P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A
WYDZIAŁ INŻYNIERII TRANSPORTU
Stanisław Nader
ANALIZA I OCENA SKUTKÓW RUCHU POJAZDÓW NA KIEROWCÓW Z WYKORZYSTANIEM
SYMULATORA JAZDY TYPU VIRTUAL REALITY
Rozprawa doktorska Napisana pod kierunkiem
dr hab. inż. Ilony Jacyna-Gołda, prof. PW
Promotor pomocniczy Dr inż. Maciej Andrzejewski
Dziękuję Pani Promotor za pomoc, uwagi i motywację podczas pisania rozprawy doktorskiej oraz moim Najbliższym za okazaną cierpliwość, wyrozumiałość, wiarę i wsparcie.
Spis treści
1. Wstęp ... 5
1.1. Analiza literatury przedmiotu ... 7
1.2. Przesłanki podjęcia tematu pracy ... 10
1.3. Teza i cel pracy ... 10
1.4. Zakres pracy ... 11
2. Człowiek w środowisku transportowym ... 13
2.1. Układ człowiek-maszyna ... 14
2.2. Reakcja człowieka na bodźce zewnętrzne ... 15
2.3. Bezpieczeństwo ruchu w transporcie ... 17
2.4. Metody oceny skutków ekspozycji ... 19
2.5. Wykorzystanie symulatorów podczas badań ... 20
2.5.1. Rodzaje symulatorów ... 20
2.5.2. Ocena możliwości wykorzystania symulatora w badaniach ... 26
2.6. Wykorzystanie sygnałów EEG do oceny zachowania kierowcy ... 27
2.6.1. Sygnały zewnętrzne i funkcjonowanie mózgu ... 27
2.6.2. Charakterystyka sygnałów EEG i punkty pomiarowe ... 29
2.7. Wykorzystanie interfejsów BCI opartych na sygnale EEG ... 31
3. Pilotażowe badania eksperymentalne pojazdów i zachowania kierowców podczas niestandardowej eksploatacji ... 39
3.1. Scenariusz badań ... 41
3.2. Aparatura badawcza i montaż czujników ... 42
3.3. Badania drgań oddziałujących na człowieka ... 43
3.4. Ocena wpływu drgań na człowieka ... 45
3.5. Analiza wyników eksperymentu ... 46
4. Badania z wykorzystaniem symulatora VR ... 48
4.1. Plan badań ... 50
4.2. Budowa stanowiska badawczego ... 50
4.2.1. Dobór oprzyrządowania pomiarowego ... 53
4.2.2. Dobór mierzonych sygnałów ... 55
4.2.3. Przygotowanie osób do badań z wykorzystaniem symulatora ... 57
4.3. Opracowanie scenariusza badań ... 61
4.3.1. Charakterystyka pojazdu ... 62
4.3.2. Charakterystyka toru ... 63
4.3.3. Przygotowanie ankiety dla potrzeb oceny prowadzonego testu ... 65
4.4. Budowa bazy pomiarów ... 67
4.5. Dobór populacji do prowadzenia testów ... 67
4.6. Analiza wyników badań symulacyjnych z wykorzystaniem VR ... 68
4.6.1. Charakter zmienności mierzonych sygnałów ... 68
4.6.2. Relacja pomiędzy bodźcami a rejestrowanym sygnałem EEG ... 71
4.6.3. Analiza relacji pomiędzy reakcją na bodziec a cechami osobniczymi badanych73 5. Wpływ bodźców pochodzących ze świata VR na wykonywanie czynności bezpiecznego prowadzenia pojazdu ... 77
5.1. Wrażenia subiektywne badanych ... 78
5.2. Ocena rejestrowanych sygnałów EEG ... 84
5.2.1. Spoczynkowe sygnały EEG z wykorzystaniem VR ... 85
5.2.1. Sygnały EEG podczas jazdy bez wykorzystania technologii VR ... 92
5.2.2. Sygnały EEG podczas jazdy z wykorzystaniem technologii VR ... 97
5.3. Ocena korzyści płynących z wykorzystania połączenia metody VR z analizą sygnałów EEG ... 103
6. Podsumowanie ... 104
6.1. Wnioski ... 105
6.2. Kierunki dalszych prac ... 108
Summary ... 109
Bibliografia ... 110
Spis tabel ... 121
Spis rysunków ... 122
Załącznik 1 – Wyniki badań ankietowych ... 125
1. Wstęp
Praca dotyczy oceny wpływu oddziaływania bodźców powodowanych eksploatacją pojazdu na możliwość wykonywania przez kierowcę podstawowego zadania - bezpiecznego prowadzenia pojazdu podczas niestandardowej eksploatacji. Eksponowanie człowieka na bodźce zewnętrzne, w tym bodźce hałasowe, drganiowe, wzrokowe oraz przyspieszenia i opóźnienia związane z jazdą w warunkach przekraczających standardową eksploatację, niesie ze sobą ryzyko wpływu zewnętrznych czynników fizycznych, a zwłaszcza tych o dużym natężeniu, na funkcjonowanie organizmu co przekłada się na bezpieczeństwo ruchu.
Znajomość reakcji kierowcy w sytuacji ekspozycji na duże przyrosty bodźców zewnętrznych ma duże walory poznawcze. Niniejszą pracę skoncentrowano na badaniu wpływu obciążenia szybkozmiennymi bodźcami zewnętrznymi na możliwość wykonywania podstawowych czynności bezpiecznego prowadzenia pojazdu.
Wykorzystywana do niedawna głównie w medycynie, podczas kompleksowych badaniach neurofizjologicznych technologia odczytu zmian sygnałów, generowanych przez ludzkie fale mózgowe, a odczytywanych na powierzchni skóry głowy, ma w sobie ciągle bardzo duży i niewykorzystany potencjał. Przy wykorzystaniu urządzenia zwanego elektroencefalografem (EEG) zapisy fal mózgowych stały się możliwe do przeanalizowania, stąd też możliwa jest popularyzacja różnych sposobów wykorzystania tych informacji.
Dostępne obecnie na rynku interfejsy BCI (ang. Brain-Computer Interface) umożliwiają za stosunkowo niską cenę, nawet nieprofesjonalnym użytkownikom korzystanie z potencjału jaki daje cyfrowa analiza fal mózgowych w czasie rzeczywistym. Stanowi to zachętę do wykorzystania tego typu interfejsów w budowie układów diagnostyki zachowań kierowców.
Odrębnym zagadnieniem poruszanym w niniejszej pracy, łączącym obserwację reakcji człowieka w warunkach zagrażających jego zdrowiu stanowią symulatory badawcze. Od wielu lat są one podstawowymi i uniwersalnymi narzędziami pozwalającymi na badanie zachowań kierujących pojazdami. Dodatkowo pełnią nieocenioną rolę przy identyfikowaniu zdarzeń drogowych, które mogłyby stwarzać potencjalne sytuacje uznawane za niebezpieczne w ruchu drogowym. W ramach pracy przedstawiono podstawowe wiadomości na temat symulatorów jazdy samochodem i dokonano przeglądu przykładowych rozwiązań. Poddano analizie istniejące rozwiązania techniczne oraz wskazano ich najważniejsze cechy. Przeanalizowano
dostępne na rynku rozwiązania, a po ich przeanalizowaniu dostrzeżono lukę, w postaci ciągle jeszcze niedostatecznie obecnej w badaniach, rozwijanej techniki wizualizacji rzeczywistości wirtualnej VR (ang. Virtual Reality). Po znalezieniu luki badawczej w dziedzinie badania kierowców w niestandardowych warunkach obciążenia psychicznego jazdą, podjęto próbę połączenia mało popularnej technologii obrazu typu VR z obserwacją reakcji kierowców przy wykorzystaniu interfejsu BCI. W tym celu zbudowano autorskie stanowisko badawcze, pozwalającego na wykorzystanie technologii VR do symulowanych warunków ruchu.
