Wstęp badawczy dla analiz ciągów czasoprzestrzennych w badaniach symulacyjnych dla kierowców pojazdów drogowych

Transkrypt

1 MERKISZ Jerzy 1 LEWANDOWSKA Joanna 2 ORSZULAK Bartosz 3 Wstęp badawczy dla analiz ciągów czasoprzestrzennych w badaniach symulacyjnych dla kierowców pojazdów drogowych WSTĘP Jednym z najważniejszych zadań postawionych przed wieloma instytucjami związanymi z tematyką transportu drogowego i planowania przestrzennego, jest kwestia poprawy bądź utrzymania obecnego poziomu bezpieczeństwa na danym odcinku drogi. Jednym z poważniejszych zagrożeń mogących wystąpić w szybko rozwijającej się polskiej infrastrukturze drogowej może być złe dopasowanie ciągów czasoprzestrzennych, jakie mogą wystąpić w tunelach, na autostradach czy też na drogach krajowych lub gminnych. Powodem istnienia sytuacji niebezpiecznych na drogach są m.in. błędy powstałe na skutek zaburzeń stanu uwagi kierowcy. Uczucie monotonii ma wpływ na popełnianie błędów (nieświadomych działań niebezpiecznych). Wykonywanie monotonnych czynności, a za takie można uznać prowadzenie samochodu na długich odcinkach, powoduje przechodzenie mózgu ze stanu czuwania (w zakresie pasma ryzyka bezpiecznego) w stan spoczynku. W wyniku tego zjawiska spada koncentracja, zostaje spowolniona ocena zdarzeń na drodze oraz staje się ona bardziej schematyczna (oparta na wcześniejszych doświadczeniach). Typową obserwacją jest zmiana ilościowa przepływu krwi w mózgu, gdzie następuje przekierowane jej części do obszarów odpowiedzialnych za odpoczynek. Sytuacja ta poprzedza wystąpienie błędu po ok.30 sekund[2]. Z tego względu stymulacja uwagi kierowcy powinna zostać wzmożona w miejscach niebezpiecznych i na odcinkach je poprzedzających. Poziom koncentracji jest zależny od liczby bodźców zewnętrznych, jakich może dostarczać m.in.: otoczenie (inni uczestnicy ruchu, zabudowa, krajobraz), elementy infrastruktury drogowej i czynności niezwiązane bezpośrednio z prowadzeniem pojazdu. Postrzeganie całości elementów przez uczestnika ruchu odbywa się w ramach poszczególnych ciągów czasoprzestrzennych kolejnych wnętrz bezpośrednio sprzężonych, pokonywanych w określonym czasie[6]. Oceny ciągów czasoprzestrzennych, a za takie możemy uznać trasy ruchu drogowego, można dokonać za pomocą krzywej wrażeń Wejcherta. Ta metoda analizy wspomaga uporządkowanie sposobu odbioru poszczególnych wnętrz, klasyfikując je i porządkując świadome wrażenia. Obszary monotonne i jednostajne uzyskują niskie i słabe wyniki w przeciwieństwie do obszarów o złożonej i bogatej formie. W krzywej wrażeń oś poziomą stanowi skala czasowa i liniowa, a oś pionową wartość wrażeń od 1 10 (gdzie 1 oznacza wartość najniższą, a 10 najwyższą). Przedmiotowa metoda, pomimo subiektywności wrażeń i oceny przestrzeni przez rozmaitych obserwatorów, dostarcza wyników przeciętnych o wartościach odchyleń zbliżonych do krzywej rozkładu normalnego[6]. W poruszanych zagadnieniach należy jeszcze zaznaczyć, że na kompozycję przestrzeni znacząco wpływa prędkość ruchu pojazdu. Przy jeździe samochodem postrzegana jest jedynie całość formy, a nie detale ciągu czasoprzestrzennego. Te czynniki mogą więc mieć decydujące znaczenie w stymulacji koncentracji kierowcy. 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Architektury, Instytut Architektury i Planowania Przestrzennego; Poznań, ul. Nieszawska 13C. joanna.ol.lewandowska@doctorate.put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , bartosz.w.orszulak@doctorate.put.poznan.pl 831

