基于動力定型的駕駛人應激訓練及實驗驗證＊

陳 穎

（山東交通學院交通與物流工程學院 濟南 250023）

0 引 言

據交通事故統計數據分析顯示，緊急狀態下的駕駛人高度應激狀態導致的操作失誤而引發的交通事故占有一定比例［1］.通過對緊急狀況下駕駛人認知過程深入分析，適當的訓練可以提高駕駛人在緊急狀況下的反應速度和車輛操作準確性，以及降低應激反應的損害程度［2］.從20世紀90年代開始，長安大學劉浩學等從駕駛技能形成特性的角度提出了駕駛人應激能力的可訓練性［3-4］.目前，系統性的駕駛人應激訓練理論研究及有效性驗證研究還是相對較少.筆者從認知科學、生理學和心理學的角度來研究駕駛人應激訓練理論，然后采用虛擬仿真技術設計并實現了駕駛人應激訓練仿真系統，并選擇被試進行仿真實驗進行驗證，實驗結果證明理論分析的正確性.

1 駕駛人應激理論

1.1 駕駛人應激的定義

應激是指機體對外界或內部各種刺激所產生的非特異性變化的總和［5］.現在，應激（stress）多指出乎意料的緊張情況所引起的情緒狀態［6］.

在緊急狀況下，駕駛人比較容易出現應激狀態，例如駕駛人行駛在自由暢行的城市道路上突然有行人橫穿等，這時需要駕駛人迅速地判斷情況，并在一瞬間進行信息處理和決策.與此同時，緊急情景會引起了機體的激活水平發生顯著改變，例如心率、血壓、肌緊張度，從而引起個體處于情緒的高度應激狀態和積極的行動應對這種顯著變化［7］.

應激狀態對駕駛行為有著很大影響，并有著顯著的個體差異.有著豐富經驗的駕駛人的應激狀態不明顯，思維比較敏捷，迅速反應以應對緊急情況.與此相反，應對經驗不足的駕駛人應激狀態非常明顯，往往緊張過度造成手忙腳亂、或不知所措而導致交通事故.

因此，駕駛人在這種突如其來、讓人猝不及防的危險和緊急情況下所表現出的生理、心理和行為的高度應激狀態稱為駕駛人應激或駕駛人應激狀態.駕駛人在受到這種外界緊急情況刺激所產生應激狀態的綜合反應稱為駕駛人應激反應，包括生理反應、心理反應和行為反應.

1.2 駕駛人應激生理機制及測量

與其他心理過程相同，應激是人神經系統和大腦相聯系所發生的機體變化和外部表現.其生理機制主要與以下兩方面有關.

1）應激與植物性神經系統、運動神經和化學傳遞相關 植物性神經系統在大腦皮層的控制之下進行活動，并且通過植物性神經節和化學傳遞質傳達到各內效應器官支配有機體的活動.應激狀態中的機體變化提供了對應激狀態進行客觀測量的條件，可運用各種生理記錄儀器把心率、呼吸、血壓、肌肉電流等生理反應記錄下來.這些生理變化均可以作為應激變化的客觀指標.

2）應激與中樞神經機構相關 現代生理學認為中樞神經機構在應激等情緒發生中的作用.其中，大腦皮層是皮層下部位以及整個有機體的最高調節器，其控制著皮層下中樞的活動，并直接控制應激等情緒狀態.俄國生理學家巴普洛夫把包含應激的所有情緒與大腦皮層動力定型的建立聯系在一起，認為暫時神經聯系的維持或破壞使人對現實的態度發生改變.

因此，從動力定型的角度來看，駕駛人應激是外在應激環境中駕駛人對所處環境因受過去經驗影響所產生的外部表現.

1.3 駕駛人應激訓練與動力定型

駕駛人的應激反應與條件反射類似，是由于反復做同一動作而形成的一種經驗定式，可以通過特定的駕駛訓練和長期的駕駛實踐活動獲得.主要是駕駛人在日常駕車活動過程中，對道路交通系統中可能出現的各種突發事件儲存了一定的處理模式.

