肖昊蘇,朱立源
(揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 揚州 225009)
近年來,疲勞狀態(tài)識別和干預(yù)已成為交通事故安全領(lǐng)域越來越重要的研究方向,對于提高車輛的安全性和降低交通事故具有重要的理論和實際意義[1,2]。音樂能夠調(diào)節(jié)情緒,因此,作為一種疲勞干預(yù)手段正被學(xué)者們普遍應(yīng)用于體育領(lǐng)域的運動型疲勞的恢復(fù)中,對積極的心理和身體狀況的形成具有重要意義[3-5]。但是,不同的音樂風(fēng)格在大腦的不同區(qū)域產(chǎn)生的刺激強度有所差異,從而在不同程度上影響駕駛員的情緒狀態(tài)[6-8]。
本文搭建了音樂干預(yù)疲勞駕駛試驗平臺,采用正交試驗分析方法,研究了不同類型音樂刺激下的駕駛員腦區(qū)的腦電信號(EEG)特征,分析駕駛員的疲勞狀態(tài),以得到干預(yù)疲勞效果最好的音樂類型,提出最優(yōu)音樂干預(yù)方案,探索最佳干預(yù)音樂特征。
本文搭建的音樂干預(yù)疲勞駕駛試驗平臺由模擬駕駛系統(tǒng)、疲勞檢測識別系統(tǒng)和音樂干預(yù)系統(tǒng)組成。
1.1.1 模擬駕駛系統(tǒng)
以別克GL8商務(wù)車為載體搭建模擬駕駛系統(tǒng),采用圖馬斯特T150模擬駕駛軟件模擬駕駛交通情況,在車輛前方布置投影屏幕,車頂支架上裝有投影儀和音響;利用4個藤原DSJ370電動千斤頂支撐汽車底盤,使汽車的前輪懸空,微機與驅(qū)動按照特定的方式根據(jù)路況自動調(diào)節(jié)千斤頂?shù)男谐蹋M實際道路顛簸情況。模擬駕駛系統(tǒng)布置如圖1所示。
圖1 模擬駕駛系統(tǒng)布置
以模擬方向盤(如圖2所示)代替別克商務(wù)車原有位置,利用固定運動傳感器模塊MPU6050在模擬方向盤上采集駕駛員的轉(zhuǎn)向操作信息。保留原有的油門和剎車踏板,將OH49E小型多功能線性霍爾傳感器放置在油門和剎車踏板下對應(yīng)的車地板上,踏板下設(shè)有磁鐵,當(dāng)踩下踏板后磁鐵與傳感器發(fā)生距離變化,通過模擬信號采集油門和剎車踏板操縱數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號指令發(fā)送給計算機,如圖3所示。
圖2 模擬方向盤
圖3 踏板與剎車控制板 圖4 運動傳感器 圖5 腦電儀
1.1.2 疲勞檢測識別系統(tǒng)
本文通過采集駕駛?cè)说纳硇畔?,并輔助以車輛行駛狀態(tài)來判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。車輛行駛狀態(tài)識別通過固定在方向盤上的運動傳感器(如圖4所示)模塊MPU6050采集駕駛員方向盤操作姿態(tài),并通過動態(tài)解算和濾波后,將數(shù)字信號傳遞到設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)中,通過積分可以獲得方向盤的變化;生理信息檢測主要通過EmotiveEpoc+14腦電儀(如圖5所示)內(nèi)置的16個傳感器采集腦電信號,利用EEG系統(tǒng)感測并學(xué)習(xí)駕駛員神經(jīng)元電信號,輸出14個頻道的腦電波。
1.1.3 音樂干預(yù)系統(tǒng)
選用TELESKY語音播報模塊,其具有16 GB內(nèi)存,并支持MP3和WAV格式,體積小,存儲容量大,固定在駕駛員前方儀表板右側(cè);聲音播放裝置的最大播放響度為85 dB,布置于駕駛員兩側(cè)。干預(yù)試驗中,通過不同響度、音調(diào)、節(jié)奏確定相應(yīng)歌曲后,由電腦通過USB接口將歌曲導(dǎo)入語音播報模塊,響度通過音量旋鈕調(diào)節(jié),無源喇叭直接驅(qū)動音響進行歌曲播放。音樂干預(yù)與控制模塊如圖6所示。嵌入式系統(tǒng)中的控制CPU采用STM362F103R8T6芯片;腦電儀監(jiān)測腦電波信號,進行音樂干預(yù)效果檢測,各模塊的功能在嵌入式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下完成。
圖6 音樂干預(yù)與控制模塊
