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道路车驾疲劳唤醒水平探究

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驾驶疲劳对交通安全的危害巨大。由驾驶疲劳引起的交通事故的后果往往比其他原因引起的后果更为严重[1]。然而,在分析事故原因时,由于驾驶员在事故后瞬间清醒或在事故中死亡,所以驾驶疲劳这一事故原因常常在统计时被其他原因所掩盖[2]。这一现状使得那些容易引起驾驶疲劳的潜在危险路段得不到及时合理的治理,而新建的道路也难以避免类似的设计失误。因此,有必要分析在道路、交通和环境的综合影响下驾驶疲劳的生成机理,建立起实用的模型,从而指导道路和景观设计,从工程角度消除或减缓驾驶疲劳的产生。

综观国内外学者的研究成果,尽管目前有关驾驶疲劳的研究有很多,但涉及驾驶疲劳生成机理和模型研究的却很少。国外一些研究者,如:DesmondPA[3]和TalOron-Gilad[4]等,曾利用心理学理论,探讨其在驾驶疲劳上的应用性和有效性。国内一些学者,如:张灵聪[5]、杨渝书[6]和焦昆[7]等,从人机工程学的角度出发,将驾驶作业划分为不同的阶段,认为相应阶段产生相应类型的疲劳。也有研究者,如:金键[8]等,在分析驾驶疲劳特征的基础上,试图用数学模型对其机理进行概括。这些研究对理解驾驶疲劳的生成机理具有一定的借鉴意义,然而其研究成果却比较抽象难以用于指导工程实际。笔者将依据生理、心理学的经典理论及国内外其他学者的研究成果[9-17],对驾驶疲劳生成过程中驾驶员的生理、心理变化过程及其影响因素进行理论分析,并在此基础上,建立便于工程应用的驾驶疲劳生成模型。

1理论分析有研究发现[18-19],驾驶疲劳与唤醒水平具有密切的关系,驾驶疲劳后唤醒水平降低。因此,笔者在建立驾驶疲劳的生成模型时,引入唤醒水平这一核心概念。在神经生理学上,唤醒(Arousal)指在刺激作用下通过脑干的网状结构提高大脑皮层的兴奋性,同时加强肌肉的紧张状态[20]。唤醒水平指有机体的这种兴奋水平。每个人的唤醒水平,总在从深睡到高度兴奋这条连续线上变化。

1.1经典理论

1973年卡恩曼[21](D.Kahneman)提出的注意的能量模型(图1),可以用于解释唤醒在注意方面及在操作方面的作用。根据该模型,认知系统的加工能力或资源是有限的,人可以利用的资源数量不是完全固定的,而是和唤醒相连的,即唤醒是有效注意能量唯一的决定因素,在一定时间内可利用的资源量随个体的唤醒水平而变化。一般说来,刺激越强烈,越具有不可预见性,则它需要的注意越多。

1908年,耶基斯(R.M.Yerkes)和多德森(J.D.Dodson)[22]提出的模型(图2),详细地解释了唤醒水平和任务操作之间的关系。该模型认为,过高或过低的唤醒水平与较差的任务操作有关;最好的任务操作与适度的唤醒水平有关。这个水平被称作“最优唤醒水平”。同时,简单的、易学会的任务需要较高的唤醒水平,而困难的、不熟悉的任务需要中等的唤醒水平。

环境心理学认为,周围环境刺激,无论视觉、听觉、嗅觉或触觉,都会引起神经系统一定水平的唤醒。唤醒水平变化与刺激强度有着密切关系[23]。另外,环境刺激的不定性与个体唤醒水平之间呈直线正相关关系[24],如图3所示。环境心理学还认为,感觉上的刺激不足和生理上的饥渴同样令人难以忍受。这种心理上的饥渴状态,会驱使个体饥不择食地到环境中去寻求刺激[24]

1.2理论应用和推理

将上述理论应用到驾驶工作领域,并对驾驶员在驾驶疲劳生成过程中的生理、心理变化进行推理。

1.2.1最优唤醒水平

根据耶基斯-多德森定律[22],驾驶员驾驶工作的难度决定其完成驾驶工作时应具备的最优唤醒水平。驾驶员在一定的道路交通环境中驾驶时,需要具备与道路交通环境相一致的唤醒水平。由于每个驾驶员所具有的个性特征、驾驶技能及对道路的熟悉程度不同,所以,对于不同的驾驶员来说,在同样的道路交通环境中驾驶,驾驶工作难度不一定相同。因此,每个驾驶员所应具备的最优唤醒水平不同。同样的道路交通环境,对经验丰富的驾驶员来说,驾驶工作相对简单,需要具备较高的最优唤醒水平;而对新手驾驶员来说,驾驶工作相对困难,则需具备较低的最优唤醒水平。

1.2.2当前唤醒水平

根据环境心理学中环境不定性与唤醒水平的关系[24],当驾驶员在道路交通环境中驾驶车辆时,道路条件、路侧景观、行驶速度等通过刺激使驾驶员处于一定的唤醒水平,笔者将其称之为当前唤醒水平。道路条件越差、路侧景观越危险、行驶速度越高、道路交通环境的不定性越大,驾驶员的当前唤醒水平越高;反之,驾驶员的当前唤醒水平越低。

