金立生 李科勇 牛清寧 高琳琳
(1.吉林大學(xué)交通學(xué)院 長(zhǎng)春 130022;2.公安部道路交通安全研究中心 北京 100062)
駕駛?cè)似谑窃斐傻缆方煌ㄊ鹿实闹饕蛩刂?,每年由于疲勞駕駛而引起的交通事故占事故總數(shù)的20%左右,占特大交通事故的40%以上[1-2]。Forsman[3]研究發(fā)現(xiàn),在美國(guó),超過28%的駕駛?cè)嗽隈{駛過程中出現(xiàn)過瞌睡現(xiàn)象。然而,即使處于疲勞狀態(tài)駕駛?cè)巳詴?huì)繼續(xù)駕駛[4]。因此,需要對(duì)駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)出現(xiàn)疲勞狀態(tài)時(shí),給予有效的預(yù)警,避免道路交通事故的發(fā)生,針對(duì)駕駛疲勞特征的研究對(duì)法律法規(guī)的制定和修改具有重要意義[5]。
目前,疲勞駕駛檢測(cè)方法主要分為基于主觀評(píng)價(jià)的檢測(cè)方法、基于駕駛?cè)松硇盘?hào)的檢測(cè)方法、基于駕駛?cè)松矸磻?yīng)的檢測(cè)方法、基于駕駛行為的檢測(cè)方法和基于信息融合的檢測(cè)方法[6]。其中,基于駕駛行為的駕駛疲勞檢測(cè)方法為非接觸式檢測(cè),測(cè)量過程不會(huì)對(duì)駕駛?cè)说恼q{駛行為造成干擾,而且不受光照等環(huán)境因素影響,特征參數(shù)(車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等)容易提取,已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。
Mortazavi等[7]研究發(fā)現(xiàn),疲勞駕駛狀態(tài)下,駕駛?cè)藢?duì)轉(zhuǎn)向盤控制能力明顯下降,通過檢測(cè)駕駛?cè)水?dāng)前的轉(zhuǎn)向盤操作信息,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)疲勞駕駛的檢測(cè)。李偉等[8]通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)采集不同駕駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及道路偏移量,建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的疲勞檢測(cè)系統(tǒng)。石堅(jiān)等[9]通過對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角分析,采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)制定疲勞規(guī)則,利用改進(jìn)的BP 算法對(duì)駕駛?cè)税踩珷顟B(tài)進(jìn)行辨識(shí)。張希波等[10]基于實(shí)際道路條件下的車輛行駛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提取了最大零速百分比和最大角度標(biāo)準(zhǔn)差2個(gè)疲勞判別指標(biāo),基于Fisher線性判別算法建立了駕駛?cè)似跔顟B(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)模型。
然而由于駕駛場(chǎng)景的易變性和疲勞駕駛的復(fù)雜性,駕駛?cè)似跔顟B(tài)有效特征參數(shù)難以確定,嚴(yán)重限制了疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。為此,筆者通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn),提取不同駕駛狀態(tài)下駕駛行為數(shù)據(jù),在分析駕駛?cè)似跔顟B(tài)下的轉(zhuǎn)向盤操作特征基礎(chǔ)上,運(yùn)用方差分析量化了不同駕駛狀態(tài)下特征參數(shù)的差異性水平,優(yōu)化有效特征參數(shù)組,最終建立駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)模型。
招募20名駕駛?cè)耍隈{駛模擬器上采集正常和疲勞狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)參數(shù),實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景選擇高速公路場(chǎng)景。
采用自行開發(fā)的奔騰B50 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn),駕駛行為參數(shù)直接從模擬器的CAN-Bus中讀取,采樣頻率選擇10Hz。圖1所示為駕駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
圖1 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Driving simulation experiment system
招募20名(女:6名;男:14名)具有合法駕照的駕駛?cè)?,年齡21~39歲(均值mean=26.7,標(biāo)準(zhǔn)差std=5.23),駕齡3~18 年(均值mean=6.35,標(biāo)準(zhǔn)差std=4.37)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)要求,運(yùn)用Multigen Creator和Vage自行設(shè)計(jì)高速公路場(chǎng)景,雙向4車道,單車道寬3.75m,中間隔離帶寬3m,車速限制80~120km/h。
