（车辆工程专业论文）汽车行驶记录仪驾驶员身份识别系统研究.pdf

摘要汽车行驶记录仪是对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。汽车行驶记录仪的使用对遏制疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶员的不良驾驶行为、保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定具有重要的作用。本文介绍了几种现有汽车行驶记录仪产品的驾驶员身份识别方式，分析了这些识别方式的性能特点，指出了这些识别方式在实际应用中存在容易作弊的缺陷，这一缺陷导致汽车行驶记录仪不能真正地监控驾驶员的驾驶行为。针对这一缺陷，本文提出了主动识别驾驶员身份的方式。详细阐述了主动识别系统的概念、特征参数及其特点，并且首次采用驾驶员的坐姿体重作为识别系统的特征参数( 查阅国内资料，没发现与此类似的识别方式) 。通过人体参数测量实验，得到了大量的基础数据，并且运用统计学原理对实验数据进行了处理和分析。采用统计学分析软件s p s s 进行数据处理和分析，通过相关性分析得出坐姿体重与体重之间存在显著的线性关系，采用多元线性回归的方法得到了坐姿体重与体重间的最优回归方程。对最优回归方程进行了实验验证，表明最优回归方程的识别误差在2 k g 以内，识别系统的识别率达到9 0 。关键词：汽车行驶记录仪，身份识别，坐姿体重a b s t r a c tv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri sad i g i t a le l e c t r o ni n s t r u m e n t ，w h i c hc a nr e c o r da n ds t o r es p e e d ，t i m ea n do t h e ri n f o r m a t i o nr e l e v a n tt oa u t o m o b i l et r a v e l i n gs t a t u s ，a l s oc a l lr e a l i z et h eo u t p u to ft h ed a t u mm e n t i o n e da b o v eo nt h eg i v e nd e v i c e i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou s ev e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r , t op r e v e n td r i v e r sf a t i g u ed r i v i n g , r e s t r i c td r i v e r sb a dd r i v i n gh a b i t s ，e n s u r e sr u n n i n g ，a n a l y z et r a f f i ca c c i d e n t s t h i st h e s i si n t r o d u c e ds e v e r a ld r i v e ri d e n t i t yr e c o g n i t i o nm e t h o d so fc u r r e n tv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r , a n a l y z e dc a p a b i l i t i e s ，t r a i t sa n dl i m i t a t i o no ft h e s em e t h o d s t h i st h e s i si n d i c a t e dt h a tt h el i m i t a t i o n sr e s u l t e di nt h ei n v a l i d a t i o no fr e s t r i c t i n gd r i v e r sb a dd r i v i n gh a b i t s t h ea c t i v er e c o g n i t i o nm e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r di nt h i st h e s i s t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h ec o n c e p to fa c t i v er e c o g n i t i o ns y s t e m t h i st h e s i se x p a t i a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fa c t i v er e c o g n i t i o ns y s t e ma n dt h es i t t i n g - a v o i r d u p o i sa c t e da sac h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fa c t i v er e c o g n i t i o ns y s t e mf i r