Abstrakt: Tento článok poukazuje na možnosti výskumu interakcie vodič – vozidlo – komunikácia – okolie s využitím jazdných simulátorov. V úvode sa venuje základným informáciám o jazdných simulátoroch, popisu a rozdeleniu simulátorov. V súčasnosti disponuje Žilinská univerzita v Žiline trenažérom nákladného automobilu SNA – 211 REN, ktorý sa nachádza v Univerzitnom vedeckom parku. Tento je však bez ďalšieho vybavenia alebo editácie softvéru veľmi ťažko využiteľný. V článku sú popísané zariadenia, ktoré by sa na tento výskum dali v budúcnosti použiť.
Kľúčové slová: jazdný simulátor, interakcia vodič – automobil, bezpečnosť cestnej premávky
JEL: R41
DRIVING SIMULATORS USAGE IN FIELD OF ROAD SAFETY
Abstract: This article is about using driving simulators for research of driver – vehicle – communication – environment interaction. We collected the basic information about driving simulators, description of main types of simulators. Nowadays the University of Žilina has only one training driving simulator, which is located in University Science Park. This simulator cannot be used for research. It is necessary to use some additional equipment and software editing. This article also describes equipment, which can be used for research in future.
Keywords: driving simulator, driver – vehicle interaction, road safety
1 Úvod
Bezpečnosť dopravy je nepochybne veľmi dôležitou oblasťou skúmania. Jednou z možností, ako zabrániť budúcim dopravným nehodám, je študovať príčiny ich vzniku. Presný percentuálny podiel dopravných nehôd, ktoré boli zavinené ľudským zlyhaním, nie je možné jednoznačne stanoviť. Literatúra však uvádza, že viac ako 90% nehôd vzniklo práve vplyvom ľudského faktora. Z toho dôvodu je skúmanie ľudskej psychiky a správania sa vodiča počas vedenia vozidla veľmi efektívnou záležitosťou.
Na nasledujúcom obrázku sú kruhovým diagramom znázornené príčiny vzniku dopravných nehôd v Slovenskej republike v roku 2017. Až 89,08% dopravných nehôd bolo zavinených vplyvom vodiča motorového vozidla. Avšak tým zavinenia dopravných nehôd ľudským faktorom nekončia. Vodič nemotorového vozidla zavinil až 3,08% dopravných nehôd, chodec 2,96% nehôd a 0,38% nehôd bolo zavinených iným účastníkom cestnej premávky.
Zdroj: [1]
Obr. 1. Percentuálne podiely jednotlivých druhov zavinení dopravných nehôd v roku 2017 (do 31.10.2017)
2 Jazdné simulátory
História jazdných simulátorov siaha do obdobia pred druhou svetovou vojnou. Prvé simulátory boli veľmi jednoduchými leteckými trenažérmi. Ich cieľom bol výcvik nových pilotov za veľmi nízke prevádzkové náklady. Počas viac ako storočného vývoja simulačných zariadení v doprave sa vyvinuli dva hlavné prístupy k ich prevedeniu. Prvý prístup počíta s čo najvyššou vierohodnosťou prevedenia simulátora a druhý naopak s opačným extrémom, teda že simulátor má byť tak jednoduchý ako to len ide. Avšak ani pri druhom prístupe sa nemá znižovať efektívnosť výcvikových metód. V minulom storočí boli popísané mnohé teórie popisujúce prenos skúseností zo simulátora do praxe, avšak nie je jednoznačné ktorá z nich najviac zodpovedá realite [2].
