车辆转向操纵过程中驾驶员的生理_心理分析与测试.pdf

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1、?年?第?卷?第?期汽车土程?姆?!?车辆转向操纵过程中驾驶员的生理?心理分析与测试?中国农业大学林英姿余群摘要本文指出驾驶员在行车过程 中的生理?心理状态对其操纵行 为有着 重要影 响,着重探讨了驾驶员转向操纵过程 中的 生理?心理问题。首先对驾 驶员行车时 的心理进行了分析及描述,提 出了一种合格驾驶员的心理模型?然后提出了驾驶员身心反应测试的几项指标,并进行了有关的 测试,得到了不同驾驶 员在不同车速、不同路线下的生理?心理 变化规律。本文 为建立一个包括驾驶员心理特性、行 为规律 的综合模型提供了新的依据。叙词?驾驶员模型生理?心理测试八刀?毛?云?如?饰?之叭亚?而?,?妞?亡?价双

2、?,?面?勿?此?,?,?服?饮对,?,?,?盼?而?!?,回?讹?代泊?,?】?!?汪?仍?川二Dr ive rMod e l伟y咖I O gy乃y由ologyT。范ng1前言众所周 知,很多交通事故是 由驾驶员 的因素造成的。因为 汽车是由驾驶员根据环境因素与汽车的运动状态来操纵的。为此,人们开始了驾驶员一汽车一环境 闭环系统的研究,一*博士点基金资助N o.95()803。原稿收到日期为1的7年4月 2 2日,修改稿收到日期 为l钓7年6月 1 9日。7 2汽车工程19 98年(第2 0卷)第2期些学者相继提出了一些 预 瞄控制模型(l,它们运算简单,物理概念明 晰,能 达 到较 高精度

3、。但是,这些驾驶员模型 的核心 主要 是驾驶员 的行为模型,而很少 有 人 去探讨人体生理、心理方 面 的特性对驾驶的影响。事实上,由于驾驶员是个具有复杂的心理行为的活人,在驾车过程 中,来自外部环境和汽车状态的各种 因素,都会对驾驶员的心理发生作用,最终影响他控制汽车的行为。有鉴于此,是否可以通过测定反应驾驶员身心 活动的有关指标,并对这些 指标进行分析综合,来探索驾驶员生理/心理变化的规律性,为人们更好地理解驾驶员控制汽车的行为提供生理户合理 学方 面 的依据呢?本文正 是沿着这条思 路 出发,设计并实现 了相 关 的实验,取得了若干实验成果。2驾驶员 的心理状态分析及描述2.1研究驾驶员

4、心理的必要性驾驶员驾车行驶的过程是 一个信息交换与控制的过程,汽车状态及环境状态信息是驾驶员 决策驾车行为 的基本依据。驾驶员的眼、耳、躯体、四肢等人体感觉器官接受外界信息的刺 激,然 后经感觉储存、知觉 译码、记忆与决策、执行、反馈等过程实现对车辆的控制。在上 述 阶段中,驾驶员的神经 系统是高度紧张 的。据有关资料 2介绍,驾驶员 要 在Ikm 行程内完成 4 0一5 0个与驾驶汽车直接相关 的操作。当车速3Okm/h时,每 个操作的平均 时间为2.4一 3.伪,这对驾驶员 的生理、心理条件显然 要求很高。可以推断,驾驶员 要 在这么短 的时 间 内作出准确 的分析判断并采取相应的对策,大

5、多数情况 下完全是靠一 种主观的心理感觉。例如,当遇到比较窄或无法通过的道 路 时,有的驾驶员 会下 意 识地减 速 或停车,而 有的驾驶员 往往会盲目地前进,以致造成交通堵塞或事故;又如,经验丰富的驾驶员对车速 的感知 一般较为准确,而有 的驾驶员 由于对车速估计不 准,常常因此而 发 生 事 故。而 且,路上 的交通信息是千 变万化的,要求驾驶员能 随时发现或预感到危险情况 出现的可 能,从而及时采取措施,保证行车安全。可以说,驾驶员 的控制汽车行为,首先是通过他的 心理感受引起的。因此,很有必要开展驾驶员 的生理户心理规律方 面的研究。2.2驾驶员行车时的心理分析及描述驾驶员能在复杂 的

