王小磊：高級(jí)工程師，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市公共交通分會(huì)智庫(kù)專家，曾經(jīng)任重慶市公共交通控股（集團(tuán)）有限公司電車公司總工程師、BRT公司書記兼副總經(jīng)理、公交維修公司總經(jīng)理、恒通客車顧問(wèn)、吉爾吉斯斯坦共和國(guó)史德洲（Шыдыр Жол Кей Джи）有限責(zé)任公司總機(jī)械師等。

公交車駕駛員生命體征數(shù)據(jù)采集方法綜述

王小磊

　　前言

　　未來(lái)，雖然無(wú)人駕駛公交車將可能逐步進(jìn)入城市道路公共交通系統(tǒng)，駕駛公交車的公交車駕駛員（以下簡(jiǎn)稱：駕駛員）也許在不久的將來(lái)會(huì)被無(wú)人駕駛?cè)〈窃诔Ｒ?guī)公交車向無(wú)人駕駛公交車這段暫時(shí)無(wú)法預(yù)計(jì)的漫長(zhǎng)的過(guò)渡期內(nèi)，駕駛員的健康管理對(duì)公交車的安全運(yùn)營(yíng)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(shù)據(jù)采集技術(shù)做一綜述。

　　1. 背景

　　城市公交車服務(wù)的對(duì)象是出行者，行車中的駕駛員為了應(yīng)對(duì)道路上隨時(shí)可能出現(xiàn)的各種邊緣事件，必須保持注意力高度集中，長(zhǎng)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(dǎo)致在行車過(guò)程中減弱或失去對(duì)車輛應(yīng)急控制的能力，甚至因此發(fā)生猝死的事件也開始有逐年增加的趨勢(shì)。為了避免類似事件導(dǎo)致重大交通事故的發(fā)生。關(guān)注駕駛員的身心健康，實(shí)時(shí)采集其生命體征數(shù)據(jù)就是第一步，有了數(shù)據(jù)才能通過(guò)人工智能技術(shù)對(duì)駕駛員的行為和生理情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，以主動(dòng)安全的理念對(duì)駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)并采取保護(hù)措施，避免事故的發(fā)生。

　　2. 采集方法

　　現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，人體有多種不同的生理信號(hào)可以測(cè)量：從電信號(hào)到生化信號(hào)，人體的生物信號(hào)都可以被提取出來(lái)，用于更好地了解身體健康狀況和對(duì)外部因素的反應(yīng)。在駕駛員緊張焦慮和疲勞時(shí)，可以通過(guò)各種身體反應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)，如快速的眼球運(yùn)動(dòng)和眨眼、心電圖變化、特定的面部表情和肌肉運(yùn)動(dòng)、特定的肌肉活動(dòng)、手的振動(dòng)、血壓的波動(dòng)、心率的增加、皮膚導(dǎo)電性電阻的變化、呼吸頻率或大腦活動(dòng)，血液中氧含量的變化或皮膚溫度的突然變化。如能及時(shí)采集上述數(shù)據(jù)，就有機(jī)會(huì)采取相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行處置，提前消除隱患。即使在行車途中也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免更大事故的發(fā)生。本文根據(jù)公開發(fā)表的部分文獻(xiàn)，對(duì)近年來(lái)汽車設(shè)計(jì)和交通安全專家對(duì)駕駛員生命體征數(shù)據(jù)采集方法的研究成果，進(jìn)行如下歸納：

　　2.1 哈肯（Harken）項(xiàng)目

　　2012年7月19日由歐盟資助的由一所大學(xué)和六家公司組建的一個(gè)聯(lián)盟正式成立，聯(lián)盟由曼徹斯特大學(xué)以及分別是來(lái)自西班牙、德國(guó)、葡萄牙和愛沙尼亞的小公司組成。聯(lián)盟的主要工作是“車內(nèi)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(xiàng)目。該項(xiàng)目進(jìn)行了兩年，并取得了五項(xiàng)成果：