2 Dzięki zastosowaniu nowoczesnych narzędzi symulacyjnych, takich jak na przykład symulator AS firmy AutoSim, można zamodelować wirtualne lub obecnie istniejące oraz przyszłe budowane obiekty w celu sprawdzenia ich wpływu na potencjalnych kierowców. Poprzez budowę zbyt zestandaryzowaną, monotematyczną i powtarzalną odcinków dróg możemy coraz częściej spotkać się z negatywnymi konsekwencjami takiej budowy. Najlepszym przykładem mogą być tragiczne wypadki, spowodowane: zaśnięciem za kierownicą pojazdu, notorycznym przekraczaniem prędkości, dekoncentracją kierowców spowodowaną głównie brakiem orientacji. Ma to szczególne znaczenie dla szybko budowanej i modernizowanej infrastruktury, która z jednej strony ma być bezpieczna, a z drugiej jak najtańsza. 1. PRZYKŁADY RZECZYWISTE Z OPISEM PROBLEMATYKI ZWIĄZANEJ Z DANYM MIEJSCEM Studium przypadków obejmuje miejsca narażone na liczne kolizje i wypadki drogowe, do których można zaliczyć przede wszystkim: długie, proste odcinki dróg krajowych, dróg ekspresowych czy autostrad, tunele drogowe oraz długie mosty. Przytoczone przykłady mają na celu wskazanie elementów istotnych dla bezpieczeństwa, jak również elementów infrastruktury technicznej, potencjalnie mogących wzmóc monotonię odczuwaną przez kierującego pojazdem w trakcie jazdy. Jak zostało wcześniej wspomniane najbardziej narażone na kolizje i wypadki są proste odcinki dróg powodujące monotonię. Powtarzające się rytmicznie elementy przy zwiększonej prędkości powodują zwiększone zmęczenie oczu, uczucie senności, a w konsekwencji zaśnięcie kierowcy. Do takich elementów można zaliczyć: malowanie pasów drogowych (znaki poziome), elementy pobocza słupki pikietażowe, stalowe bariery ochronne i wygrodzeniowe, znaki pionowe, fotoradary, infrastrukturę elektronicznego systemu poboru opłat viatoll, elementy oświetlenia czy ekrany akustyczne (rytmiczność jest wzmagana przez powtarzalność poszczególnych elementów ekranu, ale także poprzez sposób malowania). Istotne znaczenie mają również powtarzające się wnętrza krajobrazowe nieposiadające cech szczególnych długie odcinki dróg prowadzące przez zespoły leśne (rys. 1), pola uprawne, ciąg wsi ulicówek czy zabudowa w konurbacji. Na poczucie monotonii nierzadko nakładają się także zjawiska optyczne: miraż (fatamorgana), pozorne skracanie się odległości czy oślepianie kierowcy światłami innych użytkowników drogi lub światłem prześwitującym pomiędzy ażurowymi elementami zlokalizowanymi wzdłuż pobocza. Rys. 1. Autostrada A18 (Polska) [7] Natomiast tunel drogowy charakteryzuje jego długość, przekrój poprzeczny (liczba traktów, pasów ruchu, wysokość tunelu w świetle drogi) i przepustowość (rys. 2). Cechy te są ściśle związane z ukształtowaniem i metodami konstrukcyjnymi. Ważnym aspektem sprzyjającym monotonii poza elementami powtarzającymi się jest zjawisko tzw. widzenia tunelowego (widzenia peryferyjnego). 832

