基于傳感器融合的車載健康監(jiān)測綜述

李新 邵開麗 靳宗信

摘 要：車載健康監(jiān)測系統(tǒng)基于多傳感器技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，充分利用多傳感器數(shù)據(jù)間的冗余和互補(bǔ)特性，綜合優(yōu)化并得出準(zhǔn)確的車內(nèi)環(huán)境信息和駕駛?cè)说纳眢w健康狀況，該系統(tǒng)在未來智能汽車發(fā)展中將得到更廣泛的普及和應(yīng)用。文中首先描述了車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念、多傳感器信息融合的類型及其發(fā)展歷程，然后進(jìn)一步分析了車載健康監(jiān)測系統(tǒng)中采用多傳感器融合技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)的溫濕度、有害氣體濃度以及駕駛?cè)说拿}搏、血壓、酒精濃度等參數(shù)，以便駕駛?cè)思皶r(shí)、動(dòng)態(tài)、全面地掌握行車時(shí)自身的健康狀況，為智能健康監(jiān)測和人工智能汽車的研究和發(fā)展提供理論支持和參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合;智能汽車;車載系統(tǒng);健康監(jiān)測;環(huán)境監(jiān)測;傳感器

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，社會(huì)生活節(jié)奏的加快，飲食不規(guī)律、睡眠不足、缺乏鍛煉、吸煙酗酒等不良生活方式及環(huán)境污染等影響，使得人們的健康狀況不容樂觀。對(duì)于大多數(shù)不注意身體健康的人來說，他們很容易忽視室外鍛煉，而就醫(yī)系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)的不完善也導(dǎo)致人們忽視身體健康。車載健康監(jiān)測系統(tǒng)將多傳感器融合與車載系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，使得各傳感器可最大限度發(fā)揮自身功能，各盡其責(zé)，方便每個(gè)駕駛?cè)硕寄軌螂S時(shí)監(jiān)測自己的健康狀態(tài)，降低意外發(fā)生幾率，提高行車安全和自身安全。

基于Android系統(tǒng)上的傳感器監(jiān)測人體健康是目前應(yīng)用最廣泛的方式。通過藍(lán)牙或遠(yuǎn)端服務(wù)器（云服務(wù)）與終端關(guān)聯(lián)，并完全開放Android系統(tǒng)，此舉將吸引越來越多的用戶去使用并進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。使用藍(lán)牙或云服務(wù)是時(shí)代發(fā)展的方向，也是極有利于及時(shí)預(yù)測人體健康狀況的方式[1]。市場上可穿戴的新型移動(dòng)計(jì)算機(jī)設(shè)備使用較為方便，且具有非限制性、非排他性和可互換性特點(diǎn)，能夠隨時(shí)隨地為用戶提供信息獲取、交換和處理服務(wù)[2]。從駕駛員的角度分析，在一個(gè)擁有龐大汽車保有量的國家，將汽車的車載系統(tǒng)與監(jiān)測人體的功能技術(shù)相結(jié)合，駕駛?cè)说陌踩珜⑦M(jìn)一步得到保障，而這也將引領(lǐng)汽車發(fā)展的新時(shí)代。展望未來，沃爾沃的首席數(shù)字官Atif Rafiq表示，今年沃爾沃將把面向駕駛者的相機(jī)添加為車主購車選項(xiàng)的可選配件。相機(jī)可以通過觀察瞳孔來測定駕駛員的血糖水平。本系統(tǒng)通過測量人體的多個(gè)基本特征來監(jiān)測和判斷人體健康狀況，彌補(bǔ)了只監(jiān)測部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)致判斷誤差較大的缺陷。因此，全面監(jiān)測將會(huì)為駕駛?cè)说慕】祹砀啾Ｕ稀?/p>

多傳感器信息融合是一個(gè)自動(dòng)處理多級(jí)信息的過程，方便駕駛員獲得更為精確的信息。目標(biāo)結(jié)果等價(jià)于每個(gè)傳感器所測的數(shù)據(jù)之和，可被廣泛應(yīng)用于生活和軍事領(lǐng)域[3-5]。但這并非是單一的“加法”，而是將收集到的信息全部顯示到界面后的進(jìn)一步組合，是關(guān)聯(lián)并組合由多個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)后通過一個(gè)接口輸出多個(gè)數(shù)據(jù)的過程[6]。

