آشكارسازي خواب آلودگي راننده و اعلام هشدار


 

اشاره

خواب‌آلودگي راننده، يكي از مهم‌ترين عوامل تصادفات رانندگي و مرگ‌ومير ناشي از آن است. اين عامل، اغلب منجر به واردآمدن خسارات غيرقابل‌ جبران جاني و مالي براي رانندگان و مسافرين مي‌شود. اين موضوع، بويژه براي خودروهاي سنگين و جمعي، امري حياتي است.

همان‌گونه كه در گزارش‌هاي رسمي اعلام شده، كشور ما با بيشترين آمار موارد تصادف منجر به فوت، جز اولين كشورهاي دنياست. شرايطي مختلف در پيدايش اين آمار دخيل هستند كه از عمده‌ترين آنها مي‌توان به: شرايط جاده‌هاي سطح كشور، عدم رعايت اصول رانندگي، سرعت بالا، اصرار به رانندگي‌هاي طولاني‌مدت بدون استراحت توسط رانندگان و در نهايت نبود سيستم‌هاي كنترلي و ايمني روز در خودروها، اشاره كرد.

آشكارسازي خواب‌آلودگي راننده و پيشگيري از آن، مي‌تواند موردحمايت سازمان‌هاي متعددي قرار گيرد از جمله: وزارت بهداشت، وزارت راه و ترابري، پليس راه، بيمه، صنايع خودروسازي. روش‌ها و سيستم‌هاي آشكارساز خواب‌آلودگي را مي‌توان در يك تقسيم‌بندي كلي، به روش‌هاي مبتني‌بر داده‌هاي تصويري راننده يا جاده و داده‌هاي حسگر راننده يا خودرو تقسيم كرد كه در اين مقاله به‌شرح آنها مي‌پردازيم.

بررسي سيستم‌هاي موجود در دنيا

آشكارسازي خواب‌آلودگي راننده، طي مقالات مختلف، با روش‌هايي گوناگون معرفي شده است. در يك بررسي كلي، مي‌توان روش‌هاي به‌كار رفته را به دسته‌هاي زير تقسيم كرد:

1 . داده‌هاي تصويري راننده و جاده

2 . سيگنال‌هاي حياتي اخذ شده از راننده

3 . داده‌هاي اخذ شده از خودرو

سيگنال‌هاي حياتي اخذ شده از شخصي معيار براي تشخيص خواب‌آلودگي راننده اهميت دارند. از بين انواع مختلف آنها، مي‌توان به موارد ذيل اشاره كرد:

سيگنال حياتي مغز1 (EEG)

سيگنال حياتي قلب2 (ECG)

سيگنال حياتي ماهيچه3 (EMG)

سيگنال حياتي چشم4 (EOG)

ميلو شويچ، با بررسي سيگنال حياتي قلب و نرخ ضربان قلب، به ارزيابي ميزان خستگي رانندگان كاميون و اتوبوس پرداخته است. اساس تعداد زيادي از كارهاي انجام شده، سيگنال حياتي مغز است زيرا از لحاظ علمي، داراي قابليت زيادي در شناسايي خواب‌آلودگي راننده است. از جمله كارهاي اوليه، كار آقاي هورنه5 و همكارانش بود كه به‌طور غيرمستقيم تأثير خواب قبل از سفر و مصرف قهوه بر ميزان خواب‌آلودگي و نحوه تغيير سيگنال EEG را طي يك شبيه‌سازي رانندگي بررسي كرده بودند. براساس مطالعات صورت گرفته، مشخص شده است كه تغييرات باند تتا و آلفا، ميزان كاركرد حافظه و درك را نشان مي‌دهند. باند بتاي EEG نمايانگر ميزان هوشياري است و با افزايش فعاليت اين باند، ميزان هوشياري افزايش مي‌يابد. «آكرشتت»6 و همكارانش در گزارشي تأثير كاهش ميزان هوشياري راننده را بر فعاليت باند آلفا و تتا سيگنال EEG بيان كردند. پتيت7 و همكارانش، همبستگي نزديك بين حركت فرمان خودرو و قدرت باند آلفاي سيگنال EEG را نشان دادند. در بررسي انجام شده توسط وارد8 و همكارش، مشخص شد كه پارامتر انرژي نسبي راننده با افزايش زمان رانندگي وي، كاهش مي‌يابد. شاير9 با استفاده از يك شبيه‌ساز رانندگي و ثبت فعاليت تعدادي از كانال‌هاي سيگنال مغز، مشاهده كرد كه با كاهش هوشياري راننده، قدرت نسبي موج آلفا افزايش مي‌يابد.

