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汽車乘員不舒適感的客觀表征研究

2020-10-20 23:28:18·  來源：《同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》2019年第47卷第S1期  作者：同濟大學(xué)智能汽車研究所，蒙昊藍，陳君毅，邢星宇，陳磊，余卓平  
　
編者按：隨著自動駕駛技術(shù)研究的不斷深入，除對功能可靠性、安全性等基本性能的要求外，將產(chǎn)生更多對行駛質(zhì)量的要求，研究重點將逐漸由技術(shù)的可行性問題向乘員的
編者按：隨著自動駕駛技術(shù)研究的不斷深入，除對功能可靠性、安全性等基本性能的要求外，將產(chǎn)生更多對行駛質(zhì)量的要求，研究重點將逐漸由技術(shù)的可行性問題向乘員的舒適性問題轉(zhuǎn)變。然而現(xiàn)階段關(guān)于自動駕駛汽車的評價缺少對于乘員舒適性的關(guān)注，特別是對由自動駕駛汽車行駛行為所引起的各類環(huán)境變化帶給乘員的舒適性問題缺乏研究。本文通過視覺和平衡覺的不同組合方案的試驗設(shè)計與實施，分析了能夠反映乘員不舒適感的生理特征，從而為自動駕駛汽車乘員舒適性客觀評價提供依據(jù)。
 
摘要：傳統(tǒng)汽車乘員出于對駕駛員駕駛行為的不信任，會表現(xiàn)出緊張、焦慮的不適感，這些現(xiàn)象同樣存在于自動駕駛汽車，是有別于平順性的舒適性問題。獲得可表征汽車乘員舒適性的生理指標，是研究該問題的關(guān)鍵。對此，設(shè)計了實車試驗，記錄了12 名受訪者在特定工況下的生理和眼動數(shù)據(jù)；基于數(shù)據(jù)的時域、頻域分析和假設(shè)檢驗方法，研究了乘員在不舒適狀態(tài)下的生理和行為特征變化情況。結(jié)果顯示，受訪者的不舒適感主要來自于視覺信息和極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度，不含平衡覺信息；平均心率、最大心率、心率變異性極低頻功率、皮膚電導(dǎo)水平、瞳孔直徑與不舒適狀態(tài)呈現(xiàn)正相關(guān)，心率變異性RMSSD、眨眼頻率呈現(xiàn)負相關(guān)，且其變化規(guī)律存在差異；但心率變異性頻域指標中的低頻功率、高頻功率和總功率尚不足以被證明有統(tǒng)計學(xué)意義。據(jù)此，上述心電、皮膚電活動、眼部活動3類數(shù)據(jù)中存在顯著統(tǒng)計學(xué)差異的7項指標，可被用于表征汽車乘員的舒適狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：汽車；舒適性；生理指標；假設(shè)檢驗

1 前言

自動駕駛技術(shù)作為未來汽車發(fā)展的一大主題，在世界范圍內(nèi)已得到廣泛的研究，各大汽車公司都在競相將自動駕駛汽車推向市場。隨著自動駕駛技術(shù)研究的不斷深入，除對功能可靠性、安全性等基本性能的要求外，將產(chǎn)生更多對行駛質(zhì)量的要求，研究重點將逐漸由技術(shù)的可行性問題向乘員的舒適性問題轉(zhuǎn)變。

舒適性包括的內(nèi)容極其廣泛，須結(jié)合工程學(xué)、物理學(xué)、心理學(xué)及生理學(xué)等多方面學(xué)科知識，從人的感覺對其進行評價。對于傳統(tǒng)汽車車內(nèi)人員的舒適性而言，它主要受溫度、噪聲、振動等因素的影響，取決于車輛設(shè)計參數(shù)，已形成成熟的NVH（noise/vibration/harshness）、熱舒適等理論。但因傳統(tǒng)汽車行駛行為完全由人類駕駛員控制，現(xiàn)有研究并未對汽車行駛狀態(tài)引起的乘員舒適性問題給予足夠的重視。對此，有學(xué)者從人機工程學(xué)的角度分析傳統(tǒng)駕駛、非駕駛?cè)蝿?wù)和完全自動駕駛狀態(tài)下的乘員坐姿，針對自動駕駛技術(shù)可能誘發(fā)的暈車問題展開了討論，提出了關(guān)于自動駕駛汽車暈動癥問題的解決思路。此外，有學(xué)者研究了不同年齡及不同駕駛風格的用戶對自動駕駛功能的接納度的差異。