1 車載健康監(jiān)測系統(tǒng)中的多傳感器信息融合的類型

多傳感器信息融合分為三個(gè)類型[7]。

（1）像素層融合（數(shù)據(jù)層融合）一般采用集中式融合處理過程，在原始測報(bào)未經(jīng)預(yù)處理之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合與分析[8]。

（2）特征層融合位于像素層融合和決策層融合之間，其將采集到的數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)趨勢等特征進(jìn)行綜合分析處理。特征層融合足以將多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理并壓縮成包，以便無損傳輸，保證數(shù)據(jù)的完整性。因此，融合結(jié)果可以使決策分析所需的特征信息最大化[9]。特征層融合分為分布式或集中式兩種，又可分為兩大類，即目標(biāo)狀態(tài)融合與目標(biāo)特性融合[10]。

（3）決策層融合由不同類型傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合以觀察和分析相同的目標(biāo)，并且每個(gè)傳感器在本地執(zhí)行基本處理操作，然后執(zhí)行決策層融合判斷指令，最終獲得推斷結(jié)果[11]。

多源數(shù)據(jù)融合流程如圖1所示。

2 車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念

目前車載系統(tǒng)普及程度越來越高，通過用戶對(duì)車載交互系統(tǒng)的功能進(jìn)行評(píng)價(jià)[12]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合多種類型的傳感器信息、提高智能車載系統(tǒng)可用性、對(duì)融合目標(biāo)所處狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和實(shí)時(shí)在線分析做出響應(yīng);實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)诵穆省⒀獕?、駕駛時(shí)間、是否過量吸煙飲酒及車內(nèi)環(huán)境等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和健康預(yù)警，防止意外情況發(fā)生。系統(tǒng)框架如圖2所示。

3 車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程

最初車輛系統(tǒng)以電話為原型進(jìn)行開發(fā)，但是當(dāng)雪佛蘭首款配備無線電的汽車組裝完成后，越來越多的汽車開始組裝汽車收音機(jī)，并得到了制造商的支持。隨著時(shí)間的推移，車載收音機(jī)已成為汽車標(biāo)配，系統(tǒng)的主流在于娛樂交互性[13]和實(shí)用性[14]。

隨著人們對(duì)生活方式的要求不斷提高，車與外部的連結(jié)也被提上日程。車用環(huán)境無線存取技術(shù)（WAVE）/專用短距通信（DSRC）技術(shù)備受重視，在延伸出車與車（V2V）、車與設(shè)施（V2I）、車與人（V2P）的同時(shí)更提升了行車安全、效能與殘障輔助（Handicap Assistance）功能，方便運(yùn)用無線寬帶多樣性應(yīng)用服務(wù)。隨著阿里的“斑馬智行”，百度的carlife，Apollo（阿波羅），騰訊的“AI IN CAR車載系統(tǒng)”的深入發(fā)展和普及，健康車載系統(tǒng)將結(jié)合BAT三大巨頭引領(lǐng)“智能汽車”行業(yè)高速發(fā)展。

4 車載健康監(jiān)測系統(tǒng)中的車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測

當(dāng)汽車暴露在室外時(shí)，自然界的環(huán)境會(huì)對(duì)車內(nèi)環(huán)境造成一定影響，尤其是溫度因素。另外，駕駛?cè)艘彩懿糠汁h(huán)境因素的直接影響，例如汽車在發(fā)動(dòng)時(shí)，汽車尾氣會(huì)從縫隙中進(jìn)入車內(nèi)，再加上在車內(nèi)抽煙釋放的有毒物質(zhì)，由于汽車的密封性，使得有害氣體不斷累積，將對(duì)汽車內(nèi)人員身體造成較大損害。本系統(tǒng)在汽車內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)部署如圖3所示。