每位駕駛?cè)诉M(jìn)行2組駕駛模擬實(shí)驗(yàn):正常駕駛和疲勞駕駛。為消除駕駛?cè)松砉?jié)律影響,所有駕駛?cè)嗽诿刻煜嗤瑫r(shí)間段進(jìn)行實(shí)驗(yàn),因此,2組實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔為3周。實(shí)驗(yàn)前2d通知駕駛?cè)藴?zhǔn)備實(shí)驗(yàn),要求駕駛?cè)藢?shí)驗(yàn)前12h內(nèi)禁止飲酒。
1.3.1 正常駕駛實(shí)驗(yàn)
要求駕駛?cè)藢?shí)驗(yàn)前2d保證正常充足睡眠,實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇駕駛?cè)苏P菹⒑缶Τ渑娴纳衔邕M(jìn)行,開始時(shí)間為10:00時(shí),持續(xù)2h。其中,實(shí)驗(yàn)前20min內(nèi),實(shí)驗(yàn)人員介紹實(shí)驗(yàn)過程,駕駛?cè)耸煜ゑ{駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),不記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.3.2 疲勞駕駛實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)前1d限制駕駛?cè)怂邥r(shí)間為01:00~06:00時(shí)共5h,駕駛模擬實(shí)驗(yàn)選在駕駛?cè)俗钜壮霈F(xiàn)疲勞的時(shí)間段進(jìn)行,開始時(shí)間為14:00時(shí),持續(xù)2h。
同步采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括駕駛行為數(shù)據(jù)(包括車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等)、道路前景視頻和駕駛?cè)嗣娌恳曨l。
研究表明,駕駛?cè)似诔潭茸晕覍?shí)時(shí)評(píng)價(jià)與面部視頻他人評(píng)價(jià)之間存在明顯的一致性[10],為了避免實(shí)時(shí)自評(píng)侵入性影響和個(gè)人主觀差異性因素,筆者采用視頻他評(píng)的方法確定駕駛?cè)似诔潭取?/p>
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,由3名經(jīng)過訓(xùn)練的評(píng)分專家依據(jù)KSS睡眠尺度表[11],按照時(shí)間序列對(duì)視頻同時(shí)進(jìn)行評(píng)分(KSS),當(dāng)疲勞水平KSS發(fā)生變化時(shí),記錄該疲勞水平KSS的起止時(shí)間,基于記錄KSS發(fā)生變化的時(shí)刻對(duì)視頻進(jìn)行分割,要求所有視頻段內(nèi)駕駛?cè)颂幱趩我黄谒健?/p>
如果KSS≤3,認(rèn)為駕駛?cè)颂幱谡q{駛狀態(tài),如果KSS≥7,認(rèn)為駕駛?cè)颂幱谄隈{駛狀態(tài)[12]。筆者共采集正常駕駛樣本84 120s,疲勞駕駛樣本54 080s。
正常駕駛時(shí),駕駛?cè)诵拚D(zhuǎn)向盤頻繁,轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅度較小且較為平均,瞬時(shí)角速度較小。疲勞駕駛時(shí),轉(zhuǎn)向盤修正頻率降低,轉(zhuǎn)向盤幅度變大且波動(dòng)大,瞬時(shí)角速度較大,見圖2。
圖2 不同駕駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)特征Fig.2 Characteristics of the steering wheel performance under different driver conditions
相對(duì)于正常駕駛狀態(tài),疲勞駕駛時(shí),駕駛?cè)藢?duì)轉(zhuǎn)向盤控制能力下降,轉(zhuǎn)向盤波動(dòng)范圍較大。因此,筆者初步選擇轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角均值(SAMEAN)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差(SAVSTD)、轉(zhuǎn)向盤角速度均值(SAVMEAN)、轉(zhuǎn)向盤角速度標(biāo)準(zhǔn)差(SAVSTD)作為駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)特征參數(shù)。
道路曲率變化是引起轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角波動(dòng)的主要因素。正常駕駛狀態(tài)下當(dāng)?shù)缆非拾l(fā)生變化時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角也會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng),與疲勞狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角波動(dòng)相比,正常駕駛狀態(tài)下由道路曲率引起波動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角均值和標(biāo)準(zhǔn)差都較大。因此,筆者引入轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變異系數(shù)(CVSA)消除道路曲率的影響,其計(jì)算公式如下。