Zaprezentowano model funkcjonalny stanowiska i wskazano potencjał wykorzystania proponowanej metody. Zbudowano ponadto model przepływu sygnałów i informacji, co pozwoliło na doprecyzowanie elementów struktury autorskiego stanowiska do badań symulacyjnych, wybór mierzonych sygnałów oraz sposób rejestracji parametrów.
Sklasyfikowano sygnały i wskazano metodę analizy. Opisano sposób wykonywania badań oraz zasadę doboru badanej populacji. Wykorzystanie technik prowadzenia badań opartych na VR posiada bardzo duży potencjał rozwoju w realiach ciągle rozwijanych technik projekcji wrażeń oddziaływujących bezpośrednio na zmysły człowieka, a eliminujących dopływanie bodźców zewnętrznych. Za główny cel prowadzonych z wykorzystaniem autorskiego stanowiska badawczego testów jest ocena możliwości wykorzystania interfejsów BCI podczas analizy zachowań towarzyszących prowadzeniu pojazdu oraz możliwość prowadzenia analizy i oceny skutków ruchu pojazdów dla kierowców przy wykorzystaniu symulatora jazdy typu VR.
Badania prowadzone z wykorzystaniem symulatorów obecnie wykorzystywane są w eksperymentach dotyczących wszystkich dziedzin bezpośrednio powiązanych z człowiekiem [[3],[24],[45],[84],[114]]. Szczególnie rozwijana jest diagnostyka zachowań w dziedzinie ruchu drogowego, gdzie duży potencjał rozwojowy leży w wykorzystaniu interfejsów człowiek-maszyna HMI (ang. Human-Machine Interface) w zakresie funkcjonalności urządzeń pokładowych pojazdu; studiach behawioralnych; przyczyn wypadków; zdolności indywidualnych kierowców typu badania pamięci, umiejętności, badania wpływu obciążenia poznawczego na proces prowadzenia pojazdu itp.; badaniach nad systemami szkole; badaniach właściwości mechanicznych pojazdów i innych [[69],[86],[102],[105]].
W niniejszej pracy przedstawiono skrótowo podstawy budowy autorskiego stanowiska badawczego oraz przedstawiono ponadto wybrane wyniki badań przeprowadzonych na wyselekcjonowanej grupie osób z wykorzystaniem symulatora jazdy samochodem opartego na wykorzystaniu techniki VR. Dla ustalonego scenariusza prowadzenia badań przeprowadzono testy dla zróżnicowanej pod względem płci i wieku grupy liczącej 31 osób. W celu analizy reakcji rejestrowano zachowanie uczestników badania z wykorzystaniem kamery oraz oceniano
aktywność wybranych obszarów mózgu z wykorzystaniem interfejsu BCI. Poddano analizie przebadaną populację osób pod kątem występowania analogii behawioralnych w trakcie prowadzonych badań oraz dokonano zestawień reakcji elektrycznej aktywności w postaci rejestrowanych fal mózgowych. Dodatkowo przeprowadzono badania ankietowe wśród badanych, pozwalające na stwierdzenie przydatności wykorzystanej technologii VR w aspekcie realizmu obserwowanych odczuć badanych osób.. Z przyczyn obiektywnych zwrócono uwagę na wyniki reprezentatywne, ze względu na nieskończoną liczbę możliwości prowadzenia analiz zarejestrowanych sygnałów podczas badań. Wyniki zaprezentowanych badań opracowano na podstawie prowadzonych obserwacji oraz wykorzystano zeznania badanych osób, jak również zestawiono wyniki przeprowadzonych badań ankietowych. Badania ankietowe prowadzono z wykorzystaniem ocen występujących zjawisk w skalach behawioralnych, które mogą być wykorzystywane do oceny zachowań ludzkich (pojawiają się w nich sformułowania typu:
zawsze, prawie zawsze, często, prawie nigdy, nigdy itp.).
1.1. Analiza literatury przedmiotu
Symulatory badawcze stanowią od wielu lat podstawę uniwersalnych narzędzi pozwalających na badanie zachowań kierujących pojazdami oraz służą identyfikowaniu zdarzeń drogowych rodzących potencjalne sytuacje uznawane za niebezpieczne w ruchu drogowym. Liczne ośrodki naukowo-badawcze zajmują się projektowaniem i budową symulatorów oraz następnie prowadzą badania symulacyjne z wykorzystaniem grup testowych [[5],[19],[28],[30],[31],[37]]. Część wymienianych ośrodków bazuje na obserwacjach ludzi uczestniczących w badaniu oraz ocenie reakcji na bodziec zewnętrzny pod kątem rodzaju reakcji oraz badaniu rozkładu czasu reakcji na bodźce. W tym celu wykorzystywane są często kamery obserwujące badanego oraz zestawy wyspecjalizowanych czujników. Budowa tych symulatorów uwzględnia człowieka obserwującego dynamicznie zmienny świat wirtualny, osadzony w realiach świata rzeczywistego. Do badanego docierają impulsy zewnętrzne oraz generowane w symulatorze zestawy obrazów, ale świadomość uczestniczenia przez badanego w warunkach symulowanych jest również duża. Odrębną grupę symulatorów stanowią urządzenia bazujące na rzeczywistości wirtualnej, z ograniczeniem bodźców zewnętrznych ze świata rzeczywistego. Ta grupa symulatorów wydaje się bardziej rozwojowa ze względu na większą skuteczność osadzenia badanego w środowisku wirtualnym, co może przynieść efekty
w postaci większego utożsamiania się z własną (rzeczywistą) obecnością w świecie wirtualnym, przez co bodźce symulowane mogą lepiej przekładać się na reakcje badanego osobnika. Liczna grupa ośrodków naukowo-badawczych zajmuje się badaniem wpływu obecności w symulatorze na możliwość występowania choroby lokomocyjnej [[10],[13],[16],[17],[23],[54],[62],[71],[90],[131],[132],[137]], czy identyfikacji samego przemęczenia [103].
Niewielka część ośrodków badawczych pracuje nad rozwojem technik wykorzystujących badanie zmienności fal mózgowych człowieka, jako reakcji na pojawiające się bodźce zewnętrzne, jak również zmienności fal mózgowych podczas wykonywania czynności sterowniczych [[8],[14],[18],[41],[76],[77],[78],[122]]. Rozpatrywane są analizy statyczne związane z monotonią wykonywanych czynności oraz analizy dynamiczne, zmienności rejestrowanych sygnałów w funkcji losowych oraz przewidywalnych bodźców zewnętrznych.
Rynek międzynarodowy prezentuje coraz to nowsze rozwiązania urządzeń służących badaniom naukowym, testom zawodowym oraz nawet zabawie [[6],[7],[36],[55],[64],[75],[92]]. Wyznacznikiem tej sytuacji jest fakt łatwości pozyskania sygnału elektrycznego emitowanego przez obszary na skórze głowy człowieka, gdzie dokładność analizy uzależniona jest tylko sposobem przetwarzania tegoż sygnału. Występujące na rynku uniwersalne urządzenia posiadają zróżnicowane interfejsy służące połączeniu sygnałów elektrycznych generowanych przez mózg z przetwornikami, a następnie wzmacniaczami sygnału elektrycznego oraz interfejsami wejściowymi, skąd sygnał trafia do komputera rejestrującego, gdzie jest poddawany obserwacji i analizie. Urządzenia pracujące jako przystawki elektroencefalograficzne łączące człowieka z maszyną, takie jak MUSE (EEG) czy EMOTIV EPOC są szeroko dostępne, a ich konstrukcje podlegają permanentnym modyfikacjom [[146],[148]]. Dzięki prostocie konstrukcji, finalnym kosztom produkcji i łatwości sprzężenia na linii człowiek-maszyna konstrukcje te są powszechnie dostępne, a dzięki rozbudowanym bazom danych, uniwersalnym bibliotekom i sterownikom pozwalającym na sprzęgnięcie tych interfejsów z urządzeniami powszechnego użytku, stwarzają szeroki i rosnący wachlarz zastosowań. Jest to ciągle pionierski rynek z punktu widzenia kreowania oprogramowania dla użytkowników, a liczba aplikacji wykorzystujących analizę danych pochodzących z zapisy EEG szybko przyrasta. Aplikacje służące śledzeniu aktywności mózgu podczas wykonywania czynności wymagają spopularyzowania interfejsów BCI (ang. Brain- Computer Interface) [[36],[55],[87],[110]]. Obecny poziom rozwoju technik analizy i oceny danych bazujących na sygnałach EEG, biorąc pod uwagę dostępne dane nie pozwala na wykorzystanie interfejsów BCI podczas wykonywania zadań precyzyjnych. W niniejszej pracy
przedstawiono fragment badań prowadzonych nad wykorzystaniem popularnych interfejsów BCI w celu analizy zachowań aktywności mózgowej podczas prowadzenia badań z wykorzystaniem autorskiego symulatora opartego na technologii VR (Virtual Reality).
