貨運(yùn)車輛主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)

張欣迪　沈文濤　莫驍鳴

摘 要：在科技高速發(fā)展與追求高效的當(dāng)今社會(huì)，保證貨運(yùn)車輛行駛安全尤為重要，為了能夠有效避免事故發(fā)生，在事故發(fā)生前給出提示預(yù)警至關(guān)重要。本文首先分析了組成貨運(yùn)車輛主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS、司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)DMS的組成以及關(guān)鍵技術(shù)。其次，定義主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)能夠預(yù)警的危險(xiǎn)類型；通過(guò)整合ADAS、DMS系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)及視頻結(jié)合主動(dòng)安全預(yù)警算法，最終生成風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)不同等級(jí)提醒駕駛員改正危險(xiǎn)駕駛行為。最后闡述對(duì)貨運(yùn)主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)的價(jià)值總結(jié)以及前景展望。

關(guān)鍵詞：高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS 司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)DMS 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)算法 交通事故前預(yù)警

1 引言

在引發(fā)交通事故的原因中，人為因素首當(dāng)其沖，成為主要誘因。《世界預(yù)防道路交通安全傷害報(bào)告》中統(tǒng)計(jì)的“影響交通事故發(fā)生的危險(xiǎn)因素”，疲勞駕駛高居第三位。而這些因素中還有其他幾條也和駕駛員危險(xiǎn)行為有著密不可分的關(guān)系[1]。

由此可見，每年因?yàn)轳{駛員危險(xiǎn)駕駛行為而釀成的事故不計(jì)其數(shù)，這些事故的起因則是駕駛員的疲勞、精力不集中、以及車距過(guò)近等[2]。所以為了幫助駕駛員更安全的行駛在路上，車輛主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)對(duì)駕駛員的注意力及行為監(jiān)控、車輛行駛偏離情況以及車距、行人監(jiān)測(cè)都是十分必要的。

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及全球一體化的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)在人們的生產(chǎn)生活中凸顯出了越來(lái)越重要的地位，但在方便生活的同時(shí)，一起起交通事故所帶來(lái)的影響和損失也不容忽視。所以保證車輛行駛安全就成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)致交通事故發(fā)生的眾多因素當(dāng)中，由于駕駛員長(zhǎng)期疲勞駕駛、不良駕駛態(tài)度習(xí)慣等引起的超過(guò)70%，且只需要給駕駛員0.5s的時(shí)間，就能避免60%左右的事故發(fā)生[3]。所以亟需通過(guò)科學(xué)的手段在事故發(fā)生前，予以及時(shí)的提醒以避免事故的發(fā)生。特別是針對(duì)大型貨運(yùn)車輛，發(fā)生事故的后果是極其慘重的，故國(guó)家對(duì)此發(fā)布了國(guó)標(biāo)GB 7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定，車長(zhǎng)大于1m的客車必須裝配高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）和司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)（DMS）等主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)，來(lái)有力監(jiān)管司機(jī)行為，予以及時(shí)提醒，降低事故發(fā)生率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS

高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，簡(jiǎn)稱“ADAS”）是通過(guò)安裝在車輛上的傳感器，在行駛過(guò)程中，實(shí)時(shí)感知車輛內(nèi)部和外界環(huán)境變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，并通過(guò)各種算法進(jìn)行識(shí)別完成場(chǎng)景分類和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)物體識(shí)別、偵測(cè)、跟蹤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響車輛行駛安全的行為或存在的隱患，以警報(bào)提示音的方式及時(shí)預(yù)警提醒駕駛員，為駕駛員采取應(yīng)對(duì)措施及時(shí)消除隱患爭(zhēng)取更多的反應(yīng)時(shí)間，最大限度的降低事故發(fā)生，為車輛行駛安全提供了主動(dòng)安全保障[4]。

