翟穎妮 王相霖 牛浩波 王鑫塔

(1 西安建筑科技大學機電工程學院 西安 710055;2 西安建筑科技大學 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710055)

車輛環(huán)境溫度會影響駕駛人的主觀熱感受,不舒適的車內(nèi)環(huán)境會對駕駛安全構成威脅,使駕駛人員出現(xiàn)注意力不集中與決策失誤,可能會引發(fā)交通事故[1-3]。

現(xiàn)有的關于車輛環(huán)境溫度對駕駛人影響的研究主要集中于主觀熱舒適。S. Yun等[4-5]對影響車輛熱舒適關鍵因素的研究發(fā)現(xiàn)空氣溫度的改變會導致熱舒適發(fā)生變化。李偉健等[6]研究駕乘艙中人體熱生理響應與主觀熱感覺的關系,發(fā)現(xiàn)駕乘人員的脈率、血壓與其熱感覺得分具有較強的相關性。C. Rosaria等[7]研究人體不同部位對車內(nèi)溫度變化的敏感程度,發(fā)現(xiàn)溫度對肩膀和背部區(qū)域的影響最大。Zhou Xiaojie等[8-9]發(fā)現(xiàn)平均皮膚溫度是決定汽車熱舒適程度的重要因素。一些研究表明,駕駛人員在炎熱的環(huán)境中會出現(xiàn)更多的駕駛失誤,從而引發(fā)交通事故[10-11]。

現(xiàn)有關于人員的認知能力的研究主要集中于室內(nèi)環(huán)境領域,室內(nèi)環(huán)境溫度的變化不僅影響人的熱舒適,同時對其認知能力也會產(chǎn)生影響。2020年,H. Kim等[12]分析了不同室內(nèi)熱環(huán)境及其誘導的生理心理參數(shù)變化對大學生認知能力的影響因素,發(fā)現(xiàn)在25.7 ℃時認知表現(xiàn)最好,同時,室內(nèi)熱條件可以通過激活生理反應來影響認知能力。Wang Dengjia等[13]發(fā)現(xiàn)被試者在感到稍暖(27 ℃)的室內(nèi)環(huán)境中認知表現(xiàn)最佳。K. Tham等[14]通過對辦公環(huán)境的模擬,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氣溫對工作表現(xiàn)有較大的影響,較低的室溫會降低熱舒適度,刺激控制體溫調(diào)節(jié)的神經(jīng)系統(tǒng),提高個體的警覺性與注意力。Lan Li等[15]發(fā)現(xiàn)高溫導致的熱不舒適會顯著降低認知速度。

綜上所述,車輛環(huán)境溫度變化不僅對駕駛人的主觀舒適度產(chǎn)生影響,同時對認知能力也有顯著影響。由于空間大小、人員活動強度的不同,室內(nèi)熱環(huán)境對認知能力的影響規(guī)律并不適用于駕駛人的認知能力評價。本文通過模擬不同車輛環(huán)境溫度下的駕駛任務,獲取被試者的生理參數(shù)、主觀感受及認知能力測試結果,分析不同車輛環(huán)境溫度對駕駛人認知能力的影響機制,為改善車輛熱環(huán)境,提高駕駛安全提供參考。

1 研究方法

1.1 試驗布置

試驗布置如圖1所示,被試者在搭建的模擬平臺上進行單一環(huán)境道路(高速)的駕駛[16]、認知能力測試和問卷調(diào)查,副駕駛的輔助人員測量被試的生理數(shù)據(jù),并記錄認知能力測試完成時間和錯誤次數(shù)。

圖1 試驗布置與車內(nèi)環(huán)境

1.2 被試對象

研究采用被試內(nèi)設計,根據(jù)統(tǒng)計功效(statistical power,sp)與效應量(effect size,es)確定樣本容量[17],共招募10名年齡在21～24歲(平均值M=22.3歲,標準差SD=1.06歲)的在校男性大學生參與試驗,平均身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)為(22.51±1.38) kg/m2。被試者身著長袖和長褲的夏季服裝,衣服熱阻約為0.9 clo[18]。被試者日常生活規(guī)律,睡眠充足,身體健康,試驗前均被告知試驗方案,并進行實際操作培訓,確保所有被試者的認知能力測試熟練度穩(wěn)定,采用平衡拉丁方設計來控制試驗順序,以減少疲勞和練習效應[19]。試驗前保證充足的食物與水分攝入,試驗過程中不再補充,以減少口渴,低血糖等因素的影響。

