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      3. 王小磊:公交車駕駛員生命體征數據采集方法綜述

        2021-08-19 10:34:29 來源:公共交通資訊 評論:
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        王小磊:高級工程師,中國土木工程學會城市公共交通分會智庫專家,曾經任重慶市公共交通控股(集團)有限公司電車公司總工程師、BRT公司書記兼副總經理、公交維修公司總經理、恒通客車顧問、吉爾吉斯斯坦共和國史德洲(Шыдыр Жол Кей Джи)有限責任公司總機械師等。

        公交車駕駛員生命體征數據采集方法綜述


        王小磊

        前言

        未來,雖然無人駕駛公交車將可能逐步進入城市道路公共交通系統,駕駛公交車的公交車駕駛員(以下簡稱:駕駛員)也許在不久的將來會被無人駕駛取代,但是在常規公交車向無人駕駛公交車這段暫時無法預計的漫長的過渡期內,駕駛員的健康管理對公交車的安全運營仍然是非常重要的,本文就目前為止的駕駛員健康管理的所使用的生命體征數據采集技術做一綜述。

        1. 背景

        城市公交車服務的對象是出行者,行車中的駕駛員為了應對道路上隨時可能出現的各種邊緣事件,必須保持注意力高度集中,長期的高度緊張工作容易使駕駛員由于疲勞及生理、心理等因素,導致在行車過程中減弱或失去對車輛應急控制的能力,甚至因此發生猝死的事件也開始有逐年增加的趨勢。為了避免類似事件導致重大交通事故的發生。關注駕駛員的身心健康,實時采集其生命體征數據就是第一步,有了數據才能通過人工智能技術對駕駛員的行為和生理情況進行實時評估,以主動安全的理念對駕駛員進行相應的監測并采取保護措施,避免事故的發生。

        2. 采集方法

        現代醫學實驗證明,人體有多種不同的生理信號可以測量:從電信號到生化信號,人體的生物信號都可以被提取出來,用于更好地了解身體健康狀況和對外部因素的反應。在駕駛員緊張焦慮和疲勞時,可以通過各種身體反應來預測,如快速的眼球運動和眨眼、心電圖變化、特定的面部表情和肌肉運動、特定的肌肉活動、手的振動、血壓的波動、心率的增加、皮膚導電性電阻的變化、呼吸頻率或大腦活動,血液中氧含量的變化或皮膚溫度的突然變化。如能及時采集上述數據,就有機會采取相應對策進行處置,提前消除隱患。即使在行車途中也能夠及時發現問題,避免更大事故的發生。本文根據公開發表的部分文獻,對近年來汽車設計和交通安全專家對駕駛員生命體征數據采集方法的研究成果,進行如下歸納:

        2.1 哈肯(Harken)項目

        2012年7月19日由歐盟資助的由一所大學和六家公司組建的一個聯盟正式成立,聯盟由曼徹斯特大學以及分別是來自西班牙、德國、葡萄牙和愛沙尼亞的小公司組成。聯盟的主要工作是“車內心臟和呼吸嵌入式非侵入式傳感器(Heart and respiration in-carembedded nonintrusive sensors,Harken)”——“哈肯(Harken)”項目。該項目進行了兩年,并取得了五項成果:

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        1)西班牙SensingTex公司研發的,一種對呼吸和心率的微小信號具有足夠的靈敏度的、可集成到紡織產品中的智能無紡布。由于導電顆粒的尺寸是影響 ECPC性能一個重要因素,因此智能無紡布填充的是有納米顆粒導電顆粒的聚合物墨水(polymer ink),這種布料可作為測量心率和呼吸的駕駛員座椅、安全帶等類似產品的壓阻式傳感器,其電阻變化就比較容易觀察到,因而傳感器具有較高的靈敏度。

        2)葡萄牙Borgstena紡織品公司用這種智能無紡布研制成了帶傳感的智能座套,這種座套可檢測到駕駛員的生命體征信息;

        3)德國Alatex公司則用這種智能無紡布研制了與智能座套類似的,帶傳感器的智能安全帶;

