小波能量熵在疲勞駕駛檢測(cè)中的應(yīng)用

岳李圣颯 吳志周 孫 陽

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 上海 200092）

0 引言

疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一。美國交通部1項(xiàng)專門針對(duì)商用車輛的研究報(bào)告指出，20%～40%的商用車輛事故是由于駕駛?cè)似隈{駛造成的［1］。目前各國普遍采取對(duì)駕駛?cè)诉B續(xù)駕駛時(shí)間進(jìn)行限制的方法來減少疲勞駕駛，例如，中國規(guī)定機(jī)動(dòng)車連續(xù)駕駛時(shí)間不得超過4 h［2］。然而這種方法沒有考慮不同駕駛?cè)嗽谏眢w素質(zhì)、生活習(xí)慣，以及同一駕駛?cè)嗽诓煌瑫r(shí)期的身體狀況等多方面的差異，簡(jiǎn)單以連續(xù)駕駛時(shí)間的長(zhǎng)短判定疲勞與否具有一定爭(zhēng)議。

疲勞不是1個(gè)突發(fā)事件，多數(shù)的道路交通安全事故并非都是在駕駛?cè)艘呀?jīng)深度疲勞時(shí)發(fā)生。如果能在駕駛?cè)藙倓偝霈F(xiàn)疲倦跡象時(shí)給予警示，將有利于減少疲勞駕駛帶來的事故。因此研究疲勞駕駛實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，對(duì)改善交通安全狀況具有重要意義。

目前對(duì)疲勞駕駛的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法以檢測(cè)駕駛?cè)松硇盘?hào)（EEG［3－4］和ECG［5－6］）和面部信號(hào)（如眼動(dòng)［7－9］、頭動(dòng)［10－11］）為主。但檢測(cè)生理信號(hào)，需要駕駛?cè)伺宕飨嚓P(guān)設(shè)備，這樣易干擾正常駕駛；而檢測(cè)面部信號(hào)，需利用攝像設(shè)備對(duì)駕駛?cè)祟^部參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，易受環(huán)境因素影響。國內(nèi)外有學(xué)者提出車輛轉(zhuǎn)向情況能很好反應(yīng)駕駛?cè)司駹顟B(tài)，A.Eskandarian［12］認(rèn)為清醒狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤多呈現(xiàn)小幅度修正，而疲勞狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤大幅度修正顯著增加。張希波等人［13］的研究顯示，可以利用轉(zhuǎn)向盤的最大零速百分比和最大角度標(biāo)準(zhǔn)差作為疲勞駕駛判別指標(biāo)。由于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向易受道路線形影響，以往研究中常用對(duì)連續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)（或一定轉(zhuǎn)向角度）以上的同方向轉(zhuǎn)向減去該段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)向角度均值來估計(jì)該段時(shí)間內(nèi)的真實(shí)轉(zhuǎn)向操作，然而這種處理方法是基于假設(shè)該段操作時(shí)間內(nèi)道路曲率半徑不變，這與現(xiàn)實(shí)情況相差甚遠(yuǎn)，從而降低了利用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向作為疲勞駕駛檢測(cè)指標(biāo)的有效性。

由于熵可以用來衡量體系的混亂程度，用轉(zhuǎn)向熵描述一段駕駛過程中轉(zhuǎn)向操作的不平穩(wěn)性，并不涉及具體的轉(zhuǎn)向角度，因此理論上當(dāng)采樣間隔合適時(shí)轉(zhuǎn)向熵的分布比具體的轉(zhuǎn)向幅值受道路線形的影響更小。又由于小波變換具有時(shí)頻局部化特性，有利于捕捉轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向信號(hào)中的非平穩(wěn)特征，故本文的目的在于尋找1種能夠表征駕駛疲勞程度的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向小波熵形式，為提高基于車輛轉(zhuǎn)向特征的疲勞駕駛檢測(cè)方法有效性提供幫助。

