1、學 年 論 文學生姓名杜方健學 號071322005學院教育科學學院專業應用心理學題 目駕駛作業的心理疲勞研究指導教師萬增奎 教授/博士（姓 名） （專業技術職稱/學位）2015年11月教育科學學院學生學年論文成績評定表姓名杜方健年 級13班 級07學 號071322005論文題目駕駛作業的心理疲勞研究指導教師意見及成績評定指導教師（簽名） 年 月 日復核意見 復核人（簽名） 年 月 日學年論文獨創性聲明本人鄭重聲明：本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。本論文除引文外所有實驗、數據和有關材料均是真實的。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發

2、表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期：摘要：駕駛疲勞是高速公路上引起車禍的重要原因，已經成為發達國家交通領域的研究熱點。駕駛員在行駛過程中不僅需要通過器官的觀察外界的環境并且進行一定的操控作業，由此引起眼睛酸脹，視力減退等眼部問題。更加需要大腦不斷的分析處理外界行車信息，而引起一系列心理疲勞反應，如反應力下降，注意力下降等。本課題通過論文工作，研究駕駛員非疲勞和疲勞下的心理狀況，并結合所對應的生理狀況，以綜合評價長途駕駛引起的疲勞程度。目的：結合引起疲勞的主要因素，利用疲勞識別方法，對駕駛員正常和疲勞狀態下心理狀態進行

3、評測，并與對應的生理狀況比較，綜合分析駕駛員疲勞程度。最后提出針對性的解決這些疲勞的方法。方法：分析心理疲勞相關理論，尋找到一種實用并且具有發展前景的疲勞識別方法，提出針對性的解決疲勞方案。關鍵詞： 高速公路 駕駛心理疲勞 心理疲勞檢測目錄1緒論41.1駕駛疲勞的概述42 駕駛作業心理疲勞分析52.1 駕駛疲勞類型52.2駕駛員感知作業疲勞52.3 駕駛員信息處理作業疲勞分析73 人眼疲勞檢測93.1 人眼定位93.2 基于模板匹配的人眼狀態識104駕駛員眼部疲勞識別115結果與展望13參考文獻131緒論1.1駕駛疲勞的概述駕駛疲勞(Driving fatigue)是指機動車駕駛員在一段時間駕

4、車后所產生的生理及心理反應水平下降，具體表現為感官功能減退，注意力分散，打瞌睡?駕駛操作失誤或完全喪失駕駛能力等等。按駕駛疲勞產生方式可分為：主觀疲勞(主觀感受)和客觀疲勞(在任務執行過程中反應機能的下降)。按疲勞產生內容可分成生理疲勞和心理的疲勞。駕駛疲勞的生理反應有：肌肉放松，動作行為不協調：困倦，眨眼，瞳孔縮?。恍穆拭}率減慢，血壓降低等。駕駛疲勞心理反應有：警覺性下降，反應時延長，注意力分散，短期記憶力下降，產生厭倦急躁情緒等。一般的說，這些疲勞是相互關聯的，生理疲勞必然導致心理疲勞：反過來心理疲勞也容易引起生理疲勞。近年來，我國道路交通事業發展迅速，但惡性道路交通事故數量也隨之逐步上升

5、，僅2005年l至2月，全國共發生交通事故83334起，造成16582人死亡，其中因疲勞駕駛導致死亡的有381人。全國交通部統計資料顯示每年因疲勞駕駛造成的交通事故占總數的20左右，占特大事故的40以上。有人根據安徽省交警大隊的資料統計41，1995和1996兩年內，滬寧高速公路交通事故的76O和732是駕駛員肇事引起，而疲勞駕駛占比例最大。由此可見，駕駛疲勞是導致交通事故的一個重要因素。疲勞駕駛影響駕駛員的警覺和安全駕駛能力，使駕駛員觀察注意力下降，反應速度下降，對駕駛員和乘坐者而言都非常危險的。2 駕駛作業心理疲勞分析2.1 駕駛疲勞類型按作業類型分，駕駛員作業可分為肌肉作業，感知作業，信

