駕駛疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)與模型參數(shù)識(shí)別

0道路交通事故死亡人數(shù)及原因道路安全狀況已極大地影響到人們的生活和財(cái)產(chǎn)，并已成為世界的中心。世界上每年有60萬(wàn)人因道路事故死亡。我國(guó)道路交通安全形勢(shì)嚴(yán)峻。從2001年開(kāi)始,每年的交通事故死亡人數(shù)連續(xù)4年超過(guò)10萬(wàn)人,是世界上交通事故死亡人數(shù)最多的國(guó)家,交通事故的萬(wàn)車(chē)死亡率僅次于印度,約為發(fā)達(dá)國(guó)家的10倍左右。2004年,我國(guó)道路交通事故近52萬(wàn)起,死亡10.7萬(wàn)人。其中,疲勞駕駛是導(dǎo)致道路交通事故的重要原因。由于駕駛員疲勞引起的交通事故占很大的比例,尤其在長(zhǎng)途汽車(chē)駕駛交通事故中,駕駛疲勞引起的交通事故占40%以上?？梢?jiàn),“疲勞駕駛”的問(wèn)題是影響交通安全的重要因素之一。1駕駛行為檢測(cè)算法圍繞著駕駛疲勞問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行研究。包括駕駛員適應(yīng)性研究、疲勞產(chǎn)生機(jī)理研究、駕駛行為及可靠性研究、疲勞預(yù)防、疲勞監(jiān)測(cè)、疲勞警告等方面。由于疲勞監(jiān)測(cè)與警告便于推廣應(yīng)用,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)外在該領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究。文獻(xiàn)通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的專用照相機(jī)、腦電圖儀和其他儀器來(lái)精確測(cè)量頭部運(yùn)動(dòng)、瞳孔直徑變化和眨眼頻率,用以研究駕駛疲勞問(wèn)題。研究結(jié)果表明:一般情況下人們眼睛閉合的時(shí)間在0.12～0.13s之間,駕駛時(shí)若眼睛閉合時(shí)間達(dá)到0.15s就很容易發(fā)生交通事故。在歐洲的e-Safety項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)了AWAKE駕駛診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)利用視覺(jué)傳感器和方向盤(pán)操縱力傳感器實(shí)時(shí)獲取駕駛員信息,并利用人工智能算法判斷駕駛員的狀態(tài)(清醒、可能打瞌睡、打瞌睡)。當(dāng)駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí),通過(guò)聲音、光線、振動(dòng)等刺激駕駛員,使其恢復(fù)清醒狀態(tài)。美國(guó)ElectronicSafetyProducts公司開(kāi)發(fā)了方向盤(pán)監(jiān)視裝置S.A.M.(steeringattentionmonitor),該裝置是一種監(jiān)測(cè)方向盤(pán)非正常運(yùn)動(dòng)的傳感器裝置,適用于各種車(chē)輛。方向盤(pán)正常運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器裝置不報(bào)警,若方向盤(pán)4s不運(yùn)動(dòng),S.A.M.就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲直到方向盤(pán)繼續(xù)正常運(yùn)動(dòng)為止。文獻(xiàn)研究了車(chē)輛安全駕駛行為管理問(wèn)題,指出實(shí)施車(chē)載駕駛行為監(jiān)控系統(tǒng),除了需要解決技術(shù)上的問(wèn)題,還需要解決駕駛員認(rèn)可實(shí)施問(wèn)題,因此,需要制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和條例。另外,在交通事故分析以及交通心理認(rèn)真等方面也開(kāi)展研究。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域研究尚處于探索階段,文獻(xiàn)通過(guò)傳感器測(cè)量駕駛員駕駛時(shí)方向盤(pán)、踏板等的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)判別駕駛員的安全因素。王榮本等利用機(jī)器視覺(jué)的方法對(duì)駕駛員的眼睛特征進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤從而判斷駕駛員的精神狀態(tài)。