s t l y t h e s ed a t at h a tw a sf r o ma n t h r o p o m e t r i ce x p e r i m e n tw a sa n a l y z e db ys t a t i s t i c a lw a y s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h es i t t i n g - a v o i r d u p o i si sl i n e a rw i t ha v o i r d u p o i sb yc o r r e l a t i o na n a l y s e sc a bb ee l i c i t e d t h er e g r e s s i o ne q u a t i o nc a nb ee l i c i t e db ym u l t i v a r i a t el i n e a r i t yr e g r e s s i o na n a l y s e s a tl a s t ，t h ev a l i d i t yo ft h er e g r e s s i o ne q u a t i o nw a sp r o v e d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e c o g n i t i o nr a t eo fa c t i v er e c o g n i t i o ns y s t e mi s9 0 c a nb ee l i c i t e d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h er e c o g n i t i o ne r r o ro fa c t i v er e c o g n i t i o ns y s t e mi s 2 k gc a nb ee l i c i t e d k e yw o r d s ：v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e li d e n t i t yr e c o g n i t i o n ，s i t t i n g a v o i r d u p o i sl l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，也不包含为获得中国农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。研究生签名：引碉澎j时间：) 力舌年月o 日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：副碉赡时间：舻年月必日翩繇磐绿节帆“纠月| 日中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题背景和研究意义第一章绪论近年来随着我国国民经济的飞速发展，道路交通运输日趋繁忙，道路交通事故呈上升趋势，尤其是长途客运货运车辆的重、特大道路交通事故频发，给国家和人民生命财产带来了巨大损失。公安部发布2 0 0 3 、2 0 0 4 、2 0 0 5 年中国道路交通事故统计分析显示，全国发生的一次死亡1 0 人以上的群死群伤特大道路交通事故中营运车辆肇事突出，如图1 - 1 所示。2 0 0 3 年全国共发生特大交通事故5 5 起，其中客运车辆肇事3 2 起，货运车辆肇事9 起；2 0 0 5 年全国共发生特大交通事故4 7 起，其中客运车辆肇事2 8 起，货运车辆肇事8 起：2 0 0 3 年全国共发生特大交通事故4 1 起，其中客运车辆肇事2 9 起，货运车辆肇事1 6 起。2 0 0 3 矩2 0 0 4 芷2 0 0 5甓i 黛货芎镶辄中国农业大学硕士学位论文第一章绪论意义上的优良产品，在应用中存在的主要问题是驾驶员身份识别及驾驶员生理疲劳现象监控的方式存在缺陷p j 。目前用于汽车行驶记录仪的驾驶员身份识别方式主要有：直接输入识别方式、接触式i c卡识别方式、非接触式i c 卡识别方式、u s b 可移动磁盘识别方式和i b u t t o n 识别方式、指纹识别方式等几种l o j 。驾驶员生理疲劳现象监控、警示手段更为欠缺，只能从连续驾车时间方面做记录及超时报警。这些识别方式共同的缺陷是：识别系统需要驾驶员通过插入i c 卡等操作来实现识别系统处于被动地位，驾驶员或营运企业存在作弊的可能性。例如：在使用采用i c 卡识别方式的汽车行驶记录仪时，常常会引发“代刷”现象，驾驶员可以在驾驶过程中“换卡不换人”，不能反映驾驶员的真实身份。例如，一个驾驶员在行驶过程中可以使用不同i c 卡，这样就可以逃避监控。因此对于汽车行驶记录仪驾驶员身份识别系统的研究，对于完善现有汽车行驶记录仪产品，使其在实际应用中能真正有效地遏制疲劳驾驶、保障车辆行驶安全、减少交通事故有着重要的理论意义和应用价值。1 2 现有产品的驾驶员身份识别方式比较规范驾驶员的驾驶行为，作为汽车行驶记录仪基本功能的之一，它首先应该准确识别驾驶员身份。目前汽车行驶记录仪使用的驾驶员身份识别方式主要有：直接输入识别方式、接触式i c 卡识别方式、非接触式l c 卡识别方式、u s b 可移动磁盘识别方式、i b u t 【o n 识别方式和指纹识别方式等几种。