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【技术文章】北极冬季卡车司机的警觉性提升新方案

原文：《Multimodal in-vehicle lighting system increases daytime light exposure and alertness in truck drivers under Arctic winter conditions》[1]

作者：Roland F. J. Popp, Julia Ottersbach, Thomas C. Wetter, Sebastian Schüler, Siegfried Rothe, Daniel Betz, Siegmund Staggl, Markus Canazei

简介：在北极冬季的严寒与低光照条件下，长途卡车司机的驾驶任务变得尤为艰巨。长时间的单调驾驶、不规律的工作时间以及有限的光照资源，往往导致司机警觉性下降，进而增加交通事故的风险。为了应对这一挑战，一项关于车内多模态照明系统（daylight‑supplementing in‑truck lighting system, DS）的研究应运而生，旨在为卡车司机提供一种创新的解决方案。

关键词：卡车司机;警觉性;多模态照明;光照暴露;冬季驾驶

编译：复旦大学林燕丹课题组曹君勤

应用场景

该研究的应用场景主要聚焦于北极冬季条件下工作的长途卡车司机。这些司机在极端气候和光照不足的环境中执行长时间的驾驶任务，面临着多重挑战。具体应用场景描述如下：

1、北极冬季的低光照条件

在北极冬季，由于地球的公转位置和太阳高度角的影响，白天时间极短，且阳光强度显著减弱。这种低光照条件不仅影响人们的日常生活，更对长途卡车司机的驾驶安全构成重大威胁。由于光照不足，司机的警觉性容易下降，增加了发生交通事故的风险。

2、长途卡车驾驶的特殊性

长途卡车驾驶通常涉及长时间的连续驾驶，司机需要在高速公路上单调地行驶数百甚至数千公里。这种高度的自动化和重复性工作容易导致司机疲劳和注意力分散。特别是在北极冬季的低光照条件下，司机更容易感到困倦和警觉性下降。

3、不规律的工作时间和驾驶环境

长途卡车司机的工作时间往往不规律，可能需要在夜间或黎明时分驾驶。这些时段的光照条件尤为恶劣，进一步加剧了司机的驾驶负担。此外，卡车驾驶室内虽然装有窗户，但由于车身结构和驾驶位置的限制，自然光往往无法充分照射到司机的眼睛，导致光照暴露不足。

4、驾驶安全与身心健康的考量

在长途驾驶过程中，司机的警觉性和反应速度对于确保道路安全至关重要。低光照条件导致的警觉性下降不仅会增加交通事故的风险，还可能对司机的身心健康造成长期损害。因此，开发一种能够在低光照条件下提高司机警觉性的解决方案显得尤为迫切。

5、车内多模态照明系统的应用

该研究提出的车内多模态照明系统（DS）正是针对上述应用场景设计的一种创新解决方案。该系统通过提供短波长富集光，在驾驶前、驾驶中和驾驶后的休息期间为司机提供充足的光照补充，模拟自然光照环境，从而提高司机的警觉性。同时，该系统经过精心设计，确保不会对司机的视觉舒适度产生负面影响，具有较高的接受度和实用性。

研究目标

该研究旨在评估一种车内日光补充照明系统（DS）在提高卡车司机日间光照暴露和警觉性方面的可行性和有效性，同时考察该系统对驾驶员视觉舒适度及生理节律（特别是非视觉照明领域）的影响。具体研究目标包括：

（1）评估DS系统对提高卡车司机日间光照暴露和警觉性的可行性和有效性：研究通过对比DS系统和安慰剂系统下的光照暴露水平和警觉性指标，验证DS系统是否能够在北极冬季低光照条件下显著提高卡车司机的日间光照暴露，并进而改善其警觉性。

（2）考察DS系统对卡车司机生理节律的影响：研究关注DS系统对卡车司机夜间褪黑素水平、睡眠质量和夜间警觉性的影响，以评估该系统是否会对驾驶员的睡眠-觉醒系统产生不利影响。