لال10 و همكارش نشان دادند كه متناسب با خستگي راننده، تغييراتي قابل‌توجه در 4 باند سيگنال EEG اتفاق مي‌افتد. در تمامي اين بررسي‌ها، تفاوت بين زمان شروع و پايان رانندگي نشان داده شده است و همگي آنها كمتر به بررسي حالات بين رانندگي پرداخته‌اند. هونگ و همكارانش، خواب‌آلودگي راننده درحين رانندگي را از طريق بررسي سيگنال حياتي مغز، آناليز كردند. در اين تحقيق، 8 راننده در شرايط شبيه‌سازي رانندگي، مشاركت داشتند. بعد از يك شب بي‌خوابي رانندگان، مقداري كافئين براي كاهش بي‌خوابي به همگي داده شد. با گذشت حدود 50 دقيقه از رانندگي پيوسته، حركات ماشين و رفتارهاي راننده با استفاده از دوربين ويديويي، ضبط و سيگنال EEG از 8 كانال دريافت شد. شاخص‌هاي و و و تفاوت عمده‌اي در دوره‌هاي رانندگي داشتند، اين شاخص‌ها در مسير مستقيم، به‌طوري قابل‌توجه با مسير منحني متفاوت بودند. در اين تحقيق، تغييرات شاخص‌هاي بيان شده قبل و بعد از تصادف شبيه‌سازي شده خودرو نيز مورد بررسي قرار گرفته و نشان داد كه پارامترهاي و وابستگي كامل به هوشياري شخص دارند.

گيلاد11 و همكارانش تأثيرات كارهاي حفظ هوشياري را بر كارايي راننده، مورد بررسي قرار دادند. در آزمايش آنها، 12 راننده خودروهاي سنگين، در 5 جلسه رانندگي شبيه‌سازي شده شركت كردند. رانندگي در 3 حالت: بدون هيچ‌گونه مشوق، همراه با يكي از كارهاي حفظ هوشياري و نيز همراه با گوش دادن به موزيك انجام شد. با اندازه‌گيري سيگنال ECG و ضربان قلب، مشخص شد كه استفاده از كارهاي حفظ هوشياري، مؤثر است.

«پاپادليس»12 و همكارانش، اثر سيگنال‌هاي حياتي مغز، قلب، ماهيچه‌ها و چشم‌ را در رديابي خواب‌آلودگي راننده، مورد بررسي قرار دادند. آنها مشاهده كردند كه نه‌تنها فعاليت آلفا با كاهش هوشياري، افزايش مي‌يابد بلكه بي‌نظمي تقريبي متقابل بين كانال‌ها نيز به‌طور قابل‌توجهي كاهش مي‌يابد. تعداد پلك زدن و مدت زمان آن با افزايش زمان رانندگي و خستگي، زياد مي‌شود. به‌نظر آنها EEG و EOG شاخص‌هاي خوبي براي تعيين ميزان خواب‌آلودگي راننده هستند. «سومالا»13 و همكارانش تأثيرات رانندگي بر خستگي و نحوه آشكارسازي آن را با استفاده از تصاوير ويديويي راننده و جاده، مورد بررسي قرار دادند. اين آزمايش در مورد 4 راننده كه 1200 كيلومتر را در شب رانندگي مي‌كردند، انجام شد. ميزان فركانس پلك زدن راننده با افزايش خستگي وي، زياد مي‌شد و هنگامي‌كه به‌وسيله‌اي سنگين نزديك مي‌شدند، كاهش مي‌يافت. پژوهشگران نتوانستند معياري مناسب براي ميزان وابستگي چشم راننده به خواب آلودگي بيابند. اسميت و همكارانش از ويژگي‌هاي تصوير صورت و سر راننده براي جست‌وجوي خواب‌آلودگي بهره برده‌اند.

ويليامسون و همكارش مروري كلي بر روش‌هاي شناسايي و هشدار خواب‌آلودگي راننده انجام داده و آنها را به روش‌هاي زير تقسيم كردند:

1 . تغييرات حركت چشم

2 . معيارهاي فيزيولوژيك

3 . معيارهاي جاده و عملكرد راننده

4 . معيارهاي مختلف (چندگانه) براي نمايش خستگي راننده

اين روش‌ها در آزمايشگاه و با شبيه‌سازي مورد بررسي قرار گرفته‌اند و در حالت عملي، داراي محدوديت‌هايي هستند.

