趣味性聽覺材料對駕駛疲勞的作用：來自EEG的證據 *

田 野 何陸寧 劉天嬌 常若松 馬錦飛

(1 遼寧師范大學心理學院，大連 116029) (2 山東師范大學心理學院，濟南 250358)

1 引言

駕駛疲勞是世界范圍內交通事故的重要危險因素之一（Connor et al., 2002; Philip & ?kerstedt,2006），約有20%的交通事故與駕駛疲勞有關（MacLean, Davies, & Thiele, 2003; Zhang, Yau,Zhang, & Li, 2016）。日常生活中，疲勞駕駛現象十分常見，有29%～55%的司機在駕駛過程中有過昏昏欲睡的感覺，有11%～31%的司機曾在駕駛期間睡著（MacLean et al., 2003）。因此，研究緩解駕駛疲勞的有效措施，對維護公共財產和個人生命安全具有重要意義。

疲勞是一種表現為缺乏警覺性，心理和生理表現變差，并通常伴有嗜睡的復雜狀態（Lal &Craig, 2001），涉及生理、心理及人格等多種因素（Wijesuriya, Tran, & Craig, 2007）。由駕駛任務所引發的疲勞，可以分為主動疲勞（active fatigue）和被動疲勞（passive fatigue）（Desmond & Hancock,2001），主動疲勞產生于持續的、強制性的高知覺-運動需求任務；而當個體長期進行簡單、缺乏有趣刺激的任務時則會出現被動疲勞（如，在空曠的鄉村公路上進行長時間駕駛）。近年來，駕駛的自動化趨勢降低了駕駛任務的復雜性（Cottrell &Barton, 2013），駕駛所產生的被動疲勞問題更加常見（K?rber, Cingel, Zimmermann, & Bengler,2015）。有研究表明，被動疲勞對駕駛員橫向控制績效（以橫向位置偏差作為測量指標）一般沒有明顯損害，但司機的警覺性會下降，緊急狀況下轉向和制動反應時更長（Saxby, Matthews, Warm,Hitchcock, & Neubauer, 2013）。

駕駛疲勞與駕駛員心理工作負荷密切相關（Gimeno, Cerezuela, & Monta?és, 2006）。心理工作負荷是任務或者環境施加給個體的認知需求與駕駛員適應性之間的函數（Oron-Gilad, Ronen, &Shinar, 2008）。根據動態模型理論（Hancock &Warm, 2003; Oron-Gilad et al., 2008; Wiener, Curry, &Faustina, 1984），駕駛員工作負荷可以分為最佳負荷、負荷超載以及負荷不足三個水平，最佳負荷水平下駕駛員能夠發揮最佳表現。負荷超載與主動疲勞有關（Desmond & Hancock, 2001）；負荷不足導致低喚醒狀態，也會降低警覺性。因此，用于緩解駕駛疲勞維持警覺的次要任務必須根據駕駛員的工作負荷情況來制定（馬錦飛, 常若松, 陳曉晨, 孫龍, 2014）。當駕駛員工作負荷超載時，增加其他次要任務會加重負荷，無法起到緩解疲勞的作用；而當駕駛員由于工作負荷不足產生被動疲勞時，適當引入其他次要任務增加工作負荷，可能起到緩解疲勞的作用（馬錦飛等, 2014）。駕駛疲勞產生與緩解的動態機制已經得到了驗證，例如，有研究發現路況（簡單或復雜路況）與次要任務（如是否收聽有聲書）存在交互作用，簡單路況下收聽有聲書可以加快駕駛員對危險的反應速度（Nowosielski, Trick, & Toxopeus, 2018）。還有研究以輕音樂對駕駛疲勞的雙向作用驗證了動態模型：在單調路況中，聽輕音樂對實驗前無駕駛行為的駕駛員有喚醒作用，而對實驗前已有1～3 h駕駛行為的駕駛員有催眠作用（曲秋寧, 姚祝耶, 劉新雨, 劉天嬌, 馬錦飛, 2017）。不同的次要任務對工作負荷的貢獻度不同，對駕駛的影響程度也有差異。例如，聽音樂對心理負荷的貢獻小，對駕駛任務的影響也較小（ünal, Steg, & Epstude,2012）；駕駛過程中發短信、吃東西，則會造成工作負荷超載，導致司機反應更慢，增加事故風險（Irwin, Monement, & Desbrow, 2015）。

