音樂干預疲勞駕駛試驗平臺的搭建與試驗研究*

肖昊蘇,朱立源

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引言

近年來，疲勞狀態(tài)識別和干預已成為交通事故安全領(lǐng)域越來越重要的研究方向，對于提高車輛的安全性和降低交通事故具有重要的理論和實際意義[1，2]。音樂能夠調(diào)節(jié)情緒，因此，作為一種疲勞干預手段正被學者們普遍應用于體育領(lǐng)域的運動型疲勞的恢復中，對積極的心理和身體狀況的形成具有重要意義[3-5]。但是，不同的音樂風格在大腦的不同區(qū)域產(chǎn)生的刺激強度有所差異，從而在不同程度上影響駕駛員的情緒狀態(tài)[6-8]。

本文搭建了音樂干預疲勞駕駛試驗平臺，采用正交試驗分析方法，研究了不同類型音樂刺激下的駕駛員腦區(qū)的腦電信號(EEG)特征，分析駕駛員的疲勞狀態(tài)，以得到干預疲勞效果最好的音樂類型，提出最優(yōu)音樂干預方案，探索最佳干預音樂特征。

1 音樂干預疲勞駕駛試驗臺的搭建

1.1 總體設計

本文搭建的音樂干預疲勞駕駛試驗平臺由模擬駕駛系統(tǒng)、疲勞檢測識別系統(tǒng)和音樂干預系統(tǒng)組成。

1.1.1 模擬駕駛系統(tǒng)

以別克GL8商務車為載體搭建模擬駕駛系統(tǒng)，采用圖馬斯特T150模擬駕駛軟件模擬駕駛交通情況，在車輛前方布置投影屏幕，車頂支架上裝有投影儀和音響；利用4個藤原DSJ370電動千斤頂支撐汽車底盤，使汽車的前輪懸空，微機與驅(qū)動按照特定的方式根據(jù)路況自動調(diào)節(jié)千斤頂?shù)男谐?，模擬實際道路顛簸情況。模擬駕駛系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 模擬駕駛系統(tǒng)布置

以模擬方向盤(如圖2所示)代替別克商務車原有位置，利用固定運動傳感器模塊MPU6050在模擬方向盤上采集駕駛員的轉(zhuǎn)向操作信息。保留原有的油門和剎車踏板，將OH49E小型多功能線性霍爾傳感器放置在油門和剎車踏板下對應的車地板上，踏板下設有磁鐵，當踩下踏板后磁鐵與傳感器發(fā)生距離變化，通過模擬信號采集油門和剎車踏板操縱數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號指令發(fā)送給計算機，如圖3所示。

圖2 模擬方向盤

圖3 踏板與剎車控制板 圖4 運動傳感器 圖5 腦電儀

1.1.2 疲勞檢測識別系統(tǒng)

本文通過采集駕駛?cè)说纳硇畔?，并輔助以車輛行駛狀態(tài)來判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。車輛行駛狀態(tài)識別通過固定在方向盤上的運動傳感器(如圖4所示)模塊MPU6050采集駕駛員方向盤操作姿態(tài)，并通過動態(tài)解算和濾波后，將數(shù)字信號傳遞到設計的嵌入式系統(tǒng)中，通過積分可以獲得方向盤的變化；生理信息檢測主要通過EmotiveEpoc+14腦電儀(如圖5所示)內(nèi)置的16個傳感器采集腦電信號，利用EEG系統(tǒng)感測并學習駕駛員神經(jīng)元電信號，輸出14個頻道的腦電波。

1.1.3 音樂干預系統(tǒng)

選用TELESKY語音播報模塊，其具有16 GB內(nèi)存，并支持MP3和WAV格式，體積小，存儲容量大，固定在駕駛員前方儀表板右側(cè)；聲音播放裝置的最大播放響度為85 dB，布置于駕駛員兩側(cè)。干預試驗中，通過不同響度、音調(diào)、節(jié)奏確定相應歌曲后，由電腦通過USB接口將歌曲導入語音播報模塊，響度通過音量旋鈕調(diào)節(jié)，無源喇叭直接驅(qū)動音響進行歌曲播放。音樂干預與控制模塊如圖6所示。嵌入式系統(tǒng)中的控制CPU采用STM362F103R8T6芯片；腦電儀監(jiān)測腦電波信號，進行音樂干預效果檢測，各模塊的功能在嵌入式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下完成。

圖6 音樂干預與控制模塊

1.2 試驗平臺驗證

搭建好音樂干預疲勞駕駛試驗平臺后進行試驗平臺驗證，如圖7所示。驗證結(jié)果表明：利用模擬駕駛模塊通過選取不同路段來模擬不同駕駛情形，從而實現(xiàn)不同程度油門、剎車、轉(zhuǎn)向配合下的行車狀態(tài)；疲勞檢測識別系統(tǒng)能準確采集駕駛員腦電波數(shù)據(jù)；音樂干預模塊可播放選定的歌曲，腦電儀可實時檢測出干預后的腦電信號。