由于自動駕駛汽車具備自主行駛的能力，其行駛行為的優(yōu)劣完全由環(huán)境感知性能、決策規(guī)劃原則、運動跟蹤能力等因素決定，是自動駕駛汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車特有的性能表現(xiàn)。相較于由人類駕駛的傳統(tǒng)汽車而言，自動駕駛汽車有條件具備更出色的運動控制和車間協(xié)同能力，當需要追求最大化的通行效率時，自動駕駛汽車甚至能以人類駕駛者難以企及的車距、車速和路徑進行隊列或交互行駛。當自動駕駛汽車行駛時，車輛運動狀態(tài)和外界環(huán)境的變化將主要通過視覺和平衡覺兩種感覺通道對乘員舒適性產(chǎn)生影響，例如劇烈的加速度變化會刺激人體的前庭器官造成乘員眩暈，又或是過小的障礙物間距會引起乘員緊張。

雖然上述生理和心理的乘員不舒適性問題表現(xiàn)為人體的主觀感受，但有學(xué)者基于人體生理系統(tǒng)，對人體情緒狀態(tài)、心理感受與生理反應(yīng)進行了探討，證明了主觀感受由生理指標進行量化表征的可行性，相關(guān)研究也表明生理活動是精神活動的前提基礎(chǔ)，主觀感受離不開相應(yīng)的生理狀態(tài)。

因此，通過關(guān)系建模可利用生理指標對人體主觀感受進行客觀表征。對于傳統(tǒng)車輛駕駛員而言，該研究思路已得到了廣泛應(yīng)用。例如，有學(xué)者研究了心率和腦電信號與擁堵道路中駕駛員主觀感受的對應(yīng)關(guān)系；有學(xué)者選取了駕駛員心率變異性的相關(guān)生理指標，研究了路面不平度引起的主觀駕駛舒適度問題；還有學(xué)者選取了手掌和前額的汗液量、心率變化率和面部溫度三個生理指標，對駕駛員的駕駛?cè)蝿?wù)難度和心理壓力水平進行了客觀表征。對于自動駕駛汽車而言，也有學(xué)者通過搭建駕駛模擬器，研究乘員在使用自適應(yīng)巡航控制（ACC）功能過程中處于不舒適狀態(tài)下的生理反應(yīng)，獲得了在模擬駕駛環(huán)境中乘員的生理指標的變化趨勢。

綜上，現(xiàn)階段關(guān)于自動駕駛汽車的評價缺少對于乘員舒適性的關(guān)注，特別是對由自動駕駛汽車行駛行為所引起的各類環(huán)境變化帶給乘員的舒適性問題缺乏研究。在乘車過程中，人體對外部物體的感知是基于多通道信息的，通過整合來自不同感覺通道的信息，乘員可以更加準確地感知外界環(huán)境，并做出合理的反應(yīng)。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，多通道信息整合指人腦把來自不同通道的信息整合并形成整體認知的過程。據(jù)此，擬從影響心理舒適性的視覺和影響生理舒適性的平衡覺入手，對車輛行駛行為引起的乘員舒適性問題進行研究。對此，篩選和提取能夠表征汽車乘員舒適性的生理指標，是開展這一系列研究的關(guān)鍵，這是本文的主要研究目的。通過視覺和平衡覺的不同組合方案的試驗設(shè)計與實施，分析并篩選能夠反映乘員不舒適感的生理特征，從而為提取生理指標提供依據(jù)。

2 實驗設(shè)計

2.1 前提假設(shè)

