秦 偉，朱守林，裴志永，秦 艷

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學院 市政與路橋工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 能源與交通工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018；3.中國農(nóng)業(yè)科學院 草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

目前，國內(nèi)外相關(guān)學者對大量的交通事故進行研究分析，得到了因駕駛員人為因素導致的交通事故占全部交通事故的40%～90%[1]，由駕駛員負直接責任的事故占81%左右[2]。其中直接責任由于疲勞駕駛造成的特重大交通事故是主要原因之一。

草原公路由于其特定的地域決定它具有直線長，景觀單一，坡度小等特點[3]，駕駛員在這樣的路段上行駛，易開快車，放松警惕，出現(xiàn)疲勞駕駛狀況，致使大量交通事故的發(fā)生。筆者以內(nèi)蒙古草原公路上駕駛員連續(xù)駕駛時的生理信號為研究對象，對駕駛員在草原公路行駛出現(xiàn)疲勞狀態(tài)的時間進行分析，判斷出駕駛員駕駛疲勞出現(xiàn)點，運用灰關(guān)聯(lián)分析方法分析駕駛員時域分析指標與駕駛疲勞的關(guān)聯(lián)程度。

1 試驗方法

1.1 試驗人員

筆者根據(jù)分層隨機法選取5名試驗人員進行實駕試驗，見表1。

表1 試驗人員信息Table 1 Information of laboratory assistants

1.2 試驗路段選擇

試驗路段為內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市境內(nèi)的S101賽罕塔拉—滿都拉圖段，該路段的設(shè)計等級為二級，設(shè)計車速為80 km/h，全長152.494 km。該路段平面線形以直線為主，平曲線較少，而且圓曲線半徑較大，具有典型的草原道路的特征。

1.3 試驗要求以及試驗儀器

試驗要求選擇在天氣晴朗的白天進行，試驗前要求試驗人員充分休息，避免服用刺激性飲品和藥物。

本試驗所測取的駕駛員生理信號利用RM6240多通道生理信號采集處理系統(tǒng)采取，采集過程中應(yīng)保證多通道采集儀數(shù)據(jù)線的長度適中，達到不干擾駕駛為準。試驗過程中對車速不限制，駕駛員駕駛桑塔納2000，以自由狀態(tài)下往返駕車行駛300 km。

1.4 試驗指標測取

筆者主要依據(jù)該儀器進行心電信號的采取。首先將多通道生理信號采集儀接地置0，然后對駕駛員的胃部和左右鎖骨進行酒精擦拭并進行電極片的粘貼。其中，胃部的電極片應(yīng)與正極導線相連接，右側(cè)鎖骨電極片應(yīng)與參考極導線相連接，左側(cè)鎖骨電極片應(yīng)與負極導線相連接，試驗過程中采集的參數(shù)指標見表2。

表2 采集儀參數(shù)值Table 2 Parameters of instruments

2 測評指標的選取

2.1 心電信號指標選取

心率變異性 (HRV)是指心率節(jié)奏快慢隨時間所發(fā)生的變化。心率變異性以連續(xù)心搏之間R-R間期的微小漲落為研究目標，即體現(xiàn)在竇性心搏間期快慢的差異性[4]。

目前，研究心率變異的分析方法有頻域分析法和時域分析法，筆者主要研究心率變異指標時域分析指標與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析。

時域分析方法是對R-R間期中時間序列的指標以及幾何分布特征進行分析來表征，是一種相對簡單方便并且容易理解的方法。時域分析方法包括以下統(tǒng)計學參數(shù)指標[5]。