圖7 音樂干預疲勞駕駛試驗平臺驗證

2 試驗設計

2.1 試驗方法

試驗采用3因素3水平的正交試驗法，選擇音樂的3個主要特征參數(shù)：節(jié)奏、音調(diào)和響度。根據(jù)研究內(nèi)容的特點，排除試驗中其他影響因素，構(gòu)成的正交因素水平表如表1所示。

表1 正交因素水平表

按照3因素3水平設計正交試驗方案，選擇具體的音樂歌曲和樂曲，正交試驗方案如表2所示。

表2 正交試驗方案

2.2 試驗步驟

完整試驗時間約為1 h，試驗前對各試驗設備進行調(diào)試檢查，確保模擬駕駛試驗過程中各設備均能正常工作，具體步驟如下：

(1) 受試者熟悉駕駛模擬器，工作人員為受試者演示講解有關(guān)模擬駕駛平臺操作的問題，熟悉測試設備，進行測試，并進行5 min的駕駛調(diào)整。

(2) 工作人員為被試者佩戴無線腦電儀，對所有設備進行初始化，在屏幕上準備模擬駕駛試驗的路面場景，除被試者外，測試區(qū)域內(nèi)不得有其他人員。

(3) 被試者佩戴腦電設備，開始60 min模擬駕駛，駕駛前28 min音樂不介入干預，被試者駕駛28 min后填寫主觀疲勞度調(diào)查問卷，并記錄腦信號。

(4) 被試者開始剩余32 min模擬駕駛?cè)蝿?，音樂干預系統(tǒng)介入，并記錄腦電信號。

(5) 試驗結(jié)束，被試者再次填寫主觀疲勞度調(diào)查問卷。

(6) 完成試驗，存儲試驗數(shù)據(jù)，為被試者拆除試驗設備。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 音樂類型對駕駛疲勞的影響

由于腦電指標R(α/β)能夠顯著反映被試者的疲勞狀態(tài)，因此，本文主要基于R(α/β)來評價不同音樂類型對疲勞駕駛的影響。本試驗中，被試者在駕駛第28 min時音樂系統(tǒng)開始介入疲勞干預，分析音樂干預12 min后被試者腦電指標R(α/β)的變化，如表3所示。其中1組～9組為音樂干預后的腦電指標，第10組為無干預情況下的腦電指標數(shù)據(jù)。由表3可以發(fā)現(xiàn)，雖然不同的音樂類型干預后被試者的腦電指標R(α/β)均隨駕駛時間的增加呈現(xiàn)上升趨勢，但是相對于無音樂干預，不同音樂類型均對被試者的腦電指標的上升具有顯著的抑制效果。結(jié)果表明不同音樂類型均能夠有效抑制駕駛疲勞，但仍不能完全解決駕駛疲勞問題。

表3 音樂干預后被試者腦電指標R(α/β)的試驗結(jié)果

表4 音樂干預12 min后被試者腦電指標變化程度

3.2 音樂特征對疲勞干預效果的影響

為了分析音樂特征對疲勞的干預效果，對音樂干預后被試者腦電指標試驗數(shù)據(jù)進行極差分析。本文選擇駕駛40 min時各因素不同水平正交試驗結(jié)果進行分析，如表5所示。

表5 駕駛40 min時各因素不同水平的正交實驗結(jié)果

設定Ij為j因素水平“1”的數(shù)據(jù)之和，IIj為j因素水平“2”的數(shù)據(jù)之和；IIIj為j因素水平“3”的數(shù)據(jù)之和。通過分析獲得了駕駛40 min時各因素不同水平的正交試驗極差分析結(jié)果,如表6所示。其中，音樂響度、音調(diào)、節(jié)奏的極差分別為：0.112、0.164、0.085，且R音調(diào)>R響度>R節(jié)奏，表明音樂的音調(diào)(因素B)對駕駛疲勞干預效果最為明顯。

表6 駕駛40 min時各因素不同水平的正交試驗極差分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建音樂干預疲勞駕駛試驗平臺，采用正交試驗分析方法研究了不同音樂特征對疲勞駕駛腦電指標的影響。試驗結(jié)果表明：不同的音樂類型對被試者的疲勞程度均有明顯的抑制作用，且第6種音樂干預方案(即音樂響度為60 dB～70 dB，音調(diào)為1 000 Hz～7 000 Hz，節(jié)奏為40 b/min～70 b/min時)，對被試者疲勞干預的效果最好，表明響度適中、音調(diào)較高、節(jié)奏舒緩的音樂對疲勞抑制效果顯著；此外，發(fā)現(xiàn)音樂特征中的音調(diào)對駕駛疲勞干預的影響最明顯。