在日常生活中，司機會通過多種措施自行緩解被動疲勞，例如開窗、與乘客交談、喝咖啡、聽音樂、聽廣播，其中聽廣播最受歡迎（Anund,Kecklund, Peters, & ?kerstedt, 2008）。上述措施的有效性參差不齊，例如，相比開窗，聽音樂緩解疲勞的效果更好（Schwarz et al., 2012）。并且，聽覺材料性質不同對駕駛的影響也不同（馮雨, 常若松, 馬錦飛, 2016）。研究者區分了聽覺材料內容的娛樂性對駕駛的影響，發現駕駛員對趣味聽覺材料卷入程度更高，跟車任務中緊急制動反應變慢，研究者認為，駕駛員的注意更容易被趣味聽覺材料所吸引，影響其駕駛任務的表現（Horrey,Lesch, Garabet, Simmons, & Maikala, 2017）。另一方面，有研究發現，駕駛員緊急制動和轉向的反應時加長也是駕駛疲勞的表現之一（Saxby et al.,2013）。Horrey等人的研究還使用近紅外腦功能成像技術，發現相比于收聽無趣材料和不收聽材料，駕駛時收聽有趣材料的被試大腦中氧合血紅蛋白的濃度最低，表明收聽趣味聽覺材料時占用的認知資源最少。根據動態模型理論：工作負荷過高會導致主動疲勞，工作負荷過低容易出現被動疲勞（馬錦飛等, 2014）。前人研究結果表明，趣味聽覺材料在與駕駛疲勞相關的行為和生理方面均產生影響，但趣味聽覺材料對駕駛疲勞的影響尚未明確，因此本研究從駕駛疲勞的角度，考察收聽趣味聽覺材料這種被廣泛運用的措施是否具有緩解駕駛疲勞的作用。

以往研究表明，以主觀睡意問卷（Karolinska Sleepiness Scale, KSS）測量的駕駛疲勞會因聽覺材料的出現而降低（Reyner & Horne, 1998; Schwarz et al.,2012）。但駕駛員對自身狀態的報告可能并不準確。Schmidt等人（2009）綜合主觀報告、績效（聽覺反應時）、腦電信號和心電信號對駕駛員警覺狀態進行研究，結果發現在長時間單調駕駛條件下，駕駛員在接近駕駛尾聲時報告自己在警覺性上有所提高，但績效和生理指標卻顯示出警覺程度下降，主觀和客觀測量的差異說明在單調駕駛任務中駕駛員缺乏對自己疲勞狀態的正確評估能力。此外，瞳孔直徑（Ma, Gu, Jia, Yao, &Chang, 2018）、心率變異性（Buendia et al.,2019）、腦電信號（劉天嬌, 馬錦飛, 2018）等生理指標也可以用于測量駕駛員的疲勞程度，其中腦電信號由于可以靈敏地反應個體的心理生理活動，被認為是最可靠的指標（Kar, Bhagat, &Routray, 2010）。腦電信號按照頻率可以劃分為δ波（0.5～4 Hz）、θ波（4～8 Hz）、α 波（8～13 Hz）、β波（13～30 Hz），其中θ波活動變化與多種疲勞的心理狀態有關，包括困倦時較低的警覺水平、瞌睡、信息處理水平下降（Lal & Craig, 2001），有研究發現在單調駕駛過程中θ波活動有所增加（Jagannath & Balasubramanian, 2014）。基于θ波活動變化代表的心理含義，本研究以其作為駕駛疲勞的生理指標。對心理疲勞生理指標的元分析研究發現，相比于δ、α、β波段，用θ波作為心理疲勞的神經生理指標最為可靠和有效（Tran, Craig,Craig, Chai, & Nguyen, 2020），且在額葉、中央、頂葉、顳葉區域θ波變化最為顯著（Jap, Lal, &Fischer, 2011; Tran et al, 2020）。

本研究基于Horrey等（2017）的研究結果和動態模型理論（Hancock & Warm, 2003; Oron-Gilad et al., 2008; Wiener et al., 1984）提出研究假設：在單調駕駛條件下，收聽趣味聽覺材料可以緩解駕駛疲勞，具體表現為收聽趣味材料的被試腦電θ波功率小于單任務駕駛的被試。通過1小時的駕駛模擬器單調場景任務誘發駕駛疲勞，同時記錄駕駛員主觀疲勞、駕駛績效和腦電數據，考察收聽趣味聽覺材料對駕駛疲勞的影響。