6、环境条件和 汽车状态下,灵 活有效地完成驾驶汽车的任务,与其生理户合理素质息 息相 关。驾驶员在驾车过程中,通过自身各感觉通道感知到 的各种外部因素往 往 会引起驾驶员身心负担程度的巨大变化。驾驶员通过大脑的反应及心理度量,然 后操纵汽车的转 向角等,从而使汽车按预定目标正常行驶。可见,驾驶员 的 生理/心理变化不仅是 与心理负担程度 相对应的一种 现象,而且可以作为一个观察驾驶员的动作、行 为 的质变之检 测器。然 而,驾驶员的这 种心理负担程度 又该如柯描述呢?我们知道,由于人体在 生理学、心理学上 的抽象性,而不同于 一般的机械系统,所以难以用一个明确的、规范的物 理参数作为指标进行衡量

7、。本文尝试提出一种“危险意 识”概念和“危险度”假设。我们知道,驾驶员在工作状态中,行车的每时每刻,都会因车况、路况、气候、环境等因素的变化,产生一定 的心理作用。这种心理作用 暗示:若不采取相应措施,将会发 生某种程 度 的危险性。驾驶员 的这种对即时状态的心理反应可称之为具有“危 险意 识”。驾驶员在没有充分的时 间进行分析的情况下,就是依赖“危险意 识”来控制车辆的。因此,所谓“危卯8年(第加卷)第2期汽车工程7 3险意 识”实质上 是驾驶员安全行车技术高度发展并出现自觉状态的 心理标志,是在驾驶车辆过程中形成的一种专门化的复合知觉,它能帮助驾驶员迅速感知、处理交通信息。危险意识主要有道

8、路感、车速感、距离感、交通状态感等。危险意识的大小可用危 险度来衡量。从某种意义上讲,驾驶员的驾车过程,也是一个不断降低危险度的过程,即,驾驶员根据其心 目中危险度的大小,随时采取相应的操 纵措施,以降低危险度,保证汽车安全平稳地向前行驶.直接测量危险度的大小当然是不 可能 的,但是可以认为,危险度 与衡量驾驶员的一些身心反应指标,例如心率、皮肤电阻、呼吸次数、能量代谢、闪光值、血压等是直接相 关的,所以可 用这些指标来表征。事实上,LK ageyam a等学者已经进行过这方面的测试并提出了类似的观点(3)。2.3心理模型的提出本文提出这样一种驾驶员心理模型,即:当一个合格的驾驶员通过预瞄及自

9、身驾驶经验进行驾驶时,其眼、耳等感觉通道,输人关于路宽、车距道路边缘的侧向距离、前方道路曲率、障碍情况及汽车的纵向速度、纵向加速度等各种各样的信息,通过大脑的反 映,他总是善于把上述信息进行综合加工,得出一个危险度,用于 指导 自身进行相应的操纵动作。本文把上述模型看作一个多维输人输出系统,其输人向量 为驾驶员通过预瞄和自身经验得到的各种危险意识的总和.例如,道路感方面:有弯道 曲率、路面摩擦系数、道路宽度等;车速感方面:有车纵向速度、纵向加速度;距离感方面:有车间距离、车距道路边缘的侧向距离、车距道路中心 的侧向距离、车偏离预期轨道的误差等;交通信息感方面:有车距障碍的侧向距离等等。这里必须

10、指出 的是,只有当障碍落人驾驶员的预瞄区域内时,他才开始在头脑中作出反映,避过障碍后,这一危险也就不复存在,所以考虑这一危险意识有一定的范围。心理模型的输出向量是某一时刻驾驶员的心理负担程度,即危险度值,采用上述身心反应测定指标来表征。尤其要着重考虑其 中的一项心率值,它能最准确地表示出人对驾驶的反应闻。可采用模糊数量化理论(5)和 多元回归分析方法,可得出驾驶员 心理 模型及进行相关性分析(在此不再赘述)。3驾驶员身心反应实验及结果3.1驾驶员身心反应测试指标的提出如 上节所述,驾驶员在驾驶汽车时,由于来自外部环境和汽车本身的一些 因素,会对驾驶员的精神和心理产生影响。一般在普通 的交通状况