組成ADAS的硬件傳感器設(shè)備包括：攝像頭、毫米波雷達(dá)以及北斗定位。

攝像頭：智能前視攝像頭主要由鏡頭、光學(xué)傳感器、圖像處理器、保護(hù)電路以及CAN收發(fā)器組成?；谲囕v行駛過(guò)程中環(huán)境的復(fù)雜性，需要任何路況及外界環(huán)境下都能夠持續(xù)進(jìn)行良好的監(jiān)控，這就對(duì)攝像頭的低光性能和環(huán)境溫度適應(yīng)能力就提出了極高的要求，同時(shí)也要保證攝像頭視野的開闊性。圖像采集處理則是對(duì)車輛行駛前方的路況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，對(duì)圖像質(zhì)量的改善則依賴于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)。其中還包含障礙物識(shí)別技術(shù)，在完成圖像分類后，再通過(guò)具體的圖像比對(duì)算法進(jìn)行障礙物車輛或行人判斷。路況信息顯示則是將實(shí)拍路況情況經(jīng)處理投射到液晶顯示屏上，在擴(kuò)展了駕駛員的視野同時(shí)，還能實(shí)時(shí)檢測(cè)路況信息，保障行駛安全。

毫米波雷達(dá)：雷達(dá)即是用電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)的一種電子設(shè)備。原理為對(duì)要探測(cè)的目標(biāo)發(fā)射電磁波，目標(biāo)接收到照射后反彈電磁波，雷達(dá)接收其回波。通過(guò)這種方式就可獲取目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、方向等信息。雷達(dá)的頻率和波長(zhǎng)決定了它的功能特性，而ADAS使用到的毫米級(jí)雷達(dá)是30～300GHz（1～10mm波長(zhǎng)）的設(shè)備。目前市面常用ADAS設(shè)備多采用77GHz和24GHz兩種類型，由于其波長(zhǎng)特性均可輕易穿透雨水和灰塵，不受惡劣天氣等外界環(huán)境影響[5]。但由于雷達(dá)分辨力、穿透力與頻率成正比的特性，77GHzz 毫米波雷達(dá)正逐漸成為當(dāng)前汽車領(lǐng)域的主流傳感器。毫米波雷達(dá)主要安裝在車輛四個(gè)角、以及前保險(xiǎn)杠位置，正對(duì)車輛行駛正前方?？梢岳靡陨辖榻B電磁波工作原理完成對(duì)車輛行駛前方一定范圍內(nèi)的行人等障礙物的感知，輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)盲區(qū)檢測(cè)、輔助變道等操作。

北斗定位：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的四大供應(yīng)商之一，是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的定位導(dǎo)航通信技術(shù)。截止至2020年3月，我國(guó)共有54顆北斗導(dǎo)航在運(yùn)衛(wèi)星，全面建成了覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[6]。目前，北斗系統(tǒng)能夠達(dá)到10m的定位精度、0.2m/s的測(cè)速和10ns的授時(shí)精度，且具備模式兼容、通訊功能，在與車輛主動(dòng)安全結(jié)合過(guò)程中保證車輛位置定位精度的同時(shí)，支持駕駛員通訊。

在北斗定位系統(tǒng)與車輛輔助駕駛結(jié)合過(guò)程中，需要給車輛裝配北斗車載定位終端，終端接收北斗衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)車輛定位，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)的通信。在定位跟蹤功能基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)行車記錄儀功能，利用傳感器收集車輛行駛參數(shù)以及車輛控制參數(shù)等，通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的結(jié)合。北斗車載定位終端的安裝，對(duì)各類車輛特別是大型運(yùn)輸車輛，有極強(qiáng)的監(jiān)管和輔助作用，保證安全運(yùn)輸。

2.2 司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)DMS

司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)終端采集駕駛員人臉信息并利用人臉五官定位、深度學(xué)習(xí)算法技術(shù)分析駕駛員是否有抽煙、打瞌睡、打電話、疲勞駕駛、駕駛行為異常等違規(guī)行為，并提前做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，下發(fā)語(yǔ)音提醒駕駛員同時(shí)上報(bào)后臺(tái)管理人員，提高車輛安全駕駛，著力從駕駛員角度減少道路交通事故發(fā)生率。

