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不同驾驶任务产生的疲劳对驾驶性能的影响

加斯塔尔迪亚诺，里卡多罗西，格雷戈里奥

摘要： 在这项研究中，通过驾驶模拟器，分析了在公路上驾驶时，被动任务对疲劳的影响。十名司机被要求在上午（9:00-11:00）和下午（1:00-3:00点）两个时间段内，在各种环境下驾驶。平均的绝对转向误差和横向位置的标准偏差，每四分钟计算一次，作为响应变量进行分析。结果证实，驾驶任务的持续时间和昼夜驾驶时间的不同对驾驶性能有负面影响，增加了驾驶风险和发生事故的可能性。

关键词：驾驶模拟器；疲劳；单调

1.引言

道路安全统计数据表明，驾驶疲劳促发了交通事故，其中每年约有20%的事故都与嗜睡有关(麦克莱恩，戴维斯，蒂勒，2003)。根据梅和鲍德温在2009年对于疲劳概念的分类，本文探讨了被动任务对公路驾驶产生的负面影响。这项研究的主要目的是评估疲劳状态下，每个单独因素产生影响的相对大小。

该分析是基于驾驶模拟器的实验结果（实验在帕多瓦大学交通运输实验室进行），这类研究在近年来被广泛采用。该研究的目的是为了更好的理解驾驶疲劳现象，这样就可以通过改变方法和设备，以达到降低风险和提高驾驶安全性的目的。

本文结构如下：第2节对前人关于疲劳驾驶的研究进行了简要说明，第3节介绍了实验室对实验的设计方案，第4节涉及案例研究分析，第5节讲了结束语和未来发展方向。

2.理论背景

这里提出的分析是基于梅和鲍德温在2009年提出的一个研究，该研究提出根据产生疲劳的偶然因素将疲劳次范畴化，对与睡眠有关（SR）和任务相关（TR）的疲劳做了一个区分。

驾驶性能降低和失事风险率

会损坏

睡眠相关疲劳

主动任务疲劳

被动任务疲劳

会损坏

任务轻松

驾驶环境单调

长时间驾驶

自动驾驶系统

时间（昼夜影响）

睡眠剥夺

睡眠限制

睡眠障碍

增加任务强度

交通高度密集

能见度差

需要执行其他的辅助任务

图1.疲劳的模型 来源：(梅和鲍德温，2)

睡眠相关的因素对驾驶性能的影响降低，与昼夜节律（即一天中的时间），睡眠障碍和睡眠剥夺或限制有关。一天中，身体的自然昼夜节律控制睡眠或者觉醒，包括当人们困倦时，午后会注意力不集中。昼夜节律对驾驶性能的影响在先前对驾驶模拟器的研究中被检测出来(如，莱恩，瑞格，雷德曼，1997)。同时在凌晨（2–6点）和下午（2-4点）睡眠需求的高峰期（帕克，帕克，龙南，库基亚拉，丁格斯，施瓦布，1995），与睡眠相关的车祸数量增加，也与此有关。同样，睡眠剥夺或限制也会导致驾驶性能受损(奥斯特等，2010)。

相反，任务相关的驾驶疲劳取决于驾驶条件（图1）：根据驾驶任务和驾驶环境的结合情况，会出现主动的和被动的与任务相关的疲劳。主动任务有关的驾驶疲劳与高需求的驾驶条件有关[(希梅诺，委内瑞拉，蒙塔涅斯，2006)；(德斯蒙德和汉考克，2001)]，其中包括行驶在交通高度密集，能见度差，或者除了驾驶外，需要执行其他的辅助任务。例如，手机通话，汽车内乘客谈话，导航系统语音提示，或来自驾驶员警告系统的语音预警。被动任务相关的驾驶疲劳与轻松的驾驶条件有关，包括在在单调的环境中长时间驾驶，及部分或完全自动驾驶(希梅诺，委内瑞拉，蒙塔涅斯，2006)。

在关于疲劳驾驶的研究中，驾驶模拟器在最近几年被广泛采用。因为这样就可以有机会，在安全环境中，通过控制受试者的客观影响特性和准确测量驾驶性能的变化，分析危险驾驶的情况。然而，梅和鲍德温在2009年认为，实验混淆了不同的疲劳的原因，例如，评价公路驾驶性能（任务相关的疲劳）中强调昼夜节律的影响（睡眠相关的疲劳）。

