Содержание к диссертации
Введение
1 Отечественный и зарубежный опыт разработки режимов информирования водителей и изучения процессов восприятия информации в процессе управления 15
1.1 Актуализация разработки режимов информирования водителя в рамках задач интеллектуальных транспортных систем 15
1.2 Исследования процессов восприятия информации водителем 19
1.3 Влияние окружающей среды на способность водителя воспринимать информацию 43
1.4 Индикаторы, характеризующие способность водителя воспринимать информацию 44
1.5 Психологические аспекты информирования водителей 48
1.6 Дорожные ситуации, провоцирующие аварийные ситуации и дорожно-транспортные происшествия 48
1.7 Сценарии взаимодействия между водителем и интеллектуальной транспортной системы 51
1.8 Обоснование разработки методики обоснования оптимальных режимов информирования водителя в рамках задач интеллектуальных транспортных систем 55
1.9 Структура диссертационного исследования 59
1.10 Выводы по первой главе 61
2 Разработка математической модели расчета полного времени восприятия информации 64
2.1 Разработка целевой функции диссертационного исследования 64
2.2 Вариации средств информирования и их влияние на эффективность информирования 66
2.3 Математическая модель расчета полного времени восприятия информации режимов бортового информирования 71
2.4 Поправки модели с учетом внешних факторов 77
2.5 Обоснование проведения экспериментального исследования 79
2.6 Выводы по второй главе 80
3 Экспериментальное исследование реакции водителя на современные и перспективные средства информирования, их комбинации и информационное содержание сообщений 81
3.1 Экспериментальная установка 81
3.2 План экспериментального исследования
3.2.1 Определение минимального объема выборки экспериментального исследования 86
3.2.2 Программа экспериментального исследования средства информирования «аудио-сигнализация» 88
3.2.3 Результаты экспериментов средства информирования «Аудио-сигнализатор» 92
3.2.4 Программа экспериментального исследования средства информирования «аудио-сообщение» 94
3.2.5 Результаты эксперимента средства информирования «Аудио-сообщение» 96
3.2.6 Программа экспериментального исследования средства информирования «свето-индикатор» 97
3.2.7 Результаты эксперимента средства информирования «Свето-индикатор» 100
3.2.8 Программа экспериментального исследования средства информирования «дисплей» 101
3.2.9 Результат эксперимента средства информирования «Дисплей» 102 3.2.10 Программа экспериментального исследования средства информирования «проекция на ветровое стекло» 103
3.2.11 Результаты эксперимента средства информирования «Проекция на ветровое стекло» 106
3.2.12 Программа экспериментального исследования оптимальных комбинаций средств информирования 108
3.2.13 Результаты экспериментов с комбинациями средств информирования 109
3.2.14 Результаты эксперимента по комбинациям проекция на ветровое стекло и аудио-сигнализатор в условиях управления автомобилем в городских условиях 109
3.3 Выводы по третьей главе 110
4 Методика разработки оптимальных режимов бортового информирования водителя в рамках задач интеллектуальных транспортных систем 111
4.1 Построение зависимостей эффективности информирования от вариаций средств информирования 111
4.2 Рекомендации по формированию бортовых режимов информирования водителя в рамках задач интеллектуальных транспортных систем
4.2.1 Рекомендации к выбору средства информирования 130
4.2.2 Рекомендации к информационному содержанию сообщений 132
4.2.3 Рекомендации по приоритету сообщений 134
4.2.4 Рекомендации по доводке режима информирования в процессе эксплуатации 136
4.2.5 Техническая реализация сервисов интеллектуальной транспортной системы 138 4.3 Разработка алгоритма проектирования режима бортового информирования водителя в рамках задач интеллектуальных транспортных систем 141
4.4 Выводы по четвертой главе 145
5 Общие выводы по диссертационному исследованию 146
Список использованных источников
- Индикаторы, характеризующие способность водителя воспринимать информацию
- Математическая модель расчета полного времени восприятия информации режимов бортового информирования
- Программа экспериментального исследования средства информирования «аудио-сигнализация»
- Рекомендации по приоритету сообщений
Индикаторы, характеризующие способность водителя воспринимать информацию
Основными преимуществами ИТС являются: - возможность повышения эффективности транспортной системы в условиях отсутствия возможности увеличивать площадь дорожного покрытия (при этом при проектировании новых дорог и городов совместная разработка проекта ИТС позволяет добиться максимально положительного эффекта); - возможность повышения уровня безопасности дорожного движения путем использования всех технических ресурсов как ТС, так и элементов дорожной инфраструктуры; - возможность внесения изменений и формирования культуры вождения и поведения водителя.