武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心開(kāi)發(fā)了車(chē)載駕駛行為信息采集系統(tǒng),探索了基于駕駛行為的安全駕駛機(jī)理。另外,國(guó)內(nèi)在道路交通安全特點(diǎn)及駕駛心理與道路交通安全的關(guān)系方面也開(kāi)展了部分工作。以上分析可以看出,現(xiàn)有的疲勞監(jiān)測(cè)方法一般分為3類(lèi):一是監(jiān)測(cè)駕駛員的生理指標(biāo),如腦電、肌電等;二是監(jiān)測(cè)駕駛員的頭部運(yùn)動(dòng)和面部表情;三是監(jiān)測(cè)駕駛員的操作動(dòng)作。3種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn),如下表所示。表中顯示,3種方法要獨(dú)立在實(shí)際中應(yīng)用都有一定的困難。但生理指標(biāo)檢測(cè)法具有識(shí)別準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),而駕駛操作檢測(cè)法具有“信號(hào)容易提取、不影響駕駛員的正常駕駛”的優(yōu)點(diǎn),因此,兩種方法的結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。筆者探索把駕駛操作檢測(cè)法和生理指標(biāo)檢測(cè)法結(jié)合起來(lái),建立駕駛操作行為和生理指標(biāo)之間的關(guān)系,為提高駕駛操作檢測(cè)的準(zhǔn)確度提供理論和方法。2汽車(chē)駕駛驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)道路交通系統(tǒng)包括駕駛員、車(chē)、路(包括交通環(huán)境)三要素,如圖1所示。在系統(tǒng)中,駕駛員利用視覺(jué)實(shí)時(shí)獲取道路環(huán)境系統(tǒng)信息如此車(chē)在車(chē)道中的位置信息、前方道路線形、周邊車(chē)輛車(chē)速與車(chē)距、障礙物距離等,經(jīng)過(guò)駕駛員的經(jīng)驗(yàn)做出駕駛決策,形成駕駛操作指令和動(dòng)作,控制車(chē)輛在道路中行駛,如此循環(huán)往復(fù),形成駕駛過(guò)程。要獲取駕駛員操作與駕駛員生理指標(biāo)之間的關(guān)系模型,必須實(shí)時(shí)記錄駕駛員的操作數(shù)據(jù)和駕駛員的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)采用武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心自主開(kāi)發(fā)的汽車(chē)駕駛模擬器。駕駛模擬器中油門(mén)、剎車(chē)、離合、方向盤(pán)和檔位信息都有專用的傳感器提取,當(dāng)駕駛員在模擬器上進(jìn)行駕駛操作時(shí),所有的操作數(shù)據(jù)都能被實(shí)時(shí)的記錄并存儲(chǔ)下來(lái),駕駛員生理數(shù)據(jù)的采集使用加拿大研制生產(chǎn)的ProCompInfiniti生理檢測(cè)儀,可采集心率、皮電、皮溫、肌電、呼吸深度/呼吸頻率等5類(lèi)生理信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)選擇在駕駛員容易發(fā)生疲勞的凌晨進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和操作步驟如下:1)被試選擇以及性格特性等的綜合測(cè)試。2)駕駛模擬器、生理采集儀等設(shè)備測(cè)試,設(shè)置實(shí)驗(yàn)采樣頻率為每秒8次。3)測(cè)試前要求被測(cè)試者安靜休息10min,貼上表面電極并安置好相應(yīng)傳感器。駕駛模擬器上為被測(cè)試者選擇的是相對(duì)平直的郊外公路視景,并要求被測(cè)試者以40km/h的速度行駛;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持安靜的環(huán)境,禁止同被測(cè)試者講話。要求實(shí)驗(yàn)人員(被測(cè)試者)在駕駛模擬器上每次連續(xù)駕駛60min以上(每次記錄60min),從而得到連續(xù)駕駛作業(yè)過(guò)程中駕駛員生理指標(biāo)的變化規(guī)律。