Podczas planowania prowadzenia prac badawczych z wykorzystaniem symulatorów należy mieć świadomość różnego ich przeznaczenia, dokonać przeglądu literaturowego istniejących rozwiązań symulatorów jazdy w celu poznania ich konstrukcji mechanicznych, sposobu rozwiązania interfejsu człowiek-maszyna wraz z przepływem informacji, stosowanych technik wyświetlania obrazu, czy sposobów rejestracji danych. Podczas analizy metod projekcji obrazu, należy rozważyć możliwość wystąpienia zjawiska olśnienia oraz izolowanie wpływu otoczenia na wynik badań[127]. Parametry rejestrowane podczas badań są również istotne.
Możliwość odtworzenia przebiegu trasy i zaistniałych zdarzeń dobrze koreluje z analizą popełnianych błędów. Niemniej ważne są: możliwość śledzenia zachowania kierowcy, rejestracji wybranych parametrów zachowań kierowcy, np. śledzenie ruchomości oczu, analiza pulsu, badania ankietowe, częstotliwość zbierania danych, analiza pracy sprzężenia zwrotnego pojazd-kierowca są bardzo istotne z punktu widzenia możliwości prowadzenia analiz. Należy również zwrócić uwagę na analizę porównawczą symulowanych warunków ruchu:
przebiegi tras,
możliwe scenariusze jazdy,
losowe pojawianie się przeszkód,
zmienne warunki ruchu, dzień / noc,
inne cechy
Bardzo istotna jest ocena siedziska testowanego symulatora, w której ważne są:
ocena ergonomiczna,
ograniczenia ruchomości,
zawieszenie,
pasy bezpieczeństwa,
oddawanie rzeczywistości, itp.
Najpopularniejsze rodzaje symulatorów scharakteryzowano i opisano w rozdziale 2.5 niniejszej pracy.
1.2. Przesłanki podjęcia tematu pracy
Podczas eksploatacji pojazdów w warunkach jazdy ekstremalnej, wykorzystującej maksymalne możliwości techniczne pojazdu, występuje nasilenie oddziaływania na kierowcę szybkozmiennych bodźców. Bodźce wzrokowe, drganiowe i akustyczne oddziałują łącznie, a ich amplitudy są duże, stąd ich oddziaływanie należy rozpatrywać jako szczególnie niebezpieczne ze względu na możliwość sumowania efektów ich oddziaływania. Efektem takiej ekspozycji jest wymuszenie wysokiej koncentracji kierowcy na czynności prowadzenia pojazdu, z jednoczesnym zmniejszeniem możliwości obserwacji otoczenia, co przekłada się bezpośrednio na bezpieczeństwo jazdy.
Zachodzi możliwość popełnienia błędu przez kierowcę, mającego znaczący wpływ na powstawanie większości wypadków podczas niestandardowej eksploatacji pojazdów w warunkach np. wyścigów samochodowych.
Rynek symulatorów pozwalających prowadzić mniej lub bardziej skomplikowane analizy jak wykazano w poprzednim rozdziale jest dość obszerny. Symulatory pomimo wad i zalet są najlepszym rozwiązaniem z punktu widzenia bezpieczeństwa i jego poprawy. Dostępność badań ukierunkowanych na ocenę możliwości wykorzystania technologii VR w prowadzeniu symulacji, już nie jest jeszcze przystępna w stopniu wystarczającym [[92],[119],[124]].
Biorąc pod uwagę powyższe podjęto próbę budowy autorskiego stanowiska badawczego, na którym możliwe będzie przeprowadzenie badań z wykorzystaniem technologii VR, a w efekcie końcowym udzielenie odpowiedzi na pytanie czy ta technologia VR jest odpowiednia i wystarczająca dla oceny zachowań kierowców w niestandardowych warunkach jazdy.
Dodatkowym atutem pracy, z założenia miała być próba uzyskania informacji o rejestrowanej aktywności elektrycznej mózgu podczas prowadzenia takich badań.
1.3. Teza i cel pracy
Biorąc pod uwagę opisy parametrów kilkunastu przykładowych symulatorów jazdy można wskazać lukę w omawianej dziedzinie. Na chwilę obecną narzędzia oparte na technologii VR i technice badań symulacyjnych nie są rozpowszechnione na rynku. Przegląd stanu bibliografii w tym zakresie oraz wybrane przesłanki podjęcia tematu skłoniły mnie do postawienia następującej tezy badawczej:
Badając wybrane elementy obciążenia kierowcy podczas symulacji ruchu pojazdu, można wykryć stany zagrażające bezpieczeństwu ruchu.
W celu udowodnienia postawionej tezy zbudowano lub wykorzystano następujące narzędzia badawcze:
symulator jazdy pojazdu oparty o technologię VR wraz z oprzyrządowaniem;
przetworniki sygnału EEG oraz oprogramowanie umożliwiające zapis sygnałów z przetworników umieszczonych na głowie kierowcy;
analizatory sygnału EEG w postaci aplikacji komputerowych;
mierniki pulsu umożliwiające zapis i analizę.
Wymagane uzupełnienie dowodu stanowiło zaplanowanie i przeprowadzenie eksperymentu symulacyjnego oraz przygotowanie kryteriów oceny rejestrowanych sygnałów, bazujących na zapisach wzorcowych (spoczynkowych) i zapisach rejestrowanych podczas badań.
1.4. Zakres pracy
Efektem poznawczym rozprawy doktorskiej jest poszerzenie wiedzy na temat wpływu rozproszenia uwagi kierowcy na bezpieczeństwo podczas prowadzenia pojazdu w warunkach jazdy ekstremalnej, przekraczającej standardową eksploatację. W pracy przeanalizowano dostępne na rynku symulatory badawcze, a następnie dokonano zidentyfikowania luki w obszarze badań, polegającej na braku wykorzystywania technologii typu Virtual Reality (VR) połączonej ze śledzeniem reakcji człowieka, na zaawansowanym poziomie – przez analizę fal mózgowych. W tym celu zbudowano autorskie stanowisko do badań eksperymentalnych – symulator jazdy, wykorzystujące technologię VR, która zaczyna zdobywać coraz większą popularność w rozwiązaniach symulatorów oraz rejestrację fal mózgowych podczas badań z wykorzystaniem interfejsu typu BCI. W celu oceny zachowania kierowców zastosowano technikę rejestracji przejazdów połączoną z wywiadem w postaci ankiety.
Elementem utylitarnym pracy jest opracowanie scenariusza prowadzonych badań w postaci eksperymentu symulacyjnego oraz wykonanie badań na symulatorach jazdy odpowiadających rzeczywistym warunkom jazdy podczas niestandardowej eksploatacji pojazdu. Istotnym osiągnięciem pracy może być wskazanie bodźców, które będą miały wpływ na obniżenie bezpieczeństwa podczas jazdy w warunkach ekstremalnych.
Biorąc pod uwagę specyfikę jazdy w warunkach ekstremalnych wykorzystano wykonane z udziałem autora pilotażowe badania eksperymentalne, z wykorzystaniem pojazdów rzeczywistych, w warunkach niestandardowej eksploatacji, na specjalnie przygotowanym i zabezpieczonym torze – na pasie startowym lotniska. Badania pilotażowe potwierdziły wysoki wpływ zewnętrznych bodźców wzrokowych, hałasowych i drganiowych na sposób prowadzenia pojazdu, stąd wykazały konieczność dalszego prowadzenia prac w tym kierunku.
