Программное обеспечение для определения усталости - Википедия - Fatigue detection software

Программное обеспечение для определения усталости предназначен для уменьшения количества несчастных случаев и несчастных случаев, связанных с переутомлением. Несколько компаний работают над технологией для использования в таких отраслях, как горнодобывающая промышленность, автомобильные и железнодорожные перевозки и авиация. Вскоре технология может найти более широкое применение в таких отраслях, как здравоохранение и образование.^{[нужна цитата ]}

Утомляемость в операционной среде

В сценарии операционной среды, где операционные системы зависят от действий человека, утомляемость может быть определена как склонность к снижению производительности. Таким образом, утомляемость является индикатором базового риска возникновения ошибок и аварий.

Во всем мире горнодобывающие предприятия подвержены риску усталости рабочих. Сонливость и утомляемость увеличивают человеческий фактор и способствуют несчастным случаям, которые могут привести к летальному исходу. Факторы, повышающие уровень утомляемости горняков, включают: нарушения циркадных ритмов из-за сменной работы, воздействия шума, вибрации и химических веществ, монотонного и повторяющегося характера задач и вождения в ночную смену. Исследования признают связь между образом жизни и усталостью. Шахтеры в развивающихся странах зависят от ненадежных систем общественного транспорта, которые добавляют к их рабочему дню дополнительные часы в пути. Эти работники более подвержены плохому качеству и количеству сна.

Усталость - это форма нарушения. В 2011 году австралийский коронер Аннет Хеннесси сравнила усталость с вождением в нетрезвом виде.^[1] Усталые работники просто менее бдительны и с большей вероятностью будут плохо рассуждать. Это особенно рискованно, потому что часто уставший оператор хуже всех судит о том, насколько он или она могут быть утомлены. Дэвид Эдвардс, доктор философии, менеджер по глобальным решениям в области безопасности горных работ в Caterpillar Inc., сравнивает это с вопросом у пьяного человека, считает ли он, что он слишком пьян, чтобы водить машину.^[2]

Транспортные средства и вождение автомобиля считаются критическим риском в условиях горнодобывающей промышленности. Взаимодействие между транспортным средством и человеком, как правило, приводит к летальному исходу. Реальная денежная стоимость несчастных случаев выходит за рамки компенсаций и страховых выплат, медицинских расходов и затрат на расследование. Несчастные случаи со смертельным исходом часто приводят к временному приостановлению работы и потере производства. Горнодобывающие предприятия мирового класса стремятся к созданию среды без смертельных исходов и публикуют свои годовые показатели безопасности в своем Годовом отчете. Во всем мире ожидается, что шахты уменьшат травматизм, устранят гибель людей и предотвратят катастрофические инциденты.

Большинство шахт и коммерческих парков грузовиков полагаются на программные средства контроля, такие как процедуры и другие контрмеры, чтобы справиться с утомляемостью. Общие контрмеры, которые могут потенциально снизить усталость и повысить уровень бдительности водителей самосвалов, включают: дни отдыха, управление сном, хорошо продуманные графики сменной работы и структурированные перерывы во время смены, проверка состояния здоровья и консультирование, образовательные программы, прием пищи и жидкости, а также устройства для измерения бдительности водителя.

Последствия переутомления

Последствия усталости особенно очевидны в статистике безопасности дорожного движения. Однако риску подвергаются не только водители легких и коммерческих автомобилей. Во всех отраслях промышленности вахтовые работники уязвимы для несчастных случаев, связанных с переутомлением, особенно в ночную смену. Статистика безопасности не всегда доступна и редко фиксирует причинные факторы инцидента. В этом разделе статистика безопасности дорожного движения используется для иллюстрации контекста проблемы утомляемости.

Усталость от вождения обычно относится к состоянию, при котором водитель обладает физиологическими и умственными недостатками и когда навыки вождения объективно снижаются, обычно после длительного периода вождения. Водитель, который спит за рулем, не будет действовать, чтобы избежать столкновения или аварии, и по этой причине авария с гораздо большей вероятностью приведет к серьезным травмам или смерти.^[3] Дорожно-транспортные происшествия, связанные с переутомлением, в три раза чаще приводят к тяжелым травмам или смерти. Большая часть этих аварий происходит в период с 14:00 до 16:00 и с 02:00 до 06:00. В течение этих двух периодов времени водители более склонны к сонливости, что увеличивает вероятность аварии.^[4]