關(guān)于利用生理指標來推斷心理狀態(tài)有較多的研究，這些研究結(jié)果為本研究提供了參考。例如，學(xué)者們采集心電信號，通過心率和心率變異性參數(shù)來研究駕駛員在模擬或真實道路環(huán)境中的精神壓力、工作負荷等指標，通常認為隨著壓力和負荷的增加，心率會上升，心率變異性會下降。本文研究的不舒適狀態(tài)可以看作一種類似的應(yīng)激反應(yīng)，因此受訪者的心率和心率變異性的變化預(yù)期是增加和降低。另外，心率變異性的頻域分析中的指標也將納入分析范圍，并將通過假設(shè)檢定檢驗其變化的顯著性。其中，極低頻功率可能與體溫調(diào)節(jié)、腎素–血管緊張素系統(tǒng)以及體液因子的調(diào)節(jié)機制相關(guān)；低頻功率可以表現(xiàn)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的聯(lián)合作用；高頻功率可體現(xiàn)迷走神經(jīng)活動；總功率則表現(xiàn)信號的總變異性。

皮膚電在生理心理學(xué)領(lǐng)域也被廣泛研究。通過測量皮膚電反射，能夠獲取一系列皮膚電活動參數(shù)。一般而言，皮膚電導(dǎo)水平（SCL）能夠反映人體的覺醒程度、警覺程度、精神壓力、腦力負荷等信息。當人體處于不舒適狀態(tài)時，皮膚電導(dǎo)水平的增加代表更高的警覺性和覺醒程度。因此，受訪者的皮膚電導(dǎo)水平預(yù)期將上升并出現(xiàn)峰值。

此外，人眼作為視覺感知器官，該器官的各類指標被認為能夠表征認知負荷、壓力程度、疲勞程度、情感狀態(tài)、注意力等信息。通常認為，瞳孔直徑會隨著任務(wù)難度、心理負荷、緊張情緒等的增加而增大；眨眼頻率會隨著任務(wù)復(fù)雜程度的增加而下降。因此，在試驗過程中受訪者的瞳孔直徑和眨眼頻率預(yù)期將會分別出現(xiàn)增大和降低的變化。另外，還將記錄受訪者的視線軌跡，用于分析受訪者接收到的視覺信息。表1為上述各指標在不舒適狀態(tài)下的預(yù)期變化情況匯總。

表1 各項生理指標在不舒適狀態(tài)下的預(yù)期變化情況 
汽車乘員不舒適感的客觀表征研究
 
2.2 場景設(shè)計與試驗流程

本文選擇通過基于實車試驗的場景設(shè)計，通過視覺和平衡覺信息來激發(fā)受訪者的不舒適狀態(tài)。選擇實車試驗，主要是為了避免駕駛模擬器一般存在的試驗干擾，包含與真實車輛的駕乘感受相比，駕駛模擬器在營造速度感方面存在不足、完全沒有碰撞風險較難激發(fā)受訪者的緊張情緒所帶來的視覺輸入誤差，以及駕駛模擬器易引發(fā)的暈動癥問題給平衡覺輸入帶來的干擾。同時，為了保證試驗的安全性，選由專業(yè)試車員根據(jù)預(yù)設(shè)場景，駕駛試驗車輛在封閉測試區(qū)內(nèi)完成試驗。

如圖1所示，試驗在封閉測試區(qū)的一條筆直的雙向四車道模擬國道的單側(cè)兩車道上進行。在右側(cè)車道近端堆放有一排紙箱，在左側(cè)車道遠端放置了一輛靜止的模擬目標車，環(huán)境實景圖如圖2所示。車輛經(jīng)由右側(cè)車道加速至60 km·h−1后，勻速行駛接近紙箱，進行向左變道避讓后立即減速避讓模擬目標車，并停止在目標車前方。在試驗過程中，每位受訪者將經(jīng)歷2次行駛過程，其中第1次為對照組，并用于統(tǒng)一不同受訪者對試驗的預(yù)期，避免因不同受仿者對試驗內(nèi)容的預(yù)期不同導(dǎo)致的主觀感受的明顯差異；第2次為正式試驗，用于激發(fā)受訪者的不舒適狀態(tài)。試驗工況如表2所示，其中TTC（time to collision）即為碰撞時間。 

