不同预警方式下驾驶人的应激反应研究

不同预警方式下驾驶人的应激反应研究

朱强 1 罗晨伟 2 黎景壮 3

（ 1. 广州市中心区交通项目管理中心 广东广州

2. 广州市交通规划研究院，广东广州 510030

3. 华南理工大学 土木与交通学院，广东广州 510641）

摘要：为了研究驾驶时不同的车辆预警方式对驾驶人应激反应的影响，为汽车厂商设计预警信号参数和设置预警方式提供参考依据，选取了20位驾驶人开展听觉、视觉、触觉的单一预警方式和复合预警方式实验，采集了驾驶人的生理变化指标（心率增长率和脑电β波功率谱值增长率）、主观评价指标（紧迫度和烦恼度）和行动反应指标（反应时间）数据。对各指标数据进行了方差分析和非参数检验，研究了各指标在不同预警方式下的差异性。结果表明：相比于单一预警方式，复合预警方式在生理变化和主观评价指标数据上均有上升，在行动反应指标数据上有所下降，说明复合预警方式虽然对驾驶人的生理唤醒有更积极作用，但同时伴随着烦恼等更消极的影响。综合考虑各预警方式，建议汽车厂商使用听-触觉和视-触觉的复合预警方式。

关键词：单一预警；复合预警；驾驶人生理特性；反应时间；主观评价

0引言

不同的预警方式对驾驶人的生理和心理造成不同的影响，也导致不同的应激反应。而且，车辆预警使得驾驶人所需获取的信息增多，增加驾驶人在驾驶时的精神负荷，从而影响驾驶行为。如果警示方式不能与驾驶人的感知判断一致，将大大减弱预警的效果，甚至造成适得其反的不良效果。

针对预警方式对驾驶人的影响，Emily E.等人使用模拟器研究了预警的声音参数对预警效果的影响，研究发现提高声音频率和密度的紧急参数可以使驾驶人加强车辆制动^[1]；苟锐^[2]，Ho^[3]等人对触觉预警进行了研究，发现触觉预警有效的引起驾驶人注意力，并能引导驾驶方向；文献指出视觉预警对驾驶行为有一定的帮助，且对驾驶人的干扰较小。J.J.Scott等综合听觉、视觉、触觉预警方式进行了研究，结果表明触觉预警提高了驾驶人的警惕性和专注力，驾驶人在触觉预警下的反应时间最短，其次是听觉，最后是视觉。

对于驾驶人应激反应的研究，陈雪梅将心率、血压、皮肤导电性作为驾驶人应激反应的生理指标，对驾驶人进行潜在危险场景操作实验，实验结果表明，驾驶人受到刺激后，生理指标有较为明显的变化。吴初娜指出，驾驶人的应激反应评估指标出了心率等生理指标外，还包括反应时间等行动指标；李家文则从理解性、觉察性和接受性三个心理指标方面，研究了驾驶人在不同疲劳状态下，听觉、视觉和触觉3种不同预警方式对其影响。

近年来道路危险状况的预警准确率大大提高，防碰撞预警系统可靠性增强。预警方式也多样化，从传统的声音预警向视觉和触觉预警发展、从单一式预警向组合式预警转变。然而现有文献主要研究单一预警方式对驾驶人的影响，对复合预警方式的研究相对较少，研究结果相对片面。为了弥补已有研究的不足，本文将综合单一预警方式和复合预警方式，对驾驶人的生理变化、心理变化和行动反应变化进行研究，多维度、全面地反映预警方式对驾驶人应激反应的影响。

1预警方式与应激反应指标选取

1.1预警方式选取

现在使用于车辆预警的主要有听觉、视觉以及触觉预警信号，因此，本文主要对听觉预警信号、视觉预警信号以及触觉预警信号进行实验分析。

前人对抽象音、听觉图标和语音等声音预警方式做过大量研究，普遍结果表明抽象音给人带来更高的紧张感，更短的反应时间和更小的偏离中心车道平均距离和车辆行驶轨迹标准差，在紧急情况下接受度最高。本文选用抽象音进行预警，响度设置为80dB。

目前常用的视觉预警方式主要包括LED（发光二极管）、屏幕动画、特定图标等方式。其中LED被证明对驾驶人注意力干扰最小，且能在很短时间内起到预警作用。本文选用LED灯作为预警信号发生器，LED灯亮度为49cd/m²

