金 濤，吳正新，何家敏，王文睿，顧浩然

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

重大交通事故大概率是由人的失誤造成[1]，環(huán)境溫度是引發(fā)因素之一[2]。過高或過低的環(huán)境溫度限制了人體喚醒程度，如夏冬兩季的事故率顯著高于春秋兩季，駕駛員在行駛過程中認(rèn)知負(fù)擔(dān)顯著增加。夏季高考(NCEE)成績表明，溫度適宜地區(qū)的考生平均總得分優(yōu)于溫度較高的地區(qū)[3]。在寒冷環(huán)境中，運動員、職業(yè)工人和軍人認(rèn)知判斷的速度顯著下降[4]。環(huán)境溫度是引起人類認(rèn)知能力下降的重要原因。因此，通過認(rèn)知環(huán)境優(yōu)化來降低操作者的認(rèn)知負(fù)載是提高認(rèn)知績效的有效途徑之一。

學(xué)者研究了駕駛中環(huán)境溫度與認(rèn)知績效的關(guān)系，將環(huán)境溫度分為3個區(qū)間，即低溫(5～10 ℃)，中溫(20～25 ℃)和高溫(30～35 ℃)[5-6]。R.R.MACKIE等[7]通過公路測試研究了熱應(yīng)力對駕駛者喚醒程度的影響，結(jié)果表明炎熱環(huán)境中駕駛員出現(xiàn)了更多技術(shù)錯誤，偏離車道路線的趨勢隨之增加；H.DAANEN等[5]記錄了低溫環(huán)境下車輛的橫向位置偏差，結(jié)果表明低溫和高溫時車輛橫向位置的偏差顯著大于中溫，這與J.PILCHER等[8]的研究結(jié)果相似，即過高或過低的環(huán)境溫度都會導(dǎo)致駕駛員認(rèn)知能力的下降；但N.F.CHOWDHURY[6]發(fā)現(xiàn)，3種環(huán)境溫度下車輛在車道內(nèi)的橫向位置沒有顯著差異，車速卻產(chǎn)生了顯著波動，高溫時的車速波動顯著大于中溫和低溫；C.WANG等[9]證實了車速顯著影響了駕駛員的認(rèn)知績效，通過記錄駕駛員注意力的分散時間發(fā)現(xiàn)，車速越高駕駛員的橫向控制能力越差。此外，S.DAFFY[10]通過皮膚電反應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，車速影響了駕駛員的認(rèn)知心理?？梢姡囁偈怯绊戱{駛員認(rèn)知的又一重要因素。在生理層面，一些學(xué)者[11-12]記錄了駕駛?cè)蝿?wù)期間的EEG (electroencephalo gram)，嘗試從生理角度揭示駕駛員的認(rèn)知績效。也有學(xué)者通過與任務(wù)無關(guān)的聽覺探測技術(shù)表明：聽覺ERP (event-related potential) 中N100和P200波形是體現(xiàn)駕駛員認(rèn)知績效的可靠指標(biāo)[13]。

綜上所述，一方面，學(xué)者們對高溫、中溫與駕駛員認(rèn)知績效影響的研究結(jié)論相似，但對低溫下的研究結(jié)果存在爭議；另一方面，前人的研究中沒有考慮初始車速，也鮮有從生理角度揭示認(rèn)知機理。

相對于前人的研究方法，筆者對組合效應(yīng)實驗做出了部分改進。將參與者應(yīng)急響應(yīng)的反應(yīng)時作為績效評估指標(biāo)，更加符合現(xiàn)實應(yīng)用場景；通過車輛的剎車燈以不規(guī)則的時間間隔進行閃爍，降低參與者對知覺負(fù)載的預(yù)期；在選定的溫度下，將不同車速以隨機順序出現(xiàn)，彌補前人研究的空白。腦電實驗通過ERP生理指標(biāo)揭示了環(huán)境溫度和車速的組合效應(yīng)引發(fā)駕駛員自上而下的內(nèi)源性認(rèn)知機理。

1 組合效應(yīng)實驗

1.1 參與者

選取40名在校學(xué)生參加實驗，年齡在20～24歲，均為右利手，持有合法駕駛執(zhí)照1年以上，視力或矯正視力正常，無色盲色弱。所有參與者均未參加過類似實驗, 實驗后會獲得相應(yīng)報酬。

