一種適用于疲勞駕駛員的行車防追尾 報(bào)警模型

張 路 王紅蕾

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院 貴陽 550025）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與改革開放的力度日益增大，我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)的規(guī)模也愈發(fā)龐大。但是隨之而來的交通事故發(fā)生率也不斷增長(zhǎng)，給從事交通運(yùn)輸業(yè)司機(jī)的人身安全帶來很大威脅。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)資料顯示，每年導(dǎo)致交通事故發(fā)生最重要的原因之一就是疲勞駕駛。尤其在高速路上，由于疲勞引起的交通事故占總事故的40%以上，其中追尾事故是最為常見的[1-2]。所以有必要針對(duì)從事長(zhǎng)時(shí)間不間斷駕駛的這一部分疲勞人群開發(fā)一種防撞報(bào)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)會(huì)自行判斷前方是否存在追尾的危險(xiǎn)，如果存在危險(xiǎn)此系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，以及自動(dòng)制動(dòng)措施以保護(hù)駕駛員的安全。此系統(tǒng)的最關(guān)鍵之處在于防撞報(bào)警模型的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@是軟件基礎(chǔ)。本文在參考眾多的國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，嘗試著建立一種適合疲勞駕駛員的防撞報(bào)警模型，此模型以汽車行駛過程中的制動(dòng)過程為基礎(chǔ)，并以速度及駕駛員的反應(yīng)時(shí)間為主要參數(shù)。其中疲勞駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間國(guó)內(nèi)外還沒有系統(tǒng)的進(jìn)行研究與測(cè)試，所以本文更多的是提出一種測(cè)量方法來試著填補(bǔ)這項(xiàng)空白并且需要后期采樣以進(jìn)一步測(cè)試。

1 汽車的制動(dòng)過程

建立防撞報(bào)警模型其目的就是計(jì)算出汽車在不同的行駛狀態(tài)下的制動(dòng)距離。了解汽車的制動(dòng)過程對(duì)建立制動(dòng)距離的公式是很有必要的。汽車的制動(dòng)過程是建立防撞報(bào)警模型的理論依據(jù)，可分為以下四個(gè)階段。

1）駕駛員反應(yīng)階段，此階段包括駕駛員在感知前方危險(xiǎn)并作出判斷，然后采取相應(yīng)的制動(dòng)措施，并且把右腳從加速踏板移動(dòng)到制動(dòng)踏板上的反應(yīng)時(shí)間，此時(shí)間記為t2。對(duì)于疲勞駕駛員來說，此反應(yīng)時(shí)間的確定是非常復(fù)雜的，影響其反應(yīng)時(shí)間的因素是疲勞程度，駕駛員的年齡等等。并且國(guó)內(nèi)外針對(duì)其研究很少，所以本文只能提出一種測(cè)試方法且在后期選擇被試者來進(jìn)一步測(cè)試。

2）制動(dòng)器協(xié)調(diào)階段，此階段是指駕駛員踩下制動(dòng)踏板距離制動(dòng)器起作用的時(shí)間。此時(shí)間記為t2。

3）汽車減速時(shí)的加速度增長(zhǎng)階段，此階段是指汽車減速時(shí)其加速度從零持續(xù)增長(zhǎng)到恒定值的時(shí)間。設(shè)此時(shí)間為t4。

4）持續(xù)減速階段，此階段是指汽車以恒定的加速度減速到車速為零的階段。此階段時(shí)間記為t4。汽車制動(dòng)加速度與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 汽車制動(dòng)加速度與時(shí)間的關(guān)系