Статистика показывает, что основной причиной дорожно-транспортных происшествий со смертельным исходом или травмами является снижение уровня бдительности. В сфере грузоперевозок 57% аварий грузовиков со смертельным исходом происходит из-за усталости водителя. Это основная причина аварий тяжелых грузовиков.^[4]

По данным Национального фонда сна за 2005 г. Сон в Америке опрос60% взрослых водителей - около 168 миллионов человек - говорят, что в прошлом году они водили автомобиль, чувствуя себя сонливым, а 13% из них признались, что делали это не реже одного раза в месяц.^[4]

Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) по консервативным оценкам, ежегодно 100 000 аварий, о которых сообщает полиция, являются прямым результатом усталости водителей. Это привело к примерно 1550 смертельным случаям, 71 000 травмам и денежным убыткам в размере 12,5 миллиардов долларов.^[4]

В Австралии 60–65% несчастных случаев при транспортировке грузовиков напрямую связаны с утомляемостью оператора, а 30% всех аварий связаны с утомляемостью.^[5]

Технические и дизайнерские проблемы

Сложное взаимодействие основных физиологических факторов, ответственных за сонливость, - циркадных ритмов и гомеостатического стремления к сну, - ставит серьезные технические проблемы при проектировании и разработке систем определения утомляемости. Технология должна быть надежной и способной к высокой точности в различных операционных средах с постоянно меняющимися условиями и меняющимися потребностями клиентов.^[6]

Чтобы соответствовать требованиям эффективности и функциональности, технология должна соответствовать следующим требованиям:^[7]

Он должен измерять то, что он оперативно и концептуально предназначен для измерения, и быть последовательным в этих измерениях с течением времени. Таким образом, устройство, предназначенное для измерения моргания глаз (оперативно) и бдительности (концептуально), должно постоянно измерять их для всех водителей.
Программная технология, используемая в устройстве, должна быть оптимизирована по чувствительности и специфичности. Ложноотрицательные результаты должны быть сведены к минимуму путем точного и надежного обнаружения пониженных уровней настороженности. Ложные срабатывания должны быть сведены к минимуму за счет точной и надежной идентификации безопасного вождения и бдительности оператора.
Устройство должно быть прочным, надежным и способным к непрерывной работе в течение продолжительных периодов времени, например, смены. Стоимость обслуживания и замены не должна быть чрезмерной.
Быть способным в реальном времени отслеживать поведение водителя или оператора.
Устройство должно точно работать в различных рабочих условиях днем, ночью и при освещении. Точность не должна зависеть от условий в кабине оператора, таких как влажность, температура, вибрация, шум и т. Д.
Звуковые предупреждающие сигналы не должны пугать оператора и должны регулироваться в разумном диапазоне. Сигналы должны быть отчетливыми и слышимыми в рабочих условиях, чтобы их нельзя было спутать с другими сигналами тревоги и сигналами.

Критерии приемлемости пользователей

Независимо от очевидных преимуществ для безопасности, которые предлагают устройства обнаружения усталости, успешное принятие технологии зависит от того, воспринимает ли оператор преимущества больше, чем затраты. На принятие пользователем влияют следующие факторы:^[8]^[7]

Легкость использования: технология должна быть понятной и интуитивно понятной в работе. Оператор должен быть знаком с возможностями, ограничениями и рабочими параметрами во всех рабочих условиях. Выходные данные устройства должны легко и правильно интерпретироваться операторами с различными когнитивными и физическими способностями. Оператор не должен закрывать обзор дороги и других органов управления.
Легкость обучения: Успех технологии зависит от ее соответствия ментальной модели оператора, от того, насколько легко понять, вспомнить и сохранить информацию, а также отреагировать на нее. Что наиболее важно, оператор должен доверять точности устройства, чтобы максимально увеличить количество «попаданий» и исключить ложные или ложные срабатывания сигнализации.
Воспринимаемая ценность: Оператор должен воспринимать технологию как способствующую более безопасному и внимательному управлению автомобилем, но в то же время она не должна создавать состояние чрезмерной уверенности. Устройство должно быть полезным для оператора в его собственной программе управления утомляемостью. Должно быть понятно, что устройство полностью безопасно в использовании без каких-либо негативных побочных эффектов для здоровья оператора. Данные оператора, собираемые и передаваемые в центральную диспетчерскую, должны быть полностью конфиденциальными.
Пропаганда: Критический компонент принятия пользователями измеряется готовностью операторов покупать и поддерживать технологию. В связи с предполагаемыми преимуществами безопасности устройства его рыночное присутствие будет расти, когда оно будет поддерживаться предполагаемыми пользователями - операторами, менеджерами автопарка, ассоциациями грузовых автомобилей, отделами безопасности и т.
Поведение водителя: На распределение внимания оператора для обеспечения безопасного вождения не должно негативно влиять взаимодействие с устройством. Продолжительное знакомство с технологией должно оказать положительное влияние на поведение водителя, а также на изменение образа жизни в отношении снижения утомляемости.

