基于多感官协同疲劳驾驶预警方案的研究

李荣敬　莫秋云　张科研

摘 要： 疲劳驾驶已成为社会的一个绝症“毒瘤”，严重威胁人们的生命和财产安全。以驾驶员为研究对象，结合交通心理学、车辆人机工程学相关理念，利用驾驶员听觉、触觉、嗅觉，设计一套三位一体多感官协同的预警方案。方案从微观出发，注重本体感受，结构简单、便捷，并充分利用车上的设备，经济性好，适合市场的推广。

关键词： 疲劳驾驶； 驾驶员； 人机工程； 多感官协同

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0117?04

0 引 言

随着社会的发展与进步，人民生活水平的不断提高，汽车进入千家万户，已然成为了人们出行的主要代步工具，但同时也伴随交通事故频发。仅就2011年的上半年，全国交通事故1 840 998起，比2010年同期增长1%，直接导致了经济损失4.4亿元[1]。根据表1近几年的交通事故数据统计情况[1]，可见道路交通事故在逐年的攀升，给我国国民经济和社会发展带来了巨大的影响。

1 国内外研究现状

疲劳驾驶报警系统的研究，这一方面在国外开展得比较早，而且有了很大的技术上突破，并在某一程度上技术的垄断；相比国外，国内这一方面由于起步较晚，且技术有限，虽在一些方面也有了一定的进步，但技术上还跟国外差距较远[7]。目前国内的疲劳报警系统可以分为以下几类：

（1） 眼镜式报警器，针对驾驶员行车时眨眼的频率变化进行判断。

（2） 车道偏移报警系统，针对所驾驶员行车偏离行驶路线进行判断。

（3） 挂在耳部，主要检测驾驶员行车打瞌睡时低头的频率进行判断。

（4） 方向盘触摸式，主要通过监测驾驶员握方向盘力的变化进行判断。

（5） 手表式报警器，主要是针对驾驶员出现疲劳时脉搏的速率变化来进行判断。

这些系统大多都是采用单一的语音、灯光或振动等预警手段来实现，对驾驶员的察觉性、理解性和接受性都具有一定的局限性，很难体现其适用的广泛性。如单一的灯光报警，在白天时效果就不是很明显，往往被驾驶员所忽略，有时灯光闪烁太刺眼，引起眩光反而对驾驶不利；单是语音报警，由于汽车本身驾驶时噪音就很大，容易被噪音掩蔽而达不到预期的效果。为此，针对这些预警手段的局限性，本文提出从微观出发，注重驾驶员感受，结合听觉、触觉、嗅觉建立一套三位一体的多感官协同复合式的预警方案。

2 预警效果的评价及方案的设计

2.1 预警效果的评价指标

从微观出发，本着以人为本的理念，注重驾驶员主体的感受，保证疲劳状态下的驾驶员能够快速地察觉和理解到报警信号。因此，本文将从驾驶员的察觉性 、理解性和接受性等三方面对各种预警方式的特性进行系统地评价。

（1） 察觉性。驾驶员察觉预警方式的快慢是对其实施有效预警的前提。本文选用驾驶员对预警刺激的反应时间作为评价预警的察觉性。

（2） 理解性。理解性主要评价指标有信号理解和知觉匹配[8]。信号理解，用来评价驾驶员能否正确的理解预警方式所传来的信号；知觉匹配，用来评价驾驶员自身状态是否和预警方式给予驾驶员的感觉相符合的判断。

（3） 接受性。Vander Laan设计驾驶员的接受性量表共包含有9项指标[9]。为了避免实验时过多的评价指标会对驾驶员的状态形成影响。为此，本文只选用两个较为常用的指标：烦扰度和可用度，作为评价预警方式的接受性，并采用5级量表的形式来评价上述两个指标，见表2。

