基于多感官協(xié)同疲勞駕駛預(yù)警方案的研究

李榮敬　莫秋云　張科研

摘 要： 疲勞駕駛已成為社會的一個(gè)絕癥“毒瘤”，嚴(yán)重威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。以駕駛員為研究對象，結(jié)合交通心理學(xué)、車輛人機(jī)工程學(xué)相關(guān)理念，利用駕駛員聽覺、觸覺、嗅覺，設(shè)計(jì)一套三位一體多感官協(xié)同的預(yù)警方案。方案從微觀出發(fā)，注重本體感受，結(jié)構(gòu)簡單、便捷，并充分利用車上的設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性好，適合市場的推廣。

關(guān)鍵詞： 疲勞駕駛； 駕駛員； 人機(jī)工程； 多感官協(xié)同

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0117?04

0 引 言

隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，人民生活水平的不斷提高，汽車進(jìn)入千家萬戶，已然成為了人們出行的主要代步工具，但同時(shí)也伴隨交通事故頻發(fā)。僅就2011年的上半年，全國交通事故1 840 998起，比2010年同期增長1%，直接導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)損失4.4億元[1]。根據(jù)表1近幾年的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況[1]，可見道路交通事故在逐年的攀升，給我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展帶來了巨大的影響。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

疲勞駕駛報(bào)警系統(tǒng)的研究，這一方面在國外開展得比較早，而且有了很大的技術(shù)上突破，并在某一程度上技術(shù)的壟斷；相比國外，國內(nèi)這一方面由于起步較晚，且技術(shù)有限，雖在一些方面也有了一定的進(jìn)步，但技術(shù)上還跟國外差距較遠(yuǎn)[7]。目前國內(nèi)的疲勞報(bào)警系統(tǒng)可以分為以下幾類：

（1） 眼鏡式報(bào)警器，針對駕駛員行車時(shí)眨眼的頻率變化進(jìn)行判斷。

（2） 車道偏移報(bào)警系統(tǒng)，針對所駕駛員行車偏離行駛路線進(jìn)行判斷。

（3） 掛在耳部，主要檢測駕駛員行車打瞌睡時(shí)低頭的頻率進(jìn)行判斷。

（4） 方向盤觸摸式，主要通過監(jiān)測駕駛員握方向盤力的變化進(jìn)行判斷。

（5） 手表式報(bào)警器，主要是針對駕駛員出現(xiàn)疲勞時(shí)脈搏的速率變化來進(jìn)行判斷。

這些系統(tǒng)大多都是采用單一的語音、燈光或振動等預(yù)警手段來實(shí)現(xiàn)，對駕駛員的察覺性、理解性和接受性都具有一定的局限性，很難體現(xiàn)其適用的廣泛性。如單一的燈光報(bào)警，在白天時(shí)效果就不是很明顯，往往被駕駛員所忽略，有時(shí)燈光閃爍太刺眼，引起眩光反而對駕駛不利；單是語音報(bào)警，由于汽車本身駕駛時(shí)噪音就很大，容易被噪音掩蔽而達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，針對這些預(yù)警手段的局限性，本文提出從微觀出發(fā)，注重駕駛員感受，結(jié)合聽覺、觸覺、嗅覺建立一套三位一體的多感官協(xié)同復(fù)合式的預(yù)警方案。

2 預(yù)警效果的評價(jià)及方案的設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)警效果的評價(jià)指標(biāo)

從微觀出發(fā)，本著以人為本的理念，注重駕駛員主體的感受，保證疲勞狀態(tài)下的駕駛員能夠快速地察覺和理解到報(bào)警信號。因此，本文將從駕駛員的察覺性 、理解性和接受性等三方面對各種預(yù)警方式的特性進(jìn)行系統(tǒng)地評價(jià)。

（1） 察覺性。駕駛員察覺預(yù)警方式的快慢是對其實(shí)施有效預(yù)警的前提。本文選用駕駛員對預(yù)警刺激的反應(yīng)時(shí)間作為評價(jià)預(yù)警的察覺性。

（2） 理解性。理解性主要評價(jià)指標(biāo)有信號理解和知覺匹配[8]。信號理解，用來評價(jià)駕駛員能否正確的理解預(yù)警方式所傳來的信號；知覺匹配，用來評價(jià)駕駛員自身狀態(tài)是否和預(yù)警方式給予駕駛員的感覺相符合的判斷。