3 Jest to zaburzenie wzroku polegające na utracie ostrości widzenia w obszarze peryferyjnym (ostra jest jedynie część centralna, na której jest skupiony wzrok). Do wystąpienia tego zjawiska przyczynia się zmęczenie wzroku, które następuje już po kilku minutach jazdy w tunelu, a co w konsekwencji sprzyja kolizjom i wypadkom drogowym. Rys. 2.Tunel Vista Ridge w USA [8] Kolejnym przypadkiem, w Polsce na razie rzadko występującym, są długie mosty drogowe, takie jak np. most QindaoHaiwan (rys. 3) najdłuższy most nad wodą na świecie, mierzący 41,58 km [5]. Poza zjawiskami wcześniej opisanymi, które również mogą wystąpić w trakcie pokonywania takich konstrukcji, niebagatelne znaczenie ma także lokalizacja takich inwestycji w związku z czynnikami krajobrazowymi (także z punktu widzenia kierowcy) oraz pogodowymi i klimatycznymi (np. nagłe podmuchy wiatru powodujące oblodzenie nawierzchni czy kołysanie konstrukcji). W polskich warunkach mosty czy wiadukty stanowią często niezauważalne przedłużenie trasy, co utrudnia nie tylko orientację w terenie, ale także może powodować, że kierowca nie spodziewa się charakterystycznych zagrożeń dla tego typu obiektów. Rys. 3. Most Qingdao Haiwan [9] 2. ZAŁOŻENIA DO REALIZACJI BADAŃ NA SYMULATORZE 2.1. Opis stanowiska badawczego Głównym urządzeniem badawczym będzie symulator AS (firmy AutoSim), będący na wyposażeniu Instytutu Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Głównymi elementami składowymi sali laboratoryjnej są: ekran sferyczny z rzutnikami projekcyjnymi, rzeczywista karoseria samochodu osobowego marki Lancia umieszczona na ruchomej sterowanej podstawie (heksapod), główna jednostka komputerowa oraz stanowisko instruktorskie. Dzięki zastosowaniu sferycznego ekranu uzyskano ciągły panoramiczny obraz, będący około 180stopniowym 833

4 wycinkiem koła. Natomiast standardowe lusterka pojazdu zastąpiono ekranami LCD, uzyskując tym samym wrażenie jazdy w aspekcie wzrokowym. Rys. 4. Kabina symulatora AS w trakcie przygotowania do symulacji Najważniejszym problemem do rozwiązania jest połączenie rzeczywistego środowiska operowania pojazdem osobowym przez kierowcę z wirtualną przestrzenią. Głównym czynnikiem realistycznym jest wcześniej wspominana karoseria (rys. 4) oraz wnętrze pojazdu (rys. 5) pochodzące z modelu Ypsilon. Poprzez zastosowane podstawy typu heksapod uzyskano ruchomą kabinę symulatora o sześciu stopniach swobody w trakcie trwania symulacji (o ograniczonych zakresach ruchu). Dzięki zastosowaniu wspomnianych efektorów ruchu symulatora oraz podłączonego zestawu głośników uzyskano efekty: drgań ramy, przyspieszania, hamowania czy wrażenia jazdy po różnych nawierzchniach[3,4]. Rys. 5. Wnętrze symulatora AS w trakcie symulacji Dzięki możliwości pozyskiwania danych z symulatora oraz niezbyt ograniczonym wymaganiom przestrzennym, stanowisko może być wyposażone w dodatkową aparaturę pomiarową. Stanowi to bardzo ważną zaletę, zważywszy na możliwość przetestowania niebezpiecznych rozwiązań technologicznych lub elementów powiązanych ze stanami psychofizycznymi u przyszłych, jak i obecnych kierowców pojazdów drogowych. Oprogramowanie dostarczone przez firmę AutoSim umożliwia tworzenie nowych scenariuszy na potrzeby symulacji. Głównymi atutami jest możliwość pełnej kontroli ustawień: czasu, warunków 834

