曾 杰，王 戡，胡 雄，吳昆倫

(重慶車輛檢測研究院 國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗中心(重慶)，重慶 401122)

0 引言

近年來，隨著公路運輸業(yè)快速發(fā)展、客貨運輸需求不斷擴大，客貨車發(fā)生嚴重交通事故頻次也越來越高，人為因素造成交通事故的比例高達80%～90%[1-2], “兩客一?！避囕v的道路運輸安全受到國家部委的高度重視[3-4]。機動車駕駛員作為控制車輛運行的責任主體，其操作車輛行為是否安全直接影響道路交通安全[5-6],駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)可以利用圖像、聲音、生物感知等技術(shù)辨識駕駛員的駕駛狀態(tài)，并將駕駛員不安全駕駛行為保存至行車記錄系統(tǒng)，保證事前預(yù)防、事后可查[7-8]。針對城市公交車和“兩客一?！避囕v，交通運輸部發(fā)布了《交通運輸部辦公廳關(guān)于推廣應(yīng)用智能視頻監(jiān)測報警技術(shù)的通知》(交辦運[2018]115號)，簡稱115號文，正在大力推廣應(yīng)用駕駛行為監(jiān)測系統(tǒng)。目前，針對駕駛員不安全駕駛行為的識別問題，國內(nèi)外學者展開了廣泛研究。丁伍洋[9]等基于不確定性云模型理論的眼動參數(shù)描述方法，提出云發(fā)生器算法建立了疲勞監(jiān)測的眼動參數(shù)云融合模型評估方法。Liu[10]、Fatima[11]、Yassine[12]等利用基于視覺的深度學習算法識別面部表情，提升駕駛員疲勞狀態(tài)識別準確率。方斌[13]、蔡菁[14]、You[15]等基于多攝像頭在復(fù)雜工況下的駕駛員瞳孔位置檢測、眼睛狀態(tài)識別和面部疲勞表情識別問題展開研究，Murugan[16]、Morales[17]、Jing[18]等提出利用生物電流分析駕駛員生理狀態(tài)，從而推測駕駛員疲勞情況。綜上所述，國內(nèi)外學者主要基于機器視覺技術(shù)研究駕駛員疲勞的識別問題，而針對駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)的測試與評價方法少有學者研究。由于駕駛行為檢測系統(tǒng)的研發(fā)企業(yè)缺乏有效的、重復(fù)性的、標準化的測試規(guī)程和手段，現(xiàn)有的駕駛員疲勞檢測設(shè)備的功能、性能、可靠性等還未能得到全面測試與評價。國內(nèi)外還未見公開發(fā)布的駕駛員行為監(jiān)測系統(tǒng)的檢驗標準和測試評價規(guī)范，相關(guān)的檢測方法、手段還不成熟。目前，采用基于測試員做出疲勞動作的測試方案，需要讓測試員坐在駕駛位上做出各種疲勞動作，存在疲勞動作的可重復(fù)性和可控性差，環(huán)境光照和車輛運行振動環(huán)境不可控的問題。因此，研發(fā)一套標準化的駕駛員疲勞檢測終端測試系統(tǒng)，對建立起標準化的測試規(guī)程和測試手段具有重要意義。

1 測試平臺構(gòu)架

本研究根據(jù)前期測試駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)積累的測試經(jīng)驗和行業(yè)發(fā)展需求，研發(fā)了駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在環(huán)測試平臺。測試平臺主要由仿生機器人、六自由度駕駛模擬器、光照模擬器、被測系統(tǒng)、語音識別麥克風、監(jiān)控攝像機、上位機、控制與數(shù)據(jù)處理軟件平臺等主要子系統(tǒng)組成，原理構(gòu)架如圖1所示?？刂婆c數(shù)據(jù)處理軟件是駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在環(huán)測試平臺的測試管理軟件，軟件集成了環(huán)境光照模擬系統(tǒng)、仿生機器人動作控制算法 、語音內(nèi)容識別算法、自動化測試等，實現(xiàn)自動化測試控制與測試結(jié)果分析功能。測試平臺測試執(zhí)行疲勞測試的步驟：

圖1 駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在環(huán)測試平臺Fig.1 Driver fatigue detection system in-loop testbed

