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王小磊:公交车驾驶员生命体征数据采集方法综述

作者:王小磊  信息来源:公共交通资讯    发布日期:2021-07-14

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  王小磊:高级工程师,中国土木工程学会城市公共交通分会智库专家,曾经任重庆市公共交通控股(集团)有限公司电车公司总工程师、BRT公司书记兼副总经理、公交维修公司总经理、恒通客车顾问、吉尔吉斯斯坦共和国史德洲(Шыдыр Жол Кей Джи)有限责任公司总机械师等。


公交车驾驶员生命体征数据采集方法综述

王小磊

  前言

  未来,虽然无人驾驶公交车将可能逐步进入城市道路公共交通系统,驾驶公交车的公交车驾驶员(以下简称:驾驶员)也许在不久的将来会被无人驾驶取代,但是在常规公交车向无人驾驶公交车这段暂时无法预计的漫长的过渡期内,驾驶员的健康管理对公交车的安全运营仍然是非常重要的,本文就目前为止的驾驶员健康管理的所使用的生命体征数据采集技术做一综述。

  1. 背景

  城市公交车服务的对象是出行者,行车中的驾驶员为了应对道路上随时可能出现的各种边缘事件,必须保持注意力高度集中,长期的高度紧张工作容易使驾驶员由于疲劳及生理、心理等因素,导致在行车过程中减弱或失去对车辆应急控制的能力,甚至因此发生猝死的事件也开始有逐年增加的趋势。为了避免类似事件导致重大交通事故的发生。关注驾驶员的身心健康,实时采集其生命体征数据就是第一步,有了数据才能通过人工智能技术对驾驶员的行为和生理情况进行实时评估,以主动安全的理念对驾驶员进行相应的监测并采取保护措施,避免事故的发生。

  2. 采集方法

  现代医学实验证明,人体有多种不同的生理信号可以测量:从电信号到生化信号,人体的生物信号都可以被提取出来,用于更好地了解身体健康状况和对外部因素的反应。在驾驶员紧张焦虑和疲劳时,可以通过各种身体反应来预测,如快速的眼球运动和眨眼、心电图变化、特定的面部表情和肌肉运动、特定的肌肉活动、手的振动、血压的波动、心率的增加、皮肤导电性电阻的变化、呼吸频率或大脑活动,血液中氧含量的变化或皮肤温度的突然变化。如能及时采集上述数据,就有机会采取相应对策进行处置,提前消除隐患。即使在行车途中也能够及时发现问题,避免更大事故的发生。本文根据公开发表的部分文献,对近年来汽车设计和交通安全专家对驾驶员生命体征数据采集方法的研究成果,进行如下归纳:

  2.1 哈肯(Harken)项目

  2012年7月19日由欧盟资助的由一所大学和六家公司组建的一个联盟正式成立,联盟由曼彻斯特大学以及分别是来自西班牙、德国、葡萄牙和爱沙尼亚的小公司组成。联盟的主要工作是“车内心脏和呼吸嵌入式非侵入式传感器(Heart and respiration in-carembedded nonintrusive sensors,Harken)”——“哈肯(Harken)”项目。该项目进行了两年,并取得了五项成果:

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  1)西班牙SensingTex公司研发的,一种对呼吸和心率的微小信号具有足够的灵敏度的、可集成到纺织产品中的智能无纺布。由于导电颗粒的尺寸是影响 ECPC性能一个重要因素,因此智能无纺布填充的是有纳米颗粒导电颗粒的聚合物墨水(polymer ink),这种布料可作为测量心率和呼吸的驾驶员座椅、安全带等类似产品的压阻式传感器,其电阻变化就比较容易观察到,因而传感器具有较高的灵敏度。

  2)葡萄牙Borgstena纺织品公司用这种智能无纺布研制成了带传感的智能座套,这种座套可检测到驾驶员的生命体征信息;

  3)德国Alatex公司则用这种智能无纺布研制了与智能座套类似的,带传感器的智能安全带;

  4)从事可穿戴设备监测业务葡萄牙Plux公司,研制的信号处理单元(signal processing unit,SPU),是一款能够采集智能座套和安全带的信号,并使用科学算法进行信息处理的智能终端。

  5)将上述成果集成的HARKEN系统,已在驾驶模拟器中验证并在道路上测试,已被验证是一个可以有效检测驾驶员生命体征的系统。

  2.2 用座椅采集

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  由德国亚琛(Aachen)的福特欧洲研究中心和亚琛大学的Rheinisch-WestfälischeTechnische Hochschule公司采用非接触式心电图技术,联合开发的心率监测座椅( heartrate monitoring car seat)于2011年5月公开亮相,与诊所里的普通心电图机需要将金属电极固定在身体不同部位的皮肤上不同的是,福特心电图座椅有6个内置传感器,它就像一个早期预警系统,可以透过司机的衣服检测到心脏的信息。专门设计的检测电极,将检测到的驾驶员心脏信息,通过复杂的电子设备将其转化为心电脉冲信号,反映出心脏的动态监测数据。在测试中,福特心脏监测座椅监测的成功率达到了95%。除福特外,用类似技术生产的座椅产品已经安装传感器的车型从2008年起就已经面市,其安装对象主要是戴姆勒、奥迪等品牌的高端车型。

  2.3 在方向盘上采集

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  2018年史蒂芬·莱昂哈特(Steffen Leonhardt)等人在一篇论文中介绍了,将传感器集成在方向盘的各个位置,来进行无创心率和脉搏波测量的方法。因为是手掌直把接握方向盘,可以不用特殊的装置或导电凝胶之类的东西来传导。基于集成电极的方向盘的心电图监测是一种很好的心脏数据监测方法,但需要驾驶员的双手与方向盘的导电部分进行接触。因此,重要的转向运动与紧握位置的变化,以及相当普遍的单手操作方向盘和相对常见的双手交叉转动方向盘导致手握位置变化等操作习惯,都会引起传感器数据中断。对此,有人在驾驶员座位和方向盘上方便安装一个电极,成功地克服了常见的单手转向习惯及其连续问题。该系统还结合了导电测量概念和电容传感,这是后来被称为混合传感(hybrid sensing)。