5 pogodowych (mgły, opadów deszczu czy śniegu, wiatru), dobór elementów składowych pojazdu (rodzaj skrzyni biegów, silnika, parametrów bryły pojazdu, rodzaju samochodu), czy elementów scenariuszy szkoleniowych. Dzięki zastosowaniu dodatkowych programów edycyjnych stało się możliwe rozbudowanie bazy obiektów możliwych do wstawienia do scenariuszy symulacji (takich jak bariery dźwiękowe, reklamy i inne). Jest to jedna z najistotniejszych rzeczy do realizacji przyszłych badań związanych z ciągami czasoprzestrzennymi, które będą wymagały zamodelowania nowych obiektów Założenia podstawowe dla realizacji badań Głównymi założeniami badawczymi będzie połączenie rejestracji obiektywnych z subiektywnymi, które będą miały na celu wskazanie głównych problemów ciągów czasoprzestrzennych, występujących zarówno w rzeczywistości, jak i tylko wirtualnie. Ponadto, będą poszukiwane korelacje interdyscyplinarne w wielu dziedzinach nauk. Celem głównym będzie zebranie materiału badawczego i przeanalizowanie go do polepszenia elementów modelowanych na potrzeby symulacji (jak i badań rzeczywistych) oraz przedstawienie wyników końcowych prac badawczych z zastosowanymi metodykami. Podstawowymi ważnymi elementami, branymi pod uwagę w ramach potrzeb badawczych, będą: dobór trasy ustalenie właściwej trasy, zależnie od aspektu głównego badań, modyfikacja tras wstawienie dodatkowych elementów do scenariuszy, scenariusz symulacji planowanie zdarzeń i zmian w trakcie symulacji, selekcja grupy kierowców ze względu na ograniczone możliwości przerobowe symulatora, grupa badawcza będzie ograniczona, wybór ankiet, aparatury i elementów poszczególnych rejestracji wraz ze sposobami archiwizacyjnymi danych do dalszych analiz, ustalenie roli i zadań dla kierowców powodujących wymuszone, w niektórych przypadkach, odpowiednie stany psychofizyczne, stworzenie finalnej procedury badawczej na podstawie pierwszych prób badawczych. Wszystkie przedstawione wyżej elementy będą istotnie wpływały na końcowy efekt prac badawczych. Innymi elementami, które będą musiały być uwzględnione, są między innymi: choroba symulatorowa, czas pojedynczego badania, doświadczenie kierowcy z symulatorami kabinowymi. Ze względu na możliwości przerobowe i liczbę zmiennych będzie konieczne stworzenie dedykowanego systemu do korelacji i akwizycji danych Możliwości kreacji scenariuszy badawczych Jednym z najważniejszych zagadnień, odpowiedzialnym za realistyczność symulacji i istotnymdla badań jak i szkoleń, jest wyznaczenie klarownego celu dla kierowcy pojazdu. To dzięki tak zwanego scenariuszowi (widoczna cześć graficzna na rys. 6), który narzuca odpowiednią fabułę,kierowcarealizuje cele główne (przeważnie przejazd z punktu A do punktu B) oraz poboczne (unikanie zderzeń, przestrzeganie przepisów, reagowanie na wyjątkowe zdarzenia, takie jak awarie pojazdu). Ponad to, definiuje też interakcję pojazdu prowadzonego z otoczeniem (sygnalizacja świetlna, zmiany warunków pogodowych) oraz zachowania sztucznej inteligencji nadającej wrażenie bytu innych użytkowników dróg (pojazdów, czy też pieszych) [4]. 835

6 Rys. 6. Kreator scenariuszy dla symulatora AS [3] 2.4. Możliwości zamodelowania obiektów na potrzeby symulacji Ważnym elementem koniecznym do uzyskania sukcesu badawczego będzie możliwość zamodelowania nowych obiektów poprzez zastosowanie dodatkowych programów, takich jak Autodesk 3ds Max czy SketchUp. Dzięki nim stanie się możliwe dodanie nowych obiektów (fotoradarów - rys. 7) i modyfikacji tras przejazdów zależnie od potrzeb danego badania. Ma to istotny wpływ w aspekcie przyszłych analiz ciągów czasoprzestrzennych dla kierowców pojazdów drogowych. Rys. 7. Zamodelowany nowy typ fotoradarów w charakterystycznym maszcie wieżowym ZAKOŃCZENIE Przedstawione w artykule założenia stanowią podstawowe założenia badawcze z zakresu analiz ciągów czasoprzestrzennych w badaniach symulacyjnych dla kierowców pojazdów drogowych. Kolejnym etapem prac badawczych będzie studium przypadków i opracowanie wstępnej metodyki badawczej, z przetestowaniem jej w praktyce włącznie. 836