由于痛感易对驾驶人的正常驾驶造成影响，且驾驶人对温度变化不够敏感，因此不予以采用痛感及温感进行实验。压感实验中，主要包括振动等方式。对于振动施加位置而言，座椅振动效果相对最好。本文采用座椅振动进行预警，振动强度设置为1.45m/s²。

预警装置主要安装在模拟驾驶器仪表台附近及座椅处，其中蜂鸣器在仪表台左右两侧各安装一个，LED灯安装在仪表台右侧，振动电机在座椅下方左右两侧各安装一个，在座椅背部左右两侧各安装一个，制动感应开关安装在刹车踏板上，如图1所示。

（a）蜂鸣器（①）和LED灯（②）

（b）振动电机

图 1预警信号发生器安装示意图

1.2应激反应指标选取

应激反应评价是通过可量化的指标对驾驶人在应对刺激的应激反应能力的评价，本研究从生理、心理和行为层面进行分析，选取生理指标、主观评价指标和行动反应指标进行综合评价，其中生理变化指标主要是心率增长率率和脑电β波功率谱值增长率，主观评价指标主要是紧迫度与烦恼度，行动反应指标主要是反应时间。

（1）生理变化指标

心率是由交感神经系统和副交感神经系统组成的自主神经系统进行控制，当驾驶人精神紧张时，交感神经系统活跃，心率变高、血压升高和呼吸短促；当驾驶人存有放松状态时，副交感神经系统活跃，心率变慢、血压下降和呼吸平缓。

脑电（Electroencephalogram，EEG）是大脑活动时大脑皮质细胞产生的电流，它由大脑皮质的细胞群之间电位差产生，与皮层和丘脑非特异性投射系统的活动有关。β波频率为每秒14－30次，当情绪激动、精神紧张或认知亢奋时会出现β波，如驾驶人在警醒状态时，β波会大量增加。对脑电波进行特征提取时，其频域上的分布特性更能体现其特征变化规律，即离散时间过程的功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）。

（2）主观评价指标

在预警信号的提醒下，驾驶人将会情绪将会被唤醒，更加注意道路情况，但同时会伴随消极情绪。驾驶人的紧张感有利于驾驶人生理唤醒，迅速反应；消极情绪以烦恼为主，预警信号以突然刺激产生，驾驶人在听到预警信号后被迫改变原来状态，驾驶人产生厌烦感，消极情绪对驾驶人的身心健康造成影响，并可能引起不良驾驶操作。采用数字等级量表方式采集驾驶人紧迫度和烦恼度，用“0-10”评分，分数越高，感受越强烈。

（3）行动反应指标

反应时间（Reaction Time，RT）是衡量驾驶人应激反应能力的主要行动反应指标，驾驶人认知、判断和执行的能力越强，驾驶人的反应时间越短，越有利于把握时机避免交通事故发生，而过长反应时间则可能错过制动有效时间，导致交通事故。

1.3实验数据差异性分析方法

实验数据得到驾驶人的在不同预警方式下的相关指标数据后，要对各指标内的预警方式进行差异性分析，需要遵循数量统计的科学证明过程。首先对同一指标内各组数据（听觉、视觉、触觉预警）分别进行统计描述分析，如均值、标准误差，接着对各组数据进行正态检验和方差齐性检验，当都满足这两种条件时，进行单因素方差分析，否者进行非参数检验，分析各预警方式的差异性，数据分析步骤流程如图2所示。

图 2 数据分析步骤流程

2实验方案设计

2.1实验思路

国内外较多实验研究已经证实模拟驾驶获取数据的可靠性，而且室内模拟驾驶环境相比外界环境而言，其他因素的干扰相对较小，驾驶人在不同预警方式下的心理生理反应更加明显，更有利研究。因此，本文通过模拟驾驶实验对驾驶人在不同预警方式下的应激反应进行数据采集。

实验主要是对驾驶人在单一预警方式下以及复合预警方式下生理变化、主观评价和行动反应数据的采集。驾驶人在模拟高速路况上行驶，速度保持在60-70km/h，与前车保持距离，当驾驶人驾驶平稳时，随机给以预警信号，驾驶人采取踩刹车制动，车辆停止后再启动行驶。