1 駕駛仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 平臺(tái)搭建

駕駛仿真平臺(tái)由桌面控制系統(tǒng)與軟件開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成。桌面控制系統(tǒng)由力回饋轉(zhuǎn)向盤及油門、檔位、剎車踏板等部件構(gòu)成，軟件開發(fā)系統(tǒng)包括3DMAX 道路場(chǎng)景建模及VIRTOOLS虛擬駕駛數(shù)據(jù)采集腳本編寫2部分。

1.1.1 3DMAX 道路場(chǎng)景建模

由于駕駛疲勞容易產(chǎn)生在高速、長(zhǎng)時(shí)間、單調(diào)環(huán)境的駕駛過程中，因此疲勞駕駛仿真實(shí)驗(yàn)選擇高速公路作為實(shí)驗(yàn)開展的場(chǎng)景。參考《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD20—2006），基本場(chǎng)景設(shè)計(jì)為：①雙向6車道環(huán)形高速公路場(chǎng)景；②車道寬3.75 m，硬路肩寬3 m，全長(zhǎng)22km；③設(shè)計(jì)車速100 km／h；④道路線形包括基本形、卵形、S形等道路基本線形；⑤少量背景車輛建模以模擬現(xiàn)實(shí)交通流。

1.1.2 VIRTOOLS虛擬駕駛數(shù)據(jù)采集腳本開發(fā)

VIRTOOLS可以制作出沉浸感較好的虛擬環(huán)境，為駕駛者提供諸如視覺、聽覺、等感官信息，給參與者1種身臨其境的感覺。本實(shí)驗(yàn)中VIRTOOLS腳本程序用于記錄虛擬駕駛場(chǎng)景中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向修正數(shù)據(jù)。

駕駛道路場(chǎng)景仿真及數(shù)據(jù)記錄腳本開發(fā)示意圖見圖1。

圖1 駕駛道路場(chǎng)景仿真及數(shù)據(jù)記錄腳本開發(fā)示意圖Fig.1 Driving simulation scenarios and VIRTOOLS scripts

1.2 疲勞狀態(tài)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)中通過駕駛狀態(tài)自評(píng)和他評(píng)2部分確定駕駛?cè)说钠诔潭?。疲勞程度自評(píng)和他評(píng)等級(jí)特征及劃分見表1。自評(píng)等級(jí)劃分根據(jù)Karolinska嗜睡量表進(jìn)行設(shè)定，將駕駛?cè)说木駹顟B(tài)從格外清醒到極度疲勞劃分成10 個(gè)等級(jí)［14］；他評(píng)則通過實(shí)驗(yàn)工作人員在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)駕駛?cè)说鸟{駛狀態(tài)進(jìn)行主觀評(píng)定進(jìn)行，根據(jù)駕駛?cè)嗣娌刻卣鲗Ⅰ{駛疲勞程度分成3 個(gè)等級(jí)［13］。自評(píng)等級(jí)劃分較細(xì)，可用于分析駕駛?cè)苏麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中疲勞程度的詳細(xì)發(fā)展情況，疲勞程度是否一直在加深，或者在某一時(shí)間段內(nèi)疲勞程度有所緩解，出現(xiàn)了逆向發(fā)展。自評(píng)結(jié)果可用于選擇合適的分析數(shù)據(jù)段。他評(píng)等級(jí)劃分跨度較大，可用于從疲勞發(fā)展整體趨勢(shì)上判定駕駛?cè)俗栽u(píng)結(jié)果是否準(zhǔn)確。此外對(duì)于真實(shí)環(huán)境下的駕駛疲勞檢測(cè)，表1狀態(tài)自評(píng)中過細(xì)的疲勞程度劃分將導(dǎo)致檢測(cè)精度的下降，也缺乏現(xiàn)實(shí)必要性。更為有效的疲勞程度劃分是依據(jù)表1中他評(píng)等級(jí)進(jìn)行設(shè)定，即將駕駛疲勞程度分為3級(jí)：清醒、疲勞、深度疲勞。筆者采用疲勞程度3級(jí)劃分方式對(duì)各疲勞發(fā)展階段轉(zhuǎn)向特征進(jìn)行研究。

表1 駕駛?cè)似诔潭茸栽u(píng)和他評(píng)劃分表Tab.1 The driving fatigue rating scale for drivers and researches

