（交通运输规划与管理专业论文）基于生理信号的驾驶疲劳预警对策有效性的实验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：隽连垒 日期：型l 【 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：嘉诲盈 导师签名： 毗日期： 2 ：【 摘要 量i _i i i 鼍曼詈! 曼! ! 皇! ! ! ! 曼皇詈! 皇詈詈暑詈皇皇皇鼍曼! 曼! 詈詈詈! 皇! ! ! 曼詈曼! ! ! 皇 摘要 交通事故已成为当前世界各国所面临的严重社会问题，而驾驶疲劳是造成重 大交通事故的主要原因之一，如果可以有效的监测驾驶员的疲劳状态，在疲劳发 生时给予警告，并采取相应措施最大程度的减缓驾驶疲劳，可以避免大量交通事 故的发生，提高道路交通安全。 论文在分析国内外驾驶疲劳研究理论的基础上，对驾驶疲劳的形成原因和形 成过程进行了详细的分析，系统阐述了驾驶疲劳影响因素，并在此基础上提出了 基于人体生理信号的驾驶疲劳预警对策研究方法。 论文在已有的理论基础和实验设备的条件下，开发设计驾驶疲劳预警对策有 效性的实验系统。该系统包括：疲劳检测模块、对策生成模块和实验设计模块。 疲劳检测模块主要通过采集驾驶员在驾驶过程中的生理信号，根据生理信号的变 化规律确定驾驶疲劳的评价指标，进而对疲劳状态进行判定；当检测到驾驶员出 现疲劳症状时，对策生成模块就会产生相应的对策，包括声音对策、光线对策和 振动对策；实验设计模块根据各种对策自身的特征，选择合理的实验方法进行实 验设计，通过生心理数据采集，依据疲劳评价的指标，对各种对策的有效性进行 验证。 利用驾驶疲劳预警对策有效性实验系统，探讨驾驶任务过程中心电信号时域 指标和不同频带的脑电信号指标的变化趋势。通过对各生理指标驾驶任务前后的 显著性分析，初步确定了能够有效表征疲劳过程及程度的心电信号和脑电信号指 标。利用主成分分析法建立心电信号和脑电信号各指标之间的关系，最终确定驾 驶疲劳评价的综合指标，对生理信号综合指标的可靠性进行验证，发现综合指标 不但可以有效的表征驾驶员的疲劳程度，而且在整个动态实验过程中，随驾驶时 间的增加综合指标平稳上升，这为驾驶疲劳对策的有效性研究奠定了理论基础。 驾驶疲劳对策有效性验证结果表明，不同声音类型、光线类型、振动类型对 于减轻驾驶疲劳的效果不同。声音刺激类型中刺激间隔对驾驶疲劳影响最大，声 强次之，频率和刺激时间影响较小：光线刺激类型中刺激时间对驾驶疲劳影响最 大，颜色次之，亮度和刺激间隔影响较小；振动刺激类型中刺激间隔对驾驶疲劳 影响最大，刺激时间次之，振动强度较小。同时，通过综合分析发现三种刺激中， 光线刺激对减轻驾驶疲劳的效果最好。 研究中形成了一套科学的进行驾驶疲劳对策有效性验证的方法体系，该方法 的提出为更客观地研究驾驶疲劳和减缓疲驾驶劳的形成提供新的思路和方法，为 验证各种预警信息的有效性和安全性提供实验平台。 关键词：驾驶疲劳：生理信号；综合指标；预警对策有效性 北京工业大学下学硕士学位论文 a bs t r a c t t r a f f i ca c c i d e n t sh a v eb e e na nu r g e n tp r o b l e mo ft h ew o r l d s c o u n t r i e s ，a n d d r i v i n gf a t i g u ei sas i g n i f i c a n tr i s kf a c t o ri nt r a n s p o r t a t i o n i ti su s e f u lt oa v o i d 碱c a c c i d e n t sa n di m p r o v er o a ds a f e t yi fd r i v e m f a t i g u es t a t ec o u l db em o n i t o r e d e f f i c a c i o u s l y ，c o n t e m p o r a r i l y ，w a r n i n g i s g i v e n w h e n f a t i g u e o c c u r sa n d c o u n t e r m e a s u r e sa r et a k e nt or e d u c ed r i v i n gf a t i g u e b a s e do nt h er e s e a r c ht h e o r i e so fh o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e re l a b o r a t e dr e a s o n s a n dp r o c e s s e sa n ds