6、息處理作業三大部分，其中感知作業和信息處理作業是駕駛員的主要作業內容。而肌肉作業疲勞就是我們所提的駕駛生理疲勞，主要表現為全身肌肉酸脹，操作行為下降甚至失控等，而感官作業疲勞和信息處理疲勞則是我們所提的駕駛心理疲勞的主要部分，表現為感官能力下降，注意力分散，記憶力下降，情緒急躁等等。(1)肌肉作業疲勞：肌肉作業疲勞是指局部肌肉作業效率下降，并出現一定的特征反應，未能及時的準確的動作定位。(2)感知作業疲勞：感知作業疲勞是指以感知作業為主的作業，由于多種疲勞因子的聯合作用，最終駕駛員未能及時，準確地感知和過濾所需信息。主要分為三類：沒有感知到信息：疲勞狀態下，視覺系統感知能力下降，靜視力和動視力

7、低，視野感知遲鈍，視立體覺和暗適應功能減弱，聽覺水平下降等。感知疲勞信息：疲勞狀態下，駕駛員在行車時看錯提示信息。沒有感知到相關信息：疲勞狀態下，對側穿公路行人及相關重要駕駛信息沒有感知。(3)信息處理作業疲勞：信息處理作業疲勞是指在大量的信息處理過程中，由于多種疲勞因子的聯合作用，未能予以及時，快速，準確的處理相關信息，并形成處理滯后現象。圖1駕駛過程模擬2.2駕駛員感知作業疲勞人的感知響應系統由感覺器官，傳入神經，大腦皮層，傳出神經和運動器官組成。人通過各種感覺器官接受外部刺激，經傳入神經傳給大腦皮層進行信息處理，神經中樞做出的決定經傳出神經下達給運動器官而作出人體運動響應。駕駛是以感知和

8、信息處理為主的作業，駕駛員的行為是信息感知，判斷決策和動作所組成的一個不斷反饋校準的信息處理過程，外界事物及駕駛員自身的所有信息都來自于感知，駕駛員對交通狀態中的各要素進行不斷的感知，識別，為信息處理提供基礎資料。即：識別交通環境要素理解要素的狀態確定要素的隨后狀態識別交通環境中的要素：駕駛員從道路環境，車內顯示儀表或直接通過感覺器官來識別交通狀態中的要素及其相應特性。理解要素的狀態：通過對層次中不連貫要素的綜合，依據要素間的模式匹配來形成對要素的全面認識和重要特性的歸結。確定要素的隨后狀態：結合對交通環境中要素的識別和要素狀態的理解結果，根據對現有狀態認識來確定要素的瞬時或隨后狀態，以便正確

9、判斷決策和協調動作。駕駛員在駕駛作業中，要時刻不停的對交通系統，交通條件中各種信息進行感知識別，實時按照新的信息采取適當的操作，使汽車保持安全運行。駕駛員的作業疲勞是一種以感知疲勞為主的作業疲勞。2.2.1 視覺疲勞分析人的視覺是指眼睛在光線作用下，對物體明暗(光學)，形狀(形憊覺)，顏色(色覺)，運動(動態覺)和遠近深淺(立體知覺)等的綜合感覺，人的視覺是由光刺激，眼睛，視覺神經和視覺中樞共同作用的結果。圖片2眼球系統的組成駕駛員的視覺特性主要涉及靜視力，動視力，色覺，暗適應，視立體覺，視野等。駕駛員通過眼睛獲得的信息占全部信息的80%以上，行車過程中，駕駛員的視覺能力直接關系到駕駛員的駕駛

10、行為對行車安全起著決定性作用。在駕駛員行車過程中，道路上物體的遠近明暗變化是連續而快速的，而眼的調節也是頻繁的，極易疲勞。由于光線的刺激，視網膜引起興奮并將信息傳送到中樞神經系統，這種視覺過程能振奮整個機體的活動，高級神經系統的活動也因此加強。當用眼時間過長或照度不足時，視覺活動過程開始減慢，視覺效率便顯著下降，引起視覺疲勞，而且整個神經中樞系統和機體活動也受到抑制，造成眼睛局部疲勞和全身性疲勞。 聽覺疲勞分析駕駛員的觀察不是僅靠眼睛完成的，而是各種感覺器官共同起作用的過程。聽覺是駕駛員獲取交通環境信息的最重要器官之一，它僅次于視覺獲得的信息量。有研究發現，駕駛員在行車工作中，觀察時眼睛的視覺