2.2 预警方案的设计

本文选用的疲劳预警方式是由听觉、触觉和嗅觉组成的三位一体多感官协同的预警形式。

（1） 听觉预警。声音具有迫听性，容易收集人的注意力。言语对人的知觉具有指导作用。言语提示能在环境相当复杂、外部标志不很明显的情况下，唤起人的回忆，运用过去的经验来进行知觉。言语提示越准确、越具体，对知觉对象的理解也越深刻、越广泛。目前比较常用的听觉预警信号主要有抽象音、语音等，其参数主要包括振幅、频率和波形等。本文通过预备实验，选用了语音预警方案。实验中发现车内的噪音一般在50 dB（A）左右，考虑到听觉预警音必须要高出车内背景噪音[6]的（8[±]3） dB（A），驾驶员才能清晰的听见而又不被惊吓。因此，本设计预警音的声强为61 dB（A）。

（2） 触觉预警。皮肤感觉是仅次于听觉的一种感觉，皮肤受到很小的机械刺激就能产生触觉。目前较为常用的触觉预警信号主要有表面压力、振动和温度等三种类型。考虑到脚踏板的触觉预警则有可能造成驾驶员的错误制动，另外汽车在行驶过程中，特别是道路不平的时候车辆振动特别厉害，容易使路面上传的反力信号与转向盘振动的预警方式相混淆，为此，通过腿部和背部的振动为驾驶员提供预警就显得不明显。身体不同部位的触觉感受性也不同，腹部是相对比较敏感区，其刺激阈值[10]为26。于是文中选择了2种触觉预警方案：通过利用电机拉动安全带，给驾驶员的腹部施加向下的压力（见图1（a））；通过利用气泵向驾驶员头颈处吹风（见图1（b））。

（3） 嗅觉预警。嗅觉的感受器是鼻腔黏膜上的一些毛细胞，对外部气化的化学物质刺激是比较敏感的。其对外部的刺激气体反应时间为210～390 ms。因此，本文选择香气作为驾驶员疲劳时进行提神预警，使驾驶员能及时调整开车状态。

综上所述，可形成两套预警系统方案：

（1） 语音、安全带腹部施压、香气组成；

（2） 语音、颈部吹风和香气组成。

3 评价试验

为了试验数据的真实性和可靠性，本研究选用5名不同年龄不同驾龄的驾驶员，平均年龄为25岁，最小22岁，最大35岁。平均驾龄为 4年，最短2年，最长6年。每个驾驶员对两套方案都进行多次试验，通过他们的感受，从察觉性、理解性、接收性三项指标来分析这两个预警方案的实际效果。

图2为被试驾驶员在不同疲劳程度下对预警方案1和方案2的反应时间。由图2可看出，在疲劳或非常疲劳下被试驾驶员对方案1的反应时间都明显比方案2时间短。

图3为被试驾驶员对两种方案的理解性的评价情况。由图3可知，在信号理解和知觉匹配方面，方案2在疲劳下两种指标都比方案1好，而在非常疲劳状态下，方案1的两种指标中都比方案2好。总的来说，方案1在非常疲劳状态下比方案2有更好的理解性。

综合以上结果 ，在预警的两种方案中，各有优缺点，但在非常疲劳状态下方案1的理解性、接受性最好。为此，本研究选择了方案1的预警方案。

4 预警方案的硬件组成原理

如图5所示，多感官协同预警系统由三大模块组成，分别是：心电采集模块A、信号处理模块B、报警模块C。该系统结构简单，除了心电模块以外，其他子模块都可以就地取材，构架于车上原有的设备，如车载电脑、音响等，具有良好的经济性。其各模块的工作原理如下：

心电采集模块A，其主要作用是对采集到的心电进行信号调理（前置放大、高通滤波、低通滤波、陷波、主放大、电平抬升、模数转换），然后通过蓝牙适配器将信号传给模块B。

信号处理模块B，其主要作用是对从心电采集模块A传送过来的数据再进行处理（数字带通滤波、比较算法）、变异性分析等，然后判断是否到达报警的疲劳条件，如果达到则把得出来的疲劳指令发送到报警模块C。

