一種基于大數(shù)據(jù)的疲勞駕駛安全保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

磨春妗，黎飛，程登，張森

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西汽車新四化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西柳州，545007）

0 前言

隨著汽車保有量的增加，每年因?yàn)榻煌ㄊ鹿蕚鋈藬?shù)呈上升趨勢(shì)?，F(xiàn)代人生活節(jié)湊的加快、睡覺不規(guī)律，熬夜現(xiàn)象嚴(yán)重、長時(shí)間駕駛等因素使得駕駛員精神狀態(tài)不佳，注意力不集中，容易疲勞駕駛，進(jìn)而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生[3]。疲勞駕駛作為交通事故的重要因素之一，如何準(zhǔn)確高效檢測疲勞駕駛是多年來各大車企制造業(yè)與科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，通過研究一種實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，以便能夠警示駕駛?cè)藛T改善駕駛行為，避免事故的發(fā)生，對(duì)社會(huì)安全具有重要的意義。

從現(xiàn)有的研究來看,多數(shù)側(cè)重于疲勞檢測，主要有三種檢測方式：生理特征、視覺特征、車輛行駛信息[4]。關(guān)于生理特征檢測方式，有研究[1,2]提出基于腦電信號(hào)(EElectroEncephaloGram,EEG) 的睡眠檢測模型,結(jié)果表明,EEG 能夠正確地區(qū)分清醒狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。關(guān)于視覺特征檢測方法的研究，戴詩琪等人[3]提出基于HOG 特征提取和ERT 算法實(shí)現(xiàn)人臉檢測和特征點(diǎn)定位，而后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)眼、嘴部狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。張長隆[5]使用多傳感器采集眼部、嘴部以及方向盤特征，使用Fisher 線性判別分類來檢測疲勞。史瑞鵬[6]等人提出了一種基于加速后的多任務(wù)級(jí)聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MTCNN-F 實(shí)現(xiàn)人臉特征點(diǎn)快速定位，采用ERFP 方法精確提取眼、嘴部目標(biāo)區(qū)域，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)EM-Net 對(duì)目標(biāo)區(qū)域圖像狀態(tài)進(jìn)行快速準(zhǔn)確分類，而后通過相應(yīng)判定算法實(shí)現(xiàn)疲勞駕駛檢測的方法。關(guān)于車輛行駛信息檢測方法，尤超[7]利用駕駛操作行為變異性特征,通過個(gè)體差異性的自學(xué)習(xí)方法建立疲勞狀態(tài)檢測模型，結(jié)合車輛動(dòng)態(tài)、操作與控制選擇等數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞狀態(tài)檢測。以上檢測方法，均可以實(shí)現(xiàn)駕駛員的疲勞檢測，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)?；谏硖卣鳈z測方法具有較高的精度，但是信號(hào)采集主要通過接觸式設(shè)備實(shí)現(xiàn)，成本比較高，更適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,不適于實(shí)際應(yīng)用。基于視覺特征檢測方法具有非接觸、無干擾、檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是容易受駕駛員的面部習(xí)慣、車內(nèi)光線和眼鏡反光/遮擋等因素影響，且車內(nèi)需要安裝攝像頭，成本比較高，推廣性適中。而基于車輛行駛信息的采集在汽車現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上就可以實(shí)現(xiàn)，對(duì)額外的設(shè)備需求較低,實(shí)用性很強(qiáng),成本低，易于推廣，但是駕駛員個(gè)人習(xí)慣、路面條件等因素會(huì)影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

少部分研究比較完整地囊括了疲勞檢測和疲勞預(yù)警兩個(gè)部分，詳細(xì)闡述了疲勞檢測研究方法及論證過程，但關(guān)于疲勞預(yù)警這個(gè)部分研究的不是很細(xì)致，一般只說明預(yù)警方法，比如語音提醒、限速、燈光報(bào)警或者震動(dòng)裝置，沒有一個(gè)詳細(xì)的預(yù)警實(shí)施過程,如尤超[7],張長隆[8]。

綜上所述，設(shè)計(jì)一種有效的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，減少疲勞駕駛事故的發(fā)生是本文的出發(fā)點(diǎn)。本文基于成本和方便的角度選擇車輛行駛信息檢測疲勞駕駛的方式，該檢測方式除了基于行駛信息還結(jié)合行駛路況進(jìn)行疲勞駕駛檢測，進(jìn)而針對(duì)不同的路況有不同的主動(dòng)限速手段。當(dāng)然，若條件允許，則也可以選擇生理特征或視覺特征檢測方式，畢竟方式不同，檢測準(zhǔn)確度也有差異，本文的重點(diǎn)并非側(cè)重于檢測方式，而是側(cè)重于闡述一個(gè)比較完整的疲勞駕駛檢測預(yù)警系統(tǒng)。