Ze względu na bezpieczeństwo osób badanych przedstawiono w niniejszej pracy projekt badań oparty na certyfikowanym wirtualnym symulatorze jazdy odzwierciedlającym warunki jazdy rzeczywistej. W badaniach został wykorzystany standardowy i ogólnodostępny symulator jazdy Gran Turismo Real Driving Simulator. Kierowca osadzony w symulatorze, w pozycji siedzącej został obciążony warunkami jazdy ekstremalnej w postaci odcięcia zewnętrznych bodźców wzrokowych i dźwiękowych, a przeniesienia go do rzeczywistości generowanej z wykorzystaniem zaawansowanej aplikacji komputerowej. Podczas jazdy w warunkach symulowanych rejestrowane były sygnały EEG w 16 punktach pomiarowych zlokalizowanych na głowie kierowcy. Wcześniej utworzono profil badanego w postaci zarejestrowanego progu odniesienia w warunkach statycznych, przy odpowiednio sformułowanych pytaniach kontrolnych. W następnym kroku, dla przygotowanych scenariuszy badań przeprowadzono dalsze badania uwzgledniające obciążenie kierowcy bodźcami zewnętrznymi pochodzącymi z jazdy w warunkach pseudo-wirtualnych (bez wykorzystania technologii VR) oraz w warunkach całkowicie wykorzystujących technologię VR. Interpretacja odebranych sygnałów EEG uznanych za prawidłowe oraz zaburzone obciążeniem danym scenariuszem ruchu pojazdu pozwoli na określenie ilościowego i jakościowego wpływu bodźców zewnętrznych na kierowcę. Wybrane zapisy sygnałów skonsultowano medycznie z lekarzem specjalistą w zakresie oceny sygnałów EEG.
Dodatkowym osiągnięciem pracy jest stworzenie bazy danych zawierającej obrazy zapisu EEG charakteryzujące występujące zachowania. W celu ułatwienia analizy zarejestrowanych sygnałów EEG i diagnozy medycznej, dodatkowo zapisywano wartości pulsu towarzyszące zaburzeniom sygnału. Baza danych może być wykorzystana do prowadzenia dalszych analiz.
2. Człowiek w środowisku transportowym
Człowiek i środowisko transportowe są nierozłącznie powiązane występowaniem oddziaływań, bodźców, sygnałów sterujących, zakłóceń i sprzężeń zwrotnych. Typowymi oddziaływaniami zewnętrznymi docierającymi do człowieka są oświetlenie, mikroklimat, hałas i drgania mechaniczne, towarzyszące eksploatacji środków transportu [[12],[15],[21],[22], [29],[32],[26],[34],[35],[57],[67],[95],[100],[101],[135]]. Wszystkie czynniki wpływają bezpośrednio na możliwość wykonywania czynności bezpiecznego prowadzenia pojazdu mechanicznego, wprowadzając zakłócenia w postrzeganiu, trudności w interpretacji sygnałów, lub wydłużenie czasu reakcji kierowcy, co przekłada się na bezpieczeństwo ruchu.
Niektóre z wymienionych czynników np. przenoszone na człowieka przez siedzisko drgania ogólne powodują powstawanie zaburzeń czynności wielu narządów i mózgu, przekładające się na sprawność wykonywania określonych czynności. Ma to związek z realizacją wyuczonych, powtarzalnych procesów pamięciowych, obniżeniem sprawności wykonywania ruchów, czy zdolności odbierania bodźców wizualnych. Długotrwała ekspozycja na czynniki fizyczne powodowane transportem prowadzi do występowania stanów zmęczenia, potęgując niebezpieczne zjawisko monotonii. Dłuższa ekspozycja na drgania powoduje niekorzystne zmiany w funkcjonowaniu kory mózgowej, a ekspozycja na drgania o dużych amplitudach i częstotliwościach odpowiadających drganiom własnych narządów wewnętrznych człowieka, powoduje powstawanie objawów funkcjonalnych [[96],[98]].
Hałas w środkach transportu wpływa na narząd słuchu oraz niebezpośrednio na układ nerwowy, powodując reakcje w postaci zmiany rytmu oddychania, wzrostu ciśnienia tętniczego krwi, itp. [[4],[26],[29],[96]]. Należy zauważyć, że wpływ drgań i hałasu występujących łącznie maja jakościowo inny wpływ na psychikę człowieka, niż występowanie tych oddziaływań pojedynczo.
Odrębnym czynnikiem jest oświetlenie, którego prawidłowe zaprojektowanie na zewnątrz pojazdu i w kabinie sterowniczej stanowi bardzo ważne zagadnienie. Należy zwrócić również uwagę na występowanie niebezpiecznego zjawiska olśnienia.
Wymienione czynniki wpływają bezpośrednio na możliwość bezpiecznego wykonywania czynności prowadzenia pojazdów, stąd badania związane z zastosowaniem metod symulacyjnych nad reakcją człowieka wydają się być niezastąpione. W kolejnych podrozdziałach opisano reakcję człowieka na występowanie bodźców zewnętrznych, możliwość wykorzystania symulatorów podczas badań, oceniono potencjał wykorzystania
sygnałów EEG do oceny zachowania kierowcy oraz możliwość wykorzystania sygnałów pochodzących interfejsów BCI opartych na sygnale EEG.
2.1. Układ człowiek-maszyna
Układ człowiek-maszyna jest przedmiotem wielu publikacji naukowych. Model techniczny współdziałania podsystemów tego układu opisał Leonard Hempel ze szczególnym uwzględnieniem współdziałania systemu człowiek-obiekt techniczny-maszyna, celów badań takich systemów człowiek-obiekt techniczny oraz opisu morfologicznego samego człowieka jako podsystemu w tum układzie [39]. Wskazał, iż ,,wydaje się, że obecnie jedynie cybernetyka może dostarczyć narzędzi do zbudowania adekwatnego modelu systemu człowiek–obiekt techniczny“, ale należy zauważyć że systemy takie są przedmiotem badań interdyscyplinarnych.
Omawiane systemy autonomiczne posiadają zdolność sterowania oraz zdolność przeciwdziałania utracie sterowania, dzięki podsystemom zapewniających styczność z otoczeniem oraz podsystemom stanowiącym organy wewnętrzne systemu[39]. Za styczność z otoczeniem odpowiadają w systemie autonomicznym podsystemy wejściowe i wyjściowe, którymi są receptory, alimentatory (organy do pobierania energii z otoczenia) oraz efektory.
Efektory są organami służącymi do odziaływania na otoczenie, natomiast receptory są organami do pobierania informacji z otoczenia (eksterocepotry) lub informacji o stanie samego systemu (interoceptory). Elementami wewnętrznymi systemu autonomiczngo są korelator (organ do przetwarzania i przechowywania informacji), akumulator (organ do przetwarzania i przechowywania energii) i homeostat (stabilizator do przeciwdziałania przepływowi informacji i energii zmniejszającym możliwość działania systemu na otoczenie)[39].
Zgodnie z teorią budowy modeli systemów człowieka można uważać za system autonomiczny ponieważ ma umiejętność sterowania swoim działaniem, odruchowo przeciwdziała utracie zdolności sterowania, utrzymuje się w równowadze funkcjonalnej i dąży do osiągnięcia homeostazy, z uwzględnieniem zmian zachodzących w otoczeniu, posiada instynkt samozachowawczy i funkcjonuje w celu spełnienia własnych potrzeb. Ponadto ciągle prowadzi interakcję z otoczeniem, przechowuje energię i informacje. Dodatkowo człowiek wykorzystuje liczne receptory wyspecjalizowane w odbiorze wrażeń wzrokowych, słuchowych, równowagi, dotykowych, smakowych, węchowych, bólowych, zmian mikroklimatu. Wiele z nich występuje w skórze, tkance podskórnej, mięśniach (kinestetyczne),
narządach wewnętrznych, stawach i ścięgnach. Wyjątkowo ważnymi elementami podsystemu człowiek-maszyna są mózg człowieka oraz narządy zmysłu wzroku i słuchu.