1.3 實(shí)驗(yàn)組織

選取10名駕駛?cè)藚⒓訉?shí)驗(yàn)，被試人實(shí)驗(yàn)前日睡眠及身體狀況正常。實(shí)驗(yàn)要求駕駛?cè)吮M量保持在中間車道行駛，車速控制在80～100km／h。VIRTOOLS后臺(tái)程序每隔0.1s采集1 次轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中工作人員每隔15 min提示駕駛?cè)藢?duì)其疲勞狀態(tài)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，并對(duì)駕駛?cè)藸顟B(tài)作出他評(píng)。為提高駕駛?cè)藸顟B(tài)自評(píng)準(zhǔn)確性，事前告知駕駛者狀態(tài)自評(píng)打分參考界限為4和8，4分及以下為清醒；8分及以上為深度疲勞。

實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3h。其中有5名駕駛?cè)似诔潭葟那逍训缴疃绕谶B續(xù)變化，無狀態(tài)逆向發(fā)展情況發(fā)生。由于駕駛?cè)似诔潭鹊陌l(fā)展受環(huán)境條件影響較大，駕駛?cè)俗说恼{(diào)整、喝水、哈欠等動(dòng)作都可能緩和當(dāng)時(shí)的疲勞程度，因此會(huì)出現(xiàn)連續(xù)駕駛實(shí)驗(yàn)時(shí)疲勞程度并不嚴(yán)格隨時(shí)間的遞增而加深的情況出現(xiàn)。對(duì)比該5名駕駛?cè)似诔潭茸栽u(píng)與他評(píng)結(jié)果，兩者匹配度達(dá)94.8%，表明其疲勞狀態(tài)自評(píng)具有較高可信度。選擇該5名駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向數(shù)據(jù)用于分析。

2 轉(zhuǎn)向信號(hào)小波分解

2.1 道路線形影響修正

對(duì)5名駕駛?cè)说某跏嫁D(zhuǎn)向數(shù)據(jù)進(jìn)行道路線形影響修正：如果在5s內(nèi)連續(xù)左轉(zhuǎn)，或者在1.7s內(nèi)連續(xù)右轉(zhuǎn)，此時(shí)就認(rèn)為駕駛?cè)苏ㄟ^彎道。用這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別減去它們的均值可認(rèn)為部分去除了彎道對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)操作的影響。圖2表示了轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)經(jīng)過處理前后的變化。

圖2 道路線形影響消除前后的轉(zhuǎn)向盤數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 The steering data before and after curve effect elimination

2.2 小波多分辨分析及能量熵測(cè)度［15］

小波多分辨率分析是利用正交小波基將信號(hào)分解為不同尺度下的各個(gè)分量，其實(shí)現(xiàn)過程相當(dāng)于重復(fù)使用1組高通和低通濾波器對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行逐步分解，信號(hào)與高通濾波器做卷積運(yùn)算并向下抽樣可產(chǎn)生信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)分量，信號(hào)的低頻細(xì)節(jié)分量產(chǎn)生與此類似。每次分解后，將信號(hào)的采樣頻率降低一半，下一步對(duì)低頻分量重復(fù)以上的分解過程，得到下一層次的2個(gè)分解分量。若用Dj（k）表示高頻分量信號(hào)，Aj（k）表示低頻分量信號(hào)，J為最大分解尺度，則轉(zhuǎn)向信號(hào)序列x（n）可以表示為

式中：Dj（n）為轉(zhuǎn)向信號(hào)x（n）在不同尺度的信號(hào)分量。

在信息論中，熵表示每個(gè)符號(hào)所提供的平均信息量和信源的平均不確定性，它能提供關(guān)于信號(hào)潛在動(dòng)態(tài)過程的有用信息，而小波變換可以放大某一局部的特性，因此計(jì)算小波能量熵值就能夠發(fā)現(xiàn)信號(hào)中微小而短促的異常。沿尺度分布的小波能量熵測(cè)度定義如下。