　　1）西班牙SensingTex公司研發(fā)的，一種對(duì)呼吸和心率的微小信號(hào)具有足夠的靈敏度的、可集成到紡織產(chǎn)品中的智能無(wú)紡布。由于導(dǎo)電顆粒的尺寸是影響 ECPC性能一個(gè)重要因素，因此智能無(wú)紡布填充的是有納米顆粒導(dǎo)電顆粒的聚合物墨水（polymer ink），這種布料可作為測(cè)量心率和呼吸的駕駛員座椅、安全帶等類似產(chǎn)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(wú)紡布研制成了帶傳感的智能座套，這種座套可檢測(cè)到駕駛員的生命體征信息；

　　3）德國(guó)Alatex公司則用這種智能無(wú)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(shè)備監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)葡萄牙Plux公司，研制的信號(hào)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(hào)，并使用科學(xué)算法進(jìn)行信息處理的智能終端。

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

　　2.2 用座椅采集

　　由德國(guó)亞?。ˋachen）的福特歐洲研究中心和亞琛大學(xué)的Rheinisch-Westf?lischeTechnische Hochschule公司采用非接觸式心電圖技術(shù)，聯(lián)合開發(fā)的心率監(jiān)測(cè)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(jī)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(gè)內(nèi)置傳感器，它就像一個(gè)早期預(yù)警系統(tǒng)，可以透過(guò)司機(jī)的衣服檢測(cè)到心臟的信息。專門設(shè)計(jì)的檢測(cè)電極，將檢測(cè)到的駕駛員心臟信息，通過(guò)復(fù)雜的電子設(shè)備將其轉(zhuǎn)化為心電脈沖信號(hào)，反映出心臟的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在測(cè)試中，福特心臟監(jiān)測(cè)座椅監(jiān)測(cè)的成功率達(dá)到了95%。除福特外，用類似技術(shù)生產(chǎn)的座椅產(chǎn)品已經(jīng)安裝傳感器的車型從2008年起就已經(jīng)面市，其安裝對(duì)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

　　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(gè)位置，來(lái)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)心率和脈搏波測(cè)量的方法。因?yàn)槭鞘终浦卑呀游辗较虮P，可以不用特殊的裝置或?qū)щ娔z之類的東西來(lái)傳導(dǎo)?；诩呻姌O的方向盤的心電圖監(jiān)測(cè)是一種很好的心臟數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，但需要駕駛員的雙手與方向盤的導(dǎo)電部分進(jìn)行接觸。因此，重要的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)與緊握位置的變化，以及相當(dāng)普遍的單手操作方向盤和相對(duì)常見的雙手交叉轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤導(dǎo)致手握位置變化等操作習(xí)慣，都會(huì)引起傳感器數(shù)據(jù)中斷。對(duì)此，有人在駕駛員座位和方向盤上方便安裝一個(gè)電極，成功地克服了常見的單手轉(zhuǎn)向習(xí)慣及其連續(xù)問(wèn)題。該系統(tǒng)還結(jié)合了導(dǎo)電測(cè)量概念和電容傳感，這是后來(lái)被稱為混合傳感（hybrid sensing）。

　　2.4 用雷達(dá)采集

　　“雷達(dá)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)源于英文“無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距的縮寫（radio detecting and ranging）”。用雷達(dá)設(shè)備以非侵入性的方法來(lái)監(jiān)測(cè)生命體征的技術(shù)，是利用發(fā)射器發(fā)射的高頻電磁波對(duì)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(nèi)部器官運(yùn)動(dòng)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(xù)波(continuous wave，CW)雷達(dá)傳感器監(jiān)測(cè)駕駛時(shí)的生命體征。實(shí)驗(yàn)中先后把將24 GHz的六端口雷達(dá)系統(tǒng)的傳感器安裝在汽車的方向盤和座椅靠背上，實(shí)驗(yàn)證明鑒于駕駛室空間的限制，通過(guò)駕駛員座椅來(lái)進(jìn)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(dá)模塊安裝汽車座椅靠背上進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)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(guò)耳道采集