SDANN(ms)：正常竇性R-R間期標準差；

RMSSD(ms)：相鄰正常竇性R-R間期差值的均方根值或標準差；

MeanRRR-R(ms)：間期序列的均值，反映了心率變異的平均水平；

PNN50：相鄰R-R間期差值大于50 ms的R-R間期數(shù)與全部R-R間期數(shù)之比；

RRCV：心電圖變異系數(shù)；

SDSD(ms)：相鄰R-R間期差值的標準差；

NN50(個)：相鄰R-R 間期差值>50 ms的心跳數(shù)。

SDNN表示在一定時間段內(nèi)，R-R間期序列的總體標準差，對于研究時間段相對短的數(shù)據(jù)分析時有較好的效果。因筆者研究的是出現(xiàn)駕駛疲勞時的時域分析指標與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析，相對于300 km的駕駛時間來說是較小的時間段，因此筆者選取了該指標。SDANN與SDANNi都是反應(yīng)心率變異性中緩慢變化的成分，SDANN應(yīng)用于全程，因此選取一項即可，筆者選SDANN。NN50反映相鄰R-R間期數(shù)值大于50 ms的個數(shù)，從駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析上考慮該指標的研究意義不大，因此排除。心率變異系數(shù)RRCV研究表明可以用來計算駕駛疲勞程度[6]，因此筆者研究時域分析指標與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析時，采SDNN、MeanRR、SDANN、r-MSSD、PNN50及RRCV等指標進行研究。

2.2 駕駛疲勞度計算

駕駛疲勞度是反應(yīng)駕駛疲勞的程度，可以通過駕駛員的心電信號計算得出具體的數(shù)值來反映駕駛員的駕駛狀態(tài)。具體計算公式如式(1)[4]：

(1)

2.3 生理指標隨駕駛時間變化

利用試驗測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和Excel處理后，以時間間隔為5 min提取的時域分析指標值MeanRR、RMSSD、PNN50、SDANN、SDNN，計算出5名試驗員各時域分析指標的算數(shù)平均值，然后繪制出各時域分析指標與駕駛員連續(xù)駕駛時間的關(guān)系，如圖1，為了直觀的體現(xiàn)各指標隨時間的變化，將MeanRR的具體測得數(shù)值進行了縮小10倍的處理，以便在一張關(guān)系圖中進行各指標隨駕駛時間的比較。

圖1 生理指標隨駕駛時間變化Fig.1 Change of physiological index along with driving time

由圖1可以看出，在連續(xù)駕駛時間為120 min左右時，駕駛員各時域分析生理指標的變化出現(xiàn)拐點，我們可以判斷駕駛員在此時范圍內(nèi)出現(xiàn)了駕駛疲勞狀態(tài)，即駕駛疲勞時間點。筆者因此選取駕駛員在草原公路上連續(xù)駕駛115～125 min時的各項生理指標，其中所用的采樣間隔為1 min進行駕駛員時域分析生理指標駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析。

3 灰色評估方法

3.1 灰關(guān)聯(lián)分析的整體思路

灰關(guān)聯(lián)分析是一種定量分析比較的方法，是利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)序列所構(gòu)成的曲線幾何形狀進行定性分析。通過對構(gòu)成的曲線幾何形狀的分析得出，曲線幾何形狀越接近，表示關(guān)聯(lián)度越大。其中，關(guān)聯(lián)度所指的是數(shù)據(jù)列之間關(guān)聯(lián)程度大小的量度[7]。

灰關(guān)聯(lián)分析的整體思路：首先建立子序列，并依據(jù)選優(yōu)原則構(gòu)成一個母序列，即參考序列，母序列中的各個元素為各子序列中的最佳值；然后計算出關(guān)聯(lián)系數(shù)，即各子序列中各個元素對應(yīng)母序列的關(guān)系數(shù)，依據(jù)該原理求出各子數(shù)據(jù)列對母序列的整體關(guān)聯(lián)度；最后根據(jù)算出的關(guān)聯(lián)度大小進行排序，并最終獲得關(guān)聯(lián)序，排序在最前面的子序列相對母序列的關(guān)聯(lián)度最大，稱為最優(yōu)子序列[8]。

3.2 灰關(guān)聯(lián)分析模型的建立方法

一般設(shè)有：

子序列：Xi={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n)}={Xi(K)}

母序列：Xo={Xo(1)，Xo(2)，…，Xo(n)}={Xo(K)}

其中：i=1，2，…，m；m為子序列個數(shù)；K=1，2，…，n；n為每個序列的元素個數(shù)。

(2)

