草原道路行車時駕駛員心電特性分析

王志平，朱守林，高明星，戚春華

(內蒙古農業大學 能源與交通工程學院，呼和浩特 010018)

1 引言

草原道路交通人機環境系統主要是由人、車、路、環境共同組成的系統，在交通事故的致因分析中，這4種要素導致的事故比例不同。據資料記載，約94％～95％的交通事故與人的因素有關，且由駕駛員直接負責任的事故占81％左右[1]。

近年來隨著草原公路總里程和汽車保有量的增加，草原公路交通事故也逐年增加，但國內外對于交通事故的研究主要集中在沙漠公路、高速公路和山區公路上[2-4]。草原公路交通事故還沒能得到應有的重視，草原公路交通人機環境系統相比于其他公路交通人機環境系統，有其獨特的交通環境特點，它一般具有縱坡度小、圓曲線半徑大、線形變化小、長直線多和景觀單一等特點[5]。使得駕駛員在草原道路上行駛更容易產生單調感和心理疲勞，從而使駕駛員對速度與距離估計偏差增大、注意力降低、感知與處理信息的能力下降。這也是交通事故頻發地的主要原因。

2 測評指標的選取

人體的心生理指標是研究人的身體狀態、疲勞程度的電信號參數。應用到交通領域的人體電信號主要有腦電信號、皮電信號、肌電信號、眼電信號、心電信號和呼吸信號等。但是考慮到其他生理信號指標還不夠穩定，易受干擾，本文選取可測試性強、數據處理方法成熟的心率指標作為研究草原道路駕駛員心理生理的測評指標。其常用的心理分析指標主要有心率(Heart rate，簡稱HR)和心率變異(Heart rate variability，簡稱HRV)。

心率(HR)指單位時間內心臟搏動的次數，單位為bpm。心臟活動是自主神經(即植物神經)系統通過末梢對心血管功能實現調節。外界環境可影響心率變化，如遇外界環境突變、精神緊張或情緒改變時，心率會加快；在休息或睡眠狀態下，心率會減慢[1]。實驗主要研究駕駛員在草原道路行進過程中的心理變化規律，基于駕駛員的個體差異及動態的草原道路駕駛試驗，簡單的比較心率大小不能體現駕駛員的心率變化規律，因此選用心率增長率作為衡量駕駛員心理變化的指標。

心率變異(Heat Rate Variability，HRV)是指心率波動周期存在的微小變化，通常是指逐次心跳間RR間期的微小漲落變化，心率變異能較好的評價自主神經平衡狀況[6]。心率變異評價指標主要有3種：時域分析、頻域分析和非線性分析。頻域分析相對成熟，且頻域分析能較好的反映草原道路駕駛員的交感神經與迷走神經對心率變化的影響[2]。故本文選用心率變異的頻域分析。

2.1 心率評價指標

心率增長率：動態行駛時的心率值與靜態心率值之差占靜態心率值的百分比。心率增長率的計算公式表示為：

(1)

研究表明，心率增長率能夠較好的體現草原道路駕駛員的心率變化；當外界環境突變、精神緊張、注意力集中或情緒改變時，心率增長率波動幅度較大，也較為頻繁；與之相反當心率增長率出現波動幅度不大，且增長率較低，則說明外界環境對駕駛員的影響小，駕駛員精神放松，可以輕松駕駛[7，8]。

2.2 頻域分析指標及特點

頻域分析的主要優點是敏感和精確。可以具體的區分不同時間段人體迷走神經和交感神經對心臟的影響。缺點在于：頻域分析法很容易受到其他因素干擾、道路環境干擾及計算機錯誤識別的影響，在草原道路動態駕駛實驗過程當中單一指標很容易受到環境因素的影響，所以選用心率變異指標LF/HF(LF與HF比值)作為頻域分析指標。

頻率指標HF是受迷走神經活動的影響，當迷走神經興奮時，可起到保護機體、休整恢復和蓄積能量等功能；LF是反映交感神經活動的主要指標，交感神經的作用是促使機體迅速適應環境的急劇變化[9]。

研究發現心率變異指標LF/HF值能夠更好的反映在草原道路行車時駕駛員交感神經與迷走神經對心臟的作用。當LF/HF增大時說明交感神經活性增強，下降說明副交感神經開始活躍[10]。

