浅析驾驶员疲劳驾驶监测技术

2009-10-29应建明

人民交通 2009年9期

关键词：脑电波脑电图驾驶员

应建明

疲劳驾驶给交通安全带来重大隐患，研究表明司机连续驾驶超过3个小时就被认为已经进入疲劳驾驶状态，在这种状态下司机的反应速度、心脏活动能力和保持身体平衡等机能都会相应下降，稍有不慎就会发生交通事故。

一、疲劳驾驶的表征和原因

1疲劳驾驶的表征。当疲劳产生后，驾驶员身体很多生理现象和生理数据会随之发生改变，具体分为可见特征和不可见特征，其中可见特征，如驾驶姿势眼部运动，头部动作以及脸部表情等；不可见特征，如心电波、脑电波、心率变化和驾驶员在方向盘上的握力等。

同时，驾驶员进入疲劳驾驶后，车辆的行驶状态也会发生变化，如：方向盘在较长时间(一般大于4s)内保持不动，车身突然地摆动，车速与方向对前方路况变化反应不大或行驶速率不定以及方向随意变换等。

以上特征有的需要仪器方能测得，有的依靠仔细观察就可得知。

2影响驾驶疲劳的因素。影响驾驶疲劳的因素很多，主要有4种：一是驾驶员本身的因素，如家庭原因、工作强度，生活状态，身体状态，睡眠质量、药物反应等。研究表明驾驶员全天的驾驶时间一般不得超过12个小时，一天驾驶超过10小时，睡眠不足四五个小时，交通事故发生率最高；二是交通状况，如路况，车流量，交通堵塞和交通事故等。在冰雪天气或路面凹凸不平的道路上行驶，驾驶员要频繁使用离合器和加减挡位，容易造成疲劳。在山区行车时，要求司机注意力高度集中，动作敏捷，不能有任何疏忽大意，在这种情况下极易造成疲劳；三是车辆的技术状况，良好的车况和设备有利于驾驶员保持好的驾驶状态，反之，则容易导致驾驶员疲劳；四是自然环境，如天气、温度、空气质量以及噪音等，闷热潮湿、空气污浊，声音嘈杂的道路环境，更容易让人昏昏欲睡，进入疲劳状态。

二，疲劳驾驶的检测方法

疲劳驾驶的检测方法众多，按测量参数的不同可分为基于驾驶员本身的检测方法，汽车行驶状态检测法以及综合法三类。一是监测驾驶员生理信号(脑电波，心电波，眼电波，心率等)和个体的特征(眼睑的活动、点头的动作、闭眼，握力等)；二是监测车辆的运动参数(速度，加速度等)；三是前两类的综合。同时，按设备与驾驶员身体是否有接触可以分为接触式和非接触式两种。目前国内外研究较多的方法有下面几种：

1基于脑电图(EEG)的测试法从医学角度出发，借助医用脑电图仪、心电图仪和眼电图仪测试驾驶员的脑电波形，心电波形和眼电波形，从而确定其疲劳程度。其中以脑电图EEG的研究最为广泛。根据脑电波形测试疲劳的依据就是：大脑皮层处于不同状态时，其脑电图上的表现是不相同的。脑电波表现为以下4种：6波，频率为1-3.5Hz；α波，频率为7.5-12.5Hz；D波，频率在12.5-30Hz：e波，频率为3.5-7.5Hz。研究人员发现：人感觉疲劳渴望入睡时，α波频带相对比有明显增大，β波频带相对比有明显减小，这些变化灵敏的参数均可用于驾驶员疲劳的检测。另外，心电图ECG和眼电图EOG在人疲劳时也有明显变化。

脑电图，包括心电图和眼电图属于接触式测量，它们的测试条件苛刻，过程复杂，价格过高，而且还要在被测试者的相应部位安装传感器，对驾驶员的操纵带来负面作用，因此，难以投入实际运用，但该类方法作为对比方法，它们的准确度高，可以为我们提供测量的标准，并能作为实验室基础研究的手段。

