基于上网和驾驶的疲劳实验及脑电信号采集

基于上网和驾驶的疲劳实验及脑电信号采集本文主要是研究上网疲劳和驾驶疲劳状态下的脑功能检测及对比，脑电信号在真实上网及驾驶环境条件下采集存在困难，且实验时所采用的电极帽以及连接的导线会引起被试的不适感觉和影响被试的正常上网及驾驶操作。我们采用实验室模拟驾驶环境来研究驾驶疲劳。由此需设计严格的可重复的上网及模拟驾驶环境，以保证实验脑电数据采集的精确可靠。2.1上网及模拟驾驶实验设计2.1.1模拟驾驶器本实验采用上海育联科教设备有限公司的WM-5型主被动式汽车驾驶模拟器作为驾驶操作平台。WM系列汽车驾驶模拟器是一种高效地驾驶训练教学设备，采用最新技术及交通工程等技术。该驾驶模拟器结合我国国情及公路标准，适合我国驾驶员培训操作。WM-5型模拟器符合机动车驾驶员训练大纲要求，产品达到国家标准JT/T378-1998。驾驶模拟器由驾驶座舱、中间联网系统和中央监控台组成。座舱由驾驶舱座、视景计算机、视屏（29″彩电）、数据传感板、数据采集板等组成。驾驶舱座由“五大”操纵机件、手制动、仪表台及仪表、座椅等组成，除变速器开关量外，其他均为模拟量，转向能够自动回正，离合器为实车离合器，能明显结合、分离、半联动状态。各操作件通过各自的传感器，经数据传感板给计算机信号，然后计算机处理数据给电视机信号，达到模拟目的。中央监控台由P4计算机、显示器（17″）打印机、键盘等组成。显示器可任选一台模拟器的驾驶声景，画面监视窗口将显示与被监视模拟器完全一样的画面，并实时图形显示其“五大”操作件、手制动、车速、转向灯、点火、开锁、鸣号等的操作行为。2.1.2被试选取被试的选择对实验的开展非常重要，年龄对疲劳的产生程度也有一定影响。研究发现年龄在26岁以上的人群更易产生疲劳，，，，，，，67参考。为了消除年龄的影响，选取西安交大的20-25岁健康学生志愿者参加了上网与模拟驾驶实验。所有的上网疲劳试验被试都熟悉计算机及上网操作，模拟驾驶受试者均为右利手。所有被试都身体健康，无精神功能障碍，无熬夜和使用处方药习惯，有正常规律的睡眠模式。此外，模拟驾驶器操作与真实车辆一致，要求所有被试在实验前进行操作培训。要求被试者必须在实验前能够独立按驾驶规范操作模拟驾驶器，并且在短时间内不出现人为导致的各种驾驶操作错误。2.1.3上网及模拟驾驶实验方案据有关文献，人在枯燥的环境下特别容易产生精神疲劳，例如人在感到无聊时容易困倦、驾驶员在比较安静的高速公路时容易出现瞌睡现象。。。。。。。。。。。。。。。。。68文献。考虑这方面原因，实验应在安静，温度、光线适中的实验室进行。在上网疲劳实验中，对上网任务无要求，由于网络计算机的普及，现代人上网时间逐渐增长，故产生疲劳反应所需时间也相应较长。因而测试时间定为5小时；在模拟驾驶实验中，选用最简单的高速公路模拟场景。该行驶路线简单，易于驾驶，场景变换少，以减少对受试者的刺激。在实验中被试要尽可能保持匀速行驶，尽量避免发生事故。2.2整体实验流程人体内生物钟受睡眠习惯影响，在生物节律低谷时，任务操作水平明显出现下降。这是形成疲劳的重大原因之一。为了避免其他因素对实验结果造成干扰，实验时间选取在上午9:00和下午2:30。要求被试在实验前充分休息。给被试带好电极帽后，打开软件调试好后，被试要对疲劳感觉程度进行自我主观评价，评价标准分为七个等级：1、一点也不疲劳；2、有点疲劳；3、有一些疲劳；4、疲劳；5、比较疲劳；6、很疲劳；7、极度疲劳。2.2.1上网实验流程实验开始前先对被试记录静息脑电约3min，再进行oddball视觉刺激任务以及短时记忆twoback测试，twoback需完成3组测试（twoback1、2、3），分别保存文件。