2 研究方法

2.1 被試

在大連招募有駕照的大學生新手駕駛員30名（均為男性），年齡范圍為20～30歲，將被試隨機分配到實驗組和控制組。4名被試的數據由于大幅度頭動造成較多偽跡、腦電數據飄移嚴重或沒有采集到完整的1小時數據被剔除。最終有效被試26名，實驗組14名（年齡22.64±2.93歲，駕齡1.93±1.07年，駕駛里程7371.43±9191.59公里，事故次數1.00±1.10次），控制組12名（年齡24.92±3.40歲，駕齡2.46±2.04年，駕駛里程12483.33±15784.74公里，事故次數0.92±1.08次），兩組被試的年齡、駕齡、駕駛里程、事故次數均無顯著差異，ps＞0.05。要求被試在實驗前24小時不喝含有酒精或咖啡因的飲料，實驗前一天保持充足的睡眠，實驗結束后給予一定報酬。

2.2 實驗設計

實驗設計為2（組別：實驗組、控制組）×3（駕駛階段：第一、二、三駕駛階段）×17（電極位置：中央區域、額葉、顳葉、頂葉、枕葉、前額葉區域的17個電極位置）三因素混合實驗設計。其中組別為被試間因素，駕駛階段、電極位置為被試內因素，因變量為腦電θ波功率。

2.3 實驗材料

2.3.1 趣味聽覺材料

從互聯網周刊2016年上半年評選的電臺APP排行榜第一名喜馬拉雅APP中，選取單小時收聽率最高的搞笑類脫口秀節目作為實驗材料，該材料的內容為電臺主播讀網友留言，并幽默地回復。為確定實驗材料的合理性，另招募32名男性被試對聽覺材料進行5點評分（1表示非常無聊，2表示比較無聊，3表示中立，4表示比較有趣，5表示非常有趣），評分結果為4.34±0.75分，與中立水平相比差異顯著，t(31)=10.20，p＜0.001，表明聽覺材料具有趣味性。

2.3.2 駕駛任務主觀評價表（SOFI）

采用瑞典職業疲勞問卷（Swedish Occupational Fatigue Inventory, SOFI）（?hsberg, Garnberale, &Kjellberg, 1997），對駕駛員駕駛過程中的主觀疲勞感進行測量。該問卷分為缺乏精力、體力消耗、身體不適、缺乏動力和瞌睡五個維度，每個維度包含5個描述疲勞狀態的詞。被試根據當前的感受對每種疲勞狀態從0（程度極小）到10（程度極大）進行評級。先前研究結果表明該量表信效度良好（孔研, 常若松, 劉天嬌, 王煥博, 馬錦飛,2018; ?hsberg et al., 1997），且具有跨文化有效性（鄒陽陽, 景國勛, 2015; Ahmed, Babski-Reeves,DuBien, Webb, & Strawderman, 2016）。本次實驗所使用量表的五個維度的內部一致性信度在0.84～0.89之間，整個量表的內部一致性信度為0.97。

2.4 駕駛任務

本實驗采用宣愛QJ-3A1（?。┬婉{駛模擬器，構成組件有安全帶、轉向盤、儀表盤、變速器操縱桿、駐車制動操作桿、制動踏板、加速踏板等，高度還原了小型機動車駕駛室的設施，見圖1。本研究以較少的環境刺激和較低的駕駛任務難度將駕駛過程中的認知負荷控制在較低水平。在本實驗中，選用白天、晴朗的高速公路路段這一模擬駕駛場景，要求被試跟隨前方車輛行駛，行車速度不超過120 km/h，并始終與前方車輛保持安全車距（不小于100 m），見圖2。參考前人研究，在單調的環境中駕駛20分鐘左右就會使駕駛員開始產生疲勞（房瑞雪, 趙曉華, 榮建, 毛科俊,2009; 王玉化, 朱守林, 戚春華, 高明星, 2014），為有效誘發疲勞，整個駕駛任務持續1小時。在駕駛過程中用駕駛模擬器對駕駛速度和車道位置變異性進行記錄。車道位置變異性是用來衡量車輛操控穩定性的常用駕駛績效指標，以車輛偏離道路中心線位置的橫向距離標準差進行計算。

圖1 模擬駕駛任務

圖2 模擬駕駛場景

2.5 實驗流程

被試首先填寫個人信息表，包括姓名、性別、年齡等人口學信息及駕齡、當日有/無駕駛行為等駕駛信息。隨后向被試介紹指導語，進行3～5分鐘的練習，以學會使用駕駛模擬器。正式實驗前，用SOFI量表測量被試的初始疲勞感。正式實驗期間實驗組一邊收聽有趣脫口秀材料一邊駕駛，目的是增加駕駛任務中的工作負荷；控制組只完成駕駛任務。在模擬駕駛期間采集兩組被試的腦電數據和駕駛績效數據（車道位置變異性和速度）。正式實驗結束后，被試再次填寫SOFI量表。

