基于ETC 門(mén)架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)

湯海天

（廣州快速交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510470）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展和交通流量的日益增長(zhǎng)，高速公路已成為人們出行和物流運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ馈Ｈ欢?，隨著高速公路車(chē)輛的激增[1]，駕駛員疲勞駕駛問(wèn)題對(duì)于交通安全是一項(xiàng)極大隱患，不可忽視。因此，研究高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值[2]。疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)可以針對(duì)駕駛員在長(zhǎng)時(shí)間駕駛過(guò)程中出現(xiàn)的疲勞狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警，一旦駕駛員出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，預(yù)警系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警告，提醒駕駛員采取適當(dāng)措施[3]，避免因疲勞駕駛引發(fā)的交通事故。受視覺(jué)、車(chē)速等多種因素影響，目前的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)存在嚴(yán)重的預(yù)警錯(cuò)漏，因此，需要結(jié)合駕駛影響因素，設(shè)計(jì)一種有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。

事實(shí)上，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)駕駛員的生理、行為和車(chē)輛狀態(tài)等參數(shù)來(lái)識(shí)別駕駛員的疲勞狀態(tài)。其預(yù)警系統(tǒng)主要包括以下幾部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、疲勞狀態(tài)識(shí)別預(yù)警[4]。數(shù)據(jù)采集是疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的第一步，主要用于獲取駕駛員的相關(guān)信息，包括面部表情、眼部狀態(tài)、頭部運(yùn)動(dòng)、聲音等。此外，還可以通過(guò)車(chē)輛狀態(tài)信息[5]，如行駛時(shí)間、速度、加速度等來(lái)間接判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集方法主要包括圖像采集、聲音采集和車(chē)輛狀態(tài)信息獲取等。數(shù)據(jù)處理主要包括增強(qiáng)和特征提取等，提取出與駕駛員疲勞狀態(tài)相關(guān)的特征[6]。疲勞狀態(tài)識(shí)別預(yù)警主要結(jié)合車(chē)輛狀態(tài)信息，構(gòu)建出反映駕駛員疲勞狀態(tài)的模型，再根據(jù)疲勞狀態(tài)識(shí)別結(jié)果來(lái)發(fā)出相應(yīng)的警告。結(jié)合上述部分，本文基于ETC 門(mén)架智慧感知設(shè)計(jì)了一種有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 TGAM 腦電信號(hào)處理芯片

為提升高速公路疲勞駕駛預(yù)警效果，需要不斷采集駕駛員的腦電信號(hào)。因此，本文設(shè)計(jì)的方法高速公路疲勞預(yù)警系統(tǒng)選取TGAM 芯片作為腦電信號(hào)處理芯片，該芯片屬于可編程芯片，采樣頻率較高，且能對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換輸出腦電信號(hào)采集結(jié)果。除此之外，TGAM 腦電信號(hào)處理芯片還可對(duì)采集的腦電信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，整體運(yùn)行功耗較低，該腦電信號(hào)處理芯片的正反面示意圖如下圖1 所示。

圖1 TGAM 腦電信號(hào)處理芯片示意圖

由圖1 可知，在預(yù)警過(guò)程中，TGAM 腦電信號(hào)處理芯片可以進(jìn)行濾波與去噪處理，全面提高預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行流暢性。

1.2 BlueCore4-Ext 藍(lán)牙通信芯片

BlueCore4-Ext 藍(lán)牙芯片屬于高性能預(yù)警芯片，靈敏度較高，滿足疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警要求，因此，本文選取該藍(lán)牙芯片作為系統(tǒng)核心通信芯片，該芯片配置的指令如下表1 所示。

表1 BlueCore4-Ext 藍(lán)牙芯片指令

由表1 可知，利用上述藍(lán)牙指令可以自動(dòng)對(duì)通信指令進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)高速預(yù)警響應(yīng)，降低疲勞駕駛預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于ETC 門(mén)架智慧感知生成預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心