        4)從事可穿戴設備監測業務葡萄牙Plux公司,研制的信號處理單元(signal processing unit,SPU),是一款能夠采集智能座套和安全帶的信號,并使用科學算法進行信息處理的智能終端。

        5)將上述成果集成的HARKEN系統,已在駕駛模擬器中驗證并在道路上測試,已被驗證是一個可以有效檢測駕駛員生命體征的系統。

        2.2 用座椅采集

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        由德國亞?。ˋachen)的福特歐洲研究中心和亞琛大學的Rheinisch-Westf?lischeTechnische Hochschule公司采用非接觸式心電圖技術,聯合開發的心率監測座椅( heartrate monitoring car seat)于2011年5月公開亮相,與診所里的普通心電圖機需要將金屬電極固定在身體不同部位的皮膚上不同的是,福特心電圖座椅有6個內置傳感器,它就像一個早期預警系統,可以透過司機的衣服檢測到心臟的信息。專門設計的檢測電極,將檢測到的駕駛員心臟信息,通過復雜的電子設備將其轉化為心電脈沖信號,反映出心臟的動態監測數據。在測試中,福特心臟監測座椅監測的成功率達到了95%。除福特外,用類似技術生產的座椅產品已經安裝傳感器的車型從2008年起就已經面市,其安裝對象主要是戴姆勒、奧迪等品牌的高端車型。

        2.3 在方向盤上采集

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        2018年史蒂芬·萊昂哈特(Steffen Leonhardt)等人在一篇論文中介紹了,將傳感器集成在方向盤的各個位置,來進行無創心率和脈搏波測量的方法。因為是手掌直把接握方向盤,可以不用特殊的裝置或導電凝膠之類的東西來傳導?;诩呻姌O的方向盤的心電圖監測是一種很好的心臟數據監測方法,但需要駕駛員的雙手與方向盤的導電部分進行接觸。因此,重要的轉向運動與緊握位置的變化,以及相當普遍的單手操作方向盤和相對常見的雙手交叉轉動方向盤導致手握位置變化等操作習慣,都會引起傳感器數據中斷。對此,有人在駕駛員座位和方向盤上方便安裝一個電極,成功地克服了常見的單手轉向習慣及其連續問題。該系統還結合了導電測量概念和電容傳感,這是后來被稱為混合傳感(hybrid sensing)。

        2.4 用雷達采集

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        “雷達”這個術語來源于英文“無線電探測和測距的縮寫(radio detecting and ranging)”。用雷達設備以非侵入性的方法來監測生命體征的技術,是利用發射器發射的高頻電磁波對胸部表面反射,從而傳輸人類胸部位移的信息,并在某種程度上作為穿透深度的功能,傳輸內部器官運動的信息。反射波由接收器接收并分析。2015年,伽柏·芬奇(Gabor Vinci)等人提出使用連續波(continuous wave,CW)雷達傳感器監測駕駛時的生命體征。實驗中先后把將24 GHz的六端口雷達系統的傳感器安裝在汽車的方向盤和座椅靠背上,實驗證明鑒于駕駛室空間的限制,通過駕駛員座椅來進行生命體征信息的采集效果更好。2018年又有人用電磁脈沖穿透深度更好的,帶寬約為2 GHz的脈沖、載頻為3.9 GHz的脈沖雷達模塊安裝汽車座椅靠背上進行試驗,來采集心臟和呼吸頻率信息,取得了比較滿意的成果。

        2.5 通過耳道采集

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        與手腕等部位不同,耳道因為靠近大腦,頸動脈血流系統沿著耳道區域垂直流動。通過這個穿過耳屏和耳垂該區域,毛細血管系統可以很好地獲得血流量和心率,并且耳道具有屏蔽外部電噪聲的特性,為生理測量提供了一個獨特的生理測量位置,甚至有實驗還證明耳道中檢測生命體征的精確度優于手腕。有研究表明耳道提供穩定的光電容積描記圖,并且可以抵抗體溫過低期間發生的血容量變化。這是因為身體的外圍區域在寒冷期間會受到限制的血流,而耳道是一個被皮膚包圍的狹窄腔,可以維持內部血流水平,這使得耳道成為準確測量核心體溫的首選部位。目前通過耳朵測量生命體征的裝置已經比較成熟,但是用于駕駛員生命體征實時檢測的卻鮮有可見,道理很簡單,畢竟耳道內的傳感器有可能影響駕駛員行車時聽覺,所以雖然有不少研究成果,但也只是實驗室的試驗結果而已。