y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e di n f l u e n c ef a c t o r so f p e r c e p t i o n , e s t i m a t i o n ， a c t i o ns t a g eo fd r i v i n gf a t i g u e ，a n do nt h i sb a s i s ，r e s e a r c hm e t h o do fp r e w a r n i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e mo fd r i v i n gf a t i g u ec o u n t e r m e a s u r e se f f e c t i v e n e s si sg e n e r a l i z e d a n dd e v e l o p e db a s e do np h y s i o l o g i c a ls i g n a l s t h ep a p e rd e v e l o p e da n dd e s i g n e dp r e w a r n i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mo fd r i v i n g f a t i g u ec o u n t e r m e a s u r e se f f e c t i v e n e s s ， u n d e rt h e e x i s t i n g t h e o r e t i c a l b a s i sa n d e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h es y s t e m c o n t a i n e d f a t i g u e d e t e c t i o nm o d u l e ， c o u n t e r m e a s u r eg e n e r a t i o nm o d u l ea n de x p e r i m e n td e s i g nm o d u l e f a t i g u ed e t e c t i o n m o d u l ei su s e dt oc o l l e c td r i v e r s p h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ，j u d g et h ed r i v e r s f a t i g u es t a t e a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o nl a wo fp h y s i o l o g i c a ls i g n a l sw i t hd r i v i n gt i m e ；o n c et h e f a t i g u ew a sd e t e c t e dt h ec o u n t e r m e a s u r eg e n e r a t i o nm o d u l ew o u l dg i v ea l lk i n d so f c o u n t e r m e a s u r e s ， c o u n t a i n e ds o u n dc o u n t e r m e a s u r e ，l i g h tc o u n t e r m e a s u r ea n d v i b e r a t i o nc o u n t e r m e a s u e ；e x p e r i m e n td e s i g nm o d u l ew a su s e dt od e s i g ne x p e r i m e n t a c c o r d i n gt os c i e n t i f i cm e t h o d ，a n dv a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so fe a c hc o u n t e r m e a s u r e b a s e do ns t a t i s t i c a la n a l y s i so ff a t i g u ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r a c o r d i n gt ot h ea p p l y i n go fp r e w a r n