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技术领域

本发明涉及云技术领域，尤其涉及云平台下的汽车驾驶员危险操作行为的 监测系统。

背景技术

随着汽车拥有量的不断增加，交通安全已成为制约社会和谐发展的焦点问 题。全世界每年因交通事故而导致的死亡人数超过60万，造成的直接经济损失 约125亿美元，而这些事故中70％的灾难性事故与危险驾驶操作行为有关。驾 驶行为的不当不仅对正常交通秩序造成影响，而且对车辆驾驶员的安全也构成 了一定威胁。统计显示，在交通事故发生时，如果驾驶员的反应能快半秒，60％ 的交通事故就可以避免。

近年来，各国政府、民间组织以及各大汽车公司都在研发提高驾驶员驾驶 的各种方法。如，专利[201410252819.7]提出一种驾驶行为自动监测方法及装置， 该方法通过汽车上安装摄像头对驾驶员进行身体状态监测，在数据隐私方面会 存在隐私风险。专利[201120137754.3]提供一种异常驾驶行为监测与安全预警系 统，对疲劳驾驶、酒后驾驶、不专注驾驶以及异常行为进行提醒、记录和通信 功能，但含有强制监测驾驶员行为的不足。同时，汽车系统越来越复杂，需要 监测的数据量较大，利用车载本身ECU无法满足实时性要求。专利 [201410340163.4]针对驾驶员移动终端获取信息的延迟情况，提供了一种驾驶行 为监测方法及系统，提高了驾驶安全性。专利[201320454861.8]提出一种基于无 线传感器网络的驾车行为监测预警系统，利用多种传感器技术通过无线传感器 网络完成对车辆驾驶员行为的监测预警及违法驾驶行为的监测处置系统。尽管 上述已公开的驾驶员行为监测方案为减少交通事故发挥了一定的作用，但是现 有技术部分系统功能过于单一，实用性不够，有的系统数据处理量大而不便于 实现车载。随着云平台的发展，将汽车传感器采集的数据利用无线收发模块与 云端建立连接，而云端的大数据处理、信息交互和共享等优点为驾驶带来了极 大的便利，能够帮助驾驶员了解自身驾驶习惯、获取实时路况信息，以及正确 的驾驶方式，避免安装其他昂贵的辅助设施，直接对驾驶员在驾驶过程中的行 为习惯进行监测分析，及时纠正危险操作行为，将有助于提高驾驶的安全性。

发明内容

为了克服现有行为监测系统运用摄像头监测可能造成隐私泄露、单一车辆 自主离线判断实时性不够、并未遵循车主主观意愿的强制监测、危险驾驶行为 定义不明和无语音提醒与预警功能的不足，首先，本发明的行为监测系统将直 接利用汽车已有的节气门开度位置传感器、方向盘位置传感器和汽车速度传感 器，并附加刹车踏板位置传感器和方向盘压力传感器，进行行为监测数据采集， 有效避免了摄像头监测可能造成的隐私泄露问题；第二，本发明将驾驶员操作 行为监测拓展至云平台在线监测，充分利用云端服务器含有大量操作行为的数 据资源库(专家系统)，提高操作行为监测的实时性，并结合从实时路况获取系 统获取的实时路况数据，进一步提高实时监测的准确性和有效性；第三，本发 明将在车载端增设无线数据通信模块的开关单元，驾驶员可自行选择是否打开 数据的传输功能，有效避免强制监测驾驶员操作行为的情况；第四，本发明将 明确定义并区分驾驶员危险操作行为的情形，主要包括8种危险操作行为：急 加速、急转弯、急刹车、蛇形行驶、单手驾驶、持续加速、误踩油门和误转方 向；第五，本发明还将进一步在车载端增设语音提醒模块，使云端决策输出的 结果能实时传输至车载端，提醒驾驶员并进行改正。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种云平台下的驾驶员危险 操作行为监测系统，包括云端服务器以及设置在车载端的车载传感器组、数据 采集系统、无线通信模块、GPS导航系统和语音提醒模块；其中所述车载传感 器组采集与驾驶员操作行为直接相关的数据信息，数据采集系统获取所述数据 信息，然后利用无线通信模块上传至云端服务器，云端服务器根据接收到的数 据以及存储在云端服务器中的专家系统分析驾驶员行为，决策输出相应提醒信 息，并传输至车载端的无线通信模块，然后通过语音提醒模块输出语音提醒信 息；与所述无线通信模块连接的开关单元，用于控制是否将数据采集系统传送 过来的数据传输至云端服务器。