駕駛?cè)颂幱谄隈{駛狀態(tài)時(shí),修正轉(zhuǎn)向盤頻率減少,轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)的時(shí)間增多,筆者引入零速百分比(PNS)[10]來檢測(cè)這一變化特征,零速百分比計(jì)算公式如下。
式中:N為所選時(shí)間內(nèi)角速度的總采樣點(diǎn)數(shù),n為總采樣點(diǎn)中角速度在±0.1(°)/s之間的點(diǎn)數(shù)。
當(dāng)駕駛?cè)颂幱谡q{駛狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)向行為較平順,而當(dāng)駕駛?cè)颂幱谄隈{駛狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)向行為相對(duì)混亂。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角熵(SE)反映了駕駛?cè)藢?duì)轉(zhuǎn)向盤操作的混亂程度和隨機(jī)性[13]。因此,可以利用SE對(duì)駕駛?cè)似跔顟B(tài)進(jìn)行分析。
SE是按照轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的預(yù)測(cè)偏差出現(xiàn)的概率進(jìn)行計(jì)算的。首先按照式(3)計(jì)算轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)值θp(n)。
然后,根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角實(shí)際值θ(n)與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)值θp(n)之差來計(jì)算轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)偏差en,計(jì)算公式為
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)偏差en近似服從正態(tài)分布,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得α,使得概率P(-α<e(n)<α)=90%,將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角預(yù)測(cè)偏差en分成9個(gè)區(qū)間,即(-∞,-5α],(-5α,-2.5α],(-2.5α,-α],(-α,-0.5α],(-0.5α,0.5α),[0.5α,α),[α,2.5α),[2.5α,5α),[5α,+∞)。然后計(jì)算各區(qū)間的概率值pi,最后根據(jù)式(5)計(jì)算轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角熵SE
隨機(jī)選取100組轉(zhuǎn)向盤操作行為參數(shù),包括50組正常駕駛數(shù)據(jù)和50 組疲勞駕駛數(shù)據(jù),運(yùn)用方差分析的方法研究不同駕駛狀態(tài)下,特征參數(shù)的差異性水平,設(shè)置顯著性水平α為0.05,分析結(jié)果見表1。
表1 方差分析結(jié)果Tab.1 Analysis of variance
由表1可見,不同駕駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn) 差(SASTD)、轉(zhuǎn)向盤角速度標(biāo)準(zhǔn)差(SAVSTD)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變異系數(shù)(SACV)、零速百分比(PNS)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角熵(SE)之間存在顯著性差異(P<0.05),而轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角均值(SAMEAN)和轉(zhuǎn)向盤角速度均值(SAVMEAN)在不同駕駛狀態(tài)下不存在顯著差異(P>0.05)。因此,本文選取SASTD,SAVSTD,SACV,PNS,SE作為駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的特征參數(shù)。
由于疲勞駕駛狀態(tài)對(duì)駕駛?cè)丝刂妻D(zhuǎn)向盤能力影響復(fù)雜,特征參數(shù)與駕駛?cè)笋{駛狀態(tài)之間不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而支持向量機(jī)在解決多維非線性問題方面存在一定的優(yōu)勢(shì)[14]。因此,筆者基于支持向量機(jī)理論搭建駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)模型。