1.3 試驗過程

為模擬真實車內(nèi)環(huán)境,使用空調(diào)控制環(huán)境溫度,同時保持濕度在55%±5%范圍內(nèi)。試驗前30 min打開車內(nèi)空調(diào),同時被試者進入車輛熱環(huán)境適應,前20 min測量被試者各項生理數(shù)據(jù)(心率、收縮壓、血氧飽和度、皮膚溫度),之后進行認知能力測試;試驗開始后分別進行前、后半段的模擬駕駛任務,生理數(shù)據(jù)測量與認知能力測試,最后10 min填寫主觀問卷調(diào)查。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程

1.4 主觀問卷測量

使用主觀問卷測量被試者的熱感覺、熱舒適、環(huán)境接受度、腦力負荷得分和心理感受狀況?；贏SHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)設計熱感覺得分、熱舒適得分(冷不舒適～熱不舒適)與環(huán)境接受度[20-21]。通過NASA-TLX量表對被試者的腦力負荷、時間需求等進行主觀評價[22],為便于快速評估分值,將NASA-TLX的范圍改為[-3,3],工作滿意度和工作意愿得分的范圍為[-5,5]。

1.5 認知能力測試

為評估車輛環(huán)境溫度對駕駛人認知能力的影響,在試驗中進行認知能力測試。測試內(nèi)容包括記憶、思維、感知和警覺能力,采用測試用時和錯誤次數(shù)作為認知能力的評價指標[23],如表1所示。

表1 認知能力測試內(nèi)容

1.6 數(shù)據(jù)采集設備

試驗中測量了被試者心率、血壓、皮膚溫度、血氧飽和度等生理數(shù)據(jù)以及熱環(huán)境中的環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù),試驗設備如表2所示,數(shù)量均為1。

表2 試驗設備

平均皮膚溫度(MST,mean skin temperature)是反映被試者綜合體溫的指標之一,通過測量被試者4個不同部位(后頸、右肩胛骨、右脛骨和左手)的溫度T來計算[24],如式(1)所示:

T皮膚=0.28T后頸+0.28T右肩胛骨+

0.28T右脛骨+0.16T左手

(1)

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS Statistics 26和Origin 2018對被試者的客觀生理數(shù)據(jù)、認知表現(xiàn)和主觀問卷進行統(tǒng)計分析;通過Shapiroe-Wilk′s-W檢驗進行正態(tài)性檢驗,對不同環(huán)境溫度下的變量進行單因素方差分析(analysis of variance,ANOVA)和最小顯著差異(leastsignificantdifference,LSD)方法進行多重對比,采用Pearson分析計算各參數(shù)與環(huán)境溫度之間的相關性,顯著性水平設定為P<0.05。

2 試驗結果

2.1 生理反應

表3所示為不同環(huán)境溫度下被試者的生理參數(shù)情況。其中,A、B、C、D代表環(huán)境溫度分別為20、23、26、30 ℃的工況。

心率是反映情緒變化和認知活動的重要生理指標之一,不同車輛環(huán)境溫度下被試者的平均心率變化如圖3(a)所示。由圖可知,隨著環(huán)境溫度的升高,平均心率呈上升趨勢,這是因為高溫對心臟施加的熱應力導致心率升高[25]。LSD事后對比發(fā)現(xiàn),心率在20、23 ℃均與30 ℃時有顯著差異(P<0.05)。

收縮壓反映心血管的機能和狀態(tài),即在一定生理負荷情況下機體血壓的變化情況。被試者的收縮壓變化如圖3(b)所示,相比于20 ℃,收縮壓在23 ℃至26 ℃時增大,30 ℃時出現(xiàn)下降,這是因為高溫使血管擴張,導致血壓下降。