        2.6 在頭部采集

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        根據相關研究結果,前額傳感器可以準確地檢測人的疲勞程度,可在駕駛員有睡意前5分鐘檢測疲勞情況,準確率高達90%。而且在賽車駕駛員頭盔內安裝傳感器的技術已經非常成熟,可以通過卷積神經網絡 (convolutional neural networks,CCNN) 來分析駕駛員的認知狀態,并且利用腦電數據跟蹤駕駛過程中的生命體征也已成為一個非常有用的工具,甚至還有些產品可以通過腦電波直接控制車輛。此類消費級產品的種類比較多,并且具有可靠性和價格方面的優勢,不過駕駛汽車的駕駛員頭上戴著由一個或兩個電極組成的傳感器頭箍開車還是有點怪怪的,除了特殊情況,使用的人并不多。

        2.7 用攝像機采集

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        攝像機用于駕駛員生命體征的檢測,主要基于駕駛員眼、耳、鼻、口數據的光學測量,由于是非接觸的信息傳輸,光學模式可能提供不引人注目的遙感(如:紅外線光譜分析等),就技術而言,其先進性是不言而喻的,近年來在生命體征監測中的應用也是越來越多,但是如果駕駛員戴墨鏡、天氣、光線以及駕駛室的空間限制等因素對其準確度的影響,以及數據處理器的速度和相應的成本。目前除臉部的圖像識別外,生命體征的檢測未見使用的案例。

        2.8 用智能手(表)環采集

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        智能手(表)環是一種直接與人體接觸的非侵入式穿戴式智能裝置,是到目前為止比較檢測比較理想的駕駛員生命體征數據采集方法?;谥悄苁郑ū恚┉h的駕駛員生命體征管理系統,主要由四大單元組成:

        1)采集單元:通過光電和心電傳感器,實現對駕駛員生命體征的實時采集;

        2)上傳單元:由內置的低功耗通訊模塊,可以方便的與車載智能終端或直接與管理平臺連接實現數據的實時上傳;

        3)處理單元:對采集的數據進行篩選,剔除無效數據;

        4)分析單元:對處理單元處理后的數據進行分析,按照需求生成健康數據報告。

        3. 小結

        傳統上,生命體征監測是用一個固定的、專用的設備來測量每個信號,傳統的醫用監護采用的大型固定設備,顯然不適合公交車駕駛員。公交車駕駛員工作中的生命體征監護數據的采集,起碼應該滿足幾點:

        1)所有采集方法必須是非侵入式的,不能影響車輛駕駛操作;

        2)不能因駕駛室環境、天氣、駕駛員戴墨鏡等原因影響數據采集;

        3)不能因穿著的衣物厚度、戴手套等個人穿戴喜好影響數據的采集;

        4)為了提高采集設備通信的可靠性和駕駛室設備的簡約化,采集數據的現場分析,采集設備應與車內智能終端集成。

        基于上述原因,使用智能手(表)環來采集駕駛員的生命體征數據,已經成為鎮江公交等國內多個城市公交公司的首選,采集方法及相應的設備管理也日趨成熟。不過駕駛員生命體征數據采集,也只是城市公交智慧化工作的第一步,只有把所采集的數據與車輛及路況數據結合起來,運用人工智能對人、車、路的數據進行綜合分析,并用于城市公共交通的運營管理,才是駕駛員生命體征數據采集的終極目標。


      4. 關鍵字: 駕駛員監控 智能視頻 智慧公交
      5.    責任編輯:its114
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