2基于PERCLOS的检测法

PERCLOS检测法是通过摄像技术对眼睛进行实时检测和跟踪，分析眼睛的状态和提取眼睛的特征参数，通过计算PERCLOS值来判断驾驶员的疲劳程度。

PERCLOS值是“在一定时间内眼睛闭合程度为80％-100％的时间占总时间的百分比”。

例如，一驾驶员在一分钟内有15次闭眼，每次闭0.4秒，共计6秒，那么该驾驶员的PERCLOS值P=(6／60)×100％=10％。

目前PERCLOS研究者，对定义中的80％-100％的眼睛闭合程度的有效性和可靠性实验进行了验证。它属于非接触式测量系统。眼睛闭合时间的长短与疲劳程度有密切关系，驾驶员眼睛闭合时间越长，疲劳程度越严重，因此通过测量眼睛闭合时间的长短就能确定驾驶疲劳的程度。该方法是目前公认最有效最可靠的疲劳检测方法。

3基于心率变化的疲劳判断

驾驶员的心率变化与其驾驶状态有很大关系。强行超车、突然加减速和无视交通信号以及慢行等的莽撞驾驶，都会增加心脏和血管等循环器官的负担。人们受到强烈的刺激后心跳加快，精神紧张时心跳也加快，一般来说要加快20％，车辆运行速度增加时心跳也加快。据国外资料显示，在高速道路上，汽车行驶速度为100km／h时，驾驶人员的心跳次数比80km／h时增加20％。反之，由于驾驶疲劳，心跳要减慢。如果心跳次数低于标准值的20％以下驾驶车辆，就属于疲劳驾驶。

由于心率与驾驶状态存在一定关系。因此可以先利用脉搏计进行测试实验，总结出疲劳与心率的关系，然后根据此关系设计防疲劳驾驶系统，此方法属于接触式测量系统。该系统由可进行信号发射的脉搏计和数据处理单元两部分组成。脉搏计先采集驾驶员在稳定状态下的脉搏信号，并传输给数据处理单元，作为用于对比的心率初始值，处理单元则根据疲劳与心率的关系，结合初始值和当前脉搏数，进行疲劳程度的判断，当疲劳程度到达某一临界值时，则以声音或者振动的方式提醒驾驶员。

基于心率变化的疲劳判断系统结构简单、易于实现，成本也较低，但是由于个体心率变化规律的差异较大，误判率稍高，一般作为疲劳判断的辅助手段。

4道路追踪器

利用驾驶员在疲劳状态条件下，操纵汽车的迟滞特性，通过在车上安装一个与驾驶员同视野的摄像头，参照公路上的各种分道线来辨别车辆的行驶状态，以及车辆离开黄线、白线的时间和偏离程度，它在一定程度上反映驾驶员的疲劳程度，属于非接触式测量系统。

道路追踪器也存在一定不足，一旦路面状况不好，比如下雪、雨天、大雾等天气，还有路面凹凸不平等情况，仪器就有可能产生误判，因此，该方法应用有一定的局限性。

5其他方式

除此之外，驾驶员头部姿势，嘴巴状态，方向盘转角以及方向盘的握紧力等等也被纳入到了此类研究中。由于大部分单一的方法均难免存在可靠性较低的问题，所以很多研究也开始把其重心转移到综合方法上。

三、驾驶疲劳监测技术存在的不足

尽管国内外关于驾驶疲劳监测技术的研究已经取得了一定进展，但依然存在以下几方面的问题：

1实时性不够

车祸往往发生在一瞬间，要避免交通事故，需要迅速、准确、及时地对处于疲劳状态的司机发出警告，因此，疲劳驾驶报警装置应具有很好的实时性。但目前开发的疲劳报警装置受到硬件，算法各方面的限制往往不能快速对疲劳状态做出判断与动作。

2接触性影响

由于大部分监测用传感器为接触性的，在行车过程中会造成驾驶员不适或影响驾驶员操作，如：脑电、心电、肌电的测量一般需要在人体上粘贴电极，监测驾驶员头部运动装置也需要在驾驶员脸上或头部做标记，这会对驾驶员的操作造成影响。