持续双重任务驾驶中驾驶员心理工作负荷的动态变化：一种多模式心理生理评估方法

《International Journal of Industrial Ergonomics》：Dynamic patterns of drivers’ mental workload in sustained dual-task driving: A multimodal psychophysiological assessment approach

　　摘要
了解驾驶员的心理工作负荷（MWL）随时间的变化对于确保在持续高强度认知需求下的驾驶安全至关重要。本研究旨在采用多模态心理生理学方法探究驾驶员心理工作负荷的动态变化模式。实验采用二因素被试内设计，参与者完成了三个难度不同的1小时双重任务驾驶任务。在六个10分钟的时间段内收集了主观心理工作负荷评分、驾驶数据以及典型的生理信号（脑电图EEG、心电图ECG、皮肤电导EDA和眼电图EOG）。通过分析生理和驾驶指标与心理工作负荷的关联，研究发现：更高难度任务会导致更重的心理工作负荷以及较差的驾驶表现和次要任务完成情况，并影响中枢（如θ波和α波功率）及外周生理指标（心率、皮肤电导、注视距离和瞳孔直径），表明神经系统的参与度增加而交感神经兴奋性降低。不同感觉模式之间存在不同的时间效应。主观心理工作负荷和睡眠剥夺评分（SCL）随时间稳步上升，任务表现（如反应时间和驾驶位置偏差）在早期阶段提升后趋于平稳，而某些中枢（如θ波和β波功率）及外周生理指标（如皮肤电导变化率SCR和pNN20）则在早期阶段保持不变，后期发生显著变化。此外，瞳孔直径在不同难度任务下的变化趋势也各不相同。这些发现有助于我们理解驾驶员心理工作负荷及其相关心理生理反应的时间变化规律，强调了持续驾驶过程中认知适应和资源消耗的复杂性，并为智能驾驶辅助系统中实时心理工作负荷监测技术的开发提供了依据。

引言
交通事故是全球主要的死亡原因之一，是重大的公共卫生问题。统计数据显示，每年约有130万人在交通事故中丧生，5000万人受伤（世界卫生组织，2021年）。在中国，每年发生超过20万起道路交通事故，导致6万余人死亡及大量财产损失（闫等人，2023年）。研究致力于探究交通事故的根本原因，其中驾驶员的不良心理状态（特别是心理工作负荷MWL）被认为是重要因素（Bengler等人，2014年；Dijksterhuis等人，2011年；Gu等人，2023年）。根据美国国家安全委员会的数据，21%的交通事故可归因于驾驶过程中的认知分心（国家安全委员会，2012年）。先前的研究也表明交通事故与不当的心理工作负荷密切相关（Brookhuis和De Waard，2010年）。驾驶本质上是一项对驾驶员要求极高的认知活动，需要他们持续进行复杂的心理运动和认知处理，包括通过视觉和听觉通道感知交通环境、根据感知信息做出决策以及执行车辆控制。因此，心理工作负荷是驾驶任务的自然结果。随着汽车技术的快速发展，现代车辆配备了多种车载信息系统（IVIS），这些系统具有复杂的视听界面。虽然这些系统旨在提升驾驶舒适性和性能，但同时也可能给驾驶员带来额外的心理负担，从而影响驾驶表现。根据多重资源理论（Wickens，2008年），当驾驶员同时处理来自IVIS的语音和视觉信息时，这些非驾驶任务会与主要驾驶任务竞争有限的认知资源，可能导致认知超负荷，进而引发反应迟缓、危险行为和交通事故风险增加（Huang等人，2022年；Lee等人，2019年）。因此，在驾驶员同时处理听觉和视觉信息及控制车辆的过程中准确评估其心理工作负荷变得至关重要，以预防驾驶风险并降低交通事故的发生率。