实验操作步骤如表1所示，为研究不同预警方式对驾驶人应激反应的变化，采集驾驶人静坐时的相关生理数据。通过适应性实验使驾驶人熟悉驾驶模拟器的操作、适应仪器穿戴所带来的不适感，然后对驾驶人分别进行单一预警以及复合预警实验，通过测试设备和主观调查问卷采集驾驶人生理、心理及行动反应数据。

表 1 实验操作步骤

2.2实验样本与设备

驾驶人的应激反应受预警方式、驾驶人个性特征、驾驶人生理心理状态以及驾驶环境等影响，由于本研究的重点是预警方式对驾驶人的影响，因此对其他无关变量进行控制，减少干扰，另一方面为了体现实验结果的可代表性，驾驶人的年龄并没有严格控制，选取中青年有丰富驾驶经验的驾驶人。

实验样本为20-35岁驾驶人20人，平均驾龄4年，平均驾驶时长510小时。实验人员没有听力、视力等方面的疾病，也无心脏病或者神经系统疾病，在实验前保证睡眠充足，无饮酒及服药情况，实验过程中皆处于健康状态。由于实验条件限制，被测试人需要在胸前贴片收集心电数据，给女性带来不便，因此参与本实验驾驶人皆为男性，也控制了驾驶人性别因素对实验结果的影响。

实验设备为①生理特征测试仪：美国BIOPAC公司MP36R 4-Channel Systems，1台，用于监测实验人员的心电、脑电生理指标；②模拟驾驶器：采用我国交通运输部公路科学研究院合作生产的模拟驾驶器1台；③预警装置：预警设备为自制设备，由蜂鸣器、LED灯、振动电机、调节电阻、周期开关和中央处理器组成，调节电阻可以控制预警信号发生器，周期开关控制各预警信号传感器工作频率，制动感应器感应驾驶人踩刹车动作，中央处理器控制各预警传感器的工作时间和记录制动时间；④预警信号强度测量仪：包括深圳标智公司生产的GM1356型号噪声计、日本KONICA MINOLTA公司生产的CL-500A型号分光辐射照度计、深圳标智公司生产的GM63A型号测振仪，分别测量声音强度、光强、振动幅度。

2.3实验内容设计

在实验的过程中，被测试驾驶人需要在设定的高速路况上，以60-70km/h速度正常行驶。驾驶人在进行实验前，静坐5min，采集基准的生理数据。在驾驶人熟悉驾驶模拟器的操作之后，分别进行单一预警实验和复合预警实验，随机给予驾驶人听觉、视觉、触觉的单一预警信号，以及听-视觉、听-触觉、视-触觉和听-视-触觉的复合预警信号，实验记录驾驶人生理数据、信号产生时间和驾驶人制动产生时间，每次预警后询问驾驶人的紧迫度和烦恼度，填写量表。

3实验结果

3.1单一预警方式下驾驶人的应激反应

3.1.1统计描述分析

听觉（Auditory，A）、视觉（Visual,V）、触觉（Tactile,T）预警方式刺激着驾驶人不同感官，各种感官神经对信息的敏感度和传递速度不一致，导致驾驶人不同的生理唤醒水平，最后表现在反应时间的差异上，也造成心理感受的差异性，结果如表2所示。

驾驶人的生理反应数据显示，驾驶人在听觉预警方式下的心率增长率最大；驾驶人在触觉预警方式下的脑电β波功率谱值增长率最大，说明驾驶人心率变化对听觉预警信号敏感，而脑电变化对触觉预警信号敏感。

驾驶人的主观评价数据显示，听觉、视觉和触觉预警方式下，驾驶人的平均烦恼度依次降低；驾驶人平均紧迫度数据显示，听觉预警影响最大，视觉预警最小。驾驶人对各种预警方式的紧迫度和烦恼度并不具有一致性。

驾驶人的反应时间数据显示，驾驶人在触觉预警方式下的反应时间最短，且触觉与听觉反应时间相近，而视觉与它们相差较大。

表 2 单一预警方式下的驾驶人应激反应

3.1.2差异性分析

对不同预警方式下的驾驶人应激反应进行差异性分析，各预警方式间的差异性分析结果如表3所示。根据结果可知，各单一预警方式下驾驶人的心率变化不具有差异性，说明不同预警方式对驾驶人心率变化影响较小。各单一预警方式下驾驶人的脑电β波功率谱值增长率、紧迫度、烦恼度、反应时间均具有显著性差异，说明不同预警方式对该指标的影响具有较大差别。