血氧飽和度反映體內(nèi)氧氣代謝狀況,是重要的生命體征指標。被試者的血氧飽和度變化如圖3(c)所示,血氧飽和度在不同環(huán)境溫度下變化并不顯著,其均值在一定范圍內(nèi)波動。平均血氧飽和度在20 ℃時最低,26 ℃時達到最高。單因素方差分析表明,在4種環(huán)境溫度下,平均血氧飽和度變化幅度在1%以內(nèi),無顯著差異(P>0.05)。

平均皮膚溫度變化能夠有效反映車輛熱環(huán)境中駕駛員的人體熱狀態(tài)[8-9]。被試者的平均皮膚溫度變化如圖3(d)所示,平均皮膚溫度隨環(huán)境溫度的升高而上升,當溫度從20 ℃升至30 ℃時,平均皮膚溫度從35.04 ℃升至35.94 ℃,由于體溫平衡調(diào)節(jié)與裸露皮膚的系數(shù)較小,平均皮膚溫度并未表現(xiàn)出顯著升高。

2.2 認知能力變化

表4所示為不同環(huán)境溫度下被試者的測試用時和錯誤次數(shù)。

測試項目的用時和錯誤次數(shù)如圖4所示。在思維能力測試中,20、23和26 ℃時的測試用時和錯誤次數(shù)無顯著變化,30 ℃時的測試用時和錯誤次數(shù)出現(xiàn)明顯上升,此時的思維能力下降;在記憶能力測試中,測試用時和錯誤次數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而上升,較高的溫度降低了被試者的記憶效果;在感知能力測試中,與其余溫度相比,30 ℃時的測試用時出現(xiàn)明顯上升,錯誤次數(shù)無顯著變化。

圖4 測試項目的用時和錯誤次數(shù)

此外,使用測試項目總用時與總錯誤次數(shù)來綜合反映被試的認知水平,如圖5所示,思維、記憶、感知等項目的總測試用時和總錯誤次數(shù)均呈上升趨勢,單因素方差分析和LSD事后對比發(fā)現(xiàn),20 ℃和30 ℃時的測試總用時和總錯誤次數(shù)變化顯著(P<0.05)。

圖5 測試總用時與總錯誤次數(shù)

反應時間可以用來評估被試者的警覺性,如圖6所示,相比于23 ℃和26 ℃,20 ℃和30 ℃的反應時間較少,隨環(huán)境溫度的升高,被試的反應時間先增加后減少,可能的原因是高溫會增加與警覺性相關的去甲腎上腺素的分泌,使反應時間減少[14-15]。

圖6 不同環(huán)境溫度下的反應時間

2.3 主觀問卷調(diào)查

表5所示為被試者的主觀問卷調(diào)查結果。各測試項目隨環(huán)境溫度的升高均發(fā)生顯著變化,熱感覺和熱舒適得分增加,環(huán)境接受度降低;被試者頭暈、疲勞、乏力、注意力不集中和思考能力下降等癥狀加劇。

表5 不同環(huán)境溫度下被試者的主觀心理感受情況

使用三階多項式對熱感覺得分與環(huán)境溫度進行擬合,R2=0.899,擬合曲線如圖7所示。隨著環(huán)境溫度的增加,被試者的整體熱感覺呈上升趨勢。當環(huán)境溫度分別為20、23、26、30 ℃時,被試者的TSV(thermal sensation vote)分別集中在-2(50%)和-1(50%)、0(70%)和+1(30%)、+1(20%)、+2(60%)和+3(20%)、+2(50%)和+3(50%)。

NASA-TLX得分在不同環(huán)境溫度下變化顯著(P<0.05),如圖8所示。隨著環(huán)境溫度升高,被試者的腦力負荷、時間需求、努力程度和體力需求均表現(xiàn)出不同程度的增加。