1.2 環(huán)境與設(shè)備

實驗在中國石油大學(xué)(華東)氣候室內(nèi)進行，室內(nèi)溫度精度約為1 ℃，室內(nèi)相對濕度精度約為50%。參與者均提前進入氣候室以適應(yīng)駕駛環(huán)境，在所有溫度條件下，參與者衣服熱阻不超過0.3 clo[14]。實驗采用“易駕星駕駛模擬器”(圖1)，包括1個27寸顯示屏、力反饋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)的方向盤、油門踏板、剎車踏板以及離合器踏板，為減少手動換擋對實驗影響，實驗前將駕駛模擬器調(diào)節(jié)成自動檔模式。

圖1 易駕星駕駛模擬器Fig. 1 EASE TO DRIVE STAR simulator

1.3 實驗流程

實驗采用3(環(huán)境溫度：低、中、高)×3(車速：低、中、高)參與者內(nèi)設(shè)計，即依次在5～10 ℃(低溫)、20～25 ℃(中溫)和30～35 ℃(高溫)下分別進行時長為15 min的模擬駕駛實驗。在選定溫度下，低速(50 km/h)、中速(80 km/h)和高速(110 km/h)隨機順序出現(xiàn)，參與者在3種車速條件下各駕駛5 min，實驗后進行15 min的休息以消除疲勞并準(zhǔn)備下1組實驗。駕駛?cè)蝿?wù)場景由“Unity3D”2020版創(chuàng)建，軟件模擬了平坦道路上車流量較少的交通狀況。在駕駛中，模擬車輛與前方的目標(biāo)車輛保持恒定距離，參與者需對應(yīng)急事件做出制動反應(yīng)，即前車剎車燈亮起時，參與者需做出制動反應(yīng)，若未采取制動則視為錯過響應(yīng)。前方車輛剎車燈以不規(guī)則的時間間隔閃爍500 ms。為保持預(yù)定速度，當(dāng)參與者踩下制動踏板時汽車并未減速，制動踏板的使用實際為駕駛中的響應(yīng)任務(wù)，而不是真正的制動。實驗結(jié)束后，采用李克特(Likert)7點量表對參與者駕駛感受進行評分。

1.4 實驗結(jié)果

對參與者踩下制動踏板的平均反應(yīng)時進行統(tǒng)計，依據(jù)數(shù)據(jù)異常值處理方法[15]，分析過程中排除了2.5%的實驗數(shù)據(jù)。3種環(huán)境溫度范圍中不同車速的平均反應(yīng)時如圖2。

圖2 三種溫度下不同車速的平均反應(yīng)時Fig. 2 Average response time of different vehicle speeds at threetemperatures

將平均反應(yīng)時進行3×3重復(fù)測量方差分析，結(jié)果表明：環(huán)境溫度主效應(yīng)顯著(F=371.25，p<0.01；F值為F檢驗的統(tǒng)計量值，p值為概率值)，駕駛中環(huán)境溫度對認(rèn)知績效有顯著影響；速度主效應(yīng)顯著(F=37.46，p<0.05)，速度對認(rèn)知績效有顯著影響；環(huán)境溫度與車速的交互效應(yīng)顯著(F=35.28，p<0.05)。對環(huán)境溫度主效應(yīng)進行事后多重比較(LSD)的結(jié)果表明：中溫的平均反應(yīng)時(523 ms)顯著低于高溫的平均反應(yīng)時(817 ms)和低溫的平均反應(yīng)時(659 ms)，(p<0.01)，表明中溫環(huán)境下駕駛員的認(rèn)知績效得到了改善。對駕駛速度主效應(yīng)進行事后多重比較的結(jié)果表明：低速的平均反應(yīng)時(648 ms)顯著低于中速的平均反應(yīng)時(702 ms)和高速的平均反應(yīng)時(715 ms)，(p<0.05)。

環(huán)境溫度與駕駛車速的交互效應(yīng)如圖3，進行簡單效應(yīng)分析，結(jié)果如下：

圖3 環(huán)境溫度與車速的交互效應(yīng)Fig. 3 Interaction between ambient temperature and vehicle speed

1)低溫條件下，低速、中速和高速的平均反應(yīng)時兩兩間均差異顯著(p<0.05)。中溫條件下，高速的平均反應(yīng)時顯著低于中速和低速時(p<0.05)，中速和低速時的平均反應(yīng)時無顯著差異(p>0.05)。高溫條件下，低速和中速的平均反應(yīng)時差異顯著(p<0.05)，中速和高速的平均反應(yīng)時無顯著差異(p>0.05)。

