驾驶疲劳预警系统

1）简介

疲劳驾驶是造成交通事故的重要原因之一。驾驶人疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力均会有不同程度的下降，很容易引发交通事故。美国国家公路交通安全管理局从2002年以来的数据表明每100 000起车祸中有1 500起是与驾驶人疲劳有关的。据澳大利亚联邦议会统计：在2000年，驾驶人疲劳驾驶造成的交通事故占所有交通事故的20%～30%。法国国家警察总署的事故报告表明，因疲劳瞌睡而发生车祸的，占人身伤害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。据德国保险公司协会估计，在德国境内的高速公路上，大约有25%的导致人员伤亡的交通事故都是由疲劳驾驶引发的。2008年我国因疲劳驾驶共导致2 568起道路交通事故，共造成1 353人死亡，3 129人受伤，直接财产损失为5 738万元。为了遏制驾驶疲劳引发的交通事故，国内外诸多学者和研究机构都纷纷开展驾驶疲劳的检测技术研究，驾驶疲劳预警技术也被列为世界各国先进的汽车安全技术研究的重点。经过多年研究，驾驶疲劳检测技术的研究日趋成熟，部分成果已实现商业化，驾驶疲劳预警系统已开始在高级车辆上配置。

2）驾驶疲劳检测方法

驾驶疲劳是指由于驾驶环境的单调性或长时间、超强度行车，驾驶人因体力或脑力过多消耗而产生生理、心理机能衰退，造成反应水平、操控效率下降的现象。驾驶人处于疲劳状态时，其生理参数、眼部状态、操纵行为表现等都会发生变化，进而影响车辆的行驶状态，这些表现特征是研究驾驶疲劳检测方法的基础。根据检测方法所选用的表现特征，驾驶疲劳检测方法主要分为基于生理指标的检测方法、基于驾驶人的行为特性分析的检测方法和基于面部表情识别的检测方法。

基于生理指标的检测方法根据驾驶人的脑电波、心电图、皮阻皮温、呼吸频率、血压、脉搏等生理指标的变化对疲劳状态进行识别。脑电波是目前应用最多、性能最优的生理指标，被誉为疲劳检测的黄金标准，脑电波由不同频率的δ、θ、α、β等节律性的波组成，人们清醒或处于疲劳状态时，各种波在脑电波中所占的比重会发生变化，δ、θ波属于脑电波中的慢波，在人们处于疲劳状态下它们的成分会提高，α、β波则是人们清醒状态下的脑电波的主要成分。因此，通过分析脑电波频谱中各节律成分的绝对或相对变化可以检测驾驶人的疲劳状态。在长时间夜间驾驶或疲劳驾驶的情况下，心率会严重下降，心电图（ECG）也可作为判别参数来对驾驶人的疲劳状态进行推断。基于生理指标的检测方法客观性强，能比较准确地反映人体的疲劳状态，但通常需要被测者佩戴相应的装置（如电极贴片等），这会给驾驶行为造成极大干扰，不适合在实际行车环境下应用。因此，目前该类方法主要用于实验室或模拟驾驶环境，作为其他疲劳检测方法的对照组。

基于驾驶人的行为特性的疲劳检测方法，是通过分析驾驶人的转向盘、踏板操作特性或车辆行驶轨迹特征来推测驾驶人的疲劳状态，其中驾驶人对转向盘的修正操作特性被认为与疲劳状态存在较强的相关性。驾驶人处于疲劳状态时，其操纵转向盘的频率会降低，甚至会长时间保持不动，之后转向盘又可能出现幅度较大的修正。由于车辆在道路上的行驶轨迹与转向盘的操纵密切相关，车辆可能会出现偏离车道或轨迹呈“S形”的情况。因此，根据转向盘的变化规律、车辆行驶轨迹的变化可以对驾驶疲劳进行检测。虽然基于驾驶人的行为特性的疲劳检测方法能够达到一定的识别精度，且测量过程不会给驾驶人带来干扰，但驾驶人的操作除了与疲劳状态有关外，还受道路环境、行驶速度、个人习惯、操作技能等的影响，故该方法的准确性与鲁棒性仍有待提高。

基于面部表情的疲劳检测方法是以机器视觉为手段，利用图像传感器采集驾驶人面部的图像，通过对驾驶人面部表情特征的分析来对疲劳状态进行判定。驾驶人的眼睛特征（如眨眼幅度、眨眼频率、平均闭合时间等）、嘴部运动特征（如打哈欠）都可直接用于检测疲劳，其中与眼睛状态相关的信息——眼睛闭合时间占特定时间的百分率（Percentage of Eyelid Closure Over the Pupil overtime，PERCLOS）是目前应用最为广泛的检测指标。1998年美国联邦公路管理局通过在实验室中进行模拟驾驶实验，对多种疲劳检测方法进行比较，认为PERCLOS方法的准确率最高。基于面部表情的疲劳检测方法具有直观性、非侵犯性，检测装置简单小巧且易于安装，检测成本较低，故其很容易得到驾驶人的接受和认可。目前，基于PERCLOS的疲劳检测方法是应用最广泛的检测方法。

3）疲劳预警系统的产品介绍

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产品如下：

（1）美国Attention Technologies公司推出的Driver Fatigue Monitor（DD850）是一款基于驾驶人生理反应特征的驾驶人疲劳监测预警产品，产品外形如图9-13所示。该产品通过摄像头采集驾驶人的眼部信息，采用PERCLOS作为疲劳报警指标，可直接安装在仪表盘上，报警的敏感度和报警音量均可调节。

（2）美国的Electronic Safety Products公司在1999年开发的转向盘监视装置（Steering Attention Monitor，SAM）是一种检测转向盘非正常转动的仪器，适用于各种车辆，其结构组成如图9-14所示。SAM被固定在车内录音机旁，转向盘下面的杆上装有一条磁性带，用以监测转向盘的运动。转向盘正常转动时传感器装置不报警，若驾驶人在4s内没有对转向盘进行任何修正操作，SAM就会发出警报提醒驾驶人，直到转向盘继续正常转动为止。另外，SAM与录像机配合使用可以为保险公司提供证据。

图9-13　Driver Fatigue Monitor（DD850）

图9-14　转向盘监视装置（SAM）的结构组成

（3）美国AssistWareTechnology公司推出的驾驶人疲劳检测产品SafeTRAC，利用摄像头识别车辆行驶前方的车道线位置，从而判断车辆在车道内的横向位置和行驶方向，并结合转向盘运动信号推测驾驶人的疲劳状态。

（4）梅赛德斯-奔驰公司在2009年推出的新E级车上首次装配了驾驶人注意力支持系统——“ATTENTION ASSIST”系统，其通过汇集70多组操控动作参数（如转向盘转角和转速的变化），来监测驾驶人的注意力状态。