駕駛疲勞檢測技術(shù)概述

張 馳,馬廣露，朱國華

(1.遼寧工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001; 2.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074；3.澤一交通工程咨詢(上海)有限公司，上海 201210)

0 引言

駕駛疲勞已成為引發(fā)交通事故的重要因素之一，一直以來導致交通事故居高不下.美國每年有超過7 500起致命交通事故是由駕駛疲勞造成的，大約占總事故的25%[1]，據(jù)我國交通部門的統(tǒng)計，因駕駛疲勞造成的交通事故約占總交通事故的20%、特大交通事故的40%以及交通死亡人數(shù)的83%[2].隨著智能交通的發(fā)展，駕駛疲勞檢測技術(shù)作為智能交通系統(tǒng)中的安全輔助駕駛技術(shù)受到越來越多的重視.

目前，常用的駕駛疲勞檢測方法有基于駕駛?cè)松韺W特征的檢測、基于駕駛?cè)诵袨樘卣鞯臋z測、基于車輛行為特征的檢測[3]以及基于多源信息融合的檢測方法.本文在給出駕駛?cè)似跈z測技術(shù)應用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從駕駛?cè)似谂袆e的研究、可穿戴設備在駕駛疲勞檢測中的應用、多信息融合及多功能智能車載設備的研發(fā)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)在駕駛?cè)似跈z測的應用4個方面指出了駕駛疲勞檢測的發(fā)展趨勢.

1 駕駛疲勞檢測原理

對駕駛疲勞的檢測，主要是通過檢測駕駛?cè)松韺W特征、駕駛?cè)诵袨樘卣饕约败囕v行為特征變化來進行.

駕駛?cè)似诤?，其生理學特征會發(fā)生一定的變化，如EEG(腦電信號)、ECG(心電信號)、EOG(眼電信號)、EMG(肌電信號)等人體生物電信號以及血壓、血液中化學物質(zhì)(如唾液淀粉酶的含量)、溫度等，表1列舉了一些生物學信號的性質(zhì)，可以通過測量駕駛?cè)说倪@些生理學特征變化，通過設定閾值來對駕駛疲勞進行檢測.

表1 生物學信號的性質(zhì)[4]

駕駛?cè)松韺W特征發(fā)生變化后，往往導致行為特征發(fā)生變化，如人眼的狀態(tài)(眨眼幅度、頻率以及平均閉合時間等)、頭部活動(頻繁點頭、頭部長期不動)、面部特征等.其中較為常用的是通過人眼的狀態(tài)進行駕駛?cè)似跔顟B(tài)的檢測，廣泛采用的算法是PERCLOS(percentage of eyelid closure over the pupil over time)算法，將眼瞼閉合度作為駕駛疲勞的度量指標，PERCLOS值越大，駕駛疲勞程度越深.

基于車輛行為特征的疲勞檢測是指通過檢測駕駛?cè)瞬僮鬈囕v的方向盤、加速踏板、制動踏板等操作行為以及車輛的行駛速度、加速度、車身橫擺角度和車道偏移量等車輛行駛相關(guān)信息來間接確定駕駛?cè)说钠诔潭?

2 駕駛疲勞檢測技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 基于生理學特征的檢測

基于生理學特征的檢測技術(shù)往往與駕駛?cè)酥苯咏佑|，具有檢測準確性高的特點，不少科研機構(gòu)和設備廠商開發(fā)了一些檢測設備.

美國生物傳感器領(lǐng)導者NeuroSky公司，開發(fā)了通過檢測EEG(α和β波段)來判斷用戶注意力及放松度的頭戴設備；諾丁漢倫特大學研究團隊研發(fā)的車載嵌入式非侵入性心臟和呼吸傳感器可以測量駕駛?cè)说男穆屎秃粑鼱顟B(tài)；日本便民計算機公司通過安裝在方向盤上的傳感器來檢測駕駛?cè)说拿}搏跳動；日本東京大學研發(fā)了能夠戴在駕駛?cè)耸滞笊贤ㄟ^檢測駕駛?cè)撕挂褐械木凭?、乳酸和氨的含量，并將?shù)據(jù)實時上傳至研究中心進行分析來判斷駕駛?cè)说钠诔潭?