(1)上位機軟件編輯自動化測試腳本；

(2)光照模擬器運動至制定位置和控制光照強度；

(3)控制仿生機器人做出疲勞動作；

(4)語音識別系統(tǒng)捕獲被測系統(tǒng)報警語音信號，并識別報警內(nèi)容；

(5)語音識別結(jié)果與仿生機器人動作對比；

(6)執(zhí)行下一條測試腳本；

(7)腳本執(zhí)行完成，自動化生成測試報告。

1.1 仿生機器人

在國外，仿生機器人已經(jīng)規(guī)?；瘧?yīng)用于教育、醫(yī)療、咨詢等領(lǐng)域，已經(jīng)具備成熟的動作應(yīng)用基礎(chǔ)。本研究所使用的仿生機器人面部由硅膠倒模制作，頭部由5個關(guān)節(jié)組成，眼瞼、眼球有獨立控制電機驅(qū)動， 可實現(xiàn)眼瞼開合、眼珠轉(zhuǎn)動、嘴巴開合、頭部轉(zhuǎn)動、頭部俯仰、眨眼、閉眼等動作。機器人單手臂機械本體采用七自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用智能柔性執(zhí)行器作為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，控制精度達到工業(yè)級應(yīng)用水平。仿真機器人手臂的6個關(guān)節(jié)采用串聯(lián)方式連接,手臂的外罩根據(jù)關(guān)節(jié)運動特點以及人體外皮膚尺寸進行仿生設(shè)計。機器人手采用創(chuàng)新型直線驅(qū)動設(shè)計，手掌內(nèi)部集成了6 個微型直線伺服驅(qū)動器和 5 個壓力傳感器，可以模擬人手實現(xiàn)精準的抓取動作，可實現(xiàn)抽煙、打電話動作。

1.2 光照模擬系統(tǒng)

根據(jù)本實驗室前期積累的大量實車測試經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)光照條件是影響駕駛員疲勞動作識別率的重要組成因素之一。本測試平臺使用光照模擬系統(tǒng)模擬外部環(huán)境光照條件，提升了實驗室測試時環(huán)境光照條件真實度。光照模擬系統(tǒng)常用的勻光結(jié)構(gòu)有兩種：一種是鏡面反射、透射為主的勻光結(jié)構(gòu)，它一般采用燈陣、反射鏡，透鏡陣列等光學器件進行組合；另一種是漫反射為主的勻光結(jié)構(gòu)，主要通過封閉的漫反射環(huán)境來實現(xiàn)勻光。 本測試平臺使用的是鏡面反射為主的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由4組燈光組成，上部有電動支架調(diào)節(jié)高度和光源角度，底部有移動導軌和電機組成調(diào)整光源位置、俯仰角度，從而覆蓋測試平臺的光源需求。根據(jù)測試場景需求，設(shè)計了如圖3所示的光柵格板，板上切割了多個不同尺寸、不同形狀的小孔，實現(xiàn)車輛行駛在樹蔭陽光交替時的光照條件模擬。

圖2 光照模擬系統(tǒng)Fig.2 Illumination simulation system

圖3 光柵格板Fig.3 Raster grid plate

2 測試評價標準及測試執(zhí)行

2.1 測試評價方法

本研究根據(jù)115號文所要求的測試規(guī)范和部分測試項目展開，對比駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在環(huán)測試平臺與測試員測試的兩種方式，在一致性、重復(fù)性、測試效率方面的表現(xiàn)。本研究選取了以下測試項目：(1)疲勞駕駛報警: 眨眼、打哈欠、閉眼與打哈欠組合；(2)接打手持電話報警:手持電話、打電話；(3)長時間未目視前方報警：左看、右看；(4)抽煙報警：抽煙；(5)設(shè)備失效報警: 紅外阻斷墨鏡、遮擋物；115號文對測試人員的穿戴、環(huán)境光照和震動條件也提出了相應(yīng)要求：被測系統(tǒng)能夠在全部工況環(huán)境下(白天、夜晚、順光、逆光、側(cè)光、樹蔭、陽光交替閃爍，車輛震動等)實現(xiàn)駕駛員駕駛狀態(tài)識別；在駕駛員佩戴帽子、眼鏡、墨鏡(紅外可穿透)、口罩等情況下正常工作，其中戴口罩不適用于打哈欠動作的測試。