1.2.3唤醒水平的变化

在驾驶过程中,驾驶员必须不断观察道路交通情况的变化,迅速进行判断并决定自己的操纵动作。当驾驶时间过长时,驾驶员会出现身体疲劳和精神疲劳,当前唤醒水平降低。然而,驾驶疲劳并不一定在长时间驾驶后才出现。研究表明[9-11],在单调环境中驾驶时,驾驶员的唤醒水平在比较短的时间内也会出现下降的现象。笔者认为,这种情况的产生原因是:随着驾驶时间增加,在单调情况下,道路交通环境的不定性会很快降低,根据环境不定性与唤醒水平的线性关系,驾驶员的当前唤醒水平随之下降。与此同时,道路交通环境不定性的降低会使得驾驶难度相对变小,进而引起完成驾驶任务所需的最优唤醒水平升高。

1.2.4异常驾驶状态

一般认为在驾驶初期,驾驶员的当前唤醒水平位于最优唤醒水平范围内。根据1.2.3节的分析,随着驾驶时间增加和道路交通环境变化,驾驶员的当前唤醒水平和最优唤醒水平都可能会发生变化。当驾驶员的当前唤醒水平降低时,根据卡恩曼的注意能量模型[21],驾驶员可利用的注意能量减小。在需要驾驶员注意的对象并未减小的情况下,可利用能量的减小会导致驾驶员注意对象个数的减少,同时可利用能量的减少也会导致驾驶员用于每个注意对象上的注意能量的减少,这样驾驶员就会表现出注意力不足的症状。当驾驶员的当前唤醒水平低于最优唤醒水平时,根据耶基斯-多德森定律[22],驾驶员的驾驶操作能力也会下降。当注意力不足和操作能力下降等症状出现的时候,驾驶员就不在正常驾驶状态了。因此,当驾驶员的当前唤醒水平低于最优唤醒水平时,驾驶员处于异常驾驶状态。

1.2.5抵抗阶段

当驾驶员感觉到自身注意力不足或操作能力下降时,为了行车安全,往往会主动采取一些措施进行抵抗。

由于道路交通环境中的道路条件、路侧景观是已经客观存在、不能改变的,所以,驾驶员往往通过改变行驶速度来避免异常驾驶状态[12-13]。许多驾驶员都意识到当速度增大或交通量增加时,需要付出更多的注意力[14],心理紧张程度也随之增加[15]。另外,当速度提高时,不可避免地增加与其他车辆的冲突次数,因此换车道次数也会随之增加;在与其他车辆发生冲突时,难免增减速度,因此行驶速度也会随之频繁变化[16-17]。除加速这一措施外,当驾驶员的当前唤醒水平低于最优唤醒水平时,驾驶员还会采取其他一些预防驾驶疲劳的行为措施,如:自我提醒、吸烟、喝咖啡、听音乐、聊天等。

所有这些措施,从本质上来说,都是以改变当前唤醒水平和最优唤醒水平之间的关系为目的的。根据卡恩曼模型[21],对能量要求的评价这一很重要的反馈因素使得驾驶员可以根据自己的注意力现状主动调整当前唤醒水平以提供更多的注意能量。自我提醒、吸烟和喝咖啡等措施可以起到直接提高当前唤醒水平的作用,缩小与最优唤醒水平之间的差距,恢复注意力和操作能力。加速、换车道等措施使道路交通环境的不定性增高,一方面,提高驾驶员的当前唤醒水平,使其恢复注意力和操作能力;另一方面,也会造成驾驶员的驾驶工作难度相对增加,使得驾驶员较好完成驾驶工作所需的最优唤醒水平相对降低。这样,也使得当前唤醒水平与最优唤醒水平之间的差距缩小。听音乐、聊天等措施相当于增加驾驶工作的难度,从而降低驾驶员完成驾驶工作所需的最优唤醒水平,缩小与当前唤醒水平之间的差距。然而,这种通过降低最优唤醒水平以使当前唤醒水平与最优唤醒水平持平的做法其实是不可取的,因为它不能起到提高当前唤醒水平以恢复注意力和操作能力的作用。

2模型建立

根据以上的理论应用和推理,建立驾驶疲劳的生成模型,如图4所示。

驾驶员的特征和道路交通环境共同决定该驾驶员完成驾驶工作的难度,从而决定驾驶员较好完成驾驶工作所应具备的最优唤醒水平。同时,道路交通环境通过刺激驾驶员使其处于一定的唤醒水平,即为驾驶员的当前唤醒水平。

一般在初始情况下,驾驶员的当前唤醒水平位于最优唤醒水平范围内,驾驶员处于正常驾驶状态。随着驾驶时间的增加,驾驶员的当前唤醒水平逐渐降低。一旦驾驶员的当前唤醒水平低于最佳唤醒水平,驾驶员就处于异常驾驶状态,开始出现注意力不足、操作能力下降等症状。