另設(shè)，本車初速度為v初，制動(dòng)加速度最大恒定值為amax。并且在以上四個(gè)階段，分別得出以下汽車制動(dòng)距離。

（1）t2與t2階段制動(dòng)距離為s1

（2）t3階段制動(dòng)距離為s3：由上圖可知，t3內(nèi)的加速度為那么速度為

那么：

（3）t4階段的制動(dòng)距離s4：此階段汽車的制動(dòng)加速度恒為amax。且t4段的初速度為t3段的末速度，即

因?yàn)樽罱K的車速要減為零，那么：

最終可得汽車從初速度v本減速到零時(shí)的制動(dòng)距離：

由于式（6）最后一項(xiàng)數(shù)值很小，可以忽略，那么此公式可以簡(jiǎn)化為

此公式就是汽車制動(dòng)距離公式，此公式表示的是汽車在以一定的初速度下減速到零時(shí)的距離。有了此基礎(chǔ)，我們就可以建立報(bào)警模型。

2 模型的建立

兩輛汽車在道路上行駛時(shí)，如果后車的速度大于前車的速度，那么兩車會(huì)不斷接近，如果駕駛員不及時(shí)采取措施就會(huì)發(fā)生追尾危險(xiǎn)。所以有必要在危險(xiǎn)潛伏期提醒駕駛員采取制動(dòng)措施以避免危險(xiǎn)發(fā)生。所謂報(bào)警模型就是通過公式計(jì)算出報(bào)警距離。此報(bào)警距離就是等于汽車的制動(dòng)距離加上后車減速到零時(shí)與前車保持的安全距離。其中，最重要的是要確定駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間長(zhǎng)短直接決定了制動(dòng)距離的長(zhǎng)短，尤其在高速路上車速較高時(shí)，此差距尤為明顯。尤其是疲勞駕駛員，他的反應(yīng)時(shí)間比正常駕駛員還要長(zhǎng)，那么它所需要的報(bào)警距離肯定要比正常不疲勞的駕駛員要長(zhǎng)，這樣才安全。我們從兩車的相對(duì)位置關(guān)系入手來制定報(bào)警模型，兩車的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 后車與前車相對(duì)位置關(guān)系

圖2表示后車在行駛中突然意識(shí)到與前車有碰尾的危險(xiǎn)并馬上采取制動(dòng)措施，此時(shí)后車距前車距離為d實(shí)際。后車減速到零時(shí)所行使的距離為x1，此時(shí)前車行駛的距離為x2。后車停止時(shí)與前車保持安全距離為d安全。此圖表示一種臨界狀態(tài)，即實(shí)際距離恰好等于報(bào)警距離。所以，報(bào)警距離為：x1-x2+d安全。

2.1 前車為靜止時(shí)

此時(shí)x2為0。后車由初速度v初減速到零。此時(shí)報(bào)警距離為

2.2 前車減速到靜止時(shí)

此種情況假設(shè)前車減速到靜止，后車也相應(yīng)的減速到靜止。假設(shè)后車與前車恒定制動(dòng)加速度相等，同為amax，且后車與前車制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間也相等，同為t2。并設(shè)前車初速度為v后，后車初速度為v后，且v后大于v后，且后車速度減去前車速度為后車與前車的相對(duì)速度，記為v相對(duì)。此時(shí)前車由v后加速到停止，則

后車由v后減速到停止，則

此時(shí)，報(bào)警距離應(yīng)該為

2.3 各參數(shù)確定

對(duì)于式（8）與式（11）中的各種速度，可用測(cè)速傳感器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)際距離d實(shí)際可用測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)。至于疲勞駕駛員反應(yīng)時(shí)間t2在下文中詳細(xì)討論。根據(jù)相關(guān)研究制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間t2大致取0.2s，制動(dòng)減速度增長(zhǎng)時(shí)間t3也取0.2s。至于最大恒定制動(dòng)加速度amax則根輪胎與路面的附著系數(shù)有關(guān)，即amax=p.g，其中p為附著系數(shù)，g為重力加速度。假設(shè)兩車在干燥的瀝青路面上行駛，p取0.6，則amax= 6m/ s2。