2.2 測試執(zhí)行流程

測試員測試的方式是指測試員坐在六自由度駕駛模擬器的駕駛位上，模擬相應(yīng)的測試動作進行測試，測試員坐立位置與仿生機器人相同，為主駕駛位。

2.2.1 測試平臺震動輸入

本研究在營運客車道路測試上積累的典型車輛縱向震動的加速度曲線作為震動路譜輸入，如圖4所示。該曲線來自于實車運行結(jié)果，路面為典型的城市快速路段，平整度略差于封閉式高速路段。將路譜導入至場景軟件中，場景軟件將路面振動激勵通過六自由度駕駛平臺進行復(fù)現(xiàn)，六自由度駕駛平臺可以根據(jù)放大系數(shù)調(diào)整振動幅度。

圖4 六自由度駕駛平臺模擬的振動輸入 Fig.4 Vibration input of 6-DOF driving platform simulation

2.2.2 環(huán)境光照模擬

本研究選取天氣晴朗的夏季中午時分，在試驗場的動態(tài)廣場四周空曠情況下，將客車行駛至動態(tài)廣場中間位置，通過調(diào)整車頭不同朝向角度模擬逆光、側(cè)光、順光等光照情況，利用照度計記錄在駕駛位駕駛員頭部的光照強度。利用記錄的光照度列表，在實驗室中調(diào)整光照模擬器的亮度和光源位置，模擬環(huán)境光照對被測設(shè)備性能的影響。戴上近視眼鏡測試閉眼動作，逆光時更容易造成眼鏡有強烈的反光情況，從而導致檢測效果較差，容易出現(xiàn)漏報或誤報。實驗室中模擬的逆光場景，與測試員在空曠試驗場進行逆光測試的表現(xiàn)一致。實驗室四周可以完全封閉，達到較為黑暗的光照條件，從被測系統(tǒng)截取黑暗光照條件下的仿生機器人面部識別結(jié)果。利用圖3的格柵板，模擬車輛行駛在樹蔭陽光交替時的光照效果，結(jié)合光源位置、光照強度、燈光開啟數(shù)量，實現(xiàn)不同時刻的環(huán)境光照條件模擬。

2.2.3 測試流程

使用測試員測試的流程如圖5所示，測試員根據(jù)屏幕的提示時間作出相應(yīng)動作，記錄員根據(jù)被測系統(tǒng)發(fā)出的報警時刻進行記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時負責監(jiān)督測試員的測試動作是否規(guī)范。使用測試平臺測試的方式，可配置測試動作列表、測試動作數(shù)量、光源位置、光照強度等參數(shù)，自動化執(zhí)行測試腳本并生成數(shù)據(jù)分析報告。

圖5 測試員方式的測試流程Fig.5 Test process of test engineer mode

3 測試結(jié)果評價與分析

本研究一共選取了3款不同企業(yè)生產(chǎn)的駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)，分析仿生機器人模擬疲勞動作對被測系統(tǒng)的影響，并主要對比整體測試效率、動作重復(fù)性、誤報率、漏報率、準確率、檢出率等評價指標。誤報率=錯誤報警/測試組動作數(shù)量，準確率=1-誤報率，檢出率=報警數(shù)量/測試組動作數(shù)量，漏報率=1-檢出率。左/右看和抬/低頭的每種動作分別50次，其余每50次動作為1組。將佩戴眼鏡、帽子、口罩等道具的測試工況，平均分配至每個測試組。

3.1 駕駛員疲勞動作識別對比分析

3款駕駛員行為監(jiān)測系統(tǒng)在相同測試條件下，人類測試員測試與仿生機器人測試的結(jié)果如圖6～8所示。根據(jù)測試對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：(1)3款被測系統(tǒng)在測試平臺上產(chǎn)生的總體誤報率比測試員測試的方式低；(2)被測系統(tǒng)1以測試員測試抽煙、打電話、左/右看動作的漏報率相對更低，兩種測試方式的漏報率差最大為4%(2次動作)；(3)被測系統(tǒng)2在測試平臺上產(chǎn)生的抽煙、打電話漏報率比測試員測試的方式高，兩種測試方式的漏報率差最大為6%(3次動作)；(4)被測系統(tǒng)3在測試平臺上產(chǎn)生的左/右看漏報率比測試員測試的方式高，兩種測試方式的漏報率差距最大為4%(2次動作)；(5)攝像頭遮擋和佩戴阻斷墨鏡工況，兩種測試方式的測試結(jié)果一致；(6)3款被測系統(tǒng)在測試平臺上的總體誤報率、漏報率表現(xiàn)與測試員測試的方式較為接近，僅有2～3次動作識別結(jié)果的差異；(7)仿生機器人模擬的疲勞動作能夠代替測試員測試的方式。

