機車乘務員精神狀態預警提醒裝置研制及應用

潘東亮

摘 ? 要：針對機車乘務員精神狀態對安全行車的重要性及當前乘務員精神狀態監測技術存在的不足，立足科技創新，研發機車乘務員精神狀態預警提醒裝置。裝置由圖像采集系統、圖像預處理系統、識別系統和提示預警系統組成，實現了機車乘務員瞭望狀態實時識別、間斷瞭望分級報警、駕駛姿勢提醒報警、圖像采集器遮擋報警、機車0速度休眠、數據存儲分析功能。研發成功的機車乘務員精神狀態預警提醒裝置在包神鐵路機車上投入使用后，作用明顯，效果良好。

關鍵詞：乘務員 ?精神狀態 ?預警 ?裝置

中圖分類號：U298 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0107-03

在國家能源集團運輸板塊中，包神鐵路處于大型樞紐、編組站位置，是國家能源集團鐵路運輸的一個重要的貨物出入口。近幾年來，由于生產方式和技術條件發生明顯變化，包神鐵路運量逐年攀增，裝車站增多，機車乘務員勞動強度大，在操作過程中容易產生行車精神不振、瞭望精力不集中、甚至盹睡的行車精神狀態不佳問題。

機車乘務員行車精神狀態良好是列車運行安全的重要保障，一旦列車運行中機車乘務員行車精神狀態不佳，沒有及時發現異物人員侵限、設備異常等行車安全隱患并及時采取措施，輕則造成貨物、設備損失，貨運任務暫時中斷，重者造成車毀人亡的惡性行車事故，甚至威脅到機車乘務員自身的生命安全。

在具體日常管理中，如何使機車乘務員始終保持良好的行車精神狀態，防止出現視線偏離、精神不振甚至盹睡等間斷瞭望問題，傳統的做法主要依靠機車乘務員的自身素質及責任心和意志力，輔之以干部添乘檢查的手段進行抽樣監督檢查，但干部添乘檢查是一種抽樣式的監督，不能做到全覆蓋，實時監督檢查，且成本較高。

國內外很多單位和個人都在積極研發針對乘務員疲勞駕駛的實時監測技術，第一種是根據大部分人疲勞時頭部會經常向下傾斜的原理，申請了按照頭部狀態監測疲勞的《駕駛疲勞提醒裝置》的實用新型專利。該裝置安裝在乘務員座椅枕部，采用紅外線傳感器測量乘務員頭部位置的變化，如果發生離開或偏移的情況，則及時啟動報警。但由于乘務員個體差異很大，一部分人在疲勞、瞌睡時頭部狀態不會變化，另外，寬松的帽子、頭上飾物等都會影響監測結果，因此該技術具有很大的局限性。第二種是腕表型疲勞預警系統（TWS汽車駕駛），通過緊貼手腕的傳感器測量體溫，脈搏的變化，判斷人體的疲勞狀態，發出聲音、振動等刺激人體，達到提醒乘務員謹慎開車的目的。該技術存在很多人為因素，如：佩戴的松緊程度，人體胖瘦，出汗以及體表溫度等都會影響測量結果的準確性。第三種是眼鏡型疲勞監測裝置，這種報警裝置利用人困倦時眨眼一次的時間遠遠大于正常時的原理，通過眼鏡內側的紅外線裝置監測眨眼頻率觸發報警，提醒乘務員避免疲勞駕駛引發事故。但該技術對于佩戴近視眼鏡和習慣佩戴墨鏡的乘務員使用時很不方便。

因此，針對上述情況，立足科技創新，采用非介入方式、無需乘務員佩戴任何傳感器、不受乘務員個體差異和駕駛習慣的影響，可以實現乘務員在不同駕駛姿勢、不同照明狀況以及戴眼鏡、墨鏡等情況下的疲勞狀態實時監測，并根據乘務員的疲勞程度進行語音警報提示，同時將報警時的圖像進行存儲，有效確保列車運行安全，為乘務員規范作業提供先進、可靠的技術手段，提高行車安全系數，保障包神鐵路各車型機車行車的安全。

1 ?方案設計

包神鐵路機車乘務員精神狀態預警提醒裝置，旨在利用先進的視頻圖像處理技術，針對機車乘務員由于睡眠不足或長時間駕駛出現的疲勞狀態，導致乘務員注意力不集中、判斷能力下降、出現動作遲誤、操作停頓、修正時間不當等不安全因素，在列車運行過程中實時監測乘務員的精神狀態，且在乘務員精神狀態不佳時，在限定的時間內發出提示報警信號，提醒駕駛員保持良好的精神狀態，為行車安全提供新的科學技術手段。

1.1 原理

以目前世界先進的人臉生物特征識別技術為基礎，結合PERCLOS（眼睛閉合時間占某一特定時間的百分率）方法識別人眼狀態，并融合人體姿態、運動特征，實現機車乘務員瞭望狀態智能識別。

