پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

طراحی و ارزیابی سامانه هوشمند مبتنی بر بینایی ماشین و هوش مصنوعی لبه برای پایش بلادرنگ وضعیت راننده و پشتیبانی از پاسخ ایمنی خودکار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
دانش آموخته کارشناس ارشد؛عمران گرایش راه و ترابری ؛دانشکده عمران؛دانشگاه رازی ؛کرمانشاه؛ایران
10.22034/tri.2026.592685.3485
چکیده
خواب‌آلودگی، کاهش هوشیاری و حواس‌پرتی راننده از عوامل مهم مؤثر بر عملکرد رانندگی و ایمنی ترافیک هستند. هدف این پژوهش، طراحی و ارزیابی یک سامانه هوشمند برای پایش بلادرنگ وضعیت راننده با استفاده از بینایی ماشین، همجوشی داده‌های چندوجهی و هوش مصنوعی لبه‌ای و بررسی قابلیت اتصال خروجی تشخیص به یک سازوکار پاسخ ایمنی آزمایشگاهی است. داده‌های پژوهش شامل ۳۷۵ ویدئوی رانندگی از ۴۸ راننده دارای گواهینامه و ۱۸۲۵۰ فریم معتبر بود. در سامانه پیشنهادی، ویژگی‌هایی شامل نسبت ابعادی چشم (EAR)، نسبت ابعادی دهان (MAR)، نرخ پلک‌زدن، مدت بسته‌بودن چشم، زوایای وضعیت سر، جهت نگاه و داده‌های فیزیولوژیک و دینامیک خودرو در یک چارچوب چندوجهی مورد استفاده قرار گرفتند. وضعیت راننده در سه طبقه «هوشیار»، «خواب‌آلود» و «حواس‌پرت» تعریف شد و ارزیابی با تفکیک داده‌ها در سطح راننده انجام گرفت تا از انتقال نمونه‌های یک فرد میان مجموعه‌های آموزش و ارزیابی جلوگیری شود. توافق دو ارزیاب مستقل در برچسب‌گذاری داده‌ها با ضریب کاپای کوهن برابر با ۰٫۹۱ بررسی شد. نتایج ارزیابی سامانه، دقت کلی ۹۷٫۸۴ درصد، دقت مثبت ۹۷٫۲۱ درصد، حساسیت ۹۷٫۶۲ درصد، ویژگی ۹۸٫۱۴ درصد، امتیاز F1 برابر با ۹۷٫۴۱ درصد، ضریب همبستگی متیوز ۰٫۹۵۶، کاپای کوهن ۰٫۹۶۳ و ROC-AUC برابر با ۰٫۹۸۸ را نشان داد. میانگین زمان پردازش هر فریم ۳۱٫۴ میلی‌ثانیه و تأخیر انتهابه‌انتها ۱۱۶ میلی‌ثانیه اندازه‌گیری شد. همچنین، زمان پاسخ ماژول پاسخ ایمنی در شرایط آزمایشگاهی ۰٫۹۲ ثانیه ثبت شد. یافته‌ها نشان دادند که سامانه در شرایط آزمایشی مطالعه، قابلیت تشخیص وضعیت راننده و پردازش کم‌تأخیر روی بستر رایانش لبه را دارد. بااین‌حال، نتایج حاضر اثربخشی سامانه در کاهش تصادفات یا عملکرد آن در ترافیک واقعی را اثبات نمی‌کنند و تعمیم‌پذیری آن نیازمند ارزیابی با رانندگان و شرایط محیطی مستقل، داده‌های طولی، آزمون‌های میدانی و بررسی عملکرد ماژول پاسخ ایمنی در شرایط واقعی است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and Evaluation of a Vision-Based Edge-AI System for Real-Time Driver State Monitoring and Safety-Response Support

نویسنده English

Yasin Hasanvand
Master's degree graduate; Civil Engineering, Road and Transportation Department; Faculty of Civil Engineering; Razi University; Kermanshah; Iran
چکیده English

Driver state monitoring is an important component of intelligent transportation systems because changes in alertness and visual attention can affect driving performance and safety. This study aimed to design and experimentally evaluate a vision-based, multimodal driver-state monitoring system integrating temporal analysis and edge artificial intelligence for real-time driver-state classification and laboratory safety-response support. The experimental dataset comprised 375 driving videos collected from 48 licensed drivers aged 22–56 years, yielding 18,250 valid frames. Three driver states were considered: alert, drowsy, and distracted. Two independent evaluators performed the state annotation, with substantial inter-rater agreement (Cohen’s kappa = 0.91). To reduce information leakage, data were partitioned at the driver level, ensuring that observations from the same driver did not occur across the training, validation, and test sets. Visual and complementary features included eye aspect ratio, blink rate, eye-closure duration, mouth aspect ratio, head-pose angles, gaze direction, physiological information, and vehicle-dynamic variables. Temporal information was incorporated using a 15-frame window corresponding to 0.5 s at 30 frames/s. The evaluated model achieved an accuracy of 97.84%, precision of 97.21%, sensitivity of 97.62%, specificity of 98.14%, F1-score of 97.41%, Matthews correlation coefficient of 0.956, Cohen’s kappa of 0.963, and ROC-AUC of 0.988. On the edge-computing platform, the mean frame-processing time was 31.4 ms, while the measured end-to-end latency was 116 ms. The laboratory safety-response experiment produced a response time of 0.92 s. These findings indicate that the proposed framework can provide accurate driver-state classification and low-latency processing under the tested experimental conditions. Further research should evaluate the system with larger and more diverse driver populations, independent environments, multimodal ablation experiments, uncertainty estimation, and field-based safety validation. Further research should evaluate the system with larger and more diverse driver populations, independent environments, multimodal ablation experiments, uncertainty estimation, and field-based safety validation.

کلیدواژه‌ها English

Driver State Monitoring
Driver Drowsiness Detection
Computer Vision
Edge Artificial Intelligence
Multimodal Data Fusion

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 29 مهر 1405