道路車駕疲勞喚醒水平探究范文

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駕駛疲勞對交通安全的危害巨大。由駕駛疲勞引起的交通事故的后果往往比其他原因引起的后果更為嚴重［1］。然而，在分析事故原因時，由于駕駛員在事故后瞬間清醒或在事故中死亡，所以駕駛疲勞這一事故原因常常在統計時被其他原因所掩蓋［2］。這一現狀使得那些容易引起駕駛疲勞的潛在危險路段得不到及時合理的治理，而新建的道路也難以避免類似的設計失誤。因此，有必要分析在道路、交通和環境的綜合影響下駕駛疲勞的生成機理，建立起實用的模型，從而指導道路和景觀設計，從工程角度消除或減緩駕駛疲勞的產生。

綜觀國內外學者的研究成果，盡管目前有關駕駛疲勞的研究有很多，但涉及駕駛疲勞生成機理和模型研究的卻很少。國外一些研究者，如:DesmondPA［3］和TalOron-Gilad［4］等，曾利用心理學理論，探討其在駕駛疲勞上的應用性和有效性。國內一些學者，如:張靈聰［5］、楊渝書［6］和焦昆［7］等，從人機工程學的角度出發，將駕駛作業劃分為不同的階段，認為相應階段產生相應類型的疲勞。也有研究者，如:金鍵［8］等，在分析駕駛疲勞特征的基礎上，試圖用數學模型對其機理進行概括。這些研究對理解駕駛疲勞的生成機理具有一定的借鑒意義，然而其研究成果卻比較抽象難以用于指導工程實際。筆者將依據生理、心理學的經典理論及國內外其他學者的研究成果［9－17］，對駕駛疲勞生成過程中駕駛員的生理、心理變化過程及其影響因素進行理論分析，并在此基礎上，建立便于工程應用的駕駛疲勞生成模型。

1理論分析有研究發現［18－19］，駕駛疲勞與喚醒水平具有密切的關系，駕駛疲勞后喚醒水平降低。因此，筆者在建立駕駛疲勞的生成模型時，引入喚醒水平這一核心概念。在神經生理學上，喚醒(Arousal)指在刺激作用下通過腦干的網狀結構提高大腦皮層的興奮性，同時加強肌肉的緊張狀態［20］。喚醒水平指有機體的這種興奮水平。每個人的喚醒水平，總在從深睡到高度興奮這條連續線上變化。

1．1經典理論

1973年卡恩曼［21］(D．Kahneman)提出的注意的能量模型(圖1)，可以用于解釋喚醒在注意方面及在操作方面的作用。根據該模型，認知系統的加工能力或資源是有限的，人可以利用的資源數量不是完全固定的，而是和喚醒相連的，即喚醒是有效注意能量唯一的決定因素，在一定時間內可利用的資源量隨個體的喚醒水平而變化。一般說來，刺激越強烈，越具有不可預見性，則它需要的注意越多。

1908年，耶基斯(R．M．Yerkes)和多德森(J．D．Dodson)［22］提出的模型(圖2)，詳細地解釋了喚醒水平和任務操作之間的關系。該模型認為，過高或過低的喚醒水平與較差的任務操作有關;最好的任務操作與適度的喚醒水平有關。這個水平被稱作“最優喚醒水平”。同時，簡單的、易學會的任務需要較高的喚醒水平，而困難的、不熟悉的任務需要中等的喚醒水平。

環境心理學認為，周圍環境刺激，無論視覺、聽覺、嗅覺或觸覺，都會引起神經系統一定水平的喚醒。喚醒水平變化與刺激強度有著密切關系［23］。另外，環境刺激的不定性與個體喚醒水平之間呈直線正相關關系［24］，如圖3所示。環境心理學還認為，感覺上的刺激不足和生理上的饑渴同樣令人難以忍受。這種心理上的饑渴狀態，會驅使個體饑不擇食地到環境中去尋求刺激［24］

1．2理論應用和推理

將上述理論應用到駕駛工作領域，并對駕駛員在駕駛疲勞生成過程中的生理、心理變化進行推理。

1．2．1最優喚醒水平

根據耶基斯－多德森定律［22］，駕駛員駕駛工作的難度決定其完成駕駛工作時應具備的最優喚醒水平。駕駛員在一定的道路交通環境中駕駛時，需要具備與道路交通環境相一致的喚醒水平。由于每個駕駛員所具有的個性特征、駕駛技能及對道路的熟悉程度不同，所以，對于不同的駕駛員來說，在同樣的道路交通環境中駕駛，駕駛工作難度不一定相同。因此，每個駕駛員所應具備的最優喚醒水平不同。同樣的道路交通環境，對經驗豐富的駕駛員來說，駕駛工作相對簡單，需要具備較高的最優喚醒水平;而對新手駕駛員來說，駕駛工作相對困難，則需具備較低的最優喚醒水平。

1．2．2當前喚醒水平

根據環境心理學中環境不定性與喚醒水平的關系［24］，當駕駛員在道路交通環境中駕駛車輛時，道路條件、路側景觀、行駛速度等通過刺激使駕駛員處于一定的喚醒水平，筆者將其稱之為當前喚醒水平。道路條件越差、路側景觀越危險、行駛速度越高、道路交通環境的不定性越大，駕駛員的當前喚醒水平越高;反之，駕駛員的當前喚醒水平越低。

