疲劳预警系统

1、国内外驾驶疲劳状态检测技术的现状与开展摘要：疲劳驾驶是引发交通事故的重要因素之一。本文介绍了基于驾驶人生理信号、驾驶人生理反响特征、驾驶人操作行为和车辆行驶轨迹等驾驶疲劳状态监测的研究方法，并对国内外研究现状和现有产品进展了介绍，分析了目前疲劳驾驶研究中存在的问题、未来的研究开展方向和研究难点。关键字：驾驶疲劳，EEG PERCLOS信息融合A Review of the Driver Fatigue Detection TechnologyCheng Bo , Zhang Guang-yuan, Feng Rui-jia, Zhang WeiState Key Laboratory of A

2、utomotive Safety and Energy, TsinghuaUniversity, Beijing, 100084, 1Abstract: Driver fatigue is a major cause of road accidents. This paper discusses the methods of detecting driver fatigue based on the drivers physiological signals, responsecharacteristics, driving behavior and lane keeping characte

3、ristics. In this paper the recent developments of driver fatigue detection technology world-wide are also introduced. The findings from this review are discussed in the light of directions for future studies and development of fatigue detection. Keywords: driver fatigue, EEG, PERCLOS, information fu

4、sion1.引言疲劳驾驶是当今交通平安的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据说明，在2007年至2021年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交 通肇事总死亡人数的 11.35%、10.91%和12.5%,大约每年有9000人死于疲劳驾驶。因此， 研究开发高性能的驾2驶人疲劳状态实时监测及预警技术，对改善我国交通平安状况意义重大。32.驾驶人疲劳状态监测方法关于驾驶人疲劳及注意分散等平安状态的监测预警技术，由于它在交通事故预防方面的开展前景而受到各国高度的重视，研究人员根据驾驶人疲

5、劳时在生理和操作上的特征进展了 多方面的研究，一些研究成果已形成产品并开场进入市场。驾驶人疲劳状态的检测方法可大致分为基于驾驶人生理信号、基于驾驶人生理反响特征、基于驾驶人操作行为和基于车辆状态信息的检测方法。基于驾驶人生理信号的检测方法岬.word.zl.针对疲劳的研究最早始于生理学。相关研究说明，驾驶人在疲劳状态下的生理指标会偏离正常状态的指标。因此可以通过驾驶员的生理指标来判断驾驶人是否进入疲劳状态。目前较为成熟的检测方法包括对驾驶人的脑电信号EEG心电信号ECG等的测量。6研究人员很早就已经发现EEG能够直接反映大脑的活动状态。文献5中的研究发现在进入疲劳态时，EEG中的delta波和

6、theta波的活动会大幅度增长，而 alpha波活动会有 小幅增长。另一项研究通过在模拟器和实车中监测EEG信号，试验Z果说明 EEG对于监测驾驶人疲劳是一种有效的方法。研究人员同时发现，EEG信号特征有很大的个人差异，如性别和性格等，同时也和人的心理活动相关很大。ECG主要被用于驾驶负担的生理测量中。研究说明在驾驶人疲劳时ECG会明显的有规律的下降，并且HRV 心率变化和驾驶中的疲劳程度的变化有潜在的关系。基于驾驶人生理信号的检测方法对疲劳判断的准确性较高，但生理信号需要采用接触式测量，且对个人依赖程度较大，在实际用于驾驶人疲劳监测时有很多的局限性，因此主要应用在实验阶段，作为实验的对照参数

7、。基于驾驶人生理反响特征的检测方法基于驾驶人的生理反响特征的检测方法是指利用驾驶人的眼动特性、头部运动特性等推断驾驶人的疲劳状态。驾驶人眼球的运动和眨眼信息被认为是反映疲劳的重要特征，眨眼幅度、眨眼频率和平均闭合时间都可直接用于检测疲劳。目前基于眼动机理研究驾驶疲劳的算法有很多种，广泛采用的算法包括 PERCLOS即将眼睑闭合时间占一段时间的百分比作为生理疲劳的测量指 标。利用面部识别技术定位眼睛、鼻尖和嘴角位置，将眼睛、鼻尖和嘴角位置结合起来，再根据对眼球的追踪可以获得驾驶人注意力方向，并判断驾驶人的注意力是否分散。Philip W. Kithil利用头部位置传感器检测驾驶人点头动作，该传感