1 2 1 直接输入识别方式直接输入式识别，顾名思义就是直接通过按键，输入驾驶员的信息资料来确认身份，最常见的是输入与驾驶证号码唯一对应的驾驶员代码，实现驾驶员身份的识别。这种识别方式的优点是：设计开发比较简单，使用时的可靠性较高，抗干扰性能也很好。但在实际的使用中，驾驶员首先必须记住自己的代码，一般来说，在同一运输企业中，为了方便于管理，设置驾驶员代码具有唯一性；另外为了防止非法驾驶，往往每个驾驶员都有一个确认密码。由此可见，驾驶员在驾驶之前，必须经过比较烦琐的按键操作实现其身份的识别。当然，直接输入识别方式由于其设计、性能方面的优势，在目前的汽车行驶记录仪中，还是得到了一定范围的使用1 2 2 接触式i c 卡识别方式i c 卡是“i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ”的缩写，又名集成电路卡、智能卡，如图1 - 2 所示。i c卡的摄初设想是由日本人提出来的。1 9 6 9 年1 2 月，日本的有村国孝先生提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1 9 7 0 年获专利。那时叫】d 卡( i d e n t i f i c a t i o nc a r d ) 。1 9 7 4 年，法国的罗兰德一穆瑞拉发明了带集成电路芯片的塑料卡片，这就是早期的i c 卡，并取得了专利权，但一2中国农业大学硕士学位论文第一章绪论时尚未实用化。随着计算机技术和信息安全技术的发展，智能卡技术日渐成熟，并得到了广泛的应用。1 c 卡根据卡中所用嵌粘的集成电路的功能不同，可分为接触式i c 卡和非接触式i c 卡两大类。1 接触式i c 卡的结构和工作原理接触式i c 卡，具有标准形状的铜皮触点，通过和卡座的触点相连后实现与外部调和设备的信息交换。接触式i c 卡，按照国际标准i s 0 7 8 1 6 对接触式i c 卡的规定，在i c 卡的左上角封装有l c 芯片。芯片上覆盖有6 或8 个触点用于和外部设备的通讯。根据i s o 标准，部分触点的定义如下：v c c ：i c 卡的工作电源：g n d ：地：v p p ：存储器编程电源( 可选) ；e l k ：有关信号的定时与同步；i o ：i c 卡中串行数据的输入，输出：r s t ：复位信号( 可选) ；图卜2i c 卡示意图接触式i c 卡又分为以下四小类：一是存储卡具有存储记忆功能，不带加密逻辑，这类卡适用于其内部信息不用加密的应用系统；二是加密存储卡卡中具有若干个密码口令，只有在密码输入正确后，才能对相应区域的信息内容进行读出或写入。若密码输入出错一定次数后，该卡将自动封锁成为死卡；三是智能卡( s m a r t c a r d ) 卡中还带有信息处理器( c p u ) ，该类卡是一个带有操作系统的单片机系统，严格防范非法用户访问卡中的信息。发现数次非法访问后也可锁住某个信息区域，但可以用高级命令解锁，使卡中的信息保证绝对安全，系统高度可靠；四是超级智能卡( s u p e t c a r d ) 在智能卡的基础上装有键盘、液晶显示器和电源。作为汽车行驶记录仪中的驾驶员卡使用的，通常是第一种，即i c 存储器卡，其工作原如图1 - 3 所示。中国农业大学硕士学位论文第一章绪论图1 - 3i c 存储器卡工作原理图当c p u 探测到有i c 卡插入后，通过i c 卡的i o ，读取数据；接着c p u 进行程序的判断处理，确定为合法的i c 驾驶员卡后，按照协议，读取驾驶员信息，否则，判定为非法卡。i c 逻辑加密卡的原理也是类似，只是当c p u 要向i c 卡写数据时，必须先发一个确认密码，i c 卡确认后，方可对i c 卡进行写入操作。这样的处理，增加了i c 卡内数据的安全性。2 性能特点接触式i c 卡是由硅片来存储信息的，先进的硅片制作工艺完全可以保证卡的抗磁性、静电及各种射线能力。与直接输入方式比较，接触式i c 卡的读写操作比较方便，使用使命也较长。正鉴于此，目前，相对较多的汽车行驶记录仪采用接触式i c 卡作为驾驶员身份的识别功能使用。1 2 3 非接触式i c 卡识别方式非接触式i c 卡，诞生于上世纪9 0 年代初，又名感应卡其结构一般由i c 芯片和感应天线组成，为封闭式包装，通过射频和外部设备传送信息。它利用外部发射的高频电磁波能源和信号源，进行擦写存储。1 非接触式i c 卡的工作原理非接触式l c 卡本身是无源体，其读写过程通常由非接触式i c 卡与读写设备之间通过无线电波来完成读写操作。其工作过程如下：( 1 ) 读写设备发射无线激励信号和有关询问信号。( 2 ) 非接触式i c 卡进入工作区时，感应天线被信号所激励，与其本身的l 肛产生谐振产生一个瞬间能量来供给芯片工作；并对询问信号进行认证，发射应答信号。( 3 ) 读写设备接收到i c 卡的应答信号，经认证后，指挥芯片完成数据的读取、修改和存储工作。2 性能特点非接触式i c 卡的识别方式，其操作过程简单。另外，非接触式i c 卡的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程也都不很复杂，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。4中国农业大学硕士学位论文第一章绪论采用非接触式i c 卡的汽车行驶记录仪，进行驾驶员身份识别的操作过程非常简便、可靠。但是，当其在进行抗汽车电子点火干扰、射频电磁场辐射、抗挠度等性能测试时，抗干扰能力相对要弱一些。