مهمترين روشهاي استفاده شده براي تشخيص خستگي راننده عبارتند از: روشهاي مبتني بر سيگنالهاي بيوالکتريکي و عصبي، روشهاي مبتني بر نحوه رانندگي و کنترل خودرو، روشهاي مبتني بر نظارت چهره راننده و روشهاي ترکيبي. اما مسئله تشخيص عدم تمرکز حواس راننده پيچيدهتر از تشخيص خستگي است. يک راننده ممکن است در ظاهر کاملا بيدار بوده و به جاده نگاه کند، اما تمرکز کافي بر روي رانندگي نداشته باشد. به عنوان مثال ممکن است راننده به دليل مشغله ذهني، تمرکز کافي براي رانندگي نداشته باشد. تشخيص عدم تمرکز حواس راننده مشکل است و امروزه تنها روشهاي مبتني بر نحوه رانندگي و روشهاي مبتني بر نظارت چهره راننده به صورت محدود ميتوانند عدم تمرکز حواس راننده را تخمين بزنند. روشهاي کلي تشخيص خستگي و عدم تمرکز حواس در [17, 18] بيشتر مورد بررسي قرار گرفته است.
1-1- تعريف سيستمهاي نظارت چهره راننده
همراه با توسعه صنعت خودرو در جهان، کاربرد فناوريهاي نوين در اتومبيل نيز افزايش يافته است. سيستمهاي حمل و نقل هوشمند يا به اختصار ITS، کاربرد کامپيوتر و فناوري اطلاعات و ارتباطات در شبکههاي حمل و نقل انسان و کالا است. سيستم پيشرفته دستيار راننده يکي از بخشهاي سيستم حمل و نقل هوشمند محسوب ميگردد. اين سيستمها براي بهبود کارايي خودرو و افزايش امنيت راننده و سرنشينان آن استفاده ميشوند و در مواقع بحراني، به راننده اعلام هشدار کرده يا به جاي راننده تصميم مناسب را براي کنترل و هدايت خودرو اتخاذ ميکنند.
سيستم نظارت چهره راننده، يک سيستم بلادرنگ است که بر اساس پردازش تصوير چهره راننده، وضعيت جسمي و تا حدي وضعيت روحي او را تحت نظارت قرار ميدهد. معمولا وضعيت راننده از بسته بودن پلکها، نحوه پلکزدن، خيره بودن چشمها به نقطه خاص، جهت نگاه چشم، خميازه کشيدن و حرکت سر قابل تشخيص است. اين سيستم در هنگام خوابآلودگي، خستگي و عدم توجه راننده به جاده، اعلام هشدار ميکند.
1-2- ضرورت سيستمهاي نظارت چهره راننده
يکي از مهمترين عوامل موثر در تصادفات، خصوصا در جادههاي بين شهري ، خستگي، خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس راننده است. خستگي و خوابآلودگي باعث کاهش درک و قدرت تصميمگيري راننده براي کنترل خودرو ميشود. تحقيقات نشان ميدهد معمولا به طور طبيعي، پس از يک ساعت رانندگي، راننده دچار خستگي ميشود. اما در ساعات ابتدايي بعد از ظهر، بعد از نهار و همچنين در نيمه شب، راننده در مدت زمان بسيار کمتر از يک ساعت احساس خوابآلودگي ميکند. البته علاوه بر دلايل طبيعي، مصرف الکل، مواد مخدر و داروهايي که منجر به کاهش هوشياري ميشوند نيز در خوابآلودگي راننده تاثيرگذار است [1-3]. عمده تصادفاتي که علت اصلي آن خستگي يا عدم تمرکز حواس اعلام ميشود، در جادههاي بين شهري و براي خودروهاي سنگين رخ ميدهد. اکثر اين تصادفات در حدود ساعت 6-2 يا 16-15 به وقوع ميپيوندد [2].
در کشورهاي مختلف، آمار متفاوتي در مورد تصادفاتي که به علت خستگي و عدم تمرکز حواس راننده رخ ميدهد، ارائه شده اما به طور کلي ميتوان گفت علت حدود 20% از تصادفات و 30% از تصادفات منجر به مرگ، خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس راننده است. در تصادفات تک خودرو يا تصادفات خودروهاي سنگين اين رقم تا 50% نيز گزارش شده است [1, 4-10].