  2.4 用雷达采集

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  “雷达”这个术语来源于英文“无线电探测和测距的缩写(radio detecting and ranging)”。用雷达设备以非侵入性的方法来监测生命体征的技术,是利用发射器发射的高频电磁波对胸部表面反射,从而传输人类胸部位移的信息,并在某种程度上作为穿透深度的功能,传输内部器官运动的信息。反射波由接收器接收并分析。2015年,伽柏·芬奇(Gabor Vinci)等人提出使用连续波(continuous wave,CW)雷达传感器监测驾驶时的生命体征。实验中先后把将24 GHz的六端口雷达系统的传感器安装在汽车的方向盘和座椅靠背上,实验证明鉴于驾驶室空间的限制,通过驾驶员座椅来进行生命体征信息的采集效果更好。2018年又有人用电磁脉冲穿透深度更好的,带宽约为2 GHz的脉冲、载频为3.9 GHz的脉冲雷达模块安装汽车座椅靠背上进行试验,来采集心脏和呼吸频率信息,取得了比较满意的成果。

  2.5 通过耳道采集

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  手腕等部位不同,耳道因为靠近大脑,颈动脉血流系统沿着耳道区域垂直流动。通过这个穿过耳屏和耳垂该区域,毛细血管系统可以很好地获得血流量和心率,并且耳道具有屏蔽外部电噪声的特性,为生理测量提供了一个独特的生理测量位置,甚至有实验还证明耳道中检测生命体征的精确度优于手腕。有研究表明耳道提供稳定的光电容积描记图,并且可以抵抗体温过低期间发生的血容量变化。这是因为身体的外围区域在寒冷期间会受到限制的血流,而耳道是一个被皮肤包围的狭窄腔,可以维持内部血流水平,这使得耳道成为准确测量核心体温的首选部位。目前通过耳朵测量生命体征的装置已经比较成熟,但是用于驾驶员生命体征实时检测的却鲜有可见,道理很简单,毕竟耳道内的传感器有可能影响驾驶员行车时听觉,所以虽然有不少研究成果,但也只是实验室的试验结果而已。

  2.6 在头部采集

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  根据相关研究结果,前额传感器可以准确地检测人的疲劳程度,可在驾驶员有睡意前5分钟检测疲劳情况,准确率高达90%。而且在赛车驾驶员头盔内安装传感器的技术已经非常成熟,可以通过卷积神经网络 (convolutional neural networks,CCNN) 来分析驾驶员的认知状态,并且利用脑电数据跟踪驾驶过程中的生命体征也已成为一个非常有用的工具,甚至还有些产品可以通过脑电波直接控制车辆。此类消费级产品的种类比较多,并且具有可靠性和价格方面的优势,不过驾驶汽车的驾驶员头上戴着由一个或两个电极组成的传感器头箍开车还是有点怪怪的,除了特殊情况,使用的人并不多。

  2.7 用摄像机采集

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  摄像机用于驾驶员生命体征的检测,主要基于驾驶员眼、耳、鼻、口数据的光学测量,由于是非接触的信息传输,光学模式可能提供不引人注目的遥感(如:红外线光谱分析等),就技术而言,其先进性是不言而喻的,近年来在生命体征监测中的应用也是越来越多,但是如果驾驶员戴墨镜、天气、光线以及驾驶室的空间限制等因素对其准确度的影响,以及数据处理器的速度和相应的成本。目前除脸部的图像识别外,生命体征的检测未见使用的案例。

  2.8 用智能手(表)环采集

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  智能手(表)环是一种直接与人体接触的非侵入式穿戴式智能装置,是到目前为止比较检测比较理想的驾驶员生命体征数据采集方法。基于智能手(表)环的驾驶员生命体征管理系统,主要由四大单元组成:

1)采集单元:通过光电和心电传感器,实现对驾驶员生命体征的实时采集;

2)上传单元:由内置的低功耗通讯模块,可以方便的与车载智能终端或直接与管理平台连接实现数据的实时上传;

3)处理单元:对采集的数据进行筛选,剔除无效数据;

4)分析单元:对处理单元处理后的数据进行分析,按照需求生成健康数据报告。

3. 小结

传统上,生命体征监测是用一个固定的、专用的设备来测量每个信号,传统的医用监护采用的大型固定设备,显然不适合公交车驾驶员。公交车驾驶员工作中的生命体征监护数据的采集,起码应该满足几点:

1)所有采集方法必须是非侵入式的,不能影响车辆驾驶操作;

2)不能因驾驶室环境、天气、驾驶员戴墨镜等原因影响数据采集;

3)不能因穿着的衣物厚度、戴手套等个人穿戴喜好影响数据的采集;

4)为了提高采集设备通信的可靠性和驾驶室设备的简约化,采集数据的现场分析,采集设备应与车内智能终端集成。

基于上述原因,使用智能手(表)环来采集驾驶员的生命体征数据,已经成为镇江公交等国内多个城市公交公司的首选,采集方法及相应的设备管理也日趋成熟。不过驾驶员生命体征数据采集,也只是城市公交智慧化工作的第一步,只有把所采集的数据与车辆及路况数据结合起来,运用人工智能对人、车、路的数据进行综合分析,并用于城市公共交通的运营管理,才是驾驶员生命体征数据采集的终极目标。


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