2.6 腦電數據采集

實驗采用63個按照國際10-20系統排布的Ag/AgCl電極采集得到被試模擬駕駛過程中的腦電數據。以CPz電極為在線參考電極，以AFz電極為接地電極。所有電極的電阻小于10 KΩ。使用1000 Hz的采樣率對信號進行放大和數字化處理。

2.7 腦電數據預處理

使用MATLAB軟件對采集的腦電數據進行預處理。首先，將時長為1小時的連續腦電數據以十分鐘為一段，將其在0.5～30 Hz之間進行濾波處理，采樣率為200 Hz。其次，截取每一段中第100～280 s（3 min）的數據進行電極定位，本實驗最終選擇了59個電極點（去掉4個不常用的電極：M1、M2、PO5、PO6），對3 min中的數據進行獨立成分分析（independent component analysis,ICA），去除眼電、肌電、外界噪音等偽跡，最后選定θ頻段（4～8 Hz）。剔除大幅度頭動造成較多偽跡、腦電數據飄移嚴重和數據記錄不完整的4名被試的數據。根據前人研究，20分鐘單調駕駛任務就會導致駕駛疲勞（房瑞雪等, 2009; 王玉化等, 2014），故選取20分鐘間隔對駕駛員腦電θ波進行分析，即駕駛任務的第0～10分鐘（第一駕駛階段）、第20～30分鐘（第二駕駛階段）、第40～50分鐘（第三駕駛階段）。

3 結果

3.1 主觀疲勞感分析結果

對兩組被試的SOFI前后測驗結果進行2（組別：實驗組、控制組）×2（時間：前測、后測）重復測量方差分析，描述性統計結果見表1。結果表明，時間主效應顯著，F(1, 24)=17.87，p＜0.001，=0.43，具體表現為：量表后測總分顯著大于前測。組別主效應不顯著，F(1, 24)=0.03，p=0.87。前后測與組別的交互作用不顯著，F(1, 24)=1.63，p=0.21。

表1 SOFI量表前后測結果（M±SD）

3.2 腦電θ波地形圖分布與功率分析結果

腦電θ頻帶地形圖分布情況如圖3所示。對駕駛員腦電θ波功率進行2（組別：實驗組、控制組）×3（第一、二、三駕駛階段）×17（電極位置：中央區域，C3、Cz、C4；額葉，F3、Fz、F4；顳葉，T7、T8；頂葉，P3、Pz、P4；枕葉，O1、Oz、O2；前額葉，Fp1、Fpz、Fp2）三因素方差分析，對于不滿足球形假設變量的p值進行Greenhouse-Geisser校正。結果表明，組別主效應顯著，F(1, 24)=4.90，p=0.04，=0.17，實驗組（0.014±0.039）腦電θ波功率顯著大于控制組（0.005±0.010）。電極位置主效應顯著，F(2, 54)=4.49，p=0.013，=0.16，中央區域、額葉區域和頂葉區域θ波功率顯著大于顳葉、枕葉、前額葉區域，ps＜0.05，見圖4。駕駛階段主效應不顯著，F(1, 32)=1.73，p=0.20，駕駛階段×組別[F(1,32)=0.76,p=0.43]、電極位置×組別[F(2, 54)=1.75,p=0.18]、電極位置×駕駛階段[F(2, 52)=1.05,p=0.36]、駕駛階段×組別×電極位置[F(2, 52)=0.77,p=0.48]交互作用不顯著。

3.3 駕駛績效分析結果

駕駛績效的描述統計如表2。對車道位置變異性進行2（組別：實驗組、控制組）×3（駕駛階段：第一、二、三階段）重復測量方差分析，由于不滿足球形假設，對p值進行Greenhouse-Geisser校正。組別[F(1, 24)=0.92,p=0.35]和駕駛階段[F(2, 30)=3.48,p=0.06]主效應不顯著，交互作用不顯著[F(2, 30)=0.03,p=0.92]。