2)低速行駛時，中溫的平均反應(yīng)時顯著低于高溫時(p<0.01)，低溫和中溫時的平均反應(yīng)時無顯著差異(p>0.05)。中速和高速行駛時，3種溫度下平均反應(yīng)時兩兩之間差異顯著(p<0.01)。

駕駛過程中車速的影響不可避免，結(jié)合參與者的制動反應(yīng)時間和主觀評價，為將車速的負(fù)面影響最小化，僅保留了不同環(huán)境溫度下的最優(yōu)車速，以研究不同環(huán)境溫度下的駕駛員認(rèn)知機理差異。對低溫-低速、中溫-高速和高溫-低速3種組合效應(yīng)進行單因素方差分析，如圖4。由圖4可知：3種組合效應(yīng)對認(rèn)知績效的影響差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，(F=31.47，p<0.01)。事后分析顯示，中溫-高速組合平均反應(yīng)時顯著少于低溫-低速組合(p<0.05)和高溫-低速組合(p<0.01)。

圖4 三種組合效應(yīng)下的平均反應(yīng)時Fig. 4 Average response time under three combination effects

1.5 小 結(jié)

組合效應(yīng)實驗研究了不同環(huán)境溫度下參與者認(rèn)知績效的影響差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：參與者在中溫環(huán)境下的平均反應(yīng)時間顯著低于低溫和高溫環(huán)境，舒適的溫度環(huán)境有助于認(rèn)知的提升；但車速是阻礙參與者認(rèn)知的重要因素，低速的平均反應(yīng)時顯著低于高速和中速。以上表明，環(huán)境溫度和車速共同影響了駕駛員的認(rèn)知績效。為將車速的負(fù)面影響最小化，僅保留了不同環(huán)境溫度下的最優(yōu)車速進一步研究。在低溫-低速、中溫-高速和高溫-低速3種溫度組合效應(yīng)下，駕駛員的認(rèn)知績效與喚醒水平呈現(xiàn)倒U形關(guān)系，認(rèn)知績效隨著環(huán)境溫度的提高先上升后下降，駕駛員的制動反應(yīng)時間隨著溫度的升高先下降后上升。在中溫-高速組合下駕駛員應(yīng)急反應(yīng)時有效降低，駕駛安全性顯著提升，此時的參與者主觀評價最高。據(jù)推測，復(fù)雜的駕駛?cè)蝿?wù)環(huán)境會導(dǎo)致駕駛員主觀認(rèn)知努力程度的加深，從而犧牲了制動性能。

為揭示最優(yōu)車速下的3種組合效應(yīng)對認(rèn)知績效的影響機理，腦電實驗在組合效應(yīng)實驗基礎(chǔ)上采集腦電數(shù)據(jù)作進一步分析。

2 腦電實驗

2.1 參與者

選取40名在校生參加了實驗，所有參與者均未參加組合效應(yīng)實驗，其余要求與組合效應(yīng)實驗保持一致。

2.2 實驗流程與設(shè)備

在低溫-低速、中溫-高速和高溫-低速3種組合效應(yīng)條件下，使用Neuroscan EEG系統(tǒng)和包含64個Ag/AgCl電極帽連續(xù)記錄腦電圖(EEG)信號，基于擴展的國際10～20系統(tǒng)放置電極。參考文獻[12]，以雙耳乳突作為參考電極，所有的EEG電極阻抗均保持在5 kΩ以下，并通過Curry 7.0以1 000 Hz速率采樣，并以0.1～30.0 Hz之間進行帶通濾波。參與者在整個駕駛?cè)蝿?wù)中佩戴無線EEG帽，其余條件與組合效應(yīng)實驗相同。

2.3 與駕駛?cè)蝿?wù)無關(guān)的聽覺探測刺激

聽覺探測刺激被用作輔助任務(wù)來引發(fā)ERP，探測刺激與文獻[16]一致，刺激序列以大約75 dB/SPL的頻率提供，由500～1600 Hz的12個純音組成，音調(diào)出現(xiàn)順序隨機，每個音調(diào)的持續(xù)時間為50 ms(包括10 ms的上升和下降時間)，刺激間隔從400～800 ms(平均值M=600 ms)不等，每組實驗中共呈現(xiàn)75個刺激。

在探測技術(shù)中參與者執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)的同時離散地呈現(xiàn)聽覺刺激，并且要求參與者忽略探測刺激。探測刺激的呈現(xiàn)不會干擾駕駛?cè)蝿?wù)，未有參與者因聽覺刺激的呈現(xiàn)而感到不適。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