Biorąc pod uwagę powyższe, modelowanie systemu współdziałania człowiek-maszyna należy uznać za bardzo trudne. Dlatego największy udział w badaniach tego układu mają badania wykorzystujące metody eksperymentu badawczego połączonego z symulacją. Daje to duże pole do budowy skomplikowanych stanowisk symulatorów jazdy wykorzystujących symulację warunków ruchu maszyn, z udziałem „żywego człowieka” jako elementu omawianego systemu autonomicznego. W niniejszej pracy podjęto próbę udzielenia odpowiedzi na pytanie czy symulowanie warunków ruchu w oparciu o technikę Virtual Reality może mieć przyszłość – wykorzystanie jako zaawansowanej metody do oceny reakcji człowieka w warunkach bardzo zbliżonych do rzeczywistych.
2.2. Reakcja człowieka na bodźce zewnętrzne
W trakcie ekspozycji człowieka na bodźce zewnętrzne dochodzi do przekazywania energii bodźca z obszarów ciała człowieka (narządów zmysłów) znajdujących się w bezpośrednim kontakcie z otoczeniem do receptorów dedykowanych do rozpoznawania określonych zmian. Narządy zmysłów są anatomicznie i fizjologicznie powiązane z układem nerwowym dzięki jednostkom czucia tzw. receptorom, które połączone są z włóknami nerwowymi[[107],[120],[134]]. Receptory cechuje swoistość określająca specjalizacje danego receptora w rozpoznawaniu bodźców zewnętrznych oraz adaptacja określająca czas reakcji na przyrostowe zmiany bodźca zewnętrznego[123]. Ze względu na swoistość rozróżnia się receptory wzroku, słuchu, nacisku, wibracji, a ze względu na adaptację receptory szybko i wolno adaptujące[[145],[155]]. Bodziec zewnętrzny przekraczający wartość progową, powoduje migrację jonów np. kationów sodowych przez błonę komórkową receptora, co z kolei powoduje pojawienie się impulsu nerwowego, przekazywanego przez włókna nerwowe do ośrodkowego układu nerwowego i kory mózgowej człowieka[130]. Schemat przepływu informacji przy rozpoznawaniu bodźca zewnętrznego przez organizm ludzki pokazano na rysunku 1.
Rys. 1 Obieg informacji – reakcja na bodziec zewnętrzny[96]
Prawo Webera-Fechnera określa relacje pomiędzy przyrostem bodźca (B) przekraczającego wartość progowa a wrażeniem (W)[96].
(1)
W przypadku bodźca wibracyjnego, przy dostarczaniu do organizmu ludzkiego energii drganiowej pobudzającej mechanoreceptory (A) i przenoszonej przez aparat mięśniowo- szkieletowy człowieka do organów wewnętrznych pobudzającej mechanoreceptory (B), informacja o wystąpieniu bodźca przekazywana jest do centralnego systemu nerwowego.
Schemat reakcji człowieka opracowany przez Frołowa (1975) pokazano na rysunku 2[96].
Rys. 2 Schemat reakcji człowieka na bodziec wibracyjny
Podczas wykrywania drgań wykorzystywane są mechanoreceptory. Są one receptorami odpowiedzialnymi za odbiór bodźców mechanicznych takich jak dotyk, wibracje, ściskanie, rozciąganie, uderzenie. Sygnał w postaci impulsu elektrycznego pochodzącego od receptora, wędruje dalej jako impuls nerwowy w neuronie czuciowym i jest odbierany i przekazywany do ośrodkowego układu nerwowego (przez nerwy czuciowe do rdzenia kręgowego).
Podział mechanoreceptorów obejmuje:
skórne występujące w skórze i tkance podskórnej, np. Płytki Merkela,
proprioreceptory występujące w mięśniach, ścięgnach, np. Golgi-Mazzoniego w torebkach stawowych,
interoreceptory występujące w uchu wewnętrznym i narządach wewnętrznych.
Informacja o występowaniu bodźca często występuje w mózgu człowieka dłużej niż czas działania bodźca. Część bodźców przy przekroczeniu nawet niewielkich progów, jak np.
wibracje, czy hałas mogą powodować szkodliwe skutki funkcjonalne opisane w pracy [[95],[99]]. Dlatego występowanie bodźców mogących powodować takie skutki przekłada się na bezpieczeństwo poruszania się, zwłaszcza w przypadku jazdy niestandardowej, z wysokimi szybkościami na granicy ryzyka wystąpienia sytuacji uznawanej za niebezpieczną. W ramach prowadzonych prac zbudowano symulator pozwalający na odcięcie niepożądanych bodźców wzrokowych i słuchowych, skupiając się jedynie na właściwej akcji wynikającej z występujących sytuacji drogowych.
2.3. Bezpieczeństwo ruchu w transporcie
Próbę opisu rozwiązania problemu bezpieczeństwa w ruchu drogowym przedstawił J.Wicher[133]. Zauważył że wyścigi samochodowe organizowane w ubiegłym wieku wykazywały iż postęp w budowie samochodów wyprzedzał stan techniczny dróg i organizację ruchu drogowego. Było to motorem napędowym dla normowania zasad ruchu drogowego i przepisów. Wtedy zaczęły się pojawiać informacje o obowiązujących warunkach jazdy na danym odcinku drogi. W 1826 roku można było przeczytać w prasie [140]: ,, w zamiarze zapobieżenia wypadkom drogowym z szybkiej i nieostrożnej jazdy pochodzącym, przypomina Urząd Municypalny miasta stołecznego Warszawy mieszkańcom Warszawy, że nikomu, czy to konno, wozem, pojazdem lub sankami nie wolno jest przez miasto w cwał czy galop, ani też zbyt prędko jechać.“
Obowiązujący obecnie zbiór przepisów nazywany kodeksem drogowym opiera się na ustawie ,,Prawo o ruch drogowym“. W Polskim kodeksie drogowym obowiązują 42 znaki ostrzegawcze ( żółte trójkąty ), 46 znaków zakazu (czerwone koła), 20 znaków nakazu (niebieskie koła), tablice informujące o kierunku i nazwie miejscowości (zielone, niebieskie i białe prostokątne tablice), znaki uzupełniające ( niebieskie i żółte prostokątne tablice) oraz tabliczki uzupełniające do znaków [133]. Dodatkowo wymieniony zbiór znaków jest rozszerzony o znaki regulujące ruch w związku z przecinaniem się dróg z przejazdami kolejowymi, czy szlakami rowerowymi, znakami dla kierujących tramwajami, pojazdami wojskowymi, znakami poziomymi namalowanymi bezpośrednio na jezdni. Nadrzędną rolę pełnią sygnały wydawane przez sygnalizację świetlną oraz służby mundurowe.
Jak łatwo zauważyć ilość znaków i przepisów jest rozbudowana, co wynika z rozwoju motoryzacji, a ma na celu podniesienie poziomu bezpieczeństwa ruchu drogowego[139].
Pomimo tak rozbudowanego systemu sterowania, analiza danych statystycznych o wypadkach drogowych pokazuje jakie skutki niesie rozwój motoryzacji. Należy zauważyć, że największe koncerny samochodowe przeznaczają ogromne środki na badania nad bezpieczeństwem ruchu samochodu. Zbiór metod przeciwdziałania zagrożeniom jest częścią nauki o bezpieczeństwie.
Jak opisano w rozdziale 2.1 działalność człowieka jest połączona z korzystaniem z urządzeń technicznych, a ich wzajemne oddziaływania powodują, że należy analizować jednocześnie cały system człowiek-maszyna, dla którego analizowane są elementy bezpieczeństwa. J.