2.1 Kľúčové hardvérové prvky simulátora
Konštrukciu samotného simulátora tvorí najčastejšie prístrojová doska s volantom, pedále a sedadlo. V prípade vyššieho rozpočtu je na konštrukciu simulátora možné použiť torzo reálneho vozidla. Takéto vozidlo je zbavené hnacieho ústrojenstva, podvozku a motora. Všetky tieto reálne časti nemajú vo virtuálnom prostredí význam. Naopak veľmi významnými časťami simulátora sú najdôležitejšie ovládacie prvky vozidla. Sú nimi predovšetkým radiaca páka, pedále, ručná brzda a volant. Tieto všetky musia klásť pri ovládaní primeraný odpor a volant by mal mať dokonca spätnú väzbu. Spätnou väzbou sa myslí zmena odporu volantu pri natáčaní a jeho vracanie do priameho smeru, či dokonca prenos vibrácií od nerovností vozovky. Práve vďaka tejto spätnej väzbe je vodič schopný aj vo virtuálnom prostredí odhaliť šmyk – tzn. pneumatiky riadiacej nápravy strácajú schopnosť prenášať priečne sily a tým pádom je možné otáčať volantom len s minimálnym úsilím.
Druhým, veľmi významným hardvérovým prvkom jazdného simulátora, je zobrazovací systém. Najstaršie simulátory využívali jednoduché premietanie obrazu či zobrazovanie nafilmovaných videí na obrazovku CRT. Tieto primitívne techniky vystriedala počítačom generovaná grafika (CGI = computer graphic imagery). Dnes je jednoduché generovať trojrozmerné virtuálne prostredie s pomocou výkonných počítačov. Toto sa následne zobrazuje pomocou projektora na plátno alebo sa zobrazuje na jednej či viacerých LCD obrazovkách.
Koncom dvadsiateho storočia bola problémom počítačového vizualizačného systému CGI doba vykresľovania, anti-aliasing (vyhladzovanie hrán objektov v 3D prostredí, okrem iného odbúrava blikanie vzdialených malých objektov), oneskorenie pri zobrazovaní a tiež nemožno zabudnúť na dostatočné rozlíšenie výstupnej grafiky. Oneskorenie (dead time) vo vizualizačných systémoch môže byť spôsobené časom výpočtu modelu dynamiky vozidiel a taktiež časom potrebným pre systém CGI na samotné zobrazenie prostredia. Súčet týchto časov môže viesť k oneskoreniu medzi akciou vodiča (napr. zásahom do riadenia) a rekciou vozidla (zmenou trajektórie pohybu vozidla). V prípade jazdných simulátorov sa považuje čas 50 ms za hranicu oneskorenia reakcií simulátora, ktorá neovplyvní interakciu medzi vodičom a vozidlom.
Veľmi zložitou časťou simulátora je jeho pohybový systém. Jednoduché stacionárne simulátory zvyčajne nemajú žiaden stupeň voľnosti a na telo vodiča nepôsobia nijaké sily. Jazdný simulátor sa stáva realistickejším už pridaním vibrácií kabíny, ideálne však je simulátor opatriť pohybovou plošinou, ktorá zabezpečuje pohyby celej kabíny s experimentálnym vodičom. So zvyšujúcou sa autenticitou jazdy v simulátore sa však zariadenie stáva nákladnejším. Okrem toho sa zvyšuje riziko fyzickej nevoľnosti experimentálnych vodičov. Na obrázku 2 je zachytený vysokonákladový pohybový systém automobilky Toyota, ktorý pozostáva z kupoly. V nej sa nachádza samotná kabína, resp. celé vozidlo. Kupola je namontovaná na hydraulických akčných členoch.
Zdroj: [3]
Obr. 2. Toyota driving simulator – pohľad z kabíny vozidla, pohľad do kupoly, kupola a hala, v ktorej sa kupola pohybuje
2.2 Definícia a rozdelenie jazdných simulátorov
Najjednoduchšie možno jazdný simulátor definovať ako zariadenie, ktoré slúži na simuláciu jazdy cestného vozidla pričom napodobuje reálne prostredie v cestnej premávke. Ľahké jazdné simulátory sa v súčasnosti používajú ako efektívny nástroj pre výcvik vodičov (používa sa aj termín „trenažér“), ale sú taktiež nástrojom k rozmanitým výskumom interakcie človeka a stroja a na riešenie veľkého množstva problémov tejto interakcie, ale taktiež k zdokonaleniu kabíny vozidla a asistenčných systémov [4].