报警模块C，包括报警及提神装置，主要是由功放电路，电机驱动电路，电磁阀驱动电路组成，功放电路放大电脑播放的报警音乐及声音，电机驱动电路用于拉紧安全带，电磁阀控制香水喷出口的开关。其主要作用是对驾驶员进行语音报警、安全带拉紧振动报警以及播放音乐和喷射气味提神，形成听觉、触觉、嗅觉三位一体多感官协同的报警功效，使驾驶员及时调整驾驶状态，减少交通事故的发生。

5 结 语

该方案除了心电模块外，其他模块都可以构架在原有的汽车上，结构简单、经济性好，有利于市场的推广和应用。针对听觉、触觉和嗅觉三位一体多感官协同预警方式，并建立包括察觉性、理解性和接受性等指标的评价体系，通过实车实验研究和分析了在不同疲劳程度下驾驶员的预警效果。结果表明，当非常疲劳时，多感官协同预警具有更好的理解性和接受性，多感官协同能弥补单一预警的不足。根据这些结果，设计了听觉、触觉和嗅觉三位一体的多感官协同预警。在后续研究中将对本文中所提出的预警方案进行多方系统验证。

参考文献

[1] 莫秋云，李荣敬.山区公路条件下驾驶员生理特性研究[J].电子科技，2013，26（3）：83?89.

[2] 毛喆.机动车疲劳驾驶行为识别方法的研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

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[4] 李香红，朱守林，戚春华.基于不同公路景观环境的驾驶员生理反应实验研究[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版，2010，31（4）：171?176.

[5] 李香红，朱守林，戚春华.草原道路环境对驾驶员心率影响实验研究[J].内蒙古农业大学学报：自然科学版，2009，30（4）：197?200.

[6] 朱祖祥，葛列众.工程心理学教程[M].北京：人民教育出版社，2002.

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[8] 李家文，成波.驾驶人状态适应式疲劳预警方法的研究[J].汽车工程，2011，33（8）：694?700.

[9] VAN DER LAAN J D， HEINO A， DE WAARD D. A simple procedure for the assessment of acceptance of advanced transport telematics [J]. Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 1997， 5（1）： 1?l0.

[10] 周一鸣，毛恩荣.车辆人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，1999.

图2为被试驾驶员在不同疲劳程度下对预警方案1和方案2的反应时间。由图2可看出，在疲劳或非常疲劳下被试驾驶员对方案1的反应时间都明显比方案2时间短。

图3为被试驾驶员对两种方案的理解性的评价情况。由图3可知，在信号理解和知觉匹配方面，方案2在疲劳下两种指标都比方案1好，而在非常疲劳状态下，方案1的两种指标中都比方案2好。总的来说，方案1在非常疲劳状态下比方案2有更好的理解性。

综合以上结果 ，在预警的两种方案中，各有优缺点，但在非常疲劳状态下方案1的理解性、接受性最好。为此，本研究选择了方案1的预警方案。

4 预警方案的硬件组成原理

如图5所示，多感官协同预警系统由三大模块组成，分别是：心电采集模块A、信号处理模块B、报警模块C。该系统结构简单，除了心电模块以外，其他子模块都可以就地取材，构架于车上原有的设备，如车载电脑、音响等，具有良好的经济性。其各模块的工作原理如下：

心电采集模块A，其主要作用是对采集到的心电进行信号调理（前置放大、高通滤波、低通滤波、陷波、主放大、电平抬升、模数转换），然后通过蓝牙适配器将信号传给模块B。

信号处理模块B，其主要作用是对从心电采集模块A传送过来的数据再进行处理（数字带通滤波、比较算法）、变异性分析等，然后判断是否到达报警的疲劳条件，如果达到则把得出来的疲劳指令发送到报警模块C。

