基于駕駛員心率變化的隧道照明頻閃頻率的研究

李默楠，劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海　200433)

?

基于駕駛員心率變化的隧道照明頻閃頻率的研究

李默楠，劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433)

摘要：在隧道光環境當中，隧道的照明頻閃是一個十分重要的參數。本文從人的生理心理反應方面出發，通過記錄駕駛員心率的變化，同時結合駕駛員生理方面的主觀調查，得到隧道頻閃參數的對于駕駛員心理生理的影響結果。

關鍵詞：公路隧道;心率反應;隧道照明頻閃;心率增長率

引言

在隧道照明設計中，隧道照明頻閃是一個重要的指標。不合理的隧道照明頻閃頻率會引起駕駛員的煩躁、緊張、焦慮的心理，這極其容易引發交通事故。因此探究隧道照明頻閃對人的影響，從而制定合理的隧道照明頻閃頻率標準，對隧道照明設計十分重要。

1公路隧道頻閃現象

1.1光源的頻閃效應

當人眼看光源的時候，如果一個光源的光在人眼中一閃即逝，然后緊接著在視網膜上再次成像，當這樣的情形在人眼當中反復出現時，就會在人的視網膜上呈現時亮時滅的不連續的光，用每秒鐘亮滅的次數表示人眼能夠分清閃爍的界限，這個界限就是光源閃爍的臨界值。我們可以通過統計學的方式來測得人眼對光源閃爍的感光特性。圖1是人眼對不同頻率光源閃爍的視覺敏感曲線，從圖中可以發現：當光源閃爍的頻率小于2.5Hz或大于15Hz時，人眼的視覺敏感系數較小，對光源的閃爍不明顯，可以忽略不計；當光源的閃爍頻率達到8.8Hz時，人眼的視覺敏感系數最大。光源的閃爍會對人的視覺系統有一定的刺激作用，產生一定的不舒適感。[1]

圖1　視覺系數敏感曲線Fig.1　The coefficient curve about sensitivity of vision

1.2公路隧道頻閃的成因

在隧道照明設計當中，一般為了節約照明的成本，照明的燈具并非是一個接一個的緊挨著排列，而是每兩盞燈中存在一定的間距。當駕駛員行駛在公路隧道中時，眼睛不斷受到忽明忽暗的刺激，從而造成一定的煩亂，這種現象與光源的頻閃效應十分類似，叫做公路隧道的“頻閃效應”。

閃爍頻率可由式(1)計算。

(1)

式(1)中，f表示隧道照明的頻閃頻率(Hz)，v表示車輛行駛的過程中的車速(m/s)，L表示相鄰的兩個隧道燈之間的間距(m)。[2]

1.3公路隧道頻閃效應的相關設計要求

為了防止頻閃效應，在進行隧道照明設計時，根據當閃爍的頻率小于2.5Hz或大于15Hz時，人眼對光源的閃爍敏感度可以忽略不計這一特點，國際照明協會發布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》中規定，“公路隧道照明的頻閃頻率應該控制在小于2.5Hz或大于15Hz的范圍內”[3]。但是這個規范僅僅是從靜態光源的閃爍頻率曲線中得到的，并不能真實的反映隧道頻閃頻率對于駕駛員在行駛過程中的影響。

1.4隧道頻閃對人的影響及實驗指標的選擇

目前，對于駕駛員的心理生理檢測主要是用來針對檢測駕駛員的疲勞程度。當駕駛員駕駛時的不舒適感到達一定的程度時，此時可以認定駕駛員出現了疲勞駕駛的情況。通常，駕駛員的疲勞駕駛反映在生理和心理兩個方面。從生理上來說有眼漲、眼干、頭暈、頻繁眨眼、心跳加速、打哈欠等。從心理上來說有心煩、浮躁、感到壓抑、精神萎靡，無法集中注意力等現象。

為了研究公路隧道頻閃效應對人體的影響，本次實驗需要一個可靠并且易于實現的檢測方式。結合本次實驗的特點以及實驗設備的需求，本文中采用心率信號作為測試駕駛員心理反應的指標。