Počas viac ako storočnej histórie vývoja simulátorov vznikli mnohé zariadenia rôznej kvality spracovania. Simulátory cestného vozidla môžeme rozdeliť z viacerých hľadísk. Podľa účelu použitia môže ísť o [5]:
- Výukové jazdné simulátory sú z hľadiska historického vývoja sú najstaršími jazdnými simulátormi. Pojem trenažér je zakotvený aj v Metodickom pokyne č. 22/2005 o technických požiadavkách na trenažéry z 26. septembra 2005. V tomto pokyne sú uvedené základné náležitosti, ktoré musí spĺňať trenažér autoškoly [6].
- Výskumné jazdné simulátory – ide o jazdné simulátory využívané na výskum problematiky týkajúcej sa interakcie vodiča s vozidlom v prostredí výskumných ústavov, univerzít či výrobcov automobilov. Vyžadujú vysokovýkonné počítače, vhodný softvér. Najdôležitejšou požiadavkou je zaznamenávanie údajov z jazdy spolu s údajmi z ďalších doplnkových prístrojov.
- Komerčné jazdné simulátory – pojmom simulátor sa tiež zvyknú označovať aj komerčné simulátory (zostava hardvéru a softvéru) a taktiež samotné softvéry určené pre zábavu detí i dospelých. Ich grafické spracovanie je spravidla na podstatne vyššej úrovni.
Ďalej možno rozdeliť jazdné simulátory z hľadiska počtu stupňov voľnosti na:
- Stacionárne simulátory majú nula stupňov voľnosti, nakoľko nie je zabezpečená zmena polohy vodiča či celého simulátora voči podkladu, tzn. nie sú vybavené pohybovým aparátom. Výhodou takýchto simulátorov sú ich nízke obstarávacie náklady a podstatne jednoduchšia konštrukcia v porovnaní so simulátormi vybavenými pohybovou plošinou. Využívajú sa na výukové aj výskumné účely (napr. NADS MiniSim). Aby sa jazda na simulátore stala reálnejšou, môže by stacionárny alternatívne vybavený vibračným zariadením. Toto zariadenie síce kabínu nenaklápa, ale aspoň simuluje nerovnosť vozovky prenášanú cez kolesá a podvozok do kabíny vozidla.
- Pohyblivé simulátory – V porovnaní so stacionárnymi simulátormi sa pohyblivé viac približujú k realite, pretože pomocou svojho pohybového aparátu simulujú sily, ktoré by pôsobili na vodiča aj počas jazdy v reálnom vozidle. Ide o odstredivé a zotrvačné sily, ktoré pôsobia na vodiča pri prejazde zákrutou, spomaľovaní, zrýchľovaní a taktiež sa imitujú aj vibrácie v závislosti od povrchu vozovky [7].
Podľa prepracovania konštrukcie, resp. samotnej základnej konštrukcie možno jazdné simulátory rozdeliť nasledovne [8]:
- Ľahké simulátory – ľahké jazdné simulátory sú medzistupňom medzi kompletnou virtuálnou realitou a použitím celého vozidla u plnohodnotných simulátorov. Technickým základom ľahkého simulátora je vždy kokpit vozidla alebo jeho časť. Tento typ simulátoru možno veľmi ľahko prestavať podľa požiadaviek experimentov alebo vybaviť prídavnými zariadeniami.
- Plnohodnotné simulátory – vzhľadom na to, že sa pri týchto typoch simulátorov používa celé vozidlo, je táto koncepcia bližšia k realite. Testovaná osoba sedí v kabíne reálneho vozidla a virtuálna scéna sa premieta na projekčné plátna, ktoré sú umiestnené pred a po stranách vozidla. Tieto simulátory bývajú často vybavené aj zadnou projekciou. Pokiaľ je simulátor dobre vyladený, tak sa vodič cíti ako v reálnom vozidle.