3 疲勞駕駛員反應(yīng)時(shí)間討論

眾所周知，如果人在疲勞甚至極度疲勞的狀態(tài)下，其反應(yīng)能力與反應(yīng)時(shí)間與正常人相比較慢，那么針對(duì)疲勞駕駛員的汽車防撞報(bào)警模型中駕駛員反應(yīng)時(shí)間的參數(shù)不能與正常駕駛員通用（經(jīng)研究正常駕駛員反應(yīng)時(shí)間在0.6～1.5s 之間），否則或?qū)е聢?bào)警距離過短，容易發(fā)生危險(xiǎn)。而針對(duì)疲勞駕駛員的研究屬于行為科學(xué)的研究范疇，本人在閱讀大量的有關(guān)行為科學(xué)的研究方法的資料之后，提出一種能用來確定疲勞駕駛員的模擬測(cè)試方法，模擬駕駛軟件加反應(yīng)時(shí)測(cè)試，也就是說模擬動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)測(cè)試。

“反應(yīng)時(shí)”顧名思義，是測(cè)試人在各種刺激下的反應(yīng)時(shí)間的方法。通常為聲光刺激，當(dāng)聲光刺激發(fā)生時(shí)，儀器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)人按下結(jié)束按鈕之后計(jì)時(shí)完畢，通過兩次計(jì)時(shí)的時(shí)間差則得出反應(yīng)時(shí)間?，F(xiàn)階段防撞報(bào)警系統(tǒng)中，當(dāng)檢測(cè)到前方有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，開始聲光報(bào)警，駕駛員在接受到聲光刺激之后開始采取制動(dòng)動(dòng)作，具體的動(dòng)作就是右腳離開加速踏板并移動(dòng)到制動(dòng)踏板上，此為簡(jiǎn)單反應(yīng)。但是我國(guó)東港交警部門發(fā)布的資料中顯示，在駕駛汽車時(shí)是復(fù)雜行為，駕駛員要接受多個(gè)信號(hào)，比如外界環(huán)境，路況信息等。駕駛員根據(jù)接受的信號(hào)進(jìn)行判斷，所以制動(dòng)反應(yīng)中有一個(gè)駕駛員判斷的階段，此階段影響了駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。而當(dāng)前我國(guó)對(duì)駕駛員進(jìn)行反應(yīng)時(shí)測(cè)試則大多的是讓駕駛員在一個(gè)靜態(tài)的環(huán)境下，也就是說不是在駕車的過程中測(cè)試，稱之為“靜態(tài)反應(yīng)時(shí)”測(cè)試。此種測(cè)試所得的參數(shù)省去了駕駛員的判斷過程，因此結(jié)果偏小。但是讓駕駛員在駕車的過程中接受儀器的測(cè)試那勢(shì)必會(huì)增加危險(xiǎn)。所以本人提出一種方法，利用模擬駕駛軟件來進(jìn)行動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)測(cè)試的模擬，此種軟件是一種虛擬駕駛軟件，能模擬在駕駛時(shí)遇到的一切情況。并且操作者旁邊配以反應(yīng)時(shí)測(cè)試儀器，基本可以做到一邊駕駛一邊測(cè)試。

在行為科學(xué)研究中要不斷提出假設(shè)，并且通過利用合理的手段測(cè)試以驗(yàn)證假設(shè)，本人調(diào)查過很多營(yíng)運(yùn)車輛駕駛員，以及查閱了很多關(guān)于交警部門所發(fā)布的針對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)間的資料加上現(xiàn)有的研究，大致可以確定疲勞駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為2s 左右，但只是一種假設(shè)，需要通過后期的采樣測(cè)試才可最終確定其范圍。而我國(guó)針對(duì)疲勞駕駛的定義是連續(xù)駕車四小時(shí)以上就認(rèn)定為輕微的疲勞，且疲勞程度隨著連續(xù)駕駛時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。那么后期計(jì)劃就是選擇一些不同年齡段的營(yíng)運(yùn)車駕駛員在其下班后進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)測(cè)試（營(yíng)運(yùn)車駕駛員連續(xù)駕駛時(shí)間通常在6h 以上，可以認(rèn)定為疲勞），以確定其反應(yīng)時(shí)間范圍。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)已有的研究證實(shí)清醒不疲勞的駕駛員反應(yīng)時(shí)間在0.6～1.5s 之間，且反應(yīng)時(shí)間在1s 左右的居多，那么取正常清醒的駕駛員反應(yīng)時(shí)間為1s，疲勞駕駛員反應(yīng)時(shí)間為2s，下面通過利用Matlab 仿真得如圖3曲線。圖3代表前車為靜止時(shí)后車的速度與制動(dòng)報(bào)警距離的關(guān)系，其中實(shí)線代表清醒駕駛員駕車的車速與報(bào)警距離關(guān)系（d1），點(diǎn)線表示疲勞駕駛員的車速與報(bào)警距離關(guān)系（d2）。

