疲勞駕駛檢測研究綜述

成亞玲 譚愛平

摘 要：疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故的重要原因，嚴(yán)重影響公眾的交通安全出行。全球各國高度重視，科研人員進(jìn)行了大量研究。相關(guān)文獻(xiàn)從生理特征信息、車輛行為特征信息、視覺特征信息和多特征信息融合等四維度進(jìn)行了梳理，并指出了不同檢測方法的優(yōu)缺點。最后，基于不同場景的應(yīng)用需求，指出了基于深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多特征信息融合的疲勞檢測研究將是未來研究的重點和熱點。

關(guān)鍵詞：駕駛行為疲勞檢測檢測方法信息融合預(yù)測

中圖分類號：U491.254;TP391 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ?文章編號：

Review on Fatigue Driving Detection

CHENG Yaling ?TAN Aiping

（Hunan Industry Polytechnic， Changsha， Hunan Province， 410208 China）

Abstract： Fatigue driving is an important cause of traffic accidents， which seriously affects the public's traffic safety. Countries all over the world attach great importance to it， and researchers have carried out a lot of research about it. The relevant literature combs the four dimensions of physiological feature information， vehicle behavior feature information，visual feature information and multi feature information fusion， and the advantages and disadvantages of different detection methods are pointed out. Finally， based on the application requirements of different scenarios， it is pointed out that the research on fatigue detection based on deep learning， neural network and multi feature information fusion will be the focus and hotspot of future research.

Key Words： Driving behavior; Fatigue test; Detection method; Information fusion; Forecast

駕駛員疲勞駕駛會導(dǎo)致其注意力、意識、判斷能力、反應(yīng)能力和執(zhí)行能力減弱，進(jìn)而使得對車輛的控制能力下降，導(dǎo)致對緊急情況處理不及時、操作出現(xiàn)失誤等情況發(fā)生。各國通過法律法規(guī)以防止駕駛員疲勞駕駛，降低交通事故頻率。研究駕駛員疲勞駕駛檢測，對降低交通事故頻率有著重要意義。目前，國內(nèi)外業(yè)界與學(xué)者對疲勞駕駛檢測相關(guān)研究主要集中在生理信息特征、車輛行為特征、視覺特征以及多特征信息融合的疲勞檢測4個方面。下面將分別對這些研究進(jìn)行闡述。

1基于駕駛員生理特征信息的疲勞駕駛檢測

該類檢測方法通過采集駕駛員的EEG（腦電信號）、ECG（心電信號）、EMG（肌電信號）、ESG（皮電信號）等生理特征信息進(jìn)行檢測與分析，從而判定駕駛員的是否處于疲勞駕駛狀態(tài)。

（1）在腦電波方面，LI G和CHUNG W Y利用人機(jī)界面技術(shù)（BMI）系統(tǒng)，并結(jié)合了頭部動作對困倦進(jìn)行判斷，通過EEG信號研究了駕駛員困倦現(xiàn)象，研究結(jié)果顯示整體準(zhǔn)確率接近83%，實現(xiàn)了對困倦的早期檢測[1]。Saroj K.L.Lal與Ashley Craig基于腦電波中的δ波和θ波，研究δ、θ波其與疲勞駕駛密切相關(guān)性，研究結(jié)果表明駕駛員疲勞程度與δ波和θ波的活躍程度呈線性正相關(guān)[2]。LEE B G等通過在時域和頻域中分析腦電和呼吸信號，對精神疲勞進(jìn)行分類并運(yùn)用SVM對結(jié)果進(jìn)行分類，精度高達(dá)98.6%[3]。如關(guān)偉等人通過提取、對比分析駕駛員警戒狀態(tài)下和疲勞狀態(tài)下的腦電信號EEG，可以有效判別疲勞駕駛[4]。GOLZ M等人提出了基于微睡眠和α觸發(fā)模式識別的方面來高精度識別的EEG分析方法，結(jié)果顯示前者在碰撞發(fā)生前表現(xiàn)頻率更高[5]。也有學(xué)者基于腦電建立了模擬試驗/實車試驗之間的關(guān)系研究，ZHANG H等同時進(jìn)行了模擬/實車試驗，并對EEG是否存在與實際駕駛意圖的識別相悖進(jìn)行分類，結(jié)果表明人機(jī)互聯(lián)界面可應(yīng)用于實際駕駛[6]。

