疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

黃駿

深圳市瑞聯(lián)高科通訊有限公司 廣東深圳 518000

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，交通事故已成為全球當(dāng)前所面臨的嚴(yán)重問題。據(jù)文獻(xiàn)介紹，全世界每年因交通事故而導(dǎo)致的死亡人數(shù)達(dá) 60 萬，直接經(jīng)濟(jì)損失約 125 億美元，這些事故中 57%的災(zāi)難性事故與駕駛員疲勞駕駛有關(guān)。疲勞雖然是一個(gè)很正常的生理現(xiàn)象，但每年導(dǎo)致的交通事故給世界各國造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，增加社會不安定因素。

1 疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 預(yù)警系統(tǒng)的組成及工作原理

生理學(xué)研究表明，駕駛員疲勞駕駛時(shí)腦電、心電、肌電信號會發(fā)生異常，并伴有頻繁眨眼、點(diǎn)頭、打呵欠等面部疲勞特征，同時(shí)轉(zhuǎn)向盤、油門和制動踏板長時(shí)間不動，甚至車輛會出現(xiàn)蛇形、前方車距過小等危險(xiǎn)駕駛行為。為準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)地識別出駕駛員的疲勞特征并及時(shí)給駕駛員以警示，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)一般由以下模塊組成：信號采集模塊、特征提取、信息融合、疲勞判決和輸出報(bào)警模塊。系統(tǒng)的工作原理為：利用多種傳感器，像激光雷達(dá)、壓力、角位移傳感器等，對上述典型疲勞特征信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，運(yùn)用各種信號處理方法提取和識別駕駛疲勞特征信息，應(yīng)用多傳感器信息融合理論，對互補(bǔ)或冗余的疲勞特征信息進(jìn)行有機(jī)融合，進(jìn)而建立疲勞駕駛智能決策模型對駕駛員是否疲勞駕駛進(jìn)行準(zhǔn)確可靠判斷，最后輸出報(bào)警模塊可將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，并通過聲光報(bào)警裝置提醒駕駛員注意行車安全[1]。

1.2 典型的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)

盡管研究人員提出了很多疲勞檢測方法，但由于很多方法的實(shí)驗(yàn)條件有其局限性，故很難利用其研制成有效實(shí)用的預(yù)警系統(tǒng)，下面介紹幾種比較成功的預(yù)警系統(tǒng)。

（1）心跳速度檢測儀。1994 年，日本先鋒公司開發(fā)出防止駕駛員開車打瞌睡的系統(tǒng)。它通過心跳速度的變化，監(jiān)測駕駛員是否打瞌睡，在睡意來臨 15 min 前提醒駕駛員注意，防止發(fā)生事故。該系統(tǒng)的核心技術(shù)之一是貼在轉(zhuǎn)向盤上的紙狀心跳感應(yīng)器，駕駛員握轉(zhuǎn)向盤時(shí)可以握住它。感應(yīng)器每隔15 s檢測一次駕駛員的心跳速度，一般說來，人在打瞌睡之前，心跳速度下降。

（2）頭部位置檢測儀。該預(yù)警系統(tǒng)由澳大利亞人于1995年設(shè)計(jì)和開發(fā)，主要是通過監(jiān)視駕駛員在行駛過程中頭部的位移情況來判斷其是否在打瞌睡。安裝在駕駛員座位上的頭部位置傳感器是一個(gè)相鄰的電極電容傳感器陣列，每個(gè)傳感器都能輸出駕駛員頭部距離傳感器的位置，利用三角代數(shù)算法計(jì)算出頭在 x 、 y 、 z 三維空間中的位置，且能夠?qū)崟r(shí)跟蹤頭部的位置，同時(shí)利用各個(gè)時(shí)間段頭部位置的變化特征，可以反映出駕駛員處于清醒還是瞌睡狀態(tài)。該傳感器最大的特點(diǎn)是使用了電極電容，通過人這個(gè)高導(dǎo)體改變電極之間的電容，進(jìn)而通過測量電壓計(jì)算頭部與傳感器之間的距離。

