高速公路車輛防疲勞預警系統(tǒng)

班亞云?趙振軍

摘 要：本文介紹了一種基于公路路線設計規(guī)范的車輛疲勞預警系統(tǒng)，詳細闡述該系統(tǒng)運用的原理及可行性，并與國內外同類疲勞駕駛預警系統(tǒng)做出比較，用科學的方式降低高速公路上司機疲勞駕駛所造成的危害，且成本低廉。

關鍵詞：疲勞預警系統(tǒng)；高速公路；線路設計規(guī)范

1 概述

在社會節(jié)奏日益加快的今天，車輛已成為人們不可或缺的交通工具。然而在人類享受前所未有的便利與快捷的同時，也面臨著疲勞駕駛、超速駕駛和酒后駕駛引發(fā)交通事故的巨大威脅，其中最為常見的就是疲勞駕駛。據統(tǒng)計，因疲勞駕駛造成的交通事故占總數的20%左右，占特大交通事故的40%以上。隨著醫(yī)學的進步和計算機技術的迅猛發(fā)展，陸續(xù)涌現出一些基于駕駛員生理行為特征和車輛特性的檢測預警系統(tǒng)，并取得了一定的研究成果。

2 國內外同類系統(tǒng)的研究進展

2.1 基于醫(yī)學的檢測方法

研究表明，駕駛員在疲勞狀態(tài)下的生理指標會偏離正常值，醫(yī)學檢測是通過生理指標檢測對駕駛員的疲勞狀況進行分析和判斷。檢測方法有：腦電圖、心電圖、脈搏跳動、肌電圖等。生理傳感器大都有侵入性，不利于駕駛安全。駕駛員在疲勞狀態(tài)下，其心理和生理特征與正常狀態(tài)下有較大不同， 但目前反映這些特征變化的數據很難客觀地獲得。

2.2基于駕駛員行為特征的檢測方法

駕駛員行為特征的檢測方法有：“PERCLOS”檢測、頭部位置跟蹤判別、視線方向檢測和嘴部狀態(tài)檢測四種。這幾種檢測可實現非侵入式檢測，但大都需要攝像頭采集人臉圖像，成本較高，且檢測識別算法十分復雜，檢測結果易受環(huán)境變化和個體差異（個人的面部特征）的影響較大，因此也不適合普及。

2.3 基于車輛行為特征的檢測方法

基于車輛行為特征的檢測方法則是通過監(jiān)視司機的駕駛操作行為來測定司機的疲勞狀況，如駕駛速度，方向盤的操縱情況和車道偏離檢測等。這種方法信號易提取、技術易實現、實現了非接觸，但檢測結果易受車型和駕駛環(huán)境的影響，特征參數疲勞程度的相關性也難以量化，不適合中國的路況，超車、被超、并線、壓線都會存在誤報。

3 高速預警系統(tǒng)原理及依據

現行各預警系統(tǒng)都存在不可避免的缺陷，故本文提出一種基于中國現行公路路線設計規(guī)范要求的系統(tǒng)，即高速預警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)通過檢測車輛行為特征，判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。當車輛行為特征顯示駕駛員處于疲勞狀態(tài)，高速預警系統(tǒng)便通過報警器進行報警，提醒駕駛員注意行車安全。

3.1 預警系統(tǒng)工作原理

高速預警系統(tǒng)根據車輪的運動狀態(tài)來判斷車子是否處于行駛狀態(tài)，再通過方向盤是否在規(guī)定時間內有過偏轉來判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。若車子在行駛過程中，檢測方向盤在一定時間內沒被轉動，高速預警系統(tǒng)則判斷駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)，此時裝置就會啟動報警器，提醒駕駛員注意路面狀況。當方向盤被重新轉動或車輪停止轉動5s后，報警器停止鳴叫。