　　手腕等部位不同，耳道因?yàn)榭拷竽X，頸動(dòng)脈血流系統(tǒng)沿著耳道區(qū)域垂直流動(dòng)。通過(guò)這個(gè)穿過(guò)耳屏和耳垂該區(qū)域，毛細(xì)血管系統(tǒng)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(cè)量提供了一個(gè)獨(dú)特的生理測(cè)量位置，甚至有實(shí)驗(yàn)還證明耳道中檢測(cè)生命體征的精確度優(yōu)于手腕。有研究表明耳道提供穩(wěn)定的光電容積描記圖，并且可以抵抗體溫過(guò)低期間發(fā)生的血容量變化。這是因?yàn)樯眢w的外圍區(qū)域在寒冷期間會(huì)受到限制的血流，而耳道是一個(gè)被皮膚包圍的狹窄腔，可以維持內(nèi)部血流水平，這使得耳道成為準(zhǔn)確測(cè)量核心體溫的首選部位。目前通過(guò)耳朵測(cè)量生命體征的裝置已經(jīng)比較成熟，但是用于駕駛員生命體征實(shí)時(shí)檢測(cè)的卻鮮有可見，道理很簡(jiǎn)單，畢竟耳道內(nèi)的傳感器有可能影響駕駛員行車時(shí)聽覺，所以雖然有不少研究成果，但也只是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果而已。

　　2.6 在頭部采集

　　根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，前額傳感器可以準(zhǔn)確地檢測(cè)人的疲勞程度，可在駕駛員有睡意前5分鐘檢測(cè)疲勞情況，準(zhǔn)確率高達(dá)90%。而且在賽車駕駛員頭盔內(nèi)安裝傳感器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (convolutional neural networks，CCNN) 來(lái)分析駕駛員的認(rèn)知狀態(tài)，并且利用腦電數(shù)據(jù)跟蹤駕駛過(guò)程中的生命體征也已成為一個(gè)非常有用的工具，甚至還有些產(chǎn)品可以通過(guò)腦電波直接控制車輛。此類消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的種類比較多，并且具有可靠性和價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)駕駛汽車的駕駛員頭上戴著由一個(gè)或兩個(gè)電極組成的傳感器頭箍開車還是有點(diǎn)怪怪的，除了特殊情況，使用的人并不多。

　　2.7 用攝像機(jī)采集

　　攝像機(jī)用于駕駛員生命體征的檢測(cè)，主要基于駕駛員眼、耳、鼻、口數(shù)據(jù)的光學(xué)測(cè)量，由于是非接觸的信息傳輸，光學(xué)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(shù)而言，其先進(jìn)性是不言而喻的，近年來(lái)在生命體征監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也是越來(lái)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(duì)其準(zhǔn)確度的影響，以及數(shù)據(jù)處理器的速度和相應(yīng)的成本。目前除臉部的圖像識(shí)別外，生命體征的檢測(cè)未見使用的案例。

　　2.8 用智能手（表）環(huán)采集

　　智能手（表）環(huán)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(cè)比較理想的駕駛員生命體征數(shù)據(jù)采集方法。基于智能手（表）環(huán)的駕駛員生命體征管理系統(tǒng)，主要由四大單元組成：

1）采集單元：通過(guò)光電和心電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員生命體征的實(shí)時(shí)采集；

2）上傳單元：由內(nèi)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(tái)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳；

3）處理單元：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)；

4）分析單元：對(duì)處理單元處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照需求生成健康數(shù)據(jù)報(bào)告。

3. 小結(jié)

傳統(tǒng)上，生命體征監(jiān)測(cè)是用一個(gè)固定的、專用的設(shè)備來(lái)測(cè)量每個(gè)信號(hào)，傳統(tǒng)的醫(yī)用監(jiān)護(hù)采用的大型固定設(shè)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(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的采集，起碼應(yīng)該滿足幾點(diǎn)：

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(huán)境、天氣、駕駛員戴墨鏡等原因影響數(shù)據(jù)采集；

3）不能因穿著的衣物厚度、戴手套等個(gè)人穿戴喜好影響數(shù)據(jù)的采集；

4）為了提高采集設(shè)備通信的可靠性和駕駛室設(shè)備的簡(jiǎn)約化，采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)分析，采集設(shè)備應(yīng)與車內(nèi)智能終端集成。

基于上述原因，使用智能手（表）環(huán)來(lái)采集駕駛員的生命體征數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為鎮(zhèn)江公交等國(guó)內(nèi)多個(gè)城市公交公司的首選，采集方法及相應(yīng)的設(shè)備管理也日趨成熟。不過(guò)駕駛員生命體征數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與車輛及路況數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用人工智能對(duì)人、車、路的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并用于城市公共交通的運(yùn)營(yíng)管理，才是駕駛員生命體征數(shù)據(jù)采集的終極目標(biāo)。