也正是鉴于此，目前用它作为汽车行驶记录仪的驾驶员身份识别使用，还比较少见，应该说，仍处于开发、试验阶段。1 2 4u s b 可移动磁盘识别方式u s b 全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，即通用串行总线，其通信标准是由i n t e l 、i b m 、m i c r o s o f t 、c o m p a q 、d e c 、n e c 等七家公司共同制订的。u s b 可移动磁盘，是指能通过u s b 接c i 读取、存储数据的便携式磁盘。1 u s b 可移动磁盘的工作原理u s b 从产生至今，应该说得到了飞速的发展，它已经经历了u s b l 0 、u s b l 1 和u s b 2 0三个标准。现在常用的是u s b i i ，它分为高速与低速两种u s b 接口，分别为1 2 m b p s s 和1 5 m b p s s ；而最新的u s b 2 0 ，其传送速度达到了4 8 0 m b p s t “。u s b 使用一个4 针插头作为标准插头，采用串行方式传输数据，支持多数据流和多个设备并行操作，允许外设热插拔。u s b 的传输方式有：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输( i s o c h r o n o u s ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、大量传输( b u l k ) 四种，以中断传输方式为例，其工作原理框图如图1 4 所示。图1 _ 4 中断传输方式的u s b 工作原理图利用u s b 可移动磁盘，作为汽车行驶记录仪的驾驶员身份识别，一般有以下两种方法：( i ) 通过u s b 可移动磁盘的唯一序列号进行识别。l这种方式的特点是设计比较简单，只需要将序列号预先写入记录仪的驾驶员信息表。使用时，通过查询的方式，得到与之相对应的驾驶员代码及驾驶证号码，实现身份的识别。( 2 ) 通过可移动磁盘向记录仪写入驾驶员信息的方式。这种方式的工作原理类似于接触l c 卡的识别方式，只是，利用u s b 时，其传输的速度要快些。2 性能特点5中国农业大学硕士学位论文第一章绪论u s b 可移动磁盘作为驾驶员身份的识别使用，在汽车行驶记录仪中也较为广泛。主要原因是主结构的u s b 方式，采集车辆行驶数据的操作简单、可靠。因此，为了充分利用u s b 接口，减少其他硬件设备，把u s b 可移动磁盘兼作驾驶员身份的识别功能使用。1 2 5i b u t t o n 识别方式i b u t t o nri n f o r m a t i o nb u t t o n ) 是美国达拉斯半导体公司开发的系列半导体芯片，是种封装在扁圆型不锈钢外壳里的直径为1 6 r a m 的微型智能化信息载体。它采用直径1 6 m m 、厚3 6 r a m 的钮扣状不锈钢外壳封装。内部通常由i 0 处理器、存储器、传感器和时钟等元器件组成。i b u t t o n 以1 - w i r e 规范作为通信协议，仅用1 根数据线实现与外界的信交换【2 。i b u t t o n 外置结构和外形示意图，如图1 - 5 、1 - 6 所示。图1 5i b u t t o n 的外置结构图1 - 6i b u t t o n 的外形1 i b u t t o n 的工作原理i b u t t o n 采用单总线传输协议( 1 - w i r e ) ，所以只需一根数据线和一根地线，结构简单。i b u t t o n的工作原理其实很简单，即利用内置的存储芯片，并将它作为一种i d 识别卡来使用。每个i b u t t o n的芯片内均有1 个出厂前被光刻好的6 4 位r o m 序列号，它可以看作是该芯片的地址序列码。开始8 位是产品类型标号，接着的4 8 位是该芯片自身的序列号，用以保证在同类芯片中的唯一性，最后8 位是前面5 6 位的循环冗余校验码，以确保数据传输的可靠性。i b u t t o n 芯片由多路复用器和存储器两部分构成，其功能模块如图1 7 所示。i b u t t o n 在进行数据传输时，首先，与传输设备建立连接，当建立成功后，置数据线为低电平；接着进行数据的传输；传输结束后，置数据线为高电平，等待下一次的数据传输。2 性能特点i b u t t o n 较之i c 卡的体积要小( 只有1 6 r a m 宽) ，便于携带，并且适合在各种外界环境中使用，而且正常的使用寿命可以长达1 0 年之久。i b u t t o n 由于其内部采用了先进的防静电电路及芯片，确保其能承受高达8 k v 的静电而保证自身和存储的数据安装无恙。因此，使用 b u t t o n 的汽车行驶记录仪有很强的抗静电能力，完全能够承受放电等级为3 级的静电放电干扰。6中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 2 6 指纹识别方式图1 7i b u t t o n 内部功能模块示意图接地指纹就是人的手指的图案、断点和交义点上各不相同的纹路，指纹具有唯一、小变、小可伪造等基本特性。指纹识别技术有验证( v e r i f i c a t i o n ) 和辨识( i d e n t i f i c a t i o n ) 两类。作为汽车行驶记录仪的驾驶员身份识别方式是指纹验证。