Wicher wskazał, że „bezpieczeństwo dotyczy metodologicznej i systematycznej analizy ryzyka w systemie człowiek-technika-środowisko prowadzonej w celu eliminacji, sterowania lub obniżenia – do żądanego poziomu – częstości występowania zdarzeń niepożądanych”. Warunki w których powstaje możliwość powstania wypadku, uszkodzenia samochodu nazywane są hazardem, dla którego ryzyko jest rozumiane jako jego ilościowa miara. Ryzyko można więc zdefiniować jako prawdopodobieństwo wystąpienia skutków hazardu. W badaniach i teorii bezpieczeństwa występuje też pojęcie niebezpieczeństwa, które z założenia dotyczy warunków wystąpienia skutków takich jak w hazardzie, ale występujące niezależnie od człowieka [133].
Biorąc pod uwagę powyższe należy uznać za wysoce uzasadnione prowadzenie badań symulacyjnych, lub z wykorzystaniem symulatorów, w których warunki ruchu uznawane za niebezpieczne będą odzwierciedlane dla człowieka bez jego narażenia. W niniejszej pracy podjęto tematykę budowy autorskiego stanowiska do badań symulacyjnych, które wykorzystuje połączenie dwóch rzadko kojarzonych metod: VR i analizy sygnałów EEG.
2.4. Metody oceny skutków ekspozycji
Metody oceny skutków ekspozycji na czynniki zewnętrzne występujące w środowisku transportowym i ocena ich wpływu jest przedmiotem wielu prac naukowo-badawczych. Należy tu wymienić prace nad oddziaływania drgań i hałasu na człowieka [99],[29],[57]], jak również prace nad oceną wpływu na otoczenie [[12],[26],[35]], prace nt. monotonii[[32],[65],[66]], czy prace nad oddziaływaniem elementów otoczenia na kierowcę środka transportu [[11], [20],[43],[56],[70],[80],[117]].
Ekspozycja na drgania poruszana w wielu pracach opiera się na ocenie skutków bazującej na ocenie poziomów drgań. W pomiarach wykorzystuje się wartość skuteczną przyspieszenia drgań, ważoną filtrami korekcyjnymi odpowiedni Wd – dla drgań poziomych i Wk – dla drgań pionowych. Innym parametrem jest dozymetryczna dawka drgań, obliczana jest z dawki drgań zaabsorbowanej podczas analizowanego czasu ekspozycji, dla każdego kierunku oddziaływania drgań. Kolejnym parametrem jest energetyczna dawka drgań wyznaczana również na podstawie wartości ważonych przyspieszenia drgań[108]. W celu przeprowadzenia oceny szczegółowej prowadzi się ocenę widma drgań. Komfort jazdy ocenia się z wykorzystaniem analizy widmowej wg ISO 2631, jak również metodą ważoną wg PN 91/S- 04100., przy czym norma ISO 2631-1:1997 określa poziomy komfortu w sześciostopniowej skali, w zależności od wartości całkowitej ważonej wartości przyspieszenia drgań[48]:
<0,315 - komfortowo,
0,315-0,63 - nieznacznie niekomfortowo,
0,5-1 - dość niekomfortowo,
0,8-1,6 - niekomfortowo,
1,25-2,5 - bardzo niekomfortowo,
2< - ekstremalnie niekomfortowo.
Odpowiednie badania z udziałem autora z wykorzystaniem oceny bazującej na ocenie wartości skutecznej oraz dawki drgań przedstawiono w rozdziale 3.
Oceny oddziaływania hałasu dokonywane są na podstawie analizy poziomu ciśnienia akustycznego, równoważnego poziomu dźwięku z filtrem korekcyjnym A, mierzonego dla poziomów mniejszych niż 155 dB, poziomu ekspozycji na hałas odniesiony do 8-godzinnego dnia pracy, lub tygodnia pracy[[96],[68]].
Biorąc pod uwagę powyższe oraz fakt bezpośredniego wpływu wymienionych czynników na człowieka, przez powstawanie negatywnych skutków funkcjonalnych, niezbędne
jest łączne analizowanie występowania bodźców i reakcji człowieka na odbiór wizualnych sygnałów zewnętrznych. Autorski symulator przedstawiony w niniejszej pracy uwzględnia
„odcięcie” niepożądanych bodźców zewnętrznych, np. pochodzących z dźwięków otoczenia, czy obrazu otoczenia sugerującego znajdowanie się badanego w izolowanym i sztucznym środowisku (np. widok ściany obok)[97]. Pozwala jednocześnie na przesyłanie tylko informacji związanych z rzeczywistością wirtualną – przez użycie gogli VR i słuchawek.
2.5. Wykorzystanie symulatorów podczas badań
Liczne ośrodki naukowo-badawcze w tym ośrodki krajowe dysponują symulatorami badawczymi pozwalającymi na analizę zachowań kierowców podczas sytuacji drogowych [[25],[84],[85],[86],[81],[74],[106],[115],[162]]. Zwykle takie symulatory budowane są w użyciem z użyciem siłowników oddziaływujących na kabinę pojazdu rzeczywistego lub jej fragment, oprogramowaniem sterującym, różnej klasy systemem wizualizacji rzeczywistości wirtualnej przez projektory lub monitory komputerowe i system nagłośnienia oraz oprogramowanie generującym różne scenariusze rzeczywistości wirtualnej.
2.5.1. Rodzaje symulatorów
Symulator Instytutu Transportu Samochodowego (ITS) jest pierwszym w Polsce symulatorem jazdy samochodu osobowego wysokiej klasy (AS1200-6)[[69],[102],[141]].
Jazda tym symulatorem stwarza wrażenie uczestnictwa kierowcy w realnym ruchu drogowym, ponieważ symulator wykorzystuje pełnowymiarową kabinę pojazdu marki Opel Astra IV.
Symulator wyposażony jest w układu prezentacji obrazu o wysokiej rozdzielczości (cylindryczny ekran oraz zestaw projektorów sterowanych przez system komputerowy o polu widzenia 200 stopni), układ generowania bodźców mechanicznych (układ ruchu o sześciu stopniach swobody) przyłożonych bezpośrednio do kabiny samochodu i fotela kierowcy oraz układ generowania efektów dźwiękowych przez wielokanałowy system nagłośnienia kabiny.
Podczas badania kierowca nie widzi krawędzi ekranu, lecz przesuwającą się̨ w funkcji prędkości scenerię otoczenia wygenerowaną przez komputer. Rozbudowane oprogramowanie symulatora daje możliwoścí generowania nieskończenie wielu scenariuszy badań. Pozwala on między innymi na prowadzenie badań w zakresie wpływu różnych czynników związanych z kierowcą, infrastrukturą, czy pojazdem na bezpieczeństwo ruchu.
Ten sam ośrodek naukowo-badawczy dysponuje symulatorem samochodu ciężarowego i autobusu AS-1300, który został wyprodukowany przez norweską firmę̨ AutoSim[141].
Symulator jest wysokiej klasy urządzeniem przeznaczonym do badania kierowców w zakresie wpływu różnego rodzaju dysfunkcji na zdolność́ prowadzenia pojazdów, znajdując zastosowanie w doskonaleniu umiejętności jazdy w trudnych warunkach. Również może służyć kreowaniu modeli kierujących pojazdami i rekonstrukcji wypadków drogowych. W trakcie prowadzenia badań symulacyjnych powstaje wrażenie realizmu powodowane rzeczywistą kabiną pojazdu marki Scania, wyposażoną w układ prezentacji obrazu o wysokiej rozdzielczości, poddawaną bodźcom mechanicznym z użyciem siłowników i efektom dźwiękowym.
Rys. 3 Widok trasy podczas jazdy w symulatorze AS-1600 Źródło: autosim.no [141]
Rys. 4 Widok kabiny kierowcy w symulatorze AS-1600 Źródło: autosim.no [141]
Symulator auto PW-T to zbudowane na Politechnice Warszawskiej prototypowe stanowisko do badań reakcji kierowców [[24],[37],[85]]. Pozwala on na ocenę reakcji kierowców w formie analogicznej do testów wykonywanych przez psychologów transportu, w warunkach osadzenia kierowcy w naturalnych warunkach pracy - podczas jazdy samochodem.
