合 状 况 ， 对 于 揭示疲劳 客 观机 理 及 研制 评 估 技术 具 有重 要 意义。 基于 安 全人 机 工 程学 的 原理 分 析 了 驾 驶 疲劳 的 一 个 重 要 形成 原因一 汽 车 振动 引 起 的 脑 氧中氧合 血红 蛋 白浓度的 降 低。 因此 ， 研究 分 析 汽 车 驾 驶员 在 振动 状 态 下 的 脑 部 血氧参 数值 变化， 探 讨 车 辆 振动 对 脑 氧参 数的 影 响 ， 对 研究 汽 车 振动 对 驾 驶 员 疲劳 的 影 响 ， 具 有重 要 作 用。 人 体 组 织 氧合 状 况 的 可用近年来新 发 展起 来的 近红 外 光谱 技 术 来检 测 ， 它 可以 无 损、 连续、 实 时 检 测 人 体 组 织血氧参 量 。 本 文提 出 了 应 用近红 外 光谱 法 检 测 驾 驶 员 疲劳 态 下 脑 氧信息 ， 是 近红外 光谱 技 术 在 疲劳 驾 驶领域的 新 探 索 。本 文所 作 重要 工 作 如下 ： 笱 学 位 论 文 ， 瑂 瓹 琩 ， 随 着交通 运输 业 的 发 展 ，交通 事 故已成 为 我国 当 前 所面 临 的 严 峻问 题 。 仅程 中经历过 疲 劳 ， 谋 坏鞑 檎 咝 朴 捎 谄 驮 煌 鹿。 法 国 国 家 警察 人体是 一 个复杂的 弹 性 系 统 ，有 其 自身 的 固有 频 率 】，当 汽车的 振 动 频 率 与 人体固有 频 率 相同或 是 其 倍 数 时 ，将 产 生共振 ，使 人感觉 不舒 服 。汽车振 动 对人体的 影响程 度 ，一 方 面取决 于 汽车振 动 的 特性 ，这主 要指振 动 的 频 率 、 强 度 、 持续时 间 等； 另 一 方 面取决 于 人体本身 的 心理 、 生理 反应 ，不 同个体对振 动 的 敏感 程度 有 很大差 异。尽 管 本世纪 初 以 来，各 国学 者进 行了许 多 实 验研究，但 始 终 难 以得 到一 致的 、 确切的 结论 【 。在驾驶 员行车中，振 动 是 人一 机 一 环境系 统 的 一 个尤为 重要因素，它直 接影响驾乘 人员的 舒 适性 、 安 全 性 ，长 时 间 的 不良 振 动 会使 驾驶 员感 到疲 劳。因此，预防 和 缓 解由 振 动 引 起 的 驾驶 疲 劳，对 于 保持驾驶 员工 作效率 ，保护 驾驶 员身 心健康，提 高驾驶 安 全 性 ，都 具 有 重大实 际 意 义 和 应用价 值 。在主 要考 虑由 路 面 不 平 度 引 起 的 汽振 动 对 人 体 的 影响越 来越 成 为 不 可忽 视 ， 以上以 及 更 高 频率的全 身 振 动 可以 引 起 强 烈 的、 难以忍受 的不 适。振 动 可以 直 接 作用于 中 枢神 经 系 统 ，导 致 空间定 向 、 平衡障 碍 ，如 疲 劳 、 注 意力不 集 中 、 作业水 平降 低 ，表 现 为 视觉、 运 动 反 应 时 间延 长及 视读 错 误率增 大 ，短时 记 忆能力 降 低 ，精细 操作困 难等 ，并可使 视力 下降 和 视野 变小。 头 部 和 车 内 工作界 面的振 动 会 使 动 作失调，操作误差 增 加，甚至 误操作。 频 率 较 低 时 ， 加 速 度大 小 起 主要 作用， 频 率 为 ， 加 速 度大 于， 会 对 总 之， 汽 车 振 动使 驾 驶 环境 的舒 适性 恶化。 