i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mo fd r i v i n gf a t i g u e c o u n t e r m e a s u r e se f f e c t i v e n e s s ，t h ev a r i a t i o no fe c gs i g n a la n de e gs i g n a l sb e f o r e a n da f t e ra ni n d o o rs i m u l a t e dd r i v i n gt a s kw a sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ee c ga n d e e gi n d i c a t o r s ，w h i c hc a nc h a r a c t e r i z et h ed e g r e ea n dt h ep r o c e s so fd r i v i n gf a t i g u e ， w e r ei d e n t i f i e dp r e l i m i n a r i l yb ya n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c eo fe a c hi n d i c a t o rb e t w e e n b e f o r ea n da f t e rd r i v i n gt a s k p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sw a su s e dt oe s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne c ga n de e gs i g n a l sa n dd e f i n e dt h eo v e r a l li n d e xt or e d u c e t h ev o l a t i l i t yo ft h ed a t aa n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ff a t i g u ee v a l u a t i o na n db y e x c l u d i n gt h ed i s t u r b a n c eo fs o m eu n n e c e s s a r yf a c t o r s b yt h er e l i a b i l i t yv e r i f i c a t i o n o ft h eo v e r a l li n d e x ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo v e r a l li n d e xc a nn o to n l yc h a r a c t e r i z e t h ed r i v e r s f a t i g u ee f f e c t i v e l y ，b u ta l s oi n c r e a s es m o o t h l yw i t hd r i v i n gt i m ed u r i n g i i 摘要 t h ep r o c e s so fd y n a m i ce x p e r i m e n t , w h i c hw i l ll a yt h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l ef o rt h e e f f e c t i v e n e s so fd r i v i n gf a t i g u ec o u n t e r m e a s u r e t h er e s u l to fe f f e c t i v e n e s sv a l i d a t i o ns h o w st h a t ，t h ed i f f e r e n tt y p e so fs o u n d ， l i g h ta n dv i b r a t i o nh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nr e d u c i n gd r i v i n gf a t i g u e s t i m u l a t i n g i n t e r v a la f f e c t sd r i v i n gf a t i g u em o s t l y ，f o l l o w i n gw i t hs o u n di n