1.2 系統結構

包神鐵路機車乘務員精神狀態預警提醒裝置由圖像采集系統、圖像預處理系統、識別系統和提示預警系統組成，系統的基本結構如圖1所示。

（1）圖像采集系統。

圖像采集系統主要包括特制的攝像頭和圖像采集卡。攝像頭對駕駛員影像進行實時采集，并實現光電轉換，將模擬信號傳遞給圖像采集卡實現模數轉換。采集系統在復雜的照明環境下保證能夠盡可能地降低外界各種光照的干擾，提供清晰的高質量圖像。為了減小日光對系統的干擾，設計了主動紅外照明系統，有效地濾除其它頻帶光的干擾，而且攝像頭帶有自動增益控制電路，使得它可以提供亮度合適的視頻圖像流。同時對攝像頭的焦距進行了專門設計，使得攝像頭視場內圖像主要以司機的面部為主，同時又保證在司機正常動作時不至于偏離視場，這樣可以有效減弱背景物的干擾，使得圖像處理更加簡單穩定，提高視頻處理的速度。

（2）圖像預處理系統和識別系統。

由攝像頭采集的視頻流經過圖像卡轉換為數字信號后，經過DSP電路進行預處理，預處理的工作主要實現人面部和眼睛的圖像定位分割，分割后的圖像交給FPGA識別系統進行識別，如果識別為疲勞狀態（系統疲勞狀態判斷標準有兩個，一個是眼睛閉合或者明顯縮小的持續時間超過閾值時間，第二個是面部姿勢不正常時間超過閾值時間），則觸發報警系統報警，否則提供反饋信號給DSP圖像預處理系統，進行下一幀處理。

裝置中的攝像頭經過了專門設計，能有效濾除外界光的干擾和背景干擾，使圖像預處理工作更加簡單和穩定，識別更加可靠。由于使用了主動紅外照明系統，人眼虹膜反射特征非常明顯，使得系統對眼球的判斷非常準確，判斷通過三種方法協同進行：（1）對定位的眼睛進行輪廓提取，根據幾何特征判斷是否為眼睛;（2）將人眼圖像輸入已經訓練好的人工神經網絡判斷器進行判斷;（3）通過眼睛虹膜反射特征進行判斷。判斷完成后，設計了一個計數器對判斷為疲勞狀態的眼睛圖像幀進行計數，如果單位時間內這種幀數超過某一特定閾值，就要報警，否則進行下一幀處理。疲勞狀態表現在面部變化情況：當乘務員低頭、轉頭時，檢測到的人臉范圍會比正常情況下小，啟動臉部監測計時器，當單位時間內處理幀數超過設定的閾值時，進行報警，否則進行下一幀處理（見圖2）。

（3）提示預警系統。

乘務員狀態采用三級疲勞報警，報警信息傳送至中央處理平臺，由中央處理平臺根據報警級別發出不同的警示聲音。

2 ?功能實現

包神鐵路機車乘務員精神狀態預警提醒裝置實現了以下功能。

（1）瞭望狀態實時識別。

采用智能圖像處理方法，實現機車乘務員精神狀態智能識別。系統能夠全天候實時在線監測乘務員的瞭望狀態，當監測到乘務員有視野偏離、精神不振等間斷瞭望現象時，立即實時分級語音報警，在線提醒乘務員，使之保持專注瞭望，間斷瞭望現象消除后語音報警隨即結束。

（2）間斷瞭望分級報警。

采用三級報警提醒機制，按照被監測乘務員間斷瞭望，盹睡的持續時間分三級報警提醒機制，在線發出語音報警。

一級報警：間斷瞭望持續10s;

二級報警：間斷瞭望持續15s;

三級報警： 間斷瞭望持續20s;

各級報警時間，可根據實際需求通過軟件調整設置。

（3）駕駛姿勢提醒報警。

根據機車乘務員面部在圖像采集器中的位置，判斷機車乘務員駕駛過程中的值乘姿勢，當乘務員坐姿不正，面部持續60s不在正確位置時，在線發出提醒語音。

（4）圖像采集器遮擋報警。

根據圖像采集器采集到的視頻畫面，分析圖像采集器是否遮擋，當圖像采集器被惡意或意外遮擋持續600s時，在線發出語音報警。

（5）數據存儲分析功能。

全程監測乘務員瞭望狀態，當機車乘務員出現間斷瞭望現象觸發語音報警時，系統自動形成數據記錄存儲在內在存儲器中。通過系統的地面分析軟件，自動生成退勤憑證和統計報表，管理者可分權限對重點事件、重點區域、重點人員的瞭望狀態進行檢索和分析，針對問題采取管理措施，為安全風險管理提供重要的技術支撐。