鉴于这些言论，在本文中，我们专注于研究与被动任务相关的（TR）的影响因素。通过驾驶员在单调的公路环境中驾驶，研究随时间推移，性能指标的变化，并特别注意区分对疲劳效应的定义。本文第二部分对疲劳现象做了更全面的分析，关于疲劳现象分析的第一个结果反应在以前的论文中(罗西，加斯塔尔迪，杰凯莱，2011)。

3.方法-案例研究

• 驾驶模拟器用于对司机的行为进行可靠的观察[罗西，加斯塔尔迪，杰凯莱，梅内古泽尔，2012)；(罗西，加斯塔尔迪，梅内古泽尔，杰凯莱，2011)，(贝拉，2008a)，(贝拉，2008b)，(比特纳，希姆塞克，利维森，坎贝尔，2002)，(戈德利，特里格斯，菲尔德斯，2002)，(克莱，鲍尔，拉德温，艾德克，1999)，(卡普坦，斯塔夫，霍斯特，1996)，(布拉纳，1996)，(史达林，1995)]，以及对实验进行必要的控制，以收集关于疲劳驾驶的信息。

3.1 仪器

实验用帕多瓦大学的固定驾驶模拟器，其由ST Software公司生产。该系统包括一个逼真的驾驶舱系统，并配备了杜比声音环绕系统、三台联网的计算机和五个高清显示屏。该结构可以产生逼真的道路和周围环境的虚拟视图。

3.2 参与者

由十个大学生作为驾驶员，并具有以下特点：

bull;缺少的对驾驶模拟器操作的经验;

bull;至少3年以上的驾驶经验;

bull;年平均行驶距离至少3000公里。

表1列出了测试车手“的特点

表1.测试司机的特征：年龄和驾驶体验。

平均值 标准偏差 范围

年龄 25.3 0.9 24-27

驾龄 6.6 0.7 6-8

每年驾驶里程 6350 2539 3000-10000

3.3驾驶模拟器实验设计

在设计阶段，两条路的环境场景都建在虚拟现实中。他们有相同的线路与不同类型的环境：在单调的驾驶环境中（ME），将树木放置在道路两侧并一直延续下去；在变化的环境（VE）中，在道路两侧加入建筑物和垂直标志（图2）。

道路总共100公里长，由两条长为25公里和两条长为10公里的直线路段，以及三个圆形曲线（半径3.18公里）连接。该线路有两个行车道（宽3.6米）和硬路肩（宽3.6米），并设置有一个虚拟银行，创造了一个向右转向的倾向，要求司机作出代偿性转向更正。参与者被要求在右侧车道的中央开车，就像他们通常在自然环境下的做法，并保持安全的行驶速度（选择一个驾驶速度，与自己正常的行驶样式一致）。

（a）变化的环境 （b）单调的环境

图2.实验采用驾驶情形：（a）变化的环境 （b）单调的环境

在这两种情况下，能见度良好（白天，天气良好），无干扰因素（无风或流量）和温度适宜。每个实验分为四个阶段：

1.模拟驾驶在农村公路上，训练10分钟，以熟悉模拟器驾驶；

2.休息（5分钟）；

3.采访参与者，询问参与者的状态信息（疲劳和警觉性的程度）；

4.驾驶在规定的路线上（40分钟）；

5.采访参与者，询问参与者的状态信息（疲劳和警觉性的程度），以及驾驶任务和驾驶风格（驾驶习惯）。

实验设计是专门为了考虑单调性（单调的环境和变化的环境）和昼夜时间（上午9：00-11：00，午后1：00-3：00）两者相对的重要性。出于这个原因，每一个司机被要求在四种实验条件下驾驶：

1.环境多样，早上（VEM）；

2.环境多样，下午（VEA）；

3.环境单调，早上（MEM）；

4.环境单调，下午（MEA）。

因此，产生疲劳的各种原因是明确的区分，试验是在2009年梅和鲍德温发表评论后进行。同时参与者进行四个实验的顺序是随机的。

3.4响应变量

驾驶模拟器使我们能够用高频率（10赫兹）的记录参数描述记录司机的行为，如位置，速度，车辆的加速度，和许多客舱参数。基于这项研究的目的，绝对转向误差和横向位置被认为是驾驶性能的代表。绝对转向误差是实际操作和理想操作之间的绝对差异，实际操作是驾驶员实际驾驶动作，理想操作要求驾驶在右车道中心位置；横向位置[m]是驾驶车辆的右边到右侧车道的位置。