8、器通过电容传感器阵 列输出驾驶人头部距离每个传感器的位置，可实时跟踪头部的位置，根据头部位置的变化规律判定驾驶人是否瞌睡，该研究发现点头的动作和瞌睡有非常好的相关性。基于驾驶人生理反响特征的检测方法一般采用非接触式测量，对疲劳状态的识别精度和实用性上都较好。7基于驾驶人操作行为的检测方法基于驾驶人操作行为的驾驶人疲劳状态识别技术，是指通过驾驶人的操作行为如方向盘操作等操作推断驾驶人疲劳状态。Yoshihiro Takei利用FFT对监测到的驾驶人的方向盘操作数据进展处理，研究结果在一定程度上提醒了驾驶人的方向盘操作与疲劳之间的关系。文献的研究指出方向盘的操作是一种有效的驾驶疲劳的判断手段。Ya

9、buta开发的驾驶人防疲劳装置中也使用了方向盘操作信息。总体来说，目前利用驾驶人操作行为进展疲劳识别的深入研究成果较少。驾驶人的操作除了与疲劳状态有关外，还受到个人习惯、行驶速度、道路环境、操作技能的影响，车辆的 行驶状态也与车辆特性、道路等很多环境因素有关，因此如何提高驾驶人状态的推测精度是 此类间接测量技术的关键问题。.word.zl.基于车辆行驶轨迹的检测方法利用车辆行驶轨迹变化和车道线偏离等车辆行驶信息也可推测驾驶人的疲劳状态。这种方法和基于驾驶人操作行为的疲劳状态识别技术一样，都以车辆现有的装置为根底， 不需添加过多的硬件设备，而且不会对驾驶人的正常驾驶造成干扰，因此具有很高的实用价

10、值。日本三菱汽车公司开发了利用车辆横向位移量、驾驶人操作量等复合参数来识别驾驶人疲劳状态的方法，实验证明该方法的识别结果与利用驾驶人眨眼次数的识别结果根本一致。日本庆应大学(2005)中岛研究室利用 EEG评价驾驶人的睡意，研究发现车辆的横向位移量、 方向盘操作量可以用来作为驾驶人疲劳状态的评价指标，而且可以实现疲劳早期预警。.国内外驾驶人疲劳状态开发现状美国 Attention Technologies 公司推出的 Driver Fatigue Monitor DD850是一款基 于驾驶人生理反响特征的驾驶人疲劳监测预警产品，产品外形如图1所示。该产品通过红外摄像头采集驾驶人眼部信息，采用P

11、ERCLOS作为疲劳报警指标，可直接安装在仪表盘上，报警的敏感度和报警音量均可调节，目前已推广应用，但只有晚上才有效。图 1 Driver Fatigue Monitor 图 2 S.A.M.疲劳报警装置美国Digital Installations 开发的S.A.M.疲劳报警装置利用置于方向盘下方的磁性条检测 方向盘转角，如图2所示。如果一段时间内驾驶员没有对方向盘进展任何修正操作，那么系统推断驾驶员进入疲劳状态，并触发报警。美国AssistWare Technology 公司的SafeTRAC利用前置视频头对车道线进展识别，当 车辆开场偏离车道时进展报警，该产品也可通过车道保持状态结合驾驶

12、人的方向盘操作特性 判断驾驶人的疲劳状态。图3为SafeTRAC的产品外观和车道线识别界面。(a) (b)图3 SafeTRAC疲劳报警装置(a)产品外观(b)车道线识别界面英国的 ASTiD (Advisory System for Tired Drivers) Driver Alert装置综合考虑驾驶员的睡眠信息、已完成的驾驶时长和类型，以及驾驶员的方向盘操作等各种因素判断驾驶人疲劳状态。装置运行前需要驾驶员输入自己过去24小时的睡眠信息。当视觉报警到一定程度时，触发声音报警，建议驾驶员停车并休息。休息一段时间后，内置闹钟会叫醒驾驶员，并重置 驾驶时间。产品外观如图 4所示。图4 ASTi