圖6 系統(tǒng)1—測試結(jié)果對比(單位:%)Fig.6 System 1— comparison of test results (unit:%)

圖7 系統(tǒng)2—測試結(jié)果對比(單位:%)Fig.7 System 2—comparison of test results(unit:%)

圖8 系統(tǒng)3—測試結(jié)果對比(單位:%)Fig.8 System 3—comparison of test results (unit:%)

3.2 報警延遲時間對比分析

系統(tǒng)對疲勞動作的識別報警延遲是一個重要的測評指標，報警過早會造成干擾、報警過晚不利于提醒疲勞的駕駛員。3款駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在相同測試條件下，兩種測試方式的對比結(jié)果如圖9所示。根據(jù)測試對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：(1)3款被測系統(tǒng)在測試平臺上產(chǎn)生的總體報警延遲時間比測試員測試的方式低；(2)對比兩種測試方法，3款被測系統(tǒng)對遮擋與阻斷墨鏡工況的報警延遲時間表現(xiàn)接近一致；(3)測試員測試方式的報警延遲時間記錄較為粗糙，根據(jù)仿生機器人動作的執(zhí)行開始時間與被測系統(tǒng)報警發(fā)出時刻進行準確的差值，測試平臺測試的方式可對報警延遲時間進行準確評價。

圖9 報警延遲時間對比(單位:s)Fig.9 Comparison of alarm delay time(unit:s)

3.3 測試效率與動作一致性對比分析

3款駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在相同測試條件下，兩種測試方式的耗時對比結(jié)果如圖10所示。有效測試時間是指完成一組連續(xù)測試動作的時間，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計是指對測試記錄的結(jié)果進行處理耗時，使用測試員測試的無效測試時間主要組成：(1)測試員不規(guī)范動作;(2)測試員其他原因中斷連續(xù)測試;(3)調(diào)整車輛位置;(4)更換測試人員;(5)更換測試道具。測試平臺測試方式的無效測試時間主要組成：(1)調(diào)整光源位置;(2)更換測試道具;(3)測試系統(tǒng)死機。測試員測試3款被測系統(tǒng)的無效測試時間占比已超總測試耗時約為50%，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間占總測試時間約為16%。測試平臺測試3款被測系統(tǒng)的無效測試時間占總測試耗時約為30%，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間占總測試耗時約為3%。使用仿生機器人模擬駕駛員疲勞動作的重復(fù)性、一致性都完全優(yōu)于測試員測試的方式，兩種測試方式的有效測試時間接近，測試員測試的無效測試時間超過測試平臺測試的無效時間3倍以上。相對于測試員測試方式，使用測試平臺至少可縮短50%的總測試時間。

圖10 測試用時對比(單位:h)Fig.10 Comparison of test time consumption(unit:h)

4 結(jié)論

本研究利用駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)在環(huán)測試平臺，根據(jù)115號文的部分測試要求對3款駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)進行了性能測試，并與測試員測試的方式進行對比，結(jié)果表明：

(1)使用仿生機器人模擬駕駛員的疲勞動作，對3款被測系統(tǒng)的誤報率影響較小，但需進一步優(yōu)化仿生機器人的動作以降低對被測系統(tǒng)識別動作的漏報率。

(2)利用測試平臺可以提升對被測系統(tǒng)的報警延遲時間評價準確性。

(3)利用測試平臺可以明顯提高被測系統(tǒng)的測試評價效率，同時減少測試員對測試評價結(jié)果的主觀與客觀影響。

本研究將在后續(xù)工作中，將進一步收集不同駕駛員在駕駛時的抽煙、打電話、雙手脫離方向盤等動作數(shù)據(jù)，優(yōu)化仿生機器人模擬駕駛員疲勞動作的準確性。