Например, автоматизированная система управления дорожным движением (АСУДД) является комплексной системой мониторинга и управления транспортными потоками на автодорогах и представляет собой программно-аппаратный комплекс средств измерительной и вычислительной техники, а также средств связи с территориально распределенной структурой [4]. АСУДД способна обеспечить управление транспортным потоком в рамках единой транспортной стратегии региона. Ее основными задачами являются: увеличение мобильности населения; обеспечение безопасности дорожного движения; снижение отрицательного экологического воздействия на окружающую среду; снижение транспортных затрат.
Внедрение современной АСУДД как элемента единой ИТС является важнейшей задачей и необходимой мерой в условиях современного развития транспорта в России. Однако, в силу того, что существующие системы автоматизированного управления транспортными потоками функционируют за счет использования оборудования дорожной инфраструктуры, имеют место существенные недостатки [5,6,78,9]: - невозможность оснащения всей УДС системами автоматизированного управления транспортными потоками, из-за больших затрат на оснащение всей протяженности дорог специализированными информационно коммуникационными элементами дорожной архитектуры; - отсутствие принципа индивидуального воздействия на УДД.
Так как АСУДД выполняется как единая платформа, то выход из строя одного из наиболее ответственных модулей (например, отсутствие данных от подсистемы мониторинга транспортного потока или отключение электроснабжения) может привести к неработоспособности всей системы. ИТС должна осуществлять комплексный контроль и управление дорожным движением [5]. Однако подобными системами оснащены лишь крупные города России. Большинство из них не покрывают всей территории региона и проблемных участков. Это делает несостоятельной концепцию централизованного управления дорожным движением и обеспечения безопасности, так как будет существовать множество неподконтрольных участков дорог.
Таким образом, для компенсации перечисленных недостатков целесообразно совместно использовать и бортовые сервисы ИТС, то есть чьи средства взаимодействия с водителем устанавливаются и функционируют в салоне ТС.
Данная мера может быть полезна для множества подсистем ИТС, а для некоторых является необходимой. При этом следует отметить, что существуют подсистемы ИТС, использующие только бортовое информирования, к ним преимущественно относятся системы превентивной безопасности.
Отсюда так же следует еще один немаловажный вывод о том, что эффективность сервисов ИТС зависят от эффективности взаимодействия их средств информирования с водителем, а, следовательно, существует потребность в научном обосновании процесса разработки режимов информирования водителей в рамках задач ИТС.
В первой главе будет представлен отечественный и мировой опыт разработки режимов информирования, как в рамках задач ИТС, так и в целях организации дорожного движения, будут проанализированы научные исследования в сфере изучения процессов восприятия информации человеком, в том числе в рамках задач управления ТС, факторы, оказывающие влияния на качество восприятия, а также индикаторы, характеризующие способность воспринимать информацию (Рисунок 1.2, а)). Так же будут рассмотрены потенциально опасные дорожные условия, выявленные на основании проведенных исследований (Рисунок 1.2, б)). Отдельно будет проведен анализ всевозможных сервисов, предоставляемых ИТС с целью их классификации с точки зрения приоритетности и качества информирования (Рисунок 1.2, в)). Информация, содержащаяся в блоке а) ляжет в основу пункта Обоснование разработки методики обоснования оптимальных режимов информирования водителя в рамках задач ИТС (п. 1.8). А при разработке структуры диссертационного исследования (п. 1.9), выводов по первой главе (п. 1.10), а также при разработке теоретической части (гл.2) и при непосредственно разработке методики обоснования режимов информирования (гл.4) будет использована информация, содержащаяся в блоках а), б) и в).
Математическая модель расчета полного времени восприятия информации режимов бортового информирования
Согласно 15-му международному изданию Введения в психологию [27] классическое обуславливание - это процесс научения, при котором ранее нейтральный стимул начинает ассоциироваться с другим стимулом вследствие того, что второй стимул сопровождает первый.
Сам процесс представляет собой преобразование безусловного стимула (автоматически вызывающего реакцию (безусловную), как правило, рефлекторную, без предварительного обуславливания) в условный (начинающий вызывать условную реакцию благодаря ассоциациям с безусловным стимулом).
Ассоциация между безусловным стимулом и безусловной реакцией существует в начале эксперимента, и ее не надо заучивать. Ассоциация между условным и безусловным стимулами заучивается. Она возникает путем парного предъявления условного и безусловного стимулов (может быть также заучена ассоциация между условным стимулом и условной реакцией).
Также согласно исследованиям Е.П. Кринчик и С.Л. Русановой установлено, что скорость обработки информации значимых сигналов значительно выше, чем сигналов, не имеющих подтверждения [28, 29].