（3） 接受性。Vander Laan設(shè)計(jì)駕駛員的接受性量表共包含有9項(xiàng)指標(biāo)[9]。為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)過多的評價(jià)指標(biāo)會對駕駛員的狀態(tài)形成影響。為此，本文只選用兩個(gè)較為常用的指標(biāo)：煩擾度和可用度，作為評價(jià)預(yù)警方式的接受性，并采用5級量表的形式來評價(jià)上述兩個(gè)指標(biāo)，見表2。

2.2 預(yù)警方案的設(shè)計(jì)

本文選用的疲勞預(yù)警方式是由聽覺、觸覺和嗅覺組成的三位一體多感官協(xié)同的預(yù)警形式。

（1） 聽覺預(yù)警。聲音具有迫聽性，容易收集人的注意力。言語對人的知覺具有指導(dǎo)作用。言語提示能在環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜、外部標(biāo)志不很明顯的情況下，喚起人的回憶，運(yùn)用過去的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行知覺。言語提示越準(zhǔn)確、越具體，對知覺對象的理解也越深刻、越廣泛。目前比較常用的聽覺預(yù)警信號主要有抽象音、語音等，其參數(shù)主要包括振幅、頻率和波形等。本文通過預(yù)備實(shí)驗(yàn)，選用了語音預(yù)警方案。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)車內(nèi)的噪音一般在50 dB（A）左右，考慮到聽覺預(yù)警音必須要高出車內(nèi)背景噪音[6]的（8[±]3） dB（A），駕駛員才能清晰的聽見而又不被驚嚇。因此，本設(shè)計(jì)預(yù)警音的聲強(qiáng)為61 dB（A）。

（2） 觸覺預(yù)警。皮膚感覺是僅次于聽覺的一種感覺，皮膚受到很小的機(jī)械刺激就能產(chǎn)生觸覺。目前較為常用的觸覺預(yù)警信號主要有表面壓力、振動和溫度等三種類型?？紤]到腳踏板的觸覺預(yù)警則有可能造成駕駛員的錯誤制動，另外汽車在行駛過程中，特別是道路不平的時(shí)候車輛振動特別厲害，容易使路面上傳的反力信號與轉(zhuǎn)向盤振動的預(yù)警方式相混淆，為此，通過腿部和背部的振動為駕駛員提供預(yù)警就顯得不明顯。身體不同部位的觸覺感受性也不同，腹部是相對比較敏感區(qū)，其刺激閾值[10]為26。于是文中選擇了2種觸覺預(yù)警方案：通過利用電機(jī)拉動安全帶，給駕駛員的腹部施加向下的壓力（見圖1（a））；通過利用氣泵向駕駛員頭頸處吹風(fēng)（見圖1（b））。

（3） 嗅覺預(yù)警。嗅覺的感受器是鼻腔黏膜上的一些毛細(xì)胞，對外部氣化的化學(xué)物質(zhì)刺激是比較敏感的。其對外部的刺激氣體反應(yīng)時(shí)間為210～390 ms。因此，本文選擇香氣作為駕駛員疲勞時(shí)進(jìn)行提神預(yù)警，使駕駛員能及時(shí)調(diào)整開車狀態(tài)。

綜上所述，可形成兩套預(yù)警系統(tǒng)方案：

（1） 語音、安全帶腹部施壓、香氣組成；

（2） 語音、頸部吹風(fēng)和香氣組成。

3 評價(jià)試驗(yàn)

為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，本研究選用5名不同年齡不同駕齡的駕駛員，平均年齡為25歲，最小22歲，最大35歲。平均駕齡為 4年，最短2年，最長6年。每個(gè)駕駛員對兩套方案都進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過他們的感受，從察覺性、理解性、接收性三項(xiàng)指標(biāo)來分析這兩個(gè)預(yù)警方案的實(shí)際效果。

圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預(yù)警方案1和方案2的反應(yīng)時(shí)間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應(yīng)時(shí)間都明顯比方案2時(shí)間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價(jià)情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標(biāo)都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標(biāo)中都比方案2好?？偟膩碚f，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結(jié)果 ，在預(yù)警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預(yù)警方案。