1 疲勞駕駛安全保障系統(tǒng)的介紹

本文的疲勞駕駛安全保障系統(tǒng)包含兩個(gè)模塊，詳細(xì)工作示意圖見圖1，一個(gè)是結(jié)合駕駛路況基于車輛歷史和實(shí)時(shí)的行駛信息數(shù)據(jù)的疲勞駕駛檢測模塊：車輛行駛信息會(huì)通過車載數(shù)據(jù)采集裝置上傳至云端服務(wù)器，在車輛上電之前依據(jù)歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)疲勞檢測模型，車輛上電后由云端依據(jù)模型結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷駕駛員是否疲勞駕駛及疲勞等級(jí)；另一個(gè)是基于語音提醒、限速和告知緊急聯(lián)系人讓其反向提醒的分層次分時(shí)段的詳細(xì)疲勞駕駛預(yù)警模塊：依據(jù)疲勞等級(jí)，定時(shí)或不定時(shí)由云端給車端發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)車輛提醒駕駛員，并依據(jù)行駛路況作出不同的預(yù)防事故發(fā)生的限速方式，并告知駕駛員的緊急聯(lián)系人讓其反向提醒駕駛員。

圖1 疲勞駕駛安全保障系統(tǒng)工作示意圖

（1）疲勞駕駛檢測模塊

結(jié)合駕駛路況基于車輛歷史行駛信息數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)行駛信息數(shù)據(jù)的疲勞檢測模塊。車輛上電后，車輛行駛信息會(huì)通過車載數(shù)據(jù)采集裝置上傳云端服務(wù)器，其中車輛行駛信息主要包含：方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤角度、方向盤角速度、橫向加速度、車速、行駛時(shí)長、行駛時(shí)間（用于判斷白天還是晚上）等指標(biāo)。在上電10min 內(nèi)，本文認(rèn)為駕駛員是清醒的，通過采集近期正常行駛時(shí)長達(dá)20min 以上的上電10min 時(shí)的數(shù)據(jù)（剔除怠速數(shù)據(jù)，倒車數(shù)據(jù)），作為清醒時(shí)建模參考數(shù)據(jù)，基于參考數(shù)據(jù)通過綜合評(píng)價(jià)方法提取出有劃分等級(jí)的具有個(gè)體特性疲勞駕駛的評(píng)定條件，將行駛10min 后的數(shù)據(jù)作為分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和疲勞駕駛的評(píng)定條件，判斷駕駛員是否疲勞（達(dá)到1 級(jí)疲勞駕駛條件）及對(duì)應(yīng)的疲勞等級(jí)，其中疲勞等級(jí)分為1、2、3 等級(jí)，分別為輕度疲勞、中度疲勞、高度疲勞。

（2）疲勞駕駛預(yù)警模塊

基于語音提醒、限速和告知緊急聯(lián)系人讓其反向提醒的分層次分時(shí)段的詳細(xì)疲勞預(yù)警流程。上電10min 后，若檢測到駕駛員1 級(jí)或者2 級(jí)疲勞駕駛，則此時(shí)觸發(fā)車輛發(fā)出語音提醒駕駛員，要求降速行駛或者尋找附近安全停車點(diǎn)休息。上電30min 后，若此時(shí)檢測到駕駛員1 級(jí)疲勞駕駛,則進(jìn)行語音提示；若2 級(jí)疲勞駕駛不僅進(jìn)行語音提醒，還通過GPS 定位數(shù)據(jù)判斷駕駛員行駛的道路，是在高速路還是普通的道路上。若是高速路上，本文將80km/h 定義為高速路的a 級(jí)疲勞駕駛速度，若是普通道路，本文將50km/h 定義為普通道路的a 級(jí)疲勞駕駛速度。然后云端觸發(fā)車輛發(fā)出語音提醒駕駛員（疲勞等級(jí)不同，語音提醒內(nèi)容不同），并告知駕駛員將于5s 后對(duì)車輛限速（范圍在a 級(jí)疲勞駕駛速度及以下），并把駕駛員疲勞駕駛的消息通過手機(jī)客戶端告知駕駛員的緊急聯(lián)系人。云端發(fā)送給緊急聯(lián)系人的駕駛員疲勞駕駛消息中，主要包含疲勞駕駛時(shí)間、位置疲勞駕駛等級(jí)和錄制10s 語音功能的接口鏈接及催促提醒駕駛員的內(nèi)容，當(dāng)駕駛員的緊急聯(lián)系人手機(jī)收到駕駛員疲勞駕駛提醒時(shí)，立即彈出屏幕展示給用戶，并配以自動(dòng)語音播報(bào)，使得緊急聯(lián)系人不會(huì)錯(cuò)過即時(shí)提醒駕駛員的時(shí)機(jī)。聯(lián)系人可點(diǎn)擊消息中的鏈接進(jìn)入到錄制語音的界面，在界面中可直接看到駕駛員駕駛位置地圖及錄音功能，錄制完的語音將通過云端發(fā)送給車輛，并自動(dòng)播放給駕駛員，無需駕駛員手動(dòng)播放，避免分散駕駛員注意力，以防意外發(fā)生。上電1h 后，若此時(shí)駕駛員1 級(jí)或者2 級(jí)或3 級(jí)疲勞駕駛，則判斷駕駛員行駛的道路。若是高速路上，本文將70km/h 定義為高速路的b 級(jí)疲勞駕駛速度，若是普通道路，本文將30km/h 定義為普通道路的b 級(jí)疲勞駕駛速度。然后云端觸發(fā)車輛發(fā)出語音提醒駕駛員,告知駕駛員正在對(duì)車輛限速（范圍在b級(jí)疲勞駕駛速度及以下），并把駕駛員疲勞駕駛的消息通過手機(jī)客戶端告知駕駛員的緊急聯(lián)系人，最終駕駛員將以限速范圍內(nèi)的速度行駛至下電。如果上電10min 后或者30min后檢測到駕駛員3 級(jí)疲勞駕駛，則判定行駛的道路，觸發(fā)車輛進(jìn)行語音提醒及限速車輛到b 級(jí)疲勞駕駛速度，并把駕駛員疲勞駕駛的消息通過手機(jī)客戶端告知駕駛員的緊急聯(lián)系人。