11、下驾驶时,这些精神和心理负担不 可忽略。人体进行工作时,需要承受一定的工作负荷,也必定引起人体的生理和心理效应,如呼吸加剧、血压升高、心率加快、新陈代谢旺盛、体内多种物质(乳酸、蛋白质、代谢酶等)的含量发生变化等。因此,可以把驾驶员驾车操作看作一种工作负荷,由于受不等量的外界刺激,会产生不同的生理心理效应。我们可以通过试验对驾驶员的这些生理心理效应参数进行测定。根据有关资料4,对驾驶员身心 反应测定,本文提出以下几项指标:(l)心跳次数:时刻测定驾驶员的瞬间心率值,可 用来估计操纵时的 心理紧张程度。这个数据能最准确地表示出人在驾驶过程中的反应。(2)皮肤电反射:即皮肤电阻。它随着汗腺细胞兴奋

12、而减少。手掌皮肤电 阻和 上述由于精神负担而出汗完全对应,所以这种测定要用手掌皮肤电阻值。对行驶中的驾驶员进行此7 4汽车工程19 98年(第 2 0卷)第2期项测 定时,以反 应的频度作指标即可 了解其兴奋性、身心 的负担程度。(3)呼吸次数:人的神经和肉体兴奋或受到刺激时,一般呼吸次数增 高,因 此 可连续测定每分钟 的 呼吸次数。(4)能量代谢测定:生物体所消耗的能量 称为能量代谢,通过测量能量代谢的 大小,能够了解肉体的负担和 疲劳程 度。(5)闪光值:多数疲劳检查 中最常用 的是闪光(F l icker)检查。在疲劳的状态下,闪光值降低。每个人 的闪光值高低差别很大,因此,可将每个人

13、各时间上 的测 定值同其作业前的值以百分比来处理。(6)血压:有些参考书上 未提及血压这一项指标,但通过调 查,本文 认为:通 过 这 项指标也可了解驾驶员 的兴奋性、生理 心理机能的变化。3.2实验测试及数据处理基于上 述思 想,本文设计了有关驾驶员 人体身心反应的测试,并在北京 沙河机场完成了有关实验。由于 实验条件有 限,本次实验员测 定了心率和血压值.实验过程中,采用日本三荣公司生产的Z E61心 电遥测仪连续测量驾驶员心 电 图,由此得出各个时刻的瞬时 心率值;采用英国生产的EX CE I22 4h血压记录仪测得驾驶员的瞬时血压值;另外,采用日本小野测器生产的L C一76 1速度仪、

14、航天部一院1 3所 的C D Y一I A汽车动态测试仪测量 汽车的纵向速度、纵向加速度、横摆角 速度及转向盘转角等各项动态特性参数;然 后,用清华大学汽车工程 系开发的L SF X一I V型汽车性能路试数据采集系统 同时采集上述8路模拟信号。进行了单移线、双移线、蛇行线穿杆实验。实验后,完成了数据处理,对实验结果进行分析,可得驾驶员心率值和血压值的一些变化规律。以下是蛇行线运动 的一个例子,其中由记录 的心 电图计算心率值的过程如图1、图2所示。一日日 I I I I I!_ _ _:日日 一州州 田田一ITt t t 日日 汗-本本本一11 1 1i一 1】_口口口晓晓户户小小小棘棘儿儿.南

15、南儿儿利利利几几咖咖咖凡凡凡凡凡汁汁榔榔毗毗赫赫赫赫赫1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 18 0 1_ _ _ _ _它伽)1 1 1 1 1 1 1 1 1份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份份I I I I I I I I I I I I I刃”采样卢图1驾驶员作蛇行线运动时的心电图的实验记录图3、图4是一号驾驶员 在不 同车速下作单移线、蛇行线运动时的 心率变化比较 图,可见,随着速度的 升高,心率值显然增大;比较图3、图4,又发现同一

