基于眼动特征及的轨道交通驾驶员疲劳分析与识(2) - 临床心电学杂志杂志社投稿

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基于眼动特征及的轨道交通驾驶员疲劳分析与识(2)

作者:

关键词:

摘要：

(a) 瞳孔面积均值 (b) 瞳孔面积方差图5 瞳孔面积变化折线图

根据以上被试瞳孔变化趋势图，可以看出随着实验的进行，被试的眼动特征指标也会发生变化。(1)在实验最初的5 min瞳孔面积及方差均较大，考虑原因是被试的主观努力所致。(2)由a、b图可见，在长达一小时的驾驶时间内，6名被试的平均瞳孔面积总体呈现波动下降的趋势，而在实验的最后15 min被试的瞳孔面积方差呈现上升趋势，说明被试在模拟驾驶的后期开始疲劳状态;由a图可见，在驾驶的最后15 min瞳孔面积出现波动，反映了被试对疲劳的抗拒，随着实验的进行反复进入疲劳状态。证明了处于疲劳状态的被试的瞳孔面积会收缩并发生波动。(3)由图5可以看出在驾驶的20～35 min存在被试瞳孔面积和方差明显较大的阶段，对照驾驶的路线发现，主要是由于被试经历由地面线路进入底下线路，在地上线路亮度较高，被试的瞳孔面积较小，地下线路亮度较低，被试需要将瞳孔放大以适应低亮度环境。证明了地下路段入口处存在“黑洞效应”现象，每个入口的变化不同主要是由于亮度本身不同导致[6]。

为了避免由于光的变化等因素影响疲劳等级划分结果，并建立一种方便、准确的疲劳等级划分方式，根据眼动仪采集的瞳孔面积运用聚类分析法对被试的疲劳状态进行分类。聚类法是在要划分的类是未知的情况下，把数据对象集划分成多个组或族，使得同簇中的对象彼此相似，但与其他簇中的对象很不相似[7]。如图6为被试1的聚类分类图，可见红色点为一类，表示疲劳等级1；绿色点为一类，表示疲劳等级2。整理如表1，第7、12段为2级疲劳，其余为1级疲劳。

图6 被试1聚类分类图

把聚类分析的结果与图5比对，在第7、12段，被试1的瞳孔面积收缩且波动较大，被试1的聚类结果与实际数据的统计结果相符，整理如表1所示，在第7和12段疲劳等级为2，其余段疲劳等级为1，相对于统计的平均瞳孔面积和方差，第7和12段瞳孔收缩并发生波动。依次对被试2～6进行疲劳等级划分并验证，发现聚类结果均与实际相符，证实聚类分析法疲劳等级划分的可行性。

表1 被试1瞳孔数据统计结果时段等级面积1696.85 1538.43 1519.89 1512.95 1418.95 1318.68 方差.60 .23 .18 .0.07 .55 时段聚类面积1255.40 1483.20 1396.79 1338.46 1225.71 1046.62方差.79 .56 .25 .35 .56 .47

4 疲劳识别模型构建

4.1 HRV指标计算

HRV是指连续心跳RR间期的微小涨落，HRV可以定量评估交感神经和迷走神经的张力，能够评价人体自主神经系统平衡程度[8]。时域分析直观反应自主神经系统的功能状态，频域分析准确性高、灵敏度好，把时域和频域结合分析对于测评交感神经和迷走神经的平衡效果更优，更好地反应驾驶员的疲劳状态。

通过原理简单、计算量小的间歇谱法从ECG设备的原始信号获取RR间期，根据RR间期计算HRV指标：

全体RR间期的标准偏差SDNN：

其中N为心搏总数，RRi为第i个RR间期，RRmean为第N个RR间期的平均值。

相邻RR间期之差的均方根RMSSD：

其中N为心搏总数，RRi和RRi-1为相邻的RR间期，i为整数。

HRV波形图集合了各种频带的频率信号，通过快速傅里叶变换能够把HRV变异信号根据频率频带范围分类分析。临床上一般频带属于高频领域(HF)，反映交感神经系统的活性，0.04～0.15Hz频带属于低频领域(LF)反应迷走神经的活性，二者的比值LF/HF是是反映交感与迷走神经活性平衡的重要指标。从总能量中除去极低频成分，利用公式如下公式计算HFnorm：

将实验时间1时的HRV指标按以上公式分别进行计算，同样以5min/段划分为12段，与瞳孔面积对应，依次计算SDNN、RMSSD、HF、HFnorm、LF/HF五项心电指标每5min的平均值，并绘制6名被试各指标的趋势图，以被试1的各指标为例，趋势图如图7所示：

(a)SDNN (b) RMSSD

(c) HF (d)HFnorm

(e)LF/HF图7 被试1 HRV指标趋势图

根据以上被试1的各项指标变化趋势图，可以看出随着实验的进行，被试的ECG各项指标也会发生变化。(1)在实验的前30min被试的两项时域指标SDNN、 RMSSD变化不大且较低，随着疲劳的加重，自主神经系统会增强交感神经活性来维持身体平衡，可以看到30～45 min被试1陷入疲劳；在45～55min SDNN、 RMSSD下降，考虑由于驾驶线路引起的光照变化的刺激使得被试兴奋，最后5 min随疲劳加深而再次上升。(2)HF、HFnorm反应迷走神经的活跃程度，可以看出30～40 min两项指标的上升反映了被试对疲劳的抗拒，短暂受光的变化刺激后再次陷入疲劳；LF/HF反应交感神经和迷走神经的平衡，在图中可以看出驾驶的中期和后期LF/HF有两次显著升高，说明被试在疲劳状态为了维持作业能力主观努力，导致交感神经活性增大。

文章来源：《临床心电学杂志》网址: http://www.lcxdxzz.cn/qikandaodu/2021/0305/457.html