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摘要：在交通强国建设背景下，社会对地铁的服务质量提出了更高的要求，重中之重是要保护乘客的安全。地铁驾驶员的疲劳驾驶是导致运营安全事故发生的重要诱因。基于此，我们团队针对驾驶员疲劳问题进行研究，主要包括对疲劳时变规律的研究以及缓解疲劳的策略研究。将二者结合分析，给出疲劳缓解的时间点及方式，达到及时并有效缓解驾驶员疲劳的效果。

关键词：地铁驾驶员疲劳；疲劳时变规律；疲劳缓解策略

1绪论

1.1研究背景及意义

随着城市化进程的不断推进，地铁作为一种集快捷、安全、环保等优势于一身的现代化交通工具，在全球范围内得到了广泛的应用与推广。作为地铁运营的核心力量，地铁驾驶员的安全驾驶至关重要。然而，长时间连续驾驶容易引发驾驶员的疲劳，从而影响其注意力、反应能力和决策能力，增加驾驶风险。因此，针对地铁驾驶员疲劳时变规律及缓解策略的研究具有重要的现实意义和应用价值。

地铁驾驶员疲劳的直接影响是事故发生率的增加。研究表明，疲劳驾驶严重影响行车安全，是造成交通事故的重大隐患[1]。根据统计数据显示，全球范围内有相当数量的交通事故是由于驾驶员疲劳引起的，这给社会和个人带来了巨大的损失。因此，通过深入研究地铁驾驶员疲劳时变规律及缓解策略，可以有效降低地铁事故的发生率，提高地铁系统的安全性和稳定性。

1.2相关概念

地铁驾驶员疲劳：指地铁驾驶员在长时间连续驾驶后由于身体疲劳和精神压力增加而导致的一种状态。疲劳会导致驾驶员的注意力减弱、反应速度下降和决策能力减弱等问题，从而增加事故的风险。

疲劳时变规律：指通过一系列生理和心理指标来反应驾驶员疲劳状态随时间变化的规律。

缓解策略：指通过合理手段和方法降低地铁驾驶员的疲劳水平，提高其警觉性和驾驶能力的策略。

1.3研究现状

近年来，针对地铁驾驶员疲劳时变规律及缓解策略的研究逐渐受到关注。相关研究主要集中在以下几个方面：

首先，针对地铁驾驶员疲劳状态的判别，研究者通过实验仿真和数据分析等方法，监测驾驶员的生理指标如心率[2]、眼动[3]、脑电图[4]等，结合行为数据如操作误差、注意力分配等，得出了驾驶员疲劳状态特征及疲劳态判别方法；

其次，针对地铁驾驶员疲劳的缓解策略研究。常见的策略包括合理安排驾驶员的工作和休息时间、给驾驶员听音乐等。

然而，目前对地铁驾驶员疲劳时变规律及缓解策略的研究还相对薄弱，大部分集中在公路驾驶员和长途客运驾驶员等其他交通领域上。另外在将疲劳规律及疲劳缓解相结合进行研究方面尚处于空白状态。

2疲劳时变规律研究

本文通过对驾驶员的心电和脑电信号数据采用建模方法进行参数对比，筛选疲劳和清醒特征点构建疲劳时变模型。

2.1心电信号的参数对比查找

2.1.1心动周期的构成

一个完整心动周期的基本特征主要包括 P 波、QRS 波群、T 波、U 波四种波形，以及 PR 间期（PRI）、QT 间期（QTI）、ST 段（STI）、RR 间期（RRI）四种波段间期。

本文研究重点是 QRS 波群，特别是从中得到的 RR 间期序列及RR间期衍生出的心率变异性（HRV）指标。心率变异性（HRV）指标已被证明是能够敏感反应出生理和心理状况的强大生物标志物。

2.1.2心电信号RR和QRS间隔的计算

通过对驾驶人的心电信号采用数据挖掘方法进行模型建，使用C++编程来寻找不同时间段心电的RR和QRS间隔。

计算结果：驾驶人上午心电（10am）RR间隔为0.023438，QRS间隔为0.007813；下午心电（3pm）RR间隔为0.00390，QRS间隔为0.00390；驾驶人晚上心电（7pm）RR间隔为0.03125，QRS间隔为0.03906。