指纹验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行比对来确认身份，“一对一的匹配o n e t o o n e m a t c h i n g ”。作为验证的前提条件，被验证人的指纹必须在指纹库已经注册，指纹以一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识( 1 d 或p i n ) 联系起来。随后在比对现场先验证其标识，然后利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的，解决了“他是他自称的这个人吗”的问题。1 指纹识别原理指纹识别技术主要涉及指纹图像采集、指纹图像处理、特征提取、保存数据、特征值的比对和匹配等过程如图1 8 所示p j 。指图特特纹象征征采处提匹- i 匹配结果集理取配图1 - 8 指纹识别原理图首先，通过指纹读取设备读取到人体指纹图像，并对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。然后，指纹辨识算法建立指纹的数字表示特征数据，这是一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据，但不能从特征数据转换成指纹，而且两枚不同的指纹产生不同的特征数据。特征文件存储从指纹上找到被称为“细节点”f m i n u t i a e ) 的数据点，也就是那些指纹纹路的7中国农业大学硕士学位论文第一章绪论分叉点或末梢点。这些数据通常称为模板( 至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是) 。最后，通过计算机把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，得到两个指纹的匹配结果。2 性能特点同其他识别方法比指纹识别有以下的优点：其一，指纹是唯一的，且相对固定的。保证了严格的一一对应关系和信息的长期有效性。其二，扫描指纹的速度很快，使用方便，便于获取指纹样本，易于开发认证系统，实用性强，而且指纹仪也较易实现。其三，一个人的于指指纹皆不相同，可以方便地利用多个指纹，提高系统的安全性。其四，指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是从指纹图中提取的关键特征，这样可使系统模板库的存储量减小。其五，指纹识别算法己相当成熟，目前好的指纹识别算法的拒真率和认假率可以同时做到1 和0 1 以下在性能较好的p c 机上一幅指纹的识别时问不超过0 5 秒钟。驾驶员身份识别的根本要求是：真实、可靠的记录驾驶员的身份。因此，可靠性和安全性是必须放在第一位考虑的因素。通过以上几种方式的分析，主要对可靠性、安全性、经济性等特性进行比较，可以发现：( 1 ) 直接输入方式、接触式i c 卡识别方式、u s b 可移动磁盘，设计简单，功能可靠，价格相对较便宜，但是使用略显烦琐。( 2 ) 非接触式i c 卡识别方式、i b u t t o n 识别方式、指纹识别方式，对于使用数量不大的情况下，较高的开发、使用成本影响了其进一步的推广和使用。( 3 ) 这几种识别方式在使用中存在的共同的缺陷是识别系统处于被动地位，驾驶员或营运企业存在作弊的可能性，因此为了使汽车行驶记录仪能更好地发挥作用，需要在驾驶员身份识别方式上加以改进。1 3 研究的主要内容本文针对现有汽车行驶记录仪产品的驾驶员身份识别方式，在实际应用中存在的缺陷进行研究，力图找到一种简单、可靠、成本低廉的，而且由识别系统主动识别驾驶员身份的识别方式。主要研究内容如下：1 分析现有汽车行驶记录仪产品驾驶员身份识别方式的性能特点及其存在的缺陷。2 针对现有汽车行驶记录仪驾驶员身份识别方式存在的缺陷，提出主动识别驾驶员身份的方式。详细地阐述主动识别系统，分析驾驶员坐姿体重作为驾驶员身份主动识别系统的特征参数的可行性。3 进行人体参数测量实验，采集大量的人体参数样本，包括身高、懿关节高度、膝关节高度、体重、坐姿体重，作为数据处理的样本。4 对实验采集到的数据进行统计学分析，研究特征参数与其他身体参数间的定性和定量的关系。5 对采用统计学分析所得到的特征参数与其他身体参数间的回归方程模型进行实验验证，8中国农业大学硕士学位论文第一章绪论分析识别系统的模式识别判决规则及其识别误差。6 最后，对研究工作进行总结，提出下一步研究的方向。9中国农业大学硕士学位论文第二章主动识别系统分析第二章主动识别系统分析现有汽车行驶记录仪的驾驶员身份识别系统，都是由驾驶员通过一些操作来产生特征参数信号，例如：操作键盘、刷l c 卡或采集指纹，识别系统处于被动地位，而这些信号在产生过程中容易出现作弊现象，例如：在驾驶过程中，同一驾驶员可以刷不同的l c 卡，从而逃避监控。这种识别系统是很难达到真正识别驾驶员身份、监控疲劳驾驶的目的。因此，本文提出主动识别系统这一驾驶员身份识别系统。对于主动识别系统，其基本思想是识别系统的特征参数信号由识别对象自身产生，并且这种信号不能由其他方式代替产生。这种系统的关键是如何选择特征参数以及如何采集参数信号。因此，在主动识别特征参数选择过程中，只需将注意力倾注于那些不能由别的方式代替产生信号的参数上。2 1 模式识别系统的基本概念2 1 1 模式及模式识别模式被理解成取自世界有限部分的单一样本的被测值的综合。模式识别就是试图确定一个样本的类别属性，即把某一样本归属于多个类型中的某一类型。