圖4表示前車減速時(shí)制動(dòng)報(bào)警距離與兩車車速的關(guān)系，其中上半圖表示清醒駕駛員駕駛后車的車速與前車的相對(duì)速度與制動(dòng)報(bào)警距離的關(guān)系，下半圖則是疲勞駕駛員的駕駛后車車速和前車的相對(duì)車速與制動(dòng)報(bào)警距離的關(guān)系。

圖3 前車靜止時(shí)后車車速與制動(dòng)報(bào)警距離的關(guān)系

圖4 前車減速時(shí)后車的車速和前車的相對(duì)速度與 制動(dòng)報(bào)警距離的關(guān)系

通過圖3、圖4的仿真曲線可直觀看出制動(dòng)報(bào)警距離隨車速的變化而變化的關(guān)系，與實(shí)際車況相符。通過圖片的對(duì)比可明顯看出疲勞駕駛員與清醒駕駛員的反應(yīng)時(shí)間大小的差距對(duì)報(bào)警距離的影響。所以疲勞駕駛員的反應(yīng)時(shí)間對(duì)公路行車安全有著重要的影響，研究意義重大。

5 結(jié)論

本文建立了一種行車防撞報(bào)警模型，并且加入了基于公共知識(shí)的行為科學(xué)的研究，提出了一種測(cè)試疲勞駕駛員反應(yīng)時(shí)間的方法使得此模型不但適用于疲勞駕駛員而且在修改參數(shù)之后還可適用于正常駕駛員。在實(shí)際應(yīng)用中，駕駛員可根據(jù)自身情況通過觸摸屏選擇疲勞或者清醒模式。當(dāng)選擇疲勞模式時(shí)，設(shè)定式（8）和式（12）中駕駛員反應(yīng)時(shí)間t1為2s。當(dāng)選擇清醒模式時(shí)，t1則設(shè)定為1s，此時(shí)所需要的報(bào)警距離與實(shí)際車速之間的關(guān)系可以清晰直觀的從圖3，圖4看出。式（8）與式（12）代表兩種不同汽車行駛狀態(tài)下的報(bào)警距離公式，其中（8） 中的v初與式（12）中的v后由本車車速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，v相對(duì)與實(shí)際距離由調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過實(shí)證研究之后得出：當(dāng)v相對(duì)等于本車 車速時(shí)，并且實(shí)時(shí)距離不斷變小說明前車靜止或前方為障礙物，此時(shí)選擇式（8）并由嵌入式處理器計(jì)算出當(dāng)前的報(bào)警距離并且與實(shí)際距離相比較，當(dāng)實(shí)際距離小于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)開始聲光報(bào)警提示駕 駛員減速。當(dāng)v相對(duì)大小不等于本車車速時(shí)并且實(shí)際 距離不斷變小，說明前車相對(duì)于本車是減速的狀態(tài)，此時(shí)則選擇式（12）為報(bào)警距離的公式。

[1] 楊降勇.高速公路疲勞駕駛交通事故的控制[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2006,16(1): 44-48.

[2] 劉秀,王長(zhǎng)君,何慶.疲勞駕駛交通事故的特點(diǎn)分析與預(yù)防[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(1): 128-131.

[3] 孫瑋,李曉瑩.避免疲勞駕駛的“駕駛員警示系統(tǒng)”[J].交通世界,2006 (01B): 57-57.

[4] 呂立波.汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)的研究和開發(fā)[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2005(6): 59-62.

[5] 賀大松.汽車縱向防撞報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)[D].成都: 電子科技大學(xué),2008.