2.1.3 HRV信号的获取

HRV是一个非稳态的、不规则采样的信号，本项目在ECG信号预处理阶段使用Butterworth 陷波滤波器滤波去噪，然后通过QRS检测获取。

2.2脑电信号参数对比查找

2.2.1脑电信号的组成

脑电信号反映的是大脑皮层神经细胞电活动的总体情况，可映射出大脑的电活动和功能状态，其中包含丰富的生物信息，详细分为α波、β波、θ波和δ波。

2.2.2脑电参数的选取

2.2.2.1功率谱密度分析

选取第1名实验者第3个通道 FP1上的两类脑电信号片段，做功率谱密度分析，两种状态无明显差异，因此无法作为疲劳发生的观察手段。

2.2.2.2不同状态下四种节律的对比

下图为四种节律的CSP二维特征点图，其中蓝点和红点分别代表疲劳状态和清醒状态的二维特征点，横坐标与纵坐标分别代表 f1维度与f2维度的特征点值。

对比特征点图，θ节律与β节律的疲劳和清醒两种类型的特征点分布较为重叠散乱，从平面视觉上观察，较不容易分割。α节律和δ节律代表疲劳的特征点都较为集中，由此，可以粗略估计α和δ节律的相对容易划分。

2.3疲劳模型的构建

对所有被试驾驶人的数据进行统一处理，以心电，脑电指标作为评判标准，得到连续驾驶时长下所有被试的疲劳值变化数据，最终拟合出与各被试数据间误差最小的驾驶员连续驾驶疲劳模型。最终得出结论：随着驾驶时间的变长，驾驶员的疲劳值不断增长，30分钟后增长趋势明显增加，在130分钟左右时驾驶员疲劳值累计到50%。

3疲劳缓解措施

3.1听觉刺激缓解疲劳措施

现有研究表明，音乐是缓解疲劳驾驶的有效对策之一[[5]。音乐是与时间关系十分密切地艺术，音乐中有一定联系的内在时间中的组合与进行是音乐时间顺序与持续性的表现[6]，地铁驾驶员在驾驶过程中收听音乐的时间长短对其生理感会产生不同的体验。从主观上来看，人们对某一事件持续时间长度的感知与客观时间长度有差异。基于驾驶员疲劳时变规律研究结果，本项目认为，自驾驶员开始驾驶至驾驶结束为止，以130分钟为一个周期，给以驾驶员音乐刺激。驾驶员可通过相关音乐播放设备接受节奏感较强的纯音乐刺激，音乐刺激时长为120+n（n为周期数）30（s），刺激结束后及时关闭音乐。

3.2视觉刺激缓解疲劳措施

大脑在信息处理过程中，通常会优先处理视觉信息[7]。驾驶员视疲劳在驾驶事故致因中较为重要，其导致事故发生的概率高且后果的严重程度大。

研究表明，在隧道内使用自然景观装饰可以改善驾驶疲劳，驾驶人的注意力增长率提高20%以上[8]。绿色的反射率低，因此绿色事物反射出来的光线相较其他颜色更为柔和，能够有效缓解视觉疲劳，舒缓人的生理压力。地铁列车驾驶员长时间处于隧道内驾驶状态，视线明度较低的环境下更容易产生视觉疲劳，引发生理疲劳。基于此，本项目认为可以在列车驾驶室内采用液晶显示器循环播放绿色自然景物图片作为缓解驾驶员视觉疲劳的刺激变量，驾驶员可自行观看绿色景物图片接受疲劳刺激。

3.3嗅觉刺激缓解疲劳措施

地铁列车驾驶员长时间处于空气流通不畅的驾驶室内，其感官系统由于无法得到对比性较强的刺激，极容易产生作业疲劳。郑华[9]、Son[10]等在研究气味对人体的影响时发现，香气过于浓烈或具有特殊异味会令人紧张，而美好的气味会使脑电等生理信号趋于稳定。