DMS系統(tǒng)用到的硬件設(shè)備主要是攝像頭，考慮到DMS的監(jiān)控主要是針對(duì)駕駛員面部，在不對(duì)駕駛員視線造成影響且滿足佩戴眼鏡等現(xiàn)實(shí)情況，結(jié)合考慮外界環(huán)境光強(qiáng)程度，多采用紅外攝像頭來(lái)完成駕駛員面部信息的采集。對(duì)于攝像頭采集到的人臉信息經(jīng)圖像處理系統(tǒng)完成對(duì)圖像的處理后，由處理系統(tǒng)進(jìn)行疲勞監(jiān)測(cè)和分心監(jiān)測(cè)識(shí)別。按照蘇標(biāo)要求，當(dāng)觸發(fā)DMS系統(tǒng)報(bào)警時(shí)會(huì)拍3張間隔為200 ms的照片和1段默認(rèn)為5 s長(zhǎng)的短視頻上傳到監(jiān)管平臺(tái)保留證據(jù)[7]。

2.3 主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)

2.3.1 車輛風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)算法設(shè)計(jì)

主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)主要是根據(jù)ADAS、DMS檢測(cè)設(shè)備上報(bào)的報(bào)警事件，根據(jù)詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)明細(xì)形成安全事件，再經(jīng)由事先配置好的報(bào)警配置（如下圖1），按照不同占比情況組合安全事件，形成最終的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（如下圖2）。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)列表，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)自動(dòng)或人工干預(yù)下發(fā)對(duì)應(yīng)駕駛員提示語(yǔ)音，達(dá)到主動(dòng)預(yù)警作用，防患于未然，降低事故發(fā)生率[8]。

風(fēng)險(xiǎn)事件生成配置

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)生成邏輯說(shuō)明

系統(tǒng)整體架構(gòu)邏輯

3 關(guān)鍵技術(shù)在場(chǎng)景中的應(yīng)用

3.1 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS

3.1.1 前車碰撞預(yù)警

前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（Forward Collision Warning，F(xiàn)CW）被越來(lái)越多地用于車輛運(yùn)輸特別是大型貨運(yùn)車輛的縱向輔助駕駛系統(tǒng)中。在車輛行駛過(guò)程中，前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)與前車的距離和相對(duì)速度，在檢測(cè)到可能與前方車輛發(fā)生碰撞時(shí)，向駕駛員傳遞預(yù)警信號(hào)，使駕駛員根據(jù)提醒減速或緊急制動(dòng)，從而降低追尾事故發(fā)生的可能性。

3.1.2 車距監(jiān)測(cè)預(yù)警

約占據(jù)交通總事故三分之一的追尾事故，同樣也困擾著大型貨運(yùn)車輛。主要問(wèn)題集中在駕駛?cè)藛T不能對(duì)車輛之間的距離作出準(zhǔn)確判斷，或?qū)o急制動(dòng)車間距離沒有準(zhǔn)確的感知和把控，那么避免事故發(fā)生的關(guān)鍵就集中在如何使車間距離始終保持在安全距離范圍之外。

車距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)與前車車距結(jié)合當(dāng)前車速，估算前車突然剎停的車距過(guò)近時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)過(guò)近時(shí)間小于閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，終端喇叭會(huì)進(jìn)行提醒（前車距離過(guò)近），同時(shí)會(huì)把告警上報(bào)到后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車距的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成對(duì)車距過(guò)近的預(yù)警。

3.1.3 車道偏離預(yù)警

車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的功能是輔助駕駛員在正確的車道中行駛，當(dāng)車輛跨越車道邊界行駛時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出發(fā)報(bào)警，及時(shí)提醒駕駛員，及時(shí)糾正車輛偏離駕駛的傾向，從根本上避免車道偏離事件的發(fā)生[9]。車道偏離預(yù)警系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前行駛車道的左右車道線，結(jié)合左右轉(zhuǎn)向燈信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到未打轉(zhuǎn)向燈的車道偏離情況時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，終端喇叭會(huì)進(jìn)行提醒，同時(shí)會(huì)把告警上報(bào)到后臺(tái)，車道偏離預(yù)警在車速高于某一設(shè)定時(shí)速時(shí)開始運(yùn)作，當(dāng)車速低于設(shè)定時(shí)速或者正常變道、轉(zhuǎn)彎的情況下不會(huì)報(bào)警。

