基于音频检测的碰撞型重大交通事故检测方法

碰撞型重大交通事故的发生具有突发性和破坏性，当碰撞发生时，极易导致驾驶员和乘客因剧烈碰撞受伤而丧失主动报警能力，从而错过了人员抢救的黄金时间，使驾驶员和乘客失去了抢救机会。交通事故很多时候可以通过及时报警得到有效救助。研究表明，伤员在交通事故发生后“铂金时间”（前10分钟内）和“黄金时间”（1个小时内）得到应急救援和基础治疗，理论上至少可以减少交通事故死亡比例的18%～25%，因此，开发道路重大交通事故检测技术和应急救援系统对降低事故死亡率、伤残率有重要作用。如何及早发现事故的发生是实现快速救援的关键环节因此，事故的自动检测、定位和自动报警技术研究就尤为重要。目前采用算法检测交通事件的研究比较多,传统的不确定性推理融合算法有主观贝叶斯、证据理论、模糊综合决策模型等，主要是利用交通流参数变化来推测交通事件的发生，属于间接检测技术。这些算法、模型依赖于道路条件和历史数据，检测精度不高且做不到实时检测。
一、音频检测技术概述
1、音频检测技术的发展
音频检测方法（声波法，共振法），早期用于检测金属材料内在质量的好坏，是金属材料的微观特征与音频参数存在着一种相互关联的依变关系，而且这种关系在某种条件下可以相互转化。自从1940年美国执密安大学P.A.Firestone发明了超声波反射仪，并且随着电子技术和专业化生产水平的飞速发展，音频技术在无损检测领域中得到了广泛的应用[1]。音频检测技术在国内研究与国外起步相同，但发展较迟缓，现在音频检测技术已投向企业、军事等很多领域中，例如在军事上，可以利用音频侦测技术检测敌方潜水艇的动态变化和位置关系[4]。但在交通安全领域中运用音频检测技术很少，原因是声音的辨析难度很大，能在各种嘈杂的环境声音中分辨出某一种特定的音频信号，难度很大，因此声音传感器的应用范围也是有限。
国内外研究人员在利用音频信号进行交通检测方面已经做了一定的研究。2001年开始路易斯安那州立大学的Harlow和Wang开始使用音频信号检测路口的交通事故，采用的是离线学习的方式：采集数据计算其Mel频率倒谱系数作为特征训练出一个神经网络作为分类器。2003年密西西比州立大学的Yunlong Zhang等人设计了一个基于音频信号分析的十字路口交通事故检测系统，同样是离线学习，小波变换被用来提取特征，Fisher线性判别分析被用来做分类。实验结果表明小波特征优于FFT，DCT等其它变换得到的特征。2007年印度理工学院的Mittal等人把音频信号处理的模块加入到一个十字路口交通管理系统。在实验室环境下取得了理想的碰撞检测率和无误报率[2]。
2、音频检测碰撞型重大交通事故的优点
在重大交通事故发生时，车辆运行状态发生了相应的变化，并伴有剧烈碰撞的声音，其碰撞声与周围的噪声存在较大的差别。因此通过实时采集并分析车辆周围的声音，判别车辆的运行情况，一旦有事故发生，可立即提取碰撞声并识别，及时发出警报信号。基于音频检测的碰撞型重大交通事故报警技术就是根据正常状态下与非正常状态下汽车运行噪声存在很大差别的原理和方法实现交通事故自动检测。其优点主要表现在以下三个方面。
（1）该检测方法实现了对车型、交通事件等的直接检测，检测快速、准确，不易受雨、雪等气候环境和交通条件的影响，并且可以全天候工作；
（2）该检测方法使用的检测器较之其它检测方法成本低廉，并且信号处理量小，既可以在线实时处理，又可以方便远程传输；
（3）声信号检测器体积小，安装方便，布设时无需破坏路面，可靠性强，不易损坏，维护方便。
二、汽车正常行驶的音频特点
汽车在正常行驶过程中由于发动机噪音、振动、车身、车门的共振，行车时与路面、空气阻力等而产生一定量的噪音，这些噪音是非碰撞情况下的音频，这些噪音主要有以下六个方面的来源：发动机噪音、排气系统噪音、传动系统噪音、轮胎噪音、气动噪音、车身结构噪音。
一般来说，正常行驶汽车噪声主要是低频噪音，其频率一般在250HZ～500HZ范围内，通过在距交通干线中心15m处测得的汽车噪声结果为：拖拉机85～95dB；重型卡车80～90dB；中型卡车70～85dB；摩托车75～85dB；轿车65～75dB；车速加倍，交通噪声平均增加7～9dB。下表为几种常见车型在不同车速下的噪音强度比较。
不同车速下的汽车运行噪音（理想状态下）