2心電信號簡介

2.1心電信號反應的心理狀況的依據

人體的心率是反應心臟活動的指標之一。通過大量的實驗研究，Wilson等研究發現：心率信號是一個整體的指標，它可以作為被測試者在不同任務要求下的生理心理負荷的衡量標準[4]。Hart等也得到結論：心率信號可以反映被測試者的心理受到任務、環境、情緒等多種因素的影響情況。[5]

2.2心率及心率增長率

從醫學和心理學上講，對心電信號的分析主要指的是心率和R-R 間期隨時間變化的規律。心率 HR(Heart Rate)是指單位時間心臟搏動的次數，通常以每分鐘心率跳動的次數來表示，單位為跳/分(Beats/min，bpm)，“一般情況下，人正常的心率范圍為 60bpm～100bpm”。[6]R-R 間期是指兩次心跳之間R波峰的時間間隔，單位為毫秒(ms)。通常來說，一個人某一個時刻的心率與R-R間期存在著如下的關系：

(2)

但是因為心率會隨著個體的差異而不同，因此僅僅利用心率的增加或較少并不能準確的反應一個人的心理變化情況，因此，北京工業大學王書靈提出“心率增長率”這樣一個相對變化值即心率增長率的概念來反映駕駛狀態下與平靜狀態下的心理的對比情況，其公式[7]為：

心率增長率=

(3)

在本次實驗過程中，由于此次研究既要觀察心率與平時狀態下的關系，又要研究在特定頻率下心率波動的有關情況，因此采用心率增長率這一指標分析數據。

3實驗設計

3.1實驗目的

1)分別測試駕駛員在一定頻閃下和平時無頻閃狀況狀態下的心率，判斷兩者之間是否有不同之處，確定研究是否存在一定的意義。

2)通過測試不同人員在相同的隧道頻閃頻率下的心率變化情況，得到駕駛員在一定頻閃頻率下的心率變化模型。

3)通過測試相同人員在不同的隧道頻閃頻率下的心率變化情況，得到駕駛員能夠適應的隧道頻閃頻率范圍。

3.2模擬隧道模型仿真實驗的選擇

根據實驗的目的，為了測試實驗駕駛員適應的頻閃頻率范圍，考慮到當頻率小于2.5Hz或大于15Hz時，人眼對光源頻閃的敏感程度可以忽略不計，因此研究2.5Hz以下或15Hz以上時的頻率并沒有意義，因此這本次實驗擬定的測試頻率范圍為1Hz～15Hz。考慮到如果采用實際駕駛的實驗方式，將會對本實驗造成一定的難度，因此本實驗采用觀看隧道模型的方式進行研究。

3.3制作隧道模型以及模擬行駛的影像

為了制作合理規范的隧道模型，本實驗根據國際照明協會發布的CIE 88—2004《Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses》和我國發布的JTG D70/2—2014《公路隧道設計規范》中有關隧道光環境的標準制作了隧道模型，隧道模型的照明計算結果如表1所示。

表1　照明計算結果

經計算，制作的隧道模型基本符合國家和國際上的有關標準。

根據公式(1)計算出隧道模型合理的燈具間距，同時利用視頻制作軟件使隧道分別以一定的速度向一側移動，令攝像頭以駕駛員的視角進行錄制視頻，通過剪輯整合等方式分別制成時長為5～10分鐘的15段視頻。

3.4實驗設備

主要的實驗設備有迪卡儂心率表GEONAUTE 310，心率胸帶，筆記本電腦，投影儀。

3.5實驗方法

根據以上的實驗準備和要求，擬定本次實驗的具體方法如下:

1)一共測試人數為7人，每二人自由結組，一共分成四組。測試時間為連續的兩個上午或者下午，預計整個實驗結束需要6～8天時間。每組人員采用交替實驗的方式，一人參加測試，一人休息，每人測試的時間不超過一個半小時，避免被測試者產生煩躁情緒。