（2）心電波方面，基于HRV（Heart Rate Variability，心率變異性）對駕駛員疲勞狀態(tài)進(jìn)行判別。如Denso 公司通過傳感器設(shè)備及時采集到駕駛員的心電信號平均值與動脈血壓來監(jiān)測駕駛員的疲勞狀態(tài)[7]。郭孜政等人[8]將心率變異性的相關(guān)參數(shù)作為疲勞判別模型的輸入變量，同時基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型對駕駛疲勞進(jìn)行分類，研究結(jié)果顯示其判別準(zhǔn)確率為73.16%。王琳虹等[9]以駕駛員心率均值（Heart Rate，HR）為因變量，分析了駕駛時間、景觀色彩均值、駕駛疲勞之間的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

（3）肌電、皮電波方面，SAHAYADHAS A等[10]利用肌電信號中的標(biāo)準(zhǔn)差來檢測駕駛員嗜睡程度，分類結(jié)果顯示該方法有效率達(dá)89%。GRUJICIC M等[11]同樣采集了肌電信號來檢測疲勞。ARTANTO D等[12]利用ESP8266系統(tǒng)，采集眼瞼周邊的肌電信號，并結(jié)合眼瞼的閉合情況能有效檢測駕駛員的早期睡意。

（4）運(yùn)用多個生理指標(biāo)對駕駛疲勞進(jìn)行評價方面，如BORGHINI G等人[13]運(yùn)用EEG、HR和EBR綜合隊駕駛員的精神疲勞或困倦進(jìn)行檢測，結(jié)果表明EEG在精神狀態(tài)上的變化表現(xiàn)敏感，尤其是EEG中的θ波和α波的功率譜在不同的行駛條件下有相應(yīng)的變化。ZHANG C等人[14]記錄了EEG、ECG和EOG，通過提取小波熵等參數(shù)來評價疲勞狀態(tài)，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練及預(yù)測，將疲勞狀態(tài)分為4類，分類精度高達(dá)96.5%以上。

以上文獻(xiàn)從多個方面基于駕駛員生理特征信息展開了駕駛疲勞檢測方法研究。通過梳理發(fā)現(xiàn)該類疲勞檢測方法雖然在準(zhǔn)確性、可靠性、精度等方面相對較高，但是需要將相關(guān)的傳感設(shè)備需要與駕駛員身體接觸，在一定程度上妨礙駕駛操作，同時設(shè)備價格昂貴，故導(dǎo)致該類方法在實際應(yīng)用推廣受到了很大的限制。

2基于視覺特征的駕駛疲勞檢測

該類方法通過計算機(jī)視覺技術(shù)獲取駕駛員面部特征變化來判斷疲勞，主要包括駕駛員的頭部位置[15]、嘴部狀態(tài)[16]、眨眼頻率、眼睛閉合度、眼睛轉(zhuǎn)動速度、閉眼持續(xù)時間占空比[17，18]等參數(shù)，提取這些參數(shù)特征量，然后運(yùn)用相應(yīng)的算法來判別其疲勞程度。

（1）在眼睛特征與疲勞狀態(tài)的關(guān)系研究中，如潘曉東等人[19]選取瞼閉合時間、眨眼次數(shù)等生理特征參數(shù)，研究駕駛員在不同疲勞狀態(tài)下的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明這兩類參數(shù)在疲勞狀態(tài)識別上的有效性。學(xué)者XUJL [20]提出了一種通過追蹤眼球運(yùn)動行為檢測系統(tǒng)，WANG [21]提出基于雙目一致性的魯棒疲勞檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對疲勞的檢測。HE等人[22]通過嗜睡檢測系統(tǒng)，分析駕駛員眨眼頻率，從而判斷駕駛員是否疲勞。

（2）在嘴巴特征與疲勞狀態(tài)的關(guān)系研究中，如學(xué)者KNAPIK等人[23]提出了一種哈欠熱模型，利用熱成像技術(shù)可以不分晝夜檢測打哈欠情況，實現(xiàn)對駕駛員的疲勞檢測。ANITHA等人[24] 開發(fā)出一種新型哈欠檢測系統(tǒng)，通過提取嘴巴區(qū)域特征、哈欠特征，通過系統(tǒng)檢測判斷駕駛員否處于疲勞狀態(tài)。李智等人[25]利用紅外線光源采集駕駛員人臉圖像，提取人臉區(qū)域眼睛與嘴巴的特征信息，利用Adaboost算法檢測疲勞狀態(tài)，結(jié)果表明該方法正確率高，速度快，具有很好的泛化能力和較強(qiáng)的魯棒性。

