潘東亮

摘 ? 要：針對機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)對安全行車的重要性及當(dāng)前乘務(wù)員精神狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)存在的不足，立足科技創(chuàng)新，研發(fā)機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置。裝置由圖像采集系統(tǒng)、圖像預(yù)處理系統(tǒng)、識別系統(tǒng)和提示預(yù)警系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車乘務(wù)員瞭望狀態(tài)實(shí)時識別、間斷瞭望分級報(bào)警、駕駛姿勢提醒報(bào)警、圖像采集器遮擋報(bào)警、機(jī)車0速度休眠、數(shù)據(jù)存儲分析功能。研發(fā)成功的機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置在包神鐵路機(jī)車上投入使用后，作用明顯，效果良好。

關(guān)鍵詞：乘務(wù)員 ?精神狀態(tài) ?預(yù)警 ?裝置

中圖分類號：U298 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0107-03

在國家能源集團(tuán)運(yùn)輸板塊中，包神鐵路處于大型樞紐、編組站位置，是國家能源集團(tuán)鐵路運(yùn)輸?shù)囊粋€重要的貨物出入口。近幾年來，由于生產(chǎn)方式和技術(shù)條件發(fā)生明顯變化，包神鐵路運(yùn)量逐年攀增，裝車站增多，機(jī)車乘務(wù)員勞動強(qiáng)度大，在操作過程中容易產(chǎn)生行車精神不振、瞭望精力不集中、甚至盹睡的行車精神狀態(tài)不佳問題。

機(jī)車乘務(wù)員行車精神狀態(tài)良好是列車運(yùn)行安全的重要保障，一旦列車運(yùn)行中機(jī)車乘務(wù)員行車精神狀態(tài)不佳，沒有及時發(fā)現(xiàn)異物人員侵限、設(shè)備異常等行車安全隱患并及時采取措施，輕則造成貨物、設(shè)備損失，貨運(yùn)任務(wù)暫時中斷，重者造成車毀人亡的惡性行車事故，甚至威脅到機(jī)車乘務(wù)員自身的生命安全。

在具體日常管理中，如何使機(jī)車乘務(wù)員始終保持良好的行車精神狀態(tài)，防止出現(xiàn)視線偏離、精神不振甚至盹睡等間斷瞭望問題，傳統(tǒng)的做法主要依靠機(jī)車乘務(wù)員的自身素質(zhì)及責(zé)任心和意志力，輔之以干部添乘檢查的手段進(jìn)行抽樣監(jiān)督檢查，但干部添乘檢查是一種抽樣式的監(jiān)督，不能做到全覆蓋，實(shí)時監(jiān)督檢查，且成本較高。

國內(nèi)外很多單位和個人都在積極研發(fā)針對乘務(wù)員疲勞駕駛的實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，第一種是根據(jù)大部分人疲勞時頭部會經(jīng)常向下傾斜的原理，申請了按照頭部狀態(tài)監(jiān)測疲勞的《駕駛疲勞提醒裝置》的實(shí)用新型專利。該裝置安裝在乘務(wù)員座椅枕部，采用紅外線傳感器測量乘務(wù)員頭部位置的變化，如果發(fā)生離開或偏移的情況，則及時啟動報(bào)警。但由于乘務(wù)員個體差異很大，一部分人在疲勞、瞌睡時頭部狀態(tài)不會變化，另外，寬松的帽子、頭上飾物等都會影響監(jiān)測結(jié)果，因此該技術(shù)具有很大的局限性。第二種是腕表型疲勞預(yù)警系統(tǒng)（TWS汽車駕駛），通過緊貼手腕的傳感器測量體溫，脈搏的變化，判斷人體的疲勞狀態(tài)，發(fā)出聲音、振動等刺激人體，達(dá)到提醒乘務(wù)員謹(jǐn)慎開車的目的。該技術(shù)存在很多人為因素，如：佩戴的松緊程度，人體胖瘦，出汗以及體表溫度等都會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。第三種是眼鏡型疲勞監(jiān)測裝置，這種報(bào)警裝置利用人困倦時眨眼一次的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常時的原理，通過眼鏡內(nèi)側(cè)的紅外線裝置監(jiān)測眨眼頻率觸發(fā)報(bào)警，提醒乘務(wù)員避免疲勞駕駛引發(fā)事故。但該技術(shù)對于佩戴近視眼鏡和習(xí)慣佩戴墨鏡的乘務(wù)員使用時很不方便。

