張 珊,石 蕊,劉文彬

[中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司,天津 300000]

0 引言

隨著汽車智能化的快速發(fā)展，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)的新車搭載率持續(xù)攀高，技術(shù)路線和監(jiān)控手段也時(shí)有革新，該系統(tǒng)顯著降低了因?yàn)轳{駛員疲勞、分心導(dǎo)致的交通事故，有效地保證了交通安全。駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)安裝于車內(nèi)，通過(guò)攝像頭及車輛運(yùn)動(dòng)行為等反饋的不同數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控駕駛員的實(shí)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)駕駛員注意力不集中時(shí)發(fā)出警告，甚至在駕駛員進(jìn)入無(wú)意識(shí)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行干預(yù)控制車輛。

疲勞駕駛的場(chǎng)景測(cè)試方法有很多，《駕駛員注意力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 41797—2022）是基于睜閉眼和打哈欠（張閉嘴）的原理進(jìn)行制定的。該視覺(jué)檢測(cè)方案的優(yōu)勢(shì)在于定義清晰，重復(fù)性強(qiáng)。歐盟法規(guī)Driver Drowsiness and attention warning systems（DDAW，駕駛員嗜睡和注意力警告系統(tǒng)），基于駕駛員主觀感受來(lái)定義疲勞駕駛場(chǎng)景。

由于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)面對(duì)的駕駛員具有不相似的外貌和疲勞行為特征，且不同駕駛員對(duì)于危險(xiǎn)駕駛的定義閾值也不盡相同，故駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性，當(dāng)監(jiān)測(cè)到不同駕駛員的外貌及疲勞狀態(tài)時(shí)，發(fā)出正確的警告。

目前關(guān)于駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試方法的研究較少：關(guān)于不同外貌的駕駛員篩選及自我疲勞狀態(tài)評(píng)價(jià)的培訓(xùn)較簡(jiǎn)單，尚未梳理完善、合理的篩選及培訓(xùn)體系；駕駛員疲勞時(shí)表現(xiàn)和車輛動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)與駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣評(píng)價(jià)尚未建立合理聯(lián)系；涉及駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)整體性能測(cè)試方法研究較少，特別是實(shí)車測(cè)試手段。

基于此，該研究提出基于多源數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試方法，以解決目前測(cè)試駕駛員選擇的高隨機(jī)性、駕駛員疲勞程度評(píng)價(jià)的不穩(wěn)定以及測(cè)試方法流程不統(tǒng)一的難點(diǎn)問(wèn)題。

1 駕駛員的選取

1.1 駕駛員疲勞特征

駕駛員疲勞會(huì)出現(xiàn)多種生理特征，從狀態(tài)來(lái)看，存在身體機(jī)能下降、眼睛發(fā)干、頻繁眨眼、心跳加快、視覺(jué)模糊、視力下降、注意力分散、視野逐漸變窄、漏/錯(cuò)看信息情況增多、反應(yīng)遲鈍、動(dòng)作僵硬、思維能力下降、頭腦糊涂等。其主要對(duì)外反映的視覺(jué)特征有駕駛員頭部的不自主晃動(dòng)、頻繁眨眼、打哈欠等行為[1]。

通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，捕捉駕駛員的面部表情，包括眼睛、嘴巴、面部肌肉等，分析這些表情的特征，以判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)[2]。例如，可以通過(guò)檢測(cè)眼睛的閉合程度、嘴巴的張合程度等來(lái)判斷駕駛員的疲勞程度，如圖1~2 所示。

圖1 閉眼疲勞

圖2 打哈欠疲勞

1.2 試驗(yàn)車輛的目標(biāo)客戶群體畫像

可從汽車銷售服務(wù)4S 店或其他宣傳銷售渠道獲取客戶信息及典型人群特征，若車輛目標(biāo)群體面向年輕女性，那么測(cè)試樣本的女性駕駛員占比可增加；若車輛目標(biāo)群體是貨車司機(jī)，那么測(cè)試樣本的男性職業(yè)司機(jī)占比可增加。

1.3 駕駛員篩選

多數(shù)駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)利用攝像頭作為傳感器，拍攝駕駛員面部神態(tài)作為疲勞數(shù)據(jù)輸入。故選擇不同外貌、不同佩飾的駕駛員，有利于檢測(cè)系統(tǒng)的魯棒性；駕駛員的駕駛習(xí)慣和性別、年齡等有關(guān)，也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果[3]。選取駕駛員時(shí)可參考表1。

表1 駕駛員特征分布

應(yīng)確保篩選出的駕駛員不少于10 人，且表1 中同一特征的每個(gè)組別均有代表駕駛員（不同特征可重復(fù)）。測(cè)試樣本不包括駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)人員。構(gòu)建的駕駛員庫(kù)中應(yīng)包含身高、體重、面部特征、困倦時(shí)的表現(xiàn)、駕駛風(fēng)格等信息。