سيستم‌هاي اعلام هشدار خواب‌آلودگي راننده

گزينه‌هاي طراحي موجود براي سيستم اعلام هشدار داراي محدوديت‌هاي زير مي‌باشند:

1 . محدوديت‌هاي تكنولوژي و طراحي

2 . عوامل محدودكننده انساني و محيطي موجود در محيط داخل وخارج از خودرو مانند ميزان نور، ميزان نويز محيط و...

بسياري از مطالعات قبلي براي سيستم‌هاي هشداردهنده، شامل گزينه‌هاي زير بوده‌اند:

1 . سيستم اعلام اخطار شنيداري

2 . سيستم اعلام اخطار ديداري

3 . سيستم اعلام اخطار لرزشي

در طراحي يك سيستم اعلام هشدار، عوامل رفتاري راننده، بسيار مهم هستند. تغييرات غيرقابل پيش‌بيني رفتار راننده در اعلام هشدار، مي‌تواند منجر به عواقبي ناخوشايند شود. اعلام هشدار به‌تنهايي براي راننده خواب‌آلوده كافي نيست بلكه اين سيستم بايد بتواند نيروي بازدارنده را به راننده اعمال كند. انواع مختلف اين سيستم‌ها عبارتند از:

1 . سيستم كاهنده سرعت

2 . سيستم لرزاننده

3 . سيستم دمنده باد

نمونه‌اي از سيستم اعلام هشدار توسط ايوب و همكارانش طراحي شده كه آميزه‌اي از سيستم اعلام هشدار صدا همراه با صفحه نمايش است. صفحه نمايش به دو قسمت تقسيم مي‌شود كه در قسمت اول، يك صفحه افقي، مدت زمان بسته شدن چشم و قسمت دوم نيز زمان بين هشدارها و كل هشدارهاي دريافت شده را طي رانندگي، نشان مي‌دهد.

سيستم‌هاي هشداردهنده ارائه شده توسط شركت‌ها

سيستم هشداردهنده ارائه شده توسط شركت ولوو، شامل سه قسمت ذيل است:

1 . پيغام نوشتاري

2 . اخطارهاي شنيداري

3 . نمايش ميزان توجه راننده با روشن كردن تعدادي ستاره در صفحه نمايش خودرو

سيستم هشداردهنده تعبيه شده توسط شركت فورد، شامل سه گزينه زير است:

1 . ديداري

2 . شنيداري

3 . لمسي (ويبره)

نحوه اعلام هشدار توسط شركت مرسدس بنز، شامل يك سيگنال اكوستيك و صفحه نمايش است كه پيغام Attention Assist, Break را به راننده مي‌دهد.

نيسان، سيستمي را براي تشخيص خواب‌آلودگي و يا عدم هوشياري راننده طراحي كرده است كه در آن، اعلام هشدار با يك صداي الكترونيكي انجام مي‌شود و تشخيص مي‌دهد كه آيا راننده بين خطوط در حال حركت مارپيچي است يا خير. يك دوربين كامپيوتري نيز براي بررسي نحوه پلك زدن راننده تعبيه شده است.

شركت زيمنس، سيستم مانيتورينگي ارائه داده است كه با كمك دوربين مادون قرمز، چهره راننده را مورد آناليز قرار مي‌دهد. يك خودرو سوئدي (ساآب) سيستم اعلام هوشياري راننده را در مرحله آزمايش دارد. اين سيستم از مجموعه‌اي از متن‌هاي تكرار شده و پيغام‌هاي صوتي و لرزش در صندلي راننده تشكيل شده است.

جمع‌بندي و نتيجه‌گيري

بررسي‌هاي صورت گرفته در زمينه سيستم‌هاي ساخته شده توسط شركت‌ها و كارخانه‌هاي مختلف، منجر به نتايج زير شده است:

m دو سيستم كارخانه‌هاي ولوو و فورد، مبتني‌بر آناليز داده‌هاي حاصل از جاده‌اند، كه با توجه به شرايط جاده‌هاي داخل كشورمان، در برخي موارد قابل به‌كارگيري نيستند. شرايط لازم براي استفاده از سيستم مبتني‌بر آناليز داده‌هاي تصويري جاده، خطوط با رنگ روشن و واضح و يا مجهز كردن جاده به منابع نوراني و يا حسگرهاي مادون قرمز است. پياده‌سازي اين نوع سيستم در برخي جاده‌هاي داخل كشور، قابل‌اجراست. به اين‌منظور بايد مسير عبوري وسيله نقليه، قابل‌تشخيص باشد كه اين امر مستلزم مجهز بودن خودرو به سيستم GlS و GPS است. بنابراين، استفاده از سيستم‌هاي طراحي شده توسط ولوو و فورد، به‌تنهايي در ايران براي تمامي جاده‌ها مناسب نخواهد بود.