Технологии обнаружения и мониторинга усталости

За последнее десятилетие произошел значительный прогресс в технологии мониторинга усталости. Эти инновационные технологические решения теперь коммерчески доступны и предлагают реальные преимущества в области безопасности водителям, операторам и другим сменным рабочим во всех отраслях промышленности.^{[нужна цитата ]}

Разработчики программного обеспечения, инженеры и ученые разрабатывают программное обеспечение для определения утомляемости, используя различные физиологические сигналы для определения состояния усталости или сонливости. Измерение активности мозга (электроэнцефалограмма) широко используется как то стандарт в мониторинге усталости. Другая технология, используемая для определения ухудшения, связанного с утомляемостью, включает измерения поведенческих симптомов, например: поведение глаз, направление взгляда, микрокоррекции рулевого управления и использования дроссельной заслонки, а также вариабельность сердечного ритма.^{[нужна цитата ]}

Технология электроэнцефалографии (ЭЭГ)

Программное обеспечение для определения усталости анализирует поведение и предупреждающие знаки, чтобы определить начало утомления. Эта технология может стать высокоточным инструментом для выявления ранних стадий утомляемости водителей и минимизировать вероятность инцидентов. Технология позволяет операторам в режиме реального времени визуально определять уровень своей бдительности. Операторы могут проактивно оценивать различные подходы для поддержания бдительности и управления уровнем утомляемости.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) - это метод неинвазивной регистрации электрической активности мозга.^[9] Он был открыт Гансом Бергером в 1924 году и за более чем 90 лет превратился в передовую технологию сегодняшнего дня. Резкое уменьшение размера, веса и стоимости аппаратуры ЭЭГ, а также возможность беспроводной связи с другими цифровыми системами проложили путь к распространению технологии на ранее неизвестные области, такие как развлечения, биологическая обратная связь и поддержка обучения и тренировки памяти. Эксперименты и разработка продукции вокруг этой технологии включают приложения для определения усталости.

Новое программное обеспечение для определения утомляемости ЭЭГ измеряет способность человека сопротивляться сну.^[9] Микросон возникает только тогда, когда человек не сопротивляется сну, он не возникает, когда человек предпочитает отдых. Операторы тяжелой мобильной техники привыкли не спать; это происходит естественным образом и является почти подсознательным поведением. Однако, когда способность человека сопротивляться сну снижается, возникает риск микросна. Поэтому способность сопротивляться сну является наиболее важной мерой безопасности для операторов оборудования. В основе технологии лежит активность мозга. Электроэнцефалограмма была золотым стандартом в науке о сне и усталости.^[9] Будучи более прямым физиологическим показателем, он обеспечивает повышенную точность за счет исключения ошибочных измерений, связанных с внешней средой.

Помимо разработки практических носимая технология универсальное сопоставление информации ЭЭГ с полезным измерением требуется для точного мониторинга утомляемости в операционной среде. Хотя анализ ЭЭГ хорошо развит, ученые обнаружили, что из-за естественных физиологических вариаций от человека к человеку строгие правила интерпретации мозговой активности не могут эффективно применяться ко всему населению. Это означает, что подход, основанный на правилах, к измерениям утомляемости ЭЭГ будет непрактичным, так как каждое физиологическое изменение потребует определенного правила, применимого к конкретному человеку.

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали универсальный алгоритм усталости, основанный на подходе, основанном на данных. Сонливость - это состояние, определяемое независимыми не-ЭЭГ измерениями. Оксфордский тест на устойчивость к сну (тест OSLER) и тест на психомоторную бдительность (PVT) являются наиболее часто используемыми показателями в исследованиях сна.^[9] Оба теста использовались для создания выборки данных для разработки универсального алгоритма усталости. Алгоритм был разработан на основе реальной ЭЭГ большого количества людей. Затем методы искусственного интеллекта использовались для отображения множества индивидуальных отношений. Подразумевается, что результат становится все более универсальным и значимым по мере того, как в алгоритм включается больше данных от более широкого круга лиц. В дополнение к невидимому слепому подходу к эксперименту, тестирование алгоритма также зависит от независимых внешних сторон.^[9]