被试开始进行上网活动，记录开始上网时间，并记录被试的上网活动；1h后被试暂停上网测量上网1h后的静息脑电约3min并记录被试主观感受后继续上网。此后每隔半小时重复上述实验步骤。整个上网过程持续时间5小时。整个上网过程结束后，再次测量一遍静息脑电、疲劳量表测试、oddball视觉刺激任务、以及twoback测试。整个实验过程中，被试应尽量不去厕所，吃饭等活动也在实验室内完成保证被试处于持续上网活动中避免外界刺激和人为干扰。记录静息状态脑电时，需要关闭被试所用电脑显示器屏幕以避免视觉刺激的干扰。2.2.2模拟驾驶实验流程实验前首先保证被试熟悉驾驶流程与规范。先记录被试静息脑电约3min和被试主观疲劳程度，再进行oddball视觉刺激任务分别保存文件。分别在驾驶30min、60min、90min时暂停驾驶活动记录3min静息状态脑电和被试主观疲劳程度。模拟驾驶120min后停止驾驶，记录静息脑电约3min、被试主观疲劳程度，完成oddball视觉刺激任务，实验结束。在模拟驾驶过程中，要求受试者驾驶车辆在道路中间行驶，尽可能的保证匀速，尽量防止撞车、偏移中间车道等驾驶操作失误，同时也要尽量避免过多变换驾驶姿势和其他与驾驶无关的动作。整个实验过程中，避免外界刺激和人为干扰。2.3Oddball任务与n-back任务Oddball是诱发P300的经典实验模式，是两种或多种不同刺激随机组成的刺激系列，它们的出现概率有显著差异。。。。。。。文献71.视觉Oddball任务由直径为3.5cm的红、绿实心圆形图形组成刺激系列。红圆300次绿圆60次，绿色圆为靶刺激，被试要求尽可能快的用点击鼠标的方式响应靶刺激，共持续时间约6min。靶刺激为60次，保证能诱发出P300波。N-back任务是让被试浏览一系列逐个呈现的项目(字母、数字或携带空间位置信息的图片等)，然后要求被试从第n个项目起判断每一个出现的项目是否与前面刚呈现过的倒数第n个项目相匹配。其中，匹配即指两个项目的某一特征相同或完全相同。所呈现的项目可以是视觉刺激，也可以是听觉刺激。此范式的特点是可以通过控制n的大小来操纵工作记忆负荷，从而考察不同记忆负荷下工作记忆的加工机制。在本实验中，我们采用twoback模式进行实验。以上两种任务由美国Neuroscan公司提供的Stim刺激系统编程产生。该系统包括可以产生各种物理刺激的硬件系统和可以生成各种刺激序列的软件工具Gentask。可以自由编制刺激序列，实现刺激序列严格按时间、要求在显示器上呈现，并用不同的数字标记不同的刺激类型，在记录脑电信号时，可以将刺激的数字标记可以通过并行通信接口传输到数据采集系统，在记录脑电信号中对刺激的时间，位置，类型进行标注。能自动记录下对刺激的反应时间和反应正确、错误情况。2.4生理信号的采集及预处理2.4.1生理信号的采集实验采用EGI公司推出的128导联NetStation采集系统。该系统具有高指标放大器，具有阻抗测试。棘波自动检测及灵活、多样的分析处理功能。数据输出多样，具备批处理功能。结合EGI特有的HydroCel高密度网状电极，真正实现了高导联脑电记录和满足了精确源定位所需硬件环境。NetStation软件包整合了EEG和ERP分析系统，结合EGI产品共同应用。EGI特有的HydroCel高密度网状电极，保证了128导电极能够在5分钟内安装完毕，开始记录。HydroCel网状电极实现了全脑覆盖，且配戴舒适，无需头皮处理和涂抹导电膏。整个采集系统如图所示：信号采集时首先打开被试间的屏幕、主试间的稳压电源盒、PC机和苹果机。