對(duì)駕駛員進(jìn)行疲勞程度評(píng)級(jí)培訓(xùn)和測(cè)試，篩選出能夠準(zhǔn)確完成自我疲勞程度評(píng)級(jí)的駕駛員，構(gòu)建駕駛員數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.4 駕駛員培訓(xùn)

將卡洛琳斯卡睡眠尺度表（KSS）[3]內(nèi)容（如表2所示）告知駕駛員，并觀看疲勞素材庫(kù)中的圖片和視頻，展示不同疲勞等級(jí)下駕駛員由清醒到困倦的神態(tài)及動(dòng)作表現(xiàn)，使被培訓(xùn)者有更清晰的認(rèn)知。

表2 卡洛琳斯卡睡眠尺度表（KSS）

被培訓(xùn)者進(jìn)行一整天的自我練習(xí)，從早晨開(kāi)始至晚上，每隔一段時(shí)間朗讀一篇文章并拍攝視頻記錄，同時(shí)對(duì)該時(shí)間段的自我疲勞程度進(jìn)行KSS 評(píng)級(jí)。由試驗(yàn)員分別觀看被培訓(xùn)者的視頻，評(píng)估面部神態(tài)并對(duì)其疲勞程度進(jìn)行打分。若試驗(yàn)員打分與被培訓(xùn)者打分的相關(guān)性系數(shù)較大，則認(rèn)為被培訓(xùn)者的評(píng)級(jí)準(zhǔn)確。

相關(guān)性系數(shù)r的計(jì)算如式（1）所示：

式中，i——培訓(xùn)視頻個(gè)數(shù)；n——視頻總數(shù)；j——試驗(yàn)員數(shù)；k——試驗(yàn)員總數(shù)；Xa,i——駕駛員a觀看不同視頻的疲勞等級(jí)打分；——駕駛員a觀看所有視頻的打分平均值；Yj,i——試驗(yàn)員j觀看不同視頻的疲勞等級(jí)打分；——試驗(yàn)員j觀看所有視頻的打分平均值。

2 實(shí)車道路試驗(yàn)

2.1 測(cè)試設(shè)備

實(shí)車測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)車輛安裝慣性GPS 組合測(cè)試系統(tǒng)采集車輛的速度和位置信息；數(shù)據(jù)采集器采集車輛報(bào)警信號(hào)；眼動(dòng)儀采集駕駛員面部特征信息。

Smarteye 眼動(dòng)儀在前擋風(fēng)玻璃下的中控平臺(tái)上安裝3 個(gè)攝像頭，追蹤駕駛員在自然駕駛狀況下的左后視鏡到右后視鏡的視角范圍內(nèi)眼動(dòng)數(shù)據(jù)（具體安裝位置根據(jù)車型調(diào)整）。安裝位置保證駕駛員面部位于攝像頭平面的視野范圍內(nèi)，眼動(dòng)儀記錄的注視點(diǎn)和真實(shí)注視點(diǎn)相符，攝像機(jī)校準(zhǔn)后不能挪動(dòng)位置。

圖3顯示，試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)由1 個(gè)智能攝像頭從后排面向前方拍攝，可以記錄試驗(yàn)過(guò)程中的道路場(chǎng)景；前方三個(gè)攝像頭拍攝駕駛員面部信息。

圖3 基于視覺(jué)疲勞檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)

各路攝像頭采集到的駕駛員面部特征信息及車輛的速度、相對(duì)位置等也可通過(guò)設(shè)備界面實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖4 所示。

圖4 采集數(shù)據(jù)的回放界面

同時(shí)，駕駛員佩戴生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備需在駕駛員的腦部、頸部和手部貼傳感器獲取駕駛員的腦電、皮電和心電數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)試過(guò)程中的眼動(dòng)數(shù)據(jù)以及觀察面部表現(xiàn)，進(jìn)而計(jì)算獲取駕駛員心率[4]，對(duì)比駕駛員清醒和疲勞時(shí)的數(shù)據(jù)，作為駕駛員困倦的評(píng)判參考。

2.2 試驗(yàn)道路

試驗(yàn)線路為封閉道路試驗(yàn)場(chǎng)，位于山東濟(jì)南市，原為高速公路的一段，規(guī)劃設(shè)計(jì)符合高速公路市政道路設(shè)計(jì)。試驗(yàn)路線雙向總長(zhǎng)約52 km，主體雙向四車道，有中央分隔帶，兩側(cè)有應(yīng)急車道，包含隧道、橋梁等場(chǎng)景，縱坡、彎道、長(zhǎng)直線等場(chǎng)景豐富，如圖5 所示。