令信號(hào)x（t）在j尺度k時(shí)刻上的小波系數(shù)矢量為Wjk＝（wjk1，wjk2，…，wjkn），則j尺度k時(shí)刻的小波能量可表示為

2.3 轉(zhuǎn)向信號(hào)小波能量熵計(jì)算

由于不同小波基支撐長(zhǎng)度和規(guī)則性有很大差別，同一小波基不同分解尺度下對(duì)信號(hào)特征反映效果也不同。經(jīng)過多次比選，選擇Daubechies小波對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)進(jìn)行5 層分解。對(duì)于Daubechies小波，其低通濾波器和高通濾波器系數(shù)為

采樣間距不宜過大或過小。過大易造成信號(hào)特征表現(xiàn)不明顯，過小則容易放大偶然因素造成的異常數(shù)據(jù)對(duì)小波能量值的影響。筆者選擇每100s提取1個(gè)采樣點(diǎn)。同時(shí)，為減少因外界干擾如喝水、調(diào)整坐姿、規(guī)避仿真場(chǎng)景中障礙物等造成駕駛轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)，按式（4）對(duì)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)j時(shí)刻的小波能量進(jìn)行平滑修正。

式（4）的意義在于對(duì)于每一采樣時(shí)刻點(diǎn)的小波能量值，綜合考慮前2個(gè)采樣時(shí)刻點(diǎn)的駕駛?cè)说鸟{駛狀態(tài)進(jìn)行修正。

此外，對(duì)駕駛?cè)嗽谄跔顟B(tài)下轉(zhuǎn)向盤的修正特性進(jìn)行分析可知，方向盤控制往往會(huì)出現(xiàn)3個(gè)階段，見圖3。正值表示轉(zhuǎn)向盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)值表示轉(zhuǎn)向盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。階段一中，駕駛?cè)藭?huì)突然大幅度修正轉(zhuǎn)向盤，此時(shí)駕駛?cè)藙倧钠陬卸虝呵逍堰^來，意識(shí)到車身發(fā)生不受控偏移后產(chǎn)生緊急車輛控制操作；階段二中駕駛?cè)吮３诸l繁的小幅度修正轉(zhuǎn)向盤，此階段駕駛?cè)四芾^續(xù)階段一后的清醒狀態(tài)，但由于疲勞沒有得到緩解只能保持一小段時(shí)間，很快又將陷入瞌睡狀態(tài)；階段三中，駕駛?cè)颂幱陬癄顟B(tài)，對(duì)道路環(huán)境敏感程度下降，轉(zhuǎn)向盤基本上沒有修正。這3個(gè)階段隨著時(shí)間的推移不斷重復(fù)出現(xiàn)。3個(gè)階段中階段一的操作特征是疲勞駕駛的典型轉(zhuǎn)向特征，但在現(xiàn)實(shí)條件中往往只在短暫的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，且隨著疲勞程度不斷加深，上述循環(huán)時(shí)間增長(zhǎng)，因而疲勞典型特征出現(xiàn)時(shí)間間隔也增長(zhǎng)，由于期望每100s提取的小波能量值能反映該段時(shí)長(zhǎng)結(jié)束時(shí)的駕駛狀態(tài)，就必須避免要求即使采樣時(shí)刻處于深度疲勞狀態(tài)，但其小波能量值較低的情況發(fā)生。故按式（5）對(duì)式（4）中轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)j時(shí)刻的小波能量做進(jìn)一步修正：

式中：Ejk（i）為在采樣點(diǎn)i的小波能量；Ejk（i）″為最終修正后采樣點(diǎn)i的小波能量。

圖3 疲勞狀態(tài)下方向盤修正變化過程Fig.3 Steering wheel correction process under fatigue driving condition