圖1 試驗場景示意圖
 
汽車乘員不舒適感的客觀表征研究1
圖2 試驗環(huán)境實景圖

表2 試驗工況設(shè)置情況


在試驗過程中所有受訪者乘坐在試驗車輛的副駕駛座位（圖3），并佩戴生理多導(dǎo)儀和眼動儀設(shè)備。每次試驗后，由乘坐于試驗車輛后排的記錄員通過量表對受訪者在當次試驗過程中的主觀感受進行記錄。
 
 
圖3 實驗過程中車內(nèi)視頻采集截圖
 
3 樣本數(shù)據(jù)

3.1 受訪者情況

本研究共招募了12名受訪者，其中男性8名，女性4名，年齡分布在21歲至28歲之間（平均值M=23歲，標準差SD=2.0）。由于本次試驗需要通過眼動儀采集眼部數(shù)據(jù)，因此受訪者被要求能夠在日常生活中不佩戴框架眼鏡；為避免數(shù)據(jù)采集誤差，受訪者被要求不存在于體格檢查時因佩戴生理監(jiān)測設(shè)備造成生理指標異常的過往記錄。

3.2 試驗設(shè)備與用途

為了采集受訪者生理指標，選用了BioRadio（BR）生理多導(dǎo)儀（圖4a）采集心電、皮膚電信號。對于上述信號分別通過粘貼于胸部、手掌內(nèi)側(cè)的電極片進行測量，由這些測量信號可獲得心率、心率變異性、皮膚導(dǎo)電水平等數(shù)據(jù)。為了采集受訪者眼部生理活動，選用了SMI Eye Tracking Glasses 2（SMIETG 2）眼動儀（圖4b）記錄眼動信息，包含眨眼頻率、瞳孔直徑、視線焦點等數(shù)據(jù)。為了避免實車環(huán)境下較強環(huán)境光對眼動儀瞳孔檢測的干擾，有6位受訪者佩戴了額外增加的茶色濾光片。此外，還使用了Intelligent Test Terminal（iTT）高精度定位測試儀（圖4c）同步記錄車輛運動狀態(tài)、位姿數(shù)據(jù)和乘員軀干、四肢的視頻數(shù)據(jù)，并調(diào)用了場地內(nèi)監(jiān)控攝像頭記錄試驗路段整體和障礙物位置局部的視頻數(shù)據(jù)。

圖4 主要試驗設(shè)備

除受訪者的主觀感受通過量表記錄外，其余試驗數(shù)據(jù)均通過上述設(shè)備完成采集。由于試驗設(shè)備來自不同廠商，因此在試驗過程中均獨立采集和記錄數(shù)據(jù)，并在結(jié)果分析時通過世界調(diào)整時間（UTC）進行不同數(shù)據(jù)間的時間同步。各試驗設(shè)備的采樣頻率如表3所示。

表3 試驗設(shè)備采集頻率
 
3.3 假設(shè)檢驗

由于本研究樣本含量較小，擬采用t檢驗中的配對檢驗，來驗證指標變化差異的統(tǒng)計學(xué)意義。t檢驗通過運用t分布理論來推論差異發(fā)生的概率，從而比較兩個平均數(shù)的差異是否顯著。其計算公式如下。

 
式中：，為配對樣本差值的平均數(shù)；為配對樣本差值的標準偏差；n為配對樣本數(shù)；μ0為與總體均值μ進行比較的已知常數(shù)。
 
4 試驗結(jié)果

4.1主觀感受量表

主觀感受量表記錄了受訪者在乘坐試驗車輛逼近紙箱的過程中感受到的緊張程度、車輛變道時極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度的不舒適程度、車輛變道時距離障礙物縱向距離的不舒適程度、車輛變道時的眩暈程度和假設(shè)自動駕駛狀態(tài)下對車輛該行為的接管意愿程度，共5個類別，分別以1至5等級進行主觀判斷，分別代表完全不存在該項感受、非常具有該項感受。其中，試驗序號2的量表數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 主觀感受量表統(tǒng)計結(jié)果對比