3 Súčasné vybavenie UVP Žilinskej univerzity
V súčasnosti je pre naše výskumy interakcie vodiča s vozidlom k dispozícií iba jazdný trenažér označený ako SNA – 211 REN, ktorý sa nachádza v laboratóriu Univerzitného vedeckého parku Žilinskej univerzity v Žiline. Toto zariadene simuluje jazdu vozidlom Renault Midlum resp. Magnum. Týmto vozidlám zodpovedajú aj prvky kabíny. Kabína trenažéra sa skladá zo vzduchovo odpruženého sedadla s bezpečnostným pásom, uzatvárateľných dverí, ručnej brzdy a prístrojovej dosky s volantom. Na nej sú umiestnené ovládače osvetlenia, smerových svietidiel, volant. Ostatné ovládacie prvky ako tempomat, motorová brzda, uzávierka diferenciálu sú prítomné, ale nefunkčné. Ďalej sa v kabíne nachádza aj radiaca páka, ktoré umožňuje radiť 4 malé a 4 veľké prevodové stupne, všetky môžu byť polené, čiže celkovo 16 stupňov pre jazdu vpred a 2 pre jazdu vzad.
Zdroj: Vlastné spracovanie
Obr. 3. Pôdorys jazdného trenažéra SNA – 211 REN
Na obrázku 3 je spracovaná jednoduchá schéma trenažéra. Ako možno vidieť, okrem kabíny ho tvorí stôl inštruktora spolu s počítačovou zostavou, z ktorej sú jednotlivé scény trenažéra spúšťané. Na schéme nie je znázornený ešte jeden technický komponent – klasický elektrický kompresor s tlakovou nádobou, ktorý slúži ako zdroj vzduchu pred pneumatické odpruženie sedadla a taktiež vypruženie pedálov a ručnej brzdy.
Zdroj: Vlastné spracovanie
Obr. 4. Fotografia trenažéra SNA – 211 REN s pohľadom na LCD obrazovky
Vizualizačný systém trenažéra tvoria tri širokouhlé LCD LED motory (obrázok 4), na ktorých sa zobrazuje virtuálne prostredie spolu so spätnými zrkadlami virtuálneho vozidla. V tomto prípade je použité 120° zorné pole, čo spôsobuje určité skreslenie v porovnaní výhľadom z reálneho vozidla. Toto je vysvetlené schémou na nasledujúcom obrázku 5, ktoré vyjadruje uhol pohľadu v reálnom vozidle a v simulátoroch.
Zdroj: Vlastné spracovanie
Obr. 5. Skreslenie vplyvom uhla zobrazovacej plochy
Vzhľadom na to, že v súčasnosti nie je možné bez úprav softvéru editovať virtuálne prostredie jazdného trenažéra, využili sme pri doterajších výskumoch interakcie vodiča s vozidlom ďalšie externé zariadenia. Išlo predovšetkým o zariadenie na záznam smeru pohľadu vodiča – tzv. eye trackingové okuliare, ktorých výstupné dáta sa nahrávajú na smartfón. Taktiež sme využili aj externú videokameru na záznam stavu simulátora vo virtuálnom prostredí a iné doplnkové zariadenia – mobilné telefóny a satelitné navigačné zariadenie.
Výstupom realizovaného výskumu boli v prípade cvičných pokusov predovšetkým časy zvládnutia úloh, rýchlosti prejazdov a počet kolízií vo virtuálnom prostredí. V prípade eye trackingu je výstupným údajom celkový súhrnný čas pohľadu na jednotlivé prvky v zornom poli vodiča. Išlo o členenie na tri prvky, tzn. čas pohľadu na vozovku a do zrkadiel, čas pohľadu na prístrojovú dosku a zariadenie kabíny a čas pohľadu na navigačné zariadenie alebo mobilný telefón. Okrem iného je možné tento záznam vyhodnotiť na počet fixácii alebo prostredníctvom matice prechodov medzi jednotlivými prvkami.
4 Výskum v oblasti bezpečnosti cestnej premávky
Hlavnou výhodou simulátorov sú ich nízke prevádzkové náklady a možnosť neustáleho prispôsobovania sa konkrétnym pokusom. Náš jazdný trenažér je možné na tento výskum použiť len ťažko. Z toho dôvodu plánujeme využiť iba kabínu so sedadlom, virtuálne prostredie spúšťať len na jednu alebo dve LCD obrazovky z omnoho výkonnejšieho počítača než je ten, ktorý bol dodaný s trenažérom.
