A ROBUST FRAMEWORK FOR DRIVER FATIGUE DETECTION FROM EEG SIGNALS USING ENHANCEMENT OF MODIFIED Z-SCORE AND MULTIPLE MACHINE LEARNING ARCHITECTURES

Author:

Abdubrani RafiuddinORCID,Mustafa MahfuzahORCID,Zahari Zarith LiyanaORCID

Abstract

Physiological signals, such as electroencephalogram (EEG), are used to observe a driver’s brain activities. A portable EEG system provides several advantages, including ease of operation, cost-effectiveness, portability, and few physical restrictions. However, it can be challenging to analyse EEG signals as they often contain various artefacts, including muscle activities, eye blinking, and unwanted noises. This study utilised an independent component analysis (ICA) approach to eliminate such unwanted signals from the unprocessed EEG data of 12 young, physically fit male participants between the ages of 19 and 24 who took part in a driving simulation. Furthermore, driver fatigue state detection was carried out using multichannel EEG signals obtained from O1, O2, Fp1, Fp2, P3, P4, F3, and F4. An enhanced modified z-score was utilised with features extracted from a time-frequency domain continuous wavelet transform (CWT) to elevate the reliability of driver fatigue classification. The proposed methodology offers several advantages. First, multichannel EEG analysis improves the accuracy of sleep stage detection, which is vital for accurate driver fatigue detection. Second, an enhanced modified z-score in feature extraction is more robust than conventional z-score techniques, making it more effective for removing outlier values and improving classification accuracy. Third, the proposed approach for detecting driver fatigue employs multiple machine learning classifiers, such as Convolutional Neural Networks (CNNs), Recurrent Neural Networks (RNNs), Artificial Neural Networks (ANNs) that utilise Long Short-Term Memory (LSTM), and also machine learning techniques like Support Vector Machines (SVM). The evaluation of five classifiers was performed through 5-fold cross-validation. The outcomes indicate that the suggested framework attains exceptional precision in identifying driver fatigue, with an average accuracy rate of 96.07%. Among the classifiers, the ANN classifier achieved the most significant precision of 99.65%, and the SVM classifier ranked second with an accuracy of 97.89%. Based on the results of the receiver operating characteristic (ROC) and area under the curve (AUC) analysis, it was observed that all the classifiers had an outstanding performance, with an average AUC value of 0.95. This study’s contribution lies in presenting a comprehensive and effective framework that can accurately detect driver fatigue from EEG signals. ABSTRAK:  Isyarat fisiologi, seperti elektroencefalogram (EEG), digunakan bagi memerhati aktiviti otak pemandu. Sistem EEG mudah alih menyediakan beberapa kelebihan, termasuk kemudahan operasi, keberkesanan kos, mudah alih dan sedikit sekatan fizikal. Namun, isyarat EEG mungkin sukar dianalisis kerana ia sering mengandungi pelbagai artifak, termasuk aktiviti otot, mata berkedip dan bunyi yang tidak diingini. Kajian ini menggunakan pendekatan analisis komponen bebas (ICA) bagi membuang isyarat tidak diperlukan daripada data EEG yang belum diproses daripada 12 peserta lelaki muda, cergas fizikal berumur 19 hingga 24 tahun yang mengambil bahagian dalam simulasi pemanduan. Tambahan, pengesanan keadaan lesu pemandu telah dijalankan menggunakan isyarat EEG berbilang saluran yang diperoleh dari O1, O2, Fp1, Fp2, P3, P4, F3, dan F4. Penambah baik skor z digunakan dengan ciri diekstrak daripada transformasi wavelet berterusan (CWT) domain frekuensi masa bagi meningkatkan kebolehpercayaan klasifikasi keletihan pemandu. Metodologi yang dicadangkan menawarkan beberapa kelebihan. Pertama, analisis EEG berbilang saluran meningkatkan ketepatan pengesanan peringkat tidur, penting bagi pengesanan keletihan pemandu secara tepat. Kedua, penambah baik skor z dalam pengekstrak ciri adalah lebih teguh daripada teknik skor z konvensional, menjadikannya lebih berkesan bagi membuang unsur luaran dan meningkatkan ketepatan pengelasan. Ketiga, pendekatan yang dicadangkan bagi mengesan keletihan pemandu menggunakan pelbagai pengelas pembelajaran mesin, seperti Rangkaian Neural Konvolusi (CNN), Rangkaian Neural Berulang (RNN), Rangkaian Neural Buatan (ANN) yang menggunakan Memori Jangka Pendek Panjang (LSTM), dan juga teknik pembelajaran mesin seperti Mesin Vektor Sokongan (SVM). Penilaian lima pengelas dilakukan melalui pengesahan silang 5 kali ganda. Dapatan kajian menunjukkan cadangan rangka kerja ini mencapai ketepatan yang luar biasa dalam mengenal pasti keletihan pemandu, dengan kadar ketepatan purata 96.07%. Antara kesemua pengelas, pengelas ANN mencapai ketepatan paling ketara sebanyak 99.65%, dan pengelas SVM menduduki tempat kedua dengan ketepatan 97.89%. Berdasarkan keputusan analisis ciri operasi penerima (ROC) dan kawasan di bawah lengkung (AUC), didapati semua pengelas mempunyai prestasi cemerlang, dengan purata nilai AUC 0.95. Sumbangan kajian ini adalah terletak pada rangka kerja yang komprehensif dan berkesan mengesan keletihan pemandu secara tepat melalui isyarat EEG.

Publisher

IIUM Press

Subject

Applied Mathematics,General Engineering,General Chemical Engineering,General Computer Science

Cited by 2 articles. 订阅此论文施引文献 订阅此论文施引文献,注册后可以免费订阅5篇论文的施引文献,订阅后可以查看论文全部施引文献

同舟云学术

1.学者识别学者识别

2.学术分析学术分析

3.人才评估人才评估

"同舟云学术"是以全球学者为主线,采集、加工和组织学术论文而形成的新型学术文献查询和分析系统,可以对全球学者进行文献检索和人才价值评估。用户可以通过关注某些学科领域的顶尖人物而持续追踪该领域的学科进展和研究前沿。经过近期的数据扩容,当前同舟云学术共收录了国内外主流学术期刊6万余种,收集的期刊论文及会议论文总量共计约1.5亿篇,并以每天添加12000余篇中外论文的速度递增。我们也可以为用户提供个性化、定制化的学者数据。欢迎来电咨询!咨询电话:010-8811{复制后删除}0370

www.globalauthorid.com

TOP

Copyright © 2019-2024 北京同舟云网络信息技术有限公司
京公网安备11010802033243号  京ICP备18003416号-3