以200s為小波能量熵提取周期，計(jì)算駕駛?cè)藢?shí)驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向能量熵隨時(shí)間變化情況見圖4。選取的能量熵曲線對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中駕駛?cè)似诔潭葟那逍训缴疃绕谶B續(xù)變化，無狀態(tài)逆向發(fā)展的一段。由于所分析的5名駕駛?cè)嗽谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中疲勞程度一直呈現(xiàn)持續(xù)加深，因此該能量熵曲線代表了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向能量熵變化趨勢(shì)。可以看出，隨著疲勞程度的加深，能量熵曲線呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)轳{駛?cè)藢?duì)車輛的控制能力減弱，轉(zhuǎn)向盤的操控趨向于混亂所致。利用方差分析ANOVA 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向能量熵與疲勞程度之間的相關(guān)關(guān)系，見表2。5名駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)向能量熵與疲勞程度之間都呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。

圖4 駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向能量熵隨時(shí)間變化Fig.4 The steering wavelet entropy development along with time

表2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向能量熵與疲勞程度ANOVA檢驗(yàn)Tab.2 The ANOVA test between steering wavelet energy and drowsiness level

進(jìn)一步分析駕駛狀態(tài)各階段WEE值變化情況可知，5名駕駛?cè)嗽谄诔潭劝l(fā)展的過程中WEE值變化范圍為（0.05，0.24）；最大值在（0.16，0.24）之間，最小值在（0.05，0.11）之間，這與駕駛?cè)碎_始測(cè)試時(shí)的初始精神狀態(tài)不一致，以及個(gè)體差異導(dǎo)致疲勞發(fā)展各階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度不一致有關(guān)，然而在實(shí)驗(yàn)中所有駕駛?cè)司暾?jīng)歷了從開始產(chǎn)生疲勞，到進(jìn)入深度疲勞的這一階段。取這一階段的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算清醒末期最后200 s（即疲勞初期）以及疲勞末期最后200s（即深度疲勞前期）的小波能量熵WEE值，可知疲勞末期小波能量熵值比疲勞初期增長(zhǎng)50%～60%，見表3。

表3 疲勞初期及末期小波能量熵變化Tab.3 The steering wavelet energy development in early and late phase of drowsiness

3 結(jié)束語

筆者基于駕駛仿真數(shù)據(jù)，比較駕駛?cè)嗽诓煌{駛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向行為，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向信號(hào)的Daubechies小波尺度5下的能量熵分布與疲勞程度存在顯著相關(guān)關(guān)系，隨著疲勞程度的加深，能量熵曲線呈上升趨勢(shì)。由于能量熵是用來衡量體系的混亂程度，用轉(zhuǎn)向熵并不涉及具體的轉(zhuǎn)向角度，因此可以受道路線形的影響更小，實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)精度。對(duì)疲勞不同階段轉(zhuǎn)向能量熵的分析表明，駕駛?cè)似谀┢冢ㄉ疃绕谇捌冢┑男〔芰快乇绕诔跗谠鲩L(zhǎng)50%～60%。

研究限于實(shí)驗(yàn)條件，仿真駕駛只選擇了10位駕駛?cè)恕５词惯M(jìn)行大樣本量的仿真實(shí)驗(yàn)，由于駕駛行為受個(gè)體差異影響很大，也很難得到一致的各疲勞程度等級(jí)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向小波能量熵的對(duì)應(yīng)閾值。研究中不同駕駛?cè)嗽谡麄€(gè)疲勞發(fā)展過程中表現(xiàn)出差異較大的能量熵絕對(duì)值變化范圍，然而卻在相鄰疲勞程度等級(jí)之間的能量熵差異上表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)，這種趨勢(shì)受個(gè)體差異的影響較小，即使在小樣本量下，也能得到很好的體現(xiàn)，因此本文所揭示的這種變化趨勢(shì)對(duì)于駕駛疲勞檢測(cè)仍具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

研究只揭示了對(duì)于不同駕駛?cè)耍{駛疲勞狀態(tài)等級(jí)“疲勞”與“深度疲勞”之間轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向能量熵變化存在近似的范圍，但未給出等級(jí)“疲勞”何時(shí)開始的判定依據(jù)，而在疲勞駕駛實(shí)時(shí)檢測(cè)中判定剛剛開始的疲勞對(duì)于減少交通安全事故十分重要。因此未來有必要進(jìn)一步研究駕駛疲勞初期的方向盤轉(zhuǎn)向小波能量熵特征。

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