3 試驗方法

3.1 試驗人員

實驗采集14名駕駛員的心生理數據，選取其中有代表性的5名駕駛員作為研究對象。這幾位駕駛員的年齡在29～50歲，身體健康且沒有其他方面生理疾病史，對實驗路段的路況均不太熟悉。駕齡為3 a以上，每周平均駕駛兩次，每年至少駕駛有5 000 km。駕駛員的詳細信息見表1。

表1 駕駛員基本資料

3.2 實驗道路

實驗路段選擇在內蒙古錫林浩特市境內的省道S101賽罕塔拉——滿都拉圖段，該路段公路設計等級為二級，總里程152.494 km，設計車速80 km/h，該路段具有典型的草原道路特征；選擇其中150 km的路段為實驗路段，道路平面線形以直線為主，平曲線較少且圓曲線半徑較大；道路景觀比較單調，道路配套設施相對完善，道路的長度，寬度，交通流量都滿足實驗要求。

3.3 實驗儀器以及實驗要求

實驗過程中采用美國BIOPAC公司生產的MP150多導生理記錄儀對所有駕駛員的生理信號進行連續采集，實驗過程要求選擇在天氣晴朗的相鄰日期的同一時間段(上午9∶00～12∶00或下午2∶00～5∶00)內進行行車實驗，以確保樣本間的可比性。實驗前駕駛員應保證充足的睡眠，避免煙、酒、茶和咖啡等任何可能影響心率的食物和藥物，避免劇烈運動。實驗中駕駛員自由駕駛，不限制車速，關閉車載音頻、視頻、手機，禁止交談以及搖動車窗和調節車載空調等對駕駛員和實驗采集系統的影響。實驗開始前，先利用多通道生理采集儀器測量5 min駕駛員的靜態生理數據，以便于對實驗前后的生理指標作對比分析。

4 試驗數據與分析

試驗利用多通道采集所有駕駛員在全程(150 km)駕駛時的心電信號，并通過與之配套的AcqKnowledge軟件進行數據提取，對每名駕駛員的心電信號進行了簡單的濾波和預處理后，將數據導出到Excel中。利用公式(1)得到每個時間段心率增長率；利用KubiosHRV-2.0 軟件得到每個時間段心率變異指標(LF/HF值)。依照數據繪制曲線圖以直觀的反應連續駕駛過程中心率的變化規律。

4.1 心率評價指標分析

由圖1結合表1可以看出：

圖1 駕駛員心率增長率隨時間的變化

(1)隨著時間的增加，總體來說幾位駕駛員前20 min心率增長率相對穩定，20～50 min波動較為頻繁，且波動幅度較大。50 min以后，心率增長率相對穩定，之后出現不同程度下降趨勢。由此可見，各位駕駛員在20～50 min這段時間心率波動較大，注意力集中。一段調整期過后，心態相對穩定，隨著駕駛時間的增加，心率增長率有所降低說明駕駛員的精神開始變得放松。對照隨車錄像發現20～50 min這段時間的行車道路線形比較復雜，其中包括連續轉彎路段，以及平縱線形組合路段等。從以上分析可以看出幾位駕駛員全程都幾乎保持了穩定的心態和注意力集中駕駛，直到行使的末段才出現一些心率增長率降低可能引發的注意力下降，精神不集中。說明草原道路這段線形組合對這條道路行車有非常重要的作用，它有效地延遲了駕駛員可能發生的草原道路駕駛單調感和心理疲勞。

(2)從全程來看1和4號駕駛員走勢相對穩定，且變化幅度也不大，說明這兩位駕駛員自我調節和控制能力很強。對照表1可知他們的駕齡相對大一些，而駕齡的大小是決定駕駛技術和駕駛經驗。這說明在草原道路駕駛時駕駛技術和駕駛經驗對穩定心態有重要意義。

(3)從全程來看，2號駕駛員呈增加趨勢，且均值較高。說明駕駛員在駕駛過程中心率值較高，精神比較緊張，這種精神狀態的駕駛可能與他駕齡小且不熟悉道路環境有關；5號駕駛員呈明顯的下降趨勢，說明駕駛員精神放松，長時間可能進入休眠狀態。這種現象的出現可能與駕駛員的年齡大有關。