圖1 基于生理學特征檢測裝置

圖2 駕駛疲勞檢測攝像頭安裝位置

2.2 基于駕駛?cè)诵袨樘卣鞯臋z測

由于疲勞產(chǎn)生的駕駛?cè)松韺W特征的變化往往導致駕駛?cè)送獠啃袨樘卣鞯淖兓?，基于駕駛?cè)送獠啃袨榈臋z測技術(shù)一般與駕駛?cè)藷o接觸，駕駛?cè)巳菀捉邮?，常常采用計算機視覺的方式進行檢測、運用PERCLOS作為疲勞檢測預警指標.為了提高檢測的精確性，有的檢測技術(shù)還結(jié)合駕駛?cè)说拿娌勘砬椤㈩^部及嘴部狀態(tài)進行檢測.

在20世紀90年代，美國研制的打瞌睡駕駛?cè)藗商较到y(tǒng)(DDDS，The Drowsy Driver Detection System)是典型的代表，此外還有美國Guardvant Inc的OpGuard系統(tǒng)、瑞典SmartEye公司的AntiSleep系統(tǒng)、LSM Technologies公司的DFM(Driver Fatigue Monitor)系統(tǒng)以及國內(nèi)廣東安行智能科技有限公司、南京遠驅(qū)科技有限公司、上海徑衛(wèi)視覺科技有限公司、蘇州清研微視電子科技有限公司的駕駛?cè)似跈z測系統(tǒng).

2.3 基于車輛行為特征的檢測

基于車輛行為特征的駕駛疲勞檢測技術(shù)一般是通過檢測車輛異常狀態(tài)間接確定駕駛?cè)说钠诔潭?該疲勞檢測技術(shù)較為簡單，但實時性較差.

美國Electronic Safety Products公司開發(fā)的轉(zhuǎn)向操作注意監(jiān)視器S.A.M(steering attention monitor)以及西班牙防疲勞系統(tǒng)Spanish ADS(Anti-Drowsiness System)，是通過檢測方向盤的異常來判斷駕駛疲勞狀況.Ellison Research Labs實驗室研制的DAS2000型路面警告系統(tǒng)、ITERIS公司出品的路面信息報警裝置、Assist Ware Technology公司的Safe TRAC以及l(fā)eris公司研制的Auto Vue系統(tǒng)是通過判斷車輛運行軌跡偏離道路中線或者路肩白線向駕駛?cè)税l(fā)出警告.美國公路交通安全管理局在2016年3月發(fā)布的防止駕駛疲勞的10項工程措施中包括建設路側(cè)震動帶，并指出該項措施可以減少50%的駕駛疲勞事故[5].

2.4 基于多源信息融合的檢測

單一的檢測技術(shù)對駕駛疲勞的檢測準確性不高，為了提高駕駛疲勞檢測的準確性，常常運用多種檢測方式進行檢測，并對檢測結(jié)果進行綜合分析來判斷駕駛?cè)说钠跔顟B(tài).

歐盟研發(fā)“AWAKE”系統(tǒng)，通過檢測駕駛?cè)搜鄄€、注視方向、方向盤轉(zhuǎn)角、握力信息以及車道線跟蹤等信息，對這些信息進行綜合分析來對駕駛疲勞進行判斷分析，根據(jù)駕駛?cè)说钠诔潭炔扇〔煌念A警策略.梅賽德斯-奔馳的注意力輔助系統(tǒng)(Attention Assist System，ASS)，通過紅外攝像頭連續(xù)記錄駕駛?cè)说恼Ｑ垲l率和每次眨眼時長，同時考慮駕駛?cè)说哪X電信號、車輛的運行狀態(tài)等多種因素，來對駕駛?cè)说钠跔顩r進行檢測.卡特彼勒的疲勞駕駛風險管理系統(tǒng)，通過智能手環(huán)監(jiān)視駕駛?cè)说纳眢w狀況，并采用駕駛室內(nèi)攝像頭使用具有專利的眼部和頭部定位算法來對駕駛?cè)似跔顟B(tài)進行綜合檢測，一旦發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)俗呱瘢{駛室就會報警.