2)實驗步驟如下：

①實驗開始前，安排本次的實驗人員，為其講解心率儀等儀器的用法，等待實驗人員完全熟悉后，靜坐十分鐘，測試在正常狀態下的心率。

②交代被測人員，令其想象自己在一個隧道中行駛的情形(如圖2所示)，身心放松，不要緊張。如果在實驗過程中有頭暈、嘔吐等不舒適的現象及時舉手示意。

③播放隧道模擬仿真影像，每段時長在5～10分鐘之間，并開始收集數據。

④一段視頻播放以后，填寫被測試者的主觀感受表以及備注信息(如受到外界的干擾等)，同時換另一個被測試者觀看視頻。

⑤實驗結束后對整個數據進行分析和整合。

圖2　動態實驗模擬駕駛圖Fig.2　The statistics about computation of illumination

4實驗數據分析

4.1生理信號的處理結果

首先對測試者進行1～7號編號，分別在安靜無干擾的情況下測得他們的平均心率，其結果如表2所示。

表2　7位被測試者安靜狀態下的平均心率

4.2各階段心率增長率的統計

首先將每一個時刻的心率讀出來，考慮到本實驗中實驗數據量較大，我們先計算出7個人每時刻的平均心率增長率，并制成統計圖形，統計的結果如圖3～圖17所示。

圖3　1Hz下的平均心率增長率Fig.3　The drivers’ average heart rate growth under 1Hz

圖4　2Hz下的平均心率增長率Fig.4　The drivers’ average heart rate growth under 2Hz

圖5　3Hz下的平均心率增長率Fig.5　The drivers’ average heart rate growth under 3Hz

圖6　4Hz下的平均心率增長率Fig.6　The drivers’ average heart rate growth under 4Hz

圖7　5Hz下的平均心率增長率Fig.7　The drivers’ average heart rate growth under 5Hz

圖8　6Hz下的平均心率增長率Fig.8　The drivers’ average heart rate growth under 6Hz

圖9　7Hz下的平均心率增長率Fig.9　The drivers’ average heart rate growth under 7Hz

圖10　8Hz下的平均心率增長率Fig.10　The drivers’ average heart rate growth under 8Hz

圖11　9Hz下的平均心率增長率Fig.11　The drivers’ average heart rate growth under 9Hz

圖12　10Hz下的平均心率增長率Fig.12　The drivers’ average heart rate growth under 10Hz

圖13　11Hz下的平均心率增長率Fig.13　The drivers’ average heart rate growth under 11Hz

圖14　12Hz下的平均心率增長率Fig.14　The drivers’ average heart rate growth under 12Hz

圖15　13Hz下的平均心率增長率Fig.15　The drivers’ average heart rate growth under 13Hz

圖16　14Hz下的平均心率增長率Fig.16　The drivers’ average heart rate growth under 14Hz

圖17　15Hz下的平均心率增長率Fig.17　The drivers’ average heart rate growth under 15Hz

從圖中7個人的平均心率增長率中我們大致可以得到以下幾個結論：

1)以上各圖的心率增長率都是由公式(2)算出的，它以被測試者安靜狀態下的心率作為標準，從圖中可以看出，從1～15Hz的幾乎所有心率增長率都在0值以上，這說明被測試的人員心理壓力較平常安靜的自然狀態下的心理壓力大。

2)從4～13Hz被測試人員的心率增長率都會有一個較高的峰值，且這個峰值一般都為整個測試階段的最大值，我們可以認為在這個時刻的被測試人員的心理壓力很大，普遍出現了心理緊張，煩躁不安的狀態。

3)1～3Hz和14～15Hz這幾張圖中，被測試人員的心率增長率并沒有出現一個峰值和最大值，整個心率增長率大致呈現波動下降的趨勢，我們可以認為在這幾個頻閃頻率下的測試人員心理變化波動不明顯，幾乎沒有出現特別煩躁或緊張的心理狀態。

4)考察每一張圖形當中心率增長率的最大值，發現在1～6Hz和12～15Hz階段的心率增長率的最大值都小于20%，而在7～11Hz時，心率增長率的最大值甚至會達到25%，由此可以看出在7～11Hz頻閃頻率下被測試人員的心理變化情況較其他頻閃下的變化情況更大。

