基于ETC 門架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)

湯海天

（廣州快速交通建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510470）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展和交通流量的日益增長，高速公路已成為人們出行和物流運輸?shù)闹匾ǖ馈Ｈ欢S著高速公路車輛的激增[1]，駕駛員疲勞駕駛問題對于交通安全是一項極大隱患，不可忽視。因此，研究高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)具有重要的理論意義和實際價值[2]。疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)可以針對駕駛員在長時間駕駛過程中出現(xiàn)的疲勞狀態(tài)進行監(jiān)測、預(yù)警，一旦駕駛員出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，預(yù)警系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警告，提醒駕駛員采取適當(dāng)措施[3]，避免因疲勞駕駛引發(fā)的交通事故。受視覺、車速等多種因素影響，目前的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)存在嚴(yán)重的預(yù)警錯漏，因此，需要結(jié)合駕駛影響因素，設(shè)計一種有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。

事實上，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)主要通過監(jiān)測駕駛員的生理、行為和車輛狀態(tài)等參數(shù)來識別駕駛員的疲勞狀態(tài)。其預(yù)警系統(tǒng)主要包括以下幾部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、疲勞狀態(tài)識別預(yù)警[4]。數(shù)據(jù)采集是疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的第一步，主要用于獲取駕駛員的相關(guān)信息，包括面部表情、眼部狀態(tài)、頭部運動、聲音等。此外，還可以通過車輛狀態(tài)信息[5]，如行駛時間、速度、加速度等來間接判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集方法主要包括圖像采集、聲音采集和車輛狀態(tài)信息獲取等。數(shù)據(jù)處理主要包括增強和特征提取等，提取出與駕駛員疲勞狀態(tài)相關(guān)的特征[6]。疲勞狀態(tài)識別預(yù)警主要結(jié)合車輛狀態(tài)信息，構(gòu)建出反映駕駛員疲勞狀態(tài)的模型，再根據(jù)疲勞狀態(tài)識別結(jié)果來發(fā)出相應(yīng)的警告。結(jié)合上述部分，本文基于ETC 門架智慧感知設(shè)計了一種有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計

1.1 TGAM 腦電信號處理芯片

為提升高速公路疲勞駕駛預(yù)警效果，需要不斷采集駕駛員的腦電信號。因此，本文設(shè)計的方法高速公路疲勞預(yù)警系統(tǒng)選取TGAM 芯片作為腦電信號處理芯片，該芯片屬于可編程芯片，采樣頻率較高，且能對采集的信號進行濾波處理，通過AD 轉(zhuǎn)換輸出腦電信號采集結(jié)果。除此之外，TGAM 腦電信號處理芯片還可對采集的腦電信號進行過濾，整體運行功耗較低，該腦電信號處理芯片的正反面示意圖如下圖1 所示。

圖1 TGAM 腦電信號處理芯片示意圖

由圖1 可知，在預(yù)警過程中，TGAM 腦電信號處理芯片可以進行濾波與去噪處理，全面提高預(yù)警系統(tǒng)的運行流暢性。

1.2 BlueCore4-Ext 藍牙通信芯片

BlueCore4-Ext 藍牙芯片屬于高性能預(yù)警芯片，靈敏度較高，滿足疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警要求，因此，本文選取該藍牙芯片作為系統(tǒng)核心通信芯片，該芯片配置的指令如下表1 所示。

表1 BlueCore4-Ext 藍牙芯片指令

由表1 可知，利用上述藍牙指令可以自動對通信指令進行加密，實現(xiàn)高速預(yù)警響應(yīng)，降低疲勞駕駛預(yù)警風(fēng)險。

2 軟件設(shè)計

2.1 基于ETC 門架智慧感知生成預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心

預(yù)警數(shù)據(jù)分析是預(yù)警的核心部分。目前大多數(shù)高速公路疲勞駕駛系統(tǒng)的預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心覆蓋率較低，難以實時獲取駕駛狀態(tài)。本文設(shè)計系統(tǒng)基于ETC 門架智慧感知生成了預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心，主要采用“1+2+3”模式：“1”為一套算法[7]，算法計算車輛行駛時間，判斷有無疲勞駕駛行為；“2”為2 個節(jié)點，ETC 交易門架為第一個節(jié)點（數(shù)據(jù)分析），ETC 交易門架后方的情報板為第二個節(jié)點（信息發(fā)布）；“3”為3 個區(qū)間，分別是探測感知區(qū)、警示誘導(dǎo)區(qū)和安全分流區(qū)，該預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心的分析模式如下圖2 所示。

圖2 預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心分析模式

由圖2 可知，在實際疲勞駕駛預(yù)警過程中，車輛首先會經(jīng)過探測感知區(qū)，利用ETC 門架進行數(shù)據(jù)分析，接下來駛?cè)刖菊T導(dǎo)區(qū)，發(fā)布相關(guān)的情報，最后再得出預(yù)警結(jié)果，判斷是否要發(fā)出預(yù)警[8]。

在高速公路疲勞駕駛預(yù)警過程中，若獲取的駕駛數(shù)據(jù)源相互矛盾時，會大大降低預(yù)警的可信度，造成預(yù)警異常，為確保系統(tǒng)可靠度，該預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心引入了智慧預(yù)警模板，自動更新預(yù)警下位機，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)送至情報板中，生成的預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心發(fā)布邏輯如下圖3 所示。