2.5 各種類型檢測技術(shù)的對比分析

常常采用實時性、準確性、費用以及侵入性作為判斷駕駛疲勞檢測技術(shù)的指標.實時性是指檢測器對駕駛?cè)似跈z測響應是否及時；侵入性是指檢測器是否與駕駛?cè)酥苯咏佑|，侵入表示與駕駛?cè)酥苯咏佑|，非侵入表示與駕駛?cè)瞬恢苯咏佑|.侵入檢測器對駕駛?cè)擞绊戄^大，駕駛?cè)送鶗a(chǎn)生排斥，不利于推廣應用.表2從實時性、準確性、費用以及侵入性對上面4種檢測技術(shù)做了對比分析.

表2 各種類型檢測技術(shù)的對比分析

3 駕駛疲勞檢測發(fā)展趨勢

3.1 駕駛?cè)似谂袆e的研究

我國規(guī)定駕駛?cè)诉B續(xù)駕車超過4 h[6]可認為是疲勞駕駛，防范相對比較簡單，沒有考慮駕駛?cè)嗽陂_始駕車時的疲勞狀況以及駕駛?cè)说膫€體差異，缺乏對駕駛?cè)似诔潭冗M行有效的判別方法及標準.

駕駛疲勞除了受駕駛時間的影響外，還受到道路交通環(huán)境以及駕駛?cè)吮旧淼纫驍?shù)的影響，常見的駕駛?cè)似谏蓹C理有力源消耗論、疲勞物質(zhì)積累論及中樞系統(tǒng)變化論[7]等.然而，目前對駕駛?cè)似谏蓹C理的研究停留在假說階段，研究也不夠深入且過于理論化，導致駕駛疲勞的判別精細化程度較低、漏檢率比較高.因此，研究駕駛?cè)说钠谏蓹C理、確定駕駛?cè)似谥笜?、建立駕駛疲勞模型，進而對駕駛?cè)似诔潭冗M行判斷很有必要.

3.2 可穿戴設備在駕駛疲勞檢測中的應用

智能手表、手環(huán)、眼鏡、以及耳機等可穿戴設備逐漸流行，可用于駕駛?cè)诵畔⒌牟杉瑢@取的信息連接到車載電腦、智能手機[8]或者信息中心進行數(shù)據(jù)實時分析、可視化顯示，進而對駕駛?cè)说钠诔潭冗M行檢測.可穿戴設備對駕駛?cè)诉M行疲勞檢測與駕駛?cè)酥苯咏佑|，檢測的準確性較高.

基于iWatch的駕駛疲勞軟件的開發(fā)、Optaler的智能眼鏡、富士通的“FEELythm”耳麥、奧迪健康司機(Audi Fit Driver)系統(tǒng)中的智能手環(huán)等已在駕駛疲勞檢測方面進行了應用.作為可穿戴設備的手環(huán)對駕駛?cè)擞绊戄^小，相比于其他產(chǎn)品應用更為廣泛，研發(fā)的產(chǎn)品也較多，手環(huán)通過檢測駕駛?cè)说男穆首儺愋?Heart Rate Variability，HRV)來判斷駕駛?cè)说钠诔潭?HRV是指逐次心跳周期差異的變化，研究表明HRV能夠反應人的健康、疲勞程度.奧迪研發(fā)的健康手環(huán)可以判斷駕駛?cè)说臓顟B(tài)，包括駕駛?cè)耸欠衿隈{駛、壓力大小以及健康狀況.英國Advicy technology 公司研發(fā)的AdvicyDrive、日本Nissan公司研發(fā)的smartwatch也都是通過HRV來檢測駕駛疲勞的.