搭建好音樂干預(yù)疲勞駕駛試驗平臺后進行試驗平臺驗證,如圖7所示。驗證結(jié)果表明:利用模擬駕駛模塊通過選取不同路段來模擬不同駕駛情形,從而實現(xiàn)不同程度油門、剎車、轉(zhuǎn)向配合下的行車狀態(tài);疲勞檢測識別系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集駕駛員腦電波數(shù)據(jù);音樂干預(yù)模塊可播放選定的歌曲,腦電儀可實時檢測出干預(yù)后的腦電信號。
圖7 音樂干預(yù)疲勞駕駛試驗平臺驗證
試驗采用3因素3水平的正交試驗法,選擇音樂的3個主要特征參數(shù):節(jié)奏、音調(diào)和響度。根據(jù)研究內(nèi)容的特點,排除試驗中其他影響因素,構(gòu)成的正交因素水平表如表1所示。
表1 正交因素水平表
按照3因素3水平設(shè)計正交試驗方案,選擇具體的音樂歌曲和樂曲,正交試驗方案如表2所示。
表2 正交試驗方案
完整試驗時間約為1 h,試驗前對各試驗設(shè)備進行調(diào)試檢查,確保模擬駕駛試驗過程中各設(shè)備均能正常工作,具體步驟如下:
(1) 受試者熟悉駕駛模擬器,工作人員為受試者演示講解有關(guān)模擬駕駛平臺操作的問題,熟悉測試設(shè)備,進行測試,并進行5 min的駕駛調(diào)整。
(2) 工作人員為被試者佩戴無線腦電儀,對所有設(shè)備進行初始化,在屏幕上準(zhǔn)備模擬駕駛試驗的路面場景,除被試者外,測試區(qū)域內(nèi)不得有其他人員。
(3) 被試者佩戴腦電設(shè)備,開始60 min模擬駕駛,駕駛前28 min音樂不介入干預(yù),被試者駕駛28 min后填寫主觀疲勞度調(diào)查問卷,并記錄腦信號。
(4) 被試者開始剩余32 min模擬駕駛?cè)蝿?wù),音樂干預(yù)系統(tǒng)介入,并記錄腦電信號。
(5) 試驗結(jié)束,被試者再次填寫主觀疲勞度調(diào)查問卷。
(6) 完成試驗,存儲試驗數(shù)據(jù),為被試者拆除試驗設(shè)備。
由于腦電指標(biāo)R(α/β)能夠顯著反映被試者的疲勞狀態(tài),因此,本文主要基于R(α/β)來評價不同音樂類型對疲勞駕駛的影響。本試驗中,被試者在駕駛第28 min時音樂系統(tǒng)開始介入疲勞干預(yù),分析音樂干預(yù)12 min后被試者腦電指標(biāo)R(α/β)的變化,如表3所示。其中1組~9組為音樂干預(yù)后的腦電指標(biāo),第10組為無干預(yù)情況下的腦電指標(biāo)數(shù)據(jù)。由表3可以發(fā)現(xiàn),雖然不同的音樂類型干預(yù)后被試者的腦電指標(biāo)R(α/β)均隨駕駛時間的增加呈現(xiàn)上升趨勢,但是相對于無音樂干預(yù),不同音樂類型均對被試者的腦電指標(biāo)的上升具有顯著的抑制效果。結(jié)果表明不同音樂類型均能夠有效抑制駕駛疲勞,但仍不能完全解決駕駛疲勞問題。
表3 音樂干預(yù)后被試者腦電指標(biāo)R(α/β)的試驗結(jié)果
表4 音樂干預(yù)12 min后被試者腦電指標(biāo)變化程度
為了分析音樂特征對疲勞的干預(yù)效果,對音樂干預(yù)后被試者腦電指標(biāo)試驗數(shù)據(jù)進行極差分析。本文選擇駕駛40 min時各因素不同水平正交試驗結(jié)果進行分析,如表5所示。
表5 駕駛40 min時各因素不同水平的正交實驗結(jié)果
設(shè)定Ij為j因素水平“1”的數(shù)據(jù)之和,IIj為j因素水平“2”的數(shù)據(jù)之和;IIIj為j因素水平“3”的數(shù)據(jù)之和。通過分析獲得了駕駛40 min時各因素不同水平的正交試驗極差分析結(jié)果,如表6所示。其中,音樂響度、音調(diào)、節(jié)奏的極差分別為:0.112、0.164、0.085,且R音調(diào)>R響度>R節(jié)奏,表明音樂的音調(diào)(因素B)對駕駛疲勞干預(yù)效果最為明顯。
表6 駕駛40 min時各因素不同水平的正交試驗極差分析結(jié)果
本文通過構(gòu)建音樂干預(yù)疲勞駕駛試驗平臺,采用正交試驗分析方法研究了不同音樂特征對疲勞駕駛腦電指標(biāo)的影響。試驗結(jié)果表明:不同的音樂類型對被試者的疲勞程度均有明顯的抑制作用,且第6種音樂干預(yù)方案(即音樂響度為60 dB~70 dB,音調(diào)為1 000 Hz~7 000 Hz,節(jié)奏為40 b/min~70 b/min時),對被試者疲勞干預(yù)的效果最好,表明響度適中、音調(diào)較高、節(jié)奏舒緩的音樂對疲勞抑制效果顯著;此外,發(fā)現(xiàn)音樂特征中的音調(diào)對駕駛疲勞干預(yù)的影響最明顯。