主觀感受量表中，主要通過緊張程度、縱向距離不舒適程度以及側(cè)向加速度不舒適程度來描述受訪者的心理不舒適程度，通過側(cè)向加速度不舒適程度和眩暈程度來描述受訪者的生理不舒適程度，并通過接管意愿程度來間接反映受訪者的整體不舒適程度。根據(jù)結(jié)果，大部分受訪者在試驗序號2中當車輛逼近紙箱時，均處于比較緊張的狀態(tài)，僅2名受訪者表示因認為與紙箱的碰撞不會發(fā)生危險，故而沒有達到面對真實障礙物時的緊張程度；所有受訪者均認為緊急變道時的側(cè)向加速度處于比較不舒適的狀態(tài)；大部分受訪者認為車輛實施變道避讓時距離障礙物的距離過近；大部分受訪者表達了對車輛行為的強烈接管意愿，其中1名受訪者出于好奇選擇容忍車輛行為。此外，除12號受訪者認為緊急變道時存在眩暈感外，其余所有受訪者均表示該工況完全沒有眩暈感。

通過與試驗序號1的緊張程度量表數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢測可知，TTC約為4.0 s的小方向盤轉(zhuǎn)角變道避讓障礙物時的受訪者緊張程度為1.75±0.75，TTC約為0.5 s的緊急變道避讓障礙物時的受訪者緊張程度為3.75±0.87，可以認為TTC較小時的緊急變道對受訪者的緊張程度有影響（t=−8.124，P=0.000）。根據(jù)受訪者描述，試驗序號2過程中導(dǎo)致緊張情緒的主要原因有離障礙物距離過近、擔心與障礙物發(fā)生碰撞、突然緊急變道、車輛無明顯減速意圖等。此外，側(cè)向加速度不舒適程度（t=16.248，P=0.000）、縱向距離不舒適程度（t=7.239，P=0.000）和接管意愿（t=−7.216，P=0.000）均體現(xiàn)了統(tǒng)計學(xué)差異，而眩暈程度（t=1.000，P=0.339）尚不能被認為受到了行駛工況差異的影響。因此，可推斷在試驗序號2過程中，受訪者均感受到的不舒適主要來自于視覺信息和極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度，未包含平衡覺信息。

4.2 心臟電活動

A．心率

心率數(shù)據(jù)通過將BR 生理多導(dǎo)儀采集的原始心電信號進行計算獲得。以如圖6所示的6號受訪者在試驗序號2過程中的原始心率數(shù)據(jù)為例，當試驗車輛逼近障礙物時，心率出現(xiàn)拐點，開始明顯上升，并隨后出現(xiàn)峰值。

圖6 6號受訪者心率信號
 
由于通常認為當TTC小于6 s時，駕乘人員易出現(xiàn)不舒適情緒，因此截取了試驗過程二中TTC等于6s起的30 s時段的心率信號，并將之與試驗開始前的30 s心率信號進行對比，用于分析心率幅值的變化。通過對比這兩個時段內(nèi)的平均心率（圖7a）和最大心率（圖7b）可以發(fā)現(xiàn)，試驗開始前受訪者的平均心率為（71.42±7.74）次·min−1、試驗過程中的平均心率為（76.92±8.88）次·min−1，存在顯著上升且具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=−6.281，P=0.000）；試驗開始前的最大心率為（76.92±8.88）次·min−1、試驗過程中TTC=0 s時的最大心率為（93. 75±6. 01）次·min−1，也存在顯著上升且具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=−6.865，P=0.000）。經(jīng)統(tǒng)計，兩個時段內(nèi)平均心率的變化程度為（11.93±6.35）%，最大心率的變化程度為（17.88±8.65）%。除幅值外，心率信號還存在一個明顯上升拐點和一個峰值點。經(jīng)統(tǒng)計，受訪者心率出現(xiàn)明顯變化時的TTC為（3.82±1.25）s，心率出現(xiàn)峰值時車輛已駛過障礙物，滯后時間為（5.45±2.58）s。