所述车载传感器组包括汽车速度传感器、刹车踏板位置传感器、节气门开 度位置传感器、方向盘位置传感器和方向盘压力传感器(由四个片式压力传感 器构成，等间距安装在方向盘握盘四周，嵌于方向盘皮套内层)，分别采集汽车 速度信息v_c、刹车踏板位置信息s_p、节气门开度位置信息θ_p、方向盘位置信息T_p； 四个片式压力传感器信息分为两对角分布，一个对角分布的片式压力传感器信 息为P₁₁、P₁₂，另一个对角分布的片式压力传感器信息为P₂₁、P₂₂，然后分别提取 出：汽车速度单位时间变化率a_c；刹车踏板位置单位时间变化率节气门开度 位置单位时间变化方向盘位置单位时间变化率片式压力传感器信息输出 计数时间t_p。

所述云端服务器设置有数据存储系统、专家系统、实时路况获取系统和驾 驶行为分析系统，所述实时路况获取系统获取行车过程中的实时道路形状和实 时资讯信息；其中实时道路形状通过结合GPS导航系统和中国国家公路地理信 息系统获取，实时资讯信息通过路侧系统获取。

所述实时道路形状获取过程包括，首先，通过GPS导航系统获取实时车辆 信息和当前驾驶车辆的位置信息S；然后，结合已获取的GPS信号，根据安装 于车载端的中国国家公路地理信息系统进一步准确定位当前位置信息S，并提取 出当前路段的长度L_d、坡度I_d和曲率半径R_d。所述实时资讯信息获取由路侧系 统实现，可提取出当前路段的路况信息R(山路、减速慢行等危险路段)和天气 情况W(风雪、雨湿路滑等不良天气)。

一种云平台下的驾驶员危险操作行为监测方法，包括以下步骤：

1)车载端的汽车速度传感器、刹车踏板位置传感器、节气门开度位置传感 器、方向盘位置传感器和方向盘压力传感器车载传感器组分别采集汽车速度信 息v_c、刹车踏板位置信息s_p、节气门开度位置信息θ_p、方向盘位置信息T_p，方向 盘压力传感器的四个片式压力传感器信息分为两对角分布，一个对角分布的片 式压力传感器信息为P₁₁、P₁₂，另一个对角分布的片式压力传感器信息为P₂₁、P₂₂。

2)数据采集系统获取步骤1)中的各数据信息，然后分别提取出：汽车速 度单位时间变化率a_c；刹车踏板位置单位时间变化率节气门开度位置单位时 间变化方向盘位置单位时间变化率片式压力传感器信息输出计数时间t_p； 然后将步骤1)和2)的数据信息通过无线通信模块传输到云端服务器。

3)云端服务器对接收到的信息进行存储，云端服务器的实时路况获取系统 从中国国家公路地理信息系统和路侧系统中获取道路的实时情况和行车过程中 的实时资讯信息，以及GPS导航系统中的车辆实时信息，云端服务器的驾驶行 为分析系统结合以上信息分析出驾驶员的具体危险操作行为，包括急加速、急 转弯、急刹车、蛇形行驶、单手驾驶、持续加速、误踩油门和误转方向，决策 输出相应提醒信息，并传输至车载端的无线通信模块。