(4)3號駕駛員心率增長率走勢為先增加后減少，波動范圍較大也較為頻繁，說明駕駛員行車的前半段注意力比較集中。當達到自己可適應范圍后，開始上下波動自我調節，但隨著行駛時間的增加疲勞感的加強，精神也開始有所放松。這可能與女性駕駛員的謹慎駕駛有關，但有于本次實驗的女性駕駛員較少還需進一步研究。

4.2 頻域分析

根據圖2結合相關資料研究有如下分析：

(1)由上圖可以看出0～20 min各位駕駛員的心率變異值呈增加趨勢，交感神經興奮。說明這段時間駕駛員精神緊張，注意力集中以適應草原道路的駕駛環境。20～50 min心率變異指標波動比較頻繁，沒有固定走勢。說明交感神經與迷走神經交替作用，駕駛員各自進行調整，做出適合自己的合理的駕駛狀態；50 min后心率變異指標相對穩定，末尾有所提高。說明這段時間各位駕駛員可以相對穩定駕駛，直到行車的最后時刻駕駛員才心率變化，有所興奮。

圖2 心率變異指標(LF/HF)隨時間變化

(2)1和4號兩位駕駛員的心率變異指標波動范圍不大，突變點幾乎沒有，且心率變異值較小。說明在駕駛過程中HF值較高，迷走神經起主導作用，駕駛員在駕駛過程中精神放松，駕駛員也沒有過度緊張造成的心率變異值突增，說明草原交通環境變化對駕駛員的影響小，駕駛員可以在草原道路輕松駕駛。

(3)2號駕駛員在全程維持了較高的心率變異值，3號駕駛員在四十分鐘以前呈增加趨勢，之后相對穩定且維持了較高的心率變異值。這兩位駕駛員的心率變異值明顯高于其他三位駕駛員，突變點較多。說明在駕駛過程中LF值較高，交感神經起主導作用，駕駛員在駕駛過程中精神比較緊張，注意力集中，外界交通環境的微小變化就可能會造成駕駛員的過渡緊張。

(4)5號駕駛員在25～50 min的時間段內維持了較高心率變異值，其他時間內維持了相對穩定且較低的心率變異值。說明駕駛員在25～50 min內LF值較高，交感神經起主導作用，駕駛員注意力

集中。在其他時間HF值較高，迷走神經興奮，駕駛員精神放松。

5 結 論

本文通過分析靜止狀態下和在草原道路連續駕駛150 km的駕駛員生理信號，可以得到以下結論：

(1)在草原公路上不同駕駛員有一定的個體差異，通過1和4號駕駛員與2和3號駕駛員的心率變異差異的對比分析，說明駕駛技術和經驗對穩定心態有重要意義。

(2)5號駕駛員的心率增長率下降明顯，說明駕駛員的年齡對草原道路駕駛的影響很大。

(3)通過以上指標分析，發現這段草原道路行駛的駕駛員在通過20～50 min的調整路段后，對駕駛員在這段時間及之后的駕駛心理都帶來了一定影響。說明合理的線形組合可以有效避免或是延遲草原道路單調環境對駕駛員可能帶來的影響(如疲勞感增強，注意力下降，精神放松等)。

【參 考 文 獻】

[1]李香紅，朱守林，戚春華.草原道路環境對駕駛員心率影響實驗研究[J].內蒙古農業大學學報，2009，30(4)：197-200.

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[3]鄭 柯，任福田.高速公路順直路段上駕駛員行車緊張性研究[J].北京工業大學學報,2003，29(2)：199-202.

[4]潘曉東，杜志剛.駕駛員心率和血壓變動與山區公路線形關系的實驗研究[J].人類工效學，2006，12(2)：16-18.

[5]姚 娜.基于駕駛員心理與生理反應的草原二級公路交通事故分析[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2006.

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[9]朱文玉，田 仁，孔曉霞.人體生理學(3版)[M].北京：北京大學醫學出版社，2011.

[10]Zhu S，Qi C，Gao M，et al.Research on the effect of grassland highway curves on driver’s HRV[J].Advanced Materials Research 2013，779-780：584-591.