کشور ايران به لحاظ امنيت ترافيکي، نه تنها در بين کشورهاي دنيا، بلکه در بين کشورهاي در حال توسعه نيز وضعيت بحراني دارد. بر اساس آمار پزشکي قانوني در سال 1386، بر اثر تصادفات رانندگي بيش از 23000 نفر کشته و 245000 نفر مجروح شده‌اند [11]. بر اساس آمار اعلام شده، خسارتهاي ناشي از تصادفات در ايران بيش از 65000 ميليارد ريال (معادل 67 ميليارد دلار) برآورد شده که حدود 4/6% توليد ناخالص ملي را تشکيل ميدهد [12]. اين در حالي است که کشور استراليا به عنوان يک کشور توسعه يافته، خسارت ناشي از تصادفات را حدود 17 ميليارد دلار و معادل 3/2% توليد ناخالص ملي اعلام کرده است [13].
با توجه به خساراتهاي جاني و مالي فراوان حاصل از خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس راننده، طراحي و توسعه سيستمهاي تشخيص خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس بسيار ضروري به نظر ميرسد. يکي از بهترين روشهاي کاربردي براي اين منظور، نظارت چهره راننده است. بر اساس مطالعات صورت گرفته، پيشبيني ميشود استفاده از سيستمهاي تشخيص خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس بتواند بين 10% تا 20% از تصادفات بکاهد [14].
1-3- چالشهاي اساسي در سيستمهاي نظارت چهره راننده
در يک سيستم نظارت چهره راننده، دو مشکل اصلي مطرح است: «چگونگي اندازهگيري خستگي» و «چگونگي اندازهگيري تمرکز». اين مشکلات به عنوان چالشهاي اصلي سيستمهاي نظارت چهره شناخته ميشود. با وجود پيشرفت علم در زمينه فيزيولوژي و روانشناسي، هنوز هيچ تعريف دقيقي از خستگي ارائه نشده است. مسلما به دليل عدم وجود تعريف دقيق خستگي، هيچ معيار قابل سنجشي نميتوان براي آن ارائه کرد [9]. با اين وجود ارتباطاتي ميان ميزان خوابآلودگي و دماي سطح بدن، مقاومت الکتريکي پوست، فعاليت و حرکت چشم، نرخ تنفس، نرخ تپش قلب و فعاليت مغزي وجود دارد [3, 9, 15, 16]. يکي از اولين و مهمترين نشانههاي خستگي در چشم ظاهر ميشود. بر اساس تحقيقات انجام شده، رابطه مستقيمي بين ميزان خستگي و درصد بسته بودن پلکها در يک مدت معين وجود دارد. به درصد بسته بودن پلکها در يک دوره زماني PERCLOS ميگويند. به همين دليل تقريبا در تمام سيستمهاي نظارت چهره راننده، پردازش ناحيه چشم و بررسي ميزان بسته بودن پلکها به عنوان اولين و مهمترين معيار در اندازهگيري خستگي استفاده ميشود.
مشکل اساسي ديگر، اندازهگيري ميزان توجه راننده به جاده است. ميزان توجه راننده را ميتوان از جهت سر و جايي که چشمها به آنجا نگاه ميکند تا حدي تخيمن زد. اما مشکل اين است که اگر جهت سر به سمت جلو و نگاه به سمت جاده باشد، لزوما راننده به جاده توجه نميکند. به عبارت ديگر نگاه کردن به جاده به معني توجه کردن به آن نيست [9].
جدا از چالشهاي اصلي سيستمهاي نظارت چهره راننده، پيادهسازي بلادرنگ سيستم بر روي سختافزارهاي معمول، کاهش خطاي سيستم در آشکارسازي چهره، کاهش خطاي رديابي چهره، افزايش کارايي روشهاي استخراج ويژگي و افزايش دقت الگوريتمهاي تشخيص خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس از ديگر مشکلات اين سيستمها محسوب ميشود.
1-4- مفاهيم خستگي، خوابآلودگي و عدمتمرکزحواس
در اين بخش مفاهيم خستگي ، خوابآلودگي و عدم تمرکز حواس از ديدگاه فيزيولوژي و روانشناسي مورد بررسي قرار ميگيرد. هر چند از لحاظ فيزيولوژي و روانشناسي مفاهيم خستگي و خوابآلودگي با هم متفاوت است، اما در اين گزارش مشابه بسياري از مقالات ارائه شده در اين زمينه، خستگي و خوابآلودگي دو مفهوم مترادف هم تلقي ميشوند. همچنين اصطلاحات مراقبت و هوشياري به يک معنا بوده و منظور حالت طبيعي و ايدهآل راننده است. در مقابل اصطلاح هوشياري و مراقبت، مفهوم کاهش هوشياري مطرح ميشود که ممکن است شامل خوابآلودگي يا عدم تمرکز و يا هر دو باشد.