預(yù)警數(shù)據(jù)分析是預(yù)警的核心部分。目前大多數(shù)高速公路疲勞駕駛系統(tǒng)的預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心覆蓋率較低，難以實(shí)時(shí)獲取駕駛狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于ETC 門(mén)架智慧感知生成了預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心，主要采用“1+2+3”模式：“1”為一套算法[7]，算法計(jì)算車(chē)輛行駛時(shí)間，判斷有無(wú)疲勞駕駛行為；“2”為2 個(gè)節(jié)點(diǎn)，ETC 交易門(mén)架為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)分析），ETC 交易門(mén)架后方的情報(bào)板為第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（信息發(fā)布）；“3”為3 個(gè)區(qū)間，分別是探測(cè)感知區(qū)、警示誘導(dǎo)區(qū)和安全分流區(qū)，該預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心的分析模式如下圖2 所示。

圖2 預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心分析模式

由圖2 可知，在實(shí)際疲勞駕駛預(yù)警過(guò)程中，車(chē)輛首先會(huì)經(jīng)過(guò)探測(cè)感知區(qū)，利用ETC 門(mén)架進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，接下來(lái)駛?cè)刖菊T導(dǎo)區(qū)，發(fā)布相關(guān)的情報(bào)，最后再得出預(yù)警結(jié)果，判斷是否要發(fā)出預(yù)警[8]。

在高速公路疲勞駕駛預(yù)警過(guò)程中，若獲取的駕駛數(shù)據(jù)源相互矛盾時(shí)，會(huì)大大降低預(yù)警的可信度，造成預(yù)警異常，為確保系統(tǒng)可靠度，該預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心引入了智慧預(yù)警模板，自動(dòng)更新預(yù)警下位機(jī)，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)送至情報(bào)板中，生成的預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心發(fā)布邏輯如下圖3 所示。

圖3 預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心發(fā)布邏輯

由圖3 可知，根據(jù)上述的發(fā)布邏輯可以將各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，生成OD 矩陣，實(shí)現(xiàn)預(yù)警數(shù)據(jù)定量分析，保證了系統(tǒng)的綜合運(yùn)行性能。

2.2 設(shè)計(jì)高速公路疲勞駕駛預(yù)警判斷算法

高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)在預(yù)警的過(guò)程中需要不斷地進(jìn)行疲勞駕駛判斷，該過(guò)程中需要高性能預(yù)警判斷算法作支持。本文根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感問(wèn)題[9]，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警判斷算法?？梢杂?jì)算各個(gè)隨機(jī)變量的聯(lián)合概率分布，對(duì)無(wú)關(guān)變量進(jìn)行獨(dú)立性假設(shè)，定義式P（X）如式（1）所示。

式（1）中：P（Xi︳π（Xi）)代表滿足獨(dú)立性假設(shè)的條件概率變量，根據(jù)疲勞駕駛判斷證據(jù)變量與查詢變量的聯(lián)系，可以進(jìn)行分類(lèi)推斷，對(duì)不同的疲勞特征層進(jìn)行融合分析，此時(shí)得到的駕駛疲勞判斷算法P（F︳E，Y，N，R）如式（2）所示。

式（2）中：P（F）代表疲勞/清醒駕駛狀態(tài)，P（E，Y，N,R︳F）代表多特征檢測(cè)概率，P（E，Y，N）代表駕駛狀態(tài)判斷概率分布集合。根據(jù)上述的疲勞駕駛預(yù)警算法可以有效判定駕駛員是否滿足疲勞駕駛條件，并根據(jù)概率分布生成預(yù)警指令，保證疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的綜合預(yù)警性能。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于ETC 門(mén)架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行性能和預(yù)警效果，本文配置了有效的測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，具體如下。

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

根據(jù)高速公路疲勞駕駛系統(tǒng)預(yù)警測(cè)試要求，本文選取Jetson TX2 作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要測(cè)試參數(shù)如下表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