由上表可知，汽车在不同的车速下其运行噪音大小是随之变化的，但总体变化范围不大。
三、汽车在碰撞时的音频特点
汽车在碰撞时的声音特点明显不同于汽车正常运行时的声音特点，主要有以下几个特点：
1、汽车碰撞时的声音具有高能量性。
汽车的碰撞其实就是将汽车运行时的动能转变成声音能量和汽车车身的机械变形能量，所以汽车在发生碰撞时声音强度是远远大于正常汽车运行时的声音强度的。
2、汽车碰撞时的声音具有瞬时性。
汽车碰撞时间很短，大约只有15毫秒，碰撞声音也就在这个时间里产生，所以汽车碰撞时的声音具有瞬间爆发的特点。

3、汽车碰撞时的声音绝大部分是金属撞击声。
汽车碰撞时主要表现为车身的变形和机械零部件的撞击，这些基本上都是金属材料，所以汽车碰撞时的声音绝大部分是金属撞击声，这是汽车碰撞声音的又一特点。
四、汽车碰撞的检测方法
1、传统汽车碰撞检测方法
汽车安全气囊系统中所采用的传统碰撞检测方法为碰撞传感器，碰撞传感器的作用是检测车辆发生碰撞时的减速度或惯性力，并将信号送到安全气囊系统的专用安全电子控制单元。
2、基于音频检测技术的检测方法
利用传统汽车碰撞检测方法来推测交通事件的发生，往往识别率不高、误报率高、延迟时间长等缺点，交通事故的有效识别率低且难以得到有效救助。为了提高交通事故识别率和识别速度，故提出基于声检测的重大交通事故识别方法。
车辆运行声信号同车辆数量、车型、行车速度、事故、车辆重量、交通拥挤、交通安全性等有较为密切的关系。这样，采集车辆运行时的声信号，在对采集的声信号进行预处理（降噪、增强）的基础上分析其声强和声谱等特性，通过一系列算法就可推断出通过车辆或交通流的特征参数。在重大交通事故发生时，车辆运行状态发生了相应的变化，并伴有剧烈碰撞的声音，其碰撞声与周围的噪声存在较大的差别。因此通过实时采集并分析车辆周围的声音，判别车辆的运行情况，一旦有事故发生，可立即提取碰撞声并识别，及时发出警报信号。我们以汽车碰撞固定物和两车相碰撞实验的声音和振动信号作为识别对象来研究，其中还要考虑到自然界中雷声的干扰，采集了大量的雷声信号样本做比对研究。通过采集真车碰撞声信号和物理仿真模拟实验信号，研究结果表明，正常运行声、碰撞声和外界干扰声三层小波包分解的8个小波包通道功率值均有显著差异，都可以作为三种不同类型声信号的检测特征值，实验结果证实汽车噪声特征能够反映汽车行驶状态，通过该方法可实现交通事故自动检测[3]；同时，速度差异可以用信号本身特征来判定，但需要采集大量的车辆在不同的速度下的信号，确定特征向量与汽车速度对应的函数关系，这样可以提高检测精度。
根据上述原理，我们提出汽车碰撞声音传感器的模型，在重大交通事故发生时，车辆运行状态发生了相应的变化，并伴有剧烈碰撞的声音，其碰撞声与周围的噪声存在较大的差别。因此通过声音传感器实时采集并分析车辆周围的声音，判别车辆的运行情况，一旦有事故发生，可立即提取碰撞声并识别，及时发出警报信号。该传感器系统的硬件方案采用DSP作为核心处理器，使用DSP芯片控制系统进行数据采集、声信号分析处理和发送报警信息。软件设计包括两部分，一为自动声检测识别算法设计；第二部分是自动声重大交通事故检测系统的软件设计。从模拟数据分析出，采用这种汽车碰撞音频传感器信号传输的时间是传统汽车碰撞传感器信号传输时间的一半。
五、结束语
音频检测技术在汽车上应用还不是很成熟，但是音频检测技术的优越性越来越凸显出来。利用音频检测技术来迅速地检测汽车碰撞的发生，结合GPS和3G网络传输技术进行报警，在第一时间确定交通事故的发生地点，为汽车乘员的抢救带来了更多的时间，同时对疏导交通和交通事故的处理创造了积极的条件。
此论文为安徽三联学院院级科研项目结题论文，项目编号为2010003
[参考文献]
[1]陈强,李江,王双维,赵丽华,魏洪峰,杜丽萍.基于AR模型的车型声自动分类技术研究[J].吉林大学学报（工学版）.2007,No.2
[2]陈强,王双维,李江,侯英哲,程欣,程国英.交通事故自动声检测技术研究[C].第一届交通运输工程国际学术会议.2006.12
[3]杨辉,黄美萍.汽车碰撞检测试验中数据采集系统的特点与分析[J].中国汽车场.2007.10
[4]柏逢明,马莉,潘毓学,陈玲.音频检测技术及发展动态[J].长春光学精密机械学院学报.1998.9
（作者单位：安徽三联学院交通工程学院）