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駕駛疲勞對(duì)交通安全的危害巨大。由駕駛疲勞引起的交通事故的后果往往比其他原因引起的后果更為嚴(yán)重［1］。然而，在分析事故原因時(shí)，由于駕駛員在事故后瞬間清醒或在事故中死亡，所以駕駛疲勞這一事故原因常常在統(tǒng)計(jì)時(shí)被其他原因所掩蓋［2］。這一現(xiàn)狀使得那些容易引起駕駛疲勞的潛在危險(xiǎn)路段得不到及時(shí)合理的治理，而新建的道路也難以避免類似的設(shè)計(jì)失誤。因此，有必要分析在道路、交通和環(huán)境的綜合影響下駕駛疲勞的生成機(jī)理，建立起實(shí)用的模型，從而指導(dǎo)道路和景觀設(shè)計(jì)，從工程角度消除或減緩駕駛疲勞的產(chǎn)生。

綜觀國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，盡管目前有關(guān)駕駛疲勞的研究有很多，但涉及駕駛疲勞生成機(jī)理和模型研究的卻很少。國外一些研究者，如:DesmondPA［3］和TalOron-Gilad［4］等，曾利用心理學(xué)理論，探討其在駕駛疲勞上的應(yīng)用性和有效性。國內(nèi)一些學(xué)者，如:張靈聰［5］、楊渝書［6］和焦昆［7］等，從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，將駕駛作業(yè)劃分為不同的階段，認(rèn)為相應(yīng)階段產(chǎn)生相應(yīng)類型的疲勞。也有研究者，如:金鍵［8］等，在分析駕駛疲勞特征的基礎(chǔ)上，試圖用數(shù)學(xué)模型對(duì)其機(jī)理進(jìn)行概括。這些研究對(duì)理解駕駛疲勞的生成機(jī)理具有一定的借鑒意義，然而其研究成果卻比較抽象難以用于指導(dǎo)工程實(shí)際。筆者將依據(jù)生理、心理學(xué)的經(jīng)典理論及國內(nèi)外其他學(xué)者的研究成果［9－17］，對(duì)駕駛疲勞生成過程中駕駛員的生理、心理變化過程及其影響因素進(jìn)行理論分析，并在此基礎(chǔ)上，建立便于工程應(yīng)用的駕駛疲勞生成模型。

1理論分析有研究發(fā)現(xiàn)［18－19］，駕駛疲勞與喚醒水平具有密切的關(guān)系，駕駛疲勞后喚醒水平降低。因此，筆者在建立駕駛疲勞的生成模型時(shí)，引入喚醒水平這一核心概念。在神經(jīng)生理學(xué)上，喚醒(Arousal)指在刺激作用下通過腦干的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高大腦皮層的興奮性，同時(shí)加強(qiáng)肌肉的緊張狀態(tài)［20］。喚醒水平指有機(jī)體的這種興奮水平。每個(gè)人的喚醒水平，總在從深睡到高度興奮這條連續(xù)線上變化。

1．1經(jīng)典理論

1973年卡恩曼［21］(D．Kahneman)提出的注意的能量模型(圖1)，可以用于解釋喚醒在注意方面及在操作方面的作用。根據(jù)該模型，認(rèn)知系統(tǒng)的加工能力或資源是有限的，人可以利用的資源數(shù)量不是完全固定的，而是和喚醒相連的，即喚醒是有效注意能量唯一的決定因素，在一定時(shí)間內(nèi)可利用的資源量隨個(gè)體的喚醒水平而變化。一般說來，刺激越強(qiáng)烈，越具有不可預(yù)見性，則它需要的注意越多。

1908年，耶基斯(R．M．Yerkes)和多德森(J．D．Dodson)［22］提出的模型(圖2)，詳細(xì)地解釋了喚醒水平和任務(wù)操作之間的關(guān)系。該模型認(rèn)為，過高或過低的喚醒水平與較差的任務(wù)操作有關(guān);最好的任務(wù)操作與適度的喚醒水平有關(guān)。這個(gè)水平被稱作“最優(yōu)喚醒水平”。同時(shí)，簡單的、易學(xué)會(huì)的任務(wù)需要較高的喚醒水平，而困難的、不熟悉的任務(wù)需要中等的喚醒水平。