将事先在kCl溶液中浸泡好的帽子戴在被试头部。佩戴时应注意在被试鼻根到枕骨隆突的中点画一条直线，左耳到右耳相应位置的中点画一条直线，两条直线交点即为所找的参考电极Cz的位置。带好帽子后，调节每一个电极的位置，同时也要保证每个电极的阻抗不高于70kΩ。做好先前准备后即可打开软件，记录脑电波形了。采集到的脑电波形保存与电脑中，方便后续处理。[67]张灵聪,王正国,朱佩芳,etal.汽车驾驶疲劳研究综述[J].人类工效学,2003,9(1):39-42.[68]ThiffaultP,BergeronJ.Monotonyofroadenvironmentanddriverfatigue:Asimulatorstudy[J].AccidentAnalysisandPrevention,2003,35(3):381-391.[71]HuettelSA,McCarthyG.Whatisoddintheoddballtask?:Prefrontalcortexisactivatedbydynamicchangesinresponsestrategy[J].Neuropsychologia,2004,42(3):379-386.思考与展望驾驶疲劳造成判断失误，反应迟钝，是造成交通安全事故的重要原因。驾驶疲劳的研究和检测对于防止和减少疲劳事故，降低安全风险，保障人们健康等均具有重大意义。上网疲劳导致人们尤其是青少年眼部病变甚至猝死。国内外很多学者致力于从不同的角度对驾驶疲劳进行研究和探索。本文在完成上述初步研究工作的基础上，提出下一步研究的思考和建议。1．扩大实验对象的范围。在本研究中，为了消除因年龄，性别，生活环境等外部因素的影响，我们选用受试者均是年龄21-25岁的健康在校学生。但这些因素正是影响驾驶疲劳及上网疲劳的相关的重要因素，下一步应该把一些相关因素考虑进去，尝试这些因素对驾驶疲劳的影响，扩大受试对象的范围。2．增加模拟实验的设计方案和对比实验。疲劳的原因有任务相关和睡眠相关两类。本文主要研究任务相关的疲劳。现实工作中，睡眠相关引起的疲劳仍广泛存在。后面的研究应增加这种类型的疲劳实验，研究睡眠对驾驶疲劳及上网疲劳的影响。研究两种不同类型原因引的疲劳的共同之处。在有条件的情况下，尽可能多采集现实环境中驾驶疲劳与上网疲劳的相关数据，通过数据对比分析，找到驾驶疲劳与上网疲劳更加客观的生理指标。3．研制方便佩带的高灵敏度生理信号采集装置。实验室条件下的生理数据采集设备信号质量可靠，但安装测试电极时很不方便，并且会对受试者造成一定的不适感。因此，有必要研制佩带方便，且尽可能减少对受试者造成不适感的程度，不影响其操作的数据采集装置。这样可减少实验准备时间，且有可能实验在现实环境中进行驾驶疲劳监测。4．和其它疲劳检测方法相结合，寻求更加简便，可靠的监测指标和方法。基于生理信号的疲劳检测是公认的较为客观和可靠的方法，但在实际运用中，由于设备对工作环境要求高，操作也相对复杂，不利于推广。如果能和其它客观疲劳测方法相结合，比如PRECLOS技术等，这样可以减少采集生理信号的复杂性的同时可提高检测的精度，这将会为疲劳检测的实际商品化带来希望。总之，驾驶疲劳与上网疲劳成因复杂，受较多因素影响，至今人们对驾驶疲劳与上网疲劳的机理的认识还十分有限，现阶段的研究还只是初步的尝试。由于研究方法和技术的不同，研究结果中还存在着争议，有些现象尚解释不清。要形成驾驶疲劳与上网疲劳研究的共识和标准，还需要很长的研究过程，还需要广大的研究者的共同努力汇集众多的研究成里，逐步实现对驾驶疲劳与上网疲劳进行全面的了解和认识，达到造福人类的目的。