李榮敬　莫秋云　張科研

摘 要： 疲勞駕駛已成為社會的一個絕癥“毒瘤”，嚴重威脅人們的生命和財產(chǎn)安全。以駕駛員為研究對象，結合交通心理學、車輛人機工程學相關理念，利用駕駛員聽覺、觸覺、嗅覺，設計一套三位一體多感官協(xié)同的預警方案。方案從微觀出發(fā)，注重本體感受，結構簡單、便捷，并充分利用車上的設備，經(jīng)濟性好，適合市場的推廣。

關鍵詞： 疲勞駕駛； 駕駛員； 人機工程； 多感官協(xié)同

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0117?04

0 引 言

隨著社會的發(fā)展與進步，人民生活水平的不斷提高，汽車進入千家萬戶，已然成為了人們出行的主要代步工具，但同時也伴隨交通事故頻發(fā)。僅就2011年的上半年，全國交通事故1 840 998起，比2010年同期增長1%，直接導致了經(jīng)濟損失4.4億元[1]。根據(jù)表1近幾年的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況[1]，可見道路交通事故在逐年的攀升，給我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來了巨大的影響。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

疲勞駕駛報警系統(tǒng)的研究，這一方面在國外開展得比較早，而且有了很大的技術上突破，并在某一程度上技術的壟斷；相比國外，國內(nèi)這一方面由于起步較晚，且技術有限，雖在一些方面也有了一定的進步，但技術上還跟國外差距較遠[7]。目前國內(nèi)的疲勞報警系統(tǒng)可以分為以下幾類：

（1） 眼鏡式報警器，針對駕駛員行車時眨眼的頻率變化進行判斷。

（2） 車道偏移報警系統(tǒng)，針對所駕駛員行車偏離行駛路線進行判斷。

（3） 掛在耳部，主要檢測駕駛員行車打瞌睡時低頭的頻率進行判斷。

（4） 方向盤觸摸式，主要通過監(jiān)測駕駛員握方向盤力的變化進行判斷。

（5） 手表式報警器，主要是針對駕駛員出現(xiàn)疲勞時脈搏的速率變化來進行判斷。

這些系統(tǒng)大多都是采用單一的語音、燈光或振動等預警手段來實現(xiàn)，對駕駛員的察覺性、理解性和接受性都具有一定的局限性，很難體現(xiàn)其適用的廣泛性。如單一的燈光報警，在白天時效果就不是很明顯，往往被駕駛員所忽略，有時燈光閃爍太刺眼，引起眩光反而對駕駛不利；單是語音報警，由于汽車本身駕駛時噪音就很大，容易被噪音掩蔽而達不到預期的效果。為此，針對這些預警手段的局限性，本文提出從微觀出發(fā)，注重駕駛員感受，結合聽覺、觸覺、嗅覺建立一套三位一體的多感官協(xié)同復合式的預警方案。

2 預警效果的評價及方案的設計

2.1 預警效果的評價指標

從微觀出發(fā)，本著以人為本的理念，注重駕駛員主體的感受，保證疲勞狀態(tài)下的駕駛員能夠快速地察覺和理解到報警信號。因此，本文將從駕駛員的察覺性 、理解性和接受性等三方面對各種預警方式的特性進行系統(tǒng)地評價。

（1） 察覺性。駕駛員察覺預警方式的快慢是對其實施有效預警的前提。本文選用駕駛員對預警刺激的反應時間作為評價預警的察覺性。

（2） 理解性。理解性主要評價指標有信號理解和知覺匹配[8]。信號理解，用來評價駕駛員能否正確的理解預警方式所傳來的信號；知覺匹配，用來評價駕駛員自身狀態(tài)是否和預警方式給予駕駛員的感覺相符合的判斷。

（3） 接受性。Vander Laan設計駕駛員的接受性量表共包含有9項指標[9]。為了避免實驗時過多的評價指標會對駕駛員的狀態(tài)形成影響。為此，本文只選用兩個較為常用的指標：煩擾度和可用度，作為評價預警方式的接受性，并采用5級量表的形式來評價上述兩個指標，見表2。