11、工作量已趨飽和，超過一定限度，就會給人帶來疲勞感，影響安全行車。因此，就要充分調動各種感官來配合眼睛共同完成觀察任務。聽覺對視覺有重要的輔助作用。圖3 聽覺機制駕駛員在行車中聽覺的作用表現在：(1)輔助作用。行駛中，當視覺的注意力不能分散時，駕駛員往往靠聽覺來觀察車內情況和車外有關信息。(2)提醒作用，行駛中，若聽到發動機的聲音發現異常，變速器發出均勻的噪音，就會警覺。(3)車輛中的些裝置，如警報裝置，信號反饋裝置的功能是靠聲音來實現的，駕駛員只能靠耳朵來獲取這些信息。2.3 駕駛員信息處理作業疲勞分析駕駛員的行為過程按照信息理論解釋，實質上是信息的接受，編碼，儲存，交換，操作，檢索，比較，提

12、取和使用的過程。駕駛員完成這一過程分為四個系統：即交通信息感知系統，記憶系統，控制系統和響應系統，每個系統與其他系統相聯系且是互動的。交通信息感知系統主要由視，聽，觸，方位，空問，平衡等感知覺構成，接受刺激，加工，編碼將物理能量轉換為神經沖動，經感覺神經纖維傳遞到大腦等神經中樞。記憶系統將傳入的刺激信息與長時記憶單元中原有信息相比較?？刂葡到y是神經中樞加工與處理，得以編碼，存儲與提取，將指令經神經纖維傳遞到效應器官。但是當駕駛產生疲勞時，特別是信息處理類疲勞，必定產生對感知，知覺，記憶，反映等系列性抑制。圖4 駕駛員信息加工過程 反應能力反應是駕駛員隊內外刺激的應答。包括反應速度，反映的準確性

13、和反應的靈活性。衡量駕駛員反應能力的主要指標是反應時間。人總是先由眼睛等感覺器官獲得信息，而后傳入大腦，再經大腦處理后發出命令而產生動作的，這一段時間稱為反應時間。它包括神經沖動在感覺神經纖維，運動神經纖維中傳遞的時間和大腦的分析綜合時間兩部分，這兩個時間之和就構成了反應時間。從安全角度看，駕駛員對一信號或障礙物出現的反應時間越短越好。駕駛員的反應能力是生理，心理行為最重要的基礎指標。反應事件不僅依賴于受刺激的感受器，與整個集體的狀態有關，當然也與駕駛技術熟練程度有關。駕駛種復雜反應時問通過練習可以縮短，減少決策時間。 判斷能力 駕駛員在行車時，總是處于迅速運動之中，因此能否準確地估計速度對行

14、車安全非常重要。準確地判斷時間，距離和速度是駕駛員必備的素質。如超車時駕駛員需要連續地判斷和準確估計對面車輛的車距，車速和兩車問的相對速度及被超車和迎面交通情況，這就是駕駛員速度判斷行為。速度判斷能力對駕駛員行車安全的影響是比較重要的，確定駕駛員速度判斷能力水平對限制交通事故的發生具有積極的意義。影響速度判斷的相關因素較多，主要是反應時因素。 注意能力注意是心理活動對一定事物有選擇的集中，它不是種獨立的心理活動，而是一種心理狀態，是表現各種心理活動的一種積極和緊張程度的狀態。注意到某一個對象后在大腦皮質的一定區域就會產生一個興奮中心，根據神經過程的相互誘導規律，在大腦皮層上發生的每一興奮中心都

15、會引起周圍區域的抑制。某一瞬間，注意高度集中，大腦皮質上的興奮中心處于優勢地位，就可以清楚地反映引起這個優勢興奮中心的對象，所以緊張持續的主意就使人對某個對象產生清晰，準確和完善的反映。駕駛員在行車過程中，必須時刻高度集中注意與往來車輛，行人以其他障礙物，以使這個興奮中心居于優勢地位。在行車工程中，駕駛員的注意能力一般表現在：注意的穩定性，注意的廣度，注意的分配和注意的轉移。保持穩定的駕駛，注意力合理分配在觀察路況，車況上，合理的緊張度和轉移注意以達到放松的得目的。3 人眼疲勞檢測 駕駛疲勞的危害不言而喻，由此作為一種避免交通事故、減少事故損失的有效手段，疲勞駕駛檢測技術受到了最為廣泛的關注，