4.1 Príklady výskumov zo zahraničia
V nasledujúcich riadkoch sú popísané rôzne oblasti výskumu, ktoré už boli uskutočnené na zahraničných univerzitách alebo na simulátoroch, ktoré majú vo vlastníctve iné výskumné inštitúcie či automobilky. Ide o výskumné aktivity, ktoré vyžadujú rôzne výkonné počítače, rôzne rozšírenia hardvéru a sú rôzne časovo náročné:
- výskum efektov starnutia na vodiča,
- vedenie vozidla osobami zdravotne postihnutými,
- vplyv alkoholu na vedenie vozidla, drog,
- návrh sedadiel a otázka komfortu pri dlhotrvajúcej jazde vozidlom,
- vplyv návrhu dispozície interiéru vozidla na výkon vodiča a informačnú preťaženosť,
- vedenie vozidla počas telefonovania,
- výskum vplyvov počúvania hudby počas vedenia vozidla,
- skúmanie vzniku únavy u vodičov nákladných vozidiel,
- monitorovanie ostražitosti vodiča,
- testovanie rôznych informačných systémov vo vozidle,
- vyhodnotenie používania rôznych variantov navigačných systémov, rádií, klimatizácií,
- testovanie nových výstražných zvukov vozidiel s právom prednosti v jazde,
- vplyv rôznych dopravno-inžinierskych a stavebných opatrení na správanie sa vodiča,
- pozorovateľnosť a čitateľnosť dopravných značiek,
- testovanie používania systémov – napr. adaptívny tempomat, HUD = head up display,
- testovanie riadenia vozidla natáčaním všetkých štyroch kolies atď.
Okrem týchto výskumov boli realizované aj mnohé iné. Je potrebné si uvedomiť, že simulátor musí byť zariadenie univerzálne a otvorené ďalšiemu vývoju a zmenám.
4.2 Externé meracie zariadenia
Veľmi dôležitou vlastnosťou pri vedení vozidla je vnímanie – percepcia a pozornosť. Na jej výskum je možné používať rôzne eye trackingové zariadenia, ktoré môžu mať formu externého zariadenia alebo zabudovanej kamery (snímača) v kabíne jazdného simulátora.
Dôležitou oblasťou výskumu vodiča pri vedení motorového vozidla je skúmanie jeho mozgovej činnosti pomocou EEG. Elektroenecefalografia (EEG) je vytváranie elektroenecefalografu, teda zápis synaptických potenciálov nervových buniek mozgu. Snímacie elektródy môžu byť umiestnené na povrchu kože hlavy vodiča. Zariadenie je vo forme kompaktnej čiapky, ktorú má vodič nasadenú na hlave počas výskumu [9].
Prvkom, ktorý môžeme u vodiča tiež skúmať, je emocionálne vzrušenie. Toto je možné skúmať pomocou galvanickej kožnej reakcie GSR (galvanic skin response), ktorá je označovaná aj ako vodivosť kože (SC) alebo elektrodermálna aktivita (EDA). Podstatou je, že pri zvýšení emocionálneho vzrušenia sa zvyšuje aj vodivosť kože. Vodivosť kože sa sníma pomocou kožných elektród, ktoré sa ľahko aplikujú na prsty vodiča. Príkladom kompaktného zariadenia na zaznamenávanie galvanickej kožnej reakcie je Shimmer GSR+. Údaje sa získajú s frekvenciami odberu vzoriek medzi 1 – 10 Hz a merajú sa v jednotkách mikro-Siemens (μS) [10].
Elektromyografia (EMG) skúma funkcie kostrového svalstva tým, že vyšetruje elektrické biosignály, ktoré zo svalov vychádzajú. EMG teda zaznamenáva zmenu elektrického potenciálu, ku ktorej dochádza pri svalovej aktivácii. Na snímanie sa používajú povrchové elektródy. Výsledkom je grafický záznam akčných potenciálov, tzv. elektromyogram [11, 12].