環(huán)境心理學(xué)認(rèn)為，周圍環(huán)境刺激，無論視覺、聽覺、嗅覺或觸覺，都會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)一定水平的喚醒。喚醒水平變化與刺激強(qiáng)度有著密切關(guān)系［23］。另外，環(huán)境刺激的不定性與個(gè)體喚醒水平之間呈直線正相關(guān)關(guān)系［24］，如圖3所示。環(huán)境心理學(xué)還認(rèn)為，感覺上的刺激不足和生理上的饑渴同樣令人難以忍受。這種心理上的饑渴狀態(tài)，會(huì)驅(qū)使個(gè)體饑不擇食地到環(huán)境中去尋求刺激［24］

1．2理論應(yīng)用和推理

將上述理論應(yīng)用到駕駛工作領(lǐng)域，并對(duì)駕駛員在駕駛疲勞生成過程中的生理、心理變化進(jìn)行推理。

1．2．1最優(yōu)喚醒水平

根據(jù)耶基斯－多德森定律［22］，駕駛員駕駛工作的難度決定其完成駕駛工作時(shí)應(yīng)具備的最優(yōu)喚醒水平。駕駛員在一定的道路交通環(huán)境中駕駛時(shí)，需要具備與道路交通環(huán)境相一致的喚醒水平。由于每個(gè)駕駛員所具有的個(gè)性特征、駕駛技能及對(duì)道路的熟悉程度不同，所以，對(duì)于不同的駕駛員來說，在同樣的道路交通環(huán)境中駕駛，駕駛工作難度不一定相同。因此，每個(gè)駕駛員所應(yīng)具備的最優(yōu)喚醒水平不同。同樣的道路交通環(huán)境，對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員來說，駕駛工作相對(duì)簡單，需要具備較高的最優(yōu)喚醒水平;而對(duì)新手駕駛員來說，駕駛工作相對(duì)困難，則需具備較低的最優(yōu)喚醒水平。

1．2．2當(dāng)前喚醒水平

根據(jù)環(huán)境心理學(xué)中環(huán)境不定性與喚醒水平的關(guān)系［24］，當(dāng)駕駛員在道路交通環(huán)境中駕駛車輛時(shí)，道路條件、路側(cè)景觀、行駛速度等通過刺激使駕駛員處于一定的喚醒水平，筆者將其稱之為當(dāng)前喚醒水平。道路條件越差、路側(cè)景觀越危險(xiǎn)、行駛速度越高、道路交通環(huán)境的不定性越大，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平越高;反之，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平越低。

1．2．3喚醒水平的變化

在駕駛過程中，駕駛員必須不斷觀察道路交通情況的變化，迅速進(jìn)行判斷并決定自己的操縱動(dòng)作。當(dāng)駕駛時(shí)間過長時(shí)，駕駛員會(huì)出現(xiàn)身體疲勞和精神疲勞，當(dāng)前喚醒水平降低。然而，駕駛疲勞并不一定在長時(shí)間駕駛后才出現(xiàn)。研究表明［9－11］，在單調(diào)環(huán)境中駕駛時(shí)，駕駛員的喚醒水平在比較短的時(shí)間內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為，這種情況的產(chǎn)生原因是:隨著駕駛時(shí)間增加，在單調(diào)情況下，道路交通環(huán)境的不定性會(huì)很快降低，根據(jù)環(huán)境不定性與喚醒水平的線性關(guān)系，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平隨之下降。與此同時(shí)，道路交通環(huán)境不定性的降低會(huì)使得駕駛難度相對(duì)變小，進(jìn)而引起完成駕駛?cè)蝿?wù)所需的最優(yōu)喚醒水平升高。

1．2．4異常駕駛狀態(tài)