上 文 的研 究已 证实 其会造 成驾 驶员脑 部血 氧 参 数 的不 利变 化， 从 而 使 驾 驶 员产 生精 神 疲劳 和肌 肉 疲劳 。 驾 驶 员在疲劳 状 态 下的 驾 驶 ， 导 致 操作 失误 增 多 ， 每 年造 成众 多 的交 通事 故 ， 给人 们 的生命构 成严 重威 胁， 对 个人 和国家 财 产 造 成严 重损 失。 因 此 ， 研 究人 体振 动产 生的机 理 是后 续 研 究的基础 ， 对 研 究驾 驶 疲劳 具 有 重要 意 义。驾 驶 疲劳 的产 生有 多 方面的 原因 ， 主要 有 驾 驶 员的 睡 眠不 足 、驾 驶 时 间过 长、动作 单 调 枯 燥 、卫 生条 件、道 路 条 件以 及 驾 驶 操作 的 人 机 界面设 计 不 合理 等 等 。驾 驶 疲劳 会使 视力下降 ， 注 意 力不 集 中 ， 对 环境 ， 速度 ， 距 离判 断 失误 ， 对 驾 驶员的 感 觉、知觉、判 断 产 生影 响 ， 甚 至 有 时 会在 驾 驶 过 程中 产 生幻 觉或 瞌 睡 ， 这都 是造 成交 通事 故 的重要 因 素。 疲 劳 驾 驶 的 监 测 分 为 主动监 测 和被 动监 测 两种方 法】 。 主动监 测 方 法主要 被 动监 测 方 法是借 助 仪器对 驾 驶 员 的 驾 驶 状 态 和行为 进 行实时监 测 、客 观评价的 方 法。 目前 常 见 的 疲 劳 监 测 分 为 三类 ： 第 一 类 是利用 驾 驶 员 疲 劳 时的 驾 驶 行为 来 监 测 其 疲 劳 状 态 ， 如 车 辆 的 行驶 轨 迹： 第 二类 是利用 驾 驶 员 疲 劳 时的 生 理特征 来 监 测 其 疲 劳 状 态 ， 如 眼部 状 态 、脑 电图 、心电图 等；最 后一 类 是结 合 疲 劳 时驾 驶 员 的 驾 驶 行为 和生 理特 征 的 综 合 监 测 方 法。 时监 测 汽 车 振 动 时驾 驶 员 脑 部 血氧参数 是 检 测 驾 驶 疲 劳的 简 易实 用 的 方 法 。 本 文 应用 近红外光 谱 法 分 析 了 汽 车振 动 对 驾 驶员 脑 氧参 数的 影 响 。本 文分 析 了 目前 国 内外关于 汽 车振 动 对 人体 影 响 的 研究现状 ， 提 出了 用 近红外光 谱 法 监测 脑 部 组织 血 氧参 数从 而 评 估 驾 驶疲劳 状 态 的 新 思路 。振 动 通 过皮肤的 、肌 肉 的 、关节 的 、内脏 的 或者前 庭 的 感 受 器进入神 经 系统 ， 因此 会影 响 感 觉和 知 觉 分 辨。微 小的 姿势 变 化 会引起 经 脊柱 向头部 传 递 的 振 动 的 显著 增加 。同 样，体 适 宜性可能 会使全 身振 动 员 硐值 挠跋 旖档 阶 钚 舶。国 外有研究报 告 图 驾驶疲劳 导致 交 通事 故示 意图 细 胞、 血 小 板 ： 煜 赴 闹 饕 3 煞质 腔 乖 : 斓 鞍 图 组 织 中 密 布着微动 脉 、 微静 脉 和毛 细 血 管度 两类参 数 。： 组 织 中 的浓 度 ， 单位 是 疞 。 蚂。 丽婚。 