李佳玉，彭見輝

0 引言

因疲勞駕駛所造成的交通事故占比較大[1]，對汽車駕駛員的駕駛狀況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，并在疲勞時給予預(yù)警是減少交通事故的重要措施。目前，國內(nèi)外關(guān)于疲勞駕駛的監(jiān)測主要有基于車輛狀態(tài)信息、駕駛員操作行為及生理反應(yīng)的監(jiān)測等。而對車輛行駛狀態(tài)和駕駛員操作行為的疲勞監(jiān)測易受路面狀況等外界環(huán)境因素的影響[2]，對駕駛員生理信號進(jìn)行監(jiān)測需采集人體生理信號如腦電波、脈搏、心率等，采集設(shè)備通常為接觸式的，需和駕駛員緊密接觸，對駕駛員行車造成極大干擾[2]。本文通過模擬駕駛實驗，利用面背壓傳感器采集駕駛員的背靠壓力信號，先進(jìn)行小波消噪處理，再與采集的心率信號做相關(guān)性分析，確定背靠壓力可作為疲勞判定標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種無儀器佩戴駕駛的疲勞監(jiān)測方法，對疲勞駕駛監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計具有一定指導(dǎo)作用。

1 疲勞駕駛數(shù)據(jù)采集

在實際道路環(huán)境中疲勞駕駛非常危險，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。研究證實，以實驗室模擬疲勞駕駛采集的數(shù)據(jù)與實際車輛疲勞駕駛的基本相符[3]。實驗駕駛平臺（如圖1），可實現(xiàn)對汽車實際操作的真實模擬。

圖1 模擬駕駛實驗圖

實驗中使用面背壓傳感器（如圖2）、BMD101軟接觸式心電傳感器（如圖3）采集駕駛員的背壓力和心率信號，設(shè)置采樣頻率均為200 Hz。其中心電傳感器是將心電極片粘貼在駕駛員胸部，利用內(nèi)部心電監(jiān)測模塊采集心率信號；面背壓傳感器是直接放置于實驗駕駛員背部，利用對汽車座椅的壓力實現(xiàn)背靠壓力信號的采集。模擬駕駛實驗在上午 10∶00-12∶00 和下午 14∶00-16∶00 兩個時間段內(nèi)進(jìn)行，實時采集并記錄駕駛員的背壓力和心率數(shù)據(jù)。

圖2 面背壓力傳感器分布圖

圖3 心電傳感器

2 背壓力信號疲勞特征參數(shù)分析

運用駕駛員行車過程中的自我疲勞評價、旁人的客觀疲勞評價與PVT測試[4]相結(jié)合的方法完成清醒和疲勞狀態(tài)下背壓力和心率數(shù)據(jù)的劃分。選取駕駛員清醒和疲勞狀態(tài)下120min背壓力和心率數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分段處理，共12段，進(jìn)行以下分析。

2.1 面背壓力信號分析

面背靠壓傳感器是由16×16，編號1～256，呈矩陣式分布的壓力傳感器構(gòu)成的。以駕駛員清醒狀態(tài)下背靠壓力數(shù)據(jù)段5為例，做其等高線圖（如圖4），其中顏色較深的部分為背靠壓力較大的采集點。選擇其中背靠壓力最大點，由圖可知是第102個傳感器采集點，并截取其6 s數(shù)據(jù)，波形如圖5。

圖4 背靠壓力等高線圖

圖5 背靠壓力最大采集點波形

由圖5可知，背靠壓力波形是連續(xù)但不光滑的曲線。由于駕駛員操作方向盤時引起身體移動，采集的背壓力信號存在基線漂移，再者噪聲、工頻等也會對背靠壓信號造成干擾，所以有必要進(jìn)行背靠壓力信號的消噪。

2.2 小波分析處理背靠壓力信號

小波分析在噪聲消除、濾波、信號特征提取等方面具有較為突出的優(yōu)勢[5]。db4小波基函數(shù)由于計算量少，濾波消噪效果好，并可以在MATLAB中直接對信號進(jìn)行快速處理，便于實際實現(xiàn)[5]。本文選用db4小波進(jìn)行背靠壓力信號的濾波消噪，詳細(xì)過程如下∶