t e n s i t y ，f r e q u e n c ya n d s t i m u l a t i n gt i m eo fs o u n ds t i m u l u s ；s t i m u l a t i n gt i m ea f f e c t sd r i v i n gf a t i g u em o s t l y ， f o l l o w i n gw i t hc o l o r , l u m i n o u si n t e n s i t ya n ds t i m u l a t i n gi n t e r v a lo fl i g h ts t i m u l u s ； s t i m u l a t i n gi n t e r v a la f f e c t sd r i v i n gf a t i g u em o s t l y ，f o l l o w i n gw i t hs t i m u l a t i n gt i m e a n dv i b r a t i o ni n t e n s i t y s i m u l t a n e o u s l y ，l i g h ts t i m u l u s i st h eb e s to ft h r e e c o u n t e r m e a s u r e sb yc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s s c i e n t i f i cm e t h o d o l o g yo fv a l i d a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fc o u n t e r m e a s u r e s a g a i n s td r i v i n gf a t i g u eh a sb e e nf o r m e dd u r i n gt h es t u d y ，w h i c hw i l lp r o v i d en e w i d e a sa n dm e t h o d sf o ro b j e c t i v e l ys t u d y i n go na n dr e d u c i n gd r i v i n gf a t i g u e ，p r o v i d e t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rv a l i d a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s sa n ds a f e t yo fa l lk i n d so f w a r n i n gs i g n a l s k e y w o r d s ：d r i v i n gf a t i g u e ；p h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ；o v e r a l l i n d e x ；p r e 。w a r i n g c o u n t e r m e a s u r ee f f e c t i v e n e s s 1 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景和意义1 1 1 1研究背景l 1 1 2 研究意义1 1 2 驾驶疲劳国内外研究现状2 1 2 1 驾驶疲劳机理研究3 1 2 2 驾驶疲劳评价方法研究4 1 2 3 减缓驾驶疲劳方法研究7 1 3 本课题来源和主要研究内容8 1 3 1 基于生理信号的驾驶疲劳研究”8 1 3 2 驾驶疲劳对策有效性实验系统设计8 1 3 3 基于生理信号的驾驶疲劳评价指标研究9 1 3 4 驾驶疲劳预警对策有效性研究”9 1 4 技术路线9 1 5 本章小结l o 第2 章基于生理信号的驾驶疲劳研究”1 3 2 1 驾驶疲劳的概念及致因分析”1 3 2 1 1 驾驶疲劳的概念1 3 2 1 2 驾驶疲劳致因分析1 3 2 2 驾驶疲劳形成过程及影响因素分析”1 4 2 2 1 驾驶疲劳形成过程1 4 2 2 2 驾驶疲劳影响因素分析1 5 2 3 基于生理信号的驾驶疲劳预警对策研究方法”1 6 2 3 1驾驶员生理变化与疲劳关系研究1 6 2 3 2 基于生理信号的驾驶疲劳预警对策研究方法1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章驾驶疲劳对策有效性实验系统设计”1 9 3 1 驾驶疲劳对策有效性实验系统框架“1 9 3 2 疲劳检测模块设计”2 0 3 3 