圖3 預(yù)警數(shù)據(jù)分析中心發(fā)布邏輯

由圖3 可知，根據(jù)上述的發(fā)布邏輯可以將各個區(qū)域的數(shù)據(jù)進行有效整合，生成OD 矩陣，實現(xiàn)預(yù)警數(shù)據(jù)定量分析，保證了系統(tǒng)的綜合運行性能。

2.2 設(shè)計高速公路疲勞駕駛預(yù)警判斷算法

高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)在預(yù)警的過程中需要不斷地進行疲勞駕駛判斷，該過程中需要高性能預(yù)警判斷算法作支持。本文根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感問題[9]，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了有效的高速公路疲勞駕駛預(yù)警判斷算法。可以計算各個隨機變量的聯(lián)合概率分布，對無關(guān)變量進行獨立性假設(shè)，定義式P（X）如式（1）所示。

式（1）中：P（Xi︳π（Xi）)代表滿足獨立性假設(shè)的條件概率變量，根據(jù)疲勞駕駛判斷證據(jù)變量與查詢變量的聯(lián)系，可以進行分類推斷，對不同的疲勞特征層進行融合分析，此時得到的駕駛疲勞判斷算法P（F︳E，Y，N，R）如式（2）所示。

式（2）中：P（F）代表疲勞/清醒駕駛狀態(tài)，P（E，Y，N,R︳F）代表多特征檢測概率，P（E，Y，N）代表駕駛狀態(tài)判斷概率分布集合。根據(jù)上述的疲勞駕駛預(yù)警算法可以有效判定駕駛員是否滿足疲勞駕駛條件，并根據(jù)概率分布生成預(yù)警指令，保證疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的綜合預(yù)警性能。

3 系統(tǒng)測試

為驗證設(shè)計的基于ETC 門架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的運行性能和預(yù)警效果，本文配置了有效的測試平臺，進行了系統(tǒng)測試，具體如下。

3.1 測試準(zhǔn)備

根據(jù)高速公路疲勞駕駛系統(tǒng)預(yù)警測試要求，本文選取Jetson TX2 作為實驗平臺，該實驗平臺的主要測試參數(shù)如下表2 所示。

表2 實驗平臺參數(shù)

由表2 可知，上述實驗平臺的性能良好，能有效處理預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的測試參數(shù)，保證測試結(jié)果的有效性，待實驗平臺配置完畢后，即可進行系統(tǒng)測試，輸出后續(xù)的系統(tǒng)測試結(jié)果。

3.2 測試結(jié)果與討論

根據(jù)上述的測試準(zhǔn)備，本文選取廣州機場、花莞、廣佛肇廣州高速段作為研究區(qū)域進行了系統(tǒng)測試。調(diào)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行環(huán)境，以全域車輛動態(tài)感知為最終系統(tǒng)測試目標(biāo)。在測試的過程中，本文設(shè)計的基于ETC 門架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)利用收費門架數(shù)據(jù)分析、主線情報板警示，結(jié)合爆閃燈、高音喇叭，從視覺、聽覺兩方面提醒司機，減少潛在交通安全事故的發(fā)生，測試前已完成防疲勞駕駛、車輛行人誘導(dǎo)播報兩大功能工作。

在測試前，選取機場高速花山-東湖K3412 處搭建防疲勞駕駛預(yù)警廊道。通過將門架數(shù)據(jù)分析與情報板信息發(fā)布結(jié)合，夜間22 時～6 時時段不間斷監(jiān)測車輛涉嫌疲勞駕駛現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)異常及時播報提醒。防疲勞駕駛功能以ETC 門架數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算車輛從收費站入口到經(jīng)過門架花費的時間，累計行駛超過6小時（這個時間可自定義），系統(tǒng)將判定為涉嫌疲勞駕駛，將車牌信息及警示標(biāo)語推送至情報板，爆閃燈和高音喇叭進行聲光報警，提高駕駛?cè)藛T注意力，及時到下一個服務(wù)區(qū)或最近出口休息。同時在北部片區(qū)營運管理平臺彈窗提醒，方便值班人員掌握疲勞駕駛車輛信息，本文設(shè)計的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)顯示的彈窗提醒系統(tǒng)測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 彈窗提醒測試結(jié)果

由圖4 可知，在正常的預(yù)警環(huán)境下，本文設(shè)計的基于ETC門架智慧感知的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的彈窗均能正常顯示，且自系統(tǒng)4 月上線以來，共識別疑似疲勞駕駛車輛4671 輛，日均29 車次，警示率達100%，運行效果良好。上述測試結(jié)果證明，本文設(shè)計的高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的性能良好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的發(fā)展和我國高速公路建設(shè)的不斷推進，高速公路通行已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾绞街弧Ｈ欢嫶蟮臋C動車駕駛員人數(shù)使得疲勞駕駛問題出現(xiàn)幾率增加，給交通安全帶來了極大的隱患。高速公路疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)對于提高道路交通安全具有重要意義。目前，該領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍然存在許多挑戰(zhàn)和問題需要進一步研究和解決。未來的預(yù)警系統(tǒng)將更加智能化、全方位和多層次發(fā)展，以滿足更高的實際應(yīng)用需求。針對目前存在的高速公路疲勞預(yù)警問題，本文基于ETC 門架智慧感知設(shè)計了一種全新的高速公路疲勞駕駛預(yù)警方法。進行系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，設(shè)計的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的彈窗提醒正常，警示率較高，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值，可為降低高速公路交通事故發(fā)生頻率做出一定貢獻。