（3）确保DS系统的高接受率：研究通过收集卡车司机对DS系统的舒适度评价，确保该系统在提供光照补充的同时，不会对驾驶员的视觉舒适度产生负面影响，从而保证其在实际应用中的高接受率。通过这些研究目标，该研究为开发一种能够在低光照条件下提高卡车司机警觉性的车内照明系统提供了科学依据。

研究方法

在该项研究中，研究者们精心设计了一套系统的方法来评估车内日光补充照明系统（DS）对北极冬季条件下长途卡车司机日间光照暴露和警觉性的影响。这一研究过程不仅注重实验的严谨性，还充分考虑了实际驾驶条件的模拟，以确保研究结果的科学性和实用性。

研究采用了参与者内设计，即每位参与者均在两种不同条件下（DS系统与安慰剂系统）完成实验，以消除个体间差异对结果的影响。研究者从梅赛德斯-奔驰公司的道路测试部门招募了八名符合特定纳入标准的男性专业卡车司机，这些司机不仅拥有丰富的驾驶经验，还需保持规律的作息时间并愿意严格遵守研究协议。

实验的核心干预措施是DS系统，该系统被巧妙地安装在卡车驾驶室的天花板上，能够在不同的驾驶阶段提供适宜的光照补充。具体而言，DS系统包括两种工作模式：DS++模式在驾驶前和驾驶后的休息期间提供高强度的短波长富集光，旨在迅速提升司机的警觉性；而DS+模式则在驾驶过程中根据外界光照条件动态调节车内光照，确保司机在行驶过程中也能获得充足的光照暴露。作为对照，安慰剂系统则模拟了一个无实际光照补充效果的环境，司机被误导认为他们正在暴露于非可见紫外线光和离子化空气中。

图1 DS照明系统的归一化发射光谱

研究地点选在了芬兰罗瓦涅米机场附近的道路上，这里在北极冬季时期呈现出典型的低光照条件，为模拟长途卡车司机的实际工作环境提供了理想的场所。实验期间，司机们每天驾驶满载的40吨半挂车往返于罗瓦涅米机场和索丹屈莱之间，全程约260公里。为了增加驾驶的单调性，研究过程中关闭了卡车内的收音机，以确保司机在相对单调的环境中驾驶，更贴近实际的长途驾驶情境。

图2 两种使用模式的舱内补光系统（DS）；

（a）驾驶前后的富蓝光曝光（DS++）；高度反射的垂直表面增加了驾驶员眼睛的光照水平；

（b）驾驶时补充蓝白光（DS+）；红色箭头表示挡风玻璃光电传感器的位置，该传感器连续测量照度以控制DS应补充多少光。

在连续五天的实验周期内，研究者们对司机们进行了密集的警觉性测试和光照暴露记录。具体而言，通过Karolinska睡眠量表（KSS）在多个时间点收集司机的主观睡眠情况数据，以评估他们的主观警觉性变化。同时，利用心理运动警觉性任务（PVT）在驾驶前后及休息期间对司机的客观警觉性进行测试，通过记录反应速度和失误次数来量化警觉性水平。此外，研究者们还收集了唾液褪黑素样本，以评估DS系统对司机夜间褪黑素分泌的影响，从而间接了解其对睡眠-觉醒系统的作用。

为了确保数据的全面性和准确性，研究者们还采用了多种先进设备和技术手段。例如，使用可穿戴设备（LuxBlick 2.0）连续记录司机眼睛水平的光照强度，以精确测量他们的实际光照暴露量。同时，考虑到非视觉光效应的重要性，研究者们还估算了等效黑素皮质醇日光照明量（MEDI），以进一步分析光照对司机生理节律的潜在影响。在睡眠质量的评估方面，研究者们采用了多导睡眠图（PSG）技术，在两次研究周中的周一和周五对司机进行睡眠监测，以全面评估DS系统对司机夜间睡眠结构的影响。

数据分析阶段，研究者们采用了严谨的统计方法以确保结果的可靠性。由于研究设计包含干预、测量时间和工作日三个因素，因此采用了三因素重复测量设计的ANOVA模型对数据进行统计分析。同时，为了控制多重比较带来的第一类错误风险，研究者们应用了Bonferroni校正方法。对于舒适度评价等主观数据，则采用了非参数Friedman检验进行分析。此外，研究者们还进行了先验功率分析，以确定所需的样本量并确保研究具有足够的统计效力来检测小到中等效应量。

