一种适用于疲劳驾驶员的行车防追尾 报警模型

张 路 王红蕾

（贵州大学电气工程学院 贵阳 550025）

随着我国经济发展与改革开放的力度日益增大，我国的交通运输业的规模也愈发庞大。但是随之而来的交通事故发生率也不断增长，给从事交通运输业司机的人身安全带来很大威胁。据相关部门统计资料显示，每年导致交通事故发生最重要的原因之一就是疲劳驾驶。尤其在高速路上，由于疲劳引起的交通事故占总事故的40%以上，其中追尾事故是最为常见的[1-2]。所以有必要针对从事长时间不间断驾驶的这一部分疲劳人群开发一种防撞报警系统，此系统会自行判断前方是否存在追尾的危险，如果存在危险此系统会发出声光报警，以及自动制动措施以保护驾驶员的安全。此系统的最关键之处在于防撞报警模型的设计，因为这是软件基础。本文在参考众多的国内外资料的基础上，尝试着建立一种适合疲劳驾驶员的防撞报警模型，此模型以汽车行驶过程中的制动过程为基础，并以速度及驾驶员的反应时间为主要参数。其中疲劳驾驶员的制动反应时间国内外还没有系统的进行研究与测试，所以本文更多的是提出一种测量方法来试着填补这项空白并且需要后期采样以进一步测试。

1 汽车的制动过程

建立防撞报警模型其目的就是计算出汽车在不同的行驶状态下的制动距离。了解汽车的制动过程对建立制动距离的公式是很有必要的。汽车的制动过程是建立防撞报警模型的理论依据，可分为以下四个阶段。

1）驾驶员反应阶段，此阶段包括驾驶员在感知前方危险并作出判断，然后采取相应的制动措施，并且把右脚从加速踏板移动到制动踏板上的反应时间，此时间记为t2。对于疲劳驾驶员来说，此反应时间的确定是非常复杂的，影响其反应时间的因素是疲劳程度，驾驶员的年龄等等。并且国内外针对其研究很少，所以本文只能提出一种测试方法且在后期选择被试者来进一步测试。

2）制动器协调阶段，此阶段是指驾驶员踩下制动踏板距离制动器起作用的时间。此时间记为t2。

3）汽车减速时的加速度增长阶段，此阶段是指汽车减速时其加速度从零持续增长到恒定值的时间。设此时间为t4。

4）持续减速阶段，此阶段是指汽车以恒定的加速度减速到车速为零的阶段。此阶段时间记为t4。汽车制动加速度与时间的关系如图1所示。

图1 汽车制动加速度与时间的关系

另设，本车初速度为v初，制动加速度最大恒定值为amax。并且在以上四个阶段，分别得出以下汽车制动距离。

（1）t2与t2阶段制动距离为s1

（2）t3阶段制动距离为s3：由上图可知，t3内的加速度为那么速度为

那么：

（3）t4阶段的制动距离s4：此阶段汽车的制动加速度恒为amax。且t4段的初速度为t3段的末速度，即

因为最终的车速要减为零，那么：

最终可得汽车从初速度v本减速到零时的制动距离：

由于式（6）最后一项数值很小，可以忽略，那么此公式可以简化为

此公式就是汽车制动距离公式，此公式表示的是汽车在以一定的初速度下减速到零时的距离。有了此基础，我们就可以建立报警模型。

2 模型的建立

两辆汽车在道路上行驶时，如果后车的速度大于前车的速度，那么两车会不断接近，如果驾驶员不及时采取措施就会发生追尾危险。所以有必要在危险潜伏期提醒驾驶员采取制动措施以避免危险发生。所谓报警模型就是通过公式计算出报警距离。此报警距离就是等于汽车的制动距离加上后车减速到零时与前车保持的安全距离。其中，最重要的是要确定驾驶员的制动反应时间，因为反应时间长短直接决定了制动距离的长短，尤其在高速路上车速较高时，此差距尤为明显。尤其是疲劳驾驶员，他的反应时间比正常驾驶员还要长，那么它所需要的报警距离肯定要比正常不疲劳的驾驶员要长，这样才安全。我们从两车的相对位置关系入手来制定报警模型，两车的相对位置关系如图2所示。

图2 后车与前车相对位置关系

图2表示后车在行驶中突然意识到与前车有碰尾的危险并马上采取制动措施，此时后车距前车距离为d实际。后车减速到零时所行使的距离为x1，此时前车行驶的距离为x2。后车停止时与前车保持安全距离为d安全。此图表示一种临界状态，即实际距离恰好等于报警距离。所以，报警距离为：x1-x2+d安全。

2.1 前车为静止时

此时x2为0。后车由初速度v初减速到零。此时报警距离为

2.2 前车减速到静止时

此种情况假设前车减速到静止，后车也相应的减速到静止。假设后车与前车恒定制动加速度相等，同为amax，且后车与前车制动器协调时间也相等，同为t2。并设前车初速度为v后，后车初速度为v后，且v后大于v后，且后车速度减去前车速度为后车与前车的相对速度，记为v相对。此时前车由v后加速到停止，则

后车由v后减速到停止，则

此时，报警距离应该为

2.3 各参数确定

对于式（8）与式（11）中的各种速度，可用测速传感器实现，对于实际距离d实际可用测距传感器实现。至于疲劳驾驶员反应时间t2在下文中详细讨论。根据相关研究制动器协调时间t2大致取0.2s，制动减速度增长时间t3也取0.2s。至于最大恒定制动加速度amax则根轮胎与路面的附着系数有关，即amax=p.g，其中p为附着系数，g为重力加速度。假设两车在干燥的沥青路面上行驶，p取0.6，则amax= 6m/ s2。