檢測方向盤是否轉動采用的是霍爾原理，在方向盤處安置霍爾元件。也即在方向盤下表面固定一系列的磁鐵，在離方向盤2～3cm處的轉軸處固定一個霍爾傳感器（霍爾傳感器不隨轉軸而轉動），當方向盤下方磁鐵隨方向盤轉動掠過霍爾傳感器時，傳感器的一只引腳都會向單片機輸出信號。為了防止方向盤轉動的角度過小，轉動信號不易及時捕捉，還可在方向盤上固定較密集的磁鐵。當這一系列磁鐵中有一個掠過傳感器時，都會有信號傳給單片機，單片機以5s的頻率檢測信號（檢測時間可以更改，這里設成5s）的，經過分析系統(tǒng)即可判斷出方向盤是否轉動，可大大加強檢測精度。

檢測車輪與檢測方向盤的原理基本相同，檢測時間也可設為了5s（掃描時間可更改）。

3.2 方向盤信號檢測時間的設置

由于長直線行駛會使駕駛員感到單調、疲倦和急躁，易超速行駛，對行車安全極為不利，且不利于線形的連接。由于我國地域遼闊，地形差異較大，對高速公路直線長度很難做出統(tǒng)一規(guī)定，但一般以20V（設計時速）為宜。

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》規(guī)定高速公路應當標明車道的行駛速度，最高車速不得超過每小時120公里，最低車速不得低于每小時60公里?！豆仿肪€設計規(guī)范》規(guī)定：當V≥60km/h時，同向圓曲線間的直線最小長度（以km計）以不小于6V為宜，反向圓曲線間的直線最小長度（以km計）以不小于2V為宜。

駕駛員在長直道路上也會由于路面的坡度，汽車齒輪磨損等各種原因，需要不停的轉動方向盤修正行車軌跡，使車輛在公路上沿著車道行駛。為了防止駕駛員在直線行車時因疲勞引發(fā)車禍，故考慮取行車在最短直線（即反向圓曲線間的最小直線長度2V）上的行駛時間作為設置時間，計算公式如下：

V—設計速度，km/h

為了給駕駛員2～3s的反應時間，使疲勞駕駛裝置起到提前預警的作用，我們建議把時間設定為5s.

4 高速預警系統(tǒng)的優(yōu)點

該系統(tǒng)的實施只需單片機、霍爾感應器、磁鐵、報警器等簡單材料組件，相對于其他系統(tǒng)更為經濟合理。該系統(tǒng)實現了非侵入性，裝置不與駕駛員接觸，并不會引起駕駛員的不適和影響駕駛操作動作。而且，該系統(tǒng)疲勞特征簡單明顯，對其進行識別和提取的算法實時性也相對較好，抗干擾性和魯棒性較強。另外，該系統(tǒng)不易受個人及環(huán)境影響，信號提取和判斷較方便，可操作性也遠遠優(yōu)于現有的檢測方法。

5 系統(tǒng)的拓展及展望

介于疲勞駕駛帶來的重大危害，疲勞駕駛檢測技術的研究又為道路交通安全提供了保障的可能性，具有重要的社會意義。近年來各種新技術與成果層出不窮，但都仍需不斷完善和改進。本系統(tǒng)可通過優(yōu)化編程使之更加實用，如：如果駕駛員提前知道在疲勞駕駛，還可以通過設置預警安全等級（不同安全等級對應不同時間長度，越安全對應時長越短），使行車更加安全。

該系統(tǒng)在時間的設定上還存在一定的局限，故需要科研工作者在以后的工作里予以改善，使該系統(tǒng)更加合理，服務于我國的司機朋友們。

參考文獻

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[2]公路路線設計規(guī)范.JTG[S] D20—2006

[3]孫偉，張為公.疲勞駕駛檢測方法的研究進展[J].綜述.2009，（2）：1-17

作者簡介

班亞云（1992-），（第一作者），女，漢族，河南省原陽縣人，就讀于鄭州大學土木工程學院2011級交通工程專業(yè)。

趙振軍（1993-），（第二作者），男，漢族，甘肅省定西人，就讀于鄭州大學土木工程學院2011級交通工程專業(yè)。