（3）車道偏離報(bào)警系統(tǒng)DAS2000。當(dāng)駕駛員駕駛疲勞時(shí)，往往出現(xiàn)精神萎靡、注意力分散、反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象，且最容易無意識地駛出中線或者偏離車道。2000年，美國Ellison ResearchLabs實(shí)驗(yàn)室研制的DAS2000型路面警告系統(tǒng)（TheDAS2000 Road Alert System），對車道標(biāo)志線進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)車輛偏離道路中線或車道標(biāo)志線時(shí)向駕駛員發(fā)出警告，提醒駕駛員注意行車安全。

（4）轉(zhuǎn)向盤監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)駕駛員感到疲勞時(shí)，反應(yīng)能力變慢，操作轉(zhuǎn)向盤的動作也會減緩。1999年，美國Electronic SafetyProducts公司開發(fā)的轉(zhuǎn)向盤監(jiān)視系統(tǒng)S．A．M（steeringattention monitor）是一種監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤非正常運(yùn)動的傳感器裝置，能夠適用于各種車輛。當(dāng)系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)向盤正常運(yùn)動時(shí)傳感器裝置不報(bào)警，若轉(zhuǎn)向盤持續(xù)4s不運(yùn)動，S．A．M．就會發(fā)出報(bào)警聲，直到轉(zhuǎn)向盤繼續(xù)正常運(yùn)動為止。S．A．M．被固定在車內(nèi)錄音機(jī)旁，轉(zhuǎn)向盤下面的桿上裝有一條磁性帶，用以監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤的運(yùn)動[2]。

2 基于腦電波的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢

2.1 疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)研究的瓶頸

目前的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展遇到了難于逾越的瓶頸。其一是難以實(shí)現(xiàn)車載實(shí)時(shí)的檢測儀器，目前大部分的檢測用傳感器都是接觸性的，在實(shí)際行車過程中往往造成駕駛員不適或影響駕駛員操作。其二是疲勞指標(biāo)不夠客觀，一種單一的監(jiān)測指標(biāo)往往不能夠準(zhǔn)確的衡量駕駛員是否疲勞。因此尋找一種適合車載、實(shí)時(shí)、客觀的疲勞指標(biāo)已經(jīng)成為制約疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的瓶頸，致使該領(lǐng)域至今還沒有出現(xiàn)被普遍推廣的產(chǎn)品化和商品化的成果。

2.2 基于腦電波和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

從生理學(xué)角度來講，疲勞是一種生理現(xiàn)象。能夠客觀衡量人的清醒和疲勞狀態(tài)的參數(shù)有心電圖、肌電圖和腦磁圖等。采用直接監(jiān)測腦電圖的方式，以神經(jīng)電生理作為基礎(chǔ)，綜合數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、電子學(xué)等專業(yè)技術(shù)手段對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)大腦興奮度( 疲勞度) 水平的監(jiān)測，一直以來被稱為監(jiān)測疲勞的標(biāo)準(zhǔn)，有其他參數(shù)無法比擬的特點(diǎn)：

（1）未來的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)必須是非接觸式在線檢測。由于駕駛員處在工作狀態(tài)下，所以設(shè)計(jì)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)以不干擾其工作為前提。結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的佩戴式電極帽可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，而且頭戴傳感器比心電和肌電傳感器更方便駕駛員工作。基于腦電波的佩戴式疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成。

（2）由于人腦磁場比較微弱，加上地球磁場及其它磁場的干擾，必須有良好的磁屏蔽室和高靈敏度的測定儀器才能測到。在有限的駕駛室空間內(nèi)，這為在線檢測帶來了無法克服的困難[3]。

3 結(jié)語

疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的研究是汽車主動安全技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，其研究跨越了心理學(xué)、生理學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步和傳感器制造工藝的提高，以及各國對交通安全的日益重視，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)將會在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善和發(fā)展，從而為有效降低交通事故發(fā)生率，保證人民生命和財(cái)產(chǎn)安全發(fā)揮越來越重要的作用。