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一种汽车驾驶员酒驾在线智能检测装置的开发
作 者：柴长松 张崇波 刘伟文 张春
(北京市产品质量监督检验研究院，北京 顺义区 101300)
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摘 要：驾驶员酒后驾驶是汽车事故的重大因素之一，为了避免驾驶员酒驾，减少驾车过程中的危险，我国出台了多项酒驾管理办法，但是均属于事后或者停车检测。本文开发了一种汽车驾驶员酒驾在线智能检测装置，采用多个传感器分布，经过算法拟合能够准确的判定车内驾驶员饮酒和非驾驶员饮酒，为驾驶员酒驾检测提供了一种更加实用和准确的方法。
关键词：驾驶员；酒驾；酒精传感器；智能检测
Development of an online intelligent detection device for drunk driving of car drivers
Cai Chang-Song, Zhang Chong-Bo*, Liu Wei-Wen, Zhang Chun-Wei, Chen Dong, Zhang Xue-Zhu
Beijing Products Quality Supervision and Inspection Institute, No.9 Jinyu Avenue, No.9 Shunxing Road, Shunyi District, Beijing, P. R. China, 101300
Abstract: Driving under the influence of alcohol is one of the major factors in car accidents. In order to avoid driving under the influence of alcohol and reduce the risks during driving, China has introduced multiple measures for the management of drunk driving, but all of them belong to post event or parking inspections. This article develops an online intelligent detection device for drunk driving of car drivers, which uses multiple sensor distributions and algorithm fitting to accurately determine whether the driver is drinking alcohol or not, providing a more practical and accurate method for driver drunk driving detection.
Keywords: Driver; Drunk driving; Ethanol sensor; Intelligent detection
前言
随着汽车行业的快速发展，汽车保有量逐渐增多，最为直接且严重的是交通事故数量的大幅度增加[1]。据联合国世界卫生组织的事故调查显示，全球每年有数百万人死于交通事故中，其中50%至60%的交通事故与酒后驾驶有关[2]。驾驶人酒后生理上和心理上会出现许多不利于驾驶的行为，引发发生交通事故的概率提高[3]。虽然各国在在立法层面上严厉打击酒驾行为[4][5][6]，这并没有阻止酒驾行为的发生，因酒驾引起的交通事故依然很多。为了遏制和减少酒驾，各个国家纷纷研发出酒精检测装置，使得目前市场上酒精检测设备得到了完善。国内，有效预防酒后驾驶的车载检测系统几乎一片空白，因此，对于车载检测酒驾研究的问题亟需解决。
本文研发了一种汽车驾驶员酒驾在线智能检测装置，该装置能够根据乙醇在车内的扩散情况，采用多个传感器分布，准确的判断车内是否有驾驶员饮酒或者非驾驶饮酒，提高了驾驶员酒驾检测的准确性，有望应用在智能座舱的安全检测领域。
一、硬件设计
汽车驾驶员酒驾在线智能检测装置总体硬件设计如图1所示，其核心电路为STM32微控制器，红外开关、MQ-3气体传感器、OLED显示屏、语音报警、汽车启动控制继电器和供电通信一体化电路组成。当红外传感器检测到驾驶室驾驶员进入，系统开始进入工作状态，此时，驾驶员想要发动汽车，通过呼吸需要向传感器呼出气体，当检测到驾驶员呼出气体酒精浓度超标后，由继电器控制车内点火部分电路断开，此时汽车无法发动，并在显示器显示驾驶员酒精含量。
二、软件设计
根据硬件设计和数据融合算法，制定了如图2所示装置程序流程图。系统工作流程：驾驶员进入车内后，人体发射的红外线照射到红外线传感器上，将采集到的信息上报至STM32单片机中，从而触发MQ-3传感器采集信息，通过二层判断驾驶员是否饮酒，如果是则进行数据融合，OLED显示屏显示酒精浓度，根据表2判断醉酒级别，继电器开关吸合，造成汽车无法启动，同时系统触发自动提醒装置，单片机向语音报警模块发送控制信息，语音报警模块发出警报，提醒驾驶人员处于醉酒状态，不宜驾驶机动车辆，请立即关闭油门，如果不构成酒驾则保持继电器常开，汽车可以正常启动。
三、传感器位置确定
为了提高酒驾检测的准确度，需要依据汽车内乙醇气体释放源的定位及扩散过程确定酒驾检测传感器的位置。在已有的固定密闭空间气体扩散研究中，应用较为广泛的气体扩散模型主要有高斯扩散模型和气体湍流扩散模型等。由于高斯模型没有考虑到重力对扩散的影响，一般适合密度比空气小的轻气体泄露扩散，而乙醇密度比空气大，采用气体湍流扩散模型更为适用。
气体湍流扩散模型是一种基于湍流扩散理论的用以描述气体扩散运动的静态模型。湍流扩散服从统计规律，类似于分子的扩散。结合酒驾检测的车内环境，主要讨论无风存在情况下的气体扩散模型。假设在一个无限开放的环境中，泄漏源的气体以恒定的扩散系数向周围缓慢扩散。通过菲克定理可知，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量与该截面处的浓度梯度成正比，且扩散方向为浓度梯度的反方向，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即：
根据式(4)可得，在无风环境下，离泄漏源的位置越近，气体的浓度值越大。汽车车内空间可看作为无风密闭的较小空间。驾驶员进入驾驶室后，呼吸气体离方向盘最近，因此，车内人员饮酒后乙醇在车内的扩散情况，以驾驶室方向盘为测量点，如图1所示，根据式(4)分如下三种情况进行讨论，具体信息如表1所示。
由于乙醇在车内扩散情况判断逻辑简单，重点针对驾驶室方向盘设计了一种新型传感器阵列如图3所示。酒驾时，位于方向盘正中的传感器离气体源最近，为中心传感器，中心传感器外侧有六个离气源稍远的辅助传检测传感器。根据表1，还需要通过比较测量数据识别驾驶员酒后驾驶或车内有非驾驶员饮酒。为降低随机测量误差，需要利用基于支持度和自适应加权的阵列式传感器数据融合算法模型对多组测量信号序列进行融合处理，判断驾驶员是否饮酒以及酒驾程度。
四、结论
本文开发的汽车驾驶员酒驾在线智能检测装置，根据车内人员饮酒后乙醇在车内的扩散情况，在方向盘中心和周围布置了多个传感器，该装置对于除主驾驶位的其他位置上人员的酒后干扰也考虑进去，该方法可以结合图像处理技术进行多源数据融合分析研究，从而提高驾驶员酒驾检测的准确性。
参考文献
[1]邱金龙. 我国道路交通事故现状分析及对策[J]. 中国科技纵横, 2017(2) .
[2]WHO. The world report on road traffic injury prevention[R] . Geneva: WHO,2004: 3.
[3]穆日磊. 酒后驾驶违法行为人人格特征与心理健康状况相关分析[J]. 中国市场,2016(40) .
[4]一娴. 在美国酒驾的代价有多大?[J]. 政府法制, 2010(8) : 47-47.
[5] 《汽车与安全》 编辑部. 其他国家及地区关于酒驾的立法情况[J]. 汽车与安全,2016(5) : 70-72.
[6]李宝发, 刘歆. 国外酒驾处罚之借鉴[C]. 全国科技翻译研讨会. 2011.
作者简介
张崇波，49887762@qq.com（1975.08-），男，北京人，北京市产品质量监督检验研究院，高级工程师，本科，研究方向为汽车整车安全性。
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