Согласно Руководству по безопасности движения на автомагистралях [1] время восприятия информации является величиной непостоянной, так как в каждой дорожной ситуации присутствуют различные факторы.
В данном руководстве представлен список дорожных ситуаций с высокой вероятностью возникновения аварийных ситуаций и ДТП: а) Перекрестки и съезды на автомагистрали. В процессе проезда перекрестка водители выполняют задачи по: 1) обнаружению перекрестков; 2) определению сигналов и соответствующего пути; 3) обнаружению других ТС, пешеходов, и велосипедистов на пути следования; 4) оценке интервала времени с доступом проезда; 5) оперативному принятию решения по остановке или проезду через перекресток; 6) безопасному выполнению маневра. Таким образом, при прохождении перекрестка водителем решается комплекс трудоемких задач с точки зрения визуального поиска, оценки расстояний, времени и принятия решений, которые повышают вероятность возникновения ошибки. б) Столкновение с впередиидущим транспортным средством. Ошибками водителей, приводящими к столкновению с впередиидущим ТС, являются: 1) движение водителя на запрещающий сигнал при позднем обнаружении препятствия на пути следования (пешехода или другого ТС); 2) при прохождении перекрестка на зеленый или желтый сигналы чрезмерная осторожность водителя и последующая остановка; 3) изменение полосы движения, чтобы избежать замедления движения; 4) возникновение отвлекающих факторов, которые могут привести к неспособности обнаружить замедление или остановку ТС на пути следования (озабоченность личных проблемами водителя, сосредоточение внимания на решения задач внутри ТС, не связанных с задачами вождения, сосредоточение внимания на объекты, находящиеся на обочине, сосредоточение внимания на сигнале светофора). в) Столкновения при повороте. Столкновения при повороте в большинстве случаев происходят на перекрестках или съездах на автомагистрали по следующим причинам: 1) перцепционные ограничения; 2)блокировка обзора; 3) блокировка обзора при совершении левого или правого поворота на перекрестке; 4) ограничение визуального поиска.
Блокировка обзора может возникнуть при совершении поворота на перекрестке. Передние стойки транспортного средства, дорожные столбы, рекламные знаки и припаркованные ТС могут заслонить вид на пешехода, велосипедиста или мотоциклиста на пути следования [30,31,32,33,34].
При совершении поворота на перекрестке направо водитель может сосредоточить свое внимание только на ТС, идущие слева, и не заметить объект слева. Это особенно вероятно, если водитель не сбавляет скорость перед перекрестком.
При повороте налево ТС, выехавшее на середину перекрестка, становится препятствием для ТС на пересекаемой дороге. г) Наезд на уязвимых участников дорожного движения. Наезд на пешеходов и велосипедистов в большинстве случаев является результатом невнимательности водителя и отсутствия светоотражающих меток на одежде пешеходов и велосипедистов. Так же немалую роль оказывает невнимательность самих пешеходов и велосипедистов. К ситуациям, которые могут привести к наезду на пешехода, относятся: 1) пешеходы полагаются только на сигнал светофора и пренебрегают поиском движущихся ТС; 2) пешеходы начинают переходить дорогу на расстоянии от ТС, при котором оно заведомо не успело бы остановиться.
В среднем для восприятия информации водителем и реагирования (остановки) на нее водителю требуется 31м при скорости движения 48 км/ч. Пешеход подвержен большой опасности при наезде даже на низкой скорости в силу значительно превышающей инертности ТС. Относительно небольшие изменения в скорости могут оказывать большое влияние на тяжесть последствий. Наезд на скорости 64 км/ч имеет в 85% случаев с летальным исходом; на 48 км/ч - 45%, на 32 км/ч - 5% [30].
Программа экспериментального исследования средства информирования «аудио-сигнализация»
Помимо штатного оборудования ПФМ-МАДИ-1 в экспериментах применялись: - портативный компьютер; - камера с высоким разрешением (1280x960) и углом обзора (170); - система свето-индикации; - лазерный указатель со штативом. Исходные данные: - набор вариантов информационных сообщений, адресованных водителю ТС; - типовые транспортные ситуации с высокой вероятностью возникновения ДТП. Основные этапы эксперимента: - имитация дорожных ситуаций на n-ом количестве испытуемых с использованием различных способов информирования; - сбор психофизиологических параметров водителя, видеофиксация движений и направления взгляда; - обработка и анализ полученных данных; - выводы по эксперименту.