哺鹾 涎 : 斓鞍 住 乖 : 斓鞍 准 八 慕 焱馕 丈 如 果 在这 点 的 光 衰 减 被 探 测 到 ， 那 么 总 的 血 红蛋白 浓度能 成为 血 红蛋白 氧 合 山 尔人 学 硕 士 学 位 论 文图 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文现 上 述 最 佳 耦 合 ， 光源与 两 个 检测 器的 距离 应 选 为 图 光源与 检测 器的 距离 不 意 。 图 测 量 脑 氧 时 传 感器 固定位 置 猅：近 红外 组 织 血 氧 参 量 无损 监测 仪 一 所 示 。 建立 振动 的 力 学模 型如 果 一个实际 振动 系 统较复 杂， 则 建立 的 模 型 越 复 杂、 越 逼真 ， 越 接 近实际情况， 但 往 往 使分 析 繁 琐 ； 反 之 ， 则 分 析 越 容 易 ， 但 得 到的 结果 可 能 不 精 确 。因此 ， 在 建立 振动 力 学模 型 中， 总 是 在 求 得 简化 表达 和逼真 模 拟 二者 之 间的 折衷 】。振动 分 析 的 关键 就 是 ：根 据研究 的 目 的 和要 求 ， 把 所研究 的 对象 以 及 外界 对它 的作 用 简化 为一个既 便 于 实现 又 能 在 动 态 物 理特 性方 面 与原有 的 研究 对象 等 效 的 力 东 人 学硕 十 学位 论 文问 题。 研究 汽车 这种 复 杂的 振动 系 统， 要 根 据实际 情况进行 合 理的 简化 ， 具 体 简化 方 案 有 如 下 几种 胪：图车 身 、 车 轮 两 自 由 度振动 系 统独 氤德 值牟 糠 郑 逃衅 德 史 段 以 下 的 较低 激振频率 范围 ， 轮 胎 动 变 形不大 ， 忽 略 轮 胎 的 弹性和质量 ， 就 得 到如 图所示最 简单 的 车 身 垂 直 振动 单 自 由 度系 统。 皇 曼 曼 曼 皇 曼 曼 曼 量 曼 皇 鼍量 舅曼 皇 皇 曼 曼 量 曼 量 曼 曼 曼 曼 曼 曼 曼垂 直 振动 和俯 仰 振动 。 基 于此， 将车 体 简 化 成 四 个 自由度 的平 面 模型 。 相 比 而 言，轮胎阻 尼 较 小 ， 故 不考 虑其 影 响 。 实 验背 景 本 研究拟通过 应用 近 红 外 光 谱法 无创检测 汽 车 振 动 时 人 体的 脑 部 组 织 血 氧 参量， 并 对 其 进 行 统计分 析和 小波分 析， 一方 面揭 示 驾 驶 员驾 驶 疲 劳 的 血 氧 变 异 性 Q豕 机 理， 扩 展 预 防 驾 驶 员驾 驶 疲 劳 的 知识 ； 另一方 面分 析那 个频率 的全 身 振 动 下， 驾 驶 员血 氧 参数变 化 最 明显 ， 为 今后 的 车 辆 设 计的 振 动 频率 设 计提供 一些依 据。 实验 方 案等 人 对 人 体生理测 量和 研究结果 ， 在 置信 度 为 ， 误 差为 的 情况下， 驾 驶表 实验 人 员基 本 参数 士 山 东大 学 硕 士 学 位 论 文分 析性 。 实验前 保 证实验对 象睡 眠 充 足， 精神 状态 良 好， 避 免刺 激性 食 物 和 药 物 ，确 保 没 有 因情 绪波动或 外界 刺 激等 非 实验因素 引 起 的生 理 数 据的变 化 。为 了 保 证 受 测部 位 温 度的恒 定， 减 少 温 度对 外周 血液 循 环 的直 接 影响 ， 实验妻前 ， 中 文 名 称 为 “统 计 产 品与服 有 线性 关 系的两 个变 量 之间 相关 关 系的密 切程 度及 其相关 方 向 ， 适 用 于 双 变 量 正 可 以证 明 ， 样 本相关 系数 是 总体相关 系数 的一 致估计 量 。