2 1 2 模式识别系统一般模式识别系统应该完成模式采集、特征提取、模式分类等功能，图2 - 1 示出了简化的系统方框图【“ 2 7 。图2 - 1 模式识别系统方框图模式采集根据要处理的对象，可以选用各种各样的传感器、测量装置，在采集过程中或采集之后进行预处理。特征提取实现由模式空间向特征空间的转变，有效的压缩维数。模式分类实现对未知类别属性样本的分类判决。2 1 3 模式识别方法在处理方法范畴里，模式识别包含统计模式识别和句法模式识别两大类。统计模式识别方法是以试验样本在特征空间中的类概率密度函数为基础。句法模式识别方法是以图形结构特征为基础，运用形式语言理论的技术，适宜于复杂景物图象分析和理解。1 0中国农业大学硕士学位论文第二章主动识别系统分析2 2 主动识别系统的概念主动识别系统，是指识别系统提取由识别对象自身产生的特征参数，然后通过统计模式识别方法进行模式分类。主动识别系统的主要特点是主动获取特征参数产生的信号。2 3 主动识别系统特征参数的选择根据主动识别系统对特征参数的要求，考虑到应用到实际中的方便性、简单性，所以选择驾驶员坐姿体重作为主动识别系统的特征参数。这里所提到的驾驶员坐姿体重是指驾驶员保持舒适驾驶姿势( 如图2 - 2 所示) 时对座椅产生的压力。图2 - 2 是雷皮弗( 只r r e b i f f 6 ) 对汽车座椅舒适坐姿作了大量研究后，提出的舒适驾驶姿势模型【2 。图2 - 2 舒适驾驶姿势模型2 4 驾驶员坐姿体重作为特征参数的可行性分析1 坐姿体重是由识别对象也就是驾驶员自身产生，而且不能由其他方式代替。只要驾驶员处于驾驶状态，坐姿体重这一参数产生的信号就不能被其他方式替代，可以避免作弊现象的发生。2 坐姿体重这一参数发出的信号容易采集，这样的识别系统可以方便地与汽车行驶记录仪结合为一体。3 采用这种识别方式的系统，结构简单、成本低廉、维护简单。中国农业大学硕士学位论文第二章主动识别系统分析2 5 人体参数测量实验方案设计为了对坐姿体重进行模式分类，就必须研究坐姿体重与身体各参数之间的关系，本文设计了人体参数测量实验。实验的基本目标是通过对实验所得数据数学处理和分析，找到坐姿体重与身体各参数之间的关系，作为模式分类的判决规则。2 5 1 实验目的测量实验对象的身体参数，包括身高、髋关节高度、膝关节高度、体重、坐姿体重，为下一步数据处理提供数据米源。2 5 2 实验对象选择中国农业大学学生作为测量对象。2 5 3 实验设备所有实验设备包括：普通座椅( 模拟驾驶座椅) 、压力软管、压力表、台秤、卷尺。2 5 4 实验步骤1 身高、髋关节高度、膝关节高度的测量测量时实验对象保持直立姿势，眼睛平视前方，然后开始测量。从头顶点至地面的垂直距离为身高；从膝关节至地面的垂直距离为膝关节高度；从髋关节地面的垂直距离为髋关节高度。2 体重的测量实验对象保持直立姿势时，台秤的读数为体重。3 坐姿体重的测量为了比较真实的模拟实际驾驶中驾驶员的乘坐状态，在进行测量的时候，主要考虑坐姿、坐深、座面高度这些因素。参与测试的人员保持舒适坐姿，考虑到系统应用于营运车辆一般为重型卡车，座面高度为4 3 0 m m ( 重型卡车驾驶员座椅座面高度应为4 3 0 m m 4 5 0 m m ) 1 3 0 j 。( 1 ) 分散测量人体对坐垫上的压力应按照臀部不同部位不同压力的原则来分布即坐骨处压力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位时压力降至最低值卜。这就是坐垫设计的压力分布不均匀原则。理想的座椅坐垫体压分布曲线如图2 3 所示，图2 - 3 是雷皮弗( e r r e b i f f 6 ) 提出的舒适坐姿坐垫体压分布图，图中的封闭曲线为等压力线，数字的压力单位为1 0 2 p ah 。中国农业大学硕士学位论文第二章主动识别系统分析图2 - 3 座椅坐垫体压分布曲线根据上面的原则，将注满水的软管分布在座椅表面，软管一端封闭，一端装有压力表。为了更准确地反映试验人员对坐垫的压力四根压力软管相对集中地分布在坐骨位置两侧，如图2 4 所示。图2 - 4 分散测量图这样就可以通过压力表的读数来确定不同的人对座椅的压力，表2 - 1 为实验数据表。表2 - 1 实验数据表序号体重( i 屯)p 1 ( m p a )p 2 ( m p a )p 3 ( m p a )p 4 ( m p a )15 0 - 30 0 2 00 0 4 00 0 3 90 0 1 025 0 6o 0 2 00 0 2 80 0 3 50 0 2 035 4 40 0 2 00 0 2 20 0 3 60 0 1 245 5 5o 0 2 000 5 90 0 4 0o 0 2 156 020 0 2 00 0 5 90 0 4 80 0 2 466 7 70 0 2 80 0 5 00 0 4 00 0 3 076 9400 2 00 0 3 90 0 5 80 0 2 287 0 10 0 3 00 0 5 00 0 4 00 0 3 01 3中国农业人学硕士学位论文第二章主动识别系统分析压力r lr zr jr 4qo0p8电0008oooo9oo0 0o0oooo ooo体重图2 - 5 体重、压力散点图由表2 - 1 的实验数据可以做出体重与压力的散点图，如图2 - 5 所示。由散点图可以看出数据点杂乱，体重与压力没有明显的关系，这主要是由于在实验过程中，被测人员的坐姿稍有不同则测量数据就会有较大变化，带来的随机误差较大，对实验数据产生较大的影响。