疲劳驾驶预警系统
疲劳驾驶预警系统简介
发布时间：2007-11-16 点击次数：1977
  交通事故是当前世界各国所面临的严重社会问题之一,已被公认为当今世界危害人类生命安全的第一大公害,每年因交通事故的原因至少使50万人死亡. 欧美各国的交通事故统计分析表明,交通事故中80%～90%是人的因素造成的. 根据美国国家公路交通安全署的统计,在美国的公路上,每年由于司机在驾驶过程中跌入睡眠状态而导致大约10万起交通事故,约有1500起直接导致人员死亡,711万起导致人员伤害.在欧洲的情况也大致相同,如在德国境内的高速公路上25%导致人员伤亡的交通事故,都是由疲劳驾驶引起的. 根据2001年中国交通部的统计,我国48 %的车祸由驾驶员疲劳驾驶引起,直接经济损失达数十万美元. 有关汽车驾驶员的疲劳检测问题,随着高速公路的发展和车速的提高,目前已成为汽车安全研究的重要一环。
  疲劳驾驶是指驾驶员在一段时间的驾车之后所产生的反应水平下降,导致不能正常驾车行驶. 驾驶员产生疲劳后,其心理状态也会发生各种各样的变化. 如视力下降,致使注意力分散、视野逐渐变窄；思维能力下降,致使反应迟钝、判断迟缓、动作僵硬、节律失调;自我控制能力减退,致使易于激动、心情急躁或开快车等。疲劳驾驶预警系统就是指一旦驾驶者精神状态下滑或进入浅层睡眠,该系统会依据驾驶员精神状态指数分别给出:语音提示,振动提醒,电脉冲警示,警告驾驶员已经进入疲劳状态,需要休息,并同时自动记录相关数据,以便日后查阅,鉴定. 其作用就是监视并提醒司机自身的疲劳状态,减少司机疲劳驾驶潜在危害.
  许多国家都比较重视疲劳驾驶预警系统的研究工作,早期的疲劳驾驶测评主要是从医学角度出发,借助医疗器件进行的. 这些研究可以追溯到1935 年美国交通部管辖的洲际商业协会ICC(the Interstate　Commerce Commission)要求美国公共卫生服务署USPHS(the United States Public Health Service) 对城市商业机动车驾驶员服务时间(the hours of service) 管理条例的合理性所进行的调查. 但是对疲劳驾驶的实质性的研究工作,是从20 世纪80 年代由美国国会批准交通部实施驾驶服务时间(HOS)改革,研究商业机动车驾驶和交通安全的关系,并健全卡车和公共汽车安全管理条例开始的,由此把疲劳驾驶的研究提到立法高度,保证了开展疲劳驾驶研究的合法性、有效性和持续性。其研究工作大致可以分为两大类:一是研究疲劳瞌睡产生的机理和其他各种诱发因素,寻能够降低这种危险的方法；二是研制车辆智能报警系统,防止驾驶员瞌睡状态下驾驶。20世纪90年代,疲劳程度测量方法的研究有了很大的进展,许多国家已开始了疲劳驾驶车载电子测量装置的开发研究工作,尤以美国的研究发展较快。研究成果中具代表性的有:
(1) 美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS( The Drowsy Driver Detection System) . 采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法,可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳数据,用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着. 该系统可制成体积较小的仪器,安装在驾驶室内驾驶员头顶上方,完全不影响驾驶员正常的驾驶活动。
(2) 方向盘监视装置S.A.M.(steering at tention monitor) . 一种监测方向盘非正常运动的传感器装置,适用于各种车辆. 方向盘正常运动时传感器装置不报警,若方向盘4s不运动,S.A.M.就会发出报警声直到方向盘继续正常运动为止。S.A.M.被固定在车内录音机旁,方向盘下面的杆上装有一条磁性带,用以监测方向盘的运动。使用S.A.M.并不意味延长驾驶时间,而是要提醒驾驶员驾车时不要打瞌睡。另外,S.A.M.与录像机配合使用可以为保险公司提供证据。
(3) 日本研制的DAS2000 型路面警告系统( The DAS2000 Road Alert System) . 一种设置在高速公路上用计算机控制的红外线监测装置,当行驶车辆摆过道路中线或路肩时,向驾驶员发出警告.
(4) 反应时测试仪PVT( The psychomotor vigilance test) . 根据驾驶员对仪器屏幕上随机出现的光点的反映(光点出现时敲击键盘) 速度测试驾驶员的反应时,用以判断其疲劳程度.