4)无线通信模块将接收到的云端服务器发送的提醒信息存储在语音提醒模 块，通过语音提醒模块输出语音提醒信息。

本发明的有益效果包括：可以直接应用车载传感器数据完成驾驶员危险操 作行为信息获取，以便于后期决策实现，并能有效避免由于现有技术中使用摄 像头方法可能导致的隐私泄露问题；将行为监测拓展至云技术领域，并结合实 时路况数据分析，可极大的提高危险操作行为识别的实时性和精度；设置的开 关单元能有效的避免现有技术中强制监测驾驶员操作行为的不足；现有技术中 危险驾驶行为定义不明，本发明针对性地提出了8类危险驾驶行为，有利于纠 正驾驶员实际行车过程中的不规范操作行为；语音提醒模型可将云端决策输出 的信息进行实时播报，实现对驾驶员危险操作行为的提醒，降低行车风险。

附图说明

图1是本发明提供的云平台下的驾驶员危险操作行为监测系统的总体架构 图；

图2是本发明提供的云平台下的驾驶员危险操作行为监测系统的具体的结 构流程图；

图3是本发明提供的云平台下的驾驶员危险操作行为监测系统的实现流程 图；

图4是本发明提供的驾驶员急加速危险操作行为示意图；

图5是本发明提供的驾驶员急转弯危险操作行为示意图；

图6是本发明提供的驾驶员急刹车危险操作行为示意图；

图7是本发明提供的驾驶员蛇形驾驶危险操作行为示意图；

图8是本发明提供的驾驶员单手驾驶危险操作行为示意图；

图9是本发明提供的驾驶员持续加速危险操作行为示意图；

图10是本发明提供的驾驶员误踩油门危险操作行为示意图；

图11是本发明提供的驾驶员误转方向危险操作行为示意图；

图12是本发明提供的驾驶行为分析系统的实施例；

图13是本发明提供的方向盘上片式压力传感器安装示意图；

图中：1-握盘；2-皮套；3-片式压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示为本发明提供的监测系统的总体架构图，显示为一个闭环的信 息流系统。首先，数据来源于车载传感器；接着通过无线通信模块将数据传输 至云端；车载端内设的开关单元可供驾驶员选择，当驾驶员不愿将个人行为路 径或是其他数据传入云端时，可自行关闭该功能，但是24小时自动打开，以避 免意外发生；然后，当数据传至云端时，云端具有多种数据分析方案，以及模 式识别算法，用于分析传感器提供的数据，并判断出驾驶员的操作行为状态； 最后，云端决策输出的数据信息传输至车载单并反馈至驾驶员，提醒驾驶员注 意，避免再次违规操作。

在图2所示的结构流程图中，本发明主要包含车载端和云端两方面的内容。

一方面，车载端包括车载传感器组、数据采集系统、无线通信模块、开关 单元、GPS导航系统和语音提醒模块。

车载传感器组包括：刹车踏板位置传感器、节气门开度位置传感器、方向 盘位置传感器、方向盘压力传感器、车速传感器，用于获取与驾驶员操作行为 直接相关的数据信息。刹车踏板位置传感器、节气门开度位置传感器和方向盘 位置传感器可分别获取用以判断刹车、油门和方向盘状态变化的数据，方向盘 压力传感器采用片式压力传感器，可通过压力变化情况判断驾驶员行车过程是 否进行单手驾车行为，车速传感器可获取汽车实时行车速度，用以辅助判断驾 驶员危险操作行为。

数据采集系统：用以实时获得行车过程中与驾驶员操作行为直接相关的传 感器实时数据(包括以上传感器采集的数据和提取出的数据)，并将数据发送至 车载端的无线通信模块。

无线通信模块：将数据采集系统获取的数据通过无线网络传输至云端服务 器。

开关单元：驾驶员可通过开关自主选择是否将数据采集系统传送过来的实 时数据传输至云端。

GPS导航系统：用于获取行车过程中的实时交通信息，包括道路拥堵情况、 路线规划信息等，并可定位车辆实时位置变化情况。

语音提醒模块：用于对云端服务器决策输出信息的语音提示，提醒车主错 误的驾驶操作行为。

另一方面，云端服务器包括：数据存储系统、实时路况获取系统、专家系 统和驾驶员行为分析系统。

数据存储系统：用于存储由无线通信模块传送至云端服务器的传感器数据。

实时路况获取系统：根据GPS导航系统、路侧系统和中国国家公路地理信 息系统，获取实时路况信息。

专家系统：专家系统实质为一个数据资源库，包含了此刻以前大量驾驶员 实际行车过程中的危险操作行为数据，可用于驾驶员操作行为的直接判断过程 实现，并直接输出决策信息，响应迅速。