核函數(shù)的選擇對(duì)于支持向量機(jī)模型的分類準(zhǔn)確率存在直接影響,目前常用的核函數(shù)主要有:線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、徑向基核函數(shù)和Sigmoid核函數(shù)。其中徑向基核函數(shù)對(duì)于處理駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)方面存在一定的優(yōu)勢(shì)[13-14]。因此,文中選擇最常用的徑向基函數(shù):
式中:xi,yj為兩特征向量。其中,xi=[SASTD,SAVSTD,SACV,PNS,SE]表示特征參數(shù)向量,yj為駕駛?cè)藸顟B(tài)向量,按式(7)計(jì)算:
在搭建支持向量機(jī)模型過程中存在2個(gè)待定參數(shù):懲罰參數(shù)C和核參數(shù)γ,采用網(wǎng)格尋優(yōu)的方式選擇(C,γ)。其中:(C,γ)按式(8)計(jì)算,根據(jù)所交叉檢驗(yàn)的結(jié)果,確定函數(shù)表達(dá)式
隨機(jī)選擇1 000組訓(xùn)練集樣本,包括500組正常駕駛樣本和500組疲勞駕駛樣本,建立駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)模型。當(dāng)交叉檢驗(yàn)準(zhǔn)確率為88.3%時(shí)達(dá)到最優(yōu),C=0.25,γ=8。
選擇除訓(xùn)練集之外的樣本對(duì)建立的駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證,隨機(jī)選擇150組測(cè)試集樣本,正常駕駛樣本和疲勞駕駛樣本各75組。模型檢測(cè)結(jié)果如圖3所示,其中,正常駕駛樣本的標(biāo)簽為1,疲勞駕駛樣本的標(biāo)簽為2。圖4為模型評(píng)價(jià)。由圖4可知,模型正確識(shí)別正常駕駛樣本58個(gè),誤識(shí)別17 個(gè),正確識(shí)別疲勞駕駛樣本64個(gè),誤識(shí)別11個(gè),合計(jì)正確識(shí)別122個(gè),檢測(cè)準(zhǔn)確率為81.33%。
為了綜合評(píng)價(jià)模型的檢測(cè)能力,圖4顯示了模型的靈敏度和特異度[15-16]。
圖3 模型檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Model test results
圖4 模型評(píng)價(jià)Fig.4 Model evaluation
如圖4 所示該模型靈敏度為85.33%,當(dāng)駕駛?cè)顺霈F(xiàn)疲勞狀態(tài)時(shí),能夠準(zhǔn)確識(shí)別出。而特異度為77.33%,該模型將部分正常狀態(tài)誤識(shí)為疲勞狀態(tài)。對(duì)比道路前景視頻和駕駛?cè)嗣娌恳曨l分析可知,造成誤判的主要原因是個(gè)人駕駛習(xí)慣的差異和大曲率彎道的影響。
以駕駛模擬器為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),量化了駕駛?cè)似诔潭?,分析了在疲勞狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向盤操作行為特征,提取了轉(zhuǎn)向盤操作行為參數(shù),運(yùn)用方差分析的方法,以顯著性水平為評(píng)價(jià)手段,優(yōu)化出了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差、轉(zhuǎn)向盤角速度標(biāo)準(zhǔn)差、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變異系數(shù)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角熵和零速百分比5個(gè)參數(shù)作為疲勞駕駛的有效特征參數(shù)組。最終基于支持向量機(jī)建立了駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)模型,模型檢測(cè)準(zhǔn)確率為81.33%,靈敏度為85.33%,特異度為77.33%。
筆者的研究是基于室內(nèi)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的,特征參數(shù)僅利用了轉(zhuǎn)向盤操作特征,而且實(shí)驗(yàn)過程中沒有考慮個(gè)人駕駛風(fēng)格差異性的影響。因此,不受個(gè)體差異因素影響的基于實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)的融合多特征參數(shù)的駕駛?cè)似跔顟B(tài)檢測(cè)系統(tǒng)是下一步研究的重點(diǎn)。
[1]金立生,牛清寧,劉景華,等.不同道路線形下駕駛?cè)苏J(rèn)知分散狀態(tài)監(jiān)測(cè)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2014,44(3):642-647.Jin Lisheng,Niu Qingning,Liu Jinghua,et al.Driver congnitive distraction detection in different road line[J].Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition,2014,44(3):642-647.(in Chinese).