汽車暴露在室外時(shí)，外界因素會(huì)對(duì)汽車內(nèi)部環(huán)境造成很大影響，如光照、溫度、濕度等，尤其在夏天太陽的暴曬下，駕駛艙內(nèi)的溫度不斷上升，將對(duì)駕駛?cè)说男那樵斐蓸O大影響。此系統(tǒng)中的車載溫度傳感器通常由熱敏電阻材料制成，安裝在儀表板下方通過空氣管連接到空調(diào)管道，將空氣通過車內(nèi)溫度傳感器轉(zhuǎn)換為可用的輸出信號(hào)，由中央控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)以調(diào)節(jié)汽車內(nèi)部的溫度。目前大多通過外界求助或監(jiān)測溫度等方式避免因汽車車內(nèi)溫度過高導(dǎo)致幼童死亡事件的發(fā)生[15-20]，但對(duì)于車內(nèi)的濕度來說，由于相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，只有溫度確定時(shí)，才能討論濕度的變化趨勢（溫度每變化0.1 ℃，就將產(chǎn)生0.5%RH的濕度變化（誤差）），因此要控制濕度，首先需要控制溫度，因此使用集成溫度和濕度感應(yīng)的傳感器。

當(dāng)駕駛?cè)丝吹交蚵牭揭恍┬畔?dǎo)致身體素質(zhì)急速下降時(shí)，血壓脈搏傳感器檢測到的脈搏和血壓變化信息將轉(zhuǎn)換為可用的輸出信號(hào)發(fā)送至相關(guān)方。如果駕駛?cè)嗽隈{駛中突發(fā)狀況，脈搏和血壓將在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，系統(tǒng)將根據(jù)后臺(tái)的融合數(shù)據(jù)做出指令，提醒駕駛?cè)嘶蜍嚿掀渌丝图皶r(shí)做出反應(yīng)，防止災(zāi)害的發(fā)生。

使用酒精濃度傳感器以避免因酒駕或醉駕導(dǎo)致事故發(fā)生。車載系統(tǒng)采用TG S2620傳感器，該傳感器對(duì)乙醇、有機(jī)溶劑靈敏度較高，同時(shí)還具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。檢查酒后駕駛的常規(guī)方法分為兩種：一種是確定駕駛員呼出氣體中的酒精含量;另一種則是基于傳感器的電導(dǎo)率來判定。經(jīng)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償和比較后，判斷接收的數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值并決定是否啟動(dòng)汽車[21-22]。

采用煙霧濃度傳感器來檢測汽車內(nèi)的空氣污染物，主要包括化學(xué)污染物如一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫，以及香煙點(diǎn)燃時(shí)產(chǎn)生的數(shù)千種化學(xué)物質(zhì)[23]。污染物以氣態(tài)和氣溶膠狀態(tài)存在于空氣中。監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境中的有害氣體濃度，在中控系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)并以直觀方式顯示和建議駕駛?cè)酥蟮膭?dòng)作，包括車內(nèi)易燃物著火時(shí)提醒駕駛?cè)思皶r(shí)采取對(duì)應(yīng)措施[24]。在恒溫（25.0±1.0）℃、恒濕（50%±10%）情況下各氣體的指標(biāo)見表1所列，揮發(fā)性污染物濃度閾值見表2所列。

5 車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的前景

系統(tǒng)中的車載網(wǎng)絡(luò)主要基于汽車移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線通信和數(shù)據(jù)交換三個(gè)方面，可實(shí)現(xiàn)智能控制集成[25]?？v觀國內(nèi)外汽車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)汽車網(wǎng)絡(luò)的核心焦點(diǎn)在于“用戶體驗(yàn)”。針對(duì)這一現(xiàn)狀，多傳感器融合的智能車載健康系統(tǒng)可以告知駕駛員當(dāng)前的身體狀況和車內(nèi)環(huán)境，并提醒駕駛員采取有效措施，防止因突發(fā)疾病、過度飲酒或車內(nèi)環(huán)境惡化導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為駕駛員提供安全有效的旅行保護(hù)。

6 結(jié) 語

隨著智能汽車科技的發(fā)展和普及，汽車的性能越來越強(qiáng)大，但科技最終的目的是服務(wù)于人，而非汽車，因此智能車載監(jiān)測系統(tǒng)通過收集、融合和分析車內(nèi)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)送相關(guān)指令以改善駕駛?cè)说男熊嚑顩r，以直觀地讓人在駕駛過程中擁有健康感和體驗(yàn)感。目前多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展以及裝載有智能車載監(jiān)測系統(tǒng)的智能車輛正在一步一步走向完善，未來將更好地服務(wù)于人，服務(wù)于社會(huì)，其開發(fā)前景將更加可觀。

參 考 文 獻(xiàn)

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