驾驶行为分析系统：结合专家系统和云端存储的传感器数据以及获取的实 时路况信息，用于分析出驾驶员的具体危险操作行为，包括急加速、急转弯、 急刹车、蛇形行驶、单手驾驶、持续加速、误踩油门和误转方向中的其中一种 或几种危险操作情形，并决策输出相应提醒信息，进而传输至车载端的无线通 信模块，用以语音提醒功能实现。

此外，本发明中还包含中国国家公路地理信息系统和路侧系统，中国国家 公路地理信息系统可获取行车过程中道路的实时情况，包括道路的形状(曲率 半径、长度、坡度)、地理位置、路线等信息，并可进一步根据地理信息准确定 位车辆位置；路侧系统用于获取行车过程中的实时资讯信息，包括天气情况、 危险路段信息等。

上述车载传感器模块中的节气门开度位置传感器、方向盘位置传感器和车 速传感器所有轿车在出厂时都有配备，只有刹车踏板位置传感器和方向盘压力 传感器需要额外安装。刹车踏板位置传感器安装在刹车踏板下方，将踏板进给 程度转变为电压信号可供数据采集系统采集；方向盘压力传感器安装在方向盘 包皮内层，直接测量方向盘的受力情况。借助刹车踏板位置传感器、方向盘位 置传感器，结合实时路况，可以检测驾驶员是否有执行具有潜在危害的刹车和 转向行为。数据采集系统将传感器所采集到的信号转变为电信号，并完成特征 值提取，便于后续驾驶员操作行为分析。无线通信模块可将数据采集系统的数 据传输至云平台。云平台的决策系统主要包括驾驶行为分析系统和专家系统， 结合实时环境(包括实时路况、天气等因素)，驾驶行为分析系对驾驶行为进行 决策(主要包括：急加速、急刹车、单手驾驶、误踩刹车、急转弯、蛇形驾驶、 异常持续加速、误转方向)；专家系统通过与知识库中已有的危险驾驶行为进行 对比，直接决策输出实时的危险驾驶操作行为。然后，将决策输出的信息再次 通过无线通信网络反馈给用户，并辅以语音提醒模块，帮助驾驶员避免危险操 作。语音提醒设备安装于轿车驾驶员的上方。

如图3为本发明实施例的实现流程图。

S301数据采集系统获取车载传感器数据；

S302通过开关单元打开无线通信模块数据传输功能；

S303无线通信模块传输实时数据至云端服务器；

S304云端服务器存储数据，获取实时路况信息，并结合专家系统，分析驾 驶员具体危险操作行为，决策输出提醒信息；

S305决策信息传送至车载端无线通信模块，连接语音提醒模块；

S306进行语音提醒功能实现，并指出正确的操作行为。

如图4为驾驶员急加速危险操作行为示意图，在任意路况和道路形状下， 当检测到汽车速度单位时间变化率a_c和节气门开度位置单位时间变化超过预 设阀值，那么即视为驾驶员进行了急加速的危险驾驶行为。

如图5为驾驶员急转弯危险操作行为示意图，在任意路况和道路形状下， 当检测到方向盘位置单位时间变化率超过预设阀值，那么即视为驾驶员进行 了急转弯的危险驾驶行为。

如图6为驾驶员急刹车危险操作行为示意图，在任意路况和道路形状下， 当检测到汽车速度单位时间变化率a_c和刹车踏板位置单位时间变化率超过预 设阀值，那么即视为驾驶员进行了急转弯的危险驾驶行为。

如图7为驾驶员蛇形驾驶危险操作行为示意图，当路况信息R表示直道，当 前路段的长度L_d为一定范围，若检测到在此路段长度L_d范围内曲率半径R_d变化 次数超过预设阀值，那么即视为驾驶员进行了蛇形驾驶的危险驾驶行为；当汽 车位置信息S表示为城镇，路况信息R表示为山路、减速慢行等危险路段，天气 情况W表示为风雪、雨湿路滑等不良天气，若检测到在一定长度L_d范围内曲率半 径R_d变化次数超过预设阀值，那么即视为驾驶员进行了蛇形驾驶的危险驾驶行 为。