以上分別為上電10min、30min、1h 的定時(shí)預(yù)警系統(tǒng)（詳情見圖2），由于是實(shí)時(shí)檢測疲勞駕駛，倘若在后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)預(yù)測之前，也就是10min～30min 和30min～1h 期間，發(fā)生嚴(yán)重疲勞駕駛，則也應(yīng)進(jìn)行預(yù)警，因而本文提出不定時(shí)預(yù)警的方案，主要是針對(duì)3 級(jí)疲勞駕駛。若在上述兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)檢測到3 級(jí)疲勞駕駛，則判定行駛的道路，觸發(fā)車輛進(jìn)行語音提醒及限速車輛到b 級(jí)疲勞駕駛速度（詳情見圖3）。

圖2 疲勞駕駛定時(shí)預(yù)警流程圖

圖3 疲勞駕駛不定時(shí)預(yù)警流程圖

2 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)基于車輛大數(shù)據(jù)判斷疲勞駕駛及等級(jí)，依據(jù)駕駛時(shí)長設(shè)定疲勞駕駛提醒條件和時(shí)間，采用分層次限速方式控制疲勞駕駛的車輛行駛速度，以及通過告知駕駛員緊急聯(lián)系人，讓緊急聯(lián)系人通過錄音提醒系統(tǒng)反向提醒駕駛員，從而使得駕駛員重視安全駕駛，降速行駛或?qū)ふ野踩＼圏c(diǎn)休息?？傮w上可以幾個(gè)方面說明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：一、安全方面：依據(jù)疲勞等級(jí)對(duì)車輛進(jìn)行定時(shí)或不定時(shí)的語音提醒和不同速度限制，對(duì)駕駛員的安全駕駛起到時(shí)間上多層次的安全保障作用；另外通知緊急聯(lián)系人，對(duì)于哪些無視自身安全盲目駕駛的人，可起到勸說作用，減少交通事故的發(fā)生。二、體驗(yàn)方面:本文定義的車速較為合理，沒有嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛需求；依據(jù)疲勞等級(jí)和駕駛時(shí)間進(jìn)行提醒，減少頻繁提醒而引起駕駛員反感的情況。三、成本方面：采用低成本的車輛數(shù)據(jù)疲勞駕駛檢測方式，采用低成本操作的語音提醒、車輛限速的預(yù)警方式。四、效率方面：實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員精神狀態(tài)，定時(shí)或不定時(shí)地根據(jù)疲勞駕駛等級(jí)進(jìn)行預(yù)警，能使駕駛員即時(shí)調(diào)整精神狀態(tài)，減速或者停車休息。五、提醒方式：本文在常用提醒方式上增加了告知緊急聯(lián)系人方式，盡管該方式被作為發(fā)生事故時(shí)常規(guī)使用的技術(shù)手段，但是一般只起到告知的作用，而不是預(yù)防。該方式在本文的疲勞駕駛預(yù)警中使用，一來是實(shí)現(xiàn)告知緊急聯(lián)系人的基本作用；二來是在不增加駕駛員駕駛風(fēng)險(xiǎn)的情況下由本文提出的錄音提醒系統(tǒng)自動(dòng)提醒駕駛員；三來該提醒是在未發(fā)生事故之前，而非常規(guī)的事故發(fā)生后告知緊急聯(lián)系人；最后對(duì)于一個(gè)經(jīng)常開車的人來說，面對(duì)常規(guī)的提醒通常會(huì)有麻木的心理，預(yù)警往往達(dá)不到很好的效果，而通過關(guān)系親密的緊急聯(lián)系人的語音提醒，則能夠有效使得駕駛員更重視安全駕駛，進(jìn)而調(diào)整自己的精神狀態(tài)或停車休息。綜上所述，本文提供了一種從疲勞檢測到預(yù)警的疲勞駕駛安全保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在安全、體驗(yàn)、成本、效率、提醒方面都有一定的效果。