圖8 NASA-TLX得分

對被試者的工作意愿和工作滿意度進行調(diào)查結果如圖9所示。由圖9可知,在20 ℃時有60%的被試者有較高的工作意愿(工作意愿得分為[+3,+5]),其余40%的被試者認為他們有繼續(xù)工作的想法(工作意愿得分為[+1,+2]),同時他們對該任務的完成表現(xiàn)都比較滿意(工作滿意度得分≥+1);與20 ℃相比,在23 ℃時被試者的工作意愿與滿意度并無明顯的改變;在26 ℃時,被試者的工作意愿出現(xiàn)了下降,同時認為自己并未很好地完成任務(工作滿意度得分出現(xiàn)負值);在30 ℃時被試者工作意愿均為負值,即被試者產(chǎn)生了逃離該環(huán)境的想法,并對已完成的工作感到并不滿意(工作滿意度≤0)。

圖9 工作情況投票結果

圖10 被試者出汗部位投票得分

此外,通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)境溫度升高,被試者不同部位的排汗量都有所增加。在20 ℃時,總體出汗量較少;23 ℃時手心、背部出汗量增加;26 ℃時,有70%被試者反映手心和后背大量出汗,50%的被試者反映額頭大量出汗;30 ℃時,所有被試者均反映手心部位大量出汗,有90%的被試者反映額頭、后背大量出汗,被試者通過排汗來降低身體溫度,以達到體溫平衡。因此,在車內(nèi)溫度超過26 ℃時,駕駛員更應注意手心、后背、額頭的防汗。

3 討論

3.1 生理、心理、認知能力與熱環(huán)境的相關性分析

Pearson相關系數(shù)用于衡量變量之間的線性關系,是相關性分析重要的指標。采用Pearson分析對環(huán)境溫度和各參數(shù)之間的相關性進行計算(雙尾),結果如表6所示,心率、平均皮膚溫度、測試用時、錯誤次數(shù)與環(huán)境溫度存在顯著低度正相關;主觀問卷調(diào)查中的熱感覺、熱舒適、腦力負荷與環(huán)境溫度存在顯著高度正相關(P<0.001);環(huán)境接受度與環(huán)境溫度存在顯著高度負相關(P<0.001)。收縮壓、血氧飽和度與環(huán)境溫度無顯著相關性。

表6 環(huán)境溫度與各參數(shù)的相關性分析

3.2 生理變化與熱環(huán)境的關聯(lián)分析

隨著環(huán)境溫度的升高,被試者交感神經(jīng)激活,導致血液中腎上腺素和去甲腎上腺素水平升高,此時心肌收縮力增強、心率加快。血液循環(huán)加快也會使心率加快,同時導致收縮壓降低[26]。

平均皮膚溫度與環(huán)境溫度呈正相關。隨著環(huán)境溫度的升高,被試者的平均皮膚溫度也隨之上升[27]。

高溫和低溫下血氧飽和度無顯著差異。偏冷環(huán)境中血氧飽和度平均值低于熱中性環(huán)境,這是由于低溫時人體為減少熱量損失降低呼吸速率引起的[6]。

問卷調(diào)查顯示,隨著環(huán)境溫度升高,被試者出現(xiàn)更多熱不舒適狀態(tài),手心、背部和額頭出汗量增加。原因可能是當處于較高溫度下,體溫調(diào)節(jié)中樞使人體的新陳代謝加快,散熱加速,排汗量上升。

3.3 生理變化與認知能力的關聯(lián)分析

不同心率和收縮壓下的認知能力測試結果如圖11所示。由圖11(a)、圖11 (c)可知,隨著心率升高,認知能力測試用時和錯誤次數(shù)增加,綜合問卷調(diào)查結果顯示,被試者心率加快時,人體處于緊張、焦慮等心理狀況,從而引起認知能力的降低。由圖11(b)、圖11 (d)可知,測試用時在收縮壓為110～120 mmHg時最小,錯誤次數(shù)隨著收縮壓的升高而降低。該現(xiàn)象與文獻[28]相同,大腦需要持續(xù)大量的血流來維持功能運轉(zhuǎn),但高血壓會導致靜息狀態(tài)下的腦血流量減少,使認知能力下降,即高血壓與認知功能減退密切相關,是造成認知能力下降的危險因素。