圖3 實驗組與控制組腦電地形圖

圖4 各電極位置θ波功率

表2 兩組被試駕駛績效描述統計（M±SD）

對平均駕駛速度進行2（組別：實驗組、控制組）×3（駕駛階段：第一、二、三階段）重復測量方差分析，由于不滿足球形假設，對p值進行Greenhouse-Geisser校正。組別 [F(1, 24)＜0.001,p=0.99]和駕駛階段[F(1, 34)=0.57,p=0.52]的主效應不顯著，交互作用不顯著[F(1, 34)=0.40,p=0.60]。

4 討論

駕駛疲勞主觀問卷前后測分析表明，1小時駕駛任務之后實驗組與控制組被試主觀報告的疲勞感均有上升，這表明長時間的駕駛行為引發了駕駛疲勞。

腦電結果表明，從θ波功率的腦區差異來看，額葉、中央、頂葉區域θ波功率更大，與元分析的結果一致，即在產生心理疲勞時θ波在額葉、中央、頂葉區域活動增強（Tran et al., 2020）。從組別的主效應上看，實驗組θ波功率顯著高于控制組，根據以往研究結果，θ波功率隨著駕駛疲勞程度上升而增大（Belyavin & Wright, 1987; Eoh,Chung, & Kim, 2005），表明實驗組比控制組總體上產生了更大程度的疲勞，本研究提出的假設并沒有被驗證，駕駛時收聽趣味聽覺材料不能緩解駕駛疲勞。實驗組之所以產生更高程度的疲勞，可能是主動疲勞不斷積累的結果。實驗組從駕駛一開始就收聽趣味聽覺材料，由于一直在額外增加聽覺刺激、提高工作負荷的條件下駕駛，實驗組駕駛員可能并不會產生被動疲勞。由于疲勞程度隨駕駛時間增加的累積效應（Saxby et al., 2013），實驗組在駕駛過程中不斷消耗認知資源，主動疲勞程度逐漸增加，最終表現為主觀報告的疲勞感增加。而控制組一直在無聽覺刺激的條件下駕駛，在駕駛過程中因工作負荷過低產生被動疲勞，主觀報告顯示的疲勞程度在駕駛后增加，但從生理指標來看，控制組疲勞程度小于實驗組。

從聽覺材料的性質來看，趣味聽覺材料中大量的語義信息可能是駕駛疲勞加重的原因。根據動態理論模型，在工作負荷適中時駕駛員才會有最佳的駕駛表現（馬錦飛等, 2014），本研究中收聽脫口秀的駕駛員產生更大程度的疲勞，可能是由于駕駛員對聽覺材料的語義加工使其工作負荷超過了最佳駕駛表現的負荷范圍，產生了主動疲勞。Brodsky和Kizner（2012）認為適合駕駛時收聽的音樂沒有歌詞，不需要語義處理。背景音樂歌詞的性質也會影響駕駛績效（楊萌, 王劍橋, 夏裕祁, 楊帆, 張學民, 2011）。這些研究均表明帶有語義信息的聽覺材料會對駕駛造成干擾。本研究中，駕駛績效并沒有發現差異，這與Saxby等（2013）的研究結果一致，駕駛疲勞對駕駛員的橫向車輛控制績效損害較小。

本研究還采用主觀疲勞量表測量疲勞程度，駕駛任務結束后，兩組被試的主觀疲勞水平并沒有顯著差異，但從生理指標上看，收聽趣味聽覺材料的駕駛員θ波功率更大，意味著疲勞程度更大。本研究印證了Schmidt等（2009）的研究結論，駕駛員主觀報告的疲勞程度與生理測量結果有差異。

總之，本研究綜合被試主觀報告、駕駛績效指標與腦電信號測量結果，考察趣味性聽覺材料對駕駛疲勞的作用，并對不同駕駛疲勞的測量方式進行比較。結果發現，收聽趣味性聽覺材料會增加工作負荷，從而加劇駕駛疲勞，這為研發有效的駕駛疲勞干預措施提供了科學依據。本研究的不足之處為：只比較了聽與不聽趣味性聽覺材料兩種條件，沒有設置中性聽覺材料和枯燥聽覺材料進行對照，并且對趣味聽覺材料對工作負荷的增加程度沒有進行更細致的區分和探究。因此，未來的實驗可以嘗試增設收聽中性或枯燥聽覺材料的對照組，并更精準地控制聽覺材料對工作負荷的增加程度，進一步考察聽覺材料的性質對緩解駕駛疲勞的作用及差異。

5 結論

在單調駕駛過程中收聽趣味聽覺材料不利于緩解駕駛疲勞，具體表現為駕駛時收聽趣味聽覺材料的駕駛員腦電θ波功率高于控制組。