我国青海省、西藏自治区等地为青藏高原高海拔地区，经纬度为北纬25°~40°，东经74°~104°。高海拔地区自然环境恶劣，空气稀薄缺氧，导致驾驶员血氧量降低，直接影响驾驶员的生理心理，极易造成驾驶员行车疲劳，反应迟钝，使得驾驶员的驾驶行为处于不良状态，严重影响了驾驶员的安全性^[1-2]。心率变异性(Heart Rate Variability, HRV)能综合反映驾驶人体力与脑力疲劳的状况^[3-4]。国内外很多学者将人体心理生理学应用到了交通领域。LALSKL采用脑电图来研究驾驶员瞌睡与事故之间关系^[5]。毛喆利用模拟仿真试验系统，进行驾驶员生理信息仿真试验设计，采集被试驾驶员模拟行车过程中的生理测试指标(如心电、脑电、肌电、皮肤电位、皮肤电阻、呼吸等)，并对这些测试指标进行时域与频域分析，同时就各种试验因素对被试驾驶员疲劳状态的影响进行直观分析^[6]。Takei Y等提出驾驶员转向角信号可以用作疲劳驾驶的识别^[7]。Pierre Thiffault研究了多种绩效测量指标与驾驶疲劳的关系^[8]。同济大学潘晓东应用心率血压2个生理指标定量研究其心理反应与平曲线半径、长度、转角和视距之间的关系^[9-11]。乔建刚对山区双车道公路的平、纵断面线形与驾驶员的心率和呼吸率等心理生理反应的关系进行了研究^[12-13]。郑柯研究驾驶员心理紧张量与车速、超车等要素之间的关系，提出了符合驾驶员心理生理需求的高速公路最小平曲线半径值^[14]。

通过驾驶疲劳测试试验, 即实际行车试验获取了高海拔地区驾驶员心率血氧量、汽车运行速度距离和海拔数据，利用SPSS软件处理分析数据并结合驾驶员主观反应，得到了不同海拔下驾驶员心率血氧量变化规律、不同海拔驾驶员疲劳的开始时间和驾驶疲劳度及其变化曲线，为高海拔地区公路交通安全特别是防疲劳策略的提出提供了理论依据。

选取青海省共和至玉树G214一级公路K225+000~K180+000路段(海拔3 000~3 500 m)、K290+000~K225+000路段(海拔3 500~4 000 m)和K536+000~K564+000路段(海拔4 000~4 500 m)作为不同海拔区间驾驶员疲劳测试的试验路段。分别让30名驾驶员驾驶轿车在试验路段上行驶，试验过程中，用五轮仪实时测量和记录汽车运行的速度和距离，采用心率血氧测试仪测量和记录驾驶员行驶过程中的心率和血氧变化数据。

通过驾驶员疲劳测试试验采集到驾驶员心率血氧平均值、汽车运行速度、路线线形和海拔值，如表 1所示，G214 K536+000~K564+000路段(海拔4 000~4 500 m)部分数据处理表，其他海拔区间路段的数据处理方式相同。

由图 1可看出，驾驶员心率随着海拔的升高而增大，血氧量随着海拔升高而降低，心率随着血氧量的减小而增大。高海拔地区血氧量明显低于一般地区血氧量正常值，驾驶员血氧量长时间较低，易导致驾驶员行车疲劳，严重影响驾驶员行车安全及公路交通安全。

图 1 驾驶员心率、血氧量随海拔变化图 Fig. 1 Curves of driver´s heart rate, oximetry and altitude

参考国内外研究成果，选取驾驶员心率RR间期(心电图中2个R波之间的时间)时间序列作为驾驶疲劳生理测量指标，构建RR间期变异系数^[15]。采集驾驶人的原始心电数据，得到RR间期时间序列，按照时间间隔30 s提取RR期间时间序列，并计算得到每段RR间期时间序列的标准差(SDNN)与其平均值M，计算RR间期的变异系数(RRVC):

(1)

式中，SDNN为驾驶员心率RR间期时间序列的标准差；M为驾驶员心率RR间期平均值。

驾驶员的疲劳是在一定的原始疲劳基础上因驾驶疲劳累积叠加的结果，定义驾驶前疲劳量BDF、疲劳累积量FC、驾驶疲劳累积量DFC：

(2)

(3)

(4)

式中，RRVC_i为驾驶员第i个心率RR间期心率变异系数(i=1, 2, 3，…，n)；RRVC_初始为驾驶员初始心率RR间期心率变异系数；RRVC_静态为驾驶员正常状态下驾驶人静坐时心电信号的RR间期的变异系数。

借鉴已有研究中提出的驾驶疲劳度概念，驾驶人的疲劳是由原始疲劳与驾驶疲劳构成，因此，定义驾驶疲劳度(DFD)为：

(5)

利用SPSS软件计算得到不同海拔驾驶员心率RR间期的标准差、均值、心率变异系数，最终由式(5)计算得到了不同海拔区间的驾驶疲劳度，建立了驾驶疲劳度变化曲线，以海拔3 000~3 500 m为例，如图 2所示。

图 2 海拔3 000~3 500 m驾驶疲劳度变化曲线 Fig. 2 Curve of driving fatigue degree in 3 000-3 500 m altitude

由图 2可看出，驾驶员疲劳度变化呈现“S”曲线，采用定性与定量相结合的方法界定驾驶员无疲劳感、轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳状态，无疲劳感对应“S”形曲线的起点，轻度疲劳和中度疲劳对应“S”曲线的2个拐点，重度疲劳对应“S”曲线的终点。通过数据处理，计算和绘制得到不同海拔不同疲劳状态下的驾驶疲劳度变化图，如图 3所示。

图 3 驾驶疲劳度随海拔变化图 Fig. 3 Curves of driving fatigue degree and altitude

利用SPSS软件对驾驶疲劳度与海拔进行相关分析，轻度疲劳状态驾驶疲劳度DFD与海拔H的关系模型为^[16-17]：

(6)

轻度疲劳状态下驾驶疲劳度DFD与海拔H相关分析如表 2所示。

中度疲劳状态驾驶疲劳度DFD与海拔H的关系模型为：

(7)

中度疲劳状态下驾驶疲劳度DFD与海拔H相关分析如表 3所示。

重度疲劳状态驾驶疲劳度DFD与海拔H的关系模型为：

(8)

重度疲劳状态下驾驶疲劳度DFD与海拔H相关分析如表 4所示。

由图 3可看出，驾驶疲劳度随着海拔的升高而增大，随着海拔的降低而减小。高海拔地区不同海拔下驾驶疲劳度高于一般地区驾驶疲劳度阈值^[18]，4 000~4 500 m和4 500~5 000 m海拔区间驾驶疲劳度明显高于较低海拔区间驾驶疲劳度。

驾驶员血氧量随着海拔的升高逐渐降低，显著低于一般地区驾驶员正常值。驾驶员从初始到驾驶疲劳的时间随着海拔的升高而逐渐提前，海拔越高，驾驶员越容易疲劳。高海拔地区驾驶疲劳度显著高于一般地区驾驶疲劳度阈值。高海拔地区公路应从工程措施和管理措施采取预防驾驶员驾驶疲劳策略，有效降低驾驶员因疲劳而引起的交通安全事故和隐患。