車輛疲勞駕駛研究方法綜述

牛 晶

（天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741001）

引言

隨著全球范圍內(nèi)車輛保有量的增加，交通事故數(shù)量的急速增長(zhǎng)已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)峻的社會(huì)問題。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年交通事故中有約三分之一的人員傷亡是由疲勞駕駛造成的[1]。疲勞駕駛一般是指駕駛?cè)嗽谝欢ㄩL(zhǎng)時(shí)間的行車后，產(chǎn)生疲倦，四肢僵硬、麻木、判斷力下降，出現(xiàn)動(dòng)作遲緩或過早轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的現(xiàn)象[2]。因此，尋找車輛疲勞駕駛的產(chǎn)生機(jī)理，研究并實(shí)施可行的疲勞駕駛檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備，能在第一時(shí)間為駕駛員發(fā)送疲勞駕駛預(yù)警信號(hào)，將會(huì)很大程度上減少交通事故的發(fā)生。

1 疲勞駕駛的表現(xiàn)特征及產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)大多數(shù)駕駛員而言，往往進(jìn)入疲勞駕駛狀態(tài)是不自覺的，如在開車過程中，駕駛員會(huì)經(jīng)常瞇眼睛，無故頻繁地變更車道，甚至走神，這些其實(shí)都是疲勞駕駛的征兆。

1.1 疲勞駕駛的表現(xiàn)特征

疲勞駕駛的表現(xiàn)特征從表現(xiàn)方式上可以分為生理特征和心理特征兩類。根據(jù)駕駛時(shí)間的長(zhǎng)短，長(zhǎng)時(shí)間疲勞駕駛和短時(shí)間疲勞駕駛所表現(xiàn)出的特征有一定區(qū)別。

短時(shí)間疲勞駕駛的生理特征：（1）頻繁眨眼；（2）換擋不及時(shí)，不準(zhǔn)確；（3）汽車不隨路況及時(shí)改變車速等。長(zhǎng)時(shí)間疲勞駕駛的生理特征：（1）哈欠連天，頻繁點(diǎn)頭；（2）眼睛發(fā)干，發(fā)痛，視線模糊；（3）精神不振，反應(yīng)遲鈍，判斷遲緩；（4）下意識(shí)操縱轉(zhuǎn)向盤，分不清方位等。

疲勞駕駛的心理特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）長(zhǎng)期受職業(yè)病困擾，對(duì)駕駛職業(yè)喪失信心；（2）對(duì)交通事故的耳濡目染，甚至親生經(jīng)歷導(dǎo)致的心有余悸；（3）從業(yè)壓力的增大。

1.2 疲勞駕駛的產(chǎn)生機(jī)理

國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為駕駛員行業(yè)是個(gè)高強(qiáng)度高危行業(yè)，主要是由于在行車過程中，駕駛員需要時(shí)刻接受來自路面，其他車輛，環(huán)境的各種信息，并`及時(shí)做出有效地判斷，決策和動(dòng)作。在此過程中駕駛員的中樞神經(jīng)系統(tǒng)始終處于高度緊張狀態(tài)，容易導(dǎo)致他們產(chǎn)生疲勞。同時(shí)，駕駛員的肢體因?yàn)椴粩嗟貏?dòng)作，也會(huì)引起肩，臂，腿，腰等部位的疲勞。總體來說，產(chǎn)生疲勞駕駛的因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）駕駛員睡眠不足。每個(gè)人都有著一定的生理周期，內(nèi)臟器官需要有序地平衡調(diào)節(jié)，人們的作息習(xí)慣也應(yīng)該順應(yīng)機(jī)體有序張馳，才能保證充沛的精力。

（2）駕駛員連續(xù)行車。交通安全法要求駕駛員一天累計(jì)工作時(shí)間不得超過8小時(shí)，沒有額外的加班時(shí)間，其中連續(xù)行車不得超過4小時(shí)，每2小時(shí)要休息至少20分鐘以上，，每4小時(shí)要休息1小時(shí)以上。連續(xù)行車，駕駛員視覺系統(tǒng)容易疲憊，特別是行車環(huán)境單一，駕駛員對(duì)速度和距離感知能力下降。

（3）夜間行車。夜間行車的事故率占所有事故的30%～50%，它的最大危險(xiǎn)源于視線不良，駕駛員的視野范圍變小變短，視距中心主要集中在車前方50米左右的范圍內(nèi)。夜間遠(yuǎn)、近光燈應(yīng)科學(xué)合理使用，使用不當(dāng)會(huì)給會(huì)車方向的駕駛員造成眩目。由于視線不良，內(nèi)外后視鏡基本不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。駕駛員必須保持高度的注意力、眨眼的頻率自然降低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)后會(huì)導(dǎo)致眼睛干澀疲勞，最終導(dǎo)致駕駛疲勞。