圖7.平均心率及最大心率統(tǒng)計結(jié)果

B．心率變異性

為了分析心率變異性的變化趨勢，首先提取了BR生理多導(dǎo)儀采集的心電信號兩個R波間的RR間期，再進一步計算了心率變異性的各指標。同樣，對心率變異性的分析仍舊選用試驗序號2中TTC等于6s起的30 s的心電信號和試驗開始前的30 s心電信號。

在心率變異性的時域分析中，分別計算了兩個時間段內(nèi)的心率變異性相鄰RR 間期差值的均方根RMSSD，即全部相鄰RR間期長度之差的均方根值。如圖8 所示，試驗開始前的RMSSD 值為（52. 86±16. 98）ms，試驗過程中的RMSSD 值為（31.22±12.03）ms，存在明顯的下降且存在統(tǒng)計學(xué)意義（t=9.905，P=0.000）。經(jīng)統(tǒng)計，兩個時段內(nèi)心率變異性RMSSD值的變化程度為（73.61±27.22）%。
圖8 心率變異性RMSSD統(tǒng)計結(jié)果

除時域分析外，心率變異性的頻域指標通常被認為受人體神經(jīng)活動的活躍程度影響，因此還分別計算了上述時段內(nèi)的心率變異性的極低頻功率。

如圖9所示，極低頻功率（圖9a）表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，在試驗開始前為（171.67±281.12）ms2，試驗過程中為（860.50±589.08）ms2，說明試驗過程中的不適感對該指標有影響（t=−4.858，P=0.001）；低頻功率（圖9b）的變化趨勢不明顯，在試驗開始前為（1 771. 33±2 013. 68）ms2，試驗過程中為（1322. 08±1311.65）ms2，因而尚不能認為試驗過程對該指標有影響（t=0.916，P=0.380）；高頻功率（圖9c）表現(xiàn)出一定的下降趨勢，在試驗開始前為（1079.08±1189. 80）ms2，試驗過程中為（305.25±266.95）ms2，說明試驗過程中的不適感對該指標有影響，但結(jié)果不顯著（t=2.354，P=0.038）；總功率（圖9d）的變化趨勢不明顯，在試驗開始前為（3025.08±3 078.18）ms2，試驗過程中為（2488.58. 08±1857.71）ms2，因而尚不能認為試驗過程對該指標有影響（t=0.948，P=0.363）。此外，兩個時段內(nèi)存在變化的極低頻功率的變化程度為（84.12±20.22）%。

圖9 心率變異性頻域指標統(tǒng)計結(jié)果

4.3 皮膚電活動

皮膚電導(dǎo)水平數(shù)據(jù)通過由BR 生理多導(dǎo)儀采集的皮膚電反射值轉(zhuǎn)換獲得。圖10a 為6號受訪者在試驗序號2過程中的原始皮膚電導(dǎo)水平數(shù)據(jù)，當試驗車輛逼近障礙物時，皮膚電導(dǎo)水平開始明顯上升，并出現(xiàn)峰值。首先選取皮膚電導(dǎo)水平的變化幅值進行分析（圖10b），試驗過程中車輛位于障礙物附近的皮膚電導(dǎo)水平峰值為（28. 05±9. 20）μS，試驗開始前在平靜狀態(tài)下皮膚電導(dǎo)水平為（10. 12±4. 17）μS，變化程度為（210. 87±124. 83）%，具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=−8. 476，P=0. 000）。經(jīng)統(tǒng)計，皮膚電導(dǎo)水平在TTC 為（3. 15±2. 09）s時出現(xiàn)顯著上升，上升過程中的平均斜率為1. 70±0. 69，最大斜率為5. 20±1. 78。該上升過程在車輛駛過障礙物時仍然持續(xù)，其峰值的滯后時間為（3. 95±1. 45）s。

圖10. 6號受訪者皮膚電導(dǎo)水平信號及統(tǒng)計結(jié)果

4.4 眼部活動

A．瞳孔直徑

瞳孔直徑數(shù)據(jù)由SMI ETG 2 眼動儀采集的雙眼瞳孔直徑取平均值獲得。由于一部分受訪者的眼動儀數(shù)據(jù)受實車環(huán)境下較強的環(huán)境光影響而記錄異常，故通過7 位受訪者的有效數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。圖11 為6號受訪者的原始瞳孔直徑數(shù)據(jù)，當試驗車輛逼近障礙物時，數(shù)值呈現(xiàn)上升趨勢。
圖11 6號受訪者瞳孔直徑信號