报警模块C，包括报警及提神装置，主要是由功放电路，电机驱动电路，电磁阀驱动电路组成，功放电路放大电脑播放的报警音乐及声音，电机驱动电路用于拉紧安全带，电磁阀控制香水喷出口的开关。其主要作用是对驾驶员进行语音报警、安全带拉紧振动报警以及播放音乐和喷射气味提神，形成听觉、触觉、嗅觉三位一体多感官协同的报警功效，使驾驶员及时调整驾驶状态，减少交通事故的发生。

5 结 语

该方案除了心电模块外，其他模块都可以构架在原有的汽车上，结构简单、经济性好，有利于市场的推广和应用。针对听觉、触觉和嗅觉三位一体多感官协同预警方式，并建立包括察觉性、理解性和接受性等指标的评价体系，通过实车实验研究和分析了在不同疲劳程度下驾驶员的预警效果。结果表明，当非常疲劳时，多感官协同预警具有更好的理解性和接受性，多感官协同能弥补单一预警的不足。根据这些结果，设计了听觉、触觉和嗅觉三位一体的多感官协同预警。在后续研究中将对本文中所提出的预警方案进行多方系统验证。

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图2为被试驾驶员在不同疲劳程度下对预警方案1和方案2的反应时间。由图2可看出，在疲劳或非常疲劳下被试驾驶员对方案1的反应时间都明显比方案2时间短。

图3为被试驾驶员对两种方案的理解性的评价情况。由图3可知，在信号理解和知觉匹配方面，方案2在疲劳下两种指标都比方案1好，而在非常疲劳状态下，方案1的两种指标中都比方案2好。总的来说，方案1在非常疲劳状态下比方案2有更好的理解性。

综合以上结果 ，在预警的两种方案中，各有优缺点，但在非常疲劳状态下方案1的理解性、接受性最好。为此，本研究选择了方案1的预警方案。

4 预警方案的硬件组成原理

如图5所示，多感官协同预警系统由三大模块组成，分别是：心电采集模块A、信号处理模块B、报警模块C。该系统结构简单，除了心电模块以外，其他子模块都可以就地取材，构架于车上原有的设备，如车载电脑、音响等，具有良好的经济性。其各模块的工作原理如下：

心电采集模块A，其主要作用是对采集到的心电进行信号调理（前置放大、高通滤波、低通滤波、陷波、主放大、电平抬升、模数转换），然后通过蓝牙适配器将信号传给模块B。

信号处理模块B，其主要作用是对从心电采集模块A传送过来的数据再进行处理（数字带通滤波、比较算法）、变异性分析等，然后判断是否到达报警的疲劳条件，如果达到则把得出来的疲劳指令发送到报警模块C。

报警模块C，包括报警及提神装置，主要是由功放电路，电机驱动电路，电磁阀驱动电路组成，功放电路放大电脑播放的报警音乐及声音，电机驱动电路用于拉紧安全带，电磁阀控制香水喷出口的开关。其主要作用是对驾驶员进行语音报警、安全带拉紧振动报警以及播放音乐和喷射气味提神，形成听觉、触觉、嗅觉三位一体多感官协同的报警功效，使驾驶员及时调整驾驶状态，减少交通事故的发生。

5 结 语

该方案除了心电模块外，其他模块都可以构架在原有的汽车上，结构简单、经济性好，有利于市场的推广和应用。针对听觉、触觉和嗅觉三位一体多感官协同预警方式，并建立包括察觉性、理解性和接受性等指标的评价体系，通过实车实验研究和分析了在不同疲劳程度下驾驶员的预警效果。结果表明，当非常疲劳时，多感官协同预警具有更好的理解性和接受性，多感官协同能弥补单一预警的不足。根据这些结果，设计了听觉、触觉和嗅觉三位一体的多感官协同预警。在后续研究中将对本文中所提出的预警方案进行多方系统验证。

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