圖5 高速智能網(wǎng)聯(lián)測(cè)試基地

由于是在真實(shí)道路環(huán)境下的實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程有一定的危險(xiǎn)。需要對(duì)試驗(yàn)車輛安裝副駕剎車踏板等安全備份系統(tǒng)，并在副駕駛位配備安全員，若主駕駛位的駕駛員困倦難以控制車輛時(shí)，副駕安全員及時(shí)操作安全備份系統(tǒng)并接管車輛。

2.3 測(cè)試過(guò)程

駕駛員位于駕駛位置，調(diào)整座椅及坐姿；安全員位于副駕，副駕安裝制動(dòng)踏板，要求安全員發(fā)現(xiàn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)及時(shí)接管車輛；試驗(yàn)員調(diào)試測(cè)試設(shè)備，記錄時(shí)間和天氣等。

車輛速度控制在70~130 km/h 范圍內(nèi)。駕駛員在駕駛過(guò)程中保持安靜，聽(tīng)從試驗(yàn)員安排，保證車輛及隨行人員安全，必要時(shí)配合副駕駛位安全員的操作，當(dāng)試驗(yàn)員問(wèn)詢時(shí)回復(fù)相應(yīng)狀態(tài)。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，試驗(yàn)員會(huì)問(wèn)詢一次駕駛員KSS 評(píng)級(jí)，若此時(shí)評(píng)級(jí)小于6 級(jí)，則要求駕駛員KSS 等級(jí)到達(dá)6 級(jí)時(shí)主動(dòng)報(bào)備。當(dāng)駕駛員KSS 等級(jí)到達(dá)6 級(jí)后，試驗(yàn)員每隔5 min 問(wèn)詢一次駕駛員的KSS 評(píng)級(jí)[5]，并通過(guò)前方攝像機(jī)記錄面部特征。儀表處安裝數(shù)據(jù)采集器，采集報(bào)警圖標(biāo)及聲音。

當(dāng)駕駛員發(fā)生TP（真陽(yáng)性，即駕駛員真實(shí)困倦且系統(tǒng)發(fā)出警告）事件，視為有效，終止試驗(yàn)，下一名駕駛員進(jìn)行測(cè)試；若發(fā)生FN（假陰性，即駕駛員真實(shí)困倦但系統(tǒng)不發(fā)出警告）事件，最多重復(fù)2 次，視為有效，終止試驗(yàn)，測(cè)試下一名駕駛員；當(dāng)駕駛員評(píng)級(jí)錯(cuò)亂，剔除該次數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 駕駛員敏感度及置信區(qū)間計(jì)算

使用全部測(cè)試后得到的有效數(shù)據(jù)，計(jì)算所有參與者的平均敏感度、敏感度標(biāo)準(zhǔn)差及90%置信區(qū)間的下限。

參與者的敏感度，如式（2）所示：

所有參與者的平均敏感度，如式（3）所示：

標(biāo)準(zhǔn)差（敏感度）如式4 所示：

式中，n(TP)——系統(tǒng)和駕駛員都正確地識(shí)別為困倦（真陽(yáng)性）的事件總數(shù)；n(FN)——系統(tǒng)預(yù)報(bào)駕駛員不困倦，駕駛員困倦（假陰性）的事件總數(shù)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

參與測(cè)試的11 名駕駛員數(shù)據(jù)有效，相應(yīng)的個(gè)人敏感度、平均敏感度及敏感度結(jié)果90%置信區(qū)間的下限見(jiàn)表3。

表3 駕駛參與者敏感度計(jì)算

對(duì)于封閉試驗(yàn)場(chǎng)，如平均敏感度＞45%，敏感度結(jié)果90%置信區(qū)間的下限＞22.5%時(shí)，則視為有效。表3計(jì)算結(jié)果顯示，該次試驗(yàn)結(jié)果可信，被測(cè)試駕駛員可以良好地評(píng)價(jià)自身疲勞等級(jí)，且駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)樣品通過(guò)測(cè)試，該試驗(yàn)方法可行。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究提出了基于主觀評(píng)價(jià)的駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試方法，細(xì)化考慮個(gè)人特征的駕駛員選擇方案，保證駕駛員樣本具有多樣性，充分測(cè)試了駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)面對(duì)不同駕駛員時(shí)的魯棒性和穩(wěn)定性。

對(duì)駕駛員實(shí)施的KSS 培訓(xùn)及測(cè)試可以充分訓(xùn)練駕駛員的主觀疲勞評(píng)價(jià)能力，使其對(duì)自我疲勞程度有清晰的認(rèn)知。

實(shí)車試驗(yàn)在考慮安全備份的基礎(chǔ)上獲取更真實(shí)的疲勞駕駛數(shù)據(jù)，充分測(cè)試駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)品性能，有利于保障道路行車安全。