Отслеживание степени открытости глаз (PERCLOS)

PERCLOS - это мера обнаружения сонливости, называемая процентом закрытия века над зрачком с течением времени, и отражает медленное закрытие век или опускание, а не моргание.^[10] Различные системы обнаружения сонливости оператора в режиме реального времени используют оценку PERCLOS и собственное программное обеспечение для определения начала утомляемости. Каждый разработчик технологий использует уникальную настройку и комбинацию оборудования для повышения точности и способности отслеживать движение глаз, поведение век, позы головы и лица при всех возможных обстоятельствах.^[10]

В некоторых системах используется модуль камеры на вращающемся основании, который устанавливается на приборной панели внутри кабины. Устройство имеет большое поле зрения, позволяющее перемещать голову оператора. В оборудовании используется программное обеспечение для отслеживания взгляда со структурированным освещением, которое зависит от высокого контраста между зрачками и лицом для идентификации и отслеживания зрачков оператора.

В качестве альтернативы гибкие и мобильные системы отслеживания обеспечивают отслеживание головы и лица, которое включает отслеживание глаз, век и взгляда. Эти системы теперь обеспечивают обратную связь в реальном времени без использования проволоки, магнитов или головных уборов.

Хотя исследования подтвердили корреляцию между PERCLOS и нарушениями, некоторые эксперты обеспокоены влиянием, которое поведение глаз, не связанное с уровнем утомляемости, может иметь на точность измерений. Пыль, недостаточное освещение, блики и перепады влажности - это факторы, не связанные с утомлением, которые могут повлиять на поведение глаз оператора. Следовательно, эта система может быть подвержена более высокому уровню ложных срабатываний и пропущенных случаев нарушений.^[9]

Отслеживание черт лица

Система компьютерного зрения использует ненавязчивую камеру, установленную на приборной панели, и два источника инфракрасного освещения для обнаружения и отслеживания черт лица оператора. Система анализирует закрытие глаз и позы головы, чтобы определить раннее начало усталости и отвлечения внимания. Алгоритм определения усталости вычисляет AVECLOS. Это процент времени, когда глаза полностью закрываются в течение минутного интервала.^[11]

Технология была разработана для внутреннего и коммерческого рынков и в настоящее время проходит испытания на демонстрационном автомобиле Volvo.

Мобильная платформа

Недавно программное обеспечение системы определения усталости было изменено для работы на мобильных телефонах Android. В технологии используется камера мобильного телефона, которая установлена на стойке на приборной панели кабины, для отслеживания движения глаз оператора. Разработчики системы предпочли использовать технику движения век.^[12] Надежная система способна отслеживать быстрые движения головы и выражения лица. Внешнее освещение ограничено, что снижает вмешательство оператора. Было обнаружено, что другие потенциальные методы имеют недостатки при применении конкретного оборудования. Обнаружение зевоты затрудняет точное определение положения губ. Для обнаружения кивков головы электроды должны быть прикреплены к коже черепа.

Кроме того, методы глубокого обучения для распознавания действий также успешно применяются на мобильных устройствах.^[13] Методы глубокого обучения не требуют отдельных этапов выбора функций для определения положения глаз, рта или головы и могут еще больше повысить точность прогнозов.

Также были выпущены технологии на основе приложений, которые не используют камеры, а вместо этого используют тест Боулза-Лэнгли (BLT).^[14] через простой 60-секундный игровой процесс. Компании, которые выпустили приложения для снижения утомляемости с использованием этого типа технологий, включают: Прогнозная безопасность, базирующаяся в Денвере, Колорадо, США и Знают360 базируется в Калгари, Альберта, Канада.

Обнаружение сонливости водителя

Технологии, рассмотренные в предыдущих разделах, открыли перед различными производителями возможности для обеспечения безопасности автомобилей, чтобы они могли добавлять новые функции безопасности в свои серийные модели. Движущими силами развития этих функций могут быть либо нормативное давление, либо повышение ценностного предложения их продукта за счет дополнительных функций.