1．2．3喚醒水平的變化

在駕駛過程中，駕駛員必須不斷觀察道路交通情況的變化，迅速進行判斷并決定自己的操縱動作。當駕駛時間過長時，駕駛員會出現身體疲勞和精神疲勞，當前喚醒水平降低。然而，駕駛疲勞并不一定在長時間駕駛后才出現。研究表明［9－11］，在單調環境中駕駛時，駕駛員的喚醒水平在比較短的時間內也會出現下降的現象。筆者認為，這種情況的產生原因是:隨著駕駛時間增加，在單調情況下，道路交通環境的不定性會很快降低，根據環境不定性與喚醒水平的線性關系，駕駛員的當前喚醒水平隨之下降。與此同時，道路交通環境不定性的降低會使得駕駛難度相對變小，進而引起完成駕駛任務所需的最優喚醒水平升高。

1．2．4異常駕駛狀態

一般認為在駕駛初期，駕駛員的當前喚醒水平位于最優喚醒水平范圍內。根據1.2.3節的分析，隨著駕駛時間增加和道路交通環境變化，駕駛員的當前喚醒水平和最優喚醒水平都可能會發生變化。當駕駛員的當前喚醒水平降低時，根據卡恩曼的注意能量模型［21］，駕駛員可利用的注意能量減小。在需要駕駛員注意的對象并未減小的情況下，可利用能量的減小會導致駕駛員注意對象個數的減少，同時可利用能量的減少也會導致駕駛員用于每個注意對象上的注意能量的減少，這樣駕駛員就會表現出注意力不足的癥狀。當駕駛員的當前喚醒水平低于最優喚醒水平時，根據耶基斯－多德森定律［22］，駕駛員的駕駛操作能力也會下降。當注意力不足和操作能力下降等癥狀出現的時候，駕駛員就不在正常駕駛狀態了。因此，當駕駛員的當前喚醒水平低于最優喚醒水平時，駕駛員處于異常駕駛狀態。

1．2．5抵抗階段

當駕駛員感覺到自身注意力不足或操作能力下降時，為了行車安全，往往會主動采取一些措施進行抵抗。

由于道路交通環境中的道路條件、路側景觀是已經客觀存在、不能改變的，所以，駕駛員往往通過改變行駛速度來避免異常駕駛狀態［12－13］。許多駕駛員都意識到當速度增大或交通量增加時，需要付出更多的注意力［14］，心理緊張程度也隨之增加［15］。另外，當速度提高時，不可避免地增加與其他車輛的沖突次數，因此換車道次數也會隨之增加;在與其他車輛發生沖突時，難免增減速度，因此行駛速度也會隨之頻繁變化［16－17］。除加速這一措施外，當駕駛員的當前喚醒水平低于最優喚醒水平時，駕駛員還會采取其他一些預防駕駛疲勞的行為措施，如:自我提醒、吸煙、喝咖啡、聽音樂、聊天等。

所有這些措施，從本質上來說，都是以改變當前喚醒水平和最優喚醒水平之間的關系為目的的。根據卡恩曼模型［21］，對能量要求的評價這一很重要的反饋因素使得駕駛員可以根據自己的注意力現狀主動調整當前喚醒水平以提供更多的注意能量。自我提醒、吸煙和喝咖啡等措施可以起到直接提高當前喚醒水平的作用，縮小與最優喚醒水平之間的差距，恢復注意力和操作能力。加速、換車道等措施使道路交通環境的不定性增高，一方面，提高駕駛員的當前喚醒水平，使其恢復注意力和操作能力;另一方面，也會造成駕駛員的駕駛工作難度相對增加，使得駕駛員較好完成駕駛工作所需的最優喚醒水平相對降低。這樣，也使得當前喚醒水平與最優喚醒水平之間的差距縮小。聽音樂、聊天等措施相當于增加駕駛工作的難度，從而降低駕駛員完成駕駛工作所需的最優喚醒水平，縮小與當前喚醒水平之間的差距。然而，這種通過降低最優喚醒水平以使當前喚醒水平與最優喚醒水平持平的做法其實是不可取的，因為它不能起到提高當前喚醒水平以恢復注意力和操作能力的作用。

2模型建立

根據以上的理論應用和推理，建立駕駛疲勞的生成模型，如圖4所示。

駕駛員的特征和道路交通環境共同決定該駕駛員完成駕駛工作的難度，從而決定駕駛員較好完成駕駛工作所應具備的最優喚醒水平。同時，道路交通環境通過刺激駕駛員使其處于一定的喚醒水平，即為駕駛員的當前喚醒水平。

一般在初始情況下，駕駛員的當前喚醒水平位于最優喚醒水平范圍內，駕駛員處于正常駕駛狀態。隨著駕駛時間的增加，駕駛員的當前喚醒水平逐漸降低。一旦駕駛員的當前喚醒水平低于最佳喚醒水平，駕駛員就處于異常駕駛狀態，開始出現注意力不足、操作能力下降等癥狀。