提取變化的峰值進行分析（圖12a），在試驗過程中車輛位于障礙物附近時的瞳孔直徑峰值為（3.21±0.30）mm，試驗開始前的瞳孔直徑為（2.46±0.30）mm，變化程度為（30.96±5.819）%，具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=−20.955，P=0.000）。經(jīng)統(tǒng)計，瞳孔直徑在TTC 為（2.01±0.82）s 時出現(xiàn)顯著上升，上升過程中的平均斜率為0.23±0.07。該上升過程在車輛駛過障礙物時仍然持續(xù)，其峰值的滯后時間為（0.86±0.59）s。

圖12 瞳孔直徑及眨眼頻率統(tǒng)計結(jié)果

B．眨眼頻率

眨眼頻率由SMI ETG 2眼動儀采集的眨眼時刻計算而成。如圖12b所示，試驗序號2 過程中，試驗開始前的平靜狀態(tài)下眨眼頻率和TTC為6 s 時刻起的10 s時段內(nèi)的眨眼頻率對比。結(jié)果顯示，受訪者在平靜狀態(tài)下的眨眼頻率為（1.05±0.52）Hz，在接近障礙物時眨眼頻率顯著下降至（0.42±0.34）Hz，變化程度達（58.24±25.32）%，具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.952，P=0.026）。

C．障礙物注視情況

障礙物注視情況是將SMI ETG 2 眼動儀記錄的視線焦點數(shù)據(jù)，經(jīng)由SMI iView 中的KPI分析模塊計算獲得。如圖13 所示，受訪者在試驗序號2過程中，首次注視障礙物時的TTC為（3.46±2.60）s。該結(jié)果表明，受訪者在該時刻前，并未注視位于車道正前方的紙箱。

圖13 首次注視障礙物時TTC統(tǒng)計結(jié)果
 
5 分析與討論

5.1結(jié)果分析

由主觀感受量表數(shù)據(jù)可以推斷，本研究中的受訪者在試驗序號2 過程中處于由視覺信息和極限動。力學(xué)控制中的側(cè)向加速度影響的不舒適狀態(tài)，并未感受到來自平衡覺信息的不舒適。根據(jù)試驗結(jié)果，心電、皮膚電活動、眼部活動3 類數(shù)據(jù)中除心率變異性頻域分析中的低頻功率、高頻功率、總功率指標不存在顯著變化外，其余指標在試驗過程中與預(yù)期變化情況一致，或存在顯著變化，能夠用于表征人體在乘坐車輛過程中的不舒適狀態(tài)。

其中，心率和皮膚電導(dǎo)水平均出現(xiàn)了顯著上升，這與基于駕駛模擬器的試驗中心率表現(xiàn)出下降趨勢、皮膚電導(dǎo)水平無明顯變化的結(jié)果存在差異，這可能是由于駕駛模擬器難以模擬與實車行駛時相同的速度感，且完全沒有碰撞風險，故而缺乏危機感，難以完全激發(fā)受訪者符合實車駕乘感受的負面情緒。因此，若要運用駕駛模擬器進行相關(guān)研究，其與真實車路環(huán)境的差異導(dǎo)致的對受訪者情緒激發(fā)的一致性有待驗證。
基于本研究尋找生理指標在不舒適狀態(tài)下的變化情況，以作為本系列研究的后續(xù)工作中二者間定量關(guān)系分析基礎(chǔ)的目的，在上述試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對各指標的變化程度、出現(xiàn)明顯變化的起始時刻和峰值滯后時間進行了對比分析。