Симулятор ТС создан на основе реального автомобиля, который был доработан для проведения на нем экспериментов, имитирующих реальные дорожные условия. Все средства управления автомобилем и дополнительными устройствами полноценно функционируют.
Для проведения наиболее достоверного анализа используется отдельное помещение, в котором водитель полностью погружен в среду управления ТС, осуществляется звуковое 5-й канальное сопровождение. Средства управления симулятором взаимодействуют со специализированным программным обеспечением и реалистично отражают действия водителя.
Визуальная часть симулятора формируется из обзорного видео ряда и образует полноценную картину. Формирование приближенной к реальной панорамной картины осуществляется посредством выведения видео на средства отображения (экраны, мониторы) симулятора. Визуальное изображение формирует картину непосредственного ракурса движения в среде. При этом приняты во внимание все возможные варианты углов зрения водителя. Структура симулятора: - рабочее место испытуемого водителя; - рабочее место оператора. Назначение: 1) запуск и завершение сеанса работы симулятора; 2) выбор сценария; 3) управление ТС провокатора дорожных ситуаций; 4) наблюдение за действиями испытуемого как со стороны, так и «от первого лица»; 5) включение режимов «записи» действий ТС и испытуемого водителя с целью последующего «воспроизведения». В салоне симулятора установлен дисплей для следующих целей: - вывод навигационной информации с местоположением ТС с испытуемым на карте (режима GPS-навигатора); - вывод графических и звуковых сообщений, созданных оператором на сервере; - вывод информации в автоматическом режиме, от внешнего источника. ПФМ-МАДИ-1 позволяет использовать 2 способа оценки влияния информации на водителя: - визуальный анализ водителя; - анализ параметров физиологических особенностей. Качественная оценка показателей испытуемого включает определение: - мыслительной деятельности; - состояние стресса; - состояние агрессии; - состояние утомления человека; - состояние комфорта — интегральный параметр комфортности или дискомфорта в пути участника дорожного движения; - состояние эмоционального восприятия предоставляемой информации; - дополнительные параметры специфичные к техническому решению в сфере ИТС. Данные показатели снимаются посредством использования полиграфа. Комплект внешних датчиков физиологических показателей, подключаемых к беспроводному блоку регистрации физиологических показателей: - кожно-гальванической реакции (точность 2%, полоса частот 0,5-1,5 Гц) - сердечно-сосудистой деятельности (точность 10 мВ, полоса частот 0,5-2,5 Гц) - диафрагмального дыхания (точность измерения 50 мВ, полоса частот 0,05-0,3 Гц) - двигательной активности (точность измерения 50 мВ, полоса частот 0,5-2,5 Гц) Метод определения внимания водителя основанный на системе мониторинга направления взгляда водителя.
Практическая задача определения внимания водителя решается определением наплавлення взгляда. В основе используемой системы лежит оптический метод определения положения глаза с помощью инфракрасной камеры и специального программного обеспечения. Подобным способом проводились исследования Коноплянко, но с устаревшим на сегодняшний день фото-видео оборудованием. Данная система имеет большой спектр возможностей интеграции с тренажерами-имитаторами, реальными транспортными средствами и другим оборудованием благодаря записи и передаче в реальном времени данных о движении глаз и обширному набору функций анализа (например, путь сканирования, анализ саккад, последовательность фиксационных точек, области интереса, карты внимания).
Точность используемого устройства составляет: в комнатных условиях не ниже 0,1 градус; в натурных условиях - 1 градуса.
Устройство состоит из двух камер: одна для анализа положения зрачка, другая для фиксации панорамы. Специальное программное обеспечение накладывает данные о положении зрачка в виде точки на панорамную картинку. Время, в течение которого скорость перемещения точки по координатной сетке панорамы равнялось нулю, образует время фиксации. Наличие фиксации может означать концентрацию внимания на каком-либо объекте. Параметры фиксации являются основными факторами оценки внимания водителей [40,41,42,43,44,45,46,47,48].
Данные от системы мониторинга психофизиологических параметров водителя (полиграфа) и системы мониторинга направления взгляда водителя отображаются и записываются на носитель информации портативного компьютера, предназначенного для обработки получаемого цифрового видеоряда при помощи специального программного обеспечения.
Специальное программное обеспечение позволяет обрабатывать видео с помощью бегунка прокрутки, который перемещается по видео и находит нужные кадры. Дополнительно на экран выводятся время, скорость, расстояние до объекта интереса, его название и сведения о распознавании зрачка. На записанном видео отображаются точки фиксации взгляда (при их наличии) в виде красных крестиков с расширяющимися во времени кружками при концентрации внимания. Наблюдение за водителем используется: - для контроля над экспериментом оператором (удаленно), - для формирования комплексного анализа всех воздействий на водителя и исполнения им управляющих воздействий.