疲劳对策模块设计2 0 3 3 1声音对策设计一2 1 3 3 2 光线对策设计2 2 3 3 3 振动对策设计2 3 3 4 实验方法设计2 4 3 4 1 研究目的2 4 3 4 2 正交实验设计2 5 3 5 本章小结2 6 i v 目录 第4 章基于生理信号的驾驶疲劳评价指标研究“2 7 4 1 实验设计2 7 4 1 1 实验对象2 7 4 1 2实验设备2 8 4 1 - 3 实验场景2 9 4 1 4 实验方法2 9 4 1 5 实验流程2 9 4 1 6实验变量3 0 4 2 数据处理与分析”3 1 4 2 1 主观疲劳度分析3 l 4 2 2 心电信号平均趋势分析_ 3 2 4 2 3 脑电信号平均趋势分析3 3 4 3 生理信号综合评价指标研究一3 4 4 4 综合指标可靠性验证”3 6 4 5 本章小结一3 7 第5 章驾驶疲劳预警对策有效性研究3 9 5 1 实验流程3 9 5 2 数据分析方法”3 9 5 3 预警对策有效性验证4 0 5 4 预警对策类型影响分析4 0 5 5 预警对策持续效果分析”4 l 5 6 预警对策有效性分析”4 2 5 6 1主观问卷分析结果4 2 5 6 2 生理信号分析结果4 4 5 7 综合分析4 8 5 8 本章小结4 9 第6 章结论与展望“5 1 6 1 论文总结5 l 6 2 论文展望5 2 参考文献5 3 附录”5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文”5 7 致谢”5 8 v 笫1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着社会的飞速发展，人们生活收入水平的不断提升，汽车已日益成为人们 日常生活中不可缺少的运输工具。但在带给人们快速、便捷、舒适的同时，交通 事故也成为严重的社会问题之一。在引发交通事故的诸多因素中，驾驶疲劳是引 发重大交通事故的主要原因之一。 据英国汽车协会统计，英国车祸的死亡事故中，有1 0 是由于司机疲劳驾驶 引起的。法国国家普察总署事故报告表明，因疲劳驾驶导致的意外占人身伤亡事 故的2 0 6 t 。澳大利亚国家公路交通安全管理局在调查中发现，与驾驶疲劳有 直接关系的重大事故至少占4 【2 】。美国国家运输安全部统计表明，运输卡车发 生的致命碰撞中，3 1 是因疲劳驾驶引起的【3 】。g a n d e r 等对新西兰1 2 个月车祸 分析指出1 7 6 的车祸与疲劳有关【4 】。据公安部交通管理局统计，我国因疲劳驾 驶而导致的交通事故占总起数的2 0 左右，占特大交通事故的4 0 以上，占交 通事故死亡率的8 3 t 1 。 另外，疲劳驾驶也是引起长途汽车驾驶员腰背部职业病的重要原因。由此可 见驾驶疲劳不仅威胁其他车辆的行车安全，同时还给自身带来危险。 1 1 2 研究意义 引发交通事故的最直接原因是驾驶行为不佳，包括注意不当、超速驾驶、措 施不当等，而疲劳则是导致这些状态的直接原因。为减少驾驶疲劳带来的危害， 大多数国家都在驾驶时间方面做出了相应的限定。2 0 世纪8 0 年代，美国交通部 已经开始实施驾驶服务时间( h o s ，h o u r so f s e r v i c e ) 改革，明确限定了连续驾驶时 间：我国交通法规也明确规定机动车辆连续驾驶不得超过4 小时，公路客运的驾 驶员一次连续驾驶时间不得超过3 小时。尽管交管部j - l 铝t l 定了相应的法规，但是 由于各种因素的制约，驾驶员往往不能遵守以上法规，导致交通事故有增无减。 又由于经济、利益、意识等原因，驾驶疲劳也常被驾驶员所忽视。大多数国家的 交通管理部门，在实际疲劳驾驶的监测上都是通过检查驾驶员的行车记录来判断 驾驶员是否疲劳违章，实际上这种检测技术也是通过时间标准来界定驾驶疲劳 的，即对驾驶员每次连续驾车时间的界定。时间标准的限定无法考虑到驾驶员个 北京工业大学工学硕士学位论文 体在体质、精神状态、生活饮食状况、是否患病等多方面的差异性，检测结果通 常不能令人满意，因此存在规定较难执行的问题，为交通事故的发生带来了重要 的隐患。 因此，从生理信号的角度着手对驾驶疲劳进行研究，开发行之有效的对策， 对于预防和避免交通事故的发生，保持驾驶员的工作效率，保护驾驶员的身心健 康，有重要的现实意义。如果能研制一种疲劳预警系统，不但在驾驶过程中实时 检测驾驶员的精神状态，当他刚刚出现疲倦迹象时就发出警报，或强行减速甚至 强制停车休息，同时，这种报警信号还能起到减缓驾驶疲劳的作用，保证驾驶员 能在安全的时间内采取相应的措施，那么就能有效提高安全系数。同时也为驾驶 员车载疲劳预警系统提供理论支持，具有非常重要的现实意义和应用价值。 本课题在已有的理论基础和实验设备的条件下，开发设计驾驶疲劳的实验场 景，基于驾驶疲劳的形成机理提出驾驶疲劳评价方法，搭建驾驶疲劳预警对策有 效性实验系统。