相對于長期的實踐獲得，特定的駕駛人應激訓練是對應激狀態進行訓練，鞏固駕駛人在應激狀態下的正確駕駛行為，而形成緊急狀態下的“動力定型”，具有以下表現形式：（1）多余動作的消失；（2）應激狀態的消減；（3）“視覺控制作用”的減弱與“動覺控制作用”的增強；（4）靈活性得到提高，隨著道路條件、環境條件以及交通條件等變化而靈活地運用已有的應激反應能力.

2 駕駛人應激訓練系統及仿真實驗

2.1 駕駛員應激訓練系統

駕駛人應激能力需要不斷的重復訓練才能形成，但是考慮安全因素無法在實車上進行培訓.基于現代駕駛模擬器的虛擬仿真訓練具有經濟、安全及可重復的優點，已經成為駕駛人應激訓練的最主要方法.駕駛人應激訓練系統的實現主要有兩個部分：硬件系統和軟件系統，見圖1.

圖1 駕駛人應激訓練系統框架

由圖1可見，駕駛人應激訓練系統由硬件系統和軟件系統構成：硬件系統，包括駕駛模擬器硬件模塊和傳感器數據傳輸模塊，軟件系統，包括車輛控制模塊和視景仿真模塊.按照道路交通環境進行劃分，駕駛人應激訓練系統針構建了14個應激場景，利用VC++，OpenGL和MultiGen Creator等虛擬仿真技術實現，見圖2.

圖2 駕駛人應激訓練系統場景示例

2.2 實驗目的及參數選擇

在應激狀態下的駕駛人的人體各生理指標會出現顯著的波動.緊急狀況發生時，受到突發性的緊急狀況的影響，駕駛人的心理緊張程度會產生急劇變化，即心率隨之急劇變化.緊急狀況的復雜程度和駕駛人的緊張程度是引起心率變化的重要因素，而且使用生物反饋儀器能夠對心率進行數據采集，誤差小且駕駛實驗過程中采集相對簡單.因此，本研究確定選取心率作為測量駕駛人應激訓練仿真實驗的指標參數.

駕駛人應激仿真實驗主要從兩方面對應激訓練效果來進行評價：（1）在應激訓練中完成應激訓練場景的成功率來評價；（2）在應激訓練中應激反應的生理指標來評價.

其中，如果駕駛人在應激訓練中順利完成訓練場景的訓練并且沒有發生任何危險，則將該次訓練標記為“成功”；如出現碰撞、停車或駛出車道等情況，則標記該次訓練為“不成功”.

2.3 實驗樣本

有研究表明新手駕駛人更容易在緊急狀況下表現出高應激狀態.由于實驗條件極其所限，主要考慮駕駛經驗的差異性，本研究僅以青年駕駛人為實驗對象.選擇30 名長安大學在校碩士研究生：其中男性20名，女性10名；年齡在23～28歲之間；有初步駕駛經驗（駕齡＜3年）的有14 人，無任何駕駛經驗的16人.在仿真實驗中，所有被試者均需要是首次使用仿真器進行駕駛，以避免仿真駕駛經驗帶來的結果差異.

2.4 實驗設備與數據采集

實驗采用自主開發設計的駕駛人應激訓練系統，并選用美國BIOPAC公司生產的多導生理記錄儀MP150采集駕駛人應激訓練仿真實驗參數.

3 仿真實驗結果分析

3.1 訓練效果分析

對計算機記載的首次應激訓練完成情況進行匯總分析，得出應激場景的完成與訓練次數之間的關系.見圖3.

圖3 應激場景的完成率與訓練次數的變化關系

在圖3中，由于缺乏應激應對經驗而導致危險發生幾率較高，根據應激場景的難易情況，這些典型應激場景的首次訓練完成率20%～60%.隨著訓練次數的增加，場景完成率逐步上升并趨于100%，最終駕駛人在該應激場景下的“動力定型”基本形成.

實驗根據駕駛模擬器紀錄下觸發應激場景的時間，用Acknowledge軟件計算出駕駛人單次訓練中應激場景出現后3s內心率的平均值，作為單次訓練應激狀態下的心率.并且以被試者第一次訓練心率數據為基準，計算出該場景下各次訓練的平均心率變化率.30名被試者在14 個應激場景中平均心率變化率與訓練次數的變化關系如圖4所示.