Рекомендации по приоритету сообщений
На основании этого делается вывод о том, что данное средство информирования целесообразно использовать в качестве средства привлечения внимания водителя и нецелесообразно для передачи значительных объемов информации. В силу того, что приемлемым временем восприятия информации и его разбросом достигается при дискретности в три сообщения, то является возможным использовать различные сигналы (максимум три) для обозначения начала трансляции сообщений с различным приоритетом. Данная выработает у водителя условные реакции, что позволит исключить вероятность отвлечения водителя на сообщения с низким приоритетом в условиях сложной дорожной обстановки, тем самым снижая вероятность возникновения аварийной ситуации, а так же позволит выработать мгновенную реакцию водителя на сообщения с высоким приоритетом (например, в сфере безопасности), тем самым повысив эффективность воздействия сервиса ИТС на водителя.
Зависимость времени восприятия от времени воспроизведения аудио-сообщения (ta) выражается следующей функцией (Формула 4.2): /т (ta) = 0,3506 х ta2 + 0,2484 X ta + 0,3146 (4.2) При этом квадрат смешанной корреляции равен R = 0.99, также с увеличением длительности аудиосообщения прослеживается увеличение разброса значений времени реакции водителя, что говорит снижении надежности реагирования водителя на более длительные аудио-сообщения (Рисунок 4.3). Физический смысл данной функции заключается в следующем: - с увеличением времени воспроизведения аудио-сообщения возрастает среднее время восприятия данной информации; - с увеличением времени воспроизведения аудио-сообщения значительно возрастает разброс значений времени восприятия; - в ходе эксперимента так же было выявлено, что средство информирования аудио-сообщение вызывает у водителя адекватную однозначную реакцию на грамотно составленное сообщение и транслируемое в нужный момент, а также не провоцирует визуальное отвлечение водителя.
На основании этого делается вывод о том, что данное средство информирования целесообразно применять для передачи значительных объемов информации, но при следующих условиях: для сообщений с высоким приоритетом (преимущественно для сообщений в области организации движения) могут применяться короткое сообщение, вызывающее условную реакцию, для сообщений с низким приоритетом (для сообщений в области сервисного обеспечения) могут применяться длинные сообщения, несущие большой объем информации. Безопасность применения данного средства информирования обеспечивается отсутствием визуального отвлечения от процесса управления транспортным средством, однако, в ущерб эффективности воздействия сервиса ИТС на водителя в силу отсутствия передачи визуальных образов. В целях привлечения внимания могут применяться короткие аудио-сообщения, вызывающие условные реакции, аналогично, как и аудио-сигнализация.
Зависимость времени восприятия от количества слогов (s) в аудио-сообщении выражается следующей функцией (Формула 4.3): fto5p(s) = 0.1522X5 -0.1378 (4.3) Квадрат смешанной корреляции для данной функции равен R2 = 0.8785. Разброс значений времени восприятия информации при этом увеличивается с увеличением количества слогов в аудио-сообщении, что видно из графика ниже (Рисунок 4.4).
Физический смысл данной функции дублирует смысл для времени трансляции аудио-сообщения, при этом количество слогов не отражает в полной мере ни длину сообщения (время сообщения может отличаться для предложений с одинаковым количеством слогов) ни количество передаваемой информации, так как слоги не несут законченной смысловой нагрузки. Таким образом, для прогнозирования эффективности средства информирования аудио-сообщения используем функцию зависимости времени восприятия сообщения от времени трансляции.
Также в ходе обработки данных была выявлена разница распределения времени реакции для различных размещений свето-индикаторов, которая для наглядности представлена ниже (Рисунок 4.5), на основании которой заключается вывод, что чем ближе средство информирования свето-индикатор к периферии от генерального направления взгляда, тем меньше его замечаемость и тем самым больше время обнаружения и больше вероятность игнорирования сообщения из-за отсутствия обращения внимания. Также в ходе экспериментального исследования было выявлено, что аналогично аудио-сигнализации средство информирования свето-индикатор имеет ограниченную дискретность сообщений.
Таким образом, средство информирования свето-индикатор применим в узком диапазоне задач, преимущественно для информирования по запросу, например для информирования о техническом состоянии узлов и агрегатов, или информирования об отсутствии или наличии ТС в мертвой зоне при намерении совершить перестроение.
Так же в ходе экспериментального исследования была выявлена разница распределений значений полного времени восприятия для средства информирования дисплей и комбинации дисплей - динамик и для наглядности представлена на рисунке ниже (Рисунок 4.6).