7 Zastosowanie wiedzy oraz doświadczenia osób z różnych dziedzin i dyscyplin naukowych umożliwi interdyscyplinarne badania dla różnych przypadków problematycznych, jak i ich studium. Przewidywanymi docelowymi wynikami będzie ustalenie najistotniejszych elementów wpływających na stan psychofizyczny kierowcy. Streszczenie W niniejszym artykule zaprezentowano wstęp badawczy do analiz ciągów czasoprzestrzennych w badaniach symulacyjnych dla kierowców pojazdów drogowych. W artykule opisano wstępne studium przypadków rozpatrywanych w ujęciu ciągów czasoprzestrzennych oraz założenia podstawowe do realizacji finalnych badań na symulatorze pojazdu osobowego. Rozpatrywane rzeczywiste obiekty charakteryzują się długimi monotonnymi odcinkami powodującymi m.in. obniżenie koncentracji u kierowcy. Tragiczne wypadki są głównie spowodowane: zaśnięciem za kierownicą pojazdu, notorycznym przekraczaniem prędkości, dekoncentracją kierowców. Ma to szczególne znaczenie dla szybko realizowanej i modernizowanej infrastruktury drogowej, która z jednej strony ma być bezpieczna, a z drugiej jak najtańsza. Poruszana problematyka w niniejszym artykule będzie tyczyć się wstępu do dalszych badań interdyscyplinarnych z zakresu symulacji komputerowej oraz planowania przestrzennego w ujęciu analiz ciągów czasoprzestrzennych. Celem głównym będzie ustalenie najistotniejszych elementów wpływających na stan psychofizyczny kierowcy. Research introductionfortheanalysisofspace-time sequencessimulation in researchfordriversofroadvehicles Abstract The article present an introduction to the research analysis of space-time sequences in simulation tests for drivers of road vehicles. The article describes the preliminary study of cases consider in aspect of space-time sequences and basic assumptions for the implementation of the final test on the car simulator. Considered the real objects are characterized by long monotonous sections causing, among others, decrease the concentration of the driver. Tragic accidents are mainly caused by: falling asleep behind the wheel of a vehicle, habitual speeding, deconcentration of drivers. This is particularly important for rapidly developed and upgraded road infrastructure, on the one hand is to be safe, and on the other as to be the cheapest. Issues raised in this article will refereed to the introduction to further interdisciplinary research in the field of computer simulation and spatial planning in terms of analysis of space-time sequences. The main objective will be to determine the most important elements affecting the mental and physical condition of the driver. BIBLIOGRAFIA 1. Bąk J., Gajda D., Wpływ substancji psychoaktywnych na zachowanie kierowców. Logistyka 6/ Eichele T, Debener S, Calhoun VD, Specht K, Engel AK, Hugdahl K, von Cramon DY, Ullsperger M. Prediction of human errors by maladaptive changes in event-related brain networks. ProcNatlAcadSci U S A Lozia Z., Symulator jazdy samochodem. WKŁ, Warszawa Midtgård E., User manuals, instructions and tutorials for AS simulator - Scenario Building Tutorial 2. AutoSim, Norwegia Autornieznany, Longest bridge over water (aggregate length) [w:] Guinness World Records. 2012, dostęp Wejchert Kazimierz, Elementy kompozycji urbanistycznej, Wyd. Arkady, Warszawa Wikipedia: dostęp z dnia Wikipedia: Tunnels_eastbound_mid_tunnel_IMGP2241a.jpeg, 837

8 dostęp z dnia Wikipedia: Bridge.jpg, dostęp z dnia