[2]吳超仲,張 暉,毛 喆,等.基于駕駛操作行為的駕駛員疲勞狀態(tài)識(shí)別模型研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,17(4):162-165.Wu Chaozhong,Zhang Hui,Mao Zhe,et al.A Model for Identifying Fatigue Statues of Vehicle Drivers Based on Driving Opertion[J].China Safety Science Journal,2007,17(4):162-165.(in Chinese).
[3]Forsman P M,Vila B J,Short R A,et al.Efficient driver drowsiness detection at moderate levels of drowsiness[J].Accident Analysis and Prevention,2013,50:341-350.
[4]Nordbakke S,Sagberg F.Sleepy at the wheel:Knowledge,symptoms and behaviour among car drivers[J].Transportation Research Part F,2007,10(1):1-10.
[5]滕 靖,宋興昊,姬利娟,等.連續(xù)駕駛條件下公交駕駛員疲勞特征實(shí)驗(yàn)研究[J].交通信息與安全,2013,31(3):87-92.Teng Jing,Song Xinghao,Ji Lijuan,et al.Experimental study of fatigue characteristics of bus drivers under the condition of continuous driving[J].Journal of Transport Information and Safety,2013,31(3):87-92.(in Chinese).
[6]Dong Y C,Hu Z C,Uchimura K,et al.Driver inattention monitoring system for intelligent vehicles:A review[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2011,12(2):596-614.
[7]Mortazavi A,Eskandarian A,Sayed R A.Effect of drowsiness on driving performance variables of commercial vehicle drivers[J].International Journal of Automotive Technology,2009,10(3):391-404.
[8]李 偉,何其昌,范秀敏.基于汽車操縱信號(hào)的駕駛員疲勞狀態(tài)檢測(cè)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,44(2):292-296.Li Wei,He QiChang,F(xiàn)an XiuMin.Detection of driver’s fatigue based on vehicle performance output[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2010,44(2):292-296.(in Chinese).
[9]石 堅(jiān),吳遠(yuǎn)鵬,卓 斌,等.汽車駕駛員主動(dòng)安全性因素的辨識(shí)與分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,34(4):441-444.Shi Jian,Wu Yuanpeng,Zhuo Bin,et al.Identification and analysis of driver’s active safety factors[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2000,34(4):441-444.(in Chinese).
[10]張希波,成 波,馮睿嘉.基于轉(zhuǎn)向盤操作的駕駛?cè)似跔顟B(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,50(7):1072-1076.(in Chinese)Zhang Xibo,Cheng Bo,F(xiàn)eng Ruijia.Real-time detection of driver drowsiness based on steering performance[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology,2010,50(7):1072-1076.(in Chinese)
[11]kerstedt T,Gillberg M.Subjective and objective sleepiness in the active individual[J].International Journal of Neuroscience,1990,52(1-2):29-37.
[12]Nakayama O,F(xiàn)utami T,Nakamura T,et al.Development of steering entropy method for evaluating driver workload[R].Detroit,Michigan:SAE Technical Paper Series:JHJ1999-01-0892.Paper presented at the International Congress and Exposition,
[13]Ingre M,Akerstedt T,Peters B A,et al.Subjective sleepiness,simulated driving performance and blink duration:Examining individual differences[J].Journal of Sleep Research,2006,15(1):47-53.
[14]Jin L S,Niu Q N,Hou H J,et al.Driver cognitive distraction detection using driving performance measures[J].Discrete Dynamics in Nature and Society,2012(2012):1-12.
[15]胡淑燕,鄭鋼鐵.應(yīng)用支持向量機(jī)的眼瞼參數(shù)疲勞預(yù)測(cè)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(8):929-932.Hu Shuyan,Zheng Gangtie.Driver fatigue prediction with eyelid related parameters by support vector machine[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2009,35(8):929-932.(in Chinese).
[16]Jin L S,Niu Q N,Jiang Y Y,et al.Driver Sleepiness Detection System Based on Eye Movements Variables[J].Advances in Mechanical Engineering,2013(2013):1-7.