正如1993年布鲁克林和德沃德所报道，车辆参数和转向运动，特别是转向运动，可用于开发监测装置，以及可以与疲劳驾驶研究中常用的生理措施进行交叉验证(如，刘，霍斯金，龙南，2009)。在本文中，驾驶持续时间（每次40分钟）被细分为10个间隔，每次4分钟。每个间隔，该装置会计算输出变量的标准偏差。最后，将平均绝对转向误差（Mean Steer Error）和横向位置的标准偏差（SD Lat Pos）作为响应变量。

除了这些基于车辆的措施，斯坦福嗜睡量表（SSS）在司机开始任务前和之后完成。斯坦福嗜睡量表包含7点李克特式的规模，范围从1“非常警觉”，7为“昏昏欲睡”，并被用来在实验过程中测量司机的警觉性变化(霍兹，扎科恩，斯迈里，飞利浦，德门特，1973)。

3.5数据处理

这里使用的数据集包括响应变量（Mean Steer Error和SD Lat Pos）的值，是每次间隔4分钟测量得到的。数据分析是以5分钟为间隔（8，12，20，28，32）进行的，因为要对不准确的数据按照下列标准数据进行处理：

bull;利用在曲线段（16，24，36，40）中记录的数据消除子区间的误差。选择只考虑驾驶路线中直线段的数据，是为了在最危险情况下，更好地避免驾驶员疲劳，正如Nelson 1997提出的。

bull;消除第一个4分钟间隔。在任务开始时，司机需要1至2分钟到达所需的公路速度，故而消除了第一个子区间。因此，只有代表稳定的公路驾驶工况的数据才被采用。

3.6数据处理

根据以前关于疲劳的研究，重复测量各响应变量的方差（SD Lat Pos ，Mean Steer Error），以评估任务持续时间，昼夜节律，及环境的单调性对驾驶产生的影响。为了避免违背球形假设（Mauchly球形假设检验） ，通过校正Geisser，计算的F比率。由司机反应得到的嗜睡值，和非参数匹配配对测试得到的结果进行比较。

4.结果

4.1 主观嗜睡评估

图3列出了关于司机嗜睡值的变化。测试后嗜睡值与试验前的值相比显著提高了。[Wilcoxon检验：Z = 0，P lt;0.001对所有条件下测试]这意味着，由于实验，司机增加了他们的嗜睡意识。这个现象很明显，特别是下午，此时的评分无论是试验前和还是实验后都比早晨高。

平均值 中位数 范围

晨报-前 1.702 1-3

晨报-后 2.853 1-6

上午

下午

整体

下午-前 2.302 1-4

下午-后 3.703 2-6

总体-前 2.002 1-4

总体-后 3.2753 1-6

图3.司机的平均嗜睡总分，试验前和实验后

后

前

4.2 横向位置的标准偏差

在不同的任务时间（5级：8，12，20，28，32），驾驶环境（2级：多样，单调）和时段（2级：上午，下午），横向位置变量的标准偏差被重复测量。根据实验情况，表2列出了汇总后的数据（均值和标准差）。

表2. 横向位置的标准偏差 数据汇总

上午多样化（VEM） 上午单调（MEM） 下午多样化（VEA） 下午单调（MEA）

时间[分钟] 平均值[M] St.Dev[M] 平均值[M] St.Dev[M] 平均值[M] St.Dev[M] 平均[M]St.Dev[M]

8 0.177 0.069 0.164 0.058 0.177 0.071 0.164 0.052

12 0.180 0.073 0.160 0.056 0.173 0.076 0.175 0.041

20 0.188 0.055 0.188 0.056 0.227 0.111 0.224 0.087 28 0.188 0.062 0.167 0.043 0.230 0.103 0.238 0.105

32 0.180 0.045 0.182 0.062 0.197 0.071 0.221 0.080

分析显示任

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