一般为行车安全,驾驶员并不会听任这种异常状态持续发展,而是会采取一些措施进行抵抗。通过调整当前唤醒水平或最优唤醒水平,使当前唤醒水平又回到最优唤醒水平范围内。然而,这些措施的效果并不持久。因为,道路交通环境的不定性会随着驾驶员逐渐熟悉情况而降低。当道路交通环境的不定性降低后,驾驶员的当前唤醒水平降低、最优唤醒水平升高。当前唤醒水平又重新低于最优唤醒水平了。这时,驾驶员又会继续采取措施来调整这两种唤醒水平之间的关系。随驾驶时间的延长,这一调整过程不断循环。

直到驾驶员大脑皮层兴奋状态因持续时间过长而采取抑制性保护的时候,这些措施都将不再起作用。之后,驾驶员的当前唤醒水平将一直低于最优唤醒水平,驾驶员处于疲劳驾驶状态。

3模型应用

3.1预测驾驶疲劳的生成时刻

根据以上分析,驾驶员的唤醒水平随驾驶时间可能会发生如图5所示的变化。图5中唤醒水平明显波动的阶段,就是驾驶员采取措施进行调整的阶段。驾驶员彻底疲劳,应该发生在该阶段之后。笔者认为唤醒水平刚开始发生明显波动的时刻即为驾驶疲劳刚开始产生之时。

需要指明的是,由于人体自身生理调节及道路交通环境中的意外刺激的影响,实际中驾驶员的当前唤醒水平和最优唤醒水平都一直存在微小波动。因此,由驾驶疲劳所引起的唤醒水平的波动阶段可能并没有那么明显。

3.2驾驶疲劳的预防措施

3.2.1驾驶时间

由图4的驾驶疲劳生成模型可知,对于同一驾驶员来说,道路交通环境决定驾驶难度,从而决定该驾驶员较好完成驾驶任务所需的最优唤醒水平。同时,道路交通环境也决定驾驶员的初始当前唤醒水平。随驾驶时间的延长,驾驶员的当前唤醒水平有逐渐降低的趋势。所以,对于简单的道路交通环境来说,驾驶员的当前唤醒水平降低到最优唤醒水平以下的速度快、空间小,到达驾驶疲劳的驾驶时间相对较短;对于复杂的道路交通环境来说,驾驶员的当前唤醒水平降低到最优唤醒水平以下的速度慢、空间大,到达驾驶疲劳的驾驶时间相对较长。

因此,道路交通环境对驾驶疲劳的形成时间有显著的影响。不管道路交通环境状况而采取统一的驾驶时间限制的做法是不恰当的。从驾驶时间的规定上来说,针对不同特点的道路,可以对驾驶员的唤醒水平进行研究,进而利用3.1的分析结果,对驾驶员进行适宜驾驶时间的提示。

3.2.2路线设计

除对驾驶时间进行合理规定外,设计适宜的道路交通环境也会延缓或减轻驾驶疲劳。例如:在道路交通环境的其他组成因素不变的情况下,过长的直线很容易引起驾驶员的疲劳。为保障道路交通安全,在路线设计时直线不宜过长。然而,适宜的最大直线长度与道路交通环境的其他组成因素是分不开的。道路上车辆的多少、路侧景观是否单调、路面条件的好坏、行驶速度的快慢等都会对驾驶员的唤醒水平产生影响,从而影响驾驶疲劳形成时间。因此,同驾驶时间的规定一样,对直线的最大长度也不宜规定统一的取值。同样可以利用3.1的分析结果来确定。

3.2.3景观设计

路侧景观是道路交通环境的重要组成部分。恰当设计路侧景观,也是有效预防驾驶疲劳的措施。一般做法是每隔一定的距离创造一些兴奋点,以唤起驾驶员的注意。关于兴奋点间距的取值,笔者认为应该利用3.1的分析结果,从驾驶员在该路段上驾驶疲劳的形成时间考虑,兴奋点间最大行程时间的取值就为驾驶疲劳的形成时间,而不宜采取统一的取值。

实际中,当受条件所限不得不采用较长的直线或超过一定行程长度的隧道时,就可以通过改变路侧景观等来影响驾驶员的唤醒水平,从而延缓驾驶疲劳的产生。

4结论

1)将心理、生理学中相关的经典理论应用到汽车驾驶工作领域,分析和解释了道路交通环境中驾驶员的生、心理反应和行为变化。

2)建立了以驾驶员唤醒水平为核心的驾驶疲劳生成模型,描述了驾驶疲劳生成过程中唤醒水平的动态变化规律,指出影响这一过程发展速度的关键因素,强调道路交通环境对驾驶员唤醒水平的积极影响。

3)将所建立的驾驶疲劳生成模型应用于实际,通过观察驾驶员唤醒水平的变化,可以确定驾驶疲劳的生成时刻,进而为驾驶疲劳预防措施的设计和实施提供依据。

4)模型建立的基础主要是理论推理,尚需继续进行实验验证。

道路车驾疲劳唤醒水平探究责任编辑:陈老师    阅读:人次