Новые разработки в автопроме:^[15]

Дальнейшее развитие осуществляется NVIDIA, поставщиком чипов для Audi, Mercedes, Tesla и других компаний. NVIDIA разрабатывает второй пилот, инструмент искусственного интеллекта, который может изучать поведение отдельных водителей и определять аномальное поведение.
Для раннего обнаружения сонливости компания Plessey Semiconductors разработала датчики, которые можно разместить в сиденье и отслеживать изменения частоты сердечных сокращений.
Bosch, немецкий поставщик технологий для многих автомобильных компаний, разрабатывает систему на основе камеры, которая будет отслеживать движения головы и глаз, а также положение тела, частоту сердечных сокращений и температуру тела.
Valeo, еще один поставщик автомобильной техники, разрабатывает систему инфракрасных камер, которая будет следить за детьми на заднем сиденье, а также за движениями плеч, шеи и головы водителя в поисках отклонений от нормы.
Помощник по вниманию Mercedes отслеживает поведение водителя в течение первых 20 минут за рулем, чтобы получить базовый уровень поведения. Затем система сравнивает их с 90 показателями, такими как угол поворота рулевого колеса, отклонение полосы движения и внешние факторы, такие как порывы ветра и предотвращение выбоин.

Эти системы могут применяться не только производителями автомобилей, но и сторонними технологическими компаниями. Эти компании разработали оборудование, такое как Anti Sleep Pilot и Vigo. Anti-Sleep Pilot - датское устройство, которое можно установить на любой автомобиль, в котором используется комбинация акселерометров и тестов реакции. Vido - это умная Bluetooth-гарнитура, которая обнаруживает признаки сонливости по движению глаз и головы, чтобы предупредить пользователей.

К 2013 году было подсчитано, что около 23% новых зарегистрированных автомобилей имели системы обнаружения сонливости различной степени. Важность этих систем может быть повышена органами регулирования безопасности, включающими эти системы в свои рейтинговые системы. Нормативные системы, такие как система Euro NCAP, в первую очередь фокусируются на рейтингах безопасности пассажиров, рейтингах пешеходов и рейтингах детей, находящихся в салоне, посредством выдачи общей 5-звездочной оценки. В 2009 году была добавлена новая категория в виде вспомогательных систем безопасности Euro NCAP Advance. Euro NCAP Advanced рассматривает системы активного мониторинга безопасности новых моделей автомобилей и стремится предоставить покупателям автомобилей четкое руководство о преимуществах безопасности, предлагаемых этими новыми технологиями.

Вот список некоторых передовых систем безопасности, недавно разработанных производителями автомобилей.^[15]

Мониторинг модели рулевого управления, улучшения обзора и автономное экстренное торможение

В основном используется рулевое управление от электроусилителя руля, радарных систем и камер. Эти системы могут облегчить автономное торможение в случае сонливости или отвлечения внимания, когда водитель физически действует недостаточно быстро. Он также имеет возможность автономного вождения для предотвращения аварии, когда водитель реагирует слишком медленно или вообще не реагирует.

Положение автомобиля в мониторинге полосы движения

Использует камеру наблюдения за полосой движения и радарные датчики. Эти системы могут помочь и предупредить вас, когда вы непреднамеренно покидаете полосу движения или когда вы меняете полосу движения без индикации, обычно из-за усталости. Эти функции обычно называют мониторингом слепых зон, поддержкой удержания полосы движения или мониторингом выезда с полосы движения.

Контроль глаз / лица водителя

Требуется камера, наблюдающая за лицом водителя, называемая ассистентом внимания, эти системы обнаруживают и предупреждают водителей, чтобы они не засыпали на мгновение во время вождения.

Физиологическое измерение

Требуются датчики на теле для измерения таких параметров, как активность мозга, частота сердечных сокращений, проводимость кожи и мышечная активность. Это не ограничивается только водителями автомобилей. Также были проведены исследования по оценке нейрофизиологических измерений как метода повышения бдительности пилотов самолетов.

Фольксваген

VW имеет встроенную систему, помогающую водителям сохранять физическое и психическое здоровье за рулем. Система внимательно следит за поведением водителя, отмечая отклонения, которые могут быть предупреждающими знаками об усталости водителя.^[16]

Вольво

Вольво разработала Driver Alert Control - систему, которая обнаруживает утомленных водителей и предупреждает их, прежде чем они уснут за рулем. Driver Alert Control - первая система обнаружения усталости, разработанная производителем автомобилей, и присутствует на рынке с 2007 года.^[17]

Стэнфордское исследование

В 2009 Стэндфордский Университет исследовали системы автоматического определения усталости и пришли к выводу, что технология, основанная на движении век, может быть эффективной при определении усталости водителя в автомобилях, но для повышения точности необходимо провести дополнительные исследования.^[18]