در این مقاله به معرفی سیستم‌های کمک‌راننده تشخیص خواب‌آلودگی، انواع آنها و چگونگی عملکرد آنها خواهیم پرداخت. این مقاله در ادامه مقالات بررسی کلی سیستم‌های کنترلی خودرو و چگونگی عملکرد سیستم‌های اجتناب از برخورد مطرح شده و به معرفی یکی از مهمترین سیستم‌های کمک‌راننده که تاثیر زیادی در تصادفات رانندگی دارد می‌پردازد.
زندگی ما انسانها از رفتارهای مختلفی تشکیل شده است که یکی از مهمتریم آنها خواب است. خواب کافی باعث میشود تا بتوانیم تواناییهای ادراکی همانند حافظه، تفکر و کلام را در حد مطلوبی حفظ کنیم. خواب‌آلودگی واژهای است که معمولا برای توصیف حالت کمبود خواب و اتمام انرژی فرد برای فعال نگهداشتن هوشیاری خود به کار میرود که به شدت بر نحوه قضاوت و تصمیم گیری فرد تاثیرگذار است و مطابق آمارهای موجود، خستگی و خواب آلودگی راننده به عنوان یکی از مهمترین دلایل تصادفات، واژگونی و خروج از محور وسایل نقلیه میباشد. همانطور که ذکر شد، از آنجا که رانندگی یکی از اعمال روزمره انسان امروزی میباشد، رانندگانی که به صورت حرفهای به کار اشتغال دارند، معمولا برای ساعتهای متمادی، مسافتهای طولانی و یکنواختی را طی میکنند که بعضا با ساعتهای استراحت و خواب تداخل پیدا میکند. ادامه این وضعیت برای مدت زمان طولانی میتواند موجب بروز مشکلاتی در ارتباط با خواب راننده شود و در هنگام رانندگی خطرساز شود. به همین دلیل خواب‌آلودگی یکی از عوامل تاثیرگذار در وقوع تصادفات در جادههای ایران و سراسر جهان میشود که قربانیان زیادی میگیرد.
روشهای مختلف تشخیص خواب‌آلودگی
از دست دادن تمرکز به دلیل خواب‌آلودگی سبب برخی تغیرات در بدن انسان و فعالیت آن میشود. این نشانه و پارامترها ما را قادر به اندازهگیری میزان خواب‌آلودگی میسازد. روشهای مختلف تشخیص خواب‌آلودگی را میتوان در دو دسته کلی تقسیمبندی کرد. روشهای مختلف در دسته اول تشخیص خواب‌آلودگی که استفاده از تغییرات فیزیولوژیکی بدن میباشد که شامل حالت چشم، ویژگی گفتاری، زمان بین دو خمیازه، موقعیت سر، طرز نشستن، ضربان قلب و سیگنالهای مغزی فقط بخشی از روشهای دسته اول میباشد. در واقع این دسته از روشها خود به دو دسته روشهای مبتنی بر علائم فیزیولوژی و روشهای مبتنی بر ظاهر و حالت راننده تقسیم میشود. خواب‌آلودگی باعث برخی تغییرات در رفتار راننده میشود که تغییرات این رفتار گروه دوم تشخیص خواب‌آلودگی را تشکیل میدهد. زاویه فرمان، فاصله از خودرو دنبال کننده، موقعیت عرضی خودرو، سرعت طولی، شتاب طولی و انحراف از خط در دسته دوم قابل استفاده است. شکل ۱ به صورت خلاصه این روشهای را بیان میکند.
شکل 1 : روش های تشخیص خواب آلودگی در یک نگاه
در دسته اول وسایل اصلی حسگرها و دوربینها هستند که علائم فیزیکی راننده را ثبت میکنند. سپس این علائم به یک پردازشگر فرستاده شده تا میزان خواب آلودگی راننده مشخص شود. در این روش از امواج مغزی، ضربان قلب، امواج چشمی و عضلانی و هدایت الکتریکی پوست استفاده میشود. از آنجایی که برای استفاده از این متغیرها میبایست تجهیزاتی به بدن راننده وصل شود، از روشهای دخالتی محسوب میشوند که موجب آزار و رنجش راننده و احتمالا اختلال در امر رانندگی میشود. همانطور که در شکل ۲ نمایش داده شده است، سیگنالها توسط الکترودهای قرار گرفته بر روی پوست سر ضبط میشوند. مشکلات اساسی این روش حساسیت به نویز و اذیت و آزاد راننده است. تفاوت این سیگنالهای برای سه حالت خواب آلوده، خواب و بیداری باعث پی بردن به خواب‌آلودگی و میزان هشیاری راننده میشود.