算 ， 适 用 于 有 序数 据和 不 满足正态 分 布假设 的等 间 隔数 据。 相关 系数 的取 值 范围 也在 之间 ， 绝 对 值 越 大 相关 性 越 强 ， 取 值 符号也表示 相关 的方 向 。数 值 ， 保 存 格 式 为 谋 靖 袷 剑 咛 迨 菁 铰 。 数 据经 过 处 理 ， 结果 如下 ： 穸 笛 榍 昂 螅 运 惺苁 哉 叩 哪宰 橹 Q醪问 上小 曩 上 痏 畁 慰 振 动下 变 化趋 势图 振 动下 变 化 趋 势图图 山东大 学 硕 士 学 何 论文【、主， 振 动下 变 化趋 势图 唬 琁 痩 振 动下 变 化 趋 势图图 变 化趋 势如图 所示 ： 、心。 穸 翪 变 化 趋 势图 图 值比 较 ， 实 验时 间 较 短， 氧参 数 。 通过 一系 列 数 据 分析 ： 一 其 中： 弧 巍 猣 弘 称 上 式 为 窗 口 函 数 的 窗 口 浠换騁 变 换。图窗 口 傅里 叶 变 换示 意 图是 通 过 时 间窗 吹 玫 绞 笨 蘐 的 信号特征的 ， 它 是 时 间窗 内 信号特征的 平 受到了 限制。目前 流行 的小波 分析 具有多 分辨 率 分析 的特点 ，且在 时 频两 域 都 具有表征信频率 分辨 率 可 随号 局部特征的能 力， 可 以 聚焦到信 号 的任 意 细节进行 频域 处 理 ，信 号 的频率 变化 进行 自动 调 节，析 又 称为 “数学 显 微 镜 ”， 是 振动 信 号 分析 与 处 理 的得 力工具。 在 分析 处 理 地球 物 理 助 探 资料 时 提 出 来 的。 小波 变 换 的数学 基 础 是 世 纪 的傅 里胛 鹒 韀 ： 口式 中， 直 鹗 荴 ， 妒 的傅 里 叶 变 换 。 在 频率 轴 上的位 置 ， 也 影 响窗日的形 状 。 这 样小波 变 换 对不 同 的频率 在 时 域 上的取 样步 长 是 可 调 节的， 即 在 低 频时 小波 变 换 的时 间 分辨 率 较 低 ， 而频率 分辨 率 较高 ； 在 高 频时 小波 变 换 的时 间 分辨 率 较 高 ， 而频率 分辨 率 较 低 ， 这 正 符 合 低 频信号 变 化 缓 慢 而高 频信 号 变 化 迅 速 的特点 。 这 便是 它 优 于经典 的傅 里 叶 变 换 和短 时傅 里 叶 变 换 的地方， 从 总 体上来 说 ， 小波 变 换 比 短 时 傅 里 叶 变 换 具有更 好 的时 频窗口特性。图 小波 变 换 的解释由 此可 见， 小波 变换 其 有以 下 特点 和作 用。 试 验， 将不 同的 分 析结 果进行 对照 分 析来 选 择 小波 函 数。 总 之，小波 变 换作 为 一 种 数 学 理 论 和 方 法 在科 学 技术 和 工程 界引 起了越 来 越多 的 关 注和 重视 。 尤 其 在工程 应用 领 域，特别 是在图 像 、 图 形、 通信、 生 物药 学 、机 械 振动 、 计 算 机 视 觉 、 数 值 汁 算 等 都 有很好 的 应用 。 小波 分析 是目 前 国 际 上公认 的 信号信息获 取与处理 领 域的 高 新 技术 ，是多 学 科 关 注的 热 点，是信号处理 的前 沿 课题。 其中 ， I焖 跻 蜃 樱 琤为 平移 因子 。 