4 預(yù)警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預(yù)警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報(bào)警模塊C。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構(gòu)架于車上原有的設(shè)備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進(jìn)行信號調(diào)理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉(zhuǎn)換），然后通過藍(lán)牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進(jìn)行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達(dá)報(bào)警的疲勞條件，如果達(dá)到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報(bào)警模塊C。

報(bào)警模塊C，包括報(bào)警及提神裝置，主要是由功放電路，電機(jī)驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路組成，功放電路放大電腦播放的報(bào)警音樂及聲音，電機(jī)驅(qū)動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關(guān)。其主要作用是對駕駛員進(jìn)行語音報(bào)警、安全帶拉緊振動報(bào)警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報(bào)警功效，使駕駛員及時(shí)調(diào)整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結(jié) 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構(gòu)架在原有的汽車上，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好，有利于市場的推廣和應(yīng)用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預(yù)警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標(biāo)的評價(jià)體系，通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預(yù)警效果。結(jié)果表明，當(dāng)非常疲勞時(shí)，多感官協(xié)同預(yù)警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補(bǔ)單一預(yù)警的不足。根據(jù)這些結(jié)果，設(shè)計(jì)了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預(yù)警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預(yù)警方案進(jìn)行多方系統(tǒng)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預(yù)警方案1和方案2的反應(yīng)時(shí)間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應(yīng)時(shí)間都明顯比方案2時(shí)間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價(jià)情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標(biāo)都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標(biāo)中都比方案2好?？偟膩碚f，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結(jié)果 ，在預(yù)警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預(yù)警方案。

4 預(yù)警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預(yù)警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報(bào)警模塊C。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構(gòu)架于車上原有的設(shè)備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進(jìn)行信號調(diào)理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉(zhuǎn)換），然后通過藍(lán)牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進(jìn)行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達(dá)報(bào)警的疲勞條件，如果達(dá)到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報(bào)警模塊C。

報(bào)警模塊C，包括報(bào)警及提神裝置，主要是由功放電路，電機(jī)驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路組成，功放電路放大電腦播放的報(bào)警音樂及聲音，電機(jī)驅(qū)動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關(guān)。其主要作用是對駕駛員進(jìn)行語音報(bào)警、安全帶拉緊振動報(bào)警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報(bào)警功效，使駕駛員及時(shí)調(diào)整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結(jié) 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構(gòu)架在原有的汽車上，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好，有利于市場的推廣和應(yīng)用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預(yù)警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標(biāo)的評價(jià)體系，通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預(yù)警效果。結(jié)果表明，當(dāng)非常疲勞時(shí)，多感官協(xié)同預(yù)警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補(bǔ)單一預(yù)警的不足。根據(jù)這些結(jié)果，設(shè)計(jì)了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預(yù)警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預(yù)警方案進(jìn)行多方系統(tǒng)驗(yàn)證。

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圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預(yù)警方案1和方案2的反應(yīng)時(shí)間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應(yīng)時(shí)間都明顯比方案2時(shí)間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價(jià)情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標(biāo)都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標(biāo)中都比方案2好?？偟膩碚f，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結(jié)果 ，在預(yù)警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預(yù)警方案。

4 預(yù)警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預(yù)警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報(bào)警模塊C。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構(gòu)架于車上原有的設(shè)備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進(jìn)行信號調(diào)理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉(zhuǎn)換），然后通過藍(lán)牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進(jìn)行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達(dá)報(bào)警的疲勞條件，如果達(dá)到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報(bào)警模塊C。

報(bào)警模塊C，包括報(bào)警及提神裝置，主要是由功放電路，電機(jī)驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路組成，功放電路放大電腦播放的報(bào)警音樂及聲音，電機(jī)驅(qū)動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關(guān)。其主要作用是對駕駛員進(jìn)行語音報(bào)警、安全帶拉緊振動報(bào)警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報(bào)警功效，使駕駛員及時(shí)調(diào)整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結(jié) 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構(gòu)架在原有的汽車上，結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好，有利于市場的推廣和應(yīng)用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預(yù)警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標(biāo)的評價(jià)體系，通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預(yù)警效果。結(jié)果表明，當(dāng)非常疲勞時(shí)，多感官協(xié)同預(yù)警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補(bǔ)單一預(yù)警的不足。根據(jù)這些結(jié)果，設(shè)計(jì)了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預(yù)警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預(yù)警方案進(jìn)行多方系統(tǒng)驗(yàn)證。

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