一般為行車安全，駕駛員并不會聽任這種異常狀態持續發展，而是會采取一些措施進行抵抗。通過調整當前喚醒水平或最優喚醒水平，使當前喚醒水平又回到最優喚醒水平范圍內。然而，這些措施的效果并不持久。因為，道路交通環境的不定性會隨著駕駛員逐漸熟悉情況而降低。當道路交通環境的不定性降低后，駕駛員的當前喚醒水平降低、最優喚醒水平升高。當前喚醒水平又重新低于最優喚醒水平了。這時，駕駛員又會繼續采取措施來調整這兩種喚醒水平之間的關系。隨駕駛時間的延長，這一調整過程不斷循環。

直到駕駛員大腦皮層興奮狀態因持續時間過長而采取抑制性保護的時候，這些措施都將不再起作用。之后，駕駛員的當前喚醒水平將一直低于最優喚醒水平，駕駛員處于疲勞駕駛狀態。

3模型應用

3．1預測駕駛疲勞的生成時刻

根據以上分析，駕駛員的喚醒水平隨駕駛時間可能會發生如圖5所示的變化。圖5中喚醒水平明顯波動的階段，就是駕駛員采取措施進行調整的階段。駕駛員徹底疲勞，應該發生在該階段之后。筆者認為喚醒水平剛開始發生明顯波動的時刻即為駕駛疲勞剛開始產生之時。

需要指明的是，由于人體自身生理調節及道路交通環境中的意外刺激的影響，實際中駕駛員的當前喚醒水平和最優喚醒水平都一直存在微小波動。因此，由駕駛疲勞所引起的喚醒水平的波動階段可能并沒有那么明顯。

3．2駕駛疲勞的預防措施

3．2．1駕駛時間

由圖4的駕駛疲勞生成模型可知，對于同一駕駛員來說，道路交通環境決定駕駛難度，從而決定該駕駛員較好完成駕駛任務所需的最優喚醒水平。同時，道路交通環境也決定駕駛員的初始當前喚醒水平。隨駕駛時間的延長，駕駛員的當前喚醒水平有逐漸降低的趨勢。所以，對于簡單的道路交通環境來說，駕駛員的當前喚醒水平降低到最優喚醒水平以下的速度快、空間小，到達駕駛疲勞的駕駛時間相對較短;對于復雜的道路交通環境來說，駕駛員的當前喚醒水平降低到最優喚醒水平以下的速度慢、空間大，到達駕駛疲勞的駕駛時間相對較長。

因此，道路交通環境對駕駛疲勞的形成時間有顯著的影響。不管道路交通環境狀況而采取統一的駕駛時間限制的做法是不恰當的。從駕駛時間的規定上來說，針對不同特點的道路，可以對駕駛員的喚醒水平進行研究，進而利用3.1的分析結果，對駕駛員進行適宜駕駛時間的提示。

3．2．2路線設計

除對駕駛時間進行合理規定外，設計適宜的道路交通環境也會延緩或減輕駕駛疲勞。例如:在道路交通環境的其他組成因素不變的情況下，過長的直線很容易引起駕駛員的疲勞。為保障道路交通安全，在路線設計時直線不宜過長。然而，適宜的最大直線長度與道路交通環境的其他組成因素是分不開的。道路上車輛的多少、路側景觀是否單調、路面條件的好壞、行駛速度的快慢等都會對駕駛員的喚醒水平產生影響，從而影響駕駛疲勞形成時間。因此，同駕駛時間的規定一樣，對直線的最大長度也不宜規定統一的取值。同樣可以利用3.1的分析結果來確定。

3．2．3景觀設計

路側景觀是道路交通環境的重要組成部分。恰當設計路側景觀，也是有效預防駕駛疲勞的措施。一般做法是每隔一定的距離創造一些興奮點，以喚起駕駛員的注意。關于興奮點間距的取值，筆者認為應該利用3.1的分析結果，從駕駛員在該路段上駕駛疲勞的形成時間考慮，興奮點間最大行程時間的取值就為駕駛疲勞的形成時間，而不宜采取統一的取值。

實際中，當受條件所限不得不采用較長的直線或超過一定行程長度的隧道時，就可以通過改變路側景觀等來影響駕駛員的喚醒水平，從而延緩駕駛疲勞的產生。

4結論

1)將心理、生理學中相關的經典理論應用到汽車駕駛工作領域，分析和解釋了道路交通環境中駕駛員的生、心理反應和行為變化。

2)建立了以駕駛員喚醒水平為核心的駕駛疲勞生成模型，描述了駕駛疲勞生成過程中喚醒水平的動態變化規律，指出影響這一過程發展速度的關鍵因素，強調道路交通環境對駕駛員喚醒水平的積極影響。

3)將所建立的駕駛疲勞生成模型應用于實際，通過觀察駕駛員喚醒水平的變化，可以確定駕駛疲勞的生成時刻，進而為駕駛疲勞預防措施的設計和實施提供依據。

4)模型建立的基礎主要是理論推理，尚需繼續進行實驗驗證。