高速公路車輛防疲勞預警系統

班亞云?趙振軍

摘 要：本文介紹了一種基于公路路線設計規范的車輛疲勞預警系統，詳細闡述該系統運用的原理及可行性，并與國內外同類疲勞駕駛預警系統做出比較，用科學的方式降低高速公路上司機疲勞駕駛所造成的危害，且成本低廉。

關鍵詞：疲勞預警系統；高速公路；線路設計規范

1 概述

在社會節奏日益加快的今天，車輛已成為人們不可或缺的交通工具。然而在人類享受前所未有的便利與快捷的同時，也面臨著疲勞駕駛、超速駕駛和酒后駕駛引發交通事故的巨大威脅，其中最為常見的就是疲勞駕駛。據統計，因疲勞駕駛造成的交通事故占總數的20%左右，占特大交通事故的40%以上。隨著醫學的進步和計算機技術的迅猛發展，陸續涌現出一些基于駕駛員生理行為特征和車輛特性的檢測預警系統，并取得了一定的研究成果。

2 國內外同類系統的研究進展

2.1 基于醫學的檢測方法

研究表明，駕駛員在疲勞狀態下的生理指標會偏離正常值，醫學檢測是通過生理指標檢測對駕駛員的疲勞狀況進行分析和判斷。檢測方法有：腦電圖、心電圖、脈搏跳動、肌電圖等。生理傳感器大都有侵入性，不利于駕駛安全。駕駛員在疲勞狀態下，其心理和生理特征與正常狀態下有較大不同， 但目前反映這些特征變化的數據很難客觀地獲得。

2.2基于駕駛員行為特征的檢測方法

駕駛員行為特征的檢測方法有：“PERCLOS”檢測、頭部位置跟蹤判別、視線方向檢測和嘴部狀態檢測四種。這幾種檢測可實現非侵入式檢測，但大都需要攝像頭采集人臉圖像，成本較高，且檢測識別算法十分復雜，檢測結果易受環境變化和個體差異（個人的面部特征）的影響較大，因此也不適合普及。

2.3 基于車輛行為特征的檢測方法

基于車輛行為特征的檢測方法則是通過監視司機的駕駛操作行為來測定司機的疲勞狀況，如駕駛速度，方向盤的操縱情況和車道偏離檢測等。這種方法信號易提取、技術易實現、實現了非接觸，但檢測結果易受車型和駕駛環境的影響，特征參數疲勞程度的相關性也難以量化，不適合中國的路況，超車、被超、并線、壓線都會存在誤報。

3 高速預警系統原理及依據

現行各預警系統都存在不可避免的缺陷，故本文提出一種基于中國現行公路路線設計規范要求的系統，即高速預警系統。 該系統通過檢測車輛行為特征，判斷駕駛員是否處于疲勞狀態。當車輛行為特征顯示駕駛員處于疲勞狀態，高速預警系統便通過報警器進行報警，提醒駕駛員注意行車安全。

3.1 預警系統工作原理

高速預警系統根據車輪的運動狀態來判斷車子是否處于行駛狀態，再通過方向盤是否在規定時間內有過偏轉來判斷駕駛員是否處于疲勞狀態。若車子在行駛過程中，檢測方向盤在一定時間內沒被轉動，高速預警系統則判斷駕駛員處于疲勞駕駛狀態，此時裝置就會啟動報警器，提醒駕駛員注意路面狀況。當方向盤被重新轉動或車輪停止轉動5s后，報警器停止鳴叫。

檢測方向盤是否轉動采用的是霍爾原理，在方向盤處安置霍爾元件。也即在方向盤下表面固定一系列的磁鐵，在離方向盤2～3cm處的轉軸處固定一個霍爾傳感器（霍爾傳感器不隨轉軸而轉動），當方向盤下方磁鐵隨方向盤轉動掠過霍爾傳感器時，傳感器的一只引腳都會向單片機輸出信號。為了防止方向盤轉動的角度過小，轉動信號不易及時捕捉，還可在方向盤上固定較密集的磁鐵。當這一系列磁鐵中有一個掠過傳感器時，都會有信號傳給單片機，單片機以5s的頻率檢測信號（檢測時間可以更改，這里設成5s）的，經過分析系統即可判斷出方向盤是否轉動，可大大加強檢測精度。

檢測車輪與檢測方向盤的原理基本相同，檢測時間也可設為了5s（掃描時間可更改）。

3.2 方向盤信號檢測時間的設置

由于長直線行駛會使駕駛員感到單調、疲倦和急躁，易超速行駛，對行車安全極為不利，且不利于線形的連接。由于我國地域遼闊，地形差異較大，對高速公路直線長度很難做出統一規定，但一般以20V（設計時速）為宜。

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》規定高速公路應當標明車道的行駛速度，最高車速不得超過每小時120公里，最低車速不得低于每小時60公里。《公路路線設計規范》規定：當V≥60km/h時，同向圓曲線間的直線最小長度（以km計）以不小于6V為宜，反向圓曲線間的直線最小長度（以km計）以不小于2V為宜。

駕駛員在長直道路上也會由于路面的坡度，汽車齒輪磨損等各種原因，需要不停的轉動方向盤修正行車軌跡，使車輛在公路上沿著車道行駛。為了防止駕駛員在直線行車時因疲勞引發車禍，故考慮取行車在最短直線（即反向圓曲線間的最小直線長度2V）上的行駛時間作為設置時間，計算公式如下：

V—設計速度，km/h

為了給駕駛員2～3s的反應時間，使疲勞駕駛裝置起到提前預警的作用，我們建議把時間設定為5s.

4 高速預警系統的優點

該系統的實施只需單片機、霍爾感應器、磁鐵、報警器等簡單材料組件，相對于其他系統更為經濟合理。該系統實現了非侵入性，裝置不與駕駛員接觸，并不會引起駕駛員的不適和影響駕駛操作動作。而且，該系統疲勞特征簡單明顯，對其進行識別和提取的算法實時性也相對較好，抗干擾性和魯棒性較強。另外，該系統不易受個人及環境影響，信號提取和判斷較方便，可操作性也遠遠優于現有的檢測方法。

5 系統的拓展及展望

介于疲勞駕駛帶來的重大危害，疲勞駕駛檢測技術的研究又為道路交通安全提供了保障的可能性，具有重要的社會意義。近年來各種新技術與成果層出不窮，但都仍需不斷完善和改進。本系統可通過優化編程使之更加實用，如：如果駕駛員提前知道在疲勞駕駛，還可以通過設置預警安全等級（不同安全等級對應不同時間長度，越安全對應時長越短），使行車更加安全。

該系統在時間的設定上還存在一定的局限，故需要科研工作者在以后的工作里予以改善，使該系統更加合理，服務于我國的司機朋友們。

參考文獻

[1]薄純娟，徐國凱，宋鵬，李忠楠.疲勞駕駛檢測方法研究綜述[J].大連民族學院報.2013，（3）：266-270

[2]公路路線設計規范.JTG[S] D20—2006

[3]孫偉，張為公.疲勞駕駛檢測方法的研究進展[J].綜述.2009，（2）：1-17

作者簡介

班亞云（1992-），（第一作者），女，漢族，河南省原陽縣人，就讀于鄭州大學土木工程學院2011級交通工程專業。

趙振軍（1993-），（第二作者），男，漢族，甘肅省定西人，就讀于鄭州大學土木工程學院2011級交通工程專業。