從圖4可以看出，隨著訓練次數增加，駕駛人應激狀態下的心率逐步下降并趨于平緩.數據結果證明經過多次訓練后的被試心理緊張狀態有所緩解，并且逐步地趨于平穩.表明訓練有助于幫助駕駛人在應激狀態下正確進行信息的加工處理和操作，避免或減少駕駛人由于過度緊張導致的失誤操作；同時，“動力定型”得以形成，這對駕駛人在緊急情況下能夠安全避險具有積極意義.

圖4 平均心率變化率與訓練次數的變化關系

3.2 回歸分析

以心率變化率作為樣本參數，對14個場景分別進行數據分析.通過曲線擬合，得出基礎心率變化率與訓練次數之間的關系，并通過顯著性來檢驗其有效性，見表1，表2.

當駕駛人心理緊張程度變化不大時，則可認為“動力定型”基本形成，則中止實驗.通過數據分析發現當連續兩次訓練次數（N與N-1次）的心率變化率小于1%時，駕駛人的心理緊張趨于平緩，則中止對該場景的訓練，此時認為“動力定型”已基本形成，并以此確定N次為該應激訓練場景的標準訓練次數，如表1所列.

表1 應激場景應激訓練回歸模型及建議訓練次數

表2 對數曲線模型的顯著性檢驗

由表1，表2可見，當駕駛人在訓練到表1建議訓練次數時，駕駛人面對此類危險所需避險動作的“動力定型”基本形成，則可以中止對該場景的訓練.回歸模型能很好的表示駕駛人在應激場景上進行應激訓練時，心率變化率隨訓練次數增加的變化規律.

4 結 論

本文通過系統性的闡述駕駛人應激理論，并選擇被試者基于自主設計的駕駛人應激訓練系統進行仿真實驗，通過實驗結果分析得出以下結論.

1）結合認知科學、心理學、生理學和行為理論，完善并形成了駕駛人應激理論和駕駛人應激訓練理論.駕駛人應激理論包括應激的定義、應激的形成過程和應激的改善途徑；將駕駛人應激或應激狀態定義為在突如其來、讓人猝不及防的危險和緊急情況下，所表現出的生理、心理和行為的高度應激狀態；結合動力定型理論形成駕駛人應激訓練理論，即駕駛人應激反應能力可通過相應的訓練來提高，且探討了駕駛人應激能力改善的方法，并確定仿真方法可作為研究駕駛人應激的工具和方法.

2）在駕駛人應激訓練的研究中，采用虛擬技術和傳感技術設計了駕駛人應激訓練系統.組合設計了14個不同復雜程度的應激場景，并利用虛擬現實技術實現了場景的視景仿真.整個訓練系統逼真、經濟、有效，為駕駛人應激訓練的研究和其他駕駛人應激狀態的研究提供了較高的平臺.

3）利用駕駛人應激訓練系統平臺選擇被試者進行了仿真實驗，根據駕駛應激生理機理選取心率作為仿真實驗參數，統計分析表明，隨著訓練次數的增加，駕駛人觸發應激場景時的心率呈現下降趨勢，表明駕駛人在經過多次應激訓練后動力定型基本形成，再次經歷該場景時緊張程度下降，結論對緊急情況下駕駛人能夠安全避險具有積極意義.

［1］劉浩學，劉唏柏.交通心理學［M］.西安：陜西科學技術出版社，1992.

［2］唐 博.基于Direct 3D 技術構建駕駛員應激訓練系統的研究［D］.西安：長安大學，2006.

［3］趙建有.汽車駕駛員應激能力分析［J］.長安大學學報：自然科學版，2003，7（4）：91-95.

［4］曹日昌.普通心理學［M］.北京：人民教育出版社，2005.

［5］陳 穎，劉浩學.女性駕駛人應激反應能力研究［J］.交通運輸系統工程與信息，2012，12（3）：170-173

［6］MATTHEWS G，DORN L，GLENDON I，Personality correlates of driver stress［J］.Personality and Individual Differences，1991，4（16）：565-571.

［7］DORN L，MATTHEWS G.Two further studies of personality correlates of driver stress［J］.Personality and Individual Differences，1992，8（13）：949-951.