13、D产品外观图5 AWAKE系统样车示意图欧盟的AWAKE工程对人眼生理反响信息、方向盘操作转角信息、 方向盘转向力信息以及车道线信息进展了检测和记录，通过研究这些信息与疲劳之间的关系，利用信息融合技术实现驾驶人疲劳分级评价，采用声音、光照闪烁以及平安带振动等方式对疲劳实现预警，开发了驾驶人疲劳检测报警系统。该系统样车示意图如图5所示。除了上述这些产品之外，还有通过手腕运动检测疲劳的疲劳报警手镯和可挂在眼睛腿上 的利用加速度运动信息检测头部运动的疲劳检测眼镜等其它一些疲劳检测预警产品。国内对驾驶人平安状态监测技术的研究起步较晚，相关研究主要在大学等研究机构进展。首都师范大学在基于机器视觉的嵌入式

14、驾驶疲劳检测系统方面进展了研究，在实验室环境实现了检测系统平台，但是在算法的效率、疲劳判定的实时性、准确性和鲁棒性上还有待.word.zl. 进一步提高。第四军医大学和航空医学研究所对人眼的状态检测和头部运动做了一系列的实验，在利用基于视频的眼部生理特征判断驾驶人疲劳方面做了较为深入的研究工作。XX大学对人眼定位方法进展了一些系统的研究。综上所述，国内以上相关领域的研究主要集中在基于视频信号的驾驶人面部生理特征的研究方面，而且目前各种算法在识别精度、可靠性、 实时性等根底性能方面尚存在问题，与国外相关研究相比存在较大差距。由清华大学和东南大学的几位博士组建的中国单片机公共实验室XX研发中心联合

15、 XX远驱科技XX研究出来的gogo850是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统，其原理和丰田十三代皇冠标配的瞌睡报警系统类似，主要检测驾驶员的眼睛开合情况，尤其增加了对瞳孔的识别，睁眼睡觉瞳孔很暗，即使有驾驶员睁眼睡觉也能被识别出，基于红外差分图像的处理使得产品在阳光下和黑暗里都能进展识别，系统还能对带各类眼镜的驾驶员进展识别， 实用性很强。以清华大学汽车平安与节能国家重点实验室为核心的团队承当了国家十一五863研究课题，开展驾驶人疲劳状态监测及预警技术的研究，以开发具有高准确性和高可靠性的驾驶人疲劳及注意分散状态的实时监测技术，可适用于实际道路环境并实现全天候工作，降低因驾驶人疲劳驾驶或注

16、意分散导致的交通事故。该技术以眼部生理反响特征为主，结合方向盘转角信息和车辆行驶轨迹等特征，充分利用不同信息之间的互补性和冗余性，通过信息融合提高对驾驶人状态判别结果的准确性与可靠性。.结论对驾驶人疲劳状态监测方法与装置的研究，对于预防由疲劳驾驶引起的交通事故有重要意义，其应用前景广阔，可以预见在未来很长一段时间内都将是汽车平安技术领域的一个 热点方向。但是，驾驶人的疲劳状态受多种因素影响，到目前为止还没有发现非常有效的指标或模型能够对疲劳等级进展准确的评价。因此需要进一步深入研究各种指标与驾驶人疲劳等级之间的关系。另外，现有的驾驶人疲劳状态监测方法大都基于某一单项指标，虽然在限定条件下能够到

17、达一定的精度，但在实际复杂多变的行车环境下，其准确性和可靠性上还存在问题，难以到达预期要求。针对这一问题，多源信息融合方法将成为一个开展方向。疲劳驾驶预警系统简介交通事故是当前世界各国所面临的严重社会问题之一，已被公认为当今世界危害人类生命平安的第一大公害，每年因交通事故的原因至少使50万人死亡.欧美各国的交通事故统计分析说明，交通事故中80%- 90%是人的因素造成的.根据美国国家公路交通平安署的统计，在美国的公路上，每年由于司机在驾驶过程中跌入睡眠状态而导致大约10万起交通事故，约有1500起直接导致人员死亡，711万起导致人员伤害.在欧洲的情况也大致一样，如在德国境内 的高速公路上25%