16、它成為交通工程領域的研究熱點，代表著未來車輛發展的趨勢。 本文就提出了一個有效的疲勞檢測技術：人眼疲勞檢測。眼睛是人臉最重要的特征，是為一個重要信息傳遞的功能組織而存在的，其不僅將外界的各種信息傳遞到大腦，而且也無時無刻的反映人的內在精神狀況，所以說眼睛疲勞檢測是駕駛員疲勞檢測的關鍵技術。正常狀態下，眼睛睜得很大；疲勞時，眼睛將會睜的很小；睡眠時，眼睛完全閉合。因此，利用眼睛信息來判斷駕駛員疲勞狀態時一種可行的方，如何準確、快速的識別眼睛狀態，成為實現駕駛員疲勞預警的關鍵。運用各種技術對人眼進行精確定位后，再對人眼狀態進行疲勞識別，是入眼疲勞檢測的主流流程，人眼疲勞檢測流程圖如圖5所示。圖5

17、人眼疲勞檢測流程圖3.1 人眼定位目前，存在著很多的人眼定位方法，LamKM等人根據彈性模板的方法來找尋眼睛，。本文為了對眼睛進行精確定位，首先提出了由粗到細的兩級定位方法，其根據人臉圖像的投影大致定位出人眼，再將大致定位區域分割成若干小塊，找尋復雜度較大的幾個小塊，最后建立判定規則，找出分別包含兩個眼睛的小塊。 人眼粗定位從人臉灰度分布上可以看出，人的器官如眉毛、眼睛、鼻孔、嘴部這些區域相比較與周圍區域要暗。若對人臉積分投影，投影曲線上這些器官的位置會各自出現一個極小值，以這些個極小值點之間的位置關系，建立判定規則，即可確定人臉寬度眉毛、嘴部、眼睛、鼻孔的水平位置和各器官問的垂直距離，由此確

18、定眼部區域和嘴部區域，將這些區域分割出來進行下一步的特征提取處理。求人臉灰度水平投影曲線的方法如下：PH(y)曲線中，橫坐標X為圖像中每一行所有像素點灰度值之和的均值，縱坐標Y為該行的行標號。PH(y)曲線反映了圖像在水平方向上的灰度變化，其各個極值點的縱坐標Y均對應于人臉器官的垂直位置。 人眼精確定位復雜度是反映一個圖像區域內容的復雜程度，是該圖像中邊緣數量與該區域面積之比，即定義某區域么的復雜度為：上式中，Edge為邊緣檢測算子，在這里為sobel算子，s(A)為A區域的面積。由于人眼在面部器官中是最復雜的結構，其復雜度是最大的。為了進一步精確定位人眼，本文采用復雜度計算來定位眼睛。此外，

19、為加快處理速度而沒有對每個位置進行復雜度的計算，采用將眼睛搜索區域分割成若干個固定大小的塊，對每一塊求其復雜度，找出復雜度大的幾塊為候選塊，并將這些候選塊刪除、合并，最終得到人眼位置，規則是根據兩眼的分布規則及其對稱性制定的。3.2 基于模板匹配的人眼狀態識用模板匹配的方法對人眼狀態進行識別，需要制作眼睛模板，本文采取在實驗室自行拍攝人臉圖像，對獲取的樣本手動截取雙眼加上眉毛，制作為模板，這里眼睛模板中加上眉毛是為了杜絕眉毛的干擾。故在此選擇眼睛搜索區域即眼睛粗定位為待搜索區域，并且加大搜索框：眼睛與眉毛的垂直距離d，以眼睛位置為基準點，向上偏移d+d2，向下取偏移d2，使得搜索框包含眼睛。圖