W symulatorze występuje identyfikacja położenia pedału przyśpieszenia z wyświetlanym na monitorze prędkościomierzem, co umożliwia badanie kierowcy w sytuacji np. konieczności utrzymywania zadanej prędkości jazdy. Możliwa jest również ocena innych parametrów pozwalających na ocenę zachowania kierowcy np. czas narastania siły na pedale hamulca, czy wartość tej siły, jak również umożliwia generowanie i wykonywanie indywidualnych metod oraz procedur badawczych. Badania z wykorzystaniem symulatora mogą mieć bardzo duże znaczenie w przypadku rekonstrukcji wypadków drogowych oraz ocenie zachowań z zakresu psychologii transportu.
Symulator ETC-PZL ułatwiają doskonalenie praktycznych umiejętności prowadzenia samochodów osobowych, ciężarowych i autobusów zróżnicowanych warunkach drogowych.
Na rysunku 5 przedstawiono widok z kabiny kierowcy symulatora.
Rys. 5 Widok trasy podczas jazdy w symulatorze ETC-PZL Aerospace Industries Źródło: www.ai.com.pl [142]
Mogą być wykorzystywane w zdobywaniu doświadczenia przez kierowców w przypadku awarii różnych systemów pojazdu oraz ćwiczeniu odpowiednich nawyków w sytuacjach niebezpiecznych w ruchu drogowym.
Symulator prezentowany przez firmę Red Bull jest hybrydowym rozwiązaniem bazującym na intencjach austriackiej spółki AVL koncepcie VTT (Virtual Test Track)[[97],[144]]. Ten symulator umożliwia testowanie kompletnego bolidu z wykorzystaniem siłowników (umożliwiono również obroty). W tym przypadku kierowca siedzi w klasycznym symulatorze, gdy bolid jest umieszczony na specjalnym stanowisku w sąsiednim pomieszczeniu. Z wykorzystaniem tego symulatora można testować opony, silnik i skrzynię biegów połączoną z podwoziem bolidu przy uwzględnieniu wpływu czynników zewnętrznych.
Osobną klasę symulatorów stanowią rozwiązania nieprofesjonalne, produkowane przez firmy znane na rynku gier komputerowych, w których występują interakcje pomiędzy człowiekiem a maszyną oparte o interfejsy zbierające informacje wykorzystywane jako sygnały sterujące oraz reagujące na zmianę parametrów wejściowych. Ta grupa symulatorów różni się między sobą stopniem szczegółowości detali, odwzorowaniem kabiny kierowcy, liczbą scenariuszy, sposobem interakcji maszyny z człowiekiem itp.
City Drive Simulator pozwala na symulację jazdy w ruchu miejskim, z udziałem innych
w odniesieniu do konkurencyjnych symulatorów komputerowych. Wykorzystanie tego rozwiązania pozwala na śledzenie reakcji kierowcy na występujące zdarzenia drogowe, np.
zmiana koloru świateł, czy zatrzymanie przed przejściem dla pieszych. Głównej uwadze poddawane jest w tym przypadku bezpieczeństwo ruchu w trakcie jazdy w obszarze zurbanizowanym oraz reakcje kierowcy na występujące losowo zdarzenia drogowe.
Euro Truck Simulator pozwala na symulację prowadzeniem zestawu drogowego w postaci ciągnika siodłowego z naczepą [149] Symulator należy do grupy statycznych, z wolnozmiennym scenariuszem i może być wykorzystywany jako pomoc podczas nauki jazdy zestawem drogowym. Uwzględniono w nim znajomość certyfikacji ADR, przepisów przewozowych w Unii Europejskiej, kontrole policji oraz Inspekcji Transportu Drogowego.
Niestety w tym przypadku również nie ma możliwości wykorzystania techniki VR.
Dalej prezentowane rozwiązania dotyczą grupy symulatorów wykorzystywanych do symulacji jazdy w niestandardowych warunkach, po torze ze zwiększoną szybkością. Na rynku występują rozwiązania w postaci gier komputerowych o mniejszych lub większych możliwościach oraz różnych poziomach odwzorowania detali. Większość z prezentowanych rozwiązań nie umożliwia pełnej interakcji z użytkownikiem.
Symulator Forza Motorpsort 1-7 produkowany jest w kooperacji firm Microsoft i Turn10 Studios [150]. Symulator dysponuje możliwością dopasowania poziomu realizmu reprodukcji obrazu, z uwzględnieniem zgody od producentów na większe zniszczenia optyczne towarzyszące poważnym zdarzeniom drogowym. Ten pakiet komputerowy również nie umożliwia jazdy z wykorzystaniem technologii VR i również nie ma możliwości odczuwania poziomu nierówności podczas jazdy na kierownicy.
Symulator komputerowy Asseto Corsa daje możliwość wykorzystania technologii VR z wykorzystaniem okularów [143]. W tym symulatorze wykorzystywane są okulary typu Oculus lub VR Sony. Należy zauważyć, że ilość bodźców działająca na człowieka w świecie wirtualnym, z wykorzystaniem odcięcia bodźców wzrokowych ze świata rzeczywistego, jest zbliżona do tych występujących w warunkach rzeczywistego prowadzenia pojazdu. Niestety ten symulator również nie ma możliwości odczuwania nierówności na drodze, jak ma to miejsce w przypadku konkurencyjnych rozwiązań np. gry komputerowej Gran Turismo VR[151].
Symulator komputerowy Project Cars 1&2 jest realistyczny w sensie reprodukcji szczegółów [157]. Niestety nie posiada funkcjonalności wykorzystania jako prezentacji obrazu wyświetlanego w systemie VR (ang. Virtual Reality) oraz niestety nie ma sprzężenia zwrotnego umożliwiającego odczuwanie nierówności toru podczas jazdy na kierownicy. Jako kierownica wykorzystywany jest manipulator GT-T firmy Logitech. Odrębną sprawę stanowi
przedstawiany realizm realizowanego scenariusza. W przypadku zaistnienia zdarzenia drogowego optyczne zniszczenia pojazdu są zależne od licencji, którą udostępniają producenci samochodów. W tym przypadku do takiego trybu postępowania należy się odnieść krytycznie.
Tę niedogodność rekompensuje zmiana parametrów pojazdu po kolizji.
Symulator McLaren-Vesaro wyposażono w projekcję z wykorzystaniem trzech monitorów w celu umożliwienia obserwacji widoku bocznego z kabiny kierowcy [158].
Pomimo braku wykorzystania technologii VR producent zastosował fotel wymuszany działaniem siłowników, dzięki którym kierujący odczuwać może hamowanie i przyśpieszanie pojazdu. Przykładowy symulator siłownikowy pokazano na rysunku 6.
Rys. 6 Symulator siłownikowy LG
Takie rozwiązanie umożliwia również wykorzystanie techniki projekcji obrazu na dużym ekranie umieszczonym przed sterowanym siłownikowo pojazdem.
Należy mieć świadomość, że wymienione symulatory stanowią jedynie namiastkę rozwiązań stosowanych przez liczną grupę producentów symulatorów i nie sposób byłoby je tu wszystkie wymienić. Przegląd różnych rozwiązań konstrukcyjnych wykazał jednoznacznie braki w wykorzystaniu techniki VR w badaniach profesjonalnych, stąd zrodziła się idea budowy symulatora prezentowanego w niniejszej pracy.
2.5.2. Ocena możliwości wykorzystania symulatora w badaniach
Symulatory jazdy stwarzają olbrzymie możliwości w zakresie dydaktyki, polegającej na kształceniu kierowców z jednoczesną minimalizacją ryzyka występowania sytuacji niebezpiecznych. Wykorzystanie symulatorów w zakresie kształcenia kierowców, a szczególnie wyrabiania odpowiednich nawyków w sytuacjach niebezpiecznych gra pierwszoplanową rolę w ich wykorzystaniu. Dodatkowy aspekt tej sprawy stanowi nauka ekonomicznej jazdy, co nie jest bez znaczenia w przypadku symulatorów pojazdów ciężarowych. Elementem, który należy tu przedyskutować jest realizm odbieranych wrażeń dźwiękowych i drganiowych, realizowanych przez zespoły siłowników sterowanych przez jednostkę centralną.