V oblasti výskumu interakcie vodiča s vozidlom je možné využiť množstvo podporných signálov z externých zariadení – napr. EKG (elektrokardiograf), snímače telesnej aktivity – teplota, dýchanie a iné. Vždy je potrebné zosúladiť meracie prístroje tak, aby sa sledovali len údaje, ktoré sú pre vypracovanie konkrétnej štúdie potrebné a smerodajné.
Všetky vyššie spomínané zariadenia poskytujú výstupy z meraní. Pri mnohých konkrétnych úlohách je však potrebné vodičovi zadať úlohu, ktorá sa týka obsluhy nejakého zariadenia vo vozidle. Niektoré zariadenia ako rádiá, tachografy a taxametre je možné aspoň provizórne zapojiť v kabíne trenažéra, iné je potrebné napodobniť. Ako vhodná metóda napodobenia sa javí dostatočne veľký displej tabletu, v ktorom je nainštalovaná vhodne naprogramovaná aplikácia s vizuálne a funkčne pripomína napr. elektronické ovládanie klimatizácie, prípadne mechanické ovládanie a podobne.
5 Literatúra
- Materiály poskytnuté Odborom dopravnej polície Prezídia Policajného zboru v Bratislave
- BLANA, E. A Survey of Driving Research Simulators Around the World [online]. Institute of Transport Studies, University of Leeds, 1996 [cit. 2018.05.20]. Dostupné na internete: <http://eprints.whiterose.ac.uk/2110/1/ITS170_WP481_uploadable.pdf?origin=publication_detail>
- http://www.toyota.com.cn/innovation/safety_technology/safety_measurements/driving_simulator.html
- KUBEŠ, F. Návrh jizdního simulátoru : diplomová práca. Brno : VUT Brno. 2014. 79 s.
- HIRATA, T. Development of Driving Simulation System: MOVIC-T4 and its Application to Traffic Safety Analysis in Underground Urban Expressways [online]. Tokyo Institute of Technology, Department of Civil Engineering, 2005 [cit. 2017.05.20]. Dostupné na internete: <http://www.enveng.titech.ac.jp/yai/hirata_d_thesis.pdf>
- Metodický pokyn č. 22/2005 o technických požiadavkách na trenažéry, Ministerstvo dopravy, pôšt a telekomunikácií SR, 26.9.2005, Bratislava
- DENNE, P. Motion Platforms Or Motion Seats? [online]. 2004 [cit. 2017-02-04]. Dostupné na internete: <http://www.advancedmotion.net/pdf/cyber2.pdf>
- NOVOTNÝ, S. Interaktívní simulátory dopravních prostředků pro analýzu spolehlivosti interakce řidiče s vozidlem. ČVUT Praha, 2014. 34 s. ISBN 978-80-01-05622-6
- http://www.stuba.sk/sk/vyskume/dalsie-laboratoria-a-vyskumne-pracoviska-stu/engelbartovo-laboratorium-skumania-pouzivatelskeho-zazitku-ux-lab.html?page_id=7785
- https://imotions.com/blog/gsr
- http://www.zdravie.sk/clanok/30677/elektromyografia-emg
- http://biomech.ftvs.cuni.cz/pbpk/kompendium/biomechanika/experiment_metody_emg.php
Príspevok bol pripravený za podpory grantu: VEGA č. 1/0436/18 – Externality v cestnej doprave, vznik, príčiny a ekonomické dopady dopravných opatrení.
Autori:
Kristián ČULÍK 1, Alica KALAŠOVÁ 2
Tituly a pôsobisko autorov:
1Ing. Kristián Čulík, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Fakulta prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov, Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 8215/1, 010 26, Žilina, Slovenská republika,
E-mail: kristian.culik@fpedas.uniza.sk
2prof. Ing. Alica Kalašová, PhD., Katedra cestnej a mestskej dopravy, Fakulta prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov, Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 8215/1, 010 26, Žilina, Slovenská republika,
E-mail: alica.kalasova@fpedas.uniza.sk
VYTLAČIŤ