離線數(shù)據(jù)通過應(yīng)用Curry 7.0 SBA進行處理。為計算由聽覺刺激引起的事件相關(guān)電位(ERP)，從刺激開始前200 ms到刺激開始后800 ms計算EEG信號。此外，對刺激開始前的200 ms內(nèi)的腦電信號進行基線校正并去除眼動偽影，振幅大于50 μV的時期(平均0.5%的時期)被排除在外。隨后分別對每個通道和刺激類型的事件相關(guān)電位進行平均，然后用單個參與者的ERP，得到總平均波形用于顯示和分析。

參考文獻[17]，從選定的15個電極位置(FP1，F(xiàn)Pz，F(xiàn)P2，F(xiàn)3，F(xiàn)z，F(xiàn)4，C3，Cz，C4，P3，Pz，P4，O1，Oz和O2)分析了N100和P200成分。以上電極對應(yīng)著5個腦區(qū)：額極區(qū)(FP1，F(xiàn)Pz，F(xiàn)P2)，額葉區(qū)(F3，F(xiàn)z，F(xiàn)4)，中央?yún)^(qū)(C3，Cz，C4)，頂區(qū)(P3，Pz，P4)和枕區(qū)(O1，Oz和O2)。N100(在100 ms左右出現(xiàn)的負(fù)波)和P200(在200 ms左右出現(xiàn)的正波)波形的平均振幅分別在50～150 ms和150～250 ms[18]時間區(qū)間內(nèi)測量得到，通過重復(fù)測量方差方法分析了測量結(jié)果。

2.5 ERP結(jié)果

50～250ms內(nèi)不同腦區(qū)的N100和P200波形振幅的平均值(M)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)，如表1、表2。

表1 在50～150 ms內(nèi)不同腦區(qū)N100波形振幅的M和SDTable 1 Average value (M) and standard deviation (SD) of N100amplitudes in different brain regions within 50-150 ms μV

表2 在150～250 ms內(nèi)不同腦區(qū)P200波形振幅的M和SDTable 2 Average value (M) and standard deviation (SD) of P200amplitudes in different brain regions within 150-250 ms μV

對“組合效應(yīng)”(3個組合：低溫-低速，中溫-高速，高溫-低速)和“電極部位”(5個級別：額極，額葉，中央，頂葉和枕葉)進行3×5重復(fù)測量方差分析。

N100波形振幅方差分析結(jié)果表明：組合效應(yīng)和電極位置之間沒有交互作用(F=2.42，p>0.05)；組合效應(yīng)主效應(yīng)顯著(F=16.98，p<0.01)，在50～150 ms的時間范圍內(nèi)，中溫-高速組合下N100振幅更低；電極部位也具有顯著影響(F=128.52，p<0.01)。事后分析顯示，額葉區(qū)引起的N100振幅顯著大于其他腦區(qū)(p<0.01)。

P200波形振幅方差分析結(jié)果表明：組合效應(yīng)和電極位置間沒有相互作用(F=2.36，p>0.05)；組合效應(yīng)主效應(yīng)顯著(F=13.69，p<0.01)，在150～250 ms的時間范圍內(nèi)，中溫-高速組合下P200振幅更高；電極部位具有顯著影響(F=47.79，p<0.01)。事后分析顯示，額葉區(qū)引起的P200振幅顯著大于其他腦區(qū)(p<0.01)。

-200～800 ms內(nèi)額葉區(qū)域不同組合效應(yīng)下平均N100波形和P200波形如圖5。由圖5可知：在中溫-高速組合下，N100波形顯著低于低溫-低速組合和高溫-低速組合，而P200波形顯著高于低溫-低速組合和高溫-低速組合；3種組合效應(yīng)下額葉區(qū)域的N100波形和P200波形的平均振幅兩兩間均差異顯著。由如圖6腦區(qū)地形圖可知，N100和P200平均振幅具有中央分布的典型特征。

圖5 在-200～800 ms額葉區(qū)域電極的ERP波形的平均值Fig. 5 The average value of the ERP waveform of theelectrodes in the frontal areas between -200 and 800 ms

圖6 3種組合效應(yīng)下N100和P200平均振幅的地形圖Fig. 6 Topographic map of the average amplitude ofN100 and P200 under three combination effects

2.6 小 結(jié)