شکل 2: قرار گیری الکترود بر روی پوست سر راننده به منظور ثبت سیگنال مغزی
همچنین یکی از مهمترین مثال‌های بارز برای روش مبتنی بر ظاهر راننده استفاده از پردازش تصویر است که میتواند نشانه‌های بصری خواب‌آلودگی را استخراج نماید. اشخاص در شرایط خستگی و خواب‌آلودگی بعضی رفتارهای خاص را از خود نشان می‌دهند که به راحتی در تغییرات ظاهری مانند چشم، سر و صورت قابل مشاهده است. طولانی‌تر شدن زمان پلک زدن، حرکت آرام پلک، نزدیک شدن پلک‌ها به یکدیگر و یا حتی بسته بودن پلک‌ها، پایین افتادن مکررر سر، خمیازه کشیدن، خیرگی چشم، خمودگی در ظاهر و بی حسی و خماری معمولی‌ترین ویژگی‌های بصری یک حس خواب‌آلوده میباشد. بینایی ماشین یک تکنیک غیر مزاحم برای تشخیص نشانه‌های بصری شخص خواب‌آلوده میباشد. در این شیوه تصاویر شخص توسط دوربینی که در جلوی او تعبیه شده است، گرفته شده و سپس توسط تکنیک‌های بینایی ماشین و پردازش تصویر نشانه‌های خواب‌آلودگی مورد نظر استخراج میشود. از جمله ایراد وارد بر این روش احتمال تغییر زاویه سر نسبت به دوربین است که عملا سیستم مورد نظر را از کار می اندازد. شکل 3 نمونهای از تصاویر دوربین و پردازش تصویر را نمایش میدهد.
شکل 3: تصاویر دوربین و پردازش تصویر بر اساس علائم ظاهری راننده
در شکل 4 و 5 نتایج وضعیت عرضی خودرو و همچنین زاویه فرمان خودرو برای دو حالت راننده خواب‌آلود و همچنین راننده هشیار را نشان میدهد. همان‌طورکه مشاهده میشود در این نمودارها اختلاف بین دو حالت خواب‌آلودگی و بیداری کامل روشن است. میزان زوایای فرمان بزرگ به دلیل از خواب پریدگی لحظه‌ای حین رانندگی و اصلاح فرمان به مقدار قابل توجه دلیل این واقعیت آشکار است. همانطور که مشاهده میشود با مقایسه الگوهای فوق میتوان تشخیص داد که راننده خواب آلوده میباشد و با استفاده از الگوریتم‌هایی میتوان میزان هوشیاری راننده را نیز تخمین زد.
شکل 4 وضعیت عرضی خودرو در دو حالت خواب‌آلودگی و بیدار
شکل 5 زاویه فرمان خودرو در دو حالت خواب‌آلودگی و بیدار
همچنین کاهش هوشیاری یا خواب‌آلودگی راننده میتواند در میزان فشاری که او به غربیلک فرمان وارد میکند تاثیر داشته باشد. بنابراین با نصب حسگر بر روی غربیلک فرمان خودرو میتوان فشاری که دست به آن وارد میکند را اندازه گرفت و با تجزیه تحلیل اطلاعات حسگرها، سطح هوشیاری راننده را تشخیص داد. از دیگر روشها بررسی حسگر‌های‌هایی است که در تکیه گاه صندلی کار گذاشته شده است تا میزان فشاری که به نواحی مختلف صندلی وارد می شود را اندازه گیری کنند.
با توجه به آنچه گفته شده به طور کلی روشهای تشخیص خواب‌آلودگی در دو دسته اساسی مبتنی بر رفتار راننده و مبتنی بر تغییرات فیزیولوژیکی بدن است که میتواند به صورت ظاهری راننده اثر گذارد و یا بر اساس سیگنالهای مغزی، قلبی و... اثر داشته باشد. باتوجه به مباحث مطرح شده در مورد هر يك از روشها، سيستمي مي‌تواند براي تشخيص خواب آلودگي مناسب باشد كه تا حدممكن سريع عمل كرده و مزاحمتي را براي راننده ايجاد نكند. براي اين منظور ميتوان از چندين روش به صورت تركيبي استفاده كرد تا هريك از روشها، كاستي و عيوب روش ديگر را پوشش دهد. در اين گونه سيستم‌ها میتواند از روش‌هاي مبتني بر ظاهر مانند بررسي تغييرات و حركات چشم به عنوان پايه و اساس تشخيص استفاده كرد تا مزاحمتي براي راننده ايجاد نكند و بتوان خواب آلودگي را سريعاً تشخيص داد. دركنار اين روشها نيز مي توان از تغييرات عملكرد خودرو و راننده نيز به عنوان مكمل روش قبلي در جهت بالابردن دقت استفاده نمود. یکی از روشهای بسیار متداول تلفیق این دو دسته روش با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی و سیستم‌های فازی عصبی است.