16、驾驶员、同一车速作不同路线运动时,心率值也截然不同。图5是二号驾驶员在不同车速下作双移线运动 时 的心率变化比较图,可以看出,不同驾驶员,其心理素质存在较大差异,显然,二号驾驶员的生理户合理素质要比一号驾驶员好(事实上,二号驾驶员经常作操纵稳定 性 的有关试验,而 一号驾驶员却较少从事这方面的实验,所以测试结果与实际情况是吻合的)。驾驶员血压变化规律如 图6、图7、图8。由各图中实验前、中、后血压值的对比可 知,驾车过程 中驾驶员的血压值(不论扩张压和收缩压)都比静止状态下 明显升高;由同一驾驶员在不同车速下作男8年(第 2 0卷)第2期汽车工程7 5同一种操纵运动的对比图(图6、图7、图8)

17、可得,当车速增加时,驾驶 员的血压值显著增高;由各种不同路线操纵运动的对比发现,作难度较大的操纵运动例如蛇行线试验时,虽然车速较低,但驾驶员的血压值较其它一些简单的移线试验却 高得多。综上所述,车速越高,道路越难驾驶,危险度就越大。_ _-一-一一一蜘鲜一1 6()I 5()1 4 0 1 3 0 1 2 0 I 0()1 l 0u一 u J/l等白、111 621263136414651566166数据点图2驾驶员作蛇行线运动时的心率变化曲线A A A矗查通 .*沪气声丫丫、.山气户人声声声声“丫丫尸,、尸护尸、?尸曰一r代卜一只八八一一一一“一v=60km/h h h一一uVK“Iln n

18、 n -去-v=10()k m/h h h落任 一并令时间(s)图3单移线运动时驾驶员心率变化图(注:一号驾驶员)一一一一一v=4 5 k m/h h hv=5 0 k m/h h h-谈卜-v=5 5 kn l角角.-日.-.v二6 5k m小小口一/u J芬份令2 557石互 012)1517.52022.52 52 7)30时间卜)图4蛇行线运动时驾驶员心率变化图(注:一号 驾驶员)5结论本文研究了驾驶员一汽车-怀境 闭环系统中驾驶员的生理/心理问题.对驾驶员驾车时的心理进行了分析和描述,设计和完成了一些人体测试.证实了有关论断.得出结论是:驾驶员行车时的生理/心理状态变化不可忽略,这方

19、面的研究必将有助于人们深刻理解驾驶员的控制行为,为最终建立一个全面的驾驶员心理、行为综合模型提供崭新的、有价值的依据。汽车工程19 98年(第 2 0卷)第2期一一一v=60 k m/h h h、.=从 I L,/卜卜.-心一、=l(川 klll/h h h百任一丫份今时间(s)图5双移线运动时驾驶员心率变化图(注:二号驾驶员)-闷卜一-闷卜-l扁)卞1氏)长的Hu n u田侧实验中实 验)l,一号驾驶员作单移线运动血压变化(车速仗撇m小)口仁卜七匕舫黔6()4()2 0叫8 0 6 0 4()实-今.刁俩)卞一.-低坏4()6()2 l)洲8()阴国 的日已田侧4哎)一实验 前实 验中灾验J

20、.图7一号驾驶员作单移线运动血 压变化(车速砚般m/h).州卜-向)长叫.-低几如溯姗溯山l()()8()阴.H已日周田4(、-.实验 前丈验,厂验,图8一号驾驶员作单移线运动血压变化(车速105 k功巾)参考文献郭孔辉.汽车操纵动力学.长春:吉林科学技术出版社,1卯1关文达.曹营.对汽车驾驶员进行生理一心理的对比测脸.汽车运翰,l望抖;(乃心罗终皿I.P砚到k aHB.O na卜殆wD d掀Mo de 雨th F飞I Z酬 bntm】决场des 娜t助功诩耐。,1卯1;加小林明等编.汽车工程手册编译委员 会译.汽车工程手册第一分册.北京:机械工业出版社,19斜马谋超.心理学中的模糊集分析.贵阳:贵州科技出版社,1望科,j月峥