因此，針對上述情況，立足科技創(chuàng)新，采用非介入方式、無需乘務(wù)員佩戴任何傳感器、不受乘務(wù)員個體差異和駕駛習(xí)慣的影響，可以實(shí)現(xiàn)乘務(wù)員在不同駕駛姿勢、不同照明狀況以及戴眼鏡、墨鏡等情況下的疲勞狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)乘務(wù)員的疲勞程度進(jìn)行語音警報(bào)提示，同時將報(bào)警時的圖像進(jìn)行存儲，有效確保列車運(yùn)行安全，為乘務(wù)員規(guī)范作業(yè)提供先進(jìn)、可靠的技術(shù)手段，提高行車安全系數(shù)，保障包神鐵路各車型機(jī)車行車的安全。

1 ?方案設(shè)計(jì)

包神鐵路機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置，旨在利用先進(jìn)的視頻圖像處理技術(shù)，針對機(jī)車乘務(wù)員由于睡眠不足或長時間駕駛出現(xiàn)的疲勞狀態(tài)，導(dǎo)致乘務(wù)員注意力不集中、判斷能力下降、出現(xiàn)動作遲誤、操作停頓、修正時間不當(dāng)?shù)炔话踩蛩?，在列車運(yùn)行過程中實(shí)時監(jiān)測乘務(wù)員的精神狀態(tài)，且在乘務(wù)員精神狀態(tài)不佳時，在限定的時間內(nèi)發(fā)出提示報(bào)警信號，提醒駕駛員保持良好的精神狀態(tài)，為行車安全提供新的科學(xué)技術(shù)手段。

1.1 原理

以目前世界先進(jìn)的人臉生物特征識別技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合PERCLOS（眼睛閉合時間占某一特定時間的百分率）方法識別人眼狀態(tài)，并融合人體姿態(tài)、運(yùn)動特征，實(shí)現(xiàn)機(jī)車乘務(wù)員瞭望狀態(tài)智能識別。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

包神鐵路機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置由圖像采集系統(tǒng)、圖像預(yù)處理系統(tǒng)、識別系統(tǒng)和提示預(yù)警系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）圖像采集系統(tǒng)。

圖像采集系統(tǒng)主要包括特制的攝像頭和圖像采集卡。攝像頭對駕駛員影像進(jìn)行實(shí)時采集，并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將模擬信號傳遞給圖像采集卡實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。采集系統(tǒng)在復(fù)雜的照明環(huán)境下保證能夠盡可能地降低外界各種光照的干擾，提供清晰的高質(zhì)量圖像。為了減小日光對系統(tǒng)的干擾，設(shè)計(jì)了主動紅外照明系統(tǒng)，有效地濾除其它頻帶光的干擾，而且攝像頭帶有自動增益控制電路，使得它可以提供亮度合適的視頻圖像流。同時對攝像頭的焦距進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使得攝像頭視場內(nèi)圖像主要以司機(jī)的面部為主，同時又保證在司機(jī)正常動作時不至于偏離視場，這樣可以有效減弱背景物的干擾，使得圖像處理更加簡單穩(wěn)定，提高視頻處理的速度。

（2）圖像預(yù)處理系統(tǒng)和識別系統(tǒng)。

由攝像頭采集的視頻流經(jīng)過圖像卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)過DSP電路進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的工作主要實(shí)現(xiàn)人面部和眼睛的圖像定位分割，分割后的圖像交給FPGA識別系統(tǒng)進(jìn)行識別，如果識別為疲勞狀態(tài)（系統(tǒng)疲勞狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)有兩個，一個是眼睛閉合或者明顯縮小的持續(xù)時間超過閾值時間，第二個是面部姿勢不正常時間超過閾值時間），則觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警，否則提供反饋信號給DSP圖像預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行下一幀處理。

裝置中的攝像頭經(jīng)過了專門設(shè)計(jì)，能有效濾除外界光的干擾和背景干擾，使圖像預(yù)處理工作更加簡單和穩(wěn)定，識別更加可靠。由于使用了主動紅外照明系統(tǒng)，人眼虹膜反射特征非常明顯，使得系統(tǒng)對眼球的判斷非常準(zhǔn)確，判斷通過三種方法協(xié)同進(jìn)行：（1）對定位的眼睛進(jìn)行輪廓提取，根據(jù)幾何特征判斷是否為眼睛;（2）將人眼圖像輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷器進(jìn)行判斷;（3）通過眼睛虹膜反射特征進(jìn)行判斷。判斷完成后，設(shè)計(jì)了一個計(jì)數(shù)器對判斷為疲勞狀態(tài)的眼睛圖像幀進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果單位時間內(nèi)這種幀數(shù)超過某一特定閾值，就要報(bào)警，否則進(jìn)行下一幀處理。疲勞狀態(tài)表現(xiàn)在面部變化情況：當(dāng)乘務(wù)員低頭、轉(zhuǎn)頭時，檢測到的人臉范圍會比正常情況下小，啟動臉部監(jiān)測計(jì)時器，當(dāng)單位時間內(nèi)處理幀數(shù)超過設(shè)定的閾值時，進(jìn)行報(bào)警，否則進(jìn)行下一幀處理（見圖2）。