主要结论

在该研究中，通过一系列精心设计的实验和数据分析，得出了关于车内日光补充照明系统（DS）对北极冬季条件下长途卡车司机日间光照暴露和警觉性影响的主要结果。

首先，研究结果显示DS系统显著增加了卡车司机在驾驶过程中的日间光照暴露量。具体而言，在驾驶休息期间（DS++模式），司机们暴露于平均531至538 lx的光照下，相比安慰剂条件下的47至28 lx，实现了显著的光照增强。而在驾驶过程中（DS+模式），DS系统根据外界光照条件动态调节车内光照，使得司机们眼睛水平的光照强度平均达到650 lx，相比安慰剂条件下的247 lx，光照暴露量增加了2.5倍。此外，通过估算等效黑素皮质醇日光照明量（MEDI），研究者发现DS系统不仅增加了视觉光照刺激，还显著增强了非视觉光效应，为司机们提供了更为全面和有效的光照补充。

图3 四小时试驾期间的光照；

（a）眼睛水平的平均照度；

（b）眼睛水平的估计平均黑色素日光等效照度（MEDI）

其次，研究结果表明DS系统显著提高了卡车司机的警觉性水平。在客观警觉性测试方面，心理运动警觉性任务（PVT）的数据显示，DS系统使用期间司机的反应速度显著加快，失误次数显著减少。特别是在驾驶前和驾驶后的休息期间（DS++模式），司机们的警觉性提升尤为明显，这有助于他们在长时间驾驶过程中保持更好的注意力和反应能力。同时，主观警觉性评估也支持了这一发现，司机们在使用DS系统后报告了更低的睡眠感和更高的警觉性水平。

进一步分析发现，DS系统对卡车司机的警觉性提升作用并未持续至夜间，也未对他们的睡眠质量和褪黑素分泌产生不利影响。在夜间褪黑素水平评估中，研究者观察到两种条件下褪黑素水平均随时间增加而升高，但并未发现显著差异。此外，通过多导睡眠图（PSG）技术监测的夜间睡眠结构也未显示DS系统对司机睡眠质量的负面影响。这些结果表明DS系统能够在不干扰司机夜间睡眠的情况下有效提升其日间警觉性。

此外，研究还评估了司机们对DS系统的舒适度感受。结果显示司机们普遍对DS系统持有正面评价，认为该系统不仅提高了他们的警觉性和舒适度还改善了整体驾驶体验。具体而言，司机们报告称DS系统使得驾驶环境更加明亮和舒适，有助于缓解驾驶过程中的单调感和疲劳感。同时，他们也未报告任何由DS系统引起的不适或负面视觉效应。

总结

该研究通过一系列客观和主观评估方法全面考察了DS系统对北极冬季条件下长途卡车司机日间光照暴露和警觉性的影响。结果显示DS系统不仅能够显著增加司机的日间光照暴露量还显著提高了其警觉性水平且未对夜间睡眠产生不利影响。此外司机们对DS系统的舒适度评价也普遍较高进一步证实了该系统的实用性和可行性。这些发现为长途卡车司机在低光照条件下的驾驶安全提供了新的解决方案并为相关领域的研究提供了有价值的参考和借鉴。

总的来说，该研究通过精心设计的参与者内设计、科学的实验干预措施、密集的警觉性测试和光照暴露记录、先进的数据收集与分析技术，全面评估了DS系统在提高北极冬季条件下长途卡车司机日间光照暴露和警觉性方面的效果。这一研究方法不仅具有高度的科学性和严谨性，还为后续相关研究提供了宝贵的参考和借鉴。

文献来源：

[1] Popp, R. F. J., Ottersbach, J., Wetter, T. C., Schüler, S., Rothe, S., Betz, D., Staggl, S., & Canazei, M. Multimodal in-vehicle lighting system increases daytime light exposure and alertness in truck drivers under Arctic winter conditions. Scientific Reports, 14(1), 9925 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41598-024-60308-y