另外，考虑到这种方法如果应用到实际中，则需要加装很多传感器，需要对驾驶座椅做很大的改动这样必然会造成系统的可靠性下降、结构复杂、成本提高。所以这种测量方法是不可行的。( 2 ) 集中测量将人体对座椅的压力施加到一个受力面上进行测量，这种测量方法将人体对座椅的压力施加到一个受力面上，即使实验对象的坐姿稍有变化，对于座椅表面的压力也不会有太大的影响，如图2 - 6 所示，人体对座椅表面的压力可以简化为一个集中力f 。图2 - 6 驾驶姿势模型图这种测量方法将分散的压力集中到一点来测量测量结果受坐姿的影响相对较小，系统的随机误差也较小。另外，这种测量方法应用到实际中，只需要一个传感器就可以实现数据的采集，对座椅的改动也会很少，这样系统的结构简单，可靠性会较高，成本降低。所以采片j 这种方法进行实验测量。1 4中国农业大学硕士学位论文第二章主动识别系统分析实验时将台秤放置于座椅表面，实验对象保持舒适坐姿坐在台秤表面，台秤的读数就是坐姿体重。由实验测量数据( 见附录) 可以做出体重与坐姿体重的散点幽，如图2 7 所示。坐姿体重体重w图2 7 体重、坐姿体重散点图由散点图可以看出体重与坐姿体重间有明显的线性关系，这样就可以通过对数据的处理和分析找到体重与坐姿体重以及其他身体参数间的关系，从而确定模式分类的判决规则。对实验数据的处理和分析过程将在下一章中详细阐述。2 6 本章小结本章针对现有汽车行驶记录仪产品的驾驶员身份识别系统存在的缺陷，提出了主动识别的驾驶员身份识别方式。分析了模式识别系统的基本组成，阐述了主动识别系统的概念。选择驾驶员坐姿体重作为主动识别系统的特征参数，为了研究坐姿体重与身体各参数之间的关系，设计了人体参数测量实验，测量了4 5 个实验对象的人体参数数据。1 5中国农业大学硕士学位论文第三章数据处理与数学模型建立第三章数据处理与数学模型建立实验中采集到的数据较多，要对这些数据进行处理和分析，是比较复杂和繁琐的，因此应用统计学分析软件s p s s l 3 0f o rw i n d o w s 对实验数据进行处理和分析。3 1 统计学分析软件s p s s l 3 0f o rw i n d o w s 简介s p s s 是英文s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o rt h es o c i a ls c i e n c e ( 社会科学统计软件包) 的缩写。2 0 世纪6 0 年代末，美国斯坦福大学的三位研究生研制开发了最早的统计分析软件s p s s ，同时成立了s p s s 公司，并于1 9 7 5 年在芝加哥组建了s p s s 总部。2 0 世纪8 0 年代以前，s p s s 统计软件主要应用于企事业单位。1 9 8 4 年s p s s 总部首先推出了世界第一个统计分析软件微机版本s p s s p c + ，开创了s p s s 微机系列产品的开发方向，极大地扩充了它的应用范围，并使其能很快地应用于自然科学、技术科学、社会科学的各个领域，世界上许多有影响的报刊杂志纷纷就s p s s 的自动统计绘图、数据的深入分析、使用方便、功能齐全等方面给予了高度的评价与称赞。s p s s 名为社会科学统计软件包，这是为了强调其在社会科学应用的一面( 因为社会科学研究中的许多现象都是随机的，要使用统计学来进行研究) 而实际上广泛应用于经济学、社会学、生物学、教育学、心理学、医学以及体育、工业、农业、林业、商业和金融等各个领域。s p s s 的基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析、输出管理等等。s p s s 统计分析过程包括描述性统计、均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析、对数线性模型、聚类分析、数据简化、生存分析、时间序列分析、多重响应等几大类，每类中又分好几个统计过程，比如回归分析中又分线性回归分析、曲线估计、l o g i s t i c 回归、p r o b i t 回归、加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中又允许用户选择不同的方法及参数。s p s s 也有专门的绘图系统，可以根据数据绘制各种图形pj 。3 2 数据处理和分析由实验数据( 见附录) 可以建立数据文件：实验数据s a y , 变量名性别s 、身高h 1 、膝关节高度1 1 2 、大腿长度h 3 、体重w 、坐姿体重y 。首先，通过多元方差分析判断出数据来源是否具有j 。1 。泛性，变量y 是否与性别有关：然后，通过多元相关性分析得到变量间定性的关系；最后，通过多元回归分析得到回归方程，建立数学模型，得到变量问定量的关系，从而确定模式分类的判决规则。3 2 1 多元方差分析选择 a n a l y z e 】_ g e n e r a l 一【m u l t i v a r i a t e ，打开m u l t i v a r i a t e ( 多元方差分析) 主中国农业大学硕士学位论文第三章数据处理与数学模型建立对话框，如图3 - 1 所示。d e p e n d e n tv a r i a b l e s ( 因变量) 为身高h i 、膝关：h 高度1 1 2 、大腿长度h 3 、体重w 、坐姿体重y ，f i x e df a c t o r ( 固定因子变量) 为性别s ，选择显著性水平口= o 0 1 。