洪荣[11]等人认为，薰衣草、檀香木、柠檬等植物的精油对人体表现为镇静作用；茉莉、百里香、迷迭香、薄荷等植物的精油对人体表现为觉醒作用。为实现缓解驾驶员驾驶压力与紧张情绪，唤醒驾驶员正常生理机能的效果，本项目认为采用薰衣草和薄荷提取物的精油为列车驾驶员提供香氛环境能够起到缓解疲劳的作用。但由于现实条件和成本的限制，不同驾驶员可根据自身需求使用香氛精油或香氛喷雾。

总结

本项目以交通强国建设为背景，研究地铁驾驶员疲劳时变规律以及疲劳缓解策略。在该项目创建过程中，发现对于疲劳状态判别的研究已经很多，但对于疲劳时变规律的研究较少；另外，疲劳缓解方式的研究也已有很多，但将疲劳规律及疲劳缓解相结合的研究较少。本项目创新点便在于将疲劳的缓解策略及时变规律相结合，得出结论：以130分钟为一个周期，给驾驶员以音乐、绿色图片、香氛精油等刺激，能及时缓解驾驶员疲劳状态，缓解效果更有效。

本项目尚存在不足之处，对于疲劳时变规律的研究，由于项目经费等问题，受试人数较少，所采集实验数据虽足以得出疲劳时变曲线，但是不够精确。需要进行更多的实验，得出更为精确的疲劳时变规律，以据其给出更优的疲劳缓解策略。

参考文献：

[1]李都厚，刘群，袁伟等.疲劳驾驶与交通事故关系[J].交通运输工程学报，2010，10（02）：

[2]龚淑娟，赵永翔，黄德明.基于多生理信号融合的疲劳驾驶检测研究[J].安全与环境学报，2023，23（11）：

[3]曹景雨.基于GELM眼电信号与视觉信息的融合特征的疲劳驾驶监测技术[D].东北电力大学，2022.

[4]康小刚.基于脑电信号的驾驶疲劳状态检测及缓解方法研究[D].东北电力大学，2022.

[5]赵晓华，房瑞雪，毛科俊，荣建.基于生理信号的驾驶疲劳声音对策有效性实验[J].西南交通大学学报，2010，45（03）.

[6]陈果.音乐节奏的功能性作用及训练研究[D].西安音乐学院，2013.

[7]乔晓艳，彭佳卉.视听诱发脑电特征提取与大脑认知机理分析[J].测试技术学报，2013，27（06）：509-515.

[8]李晓军，凌加鑫，沈奕.基于虚拟现实技术和可穿戴EEG设备的超长隧道视觉疲劳缓解带研究（英文）[J].Journal of Central South University，2021，28（12）：3871-3881.

[9]郑华.北京市绿色嗅觉环境质量评价研究[D].北京林业大学，2002.

[10]SON K C， PARK J E， SONG J E， et al. Psycho-physiological changes of college students in result of inhalation of the essential oil of“hinoki”cypress （chamaecyparis obtuse）[J].Korean Journal of Horticultural Science and Technology ，2006：396–397.

[11]洪蓉，金幼菊.日本芳香生理心理学研究进展[J].世界林业研究，2001（03）：61-66.DOI：10.13348/j.cnki.sjlyyj.2001.03.010.

[基金项目]

本文系2023年上海工程技术大学国家级大学生创新训练项目：

地铁驾驶员疲劳时变规律及缓解策略研究（202310856031）。

[作者简介]

张胜洋（2003.03-），女，汉，河北省衡水市人，上海工程技术大学城市轨道交通学院2021级本科生，主要研究方向为人因工程。

杨聚芬（1988.02-），女，汉，山东省临沂人，上海工程技术大学城市轨道学院，讲师，主要研究方向：城市轨道交通安全技术，人因工程。

本文通讯作者：王雨生*（2000.01-），男，汉，四川省绵阳市人，上海工程技术大学城市轨道学院，2022级硕士研究生，主要研究方向为人因工程。

李嘉琳（2002.09-），女，汉，上海市人，上海工程技术大学城市轨道交通学院2021级本科生。

许柔潇（2003.02-），女，汉，浙江省嘉兴市人，上海工程技术大学城市轨道交通学院2021级本科生。

左涛（2002.11-），男，汉，山西省太原市人，上海工程技术大学材料科学与工程学院2021级本科生。