心理工作负荷通常被认为是一个多维概念。尽管对其定义尚未达成共识，但普遍接受的定义是“满足客观和主观表现标准所需的注意力资源水平，这可能受任务需求、外部支持和经验的影响”（Young等人，2015年；Young和Stanton，2002年）。心理工作负荷可能处于超负荷或不足状态，两者都会影响驾驶表现并可能导致驾驶员失误（Hancock和Warm，1989年；Liu等人，2023年）。不足的心理工作负荷（即非常低）可能导致警觉性和注意力下降，甚至分散对主要驾驶任务的注意力，从而降低表现。相反，超负荷可能导致对周围交通环境的感知和情境意识不足，以及信息处理和决策不准确（Young和Stanton，2002年；Young等人，2015年）。许多研究使用了三种典型方法评估心理工作负荷，包括表现指标、主观指标和生理指标（Faidah等人，2026年；Islam等人，2020年；Young等人，2015年）。其中，表现和主观指标受个人因素影响较大，无法实现实时评估。相比之下，生理指标越来越受欢迎，因为它们可以提供客观、连续且可靠的结果，并且易于标准化，便于在不同个体和研究之间进行比较（Eniyandunmo等人，2025年；Ji等人，2026年；Valentina等人，2023年）。在评估驾驶员心理工作负荷方面，生理指标的优势尤为明显，因为它们可以在驾驶过程中不受干扰地同时记录。已经识别出多种对心理工作负荷变化敏感的生理指标，如脑电图（EEG，例如θ波、β波、δ波和γ波的功率）、心电图（ECG，例如心率、LF/HF比率和RMSSD）、眼电图（EOG，例如瞳孔直径和注视距离、眨眼频率）、皮肤电导（EDA）和肌电图（EMG，例如EMG幅度）（Tao等人，2026年；Mehler等人，2009年；Sugiono等人，2018年）。例如，Mehler等人（2009年）发现年轻驾驶员的心理工作负荷增加时心率会升高，Sugiono等人（2018年）指出心率变异性（HRV）可用于区分不同难度任务下的心理工作负荷水平。Foy和Chapman（2018年）认为皮肤电导、眼球运动水平和前额叶皮层激活等生理指标可以反映驾驶员的心理工作负荷。Tao等人（2019年）和Charles与Nixon（2019年）的研究也提供了关于心理工作负荷评估的生理指标系统综述。然而，现有文献关于生理指标在驾驶活动中反映心理工作负荷变化的有效性存在矛盾结果（Sriranga等人，2023年）。虽然某些指标在特定研究场景中有效，但在其他场景中可能无效（Cardone等人，2022年；Ding等人，2020年）。最近的研究表明，没有一种指标能普遍适用于所有场景来有效区分心理工作负荷（Charles和Nixon，2019年；Tao等人，2019年）。这是因为人类对心理工作负荷的反应（无论是生理、心理还是行为方面）高度依赖于具体任务场景，并可能受到任务特征和个人差异的影响（Guan等人，2023年；Wei等人，2023年）。此外，大多数先前研究仅使用有限的生理指标和测量方法来评估心理工作负荷，这使得在同一场景内比较不同指标的有效性更加困难，导致缺乏实证依据来确定优先选择的指标。因此，结合多种类型的指标进行全面评估非常重要，以便在同一研究场景内比较不同指标的检测效果。此外，以往关于心理工作负荷的研究主要依赖短期横断面设计，在孤立时间点或任务结束后进行测量，忽略了心理工作负荷的时间动态特性，而这种特性在长时间和高强度认知任务（如驾驶）中尤为重要。实际上，心理工作负荷是一个动态变化的过程，而非固定状态。随着驾驶任务的进行，驾驶员的心理工作负荷以及其与生理信号之间的关系会因疲劳累积、认知适应或次要任务的干扰而波动（Soto-Castellón等人，2023年；Teng等人，2023年；Yang等人，2021年；Young等人，2015年）。最近的研究表明，基于初始驾驶阶段收集的生理信号建立的心理工作负荷评估模型在任务进行过程中表现较差（Yang等人，2021年），表明生理信号与心理工作负荷之间的关系会随时间变化。然而，在持续高强度认知需求的驾驶环境中，驾驶员的心理工作负荷如何随时间变化仍不清楚。为填补现有研究空白，本研究采用多模态心理生理学方法全面评估驾驶员的心理工作负荷，并探讨其在驾驶任务进行过程中的变化情况。我们采用纵向被试内设计，让24名持证驾驶员在具有代表性的听觉双重任务驾驶场景中执行模拟驾驶任务，任务难度不同。在整个驾驶过程中，连续记录多种数据（包括自我报告的心理工作负荷评分、驾驶表现、脑电图、心电图、皮肤电导和眼电图指标），以评估它们与心理工作负荷状态之间的关联。这些发现有助于更准确、动态地理解心理工作负荷，并为智能驾驶辅助系统和自动驾驶技术中实时监测心理工作负荷状态提供实证支持。

研究样本
合格参与者应拥有有效驾驶执照超过一年，并在过去一年内具有实际驾驶经验。根据之前的研究（Chihara等人，2020年），本研究设定效应量为0.3，统计功效为80%，显著性水平为5%。因此，基于本研究采用的双因素被试内设计，至少需要20名参与者。最终招募了24名参与者参与实验。

表2总结了主观工作负荷和任务表现指标的方差分析结果。任务难度（F(2, 46) = 23.690, p < 0.001）和任务持续时间（F(2.25, 51.80) = 26.025, p < 0.001）对主观心理工作负荷有显著的主效应。随着任务难度的增加和持续时间的延长，心理工作负荷评分逐渐升高（图2）。对于N-back任务表现，任务难度对反应时间（F(1, 23) = 46.727, p < 0.001）和准确性（F(1, 23) = 28.491）有显著影响。

讨论
了解驾驶员在不同任务需求下心理工作负荷随时间的变化对于确保安全高效的驾驶至关重要，尤其是在需要将认知资源分配给车辆控制和次要信息处理的双重任务情况下。本研究通过一组主观、行为和心理生理学指标系统地探究了驾驶员心理工作负荷的时间动态变化。

结论
本研究通过整合主观、行为和多模态心理生理学指标，考察了驾驶员在双重任务驾驶中的心理工作负荷时间动态。结果一致表明，更高难度任务会导致更重的心理工作负荷，表现在主观评分升高、次要任务响应变慢以及神经和自主神经系统激活增强。除了难度效应外，研究还发现心理工作负荷会随时间演变，表现为明显的...

作者贡献声明
陶达（Da Tao）：概念化、资金获取、研究设计、方法论制定、项目管理、监督、验证、初稿撰写、审稿与编辑。吴宇卓（Yuzhuo Wu）：数据整理、正式分析、软件应用、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。杨龙（Yang Long）：概念化、方法论制定、验证、审稿与编辑。邓驰（Chi Deng）：概念化、审稿与编辑。王海亮（Hailiang Wang）：概念化、方法论制定。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号32271130）、广东省自然科学基金（项目编号2024B1515020007）和深圳市科技创新委员会基金（项目编号JCYJ20230808105219038及JCYJ20250604182022029）的支持。作者还感谢齐亮（Qiliang Zhang）和黄玉勇（Yuyong Huang）在数据收集和提取方面所提供的帮助。

作者：陶大（Da Tao）、吴宇卓（Yuzhuo Wu）、杨龙（Yang Long）、邓驰（Chi Deng）、王海亮（Hailiang Wang）

单位：深圳大学机电控制工程学院人体因素与人体工程学研究所，中国深圳市，518060