一般認(rèn)為在駕駛初期，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平位于最優(yōu)喚醒水平范圍內(nèi)。根據(jù)1.2.3節(jié)的分析，隨著駕駛時(shí)間增加和道路交通環(huán)境變化，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平和最優(yōu)喚醒水平都可能會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)駕駛員的當(dāng)前喚醒水平降低時(shí)，根據(jù)卡恩曼的注意能量模型［21］，駕駛員可利用的注意能量減小。在需要駕駛員注意的對(duì)象并未減小的情況下，可利用能量的減小會(huì)導(dǎo)致駕駛員注意對(duì)象個(gè)數(shù)的減少，同時(shí)可利用能量的減少也會(huì)導(dǎo)致駕駛員用于每個(gè)注意對(duì)象上的注意能量的減少，這樣駕駛員就會(huì)表現(xiàn)出注意力不足的癥狀。當(dāng)駕駛員的當(dāng)前喚醒水平低于最優(yōu)喚醒水平時(shí)，根據(jù)耶基斯－多德森定律［22］，駕駛員的駕駛操作能力也會(huì)下降。當(dāng)注意力不足和操作能力下降等癥狀出現(xiàn)的時(shí)候，駕駛員就不在正常駕駛狀態(tài)了。因此，當(dāng)駕駛員的當(dāng)前喚醒水平低于最優(yōu)喚醒水平時(shí)，駕駛員處于異常駕駛狀態(tài)。

1．2．5抵抗階段

當(dāng)駕駛員感覺到自身注意力不足或操作能力下降時(shí)，為了行車安全，往往會(huì)主動(dòng)采取一些措施進(jìn)行抵抗。

由于道路交通環(huán)境中的道路條件、路側(cè)景觀是已經(jīng)客觀存在、不能改變的，所以，駕駛員往往通過改變行駛速度來避免異常駕駛狀態(tài)［12－13］。許多駕駛員都意識(shí)到當(dāng)速度增大或交通量增加時(shí)，需要付出更多的注意力［14］，心理緊張程度也隨之增加［15］。另外，當(dāng)速度提高時(shí)，不可避免地增加與其他車輛的沖突次數(shù)，因此換車道次數(shù)也會(huì)隨之增加;在與其他車輛發(fā)生沖突時(shí)，難免增減速度，因此行駛速度也會(huì)隨之頻繁變化［16－17］。除加速這一措施外，當(dāng)駕駛員的當(dāng)前喚醒水平低于最優(yōu)喚醒水平時(shí)，駕駛員還會(huì)采取其他一些預(yù)防駕駛疲勞的行為措施，如:自我提醒、吸煙、喝咖啡、聽音樂、聊天等。

所有這些措施，從本質(zhì)上來說，都是以改變當(dāng)前喚醒水平和最優(yōu)喚醒水平之間的關(guān)系為目的的。根據(jù)卡恩曼模型［21］，對(duì)能量要求的評(píng)價(jià)這一很重要的反饋因素使得駕駛員可以根據(jù)自己的注意力現(xiàn)狀主動(dòng)調(diào)整當(dāng)前喚醒水平以提供更多的注意能量。自我提醒、吸煙和喝咖啡等措施可以起到直接提高當(dāng)前喚醒水平的作用，縮小與最優(yōu)喚醒水平之間的差距，恢復(fù)注意力和操作能力。加速、換車道等措施使道路交通環(huán)境的不定性增高，一方面，提高駕駛員的當(dāng)前喚醒水平，使其恢復(fù)注意力和操作能力;另一方面，也會(huì)造成駕駛員的駕駛工作難度相對(duì)增加，使得駕駛員較好完成駕駛工作所需的最優(yōu)喚醒水平相對(duì)降低。這樣，也使得當(dāng)前喚醒水平與最優(yōu)喚醒水平之間的差距縮小。聽音樂、聊天等措施相當(dāng)于增加駕駛工作的難度，從而降低駕駛員完成駕駛工作所需的最優(yōu)喚醒水平，縮小與當(dāng)前喚醒水平之間的差距。然而，這種通過降低最優(yōu)喚醒水平以使當(dāng)前喚醒水平與最優(yōu)喚醒水平持平的做法其實(shí)是不可取的，因?yàn)樗荒芷鸬教岣弋?dāng)前喚醒水平以恢復(fù)注意力和操作能力的作用。