表 3 单一预警方式下驾驶人应激反应差异性分析

3.2复合预警方式下驾驶人的应激反应

3.2.1统计描述分析

听觉、视觉、触觉预警方式可以两两组合也可以三种方式一起组合，组合后的复合预警方式有：听-视觉（A-V）预警、听-触觉（A-T）预警、视-触觉（V-T）预警和听-视-触觉（A-V-T）预警。对复合预警方式下驾驶人的应激反应各项指标数据进行统计和处理，结果如表4所示。

驾驶人的生理反应数据显示，各复合预警方式下的驾驶人平均心率增长率和脑电β波功率谱值增长率变化趋势具有一致性，从大到小分别为：听-视-触觉、听-触觉、视-触觉、听-视觉，但脑电β波功率谱值增长率变化幅度明显大于心率增长率变化幅度，且三种方式组合预警时的驾驶人心率增长率和脑电β波功率谱值增长率变化比两种方式组合预警更明显。

表 4 复合预警方式下的驾驶人应激反应

驾驶人的主观评价数据显示，紧迫度从高到低依次为听-视-触觉、听-触觉、听-视觉、视-触觉，烦恼度从高到低依次为听-视-触觉、听-触觉、视-触觉、听-视觉。三种预警方式组合式的驾驶人烦恼度大于紧迫度，实验后驾驶人也反应过多的警示方式组合在一起时会让他们感到“头晕脑胀”与“心烦意乱”，驾驶人的消极心理变化明显。

驾驶人的反应时间数据显示，各复合预警方式的平均反应时间相差较小，从小到大依次为：听-视-触觉预警、听-触觉预警、视-触觉预警、听-视觉预警。可知三种组合预警方式的反应时间比两种组合预警方式小，但反应时间变化较小，如听-视-触觉预警仅比听-触觉少0.012s，说明驾驶人的反应时间具有一定的瓶颈效应，并不会随着预警方式的多样组合，而无边界的加快反应时间。

3.2.2差异性分析

对不同预警方式下的驾驶人应激反应进行差异性分析，各预警方式间的差异性分析结果如表5所示。根据结果可知，各复合预警方式下驾驶人的心率变化不具有差异性，说明不同预警方式对驾驶人心率变化影响较小。各复合预警方式下驾驶人的脑电β波功率谱值增长率、紧迫度、烦恼度、反应时间部分预警方式不存在显著性差异，但整体具有显著性差异，说明不同预警方式对该指标的影响具有较大差别。

表 5 复合预警方式下驾驶人应激反应差异性分析

4结论

本文根据听觉、视觉、触觉的单一预警方式和复合预警方式对驾驶人应激反应的影响进行了研究，结合单一预警方式和复合预警方式结果，主要得出以下结论：

（1）单一预警方式下的生理指标（心率增长率、脑电β波功率谱值增长率）、主观评价指标（紧迫度、烦恼度）均整体小于复合预警方式，行动反应指标整体大于复合预警方式。说明复合预警方式虽然能够对驾驶人产生注意力集中等积极影响，但也同时伴随着烦恼度增加等消极影响。

（2）不同单一预警方式和复合预警方式间，驾驶人的心率增长率均不具有显著性差异，驾驶人的脑电β波功率谱值增长率、紧迫度、烦恼度、反应时间整体上具有显著性差异，能够作为驾驶人应激反应的评价指标。

（3）本研究建议汽车厂商使用复合预警方式，以听-触觉预警和视-触预警方式为主，因为这两种预警方式下驾驶人有较小反应时间和较低烦恼度，如果使用听-视-触觉三种复合预警方式，需要注意驾驶人脑电β波功率谱值增长率过大和烦恼度过高。

参考文献

1. Wiese E.E., Lee J.D.. Auditory alerts for in-vehicle information systems: the effects of temporal conflict and sound parameters on driver attitudes and performance[J]. Ergonomics, 2004, 47(9):965-986.

2. 苟锐. 公交车驾驶人座椅隔振设计与人机安全关系研究[J]. 人类工效学, 2015, 21(2):56-58.

3. Ho C., Reed N., Spence C.. Assessing the effectiveness of “intuitive” vibrotactile warning signals in preventing front-to-end collisions in a driving simulator[J]. Accident Analysis and Prevention, 2006, 38: 988-996.