(5) 日本研制的电子“清醒带”. 使用时固定在驾驶员头部,将“清醒带”一端的插头插入车内点烟器的插座,装在带子里的半导体温差电偶使平展在前额部位的铝片变凉,使驾驶员睡意消除,精神振作. 据说戴上这种“清醒带”,可以24 h 无睡意.“清醒带”使用电压12～14 V ,电流500 mA ,十分安全. 国内已开始生产和销售这种装置.自2000 年以来,随着计算机和集成电路制造技术的提高,机动车驾驶员疲劳驾驶的研究有了进一步的发展. 美国华盛顿大学的John Stern 博士是世界上研究眼部动态和疲劳驾驶的权威人士之一,他领导的由美国联邦公路管理局和汽车联合会资助的研究所,通过自行开发的专用照相机、脑电图仪和其他仪器来精确测量头部运动、瞳孔直径变化和眨眼频率,用以研究驾驶行为等问题。研究结果表明:一般情况下人们眼睛闭合的时间在0.12～0.13s之间,驾驶时若眼睛闭合时间达到0.15s就很容易发生交通事故。宾夕法尼亚大学智能交通实验室和NHTSA采用PERCLOS(眼睛闭合时间占特定时间的百分率) 作为精神生理疲劳程度的测量指标.2000年1月明尼苏达大学计算机科学与工程系的Nikolaos P. Papani kolopoulos教授成功开发了一套驾驶员眼睛的追踪和定位系统,通过安置在车内的一个CCD摄像头监视驾驶员的脸部,实现以下功能: ①用快速简单的算法确定驾驶员眼睛在脸部图像中的确切位置和其他脸部特征; ②通过追踪多幅正面脸部特征图像来监控驾驶员是否疲劳。
 
  我国的疲劳驾驶预警系统的研究起步较晚,目前比较成型的是通过传感器测量驾驶员驾驶时方向盘、踏板等的运动参数来判别驾驶员的安全因素,发现方向盘的操纵情况与驾驶员的疲劳程度有一定的联系,方向盘较长时间不动,说明驾驶员在打瞌睡。
疲劳驾驶预警系统简介(2)
发布时间：2007-11-19 点击次数：1535
        目前研究疲劳驾驶预警系统的成果较多,但是还未见到一种方法被大家所公认. 究其原因主要是,虽然每一种方法都在某一方面具有了一定的说服力和可操作性,但是距离车载、实时、客观的本质要求还有其不可克服的弊端.下面针对每一种不同的方法进行介绍:
(1) 头部位置和眼睛所盯位置测量方法由澳大利亚研制,传感器是Head Position Sensor ,优点是测量头部位置精确,能用来评价使用者是有兴趣、困惑还是瞌睡等不同的精神状态,可以用于研究人是否分神,注意力是否集中. 缺点是要求在驾驶员的脸上作一些标记,车辆内的光线变化明显时,测量容易失败,由于点头的动作和瞌睡的相关系数仍然没有到合适的关系,因此准确率不是很。
(2) Line Tracking System由美国研制,测量车辆离开白线的时间和程度,要求白线清晰,但晚上或者冰封的雪天测量容易失败,对环境要求高。
(3) 日本研制的电子“清醒带”,只能使驾驶员尽量保持清醒状态,只能“提神”,而不能真正实现“预警”。
(4) PERCLOS由美国研制,比较客观地反映在瞌睡时人的眼睑活动情况,因此人瞌睡的程度比较深时,都能测量到瞌睡。但眼电图(EOG) 难点主要在于脸部图像灰度阈值的选取,环境不同阈值也不一样,而且少数人瞌睡时眼睛睁开戴眼镜测量难度较大,误报警率很高.
(5) Mayo Pupillometry可测量瞳孔直径随时间的变化,因此,睁闭眼的参数也容易得到,但现在还没有解决测量方法,不能方便实时测量瞳孔直径.
(6) 主观方法:主观调查表、驾驶员自我记录表、睡眠时间调查表、斯坦福睡眠尺度表,一般在驾驶前后测量,结果是超前或滞后的;而在驾驶室内安装上述仪器也是不现实的.
        目前的疲劳驾驶预警系统发展遇到了难于逾越的瓶颈. 其一是难以实现车载实时的检测仪器,目前大部分的检测用传感器都是接触性的,在实际行车过程中往往造成驾驶员不适或影响驾驶员操作. 其二是疲劳指标不够客观,一种单一的监测指标往往不能够准确的衡量驾驶员是否疲劳. 因此寻一种适合车载、实时、客观的疲劳指标已经成为制约疲劳驾驶预警系统的瓶颈,致使该领域至今还没有出现被普遍推广的产品化和商品化的成果。
疲劳驾驶预警系统        从生理学角度来讲,疲劳是一种生理现象. 能够客观衡量人的清醒和疲劳状态的参数有心电图、肌电图和脑磁图等. 采用直接监测脑电图的方式,以神经电生理作为基础,综合数学、计算机学、电子学等专业技术手段对信号进行实时处理,实现大脑兴奋度(疲劳度) 水平的监测,一直以来被称为监测疲劳的“金标准”,有其他参数无法比拟的特点:
(1) 未来的疲劳驾驶预警系统必须是非接触式在线检测. 由于驾驶员处在工作状态下,所以设计的疲劳驾驶预警系统以不干扰其工作为前提. 结合无线网络协议的佩戴式电极帽可以实现非接触式测量,而且头戴传感器比心电和肌电传感器更方便驾驶员工作.
(2) 由于人脑磁场比较微弱,加上地球磁场及其它磁场的干扰,必须有良好的磁屏蔽室和高灵敏度的测定仪器才能测到. 在有限的驾驶室空间内,这为在线检测带来了无法克服的困难.
(3) 随着社会发展和生活水平的提高,汽车将会成为人们生活越来越普及的交通工具,车的价格将会越来越低,而疲劳驾驶预警系统的设计必须考虑其成本,采用脑电信号研究比其他参数具有更便宜的价格。
        基于脑电波的疲劳驾驶预警系统的难点,在于疲劳指标的确定和非接触式在线监测传感器的设计. 目前国际上先进的模拟驾驶仪和192导动态/视频脑电仪,可提取驾驶员清醒状态下静坐、启动、换挡、转弯、平稳驾驶、刹车动作下的脑电波和睁眼瞌睡状态下驾车过程的脑电波,经小波变换去噪声后,分别计算脑电波中几种典型频带(α波、β波、θ波、δ波以及40 Hz 脑电) 的功率谱密度,可得到大量样本的实验数据,然后利用各个频带之间的数学关系,结合数理统计的概念,探索疲劳指标. 另外,基于无线网络协议的佩戴式电极帽,省去了电极膏,干净、舒适、便捷,为车载提供了条件,由此可以预言脑电波的疲劳驾驶预警系统的研究将是未来该领域的发展方向。

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