m سيستم مانيتورينگ ارائه شده توسط زيمنس نيز كه با كمك دوربين مادون قرمز چهره راننده را مورد آناليز قرار مي‌دهد، محدوديت‌هاي زيادي را براي راننده ايجاد مي‌كند. مثلاً، اين سيستم براي راننده‌اي كه از عينك استفاده مي‌كند، قابل استفاده نيست. حساسيت اين سيستم نسبت به رنگ و ميزان شفافيت پوست راننده به‌گونه‌ا‌ي است كه از ضريب اطمينان آن مي‌كاهد.

m در هيچ‌يك از سيستم‌هاي ياد شده، خصوصيات بيولوژيكي راننده كه نقشي عمده در تشخيص و تعيين ميزان خواب‌آلودگي وي دارند، مدنظر گرفته نشده است. به‌نظر مي‌رسد كه سازندگان آنها به‌دليل ميزان هزينه بالاي اخذ سيگنال‌ها و پارامترهاي حياتي بدن، از آن صرف‌نظر كرده‌اند. البته آناليز اين‌گونه سيگنال‌ها كمك بزرگي به تشخيص خواب‌آلودگي و حتي ميزان عمق آن مي‌كند.

روند تغييرات در دنيا به‌سمت مجهزسازي جاده‌ها بوده كه شامل موارد ذيل مي‌شود:

1 . مشخص كردن و اصولي‌سازي خطوط سطح جاده

2 . تعبيه منابع نوراني

3 . نصب حسگرهاي مادون قرمز

گفتني است كه انجام اين تغييرات در تمامي جاده‌ها، كاري دشوار بوده و هزينه‌‌بري زيادي دارد. حفظ و نگهداري جاده‌ها در شرايط برتر نيز هزينه‌بر بوده و نياز به نيروي انساني كاملاً مجرب و پرطاقت دارد.

سيستم هشداردهنده

پس از تعيين خواب‌آلودگي توسط هر يك از روش‌هاي تشريح شده در قسمت‌هاي قبل، به‌منظور افزايش ايمني خودرو و سرنشينان آن، به سيستمي هشداردهنده نياز است.

ويژگي‌هاي مدنظر در طراحي سيستم هشداردهنده

پس از تعيين ميزان سطح هوشياري راننده، وجود سيستمي هشداردهنده به‌منظور پيشگيري از وقوع حوادث ناگوار، الزامي است. سيستم‌هاي هشداردهنده، به‌طور كلي به سه دسته ذيل تقسيم مي‌شوند:

1 . سيستم اعلام هشدار شنيداري

2 . سيستم اعلام هشدار ديداري

3 . سيستم اعلام هشدار لرزشي

در سيستم‌هاي هشداردهنده، علاوه‌بر اعلام هشدار، وجود نيرويي بازدارنده نيز حائزاهميت بسيار بالايي است. سيستم‌هاي هشداردهنده بازدارنده، در سه دسته زير خلاصه مي‌شوند:

1 . سيستم كاهنده سرعت

2 . سيستم لرزاننده

3 . سيستم دمنده باد

نكاتي كه در طراحي سيستم هشداردهنده بازدارنده بايد مدنظر باشد، عبارتند از:

1 . ساده، كوچك و قابل حمل و نقل باشد

2 . مكان سيستم هشداردهنده بايد به‌گونه‌اي باشد كه باعث بروز اختلال در رانندگي شخص نشود

3 . كمتر تحت‌تأثير عوامل محيطي و انساني نظير ميزان نويز محيط و نور موجود قرار بگيرد

4 . زمان اعلام هشدار بموقع و مناسب باشد

5 . مدت زمان هشدار، كافي و وابسته به ميزان سطح هوشياري باشد، به‌نحوي‌كه شخص بتواند از خود واكنش لازم را نشان دهد

6 . نوع نيروي بازدارنده مناسب باشد، به‌نحوي‌كه اخلالي در رانندگي ايجاد نكرده و راننده كنترل خود را از دست ندهد

7 . صداهاي سيستم اعلام هشدار شنيداري، نبايد ناموزون و گوش‌خراش باشد

8 . در طراحي سيستم اعلام هشدار ديداري، سايز صفحه نمايشگر، نوع اطلاعات نمايشگر و چگونگي نمايش آنها، حائز اهميت است.