通过正交实验设计采集驾驶员生理信号，根据主观调查问卷和驾 驶过程中生理信号的变化规律，验证各种驾驶疲劳预警对策的有效性。研究中形 成了一套科学的进行驾驶疲劳对策有效性验证的方法体系，并搭建驾驶疲劳预警 实验系统，为验证各种预警信息的有效性和安全性提供实验平台，探索了减缓驾 驶疲劳的方法，对减少交通事故、提高驾驶安全性具有长远意义。 1 2驾驶疲劳国内外研究现状 目前，国内外对驾驶疲劳的研究内容主要围绕在驾驶疲劳的形成机理、驾驶 疲劳的监测技术和减缓驾驶疲劳的途径方面，如图1 一l 所示。 2 第1 章绪论 m i l lmm 图1 - 1 驾驶疲劳研究内容图 f i g u e l 一1c o n t e n t so f d r i v i n gf a t i g u e 1 2 1 驾驶疲劳机理研究 主要研究驾驶疲劳的形成、原因、影响因素。目前，该方面的研究主要有： s i r n o n s m i t h 等人研究年轻人困倦时的驾驶行为，提出减轻驾驶疲劳的措施1 6 j 。 t h o r n yn i l s s o n 等人研究了模拟驾驶条件下人体疲劳症状的变化规律，并提示驾 驶员在驾车过程中不可忽视驾驶疲劳【7 】。p i e r r e t h i f f a u l t i s 等人在研究高速公路单 调道路环境与驾驶疲劳之间的关系时发现，单调的道路环境容易导致驾驶疲劳。 c t s o p a n a k i s 等人研究连续2 4 小时驾驶过程中人体油脂、荷尔蒙、酶的变化规 律，为驾驶疲劳的研究提供了依据【9 1 。a m f e y e r 等人比较长途运输中驾驶员单 独驾驶和两名驾驶员轮流驾驶时的疲劳程度【l 们，结果表明轮流驾驶较有利于减 缓疲劳。 国内相关研究主要有：李相勇、蒋葛夫运用层次分析法建立驾驶疲劳致因递 阶层次结构模型，确定各层元素的单排序权重和总排序权重，对驾驶疲劳致因素 相对重要性进行了排序【i 。杨降勇从驾驶员高速行车的生心理及行车环境等方 面着手分析了高速公路疲劳驾车交通事故原因【1 2 1 。刘建新等人通过分析汽车驾 驶工作特性，得出汽车驾驶员工作疲劳的成因【1 3 1 。王海勇、梁锋通过分析驾驶 疲劳的各形成因素，建立了驾驶疲劳形成的人机工程学模型【1 4 】。张南等人建立 了一种多因素多级模糊数学评价模型，对驾驶疲劳进行了模糊综合评价l l 副。焦 北京工业大学工学硕士学位论文 昆等人依据中西医学理论对疲劳的解释，分析了形成驾驶疲劳的内外因素，进而 建立起体力疲劳和精神疲劳系统模型【1 6 1 。 1 2 2 驾驶疲劳评价方法研究 1 2 2 1 主观评价法 驾驶员疲劳的评价方法分为主观评价法和客观评价法。根据评定结果是由被 试本人做出，还是由他人做出，主观评价法又可分为自我评定和他人评定。自我 评定即自述症状法，主要是通过被试者叙述自我疲劳感觉。通常使用专门设计的 调查表，调查可在作业前、作业中、作业后分别进行，根据被调查者的主述症状 和各类症状出现的次数或程度，经分析和比较后得到疲劳程度【1 7 1 。常用于自我 评定的有主观调查表有c h a l d e r 疲劳量表【i 引、驾驶员自我记录表、睡眠习惯调查 表【1 9 1 、斯坦福睡眠尺度表【1 7 1 和皮尔逊疲劳量表等。尽管这些方法简单易用，但 由于个体间存在差异，填写者本身对调查表格的理解不同，填写的准确性未能得 到保证；同时易受环境和短时记忆消退等因素影响，因此不能作为驾驶疲劳评价 通用标准尺度。他人评定多采用对被试的外部表现如脸部表情，缓慢的眼睑闭合， 行为举止( 如擦拭眼睛、打哈欠和点头) 等进行观测，估计出被试的疲劳程度1 2 0 l 。 他人评定具有评分主观、评分标准不容易统一、受记忆及其它个人能力等因素的 影响。在许多研究中，主观评价法通常作为实验研究中的辅助手段，疲劳判断都 是结合主观评价法以及生理测量来进行的【2 l j 。 1 2 2 2 客观评价法 反映疲劳的客观特征一般归纳为三类：驾驶员外部行为、车辆和路面的相 关参数和生理信号，与此相对应，当前疲劳的检测方法可以归纳为三类： ( 1 ) 基于驾驶员外部行为的检测方法 驾驶员外部行为的检测方法是指人体疲劳时表现出来的打哈欠、眼睛发涩、 点头等外在特征，可以通过无接触式的检测方法提取到，也是目前为止研究最多 的。 k i t h i l 等瞄】采用头部位置传感器，对驾驶员头部位置进行实时跟踪，根据头 部位置的变化规律评判司机是否磕睡，并在研究中发现点头的动作和磕睡之间的 相关性非常好。a n n e k e 等 2 3 1 在研究中得出，清醒驾驶员瞳孔的直径大小保持相 对稳定，而疲劳驾驶员瞳孔的直径变化比较明显。根据变化的程度可以得出瞳孔 没有休息的指数p u i ( p a p i u a r y u n r e s t i n d e x ) 与疲劳间的关系。