2模型建立

根據(jù)以上的理論應(yīng)用和推理，建立駕駛疲勞的生成模型，如圖4所示。

駕駛員的特征和道路交通環(huán)境共同決定該駕駛員完成駕駛工作的難度，從而決定駕駛員較好完成駕駛工作所應(yīng)具備的最優(yōu)喚醒水平。同時(shí)，道路交通環(huán)境通過刺激駕駛員使其處于一定的喚醒水平，即為駕駛員的當(dāng)前喚醒水平。

一般在初始情況下，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平位于最優(yōu)喚醒水平范圍內(nèi)，駕駛員處于正常駕駛狀態(tài)。隨著駕駛時(shí)間的增加，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平逐漸降低。一旦駕駛員的當(dāng)前喚醒水平低于最佳喚醒水平，駕駛員就處于異常駕駛狀態(tài)，開始出現(xiàn)注意力不足、操作能力下降等癥狀。

一般為行車安全，駕駛員并不會(huì)聽任這種異常狀態(tài)持續(xù)發(fā)展，而是會(huì)采取一些措施進(jìn)行抵抗。通過調(diào)整當(dāng)前喚醒水平或最優(yōu)喚醒水平，使當(dāng)前喚醒水平又回到最優(yōu)喚醒水平范圍內(nèi)。然而，這些措施的效果并不持久。因?yàn)?，道路交通環(huán)境的不定性會(huì)隨著駕駛員逐漸熟悉情況而降低。當(dāng)?shù)缆方煌ōh(huán)境的不定性降低后，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平降低、最優(yōu)喚醒水平升高。當(dāng)前喚醒水平又重新低于最優(yōu)喚醒水平了。這時(shí)，駕駛員又會(huì)繼續(xù)采取措施來調(diào)整這兩種喚醒水平之間的關(guān)系。隨駕駛時(shí)間的延長，這一調(diào)整過程不斷循環(huán)。

直到駕駛員大腦皮層興奮狀態(tài)因持續(xù)時(shí)間過長而采取抑制性保護(hù)的時(shí)候，這些措施都將不再起作用。之后，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平將一直低于最優(yōu)喚醒水平，駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)。

3模型應(yīng)用

3．1預(yù)測(cè)駕駛疲勞的生成時(shí)刻

根據(jù)以上分析，駕駛員的喚醒水平隨駕駛時(shí)間可能會(huì)發(fā)生如圖5所示的變化。圖5中喚醒水平明顯波動(dòng)的階段，就是駕駛員采取措施進(jìn)行調(diào)整的階段。駕駛員徹底疲勞，應(yīng)該發(fā)生在該階段之后。筆者認(rèn)為喚醒水平剛開始發(fā)生明顯波動(dòng)的時(shí)刻即為駕駛疲勞剛開始產(chǎn)生之時(shí)。

需要指明的是，由于人體自身生理調(diào)節(jié)及道路交通環(huán)境中的意外刺激的影響，實(shí)際中駕駛員的當(dāng)前喚醒水平和最優(yōu)喚醒水平都一直存在微小波動(dòng)。因此，由駕駛疲勞所引起的喚醒水平的波動(dòng)階段可能并沒有那么明顯。

3．2駕駛疲勞的預(yù)防措施

3．2．1駕駛時(shí)間

由圖4的駕駛疲勞生成模型可知，對(duì)于同一駕駛員來說，道路交通環(huán)境決定駕駛難度，從而決定該駕駛員較好完成駕駛?cè)蝿?wù)所需的最優(yōu)喚醒水平。同時(shí)，道路交通環(huán)境也決定駕駛員的初始當(dāng)前喚醒水平。隨駕駛時(shí)間的延長，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平有逐漸降低的趨勢(shì)。所以，對(duì)于簡單的道路交通環(huán)境來說，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平降低到最優(yōu)喚醒水平以下的速度快、空間小，到達(dá)駕駛疲勞的駕駛時(shí)間相對(duì)較短;對(duì)于復(fù)雜的道路交通環(huán)境來說，駕駛員的當(dāng)前喚醒水平降低到最優(yōu)喚醒水平以下的速度慢、空間大，到達(dá)駕駛疲勞的駕駛時(shí)間相對(duì)較長。