圖11 不同心率和收縮壓下的認知能力

3.4 熱感覺與認知能力的關聯(lián)分析

試驗發(fā)現(xiàn),駕駛過程中被試者的認知能力在環(huán)境溫度為20 ℃時達到最佳狀態(tài),這與一些室內(nèi)熱環(huán)境研究[12-13]結論不同,即26～27 ℃時的室內(nèi)認知表現(xiàn)最佳。由于空間大小、人員活動強度、勞動性質(zhì)及服裝熱阻等方面存在差異,導致了室內(nèi)環(huán)境與車輛環(huán)境的熱中性溫度的差異。駕駛人在長時間駕駛時需要保持高度集中的注意力,較低的車內(nèi)溫度可以促進垂體-腎上腺皮質(zhì)和交感神經(jīng)的激活,增加皮質(zhì)醇和兒茶酚胺的分泌,提高駕駛人員的認知能力。

為調(diào)查被試者的熱感覺是否影響認知能力,本文進一步分析了熱感覺得分與認知能力之間的關系,如圖12所示,在熱感覺得分值為+2和+3時,認知測試用時和錯誤次數(shù)最大。這與一些文獻[15,23]相似,即高溫導致的熱不滿會顯著降低認知速度。當被試者熱感覺較高時,一般伴隨著心神不安、頭暈疲勞等心理現(xiàn)象,因此認知能力測試用時和錯誤次數(shù)增加。

圖12 認知能力隨TSV的變化

由圖7、圖12可知,當被試者處于熱中性(TSV=0)環(huán)境時的車內(nèi)溫度為23 ℃,此時的認知能力并未達到最佳。因此為了使駕駛人保持良好的認知能力,建議在進行駕駛任務時應當保持稍冷(20 ℃)的車內(nèi)環(huán)境。

4 結論

為探究車輛熱環(huán)境對駕駛人認知能力的影響,本文搭建了模擬駕駛試驗平臺,獲取駕駛人在不同環(huán)境溫度下的生理數(shù)據(jù)、主觀感受以及認知能力結果,通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,得到如下結論:

1)隨著環(huán)境溫度的升高,心率與平均皮膚溫度均呈上升趨勢;收縮壓和血氧飽和度在20～26 ℃時上升,在30 ℃下降,同時頭暈、疲勞、乏力和出汗等不舒適狀態(tài)加劇;熱感覺、熱舒適得分和腦力負荷隨環(huán)境溫度的升高而升高,環(huán)境接受度、工作滿意度和工作意愿隨環(huán)境溫度的升高而降低。

2)認知能力測試用時和錯誤次數(shù)隨心率升高而增加,隨著收縮壓升高而降低。

3)相關性分析表明,心率、平均皮膚溫度、測試用時、錯誤次數(shù)與環(huán)境溫度存在顯著低度正相關;主觀問卷調(diào)查中的熱感覺、熱舒適、腦力負荷與環(huán)境溫度存在高度正相關(P<0.001);環(huán)境接受度與環(huán)境溫度存在高度負相關(P<0.001)。

4)被試者的認知測試用時和錯誤次數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而增加。在20 ℃時,駕駛人能夠保持較高的認知能力,在23 ℃時,駕駛人主觀熱舒適度達到最佳,在車輛環(huán)境溫度超過26 ℃時,應注意手心、前額和背部的防汗保護,因此,為達到較高的認知能力和熱舒適,車輛環(huán)境溫度應保持在20～23 ℃。

為保證被試者的人身安全,本試驗先在模擬駕駛環(huán)境中進行,后續(xù)將在真實道路上進行試驗,同時開展偏冷環(huán)境(<20 ℃)以及更長駕駛時長的試驗,綜合本文的生理參數(shù)和主觀感受數(shù)據(jù),進一步分析車輛環(huán)境溫度對駕駛人認知能力變化的生理心理機制。