j i r d 2 4 】等将注视点分 布用于磕睡检测的研究，结论证明人在磕睡状态下视线总体下移，w a h l s t m m 【z 副 在研究中也得出了相同的结论。d i n g e s l e s 认为p e r c l o s e 能非常准确的反映人 体疲劳状态。美国联邦公路管理局驾将p e r c l o s 与其他测评方法进行对比，如 4 第1 苹绪论 e e g 、头部位置以及眨眼频率等。对比结果表明p e r c l o s 各指标与驾驶疲劳程 度的相关性最好。童兵亮等【2 6 】根据人在瞌睡时打哈欠的行为特征，通过捕捉嘴 部状态来判断驾驶员是否疲劳。 基于驾驶员外部行为的检测方法虽然是一种无接触式方法，具有较好的实用 性和可靠性，但基于单一参数的驾驶员个体特性检测的可靠性不高。如对于那些 睁着眼睛睡觉或者戴眼镜的驾驶员p e r c l o s 的检测误报率很耐2 7 j ，又由于视线 跟踪技术的限制，探测p e r c l o s 所表征的驾驶疲劳也存在一些问题。当被测人 头在自由转动的情况下，视线很难准确跟踪到，这会导致示警系统不能始终如一 正确地报告驾驶员疲劳出现。点头的动作和磕睡之间一直未能找到合适的相关关 系，使得检测头部运动的准确率不高。 ( 2 ) 基于车辆参数的检测方法 驾驶员在疲劳状态下对对方向盘的操控、踩油门、刹车的力度和速度以及车 辆本身的速度和侧位移等车辆的控制能力都会有所下降。当驾驶员处于疲劳状态 时，其生理组织水平、行为反应会发生变化并导致汽车动态变化，如超过中线的 次数、车速、方向盘的操作等，这些可作为识别疲劳状态的依据。 w y l i e 等通过检测方向盘参数检测驾驶疲劳时提出，疲劳的驾驶员易于选择 比较简单的操作策略。例如驾驶员在疲劳时不是根据需要慢慢调整方向盘，而是 下子调整过来，即方向盘慢的、小的调整减少了，快的、大的调整增加了。 w y l i e 还建议用方向盘的转角功率谱密度函数计算驾驶疲劳，但其实时性不能得 到完全保证。美国e l l i s o r t r e s e a r e h l a b s 实验室研制的d a s 2 0 0 0 型路面警告系统 f t h ed a s 2 0 0 0r o a da l e r ts y s t e m ) 是一种设置在高速公路上用计算机控制的红 外线监测装置，当车辆偏离道路中线时，会向驾驶员发出警告【2 8 】。上海交通大 学石坚【2 9 1 等通过传感器测量驾驶员驾驶时踏板、方向盘等一些参数来评判影响 驾驶行为的安全因素。驾驶员对方向盘的操纵情况与驾驶行为的安全之间有一定 的联系。研究指出：当方向盘较长时间不转动( 第一种疲劳状态) 时，说明驾驶员 在打磕睡；当方向盘转动幅度在1 5 0 以上，0 4h z 以下的低频率转动时，说明驾 驶员操作的闭环反应比较迟钝，即开始出现疲劳症状( 第二种疲劳状态) ；同时， 研究表明驾驶员对安全的主观评价值( s u b j e c t i v ee v a l u a t i o no fd r o w s i n e s s ，s e d ) 与方向盘的角速度和转角参数之间的关系最为密切。 通过对驾驶行为和车辆行为检测驾驶疲劳方法的最大优点是信号便于提取。 而较难解决的问题是：受车型、路况以及个人驾驶习惯等因素的影响，很难界定 “正常 与危及安全的“不正常”，这就要对每一种路况和车型等设计不同的逻 辑，选择不同的“门限 ；其次，在车辆低速行驶时这些参数很难准确的反映疲 劳状态。 ( 3 ) 基于生理信号的检测方法 北京工业大学工学硕士学位论文 驾驶员在疲劳状态下的生理机能会发生明显的改变，因此，可以通过检测驾 驶员的生理特征来反应驾驶员的疲劳状态。目前应用生理信号检测驾驶疲劳多采 用脑电测量和心电测量等生物电检测技术。 1 ) 脑电测量 脑电图( e l e e t r o - e n c e p h a l o g r a p h y ，e e g ) 一直被誉为监测驾驶员疲劳的“金 标准 。由于人在不同睡眠阶段的脑电信号e e g 特征变化非常明显，很多研究 期望发现e e g 与疲劳之间存在的关系。s a r o j 和a h s l y e c a f i g 等【3 0 】认为驾驶疲劳 评价的众多人体生理指标中，e e g 是最适合作为疲劳评价的信号：m a r k a 【3 1 】采 用脑电信号功率记录驾驶模拟过程中驾驶员的表现，发现脑电信号的变化规律与 驾驶员注意力的变化规律呈现一致；a m e d t j t 等【3 2 】通过模拟驾驶实验，指出e e g 等生理信号与主观调查问卷之间存在密切关系。国内王炳浩等【3 3 】将健康驾驶员 在驾车行驶时的动态脑电波与静止条件下睁眼和坐在椅子上得到的清醒状态和 磕睡状态的脑电波进行对比，得到了驾驶员是否处于疲劳状态的判断依据；颜 松 3 4 1 等采用动态脑电仪记录了健康驾驶员在驾车行驶时的脑电波，通过对采集 的信号进行多种功率谱密度估计及计算，验证了脑电信号作为驾驶员磕睡评价指 标的合理性。 