（3）提示預(yù)警系統(tǒng)。

乘務(wù)員狀態(tài)采用三級疲勞報(bào)警，報(bào)警信息傳送至中央處理平臺，由中央處理平臺根據(jù)報(bào)警級別發(fā)出不同的警示聲音。

2 ?功能實(shí)現(xiàn)

包神鐵路機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置實(shí)現(xiàn)了以下功能。

（1）瞭望狀態(tài)實(shí)時識別。

采用智能圖像處理方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)車乘務(wù)員精神狀態(tài)智能識別。系統(tǒng)能夠全天候?qū)崟r在線監(jiān)測乘務(wù)員的瞭望狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到乘務(wù)員有視野偏離、精神不振等間斷瞭望現(xiàn)象時，立即實(shí)時分級語音報(bào)警，在線提醒乘務(wù)員，使之保持專注瞭望，間斷瞭望現(xiàn)象消除后語音報(bào)警隨即結(jié)束。

（2）間斷瞭望分級報(bào)警。

采用三級報(bào)警提醒機(jī)制，按照被監(jiān)測乘務(wù)員間斷瞭望，盹睡的持續(xù)時間分三級報(bào)警提醒機(jī)制，在線發(fā)出語音報(bào)警。

一級報(bào)警：間斷瞭望持續(xù)10s;

二級報(bào)警：間斷瞭望持續(xù)15s;

三級報(bào)警： 間斷瞭望持續(xù)20s;

各級報(bào)警時間，可根據(jù)實(shí)際需求通過軟件調(diào)整設(shè)置。

（3）駕駛姿勢提醒報(bào)警。

根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員面部在圖像采集器中的位置，判斷機(jī)車乘務(wù)員駕駛過程中的值乘姿勢，當(dāng)乘務(wù)員坐姿不正，面部持續(xù)60s不在正確位置時，在線發(fā)出提醒語音。

（4）圖像采集器遮擋報(bào)警。

根據(jù)圖像采集器采集到的視頻畫面，分析圖像采集器是否遮擋，當(dāng)圖像采集器被惡意或意外遮擋持續(xù)600s時，在線發(fā)出語音報(bào)警。

（5）數(shù)據(jù)存儲分析功能。

全程監(jiān)測乘務(wù)員瞭望狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車乘務(wù)員出現(xiàn)間斷瞭望現(xiàn)象觸發(fā)語音報(bào)警時，系統(tǒng)自動形成數(shù)據(jù)記錄存儲在內(nèi)在存儲器中。通過系統(tǒng)的地面分析軟件，自動生成退勤憑證和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，管理者可分權(quán)限對重點(diǎn)事件、重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)人員的瞭望狀態(tài)進(jìn)行檢索和分析，針對問題采取管理措施，為安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供重要的技術(shù)支撐。

（6）機(jī)車0速度休眠。

在機(jī)車運(yùn)行速度等于0km/h時，裝置自動終止檢測，進(jìn)入待機(jī)模式。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行速度大于0km/h時，裝置自動啟動進(jìn)入檢測模式。

3 ?研制創(chuàng)新

3.1 理論創(chuàng)新

（1）使用紅外窄帶非可見主動照明光源照明，減弱外界光的干擾，可以全天候獲得亮度穩(wěn)定的視頻流圖像，同時可以獲得較強(qiáng)的眼睛虹膜反射特征，極大簡化了眼睛定位和識別過程，提高了識別的準(zhǔn)確率，誤判率小于1%，;由于墨鏡主要阻斷可見光波段，使用主動紅外照明光源照明，對墨鏡的通透率大于80%，可以有效減弱墨鏡的干擾。

（2）特定的攝像焦距，可以獲得合適尺寸的視場，有效消除背景物干擾，提高后續(xù)圖像處理的速度和穩(wěn)定性。

3.2 應(yīng)用創(chuàng)新

本裝置很好地解決了制約人員疲勞狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測技術(shù)推廣應(yīng)用的三個難題。

（1）車內(nèi)環(huán)境照度變化大，如何實(shí)時獲得準(zhǔn)確、清晰的臉部特征;

（2）無需事先進(jìn)行圖像注冊，就可以準(zhǔn)確定位面部和眼睛，實(shí)時地提取面部的各種動態(tài)參數(shù)并進(jìn)行正確識別;

（3）識別率不夠精確。

找到了一種全新的解決機(jī)車乘務(wù)員行車精神和瞭望狀態(tài)的獨(dú)特的監(jiān)測方法。采用非可見光源，不會對機(jī)車乘務(wù)員造成任何不舒適的感覺，可全天候采集機(jī)車乘務(wù)員面部狀態(tài)的視頻流圖像，應(yīng)用非接觸式監(jiān)測方式更加人性化。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新

