高速公路车辆防疲劳预警系统

班亚云?赵振军

摘 要：本文介绍了一种基于公路路线设计规范的车辆疲劳预警系统，详细阐述该系统运用的原理及可行性，并与国内外同类疲劳驾驶预警系统做出比较，用科学的方式降低高速公路上司机疲劳驾驶所造成的危害，且成本低廉。

关键词：疲劳预警系统；高速公路；线路设计规范

1 概述

在社会节奏日益加快的今天，车辆已成为人们不可或缺的交通工具。然而在人类享受前所未有的便利与快捷的同时，也面临着疲劳驾驶、超速驾驶和酒后驾驶引发交通事故的巨大威胁，其中最为常见的就是疲劳驾驶。据统计，因疲劳驾驶造成的交通事故占总数的20%左右，占特大交通事故的40%以上。随着医学的进步和计算机技术的迅猛发展，陆续涌现出一些基于驾驶员生理行为特征和车辆特性的检测预警系统，并取得了一定的研究成果。

2 国内外同类系统的研究进展

2.1 基于医学的检测方法

研究表明，驾驶员在疲劳状态下的生理指标会偏离正常值，医学检测是通过生理指标检测对驾驶员的疲劳状况进行分析和判断。检测方法有：脑电图、心电图、脉搏跳动、肌电图等。生理传感器大都有侵入性，不利于驾驶安全。驾驶员在疲劳状态下，其心理和生理特征与正常状态下有较大不同， 但目前反映这些特征变化的数据很难客观地获得。

2.2基于驾驶员行为特征的检测方法

驾驶员行为特征的检测方法有：“PERCLOS”检测、头部位置跟踪判别、视线方向检测和嘴部状态检测四种。这几种检测可实现非侵入式检测，但大都需要摄像头采集人脸图像，成本较高，且检测识别算法十分复杂，检测结果易受环境变化和个体差异（个人的面部特征）的影响较大，因此也不适合普及。

2.3 基于车辆行为特征的检测方法

基于车辆行为特征的检测方法则是通过监视司机的驾驶操作行为来测定司机的疲劳状况，如驾驶速度，方向盘的操纵情况和车道偏离检测等。这种方法信号易提取、技术易实现、实现了非接触，但检测结果易受车型和驾驶环境的影响，特征参数疲劳程度的相关性也难以量化，不适合中国的路况，超车、被超、并线、压线都会存在误报。

3 高速预警系统原理及依据

现行各预警系统都存在不可避免的缺陷，故本文提出一种基于中国现行公路路线设计规范要求的系统，即高速预警系统。 该系统通过检测车辆行为特征，判断驾驶员是否处于疲劳状态。当车辆行为特征显示驾驶员处于疲劳状态，高速预警系统便通过报警器进行报警，提醒驾驶员注意行车安全。

3.1 预警系统工作原理

高速预警系统根据车轮的运动状态来判断车子是否处于行驶状态，再通过方向盘是否在规定时间内有过偏转来判断驾驶员是否处于疲劳状态。若车子在行驶过程中，检测方向盘在一定时间内没被转动，高速预警系统则判断驾驶员处于疲劳驾驶状态，此时装置就会启动报警器，提醒驾驶员注意路面状况。当方向盘被重新转动或车轮停止转动5s后，报警器停止鸣叫。

检测方向盘是否转动采用的是霍尔原理，在方向盘处安置霍尔元件。也即在方向盘下表面固定一系列的磁铁，在离方向盘2～3cm处的转轴处固定一个霍尔传感器（霍尔传感器不随转轴而转动），当方向盘下方磁铁随方向盘转动掠过霍尔传感器时，传感器的一只引脚都会向单片机输出信号。为了防止方向盘转动的角度过小，转动信号不易及时捕捉，还可在方向盘上固定较密集的磁铁。当这一系列磁铁中有一个掠过传感器时，都会有信号传给单片机，单片机以5s的频率检测信号（检测时间可以更改，这里设成5s）的，经过分析系统即可判断出方向盘是否转动，可大大加强检测精度。

检测车轮与检测方向盘的原理基本相同，检测时间也可设为了5s（扫描时间可更改）。

3.2 方向盘信号检测时间的设置

由于长直线行驶会使驾驶员感到单调、疲倦和急躁，易超速行驶，对行车安全极为不利，且不利于线形的连接。由于我国地域辽阔，地形差异较大，对高速公路直线长度很难做出统一规定，但一般以20V（设计时速）为宜。

《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》规定高速公路应当标明车道的行驶速度，最高车速不得超过每小时120公里，最低车速不得低于每小时60公里。《公路路线设计规范》规定：当V≥60km/h时，同向圆曲线间的直线最小长度（以km计）以不小于6V为宜，反向圆曲线间的直线最小长度（以km计）以不小于2V为宜。

驾驶员在长直道路上也会由于路面的坡度，汽车齿轮磨损等各种原因，需要不停的转动方向盘修正行车轨迹，使车辆在公路上沿着车道行驶。为了防止驾驶员在直线行车时因疲劳引发车祸，故考虑取行车在最短直线（即反向圆曲线间的最小直线长度2V）上的行驶时间作为设置时间，计算公式如下：

V—设计速度，km/h

为了给驾驶员2～3s的反应时间，使疲劳驾驶装置起到提前预警的作用，我们建议把时间设定为5s.

4 高速预警系统的优点

该系统的实施只需单片机、霍尔感应器、磁铁、报警器等简单材料组件，相对于其他系统更为经济合理。该系统实现了非侵入性，装置不与驾驶员接触，并不会引起驾驶员的不适和影响驾驶操作动作。而且，该系统疲劳特征简单明显，对其进行识别和提取的算法实时性也相对较好，抗干扰性和鲁棒性较强。另外，该系统不易受个人及环境影响，信号提取和判断较方便，可操作性也远远优于现有的检测方法。

5 系统的拓展及展望

介于疲劳驾驶带来的重大危害，疲劳驾驶检测技术的研究又为道路交通安全提供了保障的可能性，具有重要的社会意义。近年来各种新技术与成果层出不穷，但都仍需不断完善和改进。本系统可通过优化编程使之更加实用，如：如果驾驶员提前知道在疲劳驾驶，还可以通过设置预警安全等级（不同安全等级对应不同时间长度，越安全对应时长越短），使行车更加安全。

该系统在时间的设定上还存在一定的局限，故需要科研工作者在以后的工作里予以改善，使该系统更加合理，服务于我国的司机朋友们。

参考文献

[1]薄纯娟，徐国凯，宋鹏，李忠楠.疲劳驾驶检测方法研究综述[J].大连民族学院报.2013，（3）：266-270

[2]公路路线设计规范.JTG[S] D20—2006

[3]孙伟，张为公.疲劳驾驶检测方法的研究进展[J].综述.2009，（2）：1-17

作者简介

班亚云（1992-），（第一作者），女，汉族，河南省原阳县人，就读于郑州大学土木工程学院2011级交通工程专业。

赵振军（1993-），（第二作者），男，汉族，甘肃省定西人，就读于郑州大学土木工程学院2011级交通工程专业。