2 國(guó)內(nèi)外車輛疲勞駕駛檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀和類型

早期車輛疲勞駕駛的檢測(cè)方法主要是從醫(yī)學(xué)角度，借助醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的。具有代表性的方法檢測(cè)手段有腦電圖、心電圖、眼電圖、肌電圖、呼吸氣流、動(dòng)脈血氧飽和度等，這些檢測(cè)結(jié)果一般都能比較準(zhǔn)確表征駕駛員的疲勞狀態(tài)，但在駕駛室安裝這樣的儀器設(shè)備一般不現(xiàn)實(shí)[3]。

上世紀(jì) 90年代，車輛疲勞駕駛的檢測(cè)方法有了巨大突破，很多國(guó)家開始著手研究車載電子檢測(cè)裝置的應(yīng)用。具有代表性的是美國(guó)的打瞌睡駕駛員偵探系統(tǒng)（DDDS），采用多普勒雷達(dá)和復(fù)雜的信號(hào)處理方法，通過獲取駕駛員的情緒特征、眨眼頻率和持續(xù)時(shí)間，用以判斷駕駛員是否疲倦。

我國(guó)開展疲勞駕駛研究的時(shí)間較晚，始于上世紀(jì) 60年代，最初的研究對(duì)象是飛行員。1991年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭德文教授指出疲勞是一種自然保護(hù)反應(yīng)，它不但與勞動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，而且還與心情、健康程度、環(huán)境、興趣和工作績(jī)效有關(guān)。在肌肉表面固定好表面電極，肌電信號(hào)經(jīng)表面電極傳至肌電圖記錄儀，可以看出：肌電圖的頻率隨著疲勞的產(chǎn)生和疲勞程度的加深呈下降趨勢(shì)，而肌電圖的幅值增大則表明疲勞程度增大。2000年，石堅(jiān)等人（上海交通大學(xué)）通過傳感器測(cè)量駕駛員操縱方向盤、踏板等的運(yùn)動(dòng)參數(shù)來判別駕駛員的安全因素，發(fā)現(xiàn)方向盤的操縱情況與駕駛員的疲勞程度具有一定聯(lián)系，方向盤長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)說明駕駛員在打瞌睡。總體來看我國(guó)對(duì)車輛疲勞駕駛的研究檢測(cè)方法的研究相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。

總體來說，目前對(duì)車輛疲勞駕駛的檢測(cè)方法有很多，主要可以分為：（1）基于駕駛員本身生理特征的檢測(cè)方法；（2）基于駕駛員操作特征的檢測(cè)方法；（3）基于汽車行駛狀態(tài)的檢測(cè)方法；（4）多特征信息融合方法；（5）駕駛員日常駕駛習(xí)慣記錄法。

2.1 基于駕駛員生理特征的檢測(cè)方法

據(jù)相關(guān)研究表明，人體在疲勞狀態(tài)下，生理反應(yīng)會(huì)變得遲鈍，即人體生理信號(hào)的響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)延遲，指標(biāo)也會(huì)偏離正常的狀態(tài)。因此可以利用一些生理指標(biāo)傳感器來判斷駕駛員是否進(jìn)入疲勞狀態(tài)。目前常見的檢測(cè)方法有檢測(cè)駕駛員的腦電信號(hào)、心電信號(hào)、皮電信號(hào)、呼吸頻率、面部特征等。

一些研究者發(fā)現(xiàn)，腦電波（EFG）與疲勞之間有一定關(guān)系，疲勞狀態(tài)變化過程中，delta波和theta波增加，alpha波和beta波降低。基于腦電波與疲勞程度的這一關(guān)系，分別選取alpha波和theta波在某一頻帶的平均功率譜密度比值作為疲勞駕駛的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

浙江大學(xué)的董占勛等人通過心率變異性檢測(cè)（HRV）與眼動(dòng)跟蹤同步試驗(yàn)研究，在 HRV信號(hào)的線性指標(biāo)中，表征交感2副交感神經(jīng)張力平衡狀態(tài)的頻譜低頻與高頻部分比值與 PERCLOSp80值的相關(guān)程度最大，皮爾遜相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.728。所以研究心率（HR）指標(biāo)和HRV指標(biāo)對(duì)于描述駕駛疲勞具有潛在的意義[4]。

目前被認(rèn)為最有實(shí)際應(yīng)用前景的疲勞檢測(cè)方法是檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)眼睛閉合時(shí)所占的時(shí)間比例。可以綜合檢測(cè)平均睜眼程度、最長(zhǎng)眼睛閉合時(shí)間的特征作為疲勞指標(biāo)，通過眼睛特征檢測(cè)駕駛員的疲勞程度，不會(huì)對(duì)駕駛員行為帶來任何干擾，因此它成為這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