綜合利用面部特征和眼睛識別，提高系統(tǒng)的可靠性;對是否眼睛以及眼睛狀態(tài)的判斷使用了三種并行判斷方法（虹膜特征判斷、幾何特征判別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別），有效地減小了誤警率，預(yù)警率達(dá)到95%以上，對眼睛的定位率達(dá)到100%;使用幀間關(guān)聯(lián)對眼睛進(jìn)行定位，極大減少了系統(tǒng)運(yùn)行的時間，采集和處理視頻圖像的速度達(dá)到了每秒15幀。同時能夠存儲提醒時段的視頻數(shù)據(jù)，具有機(jī)車乘務(wù)員間斷瞭望圖像的追溯分析功能。

3.4 工藝創(chuàng)新

（1）圖像采集器。

采用整體屏蔽，很好地解決了抗干擾問題;鏡頭防護(hù)罩采用導(dǎo)電玻璃，解決了鏡頭端電磁屏蔽的難點(diǎn);電纜屏蔽層與采集器外殼連接處采用雙層壓接，增加了連接的可靠性。

（2）主機(jī)。

高電磁兼容，不會與其它設(shè)備互相影響。防震設(shè)計(jì)，抗震功能較強(qiáng)。上下機(jī)箱連接處采用銅箔鑲嵌，解決了機(jī)箱接縫處電磁屏蔽問題。

所有信號引出線設(shè)置磁芯電感，電源設(shè)置了雙重濾波，提高了整機(jī)抗干擾能力。

3.5 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

（1）采集器采用全屏蔽結(jié)構(gòu);

（2）采集器旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)軸采用齒牙咬合結(jié)構(gòu);

（3）主機(jī)散熱采用機(jī)殼與發(fā)熱元件緊配合的結(jié)構(gòu)，使整個機(jī)箱起到散熱效果。采用全金屬外殼，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡單;體積小、重量輕，安裝和使用方便。

3.6 指標(biāo)創(chuàng)新

（1）裝置自檢：裝置通電后即開始自檢，時間20～30s;

（2）瞭望監(jiān)測：裝置自檢后自動進(jìn)入監(jiān)測、預(yù)警狀態(tài);

（3）監(jiān)測方式：15幀/S實(shí)時監(jiān)測;

（4）預(yù)警提示：當(dāng)機(jī)車乘務(wù)員出現(xiàn)間斷瞭望狀態(tài)時，發(fā)出提示語音，如果機(jī)車乘務(wù)員沒有恢復(fù)專注瞭望狀態(tài)，則預(yù)警聲就持續(xù)不停，預(yù)警聲音強(qiáng)度大于100db;

（5）預(yù)警取消：機(jī)車乘務(wù)員在得到提示，恢復(fù)正視運(yùn)行方向，報(bào)警聲自動取消;

（6）識別率：>95%。

4 ?裝置應(yīng)用

包神鐵路乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置研發(fā)成功后，為包神鐵路機(jī)務(wù)分公司DF4 型、DF12 型、GKD3型、SS4B 型、HXD1 型機(jī)車分別進(jìn)行了裝車，并在運(yùn)用分析室全部電腦上安裝了網(wǎng)絡(luò)版地面分析軟件，可對機(jī)車運(yùn)行過程中乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提高了分析效率。

自2018年2月8日—2018年5月8日運(yùn)用期間，裝置累計(jì)報(bào)警提醒次數(shù)264次。其中一級提醒130次，二級提醒31次，三級提醒18次，駕駛姿勢提醒85次，遮擋報(bào)警提醒0次。

自2018年5月8日至2018年8月8日運(yùn)用期間，裝置累計(jì)報(bào)警提醒次數(shù)178次。其中一級提醒87次，二級提醒23次，三級提醒11次，駕駛姿勢提醒57次，遮擋報(bào)警提醒0次（見表1）。

綜上所述，報(bào)警次數(shù)呈現(xiàn)階梯下降趨勢，說明裝置起到了很好的作用。裝置運(yùn)行以來工作穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測機(jī)車乘務(wù)員工作狀態(tài)，并在其出現(xiàn)打盹、間斷瞭望時及時發(fā)出報(bào)警提示，使用效果良好。

5 ?結(jié)語

包神鐵路乘務(wù)員精神狀態(tài)預(yù)警提醒裝置采用多項(xiàng)高新技術(shù)，根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員的臉部特別是眼部動態(tài)參數(shù)圖像視頻流，精確判斷機(jī)車乘務(wù)員的行車精神和瞭望狀態(tài)，事先預(yù)警，避免因機(jī)車乘務(wù)員行車精神不振、間斷瞭望造成重大安全事故發(fā)生，為鐵路行車安全提供有力的技術(shù)支持和可靠保障，顯著提升鐵路行車安全管理的信息化和自動化水平，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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