式(2)為母序列Xo與子序列Xi在采樣點K的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

對于每個采樣點，都可按式(1)計算與之相對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。最后綜合分析各點的goi(K)，得到每個子序列Xi與母序列Xo的關(guān)聯(lián)度：

(3)

3.3 駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)灰分析理論我們確定母序列為駕駛疲勞度序列，子序列為駕駛員處于駕駛疲勞狀態(tài)時對應(yīng)的生理指標序列。由連續(xù)駕駛時間為115～125 min的各項生理指標值，通過式(1)駕駛疲勞度的計算得出各時間的駕駛疲勞度母序列為：

Xo={0.78, 0.89, 0.72, 0.99, 0.65, 0.91, 1.11, 1.03, 0.68,1.14}

子序列 (其中1為RMSSD；2為PNN50；3為SDANN；4為MeanRR；5為SDNN) 為：

X1={28.93,22.57,44.93,26.9925.92,26.44,33.28,35.13, 25.54, 22.87, 25.23}

X2={92.68, 90.16, 96.10, 92.97, 98.46, 97.90, 98.13,96.02,94.38, 92.51 , 99.08}

X3={37.05,44.53,45.98,48.69,36.68,47.65,53.64,51.55,38.16,56.81}

X4={892.00,916.43,928.00,912.00,923.00,932.11,960.14,960.78,965.73,947.47,954.18}

X5={34.54, 40.89, 32.90, 45.80, 47.00, 40.91, 46.50, 49.60, 50.70, 52.20}

筆者研究采用以下方法對于母序列和子序列的初值化的指標需作無量綱處理。

(4)

(5)

式中：n=5；K=1，2，…，5。

計算得出初始化序列為：

Xo={0.88,1.00,0.81,1.11,0.73,1.02,1.25,1.16,0.76,1.28}

X1={0.99,0.77,1.54,0.92,0.89,0.90,1.14,1.20,0.87,0.78}

X2={0.98,0.95,1.01,0.98,1.04,1.03,1.03, 1.01,0.99,0.97}

X3={0.80,0.97,1.00,1.06,0.80,1.03,1.16,1.12,0.83,1.23}

X4={0.96,0.98,0.99,0.98,0.99,1.00,1.03,1.03,1.03,1.01}

X5={0.79,0.94,0.75,1.05,1.08,0.94,1.06,1.13,1.16，1.10}

3.3.1 計算絕對差值

表3 絕對差值計算Table 3 Calculation of absolute difference value

3.3.2 求Δ(min)和Δ(max)

根據(jù)：Δoi(max)=max{Δoi(K)}；Δoi(min) =min {Δoi(K)}；Δ(max)=max{Δo1(max),Δo2(max)，…,Δok(max)}；Δ(min)=min{Δo1(min),Δo2(min)，…,Δok(min)}。得：Δ(max)=0.73；Δ(min)=0.01。

3.3.3 求關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

由式(2)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)如表4。

表4 關(guān)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果Table 4 Calculation results of correlation coefficient

由式(3)計算關(guān)聯(lián)度：ro1=0.69，ro2=0.73，ro3=0.88，ro4=0.74，ro5=0.77。

所以關(guān)聯(lián)順序為ro3>ro5>ro4>ro2>ro1。即駕駛員時域分析指標與駕駛疲勞的關(guān)聯(lián)順序為：SDANN，SDNN，PNN50，MeanRR，RMSSD。

4 結(jié) 論

1)通過駕駛員生理指標隨連續(xù)駕駛時間變化圖分析，在連續(xù)駕駛時間為120 min時，MeanRR和SDNN呈下降趨勢，PNN50、SDANN、RMSSD呈上升趨勢。這表明駕駛員在草原公路上連續(xù)行駛120 min左右時出現(xiàn)駕駛疲勞。

2)通過駕駛員時域分析指標與駕駛疲勞的灰關(guān)聯(lián)分析，得出時域分析指標與駕駛疲勞關(guān)聯(lián)程度由強到弱為SDANN，SDNN，PNN50，MeanRR，RMSSD。

3)筆者對草原公路駕駛員的駕駛疲勞指標的選取進行了初步探討和分析，為詳細研究草原公路行車疲勞做了前期基礎(chǔ)研究。

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