因此，道路交通環(huán)境對(duì)駕駛疲勞的形成時(shí)間有顯著的影響。不管道路交通環(huán)境狀況而采取統(tǒng)一的駕駛時(shí)間限制的做法是不恰當(dāng)?shù)?。從駕駛時(shí)間的規(guī)定上來說，針對(duì)不同特點(diǎn)的道路，可以對(duì)駕駛員的喚醒水平進(jìn)行研究，進(jìn)而利用3.1的分析結(jié)果，對(duì)駕駛員進(jìn)行適宜駕駛時(shí)間的提示。

3．2．2路線設(shè)計(jì)

除對(duì)駕駛時(shí)間進(jìn)行合理規(guī)定外，設(shè)計(jì)適宜的道路交通環(huán)境也會(huì)延緩或減輕駕駛疲勞。例如:在道路交通環(huán)境的其他組成因素不變的情況下，過長的直線很容易引起駕駛員的疲勞。為保障道路交通安全，在路線設(shè)計(jì)時(shí)直線不宜過長。然而，適宜的最大直線長度與道路交通環(huán)境的其他組成因素是分不開的。道路上車輛的多少、路側(cè)景觀是否單調(diào)、路面條件的好壞、行駛速度的快慢等都會(huì)對(duì)駕駛員的喚醒水平產(chǎn)生影響，從而影響駕駛疲勞形成時(shí)間。因此，同駕駛時(shí)間的規(guī)定一樣，對(duì)直線的最大長度也不宜規(guī)定統(tǒng)一的取值。同樣可以利用3.1的分析結(jié)果來確定。

3．2．3景觀設(shè)計(jì)

路側(cè)景觀是道路交通環(huán)境的重要組成部分。恰當(dāng)設(shè)計(jì)路側(cè)景觀，也是有效預(yù)防駕駛疲勞的措施。一般做法是每隔一定的距離創(chuàng)造一些興奮點(diǎn)，以喚起駕駛員的注意。關(guān)于興奮點(diǎn)間距的取值，筆者認(rèn)為應(yīng)該利用3.1的分析結(jié)果，從駕駛員在該路段上駕駛疲勞的形成時(shí)間考慮，興奮點(diǎn)間最大行程時(shí)間的取值就為駕駛疲勞的形成時(shí)間，而不宜采取統(tǒng)一的取值。

實(shí)際中，當(dāng)受條件所限不得不采用較長的直線或超過一定行程長度的隧道時(shí)，就可以通過改變路側(cè)景觀等來影響駕駛員的喚醒水平，從而延緩駕駛疲勞的產(chǎn)生。

4結(jié)論

1)將心理、生理學(xué)中相關(guān)的經(jīng)典理論應(yīng)用到汽車駕駛工作領(lǐng)域，分析和解釋了道路交通環(huán)境中駕駛員的生、心理反應(yīng)和行為變化。

2)建立了以駕駛員喚醒水平為核心的駕駛疲勞生成模型，描述了駕駛疲勞生成過程中喚醒水平的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，指出影響這一過程發(fā)展速度的關(guān)鍵因素，強(qiáng)調(diào)道路交通環(huán)境對(duì)駕駛員喚醒水平的積極影響。

3)將所建立的駕駛疲勞生成模型應(yīng)用于實(shí)際，通過觀察駕駛員喚醒水平的變化，可以確定駕駛疲勞的生成時(shí)刻，進(jìn)而為駕駛疲勞預(yù)防措施的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供依據(jù)。

4)模型建立的基礎(chǔ)主要是理論推理，尚需繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。