（6）機車0速度休眠。

在機車運行速度等于0km/h時，裝置自動終止檢測，進入待機模式。當機車運行速度大于0km/h時，裝置自動啟動進入檢測模式。

3 ?研制創新

3.1 理論創新

（1）使用紅外窄帶非可見主動照明光源照明，減弱外界光的干擾，可以全天候獲得亮度穩定的視頻流圖像，同時可以獲得較強的眼睛虹膜反射特征，極大簡化了眼睛定位和識別過程，提高了識別的準確率，誤判率小于1%，;由于墨鏡主要阻斷可見光波段，使用主動紅外照明光源照明，對墨鏡的通透率大于80%，可以有效減弱墨鏡的干擾。

（2）特定的攝像焦距，可以獲得合適尺寸的視場，有效消除背景物干擾，提高后續圖像處理的速度和穩定性。

3.2 應用創新

本裝置很好地解決了制約人員疲勞狀態實時監測技術推廣應用的三個難題。

（1）車內環境照度變化大，如何實時獲得準確、清晰的臉部特征;

（2）無需事先進行圖像注冊，就可以準確定位面部和眼睛，實時地提取面部的各種動態參數并進行正確識別;

（3）識別率不夠精確。

找到了一種全新的解決機車乘務員行車精神和瞭望狀態的獨特的監測方法。采用非可見光源，不會對機車乘務員造成任何不舒適的感覺，可全天候采集機車乘務員面部狀態的視頻流圖像，應用非接觸式監測方式更加人性化。

3.3 技術創新

綜合利用面部特征和眼睛識別，提高系統的可靠性;對是否眼睛以及眼睛狀態的判斷使用了三種并行判斷方法（虹膜特征判斷、幾何特征判別、神經網絡判別），有效地減小了誤警率，預警率達到95%以上，對眼睛的定位率達到100%;使用幀間關聯對眼睛進行定位，極大減少了系統運行的時間，采集和處理視頻圖像的速度達到了每秒15幀。同時能夠存儲提醒時段的視頻數據，具有機車乘務員間斷瞭望圖像的追溯分析功能。

3.4 工藝創新

（1）圖像采集器。

采用整體屏蔽，很好地解決了抗干擾問題;鏡頭防護罩采用導電玻璃，解決了鏡頭端電磁屏蔽的難點;電纜屏蔽層與采集器外殼連接處采用雙層壓接，增加了連接的可靠性。

（2）主機。

高電磁兼容，不會與其它設備互相影響。防震設計，抗震功能較強。上下機箱連接處采用銅箔鑲嵌，解決了機箱接縫處電磁屏蔽問題。

所有信號引出線設置磁芯電感，電源設置了雙重濾波，提高了整機抗干擾能力。

3.5 結構創新

（1）采集器采用全屏蔽結構;

（2）采集器旋轉調節軸采用齒牙咬合結構;

（3）主機散熱采用機殼與發熱元件緊配合的結構，使整個機箱起到散熱效果。采用全金屬外殼，結構堅固簡單;體積小、重量輕，安裝和使用方便。

3.6 指標創新

（1）裝置自檢：裝置通電后即開始自檢，時間20～30s;

（2）瞭望監測：裝置自檢后自動進入監測、預警狀態;

（3）監測方式：15幀/S實時監測;

（4）預警提示：當機車乘務員出現間斷瞭望狀態時，發出提示語音，如果機車乘務員沒有恢復專注瞭望狀態，則預警聲就持續不停，預警聲音強度大于100db;

（5）預警取消：機車乘務員在得到提示，恢復正視運行方向，報警聲自動取消;

（6）識別率：>95%。

4 ?裝置應用

包神鐵路乘務員精神狀態預警提醒裝置研發成功后，為包神鐵路機務分公司DF4 型、DF12 型、GKD3型、SS4B 型、HXD1 型機車分別進行了裝車，并在運用分析室全部電腦上安裝了網絡版地面分析軟件，可對機車運行過程中乘務員精神狀態預警提醒裝置產生的數據進行分析，提高了分析效率。

自2018年2月8日—2018年5月8日運用期間，裝置累計報警提醒次數264次。其中一級提醒130次，二級提醒31次，三級提醒18次，駕駛姿勢提醒85次，遮擋報警提醒0次。

自2018年5月8日至2018年8月8日運用期間，裝置累計報警提醒次數178次。其中一級提醒87次，二級提醒23次，三級提醒11次，駕駛姿勢提醒57次，遮擋報警提醒0次（見表1）。

綜上所述，報警次數呈現階梯下降趨勢，說明裝置起到了很好的作用。裝置運行以來工作穩定，質量可靠，能夠實現在線實時監測機車乘務員工作狀態，并在其出現打盹、間斷瞭望時及時發出報警提示，使用效果良好。

5 ?結語

包神鐵路乘務員精神狀態預警提醒裝置采用多項高新技術，根據機車乘務員的臉部特別是眼部動態參數圖像視頻流，精確判斷機車乘務員的行車精神和瞭望狀態，事先預警，避免因機車乘務員行車精神不振、間斷瞭望造成重大安全事故發生，為鐵路行車安全提供有力的技術支持和可靠保障，顯著提升鐵路行車安全管理的信息化和自動化水平，具有很好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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