得到结果如表3 - 1 、3 - 2 、3 - 3 所示。图3 - 1 多元方差分析主对话框表3 - 1 多元检验e f i e c tv a l u efh y p o t h e s i sd fe n o r d fs i g i n t e r c e p tp i l l a i st r a c e9 9 99 5 1 48 9 150 0 03 8 0 0 00 0 0w i l k s l a m b d a0 0 19 5 1 48 9 150 0 03 8 0 0 00 0 0h o t e l l i n g st r a c e1 2 5 1 9 5 99 5 1 4 8 9 150 0 03 8 0 0 00 0 0r o y sl a r g e s t1 2 5 l9 5 99 5 1 4 8 950 0 03 8 0 0 00 0 0r o o t性别p i l l a i 。st r a c e5 6 79 9 4 050 0 03 8 0 0 00 0 0w i l k s l a m b d a4 3 39 9 4 050 0 03 8 0 0 00 0 0h o t e l l i n g st r a c e1 3 0 89 9 4 05 0 0 03 8 0 0 00 0 0r o y hl a r g e s t1 3 0 89 9 4 050 0 03 80 0 00 0 0r o o t表3 2 误差方差齐性的l e v e n e 检验fd f ld r 2s i gi 膝关节高度3 7 814 25 4 27中国农业大学硕士学位论文第三章数据处理与数学模型建立大腿长度2 9 9 114 20 9 1身高2 1 314 26 4 7体重9 1 014 23 4 6坐姿体重1 4 2 514 22 3 9表3 - 3 单变量检验结果d e p e n d e n ts u mo fs o u r c ev a r i a b l es q u a r e sd fm e a ns q u a r efs i g c o n t r a s t膝关节高度3 1 0 1 3 2l3 1 0 1 3 25 9 54 4 5大腿长度1 4 8 0 3 6 5 8l1 4 8 0 36 5 81 0 8 2 70 0 2身高7 8 2 6 1 9 5 317 8 2 6 1 9 5 33 3 4 7 40 0 0体重1 3 8 4 3 8 111 3 8 43 8 11 1 j 2 20 0 2坐姿体重6 9 2 2 1 1l6 9 2 2 1 17 2 9 50 1 0e i t o r膝关节高度2 1 8 8 43 0 04 25 2 1 0 5 5太腿长度5 7 4 2 5 5 2 44 21 3 6 7 2 7 4身高9 8 1 9 50 2 44 22 3 3 7 9 7 7体重5 0 4 6 4 1 44 21 2 0 ，1 5 3坐姿体重3 9 8 5 1 8 04 29 4 8 8 5主要结果分析：( 1 ) 由表3 1 可得：全部被测人员的身体参数( 膝关节高度，大腿k = 度，身高，体重) ，w i l k s = 0 4 3 3 f = 9 9 4 0 ，p ( s i g = 0 0 0 0 ) 0 0 1 ，h o t e l l i n g st r a c e = 1 3 0 8 ，p ( s i o = 0 0 0 0 ) o 0 1 ；大腿长度f - - 2 9 9 1 ，p ( s i g = 0 0 9 1 ) o 0 1 ；身高f - - o 2 1 3 ，p ( s i g = 0 6 4 7 ) o 0 1 ；体重f = 0 9 1 0 p ( s i g = 0 0 3 4 6 ) 0 0 1 ，表明在显著性水平a = 0 0 1 时，可以接受原假设h o 。认为全部被测人员的身体参数的误差方差均相等。( 3 ) 由表3 - 3 可得：全部被测人员的身体参数膝关节高度f = o 5 9 5 ，p ( s i g = 0 4 4 5 ) o 0 1 ：大腿长度f = 1 0 8 2 7 ，p ( s i g = 0 0 0 2 ) 0 0 1 ；身高f = 3 3 4 7 4 ，p ( s i o = 0 0 0 0 ) 0 0 1 ；体重f = 1 1 5 2 2 ，p ( s i g = 0 0 0 2 ) 0 0 1 ；实验所测得的坐姿体重f = 7 2 9 5 ，p ( s i g = o o l o ) = o o l 。表明在显著性水平a = 0 0 l 时，全部被测人员男女性大腿长度、身高、体重间有非常显著性差异，而坐姿体重、膝关节高度间差异不显著。综上所述被测人员的身体参数具有广泛的代表性：坐姿体重因性别问差异不大，即坐姿体重与性别无关。】8中国农业大学硕士学位论文第三章数据处理与数学模型建立3 2 2 相关- 陛分析1 简单相关性分析选择 a n a l y z e _ c o r r e l a t e _ b i v a r i a t e ，在显示的对话框中，选择变量身高h 1 、膝关节高度h 2 、大腿长度h 3 、体重w 、坐姿体重y 进入 v a r i a b l e s 框，如图3 2 所示。采用默认设单击行分析。3 - 4 所示。图3 - 2 相关性分析对话框表3 - 4 相关性分析结果表置，直接【0 k 】进结果如表膝关节高大腿