一般 归 一化 巾 領对 十任 意的 函 数厂 的 连 续 小 波 分 析 为 ： 。 肚 等卜 为 两 个矩形 。 如图 ：、 在这里， 首先 对 测 得 的皇 苁 哉叩 母 飨 钛Q醪问 菁 扑闫 骄担 玫 个频率振 动下 血氧 参 数 平 均数 值 表。数 据 格 式 为荼 砀 瘢铰 。在中 分 别 导 入上面 得 到 的血氧 参 数 平 均数 值 表， 对 其中 数 值 进 行 小 波分 析 。结 果 我 们 分 别 得 到 銎德 剩 赫个频率分 别 反 映 有 关控 制新 陈 代 谢的桓 猩 窬低 郴疃 文 试图 用这种新 颖的方 法来 量化小 波系 数。 一抻 纶坫功呼 吸 啮 动心 肚皤 葫於 八砂窭。笺嗄图 对 振 动实验 数 据 处理后 ， 时限平 均小 波系 数 产 生 的功 率谱二不 同 频率的汽 车 振 动实验 中 ， 人体 机能 控 制频率表 得 到 各 人体 机能 控 制频率的功 率谱 振 幅值 表， 创 建表：飞 滴矿墅 推 断了不 同频率 的 汽 车 振 动 对 人 体 各项生 理机 能控 制 能力 的 影 响 。 振动 对 人 情 绪的 影 响 与 振动 频 率、振动 加 速和人 体 承 受 振动 的 持续 时 间 等 有关 。 振动 作 用的 周 期越 长，人 的 不良情 绪反应越 严 重 ，从 一 开 始的 头 痛、失 眠 、振动 敏 感 阈值 下降、疲乏无 力 和易于发怒 ；随 着 振动 病 的 发展 将 出 现 头 昏、极 易疲劳 、全 身无 力 和食 欲 减 退 等 症 状 ；如 继 续 处 于有 害 的 振动 环境 中 ，情 绪会 继 续恶 化 。 基于 汽 车 振 动 频率 和 加速 度 的 缓 解策 略有 研 究表 明 ： 除 汽 车 振 动 的 频率 外， 加速 度 对 人 体 反 应的 影 响也不 容 忽 视 。随 着汽 车 振 动 加速 度 的 增大 ， 受试 者身 体 各 部位器 官 出 现 程 度 不 等的 不 适和 疲 劳感 ， 其 中 心脏 、头部、背 部的 疲 劳 感 显 著， 人 体 其 它 部位的 主观 疲 劳 评 价值 明 显低于 这些部位。而心脏 、头部和 背 部疲 劳 是全 身 疲 劳 的 重 要 表 现 ， 可 见 汽 车 振 动加速 度 是引 起驾驶 疲 劳 的 重 要 因素 。除 此 以 外， 不 同振 动 加速 度 对 疲 劳 程 度 的 影试者没有 明 显 疲 劳 感 觉 ；在 基于汽 车 振 动 三要 素的 缓 解策 略 激励 而引 起车 身 的 振 动 响应等。递介 质 ， 可 以 实现 减 振 的 效果 ， 比 如汽 车 的 悬架优 化 等。现 在 业 内比 较 著名的 就是别 克 新 君 越 轿车 的 连 续减 振 控 制 系 统 低车 墓 丶 考 侵 醒 肟刂 破 鳌 减 振 器 、车 身 加速 度 传 感 器 、车 轮 图 连 续减 振 控 制 系 统 组 成 图 更好 的 乘坐 舒适性。于其 自身 ， 其 车 体 上的 每个零 部件 都 是受体 。 对 常行驶 在 砂石 搓 板路 或悬架比 较 硬 的 汽 车 ， 地 板谱的 高 频在 成 分 较 多， 座椅固 有 频率 取 偏小值 ， 使汽 车 座椅在 高 频区 减 振 性能 良 好 。对 于 一般 泡沫塑 料 座椅的 阻 尼比 较 小而且 不 易控 制 ， 因此 ， 控 制 其 固 有 频率