جمع‌بندي و نتيجه‌گيري

سيستم‌هاي طراحي شده بر پايه نوع و منبع داده اخذ شده، به 4 دسته زير تقسيم مي‌شوند:

1 . سيستم مبتني‌بر داده‌هاي تصويري راننده

2 . سيستم مبتني‌بر داده‌هاي حسگري خودرو

3 . سيستم مبتني‌بر داده‌هاي حسگري راننده

4 . سيستم مبتني‌بر داده‌هاي تصويري جاده

× ‌آلودگي براساس ويژگي‌هاي چهره بويژه چشم‌ها، عمل مي‌كند. اجزاي اصلي سيستم،‌ شامل دوربين و پردازشگر است و ضمن اينكه در حين رانندگي مشكلي براي راننده ايجاد نمي‌كند بلكه به جاده نيز بستگي ندارد. نكات مهم در اين سيستم، نوع دوربين و محل نصب آن است كه ضمن كاركردن در شرايط محيطي مختلف، براي افراد داراي ويژگي‌هاي مختلف نيز داراي دقت باشد. اين سيستم، به‌طور مستقيم از ويژگي‌هاي خود براي تشخيص خواب‌آلودگي استفاده مي‌كند.

× روش‌هاي تشخيص مبتني‌بر داده‌هاي خودرو، ويژگي‌ها و تغييرات رديابي شده در خودرو به‌هنگام خواب‌آلودگي راننده را مورد استفاده قرار مي‌دهند. اين داده، علاوه‌بر ويژگي‌هاي خودرو به عوامل راننده و جاده نيز وابسته بوده و اجزاي اصلي آن، تعدادي حسگر و پردازشگر است. نكات مهم حسگرهاي مورداستفاده، نحوه نصب و ارتباط آنها با سيستم هشدار است.

× سيستم‌هاي مبتني‌بر داده‌هاي حسگري راننده، سيگنال‌هاي حياتي بدن را براي رديابي مورداستفاده قرار مي‌دهند. تعدادي از اين روش‌ها، از دقت خوبي برخوردارند اما براي استخراج داده‌ها، به قرار گرفتن حسگرها بر روي بدن راننده نياز است. نكته مهم، كاهش نويز سيستم براي رديابي دقيق داده‌هاست.

× سيستم‌هاي مبتني‌بر داده‌هاي تصويري جاده، تغيير مسير ناشي از خواب‌آلودگي را با رديابي خطوط اصلي جاده شناسايي مي‌كند. اين روش، در جاده‌هاي داراي خط‌كشي استاندارد، بخوبي مورداستفاده قرار مي‌گيرد و به ويژگي‌هاي موردنظر نيز بستگي نخواهد داشت.

هر يك از سيستم‌هاي يادشده با در نظر گرفتن مطالب توصيه شده، قابل پياده‌سازي در خودروهاست و در واقع تركيب اطلاعات حسگري و تصويري راننده، خودرو و جاده، مي‌تواند تا حد زيادي منجر به افزايش دقت شناسايي خواب‌آلودگي شود. بنابراين، علاوه‌بر اينكه هر يك از سيستم‌ها به‌تنهايي قابل‌اجرا بر روي خودرو هستند، مي‌توان با توجه به نتايج نسبتاً مستقل آنها، از تركيب نتايج به‌دست آمده براي دستيابي به دقت بيشتر در شناسايي خواب‌آلودگي بهره گرفت.

با توجه به روش‌هاي موجود در شناسايي خواب‌آلودگي و مزايا و محدوديت‌هاي هر يك در كشورمان، سيستم پيشنهادي مبتني‌بر تركيبي از روش‌ها توصيه مي‌شود. با توجه به استقلال روش‌ها، امكان پياده‌سازي اين سيستم وجود دارد. اولويت پياده‌سازي روش‌ها با توجه به شرايط اجرايي پروژه، شامل روش‌هاي مبتني‌بر داده‌هاي تصويري راننده، داده‌هاي حسگري خودرو، داده‌هاي تصويري جاده و داده‌هاي حسگري راننده است. بلوك دياگرام سيستم پيشنهادي در شكل 1 نشان داده شده است.

 

شكل 1

 

پانوشت


 

1 . Electro Encephalo Gram

2 . Electro Cardio Gram

3 . Electro Mayo Gram

4 . Electro Ocolu Gram

5 . Horne

6 . Akerstedt

7 . Petit

8 . Waard

9 . Schier

10 . Lal

11 . Gilad

12 . Papadelis

13 . Summala

منبع: صنعت خودرو