5主觀調查問卷的處理

在每次視頻播放以后，每一位參與測試的實驗人員都被要求填寫一份主觀調查問卷。調查問卷主要研究的是每一位被測試者觀看視頻的主觀感受，主觀感受主要分為生理心理兩類：心理上有心煩、壓抑、惡心、犯困，生理上的主觀感受有眼干、眼漲、流淚、惡心。被測試者要求在觀看視頻以后在相應的主觀感受下面打勾，最后由參與實驗的人員統計出不同頻閃頻率下產生以上各種主觀感受的人數。*由于每個人的主觀感受不盡相同，為了保證實驗的準確性，除了上述參與心率信號搜集的7位人員，本實驗又調查了其他13名測試者的觀察視頻后主觀感受。因此參加主觀感受調查的人共計有20人

為了從整體上掌握隧道頻閃對人的影響，我們將15個頻率下的主觀感受人數相加得到圖18與表3。

從圖18、表3中可以發現：

1)被測試者觀察視頻以后主要的主觀感受為眼干，眼漲和壓抑，其中眼干和眼漲是人出現視覺疲勞的主要感受之一，這說明隧道頻閃會對人的視覺產生一定的影響。而被測試者感到壓抑是人心理活動的體現，這從另一方面說明了隧道頻閃會給人帶來一定的心理壓力。

表3　被測試人員主觀感受人數統計表

圖18　各頻率下主觀感受人數累計圖Fig.18　The total number of subjective feelings at different frequencies

2)當隧道頻閃增加到一定的頻率時，部分被測試者會逐漸感到流淚、心煩、惡心等現象，同時這些現象大多集中在7～9Hz。

3)隨著頻率的增加，有不良主觀感受的人數大致呈先增加后減少的趨勢。當頻率為8Hz時，被測試人員的不良主觀感受最多，這與人體對光源閃爍的視覺敏感曲線大致相符。

6實驗總結

從以上的分析中可以看出，當頻率在4～13Hz時，被測人員的心率會隨著時間出現一個峰值，這表明了在這段頻率下駕駛員的心理會出現明顯的不舒適感，在隧道照明設計當中應當避開這一段頻閃頻率。同時，根據主觀調查表的分析,也驗證了這樣的結果。綜上所述，合適的隧道頻閃頻率應該小于4Hz或大于13Hz。

參考文獻

[1] 潘旭輝，牟同升. 光源的閃爍效應及閃爍的測量方法[C]//走近 CIE26th——中國照明學會(2005)學術年會論文集.北京：中國照明學會，2005:94-96.

[2] 項立榕. 公路隧道應該避開的“頻閃”區間[J]. 福建建筑，2014，7(193)：1-2.

[3] CIE 88—2004 Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses.

[4] Wilson G F，Donnell R D. Measurement of operator workload with the neuropsychological workload test battery// In P.A. Haneoek, N.Meshkati (Eds.).Advances in Psychology，1988，(52)：63-100．

[5] Hart S G, Wiehens C D. Workload assessment and predietion//H.R.Booher(Ed.).ManPrint:an approach to systems integration. New York: VanNostrandReinhold，1990:257-296.

[6] 陳灝珠. 心率變異性的測定及其臨床意義[J]. 臨床心電學雜志，1994(4):55-58.

[7] 王書靈. 基于駕駛員心理反應的山區雙車道公路極限坡度坡長研究[D]. 北京：北京工業大學，2005：31-32.

A Study on Tunnel Flicker’s Frequency based on Drivers’ Heart Rate

Li Monan，Liu Muqing

(InstituteforElectricLightSource,EngineeringResearchCenterofAdvancedTechnology,Ministryof

Education,fudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract：The tunnel flicker’s frequency is an important parameter in highway illumination design. This paper is based on human’s psychology and physiology indictor, through recording the changes of the heart rate and people’s subjective experience to analyze the influence of flicker’s frequency on drivers.

Key words:highway tunnel；heart rate；tunnel flicker frequency；heart rate growth

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.018