（3）在面部表情、頭部運(yùn)動與疲勞狀態(tài)的關(guān)系研究中，如郭慧利等人[26]利用Adaboost算法進(jìn)行臉部檢測，精準(zhǔn)定位眼和嘴區(qū)域，提取眼、嘴、頭等指標(biāo)參數(shù)，運(yùn)用D-S信息融合算法，能有效判別駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。Zhu等人[27]提取眼瞼運(yùn)動，凝視運(yùn)動，頭部運(yùn)動和面部表情等參數(shù)，建立概率模型來對駕駛員疲勞狀態(tài)進(jìn)行建模。YANG等人[28]提出了一種基于面部微表情的打哈欠檢測方法，該方法采用圖像直方圖快速消除冗余幀，并通過中值絕對偏差來檢測離群值提高算法的實時性與精準(zhǔn)度。

基于視覺特征的駕駛疲勞檢測方法是一種非侵入式的檢測方式，具有對駕駛員干擾少、成本低、操作簡單等優(yōu)點，是業(yè)界最受歡迎的主流方法。同時，這類視覺特征疲勞檢測方法，容易受光照、視覺采集設(shè)備、面部遮擋、振動、眼鏡等外在因素影響，其魯棒性不是很高，有待在人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)等技術(shù)助力下進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率及魯棒性。

3基于車輛行為的駕駛疲勞檢測

該類檢測方法主要是通過車輛的操控信息（腳剎使用、方向盤握力、方向盤旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)加速度）[29]和車輛行駛軌跡信息（車輛行駛速度、前車后車的車距、車道偏移量、輪胎軌跡）[30]進(jìn)行監(jiān)測，實時對駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行判別。

（1）在基于操控信號的疲勞駕駛檢測算法中，如Sayed等人[31]利用方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向加速度等信息，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的方法，對駕駛員嗜睡/困倦進(jìn)行檢測。CHAIM等人[32]利用方向盤狀態(tài)來檢測駕駛員的睡意，選擇4個與駕駛員疲勞狀態(tài)顯著相關(guān)的參數(shù)，并建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對駕駛員的睡意監(jiān)控。張明明[33]利用提駕駛員方向盤握力特征，根據(jù)該特征實現(xiàn)對疲勞駕駛的檢測。于茲文[34]通過采集駕駛員不同狀態(tài)下的方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)角速率、橫擺角、橫擺角速度等數(shù)據(jù)信息，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)角速率、橫擺角速度、橫向位置4類信息與疲勞駕駛狀態(tài)顯示強(qiáng)相關(guān)性。

（2）在基于車輛行駛軌跡信息的疲勞駕駛檢測算法中，如Forsman從車道偏移量特征參數(shù)和方向盤轉(zhuǎn)角特征參數(shù)等方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明這兩個特征參數(shù)在判定駕駛員疲勞狀態(tài)時差異性最顯著 [35]。Sandberg D 等人從駕駛行為時間序列測量的視角，通過方向盤轉(zhuǎn)角、車速、車輛橫擺角等參數(shù)指標(biāo)對駕駛員疲勞狀態(tài)檢測[36]。萬蔚等人使用車輛的橫向位置、車速、方向盤的轉(zhuǎn)角等參數(shù)組成疲勞狀態(tài)信息特征，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一種疲勞駕駛判別算法[37]。

以上研究闡述了基于車輛行為的駕駛疲勞檢測方法。此類檢測方法非接觸式方法，因此對駕駛員侵?jǐn)_性小、采集駕駛員操作行為數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)特征參數(shù)便捷、處理過程不復(fù)雜等優(yōu)點。同時，此類方法受到道路環(huán)境（車道線）、交通狀況、車輛行駛速度、駕駛員操作熟練程度、駕駛習(xí)慣等因素影響，因此其準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

4多特征信息融合的疲勞檢測

單一特征信息的疲勞檢測算法存在可靠性低、精度不高等缺陷，基于多特征信息融合算法則可以彌補(bǔ)其不足，也正逐漸成為業(yè)界研究熱點。此類算法業(yè)界、學(xué)者的主要研究集中在生理多特征信息融合、視覺多特征信息融合、車輛行為多特征信息融合、不同類多特征信息共同融合4個方面[38]。