4)對(duì)被試在模擬器中的方向盤(pán)、檔位、油門(mén)、離合、剎車(chē)等操作進(jìn)行記錄,其中方向盤(pán)為連續(xù)量,值為轉(zhuǎn)向的弧度,右轉(zhuǎn)為正,左轉(zhuǎn)為負(fù);油門(mén)、離合和剎車(chē)均為一個(gè)從0到1開(kāi)度的連續(xù)量;檔位是離散量,以小轎車(chē)為例,包括1～5檔,倒檔和空檔等6個(gè)值。5)利用生物反饋系統(tǒng)ProCompInfiniti實(shí)時(shí)采集被測(cè)試者的心率、皮電、皮溫、肌電、呼吸深度/呼吸頻率等5路生理信號(hào)。6)數(shù)據(jù)預(yù)處理后存儲(chǔ)。7)更換被試,重復(fù)步驟2)～步驟7)。3基于駕駛操作的駕駛員狀態(tài)識(shí)別模型3.1流量分析的結(jié)果對(duì)獲取的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理:以5min作為一個(gè)單位統(tǒng)計(jì)出對(duì)象的變化次數(shù)。最后計(jì)算整個(gè)2小時(shí)的每5min的數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。大量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,油門(mén)變化規(guī)律與生理指標(biāo)之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3是被試油門(mén)變化規(guī)律,圖4是對(duì)應(yīng)的皮電和體溫生理指標(biāo)。3.2皮電值的計(jì)算使用最能夠表現(xiàn)生理狀態(tài)的皮電值作為參數(shù)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析,二者呈近似線性關(guān)系,使用最小二乘法建立數(shù)學(xué)模型:y=66.2177-5.51957p(1)式中,y——油門(mén)每5min變化次數(shù);p——皮電值,經(jīng)計(jì)算相關(guān)系數(shù)r為-0.660197139。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不同皮電值對(duì)應(yīng)的油門(mén)變化次數(shù),與實(shí)際值進(jìn)行比較,擬合曲線如圖5所示。從而可以推導(dǎo)出由油門(mén)變化值來(lái)表征皮電值的公式:p=11.99689-0.18117y(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn),人的皮電值在正常情況下為0.5～2.2μs之間,越疲勞,皮電值越高,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,一般不超過(guò)12μs,因此,該公式的適用范圍對(duì)油門(mén)變化頻率為[0,63.5]。這樣就可以根據(jù)油門(mén)變化的頻率來(lái)估算駕駛員的皮電值,進(jìn)而評(píng)判駕駛員的疲勞狀態(tài)。4基于駕駛行為模型的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)技術(shù)駕駛疲勞是導(dǎo)致交通事故的重要因素之一,其形成原因和機(jī)理是復(fù)雜的,涉及多種因素。該項(xiàng)研究從揭示駕駛疲勞機(jī)理的角度出發(fā),開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和理論分析工作,得到了如下結(jié)論:1)汽車(chē)駕駛員操作行為和疲勞狀態(tài)之間關(guān)系的確立可以利用駕駛員的生理信息作為橋梁,通過(guò)獲取駕駛操作和生理指標(biāo)的同步信息,利用現(xiàn)有駕駛員生理信息和疲勞狀態(tài)之間的關(guān)系模型,最終找出駕駛行為與疲勞狀態(tài)的關(guān)系模型。2)通過(guò)駕駛模擬器上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,建立了駕駛員油門(mén)變化規(guī)律和駕駛員皮電之間的數(shù)模型,發(fā)現(xiàn)駕駛操作行為與駕駛員生理狀態(tài)之間存在一定的相關(guān)性。3)該模型對(duì)研究非接觸式的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)技術(shù)具有指導(dǎo)意義。由于被試駕駛員的數(shù)據(jù)還沒(méi)有達(dá)到一定的規(guī)模,筆者僅僅是從幾個(gè)有代表性的指標(biāo)進(jìn)行了分析,所建立的模型擬合度不夠精確,具有一定的有局限性。主要原因如下:①被試者并非真正長(zhǎng)期從事駕駛工作,其操作并不能完全反映真實(shí)的駕駛狀況、身體素質(zhì)也存在很大的差異;②駕駛操作