18、!致人员伤亡的交通事故，都是由疲劳驾驶引起的.根据2001年中国交通 部的统计我国48 %勺车祸由驾驶员疲劳驾驶引起，直接经济损失达数十万美元.有关汽车驾.word.zl.驶员的疲劳检测问题，随着高速公路的开展和车速的提高，目前已成为汽车平安研究的重要一 环。疲劳驾驶是指驾驶员在一段时间的驾车之后所产生的反响水平下降，导致不能正常驾车行驶.驾驶员产生疲劳后，其心理状态也会发生各种各样的变化.如视力下降，致使注意力分散、视野逐渐变窄；思维能力下降，致使反响迟钝、判断缓慢、动作僵硬、节律失调；自我控制能力减退，致使易于冲动、心情急躁或开快车等。疲劳驾驶预警系统就是指一旦驾驶者精 神状态下滑或进入浅

19、层睡眠该系统会依据驾驶员精神状态指数分别给出：语音提示，振动提酉1,电脉冲警示，警告驾驶员已经进入疲劳状态，需要休息，并同时自动记录相关数据，以便日后查阅,鉴定.其作用就是监视并提醒司机自身的疲劳状态，减少司机疲劳驾驶潜在危害.许多国家都比拟重视疲劳驾驶预警系统的研究工作，早期的疲劳驾驶测评主要是从医学角度出发，借助医疗器件进展的.这些研究可以追溯到1935年美国交通部管辖的洲际商业协会 ICC(the Interstate merce mission)要求美国公共卫生效劳署USPHS(the United StatesPublic Health Service) 对城市商业机动车驾驶员效劳时

20、间(the hours of service) 管理条例的合理性所进展的调查.但是对疲劳驾驶的实质性的研究工作，是从20世纪80年代由美国国会批准交通部实施驾驶效劳时间(HOS)改革，研究商业机动车驾驶和交通平安的关系，并健全卡车和公共汽车平安管理条例开场的，由此把疲劳驾驶的研究提到立法高度，保证了开展疲劳驾驶研究的合法性、有效性和持续性。其研究工作大致可以分为两大类：一是研究疲劳瞌睡产生的机理和其他各种诱发因素，寻找能够降低这种危险的方法；二是研制车辆智能报警系 统，防止驾驶员瞌睡状态下驾驶。20世纪90年代，疲劳程度测量方法的研究有了很大的进展许多国家已开场了疲劳驾驶车载电子测量装置的开发

21、研究工作，尤以美国的研究开展较快。研究成果中具代表性的有：(1)美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS( The Drowsy Driver Detection System).采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法，可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳数据用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着.该系统可制成体积较小的仪器，安装 在驾驶室内驾驶员头顶上方，完全不影响驾驶员正常的驾驶活动。(2)方向盘监视装置 S.A.M.(steering at tention monitor).一种监测方向盘非正常运动的传感器装置，适用于各种车辆.方向盘正常运动时传感器装置不报警，假设方向盘4s不运动

22、,S.A.M.就会发出报警声直到方向盘继续正常运动为止。S.A.M.被固定在车内录音机旁，方向盘下面的杆上装有一条磁性带用以监测方向盘的运动。使用S.A.M.并不意味延长驾驶时间而是要提醒驾驶员驾车时不要打瞌睡。另外，S.A.M.与录像机配合使用可以为保险公司提供证据。(3)日本研制的 DAS2000型路面警告系统(The DAS2000 Ro8ad Alert System). 一种设 置在高速公路上用计算机控制的红外线监测装置，当行驶车辆摆过道路中线或路肩时 ，向驾驶员发出警告.(4)反响时测试仪 PVT( The psychomotor vigilance test).根据驾驶员对仪器屏幕上随机出现的光点的反映(光点出现时敲击键盘)速度测试驾驶员的反响时，用以判断其疲劳程度.(5)日本研制的电子 清醒带.使用时固定在驾驶员头部，将清醒带一端的插头插入 车内点烟器的插座，装在带子里的半导体温差电偶使平展在前额部位的铝片变凉，使驾驶员睡.word.zl.意消除 精神振作.据说戴上这种 清醒带，可以24 h无睡意.清醒带使用电压1214 V