3.1.4 行人碰撞預(yù)警

數(shù)據(jù)顯示，有近四分之一的人車事故是由于行人或非機(jī)動(dòng)車從駕駛員的視野盲區(qū)出現(xiàn)導(dǎo)致的，為避免以上類型事故，急需要行人或非機(jī)動(dòng)車監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)，提前提醒駕駛員人員位置，從而避免人車事故的發(fā)生[10]。車速一般低于50km/h時(shí)行人碰撞預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)識(shí)別監(jiān)測(cè)行人或非機(jī)動(dòng)車的行進(jìn)速度、軌跡等，當(dāng)檢測(cè)到前方主車道內(nèi)有行人時(shí)觸發(fā)報(bào)警，終端喇叭會(huì)提醒駕駛員，同時(shí)會(huì)把告警上報(bào)到主動(dòng)安全后臺(tái)。

3.2 司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)DMS

3.2.1 疲勞駕駛預(yù)警

疲勞駕駛主要是指駕駛員因長(zhǎng)時(shí)間駕駛而產(chǎn)生生理性質(zhì)的疲勞，主要是根據(jù)攝像頭記錄并通過(guò)算法分析駕駛員閉眼時(shí)長(zhǎng)、打哈欠等行為做出判斷。再車輛行駛中，檢測(cè)到駕駛員閉眼或打哈欠時(shí)，終端喇叭會(huì)進(jìn)行提醒，同時(shí)會(huì)把告警上報(bào)到后臺(tái)，并拍照和視頻作為證據(jù)。

3.2.2 危險(xiǎn)駕駛行為預(yù)警

危險(xiǎn)駕駛行為主要包括發(fā)現(xiàn)在車輛行駛過(guò)程中，駕駛員存在抽煙、接打電話、注意力不集中、左顧右盼等行為，通過(guò)DMS攝像頭檢測(cè)到駕駛員出現(xiàn)以上行為時(shí)，終端喇叭會(huì)進(jìn)行提醒，同時(shí)會(huì)把告警上報(bào)到后臺(tái)，并拍照和視頻作為證據(jù)

3.3 主動(dòng)安全預(yù)警管理系統(tǒng)

3.3.1 車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控軌跡回放

主動(dòng)安全預(yù)警管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)跟蹤定位車輛位置，精確地展示車輛當(dāng)前經(jīng)緯度、車速、顯示設(shè)備在離線狀態(tài)，并支持對(duì)車輛的歷史行駛軌跡進(jìn)行查詢。能夠幫助管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控每輛車的實(shí)時(shí)軌跡狀態(tài)和歷史軌跡回放查詢。

3.3.2 車輛風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警主動(dòng)干預(yù)

車輛風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警主動(dòng)干預(yù)功能的整體設(shè)計(jì)如圖所示，當(dāng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、坐標(biāo)參數(shù)或司機(jī)的面部參數(shù)、動(dòng)作識(shí)別、區(qū)域識(shí)別等觸發(fā)了主動(dòng)安全報(bào)警事件時(shí)，觸發(fā)的主動(dòng)安全事件會(huì)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別大腦提前設(shè)置好的算法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判定，對(duì)于中低級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)下發(fā)語(yǔ)音，完成風(fēng)險(xiǎn)提示。對(duì)于高級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)事件，會(huì)有專門的運(yùn)營(yíng)人員進(jìn)行7*24小時(shí)的人工干預(yù)，與駕駛員取得聯(lián)系，糾正危險(xiǎn)駕駛行為。進(jìn)行自動(dòng)+人工語(yǔ)音提醒的主動(dòng)干預(yù)，從而解除風(fēng)險(xiǎn)事件，保證行車道路安全，見圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

車輛主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感器等來(lái)提前預(yù)警車輛行駛過(guò)程中危險(xiǎn)的發(fā)生，通過(guò)感知技術(shù)獲取的外界信息傳遞給駕駛員，結(jié)合外界情況和駕駛員行為等多維度信息綜合判斷是否構(gòu)成行車安全隱患。在事故發(fā)生前及時(shí)預(yù)測(cè)潛在危險(xiǎn)因素，并對(duì)駕駛員的不安全駕駛行為進(jìn)行預(yù)警。車輛主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)整合了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS和司機(jī)駕駛行為預(yù)警系統(tǒng)DMS的功能，并結(jié)合ADAS和DMS獲取的告警數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、處理，通過(guò)主動(dòng)安全的手段有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，為提升安全駕駛水平提供了可行路徑和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相信主動(dòng)安全預(yù)警技術(shù)未來(lái)也將被大力發(fā)展應(yīng)用于無(wú)人駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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