基于大脑认知分析的驾驶疲劳检测与缓解技术研究

摘要

驾驶疲劳是导致交通事故的主要原因之一。驾驶疲劳普遍存在且危害巨大，因此，研究开发高性能的驾驶员疲劳状态检测技术，并在必要时刻对驾驶员的危险状态进行报警干预，及时提醒驾驶员减速或者停车休息，缓解驾驶疲劳对提高交通安全有着重要的意义。驾驶疲劳是指由于驾驶环境的单调性或长时间超强度行车，驾驶员因体力和脑力过多消耗而产生生理、心理机能衰退，造成反应迟钝、动作僵硬、对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力不同程度下降的一种人体综合系统协调性失衡的生理状态。本文基于上述驾驶疲劳的生理因素，建立了一套车辆安全驾驶半实物仿真系统，实时监测驾驶员的驾驶状态，并在必要时对驾驶疲劳状态进行缓解，为安全驾驶提供保障。本文主要从以下几个方面展开论述: 1.利用各个脑区神经活动同步性差异来分析疲劳驾驶特征。研究发现，对于人类大脑，即使执行非常简单的认知任务也依赖多个脑区域协同完成，在此期间，不同脑区域间的神经活动同步性表现出较大差异。文中对人类的大脑进行建模，构建了复杂脑网络，通过对脑网络重要参数变化特征来分析被试者驾驶疲劳的变化，并结合脑电信号功率谱和眼电信号特征，综合分析驾驶疲劳特征变化。 2.对长途客车驾驶员进行了疲劳驾驶检测实验。在中国，长途客车是主要的交通工具之一，承担着重要的客运任务，客运驾驶员的正常驾驶关系到广大旅客的生命财产安全，因此，对长途客车驾驶员进行驾驶疲劳分析有着重要意义。文中相关实验选择在中国沈阳到丹东的高速公路上进行，通过对10名驾驶员脑电信号实时监测采集，构建脑网络，并对脑网络特征研究，分析了在真实驾驶环境下长途客车驾驶员驾驶疲劳特征。结果表明，长途客车驾驶员脑网络参数的聚类系数和全局效率随驾驶疲劳的加深呈现规律性变化。 3.研究了出租车驾驶员普遍采用的两种传统休息方式之间的效果差异。在城市交通中，出租车占有相当大的比例，因此，研究出租车驾驶疲劳缓解问题对城市交通安全具有重要意义。调查发现，当出租车驾驶员经过长时间驾车出现疲劳后，一般采用车外自由活动休息和车内自由活动休息两种方式来缓解疲劳。实验中，选取8名驾驶员，通过对其脑电信号特征分析，判断两种传统休息方式中最有利于缓解驾驶疲劳的方式。研究结果表明，出租车驾驶员选择车外自由活动休息，更有利于缓解驾驶疲劳。 4.对经皮穴位电刺激缓解驾驶疲劳进行了实验。驾驶疲劳是一种综合性的生理疲劳状态，包括精神疲劳和身体疲劳。根据中医理论可知，刺激人体手掌部位的劳宫穴(PC8)可以使人醒神，缓解人体疲劳症状。文中采用多功能电刺激仪(KWD-808I)对被试劳宫穴(PC8)进行电刺激，分析了电刺激对驾驶疲劳的缓解效果。结果表明，通过刺激被试劳宫穴(PC8)可以有效的缓解由于长时间驾车导致的驾驶疲劳;另外，实验中涉及的劳宫穴(PC8)位处于人体的手掌部位，当手握方向盘时，该穴位自然与刺激电极接触，无需贴片电极，方便实用。 5.搭建车辆安全驾驶半实物仿真系统。通过该半实物仿真系统，可以对驾驶员脑电信号实时采集，监测驾驶员驾驶疲劳特征的变化。在整个驾驶回路中，驾驶员根据汽车仪表指示信息和交通路况信息，不断调整自己的操纵动作行为。如果回路中的人，由于长时间驾驶导致驾驶疲劳，进而对车辆驾驶认知出现较大偏差，人的驾驶动作就会对车辆的驾驶做出错误的操作，这时，系统就会通过传感器监测出驾驶员的精神状态，及时的确定驾驶员精神疲劳程度，确定是否适合继续开车的指令，保证安全驾驶，消除交通安全隐患。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2驾驶疲劳及其研究现状

1．2．1驾驶疲劳概念

1．2．2驾驶疲劳检测研究现状

1．2．3驾驶疲劳缓解研究现状

1．3本文研究内容

1．3．1研究工作

1．3．2研究路线

1．4本论文的创新点

1．5本论文的结构纲要

第2章基于复杂脑网络的驾驶疲劳检测理论分析

2．1引言

2．2复杂脑网络

2．2．1图论

2．2．2复杂网络

2．2．3脑网络

2．3脑区关联

2．3．1脑网络模型建立

2．3．2脑网络特征分析

2．4本章小结

第3章高速公路驾车环境下长途客车疲劳驾驶检测分析

3．1引言

3．2长途客车驾驶疲劳成因

3．2．1驾驶员精神疲劳

3．2．2驾驶员体力疲劳

3．3长途客车疲劳驾驶检测实验

3．3．1实验方案

3．3．2数据预处理

3．3．3基于复杂脑网络的疲劳特征提取

3．4脑电功率谱特征分析

3．4．1相对功率谱特征分析

3．4．2相对功率谱比值特征分析

3．5眨眼特征分析

3．5．1眨眼频率

3．5．2眼动频率

3．6问卷调查分析

3．7判别方法评价

3．7．1数据相关性分析

3．7．2数据离散度分析

3．8本章小结

第4章出租车驾驶员不同休息方式下驾驶疲劳缓解研究

4．1引言

4．2出租车驾驶员疲劳检测与缓解实验

4．2．1被试者

4．2．3实验数据采集

4．2．4数据预处理

4．3驾驶疲劳特征分析

4．3．1驾驶疲劳程度分析

4．3．2复杂脑网络分析

4．3．3功率谱比值分析

4．3．4眼电信号特征分析

4．4判别方法评价

4．5本章小结

第5章基于经皮穴位电刺激的驾驶疲劳缓解方法研究

5．1引言

5．2驾驶疲劳缓解常用方法

5．3经皮电刺激缓解驾驶疲劳方法

5．3．2穴位刺激

5．4基于经皮穴位电刺激的驾驶疲劳缓解半实物仿真实验

5．4．1半实物仿真平台介绍

5．4．2被试者

5．4．3任务和步骤

5．4．4数据预处理

5．4．5实验结果分析

5．4．6分析方法评价

5．5本章小结

6．1研究成果

6．2工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间已申请的专利

攻读博士期间参与的科研项目

攻读博士期间的获奖情况