5.2 變化程度對比

根據(jù)試驗結(jié)果，心電、皮膚電活動、眼部活動3類數(shù)據(jù)中均存在有顯著統(tǒng)計學(xué)差異的指標。這些指標將可用表征人體在乘車過程中的不舒適狀態(tài)程度，而指標本身變化程度的大小將對表征效果產(chǎn)生影響。圖14為心電、皮膚電活動、眼部活動3類數(shù)據(jù)中存在顯著統(tǒng)計學(xué)差異的相關(guān)指標的變化程度對比。皮膚電導(dǎo)水平的變化程度最大，心率變異性的時頻指標和眨眼頻率的變化也較為明顯。相比之下，因在非運動狀態(tài)下人體的心率不會成倍上升，因此平均心率和最大心率的變化程度較??；因人體的瞳孔直徑的可變化范圍較小，所以其變化程度也相對較小。

圖14 各項指標變化程度統(tǒng)計結(jié)果對比 

5.3 變化起始時刻對比

在試驗結(jié)果中，分屬3類數(shù)據(jù)的瞬時心率、皮膚電導(dǎo)水平和瞳孔直徑3項指標的變化頻率較快，可被用于在線實時分析。若指標發(fā)生變化的時刻較早，將能更好地對相關(guān)事件進行預(yù)判。如圖15所示，將這3項指標發(fā)生明顯變化時對應(yīng)的TTC與受訪者首次注視車輛前方障礙物的時刻進行了對比。結(jié)果顯示，瞬時心率開始變化的時間最早，瞳孔直徑的變化較遲。3項指標開始變化的時刻恰好與受訪者首次注視車輛前方障礙物的時刻重疊。結(jié)合在試驗過程中受訪者未感到眩暈的自述，推斷這些指標的大幅變化主要受視覺輸入的信息影響，并受到極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度的進一步刺激，而與平衡覺關(guān)系甚微，這有待通過更多試驗來驗證。 
圖15 各項指標明顯變化時TTC統(tǒng)計結(jié)果對比


5.4 峰值滯后時間對比

由于人體神經(jīng)系統(tǒng)存在延遲和不應(yīng)期效應(yīng)，當這3項指標在開始明顯變化后，其峰值出現(xiàn)距車輛通過障礙物的時刻均存在一定滯后。若滯后時間過長，會增加在多個存在影響的事件連續(xù)發(fā)生時的表征難度。圖16為這3項指標的峰值滯后時間統(tǒng)計結(jié)果，顯示瞳孔直徑的變化相對及時，而瞬時心率和皮膚電導(dǎo)水平的峰值滯后較明顯。

圖16 各項指標峰值之后時間統(tǒng)計結(jié)果對比
 
5 結(jié)語

（1） 通過開展實車試驗，本研究對心電、皮膚電活動、眼部活動3類數(shù)據(jù)下的10項指標進行了顯著性分析。除心率變異性頻域指標中的低頻功率、高頻功率和總功率尚不足以證明受到試驗過程中受訪者的不舒適狀態(tài)影響外，其余各指標的變化趨勢與預(yù)期相符。

（2） 平均心率、最大心率、心率變異性極低頻功率、皮膚電導(dǎo)水平、瞳孔直徑均呈現(xiàn)正相關(guān)，心率變異性RMSSD、眨眼頻率呈現(xiàn)負相關(guān)。

（3） 通過進一步分析，還對比了指標的變化程度、出現(xiàn)明顯變化的開始時刻和峰值滯后時間。

（4） 通過與其他學(xué)者在駕駛模擬器上進行的試驗結(jié)果對比，提出了駕駛模擬器的駕乘體驗在激發(fā)受訪者負面情緒時存在缺失的假設(shè)；基于受訪者主觀感受量表的結(jié)果，以及對各時域指標開始明顯變化的時刻與受訪者首次注視障礙物的時刻進行比較，提出了各指標的顯著變化主要受到通過視覺和極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度而非平衡覺輸入的信息的影響的假設(shè)。

在后續(xù)研究中，將進一步對存在顯著變化的各項指標與乘員心理狀態(tài)的量化關(guān)系進行分析，并將設(shè)計試驗驗證行駛過程中乘員不舒適狀態(tài)與平衡覺無關(guān)的假設(shè)，以及研究視覺和極限動力學(xué)控制中的側(cè)向加速度在不同行駛工況下對乘員不舒適狀態(tài)影響的貢獻程度。
 
 
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