第一步，將2.1中截取的6 s背靠壓力數(shù)據(jù)運用小波基函數(shù)對信號在選定的尺度下進(jìn)行小波分解，得到不同尺度下信號對應(yīng)的小波系數(shù)；

第二步，對背靠壓力數(shù)據(jù)小波分解后所得到的小波系數(shù)進(jìn)行閾值門限計算；

第三步，對背壓力數(shù)據(jù)完成小波重構(gòu)，將小波系數(shù)按照分解層次進(jìn)行小波逆變換，以獲得濾波去噪后的背壓力信號，如圖6所示。

同理，完成駕駛員疲勞狀態(tài)下背靠壓力數(shù)據(jù)段5的消噪濾波。

2.3 背壓力與心率信號的相關(guān)性分析

采集駕駛員正常和疲勞兩種駕駛狀態(tài)下的心率信號如圖7所示?？芍{駛員的心率變化在正常狀態(tài)下相對較平穩(wěn)，而疲勞狀態(tài)下相對劇烈。研究表明，心率信號可作為監(jiān)測駕駛員的駕駛狀態(tài)（清醒或疲勞）的標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，因此將實驗測得的心率信號作為參考，與消噪濾波后的背壓力信號進(jìn)行相關(guān)性分析。

其中，x，y分別表示背壓力和心率。

分別在清醒和疲勞狀態(tài)下，運用相關(guān)性式（1）對心率信號和處理后的背壓力信號分析，得駕駛員正常時心率與背壓力的相關(guān)系數(shù)為r=0.812 3，疲勞時心率與背壓力的相關(guān)系數(shù)為r=0.858 2。當(dāng)0.8≤|r|＜1時，表明相關(guān)等級為高度相關(guān)[7]，由此可知正常、疲勞狀態(tài)，背靠壓力與心率均在高度相關(guān)，背靠壓力可作為評定駕駛員疲勞程度的特征，即可利用面背壓傳感器進(jìn)行疲勞駕駛監(jiān)測。

圖6 小波處理后的背靠壓力信號

圖7 不同駕駛狀態(tài)下的心率

3 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬疲勞駕駛實驗，利用面背壓傳感器和心率傳感器分別采集駕駛員背靠壓力和心率信號，以心率信號為參考，分析背靠壓力和心率之間的相關(guān)性，得到兩者高度相關(guān)，故在疲勞駕駛監(jiān)測中可將背靠壓力信號作為判定駕駛員是否疲勞的主要依據(jù)。基于無儀器佩戴的疲勞駕駛監(jiān)測法對疲勞駕駛監(jiān)測及預(yù)警具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］王雯麗，孫玥，李龍驕，等.疲勞駕駛監(jiān)測的研究進(jìn)展［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009，37（07）：11-13.

［2］成波，馮睿嘉，張偉，等.基于多源信息融合的駕駛?cè)似跔顟B(tài)監(jiān)測及預(yù)警方法研究［J］.公路交通科技，2009（26）：13-18.

［3］Kobayashi F，Watanabe T，Watanabe M，et al．Blood Pressure and Heart Rate Variability in Taxi Drivers on Long Duty Schedules ［J］.Journal of Occupational Health．2002，44（4）：214-220.

［4］ PeterGrav， Kurt Krauchj， Vera Knoblauch， et al.Cir-cadian and wake-ependent modulation of fastest and slovest reaction times during the psychomotor vigilance tasks ［J］.Physiology&Behavior， 2004 （80）：695-701.

［5］（美）伯勒斯著，丙國勝，程正興，王文譯.小波與小波變換導(dǎo)論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［6］楊渝書，姚振強(qiáng)，李增勇.心電圖時頻域指標(biāo)在駕駛疲勞評價中的有效性研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2002（5）：94-95.

［7］李佳玉，王仲民，鄧三鵬，等.基于生理信號的疲勞駕駛研究［J］.機(jī)械工程師，2015（12）：25-26.