با توجه به مشکلاتی در تست این سیستم‌ها قبل از کارایی آن با توجه به خطراتی که پیرامون این سیستم‌ها وجود دارد، با استفاده از پیاده‌سازی محیط رانندگی در یک فضای مجازی میتوان تست‌های مرتبط با سیستم‌های خواب‌آلودگی با کمترین خط جانی و دقت قابل قبول انجام داد. یکی از بهترین روشها برای تست سیستم تشخیص خواب‌آلودگی استفاده از واقعیت مجازی است که به ارائه توضیحی مختصری از آن می‌پردازیم.
واقعیت مجازی و کاربرد آن در مقوله تشخیص خواب‌آلودگی
با توجه به آمار قربانیان جادهای، واضح است که باید چارهای اندیشید و نتیجه های که از آمار قربانیان میتوان گرفت این است که بی تجربی رانندگان تازه کار و عدم آشنایی کامل آنها با موقعیتهای مختلف رانندگی از جمله اساسی ترین دلایل مربوطه میباشد. سن و تجربه دو فاکتور جدا نشدنی از عوامل موثر در تصادفات رانندگی به حساب میآیند. رانندگی یک عمل بسیار پیچیده میباشد. اگرچه رانندگان نوآموز لازم است قوانین ترافیکی و فنی از جمله تعویض دنده، نحوه استفاده از گاز، ترمز و کلاچ را خوب یاد بگیرند و این مهارتها برای رانندگی مهم و حیاتی هستند، اما به تنهایی برای رانندگی کافی نمیباشند. نیاز است تا رانندگان به مهارتهای تمرینی و ملموس تر دیگری نیز دست یابند. بنابراین ضرورت آموزش بهتر رانندگان جوان و به ویژه شبیه سازی موقعیتهای مختلف رانندگی برای آنها کاملا واضح و روشن است.
تمرین و یادگیری رانندگان نواموز با خطا همراه است. همچنین تدارک سناریوهای مختلف رانندگی برای در موقعیت قرار دادن راننده به صورت کاملا واقعی خطرناک و همچنین مستلزم صرف هزینه های بالا است. بهترین گزینه استفاده از واقعیت مجازی برای شبیه سازی شرایط رانندگی است.
همانطور که مشخص است بدست آوردن روشی موثر برای تشخیص خواب آلودگی بدون استفاده از واقعیت مجازی ممکن نیست، زیرا آزمایش سیستم برای حالت خواب‌آلودگی راننده، بسیار هزینه بر و احتمال خطر جانی بالا برای راننده و دیگر خودروهای موجود در جاده وجود دارد. از این رو تمامی روشهای گفته در بخش قبلی را میتوان با شبیه سازی واقعیت مجازی تست کرد. بسیاری از پژوهشگران روشهای طراحی شده خود را با استفاده از این نوع شبیه سازی تست و از اطمینان و میزان دقت و قطعیت آن اطلاعاتی را کسب میکنند. شکل 6 نمونهای از شبیه سازی رانندگی را نمایش میدهد. این تصاویر از آزمایشگاه واقعیت مجازی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی به سرپرستی دکتر نحوی گرفته شده است.
شکل 6: شبیه سازی رانندگی برای بدست آوردن داده ها
با استفاده از داده های بدست آمده از واقعیت مجازی میتوان قضاوت کرد که روش استفاده شده برای تشخیص خواب‌آلودگی راننده موثر است و همچنین میزان تاثیر آن چقدر میباشد. با استفاده از این روش میتوان از دو دسته روش گفته شده بهره جست به گونه ای که با اتصال الکترود به جمجمه سیگنالهای مغزی را دریافت کرد، با نصب دوربین موقعیت چشم را بدست آورد و با استفاده از داده هایی همچون تغییرات زاویه فرمان و میزان انحراف عرضی، میتوان سیستم ترکیبی برای تشخیص خواب‌آلودگی انجام داد.