由表2 可知，上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能良好，能有效處理預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的測(cè)試參數(shù)，保證測(cè)試結(jié)果的有效性，待實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置完畢后，即可進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，輸出后續(xù)的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

3.2 測(cè)試結(jié)果與討論

根據(jù)上述的測(cè)試準(zhǔn)備，本文選取廣州機(jī)場(chǎng)、花莞、廣佛肇廣州高速段作為研究區(qū)域進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。調(diào)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，以全域車(chē)輛動(dòng)態(tài)感知為最終系統(tǒng)測(cè)試目標(biāo)。在測(cè)試的過(guò)程中，本文設(shè)計(jì)的基于ETC 門(mén)架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)利用收費(fèi)門(mén)架數(shù)據(jù)分析、主線情報(bào)板警示，結(jié)合爆閃燈、高音喇叭，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)兩方面提醒司機(jī)，減少潛在交通安全事故的發(fā)生，測(cè)試前已完成防疲勞駕駛、車(chē)輛行人誘導(dǎo)播報(bào)兩大功能工作。

在測(cè)試前，選取機(jī)場(chǎng)高速花山-東湖K3412 處搭建防疲勞駕駛預(yù)警廊道。通過(guò)將門(mén)架數(shù)據(jù)分析與情報(bào)板信息發(fā)布結(jié)合，夜間22 時(shí)～6 時(shí)時(shí)段不間斷監(jiān)測(cè)車(chē)輛涉嫌疲勞駕駛現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)播報(bào)提醒。防疲勞駕駛功能以ETC 門(mén)架數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算車(chē)輛從收費(fèi)站入口到經(jīng)過(guò)門(mén)架花費(fèi)的時(shí)間，累計(jì)行駛超過(guò)6小時(shí)（這個(gè)時(shí)間可自定義），系統(tǒng)將判定為涉嫌疲勞駕駛，將車(chē)牌信息及警示標(biāo)語(yǔ)推送至情報(bào)板，爆閃燈和高音喇叭進(jìn)行聲光報(bào)警，提高駕駛?cè)藛T注意力，及時(shí)到下一個(gè)服務(wù)區(qū)或最近出口休息。同時(shí)在北部片區(qū)營(yíng)運(yùn)管理平臺(tái)彈窗提醒，方便值班人員掌握疲勞駕駛車(chē)輛信息，本文設(shè)計(jì)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)顯示的彈窗提醒系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 彈窗提醒測(cè)試結(jié)果

由圖4 可知，在正常的預(yù)警環(huán)境下，本文設(shè)計(jì)的基于ETC門(mén)架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的彈窗均能正常顯示，且自系統(tǒng)4 月上線以來(lái)，共識(shí)別疑似疲勞駕駛車(chē)輛4671 輛，日均29 車(chē)次，警示率達(dá)100%，運(yùn)行效果良好。上述測(cè)試結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的性能良好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著科技的發(fā)展和我國(guó)高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速公路通行已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾绞街弧Ｈ欢?，龐大的機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員人數(shù)使得疲勞駕駛問(wèn)題出現(xiàn)幾率增加，給交通安全帶來(lái)了極大的隱患。高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于提高道路交通安全具有重要意義。目前，該領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍然存在許多挑戰(zhàn)和問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。未來(lái)的預(yù)警系統(tǒng)將更加智能化、全方位和多層次發(fā)展，以滿足更高的實(shí)際應(yīng)用需求。針對(duì)目前存在的高速公路疲勞預(yù)警問(wèn)題，本文基于ETC 門(mén)架智慧感知設(shè)計(jì)了一種全新的高速公路疲勞駕駛預(yù)警方法。進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的彈窗提醒正常，警示率較高，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可為降低高速公路交通事故發(fā)生頻率做出一定貢獻(xiàn)。