2.2 預警方案的設計

本文選用的疲勞預警方式是由聽覺、觸覺和嗅覺組成的三位一體多感官協(xié)同的預警形式。

（1） 聽覺預警。聲音具有迫聽性，容易收集人的注意力。言語對人的知覺具有指導作用。言語提示能在環(huán)境相當復雜、外部標志不很明顯的情況下，喚起人的回憶，運用過去的經(jīng)驗來進行知覺。言語提示越準確、越具體，對知覺對象的理解也越深刻、越廣泛。目前比較常用的聽覺預警信號主要有抽象音、語音等，其參數(shù)主要包括振幅、頻率和波形等。本文通過預備實驗，選用了語音預警方案。實驗中發(fā)現(xiàn)車內(nèi)的噪音一般在50 dB（A）左右，考慮到聽覺預警音必須要高出車內(nèi)背景噪音[6]的（8[±]3） dB（A），駕駛員才能清晰的聽見而又不被驚嚇。因此，本設計預警音的聲強為61 dB（A）。

（2） 觸覺預警。皮膚感覺是僅次于聽覺的一種感覺，皮膚受到很小的機械刺激就能產(chǎn)生觸覺。目前較為常用的觸覺預警信號主要有表面壓力、振動和溫度等三種類型。考慮到腳踏板的觸覺預警則有可能造成駕駛員的錯誤制動，另外汽車在行駛過程中，特別是道路不平的時候車輛振動特別厲害，容易使路面上傳的反力信號與轉向盤振動的預警方式相混淆，為此，通過腿部和背部的振動為駕駛員提供預警就顯得不明顯。身體不同部位的觸覺感受性也不同，腹部是相對比較敏感區(qū)，其刺激閾值[10]為26。于是文中選擇了2種觸覺預警方案：通過利用電機拉動安全帶，給駕駛員的腹部施加向下的壓力（見圖1（a））；通過利用氣泵向駕駛員頭頸處吹風（見圖1（b））。

（3） 嗅覺預警。嗅覺的感受器是鼻腔黏膜上的一些毛細胞，對外部氣化的化學物質刺激是比較敏感的。其對外部的刺激氣體反應時間為210～390 ms。因此，本文選擇香氣作為駕駛員疲勞時進行提神預警，使駕駛員能及時調整開車狀態(tài)。

綜上所述，可形成兩套預警系統(tǒng)方案：

（1） 語音、安全帶腹部施壓、香氣組成；

（2） 語音、頸部吹風和香氣組成。

3 評價試驗

為了試驗數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，本研究選用5名不同年齡不同駕齡的駕駛員，平均年齡為25歲，最小22歲，最大35歲。平均駕齡為 4年，最短2年，最長6年。每個駕駛員對兩套方案都進行多次試驗，通過他們的感受，從察覺性、理解性、接收性三項指標來分析這兩個預警方案的實際效果。

圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預警方案1和方案2的反應時間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應時間都明顯比方案2時間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標中都比方案2好。總的來說，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結果 ，在預警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預警方案。

4 預警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報警模塊C。該系統(tǒng)結構簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構架于車上原有的設備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進行信號調理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉換），然后通過藍牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達報警的疲勞條件，如果達到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報警模塊C。

報警模塊C，包括報警及提神裝置，主要是由功放電路，電機驅動電路，電磁閥驅動電路組成，功放電路放大電腦播放的報警音樂及聲音，電機驅動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關。其主要作用是對駕駛員進行語音報警、安全帶拉緊振動報警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報警功效，使駕駛員及時調整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構架在原有的汽車上，結構簡單、經(jīng)濟性好，有利于市場的推廣和應用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標的評價體系，通過實車實驗研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預警效果。結果表明，當非常疲勞時，多感官協(xié)同預警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補單一預警的不足。根據(jù)這些結果，設計了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預警方案進行多方系統(tǒng)驗證。

參考文獻

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[10] 周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學[M].北京：北京理工大學出版社，1999.

圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預警方案1和方案2的反應時間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應時間都明顯比方案2時間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標中都比方案2好?？偟膩碚f，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結果 ，在預警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預警方案。

4 預警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報警模塊C。該系統(tǒng)結構簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構架于車上原有的設備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進行信號調理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉換），然后通過藍牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達報警的疲勞條件，如果達到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報警模塊C。

報警模塊C，包括報警及提神裝置，主要是由功放電路，電機驅動電路，電磁閥驅動電路組成，功放電路放大電腦播放的報警音樂及聲音，電機驅動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關。其主要作用是對駕駛員進行語音報警、安全帶拉緊振動報警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報警功效，使駕駛員及時調整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構架在原有的汽車上，結構簡單、經(jīng)濟性好，有利于市場的推廣和應用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標的評價體系，通過實車實驗研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預警效果。結果表明，當非常疲勞時，多感官協(xié)同預警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補單一預警的不足。根據(jù)這些結果，設計了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預警方案進行多方系統(tǒng)驗證。

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圖2為被試駕駛員在不同疲勞程度下對預警方案1和方案2的反應時間。由圖2可看出，在疲勞或非常疲勞下被試駕駛員對方案1的反應時間都明顯比方案2時間短。

圖3為被試駕駛員對兩種方案的理解性的評價情況。由圖3可知，在信號理解和知覺匹配方面，方案2在疲勞下兩種指標都比方案1好，而在非常疲勞狀態(tài)下，方案1的兩種指標中都比方案2好。總的來說，方案1在非常疲勞狀態(tài)下比方案2有更好的理解性。

綜合以上結果 ，在預警的兩種方案中，各有優(yōu)缺點，但在非常疲勞狀態(tài)下方案1的理解性、接受性最好。為此，本研究選擇了方案1的預警方案。

4 預警方案的硬件組成原理

如圖5所示，多感官協(xié)同預警系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是：心電采集模塊A、信號處理模塊B、報警模塊C。該系統(tǒng)結構簡單，除了心電模塊以外，其他子模塊都可以就地取材，構架于車上原有的設備，如車載電腦、音響等，具有良好的經(jīng)濟性。其各模塊的工作原理如下：

心電采集模塊A，其主要作用是對采集到的心電進行信號調理（前置放大、高通濾波、低通濾波、陷波、主放大、電平抬升、模數(shù)轉換），然后通過藍牙適配器將信號傳給模塊B。

信號處理模塊B，其主要作用是對從心電采集模塊A傳送過來的數(shù)據(jù)再進行處理（數(shù)字帶通濾波、比較算法）、變異性分析等，然后判斷是否到達報警的疲勞條件，如果達到則把得出來的疲勞指令發(fā)送到報警模塊C。

報警模塊C，包括報警及提神裝置，主要是由功放電路，電機驅動電路，電磁閥驅動電路組成，功放電路放大電腦播放的報警音樂及聲音，電機驅動電路用于拉緊安全帶，電磁閥控制香水噴出口的開關。其主要作用是對駕駛員進行語音報警、安全帶拉緊振動報警以及播放音樂和噴射氣味提神，形成聽覺、觸覺、嗅覺三位一體多感官協(xié)同的報警功效，使駕駛員及時調整駕駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生。

5 結 語

該方案除了心電模塊外，其他模塊都可以構架在原有的汽車上，結構簡單、經(jīng)濟性好，有利于市場的推廣和應用。針對聽覺、觸覺和嗅覺三位一體多感官協(xié)同預警方式，并建立包括察覺性、理解性和接受性等指標的評價體系，通過實車實驗研究和分析了在不同疲勞程度下駕駛員的預警效果。結果表明，當非常疲勞時，多感官協(xié)同預警具有更好的理解性和接受性，多感官協(xié)同能彌補單一預警的不足。根據(jù)這些結果，設計了聽覺、觸覺和嗅覺三位一體的多感官協(xié)同預警。在后續(xù)研究中將對本文中所提出的預警方案進行多方系統(tǒng)驗證。

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