（1）生理多特征信息融合與疲勞檢測的關(guān)系中，如白中浩等人提出了一種基于主動形狀模型的多個特征融合疲勞檢測算法，以提高對駕駛員疲勞程度檢測的準(zhǔn)確性與魯棒性，研究表明，本方法對駕駛員疲勞檢測準(zhǔn)確率達(dá)93.3%[39]。Du等人[40]提出了一種新穎的多模式融合遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MFRNN），用于對心率、睜眼程度和張嘴程度的判斷從而提高疲勞駕駛檢測的準(zhǔn)確性。王斐等人將將腦電圖識別（主要是EEG 信號）與車輛操縱特性相結(jié)合來檢測駕駛員的疲勞狀態(tài)，以此來判別駕駛員是否疲勞駕駛[41]。

（2）視覺多特征信息融合與疲勞狀態(tài)檢測的關(guān)系中，如曹國震等人提出一種基于視覺多特征（頭部、眼部、嘴巴）融合判別方法，提高檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[42]。李玲玲提出了一種改進(jìn)的貝葉斯算法融合多視覺信息來估計駕駛員的疲勞程度[43]。周云鵬等人[44]提出了一種基于面部多種疲勞參數(shù)的駕駛員狀態(tài)檢測算法，該算法結(jié)合模糊系統(tǒng)推理系統(tǒng)判別駕駛員疲勞狀態(tài)。

（3）車輛行為多特征信息融合與疲勞狀態(tài)檢測的關(guān)系中，如沈永增[45] 等選取方向變化、方向盤動作狀態(tài)、PERCLOS 值、連續(xù)駕駛時間作為融合參數(shù)，并進(jìn)行綜合判斷。黃皓[46]設(shè)計了基于車輛行為多特征參數(shù)的模糊聚類算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以提高此類算法的識別效果。

（4）不同類多特征信息共同融與疲勞檢測的關(guān)系中，如視覺特征和生理特征的融合方面，王寧[47]提出一種基于多信息融合的疲勞狀態(tài)監(jiān)測算法模型，該算法融合圖像和脈搏兩類信息，建立疲勞狀態(tài)識別決策器，以檢測并識別駕駛員的疲勞狀態(tài);視覺特征和車輛行為特征信息融合方面，李娟[48]等將眼部特征參數(shù)、車輛行為（車輛越線指標(biāo)）特征參數(shù)進(jìn)行分類，利用支持向量機(jī)SVM算法建立數(shù)據(jù)融合的疲勞檢測模型，研究結(jié)果顯示該模型提高了疲勞檢測的準(zhǔn)確性。汪宴賓[49]提取駕駛行為和眼睛特征參數(shù)，利用信息融合理論，建立駕駛疲勞識別模型，實驗驗證了該模型的具有較高的識別精度。基于深度學(xué)習(xí)的多特征信息融合方面，李小平等人[50]提出一種基于MTCNN-PFLD-LSTM深度學(xué)習(xí)模型的疲勞駕駛檢測算法，通過多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MTCNN進(jìn)行人臉區(qū)域檢測;利用PFLD模型檢測人臉眼部、嘴部和頭部的關(guān)鍵點及空間姿態(tài)角;計算出基于時間序列的人臉疲勞特征參數(shù)矩陣并輸入長短期記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM進(jìn)行疲勞駕駛檢測，研究結(jié)果顯示該方法明顯提高了疲勞檢測的準(zhǔn)確度和效率。

基于多特征信息融合的疲勞駕駛檢測方法相比較其他3類檢測方法，該類方法具有較高的準(zhǔn)確率及魯棒性，是目前業(yè)界研究熱點算法和最常用方法。同時由于該類算法融合了多個疲勞特征參數(shù)，增加了信息融合的計算量，也需要大量的訓(xùn)練集，增加了此類算法實時性要求的難度。

5 結(jié)語

本文從生理特征信息、車輛行為特征信息、視覺特征信息和多特征信息融合等四類算法對疲勞駕駛檢測方法進(jìn)行了綜述，并對各類算法的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)。一方面，雖然當(dāng)前疲勞駕駛檢測方法取得了較好的成果，但隨著人民對美好生活的向往，對檢測算法的魯棒性、精準(zhǔn)度、實時性等方面有待進(jìn)一步提高。另一方面，隨后深度學(xué)習(xí)技術(shù)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)與多特征信息融合的疲勞駕駛檢測研究將是未來研究的重點和熱點。

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