3 疲劳驾驶员反应时间讨论

众所周知，如果人在疲劳甚至极度疲劳的状态下，其反应能力与反应时间与正常人相比较慢，那么针对疲劳驾驶员的汽车防撞报警模型中驾驶员反应时间的参数不能与正常驾驶员通用（经研究正常驾驶员反应时间在0.6～1.5s 之间），否则或导致报警距离过短，容易发生危险。而针对疲劳驾驶员的研究属于行为科学的研究范畴，本人在阅读大量的有关行为科学的研究方法的资料之后，提出一种能用来确定疲劳驾驶员的模拟测试方法，模拟驾驶软件加反应时测试，也就是说模拟动态反应时测试。

“反应时”顾名思义，是测试人在各种刺激下的反应时间的方法。通常为声光刺激，当声光刺激发生时，仪器开始计时，当人按下结束按钮之后计时完毕，通过两次计时的时间差则得出反应时间。现阶段防撞报警系统中，当检测到前方有危险发生时，开始声光报警，驾驶员在接受到声光刺激之后开始采取制动动作，具体的动作就是右脚离开加速踏板并移动到制动踏板上，此为简单反应。但是我国东港交警部门发布的资料中显示，在驾驶汽车时是复杂行为，驾驶员要接受多个信号，比如外界环境，路况信息等。驾驶员根据接受的信号进行判断，所以制动反应中有一个驾驶员判断的阶段，此阶段影响了驾驶员的反应时间。而当前我国对驾驶员进行反应时测试则大多的是让驾驶员在一个静态的环境下，也就是说不是在驾车的过程中测试，称之为“静态反应时”测试。此种测试所得的参数省去了驾驶员的判断过程，因此结果偏小。但是让驾驶员在驾车的过程中接受仪器的测试那势必会增加危险。所以本人提出一种方法，利用模拟驾驶软件来进行动态反应时测试的模拟，此种软件是一种虚拟驾驶软件，能模拟在驾驶时遇到的一切情况。并且操作者旁边配以反应时测试仪器，基本可以做到一边驾驶一边测试。

在行为科学研究中要不断提出假设，并且通过利用合理的手段测试以验证假设，本人调查过很多营运车辆驾驶员，以及查阅了很多关于交警部门所发布的针对驾驶员反应时间的资料加上现有的研究，大致可以确定疲劳驾驶员制动反应时间为2s 左右，但只是一种假设，需要通过后期的采样测试才可最终确定其范围。而我国针对疲劳驾驶的定义是连续驾车四小时以上就认定为轻微的疲劳，且疲劳程度随着连续驾驶时间的增长而增长。那么后期计划就是选择一些不同年龄段的营运车驾驶员在其下班后进行模拟动态反应时测试（营运车驾驶员连续驾驶时间通常在6h 以上，可以认定为疲劳），以确定其反应时间范围。

4 仿真实验

根据已有的研究证实清醒不疲劳的驾驶员反应时间在0.6～1.5s 之间，且反应时间在1s 左右的居多，那么取正常清醒的驾驶员反应时间为1s，疲劳驾驶员反应时间为2s，下面通过利用Matlab 仿真得如图3曲线。图3代表前车为静止时后车的速度与制动报警距离的关系，其中实线代表清醒驾驶员驾车的车速与报警距离关系（d1），点线表示疲劳驾驶员的车速与报警距离关系（d2）。

图4表示前车减速时制动报警距离与两车车速的关系，其中上半图表示清醒驾驶员驾驶后车的车速与前车的相对速度与制动报警距离的关系，下半图则是疲劳驾驶员的驾驶后车车速和前车的相对车速与制动报警距离的关系。

图3 前车静止时后车车速与制动报警距离的关系

图4 前车减速时后车的车速和前车的相对速度与 制动报警距离的关系

通过图3、图4的仿真曲线可直观看出制动报警距离随车速的变化而变化的关系，与实际车况相符。通过图片的对比可明显看出疲劳驾驶员与清醒驾驶员的反应时间大小的差距对报警距离的影响。所以疲劳驾驶员的反应时间对公路行车安全有着重要的影响，研究意义重大。

5 结论

本文建立了一种行车防撞报警模型，并且加入了基于公共知识的行为科学的研究，提出了一种测试疲劳驾驶员反应时间的方法使得此模型不但适用于疲劳驾驶员而且在修改参数之后还可适用于正常驾驶员。在实际应用中，驾驶员可根据自身情况通过触摸屏选择疲劳或者清醒模式。当选择疲劳模式时，设定式（8）和式（12）中驾驶员反应时间t1为2s。当选择清醒模式时，t1则设定为1s，此时所需要的报警距离与实际车速之间的关系可以清晰直观的从图3，图4看出。式（8）与式（12）代表两种不同汽车行驶状态下的报警距离公式，其中（8） 中的v初与式（12）中的v后由本车车速传感器实时检测，v相对与实际距离由调频连续波雷达传感器实时检测。通过实证研究之后得出：当v相对等于本车 车速时，并且实时距离不断变小说明前车静止或前方为障碍物，此时选择式（8）并由嵌入式处理器计算出当前的报警距离并且与实际距离相比较，当实际距离小于报警距离时，系统开始声光报警提示驾 驶员减速。当v相对大小不等于本车车速时并且实际 距离不断变小，说明前车相对于本车是减速的状态，此时则选择式（12）为报警距离的公式。

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[2] 刘秀,王长君,何庆.疲劳驾驶交通事故的特点分析与预防[J].中国安全生产科学技术,2008,4(1): 128-131.

[3] 孙玮,李晓莹.避免疲劳驾驶的“驾驶员警示系统”[J].交通世界,2006 (01B): 57-57.

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[5] 贺大松.汽车纵向防撞报警系统开发[D].成都: 电子科技大学,2008.