如图8为驾驶员单手驾驶危险操作行为示意图，当片式压力传感器压力值 P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂具有压力值输出且大于预设阀值，表示驾驶员此刻为手握方向 盘驾驶；当P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂只有其中一个值超过定义阀值，且低于阀值输出计 数时间t_p超过规定时间，那么即视为驾驶员进行了单手驾驶的危险驾驶行为；当 P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂压力值输出皆小于预设阀值，且低于阀值输出计数时间t_p超过 规定时间，那么即视为驾驶员进行了脱手驾驶的危险驾驶行为；当P₁₁、P₂₁或P₁₁、 P₂₂或P₁₂、P₂₁或P₁₂、P₂₂四种情形中的压力值输出且大于预设阀值，那么即视为 驾驶员进行了不规范手握方向盘驾驶的危险驾驶行为。

如图9为驾驶员持续加速危险操作行为示意图，当汽车位置信息S表示为城 镇，路况信息R表示为山路、减速慢行等危险路段，天气情况W表示为风雪、雨 湿路滑等不良天气，若汽车速度信息v_c超过预设阀值，且节气门开度位置信息θ_p持续增大或持续位于过半开度范围超过预设时间，那么即视为驾驶员进行了持 续加速驾驶的危险驾驶行为；若当前路段的坡度I_d表示平路，当前路段的曲率 半径R_d小于预设阀值(非急促弯道)，当节气门开度位置信息θ_p持续增大或持续 位于过半开度范围超过预设时间，那么即视为驾驶员进行了持续加速驾驶的危 险驾驶行为。

如图10为驾驶员误踩油门危险操作行为示意图，若当前路段的曲率半径R_d非无穷大且小于预设阀值，当前路段的坡度I_d小于预设阀值，当刹车踏板位置 信息s_p为零(未踩刹车)且节气门开度位置信息θ_p不为零并大于预设阀值，那么 即视为驾驶员进行了误踩油门驾驶的危险驾驶行为；当路况信息R为减速慢行 复杂路况，汽车速度信息v_c超过当前路段限行速度，若当刹车踏板位置信息s_p为 零，那么即视为驾驶员进行了误踩油门驾驶的危险驾驶行为。

如图11为驾驶员误转方向危险操作行为示意图，当汽车位置信息S已固定 终点，当前路段曲率半径R_d表示为正数，若方向盘位置信息T_p表示为负数，那 么即视为驾驶员进行了误转方向驾驶的危险驾驶行为；当前路段曲率半径R_d表 示为负数，若方向盘位置信息T_p表示为正数，那么即视为驾驶员进行了误转方 向驾驶的危险驾驶行为。

如图12为驾驶行为分析系统提供的实施例：

S1201从云端服务器中的数据存储系统中获取实时驾驶行为信息，并获取实 时路况信息；

S1202结合实时路况信息，提取选择信息中的有效特征值；

S1203将此特征值输入到专家系统，判断是否为已存入的危险驾驶操作行为 特征，若是，则由专家系统直接决策输出语音提醒信息，若否，则将特征值输 入到驾驶行为分析系统；

S1204将获取的特征值利用机器训练学习，完成驾驶行为特征分类，若为危 险驾驶操作行为，则决策输出语音提醒信息。

如图13为本发明提供的方向盘上片式压力传感器的安装示意图，等均在方 向盘握盘1四周分别安装一个片式压力传感器3，嵌于方向盘皮套2内层，可直 接获取驾驶员手握方向盘时方向盘的受力情况。方向盘压力传感器通过检测是 否具有压力输出和压力变化时间阈值来判别驾驶员是否单手驾驶，单手驾驶主 要有三种情况：玩手机、抽烟和换挡。其中玩手机和抽烟是违规操作用时较长， 换挡为正常操作行为用时较短，本发明通过行为时间长度(即片式压力传感器 信息输出计数时间t_p)不一致来区分三种行为。