腦電實驗證明，環(huán)境溫度和車速的組合效應(yīng)顯著刺激了大腦的額葉區(qū)域，中溫-高速組合效應(yīng)中N100波形的振幅顯著下降，P200波形的振幅顯著升高；且N100波形和P200波形符合中央分布的ERP典型特征。不同駕駛環(huán)境下駕駛員的認(rèn)知可通過腦電信號的變化體現(xiàn)出來，與文獻[19]一致，當(dāng)參與者體驗到主觀駕駛樂趣或困難時，與任務(wù)無關(guān)的聽覺探針引起的ERP的振幅會降低?？傮w而言，N100和P200波形的振幅與駕駛員的認(rèn)知工作量存在相關(guān)性，因此中溫-高速組合效應(yīng)反應(yīng)時少于低溫-低速組合和高溫-低速組合，從腦神經(jīng)認(rèn)知角度解釋了3種組合效應(yīng)對認(rèn)知績效的影響機理。

在中溫-高速組合效應(yīng)下，額葉區(qū)域的N100波形的平均振幅均顯著低于其他組合，駕駛員的主觀駕駛樂趣評分較高，故駕駛員獲得了較好的認(rèn)知表現(xiàn)。

高溫-低速組合及低溫-低速組合效應(yīng)下駕駛員的認(rèn)知績效將顯著降低。高溫-低速組合效應(yīng)下駕駛員制動反應(yīng)時較長的原因如下：高溫下額葉區(qū)域的P200波形平均振幅均顯著低于其他水平，駕駛員的主觀駕駛困難感較高；人體對環(huán)境溫度敏感度高，尤其是高溫容易造成駕駛員認(rèn)知能力下降，在溫度相關(guān)的研究中[3,20]可以得到驗證；溫度的升高還會影響人體的血液循環(huán)，導(dǎo)致供給大腦的血液減少從而產(chǎn)生困意，這也是造成駕駛員認(rèn)知績效下降的重要原因。

低溫組合下額葉區(qū)域的N100和N200波形的振幅均與中溫、高溫組合兩兩間均存在差異顯著，這解釋了3種溫度環(huán)境下的制動反應(yīng)時均存在顯著影響的根本原因。低溫-低速組合效應(yīng)中駕駛員制動反應(yīng)時較長的原因如下：低溫時駕駛員認(rèn)知占據(jù)量較大、操作敏捷性大幅降低，但有些參與者在實驗過程中發(fā)抖也可能會干擾駕駛?cè)蝿?wù)。盡管有大量證據(jù)表明低溫會導(dǎo)致人體認(rèn)知能力的下降，但也有證據(jù)表明暴露于低溫環(huán)境下會改善認(rèn)知能力[21]。目前的研究中，低溫區(qū)間的劃分未達成共識，參與者暴露于低溫環(huán)境下的時間也不同。

3 結(jié) 論

不適的環(huán)境溫度限制了人體認(rèn)知能力，優(yōu)化駕駛員認(rèn)知環(huán)境是減少交通事故的有效途徑之一。筆者探討了不同駕駛環(huán)境任務(wù)下駕駛員的認(rèn)知表現(xiàn)，基于最優(yōu)車速對組合效應(yīng)進行“行為-生理”的綜合探究。結(jié)論如下：

1)環(huán)境溫度與車速共同影響了駕駛員的認(rèn)知績效，其中車速起調(diào)節(jié)作用。低溫或高溫環(huán)境下車速過高會干擾駕駛?cè)蝿?wù)；而中溫環(huán)境下高速行駛駕駛員能夠維持良好的駕駛表現(xiàn)。駕駛者處于高溫或低溫環(huán)境時極易引發(fā)認(rèn)知資源的稀釋，從而犧牲了制動性能。以上基于不同環(huán)境溫度下的最優(yōu)車速，揭示了低溫-低速、中溫-高速和高溫-低速的組合效應(yīng)的認(rèn)知機理。

2)環(huán)境溫度引發(fā)了參與者自上而下的內(nèi)源性認(rèn)知差異。通過ERP生理技術(shù)監(jiān)測了腦區(qū)的活動差異，N100和P200可作為實時監(jiān)測駕駛員認(rèn)知的可靠信號，為駕駛員認(rèn)知績效的評估提供依據(jù)，也為車內(nèi)環(huán)境溫度的智能調(diào)控提供新的思路。

為減少其他因素給實驗結(jié)果帶來負(fù)面影響，模擬駕駛是在短期氣候室內(nèi)進行的。由于疫情影響，參與者選擇了在校學(xué)生。以后的研究中將考慮不同年齡的參與者樣本進行封閉道路的駕駛，采用連續(xù)的溫度區(qū)間深入研究環(huán)境溫度與駕駛認(rèn)知機制間的映射模型。