3.3 多信息融合以及多功能智能車載設備的研發(fā)

多信息融合結(jié)合生理學特征、駕駛?cè)诵袨樘卣?、車輛行為特征等檢測技術(shù)的優(yōu)勢，通過智能設備綜合分析，可大大提高對駕駛?cè)似谒綑z測的準確性.隨著檢測器成本的降低、各種檢測器的普及以及多信息融合處理方法的發(fā)展，未來基于多種檢測器的信息融合將會更加普及.另外，隨著各種車載檢測設備的增多，給檢測設備的布設、安裝、維護增加了難度，各種檢測器干擾嚴重，穩(wěn)定性、準確性也降低，因此融合多種檢測技術(shù)的綜合智能車載駕駛疲勞檢測設備的研發(fā)也是駕駛疲勞檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢.

融合了多種檢測技術(shù)的疲勞檢測系統(tǒng)(上文提到的歐洲的“AWAKE”、奔馳的“ASS”、 卡特彼勒的疲勞駕駛風險管理系統(tǒng)等)已經(jīng)在駕駛疲勞檢測方面得到了應用.另外，豐田的駕駛疲勞系統(tǒng)由紅外攝像頭與一體化的電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)組成，通過攝像頭對駕駛?cè)嗣娌繝顟B(tài)以及眼睛的開合頻率進行數(shù)據(jù)采集，進而判斷駕駛?cè)似跔顟B(tài)；福特將車輛行駛軌跡、駕駛?cè)诵袨?、周圍環(huán)境以及生物監(jiān)測信息4個維度進行檢測，數(shù)據(jù)的運算能力通過單獨的模塊進行整合.

3.4 大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)在駕駛?cè)似跈z測的應用

單一車輛的駕駛疲勞檢測技術(shù)很難滿足對數(shù)據(jù)資源共享能力、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力的要求，而大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了技術(shù)保障.通過建設統(tǒng)一的云架構(gòu)管理平臺，將所有駕駛?cè)思败囕v運行所產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)匯聚到統(tǒng)一的平臺上，運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)充分挖掘駕駛疲勞與駕駛?cè)说南嚓P(guān)關(guān)系，并針對駕駛?cè)藗€體之間的差異，實行差異化管理，能有效提高駕駛疲勞檢測的準確性、實時性；同時，也可對駕駛?cè)说钠谶M行事先預防，避免駕駛疲勞檢測的被動性.

日本三菱通過采集駕駛?cè)藢崟r駕駛數(shù)據(jù)，建立相對正常和安全的駕駛習慣標準，并對不正常的駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)進行預警，使得預測準確率提高了66%.日本堀場制作所和日本Unisys公司合作，利用安裝在卡車上用來記錄速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、位置信息等行駛信息的數(shù)字行車記錄儀和在行駛時錄下車內(nèi)外圖像的汽車黑匣子收集數(shù)據(jù)，以無線方式將各種行駛數(shù)據(jù)及時發(fā)送給Unisys運營的數(shù)據(jù)中心，將這些數(shù)據(jù)存儲在云上，運輸公司可通過互聯(lián)網(wǎng)確認車輛運行情況，并對疲勞駕駛的征兆建模，對駕駛?cè)似跔顟B(tài)進行檢測.國內(nèi)的極限元(北京)智能科技股份有限公司推出的車載疲勞駕駛檢測儀，通過采集超過50萬名駕駛?cè)说拇髷?shù)據(jù)，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡的檢測模型來檢測疲勞駕駛狀態(tài).

4 結(jié)束語

本文在對駕駛疲勞檢測原理進行分析的基礎(chǔ)上，介紹了目前基于駕駛?cè)松韺W特征、駕駛?cè)诵袨樘卣鳌④囕v行為特征以及多源信息融合4種用于駕駛疲勞檢測的技術(shù)，對其進行對比分析；并從駕駛?cè)似谂袆e的研究、可穿戴設備在駕駛疲勞檢測中的應用、多信息融合以及多功能智能車載設備的研發(fā)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)在駕駛?cè)似跈z測的應用4個方面給出了駕駛疲勞檢測的發(fā)展趨勢.目前汽車工業(yè)發(fā)達的美、日、歐、澳已將不少駕駛疲勞檢測技術(shù)用于駕駛?cè)说钠跈z測.駕駛疲勞作為引發(fā)交通事故的重要原因之一，今后駕駛疲勞檢測技術(shù)將會受到越來越多的關(guān)注.

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