2 ) 心电测量 心电图中的心率( h e a r t r a t e ，f i r ) 指标和心率变异性( h a r tr a t ev a r i a b i l i t y ， r m v ) 指标是判断驾驶疲劳的一项重要的生理指标。心率的分析较为简单，直观， 许多研究者都认为心率对不同的任务要求比较敏感【3 5 1 。w i l s o n 等【3 6 】等指出：心率 信号是一个整体性指标，它反映了在不同任务要求下人体心理及生理负荷水平。 心率变异性研究也被认为与疲劳相关【3 7 】。l t o h 认为该信号在某种程度上可以用来 区分不同程度的的负荷水平【3 引。许多学者k a t s b e e k 3 9 1 ，蹦s b e e k 【4 0 1 及w a r t n a 等【4 1 1 对h r 及h r v 信号进行综合研究，发现脑力负荷增加时，h r v 会减低，但h r 信号几乎不发生变化。然而，m u l d e 声【4 2 】的研究结果指出，随负荷的增加，h r v 降低的同时，h r 会明显变快。研究结果的不一致，或许在于研究过程中精神负 荷与体力负荷没有区分开来，而产生了相互干扰。 上海交通大学的杨渝书1 4 3 j 采集了1 6 名驾驶员在实验室模拟驾驶操作时的 9 0 分钟的心电信号，指出四项心电时、频域指标与疲劳程度明显相关。当人体 疲劳时，h r v 时域测量指标中的r r 间期标准差( s d n n ) h f 显上升，频域指标中 的交感神经活性l f 增加、副交感神经活性h f 降低、平衡性指标l f h f 增加， 可以利用这四项心电图时频域指标对驾驶员疲劳程度进行定量化的评价。 心电信号具有非侵入式，简单易行，可随身携带等优点。随着检测手段的进 步和分析技术的发展，有望实现动态检测与实时处理。其不足之处在于敏感性和 诊断性较差，宜结合其它分析方法进行综合研究。 6 第1 章绪论 3 ) 其他测量方法 其他用于驾驶员疲劳状态生理检测方法包括肌电、血压等。人体阻抗的变化 特征受外界因素影响较大，人体的皮温跟心情及紧张程度相关。但其受外界影响 较大，一般也在实验室才使用。肌电信号用于疲劳测试，主要是局部肌肉疲劳的 测试。 疲劳驾驶检测方法的评价标准还在探索中。究竟采用何种标准来客观准确地 评价驾驶疲劳是一个富有挑战性的问题。目前国内外关于疲劳驾驶检测的研究还 停留在理论和方法的探索上，没有系统的标准和完善的解决方案，尤其是在如何 提高检测方法的精度和具体的实现上最具争议。当前的疲劳测评方法每一种都有 其侧重点，由于驾驶环境不同，不同驾驶员个人差异很大，因此检测的效果在实 际的应用中并不理想。本文将系统研究生理信号在疲劳过程中的变化情况，在此 基础上建立可行的驾驶疲劳评价方法。 1 2 3 减缓驾驶疲劳方法研究 研究驾驶疲劳的目的是为了减少驾驶疲劳的危害，延缓驾驶疲劳的形成。因 此，减缓驾驶疲劳的方法研究更显得举足轻重。f l e t c h e re t a l s m 】把减缓驾驶疲劳 的方法分为干预( i n t e r v e n t i o n ) 和驾驶对策( c o u n t e r m e a s u r e ) 。干预是一种预 防驾驶员疲劳的措施，在运输前采取措施使运输前睡眠最大，最小化运输中疲劳。 对策( c o u n t e r m e a s u r e ) 是一种在驾驶的过程中最小化或检测驾驶疲劳的措施。 图l - 2 驾驶疲劳对策图 f i g u el - 2c o u n t e r m e a s u r e so fd r i v i n gf a t i g u e 目前，这方面的研究一般是以驾驶员为中心，降低驾车负荷，提高驾驶舒适 性，改善驾驶环境，从而达到减缓疲劳的目的。d i c kd ew a a r d 等人研究了安全 与舒适驾驶所必需的道路标示信息，实验表明：道路标示的作用非常重要，其对 老年人作用比年轻人大【4 5 1 。许多国家已经开始了声音工效学研究，但声音对驾 7 北京工业大学- 丁学硕十学位论文 驶疲劳的影响的文献却相对较少，目前国外的研究主要有：s n a m b a t 4 6 1 9 j 汽车 内部噪声进行了分类，并测试了噪声对驾驶员的影响。结果表明，人体疲劳跟噪 声强度、刺激时间相关，视觉信息影响噪声对人体的作用，舒适的驾驶环境中， 噪声对人体影响较小。y u l d eh i r a t a i 4 7 j 提出驾驶员出现疲劳后，用香水和声音进 行刺激，可以提高驾驶员警觉性。l a n d s t r o me ta l 4 s 1 用声音对驾驶员进行刺激， 通过主观问卷的方法得出基于时间和频率