基于駕駛員生理信號(hào)的檢測(cè)方法一般準(zhǔn)確度都較高，但是檢測(cè)設(shè)備需要接觸駕駛員身體，會(huì)干擾駕駛員的正常操作，影響行車安全。所以，這些方法的實(shí)際應(yīng)用有一定局限性。

2.2 基于駕駛員操作特征的檢測(cè)方法

駕駛員在行車過程中，如果進(jìn)入疲勞狀態(tài)，對(duì)方向盤的操作會(huì)發(fā)生一些不由自主的變化。比如，對(duì)方向盤的握緊力會(huì)減小，方向盤轉(zhuǎn)角左右擺動(dòng)的幅度會(huì)比較大等。駕駛員對(duì)方向盤的操作特征能間接、實(shí)時(shí)地反應(yīng)駕駛員的疲勞程度，具有可靠性高、無接觸的有點(diǎn)，但由于傳感器技術(shù)的限制，其準(zhǔn)確度有待提高。

2.3 基于汽車行駛狀態(tài)的檢測(cè)方法

這種檢測(cè)方法主要利用 CCD攝像頭和車載傳感器檢測(cè)車輛本身的速度、側(cè)向加速度、橫向位移量、車道偏離和車輛行駛軌跡的變化等特征來推測(cè)駕駛?cè)说钠跔顟B(tài)。文獻(xiàn)[2,3]通過模擬駕駛獲得車輛行駛相關(guān)的參數(shù)如車速、方向盤角度、加速狀態(tài)等，去噪后用小波分析提出高頻信號(hào)特征，然后構(gòu)造正常情況以及非正常情況的分類器[5]。目前，準(zhǔn)確度較高的是以駕駛員面部表情和生理信號(hào)參數(shù)作為判斷駕駛員疲勞程度的基準(zhǔn)，然后建立疲勞與車輛行駛軌跡的關(guān)系模型。

這種檢測(cè)方法的檢測(cè)設(shè)備無需接觸駕駛員，只需增加少量的硬件設(shè)施，有很高的實(shí)用價(jià)值。缺點(diǎn)是受到車輛的具體型號(hào)、道路的具體狀況和駕駛員個(gè)人駕駛習(xí)慣、駕駛經(jīng)驗(yàn)和駕駛條件的限制，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

2.4 多特征融合法

從汽車主動(dòng)安全出發(fā)，利用數(shù)字圖像信號(hào)處理和傳感器技術(shù)，綜合駕駛員的各種疲勞特征信息對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行判別與預(yù)警，大大降低了采用單一特征造成的誤警或漏警現(xiàn)象。華南理工大學(xué)提出了一種基于多元信息融合技術(shù)的駕駛員疲勞檢測(cè)方法[6]，即利用攝像頭和傳感器等裝置檢測(cè)眼睛特征、視線方向和駕駛行為，結(jié)合信息融合理論建立疲勞特征的判決構(gòu)架，準(zhǔn)確判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。

3 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)駕駛員疲勞狀態(tài)的檢測(cè)手段和方法有很多，但大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，量產(chǎn)化的實(shí)際應(yīng)用受到一些瓶頸制約。對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足總結(jié)如下：

（1）現(xiàn)有的疲勞檢測(cè)設(shè)備有的檢測(cè)精度不高，有的成本太高。尋求高性價(jià)比的疲勞駕駛檢測(cè)設(shè)備是目前的研究熱點(diǎn)。

（2）現(xiàn)有的檢測(cè)手段正朝著非接觸式方向發(fā)展，但是這種方法受人體差異和環(huán)境因素多變，測(cè)量難度增加。

（3）疲勞檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該智能化，能夠自學(xué)習(xí)，能夠完成適應(yīng)于個(gè)體差異的疲勞特征提取。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛喆,初新民,嚴(yán)新平等.汽車駕駛員駕駛監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2005,15（3）:108-112.

[2] 鄭培,宋正河,周一鳴.機(jī)動(dòng)車駕駛員駕駛疲勞測(cè)評(píng)方法的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,6(6):101-105.

[3] 彭軍強(qiáng),吳平東,殷罡.疲勞駕駛的腦電特性探索[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(7):585-588.

[4] 董占勛,孫守遷,吳群等.心率變異性與駕駛疲勞相關(guān)性研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2010,44（1）:46-50.

[5] 高利.駕駛?cè)似谂c車輛行駛軌跡的關(guān)系模型,發(fā)明專利申請(qǐng)公布說明書[Z]20091007924.8.

[6] 湯一平,樓勇攀,周宗思.基于全方位視覺傳感器的駕駛疲勞視頻監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16（9）:1233-1236.