1-4-1- خستگي و خوابآلودگي
هنوز يک تعريف دقيق براي خستگي و معيار کمي براي اندازهگيري آن ارائه نشده است. خستگي در سه نوع مختلف بروز ميکند: خستگي اعصاب حسي ، خستگي ماهيچهاي و خستگي ادراکي . از اين سه نوع خستگي، تنها خستگي اعصاب حسي و ماهيچهاي قابل اندازهگيري هستند و تاکنون روشي براي اندازهگيري خستگي ادراکي کشف نشده است [7, 9]. مهمترين علل خستگي و خوابآلودگي به هنگام رانندگي عبارتند از [1, 2]:
• مدت زمان طولاني کار
• جابجايي زمان خواب و رانندگي
• استفاده از مواد الکلي يا داروهايي که عدم تمرکز حواس و خوابآلودگي به همراه دارند
• رانندگي طولاني مدت
• رانندگي بدون خواب کافي (کمتر از 8 ساعت) قبل از آن
• بيماري
با وجود اين که هنوز تعريف دقيقي براي خستگي ارائه نشده، اما ارتباطاتي ميان ميزان خوابآلودگي و دماي سطح بدن، مقاومت الکتريکي پوست، فعاليت و حرکت چشم، نرخ تنفس، نرخ تپش قلب و فعاليتهاي الکتريکي مغز وجود دارد [3, 9, 15, 16]. در اين ميان، بهترين ابزار براي اندازهگيري خستگي و خوابآلودگي، بررسي فعاليتهاي الکتريکي مغز است. اما براي دريافت سيگنالهاي الکتريکي مغز بايد الکترود بر روي سر راننده نصب شود که از نظر عملي کار دشواري است.
پس از فعاليتهاي الکتريکي مغز، مهمترين نشانه خستگي در چشم ظاهر ميشود. بر اساس تحقيقات به عمل آمده، يکي از راهکارهاي تعيين ميزان هوشياري، زمان تاخير بين تحريک عصب بينايي و انجام واکنش است. اين زمان تاخير را با پارامتري به نام PVT نشان ميدهند که سرعت عمل فرد نسبت به تحريکات بينايي را بيان ميکند. از طرفي ثابت شده که رابطه بسيار نزديکي بين PVT و درصد بسته بودن پلکها در يک دوره زماني (PERCLOS) وجود دارد [8]. بنابراين رابطه بسيار نزديکي بين ميزان خستگي و درصد بسته بودن چشم برقرار است. اين معيار در تشخيص خستگي و خوابآلودگي نقش بسيار موثري دارد.
1-4-2- عدم تمرکز حواس
يکنواختي يک عمل خاص ميتواند باعث کاهش تمرکز حواس شخصي شود که آن عمل را انجام ميدهد. يکنواختي به دو دليل عمده ايجاد ميشود: عدم علاقه شخص و تکراري بودن عمل. در مورد رانندگي معمولا يکنواختي به دليل تکراري و قابل پيشبيني بودن عمل ايجاد ميشود. رانندگي طولاني مدت در جادههاي بدون پيچ و خم و با ترافيک روان تاثير منفي بر عملکرد راننده دارد. در اين گونه موارد شخص دچار خستگي نشده، ولي به دليل يکنواختي رانندگي، به تدريج تمرکز حواس وي از موضوع رانندگي خارج شده و راننده کنترل دقيقي بر روي خودرو نخواهد داشت. از ديگر علل عدم تمرکز حواس ميتوان به مشغله ذهني، صحبت کردن راننده با سرنشينان خودرو يا تلفن همراه و گوش دادن به موسيقي اشاره کرد [7, 9].
ميزان توجه راننده را ميتوان از جهت سر و جايي که چشمها به آنجا نگاه ميکند تا حدي تخيمن زد. اما مشکل اصلي اين است که اگر جهت سر به سمت جلو و نگاه به سمت جاده باشد، لزوما راننده به رانندگي توجه نميکند [9].