20、6 模板匹配數據在這里結合模板匹配算法的理論知識，根據公式2-(14)計算模板與待搜索區域的相識度，相識度值越大表示兩者就越相似，=l時表示子圖與模板完全一樣，也就是說當以正常狀態情況下的人眼作為模板匹配人眼圖像時，相識度的大小可以反映出人眼是處于正常、閉合以及疲憊狀態。圖6為人眼圖像通過上面介紹的方法制作成的眼睛模板與待測圖像的匹配結果，分別采用了5個人的人眼模板，模板均為正常狀態下的人即將眼睛睜開。從圖6可以看出，人眼的睜開、閉合或睜得很小這三種狀態下的最大相似度均明顯的差異。故可以經過大量實驗來設定兩個合適的閾值T1、T2互以識別眼睛狀態。若T1認為眼睛處于睜開狀態；若T2T1互認為眼睛

21、睜得很?。蝗鬞2認為眼睛閉合或睜得很小。本文眼睛疲勞狀態識別只需要確定睜眼和閉眼兩種狀態，眼睛睜開和微睜都認為時睜眼狀態，將上面5次實驗的疲勞最大相似度的均值09464設定為閾值T1，如果待匹配圖像的最大相似度大于09464時認為眼睛睜開，反之，認為眼睛閉合，即駕駛員處于睡眠狀態。4駕駛員眼部疲勞識別PERCLOS(percentage of eyelid closure over the pupil over time)定義為單位時間內眼睛閉合時間所占總時間的百分比。20世紀70年代，由弗吉尼亞大學的Walt Wierwile最先開始研究眼睛的光學變量與疲勞之間的關系，也是最早研究PERCL

22、OS的人。在此后近20年來的研究表明，PERCLOS是一種對疲勞進行估計的最好的檢測算法，其數據能夠表示出疲勞，在所有基于視覺的檢測方法中效果是最好的，但是PERCLOS存在不足之處。比如說其測量容易受佩戴眼鏡的影響，同時眼鏡的個體差異也給測量帶來一定的影響。PERCLOS的測量原理如上所示，通過測量出就能計算出PERCLOS的值：f代表眼鏡閉合時間的百分比，即為PERCLOS值；t1是眼鏡最大瞳孔閉合到80所用的時間；t2是眼鏡80瞳孔閉合到20或更小閉合。眼鏡閉開比即為：當測量時間內眼睛閉合的時間與眼睛睜開的時間之比。目前眼睛閉合時間為80這個指標與駕駛員疲勞程度的相關性最好，本文采用眼睛

23、閉合時間占80作為疲勞判定的方法。圖7基于上面對眼睛狀態進行模板匹配的檢測結果，本文將眼睛睜開眼模板與眼睛的搜索區域進行匹配，當眼睛搜索區域的最大相似度小于閾值09464時，認為此時的眼睛為閉合狀態，反之，認為是睜開狀態。根據人的生物鐘，人的最佳精神狀態為9：00,-10：00、16：00-18：00，疲倦狀態為13：00-,14：00、23：0(01：00，分別在上述時間內拍攝5名被測試者的視頻圖像，需要注意的是拍攝過程中，被測者頭部轉角要小與15度，并且沒有大范圍的移動。從視頻圖像中，分別獲取疲勞和不疲勞狀態下的視頻片段，5分鐘為一段，總共為10段，根據上文的研究檢測出眼睛狀態，分別計算出

24、30秒內眼睛的PERCLOS值()，結果如圖8所示，表中PERCLOS值為5分鐘內的均值。圖8從圖8可以計算出駕駛員疲勞時的PERCLOS均值為3695，本文設定閾值為36，若果駕駛員的PERCLOS值大于36，則認定此時駕駛員處于疲勞狀態。另外，通過大量其它實驗檢測結果說明，實驗結果和計算的理論基本一致，只要駕駛員臉部沒有大范圍快速的移動，這種疲勞判斷方法是可以滿足駕駛員疲勞預警要求的。5結果與展望隨著現代交通運輸業的飛速發展，交通事故已成為當今世界面臨的嚴重問題之一。而駕駛員疲勞也是導致眾多大型交通事故發生的主要原因，因此對駕駛員疲勞狀態的實時檢測是非常必要的。本文分析了駕駛的疲勞原因，并且對其主要的疲勞作業進行了深入