Dodatkowym aspektem są badania złożone nad psychologią zachowań kierowców.
Ośrodek krajowy – ITS, prowadzi badania nad wpływem zakłóceń czynności bezpiecznego prowadzenia pojazdów[69]. W celu identyfikacji efektów w postaci wpływu na możliwość bezpiecznego wykonywania czynności prowadzenia pojazdu prowadzi się badania z udziałem impulsów zakłócających zewnętrznych, powodowanych przez wykonywanie innych zadań w trakcie prowadzenia pojazdu. W pracy [70] przedstawiono wyniki badania pilotażowego, w którym wprowadzono dodatkowe zadania przekładające się na psychiczne obciążenie kierowcy, wynikające z obciążenia poznawczego, kompletnie niezwiązanego z prowadzeniem pojazdu. Podczas eksperymentu obserwowano jakość prowadzenia pojazdu. Ten element wykorzystania symulatorów ma wysokie walory poznawcze i w obecnych czasach nagminnego korzystania ze smartfonów podczas jazdy, wprowadza nową jakość w dziedzinie wiedzy na temat wpływu takich zachowań na bezpieczeństwo użytkowników ruchu.
Inny element badań stanowią szczegółowe analizy zachowań kierowców prowadzone przez zespoły badawcze, np. Politechniki Warszawskiej na symulatorze Auto PW-T[24]. W pracach tego zespołu prowadzi się badania nad reakcją kierowców. Dotyczą one oceny czasu reakcji kierowcy przy naciśnięciu na pedał hamulca, jak również brany jest pod uwagę sygnał z koła kierownicy. Analizuje się intensywność reakcji w postaci czasu i szybkości narastania impulsu czy siłę nacisku na pedał hamulca. Takie badania są szczególnie istotne w przypadku oceny zagadnień związanych z rekonstrukcją wypadków.
Wymienione wyżej trzy aspekty związane z prowadzeniem badań na symulatorach występują w większości dostępnych na rynku praktycznych realizacji symulatorów zamiennie.
Stąd też wyznaczono potrzebę wprowadzenia takiego elementu w symulatorze, który pozwoli na jednocześnie pełnienie funkcji dydaktycznej, przy doskonaleniu jazdy i uczeniu reakcji na
zdarzenia drogowe, rejestrację sygnałów mówiących bezpośrednio o reakcji człowieka na zaistniałą sytuację, oraz mierzeniu parametrów pozwalających w łatwy sposób ocenić przebieg tej reakcji. W tym celu podjęto badania nad autorskim rozwiązaniem wykorzystującym technikę VR w połączeniu z bezpośrednim badaniem aktywności mózgu. W kolejnym rozdziale opisano możliwość zmierzenia i wykorzystania sygnałów elektrycznych występujących na powierzchni głowy człowieka.
2.6. Wykorzystanie sygnałów EEG do oceny zachowania kierowcy
Elektrografię dość szczegółowo opisał G.Pawlicki w publikacji ,,Podstawy inżynierii medycznej”[107]. Poświęcił dużą uwagę elektrycznej czynności mózgu oraz wskazał metodę pomiaru zwaną elektroencefalografią (EEG), która jest metodą badania mózgu na podstawie pomiaru jego czynności elektrycznej rejestrowanej na powierzchni (skórze) głowy [[9],[33],[44],[49][88],[89],[91],[153],[154],[163]]. Wykorzystanie analiz związanych z oceną czynności elektrycznej mózgu (Caton 1875, Beck i Cebulski 1890) nie jest tak popularne jak ocena czynności elektrycznej serca. Najważniejszym problemem jest tu mała ilość informacji na temat samego sygnału, np. ocena miejsca jego powstania i drogi na powierzchnię skóry. W kolejnych podrozdziałach opisano skrótowo możliwość wykorzystania potencjału tej metody w celu identyfikowania występowania prostych impulsów występujących podczas zmiany stanów emocjonalnych związanych z narażeniem człowieka na zagrożenie występujące w rzeczywistości wirtualnej.
2.6.1. Sygnały zewnętrzne i funkcjonowanie mózgu
Narządy zmysłów są to struktury w organizmie człowieka przystosowane do odbierania bodźców zewnętrznych, a elementy czucia (receptory) rozmieszczone są w tkankach jako wolne zakończenia lub ciałka nerwowe [[107],[123]]. Najwięcej receptorów występuje w skórze pod nazwą eksteroceptorów (narządy reagujące na zmiany). Inną grupę stanowią proprioceptory informujące o zmianach w narządach ruchu i w położeniu ciała oraz interoceptory w narządach wewnętrznych informujące o zmianach wewnętrznych. Należy tu wskazać również narząd smaku i powonienia, w którym substancje działają bezpośrednio na komórki nabłonkowe odbierające bodźce smakowe czy węchowe, narząd wzroku złożony z wielu układów pośredniczących między otoczeniem, a komórkami wrażliwymi na bodźce
(gałka oczna wraz z nerwem wzrokowym), czy narząd przedsionkowo ślimakowy. Nerw wzrokowy wychodzi z gałki ocznej, przez otwory twardówki (posiada wypustki opon mózgowych, zrastających się z twardówką) i przebiega przez oczodół do kanału wzrokowego, gdzie po wejściu do jamy czaszki nerw tworzy z nerwem drugiej strony skrzyżowanie wzrokowe.
Układ nerwowy (UN) jest układem integrującym funkcjonowanie tkanek i narządów człowieka[130]. Anatomicznie układ nerwowy można podzielić dzielimy na ośrodkowy układ nerwowy (mózgowie: mózg, pień mózgu i móżdżek oraz rdzeń kręgowy) i obwodowy układ nerwowy (nerwy czaszkowe-12 par, zwoje powiązane, nerwy rdzeniowe-31 par i struktury nerwów rdzeniowych, gałęzi, splotów i nerwów obwodowych oraz zwojów). Podział czynnościowy UN obejmuje dwie części: sprawujące kontrolę nad mięśniami oraz odpowiedzialne za doprowadzanie bodźców czuciowych (somatyczny) i kontrolę mięśni gładkich, wydzielanie gruczołów (autonomiczny - wegetatywny). Układ somatyczny w części podlega woli człowieka, a układ autonomiczny pracuje niezależnie. W układzie autonomicznym wyróżnia się część współczulną i przywspółczulną, a w układzie somatycznym czuciową i ruchową. Układ czuciowy zapewnia stały dopływ informacji ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego, przy czym przewodnictwo we włóknach nerwowych jest zawsze jednokierunkowe.
Specjalizacja danej półkuli nie oznacza, że półkule te potrafią realizować swoje funkcje samodzielnie, a wręcz przeciwnie w celu funkcjonowania zgodnego ze specjalizacją, musi zachodzić między półkulami komunikacja. Dzięki lewej półkuli możliwe jest mówienie i rozumienie, analizowanie i myślenie logiczne, wykonywanie obliczeń, rozpoznawanie przedmiotów za pomocą dotyku, czy pisanie. Dzięki prawej półkuli możliwe jest myślenie abstrakcyjne, tworzenie, bycie kreatywnym, kierowanie się intuicją, czy wyobraźnia przestrzenna [33].
Funkcje płatów mózgu można upraszczając sprowadzić dwóch kategorii procesów[[155],[161]]. Płat potyliczny odpowiada za percepcję wzrokową, a płat ciemieniowy funkcjami przestrzennymi oraz percepcję czucia, płat skroniowy odpowiada za percepcję słuchu, funkcje leksykalne i semantyczne oraz pamięć, a płat czołowy odpowiada za inicjację ruchu, planowanie ruchu oraz funkcje wykonawcze procesy poznawczych.
Biorąc pod uwagę powyższe, potencjał drzemiący w analizie aktywności mózgu jest ogromny. Stąd też w niniejszej pracy wskazano możliwość wykorzystania informacji o aktywności elektrycznej mózgu jako podstawową do wykrywania związku zjawisk
