Software de detección de fatiga - Fatigue detection software
El software de detección de fatiga está destinado a reducir las muertes e incidentes relacionados con la fatiga. Varias empresas están trabajando en una tecnología para su uso en industrias como la minería, el transporte por carretera y ferrocarril y la aviación. La tecnología pronto podrá encontrar aplicaciones más amplias en industrias como la atención médica y la educación.
Fatiga en el entorno operativo
En un escenario de entorno operativo donde los sistemas operativos dependen del desempeño humano, la fatiga se puede definir como una inclinación a degradar el desempeño. Por lo tanto, la fatiga es un indicador del riesgo de línea de base para la ocurrencia de errores y accidentes.
A nivel mundial, las operaciones mineras corren el riesgo de trabajadores fatigados. La somnolencia y la fatiga aumentan el error humano y contribuyen a accidentes que pueden ser fatales. Los factores que agravan los niveles de fatiga en los trabajadores mineros incluyen; interrupciones en los ritmos circadianos debido al trabajo por turnos, exposición a ruido, vibraciones y productos químicos, naturaleza monótona y repetitiva de las tareas y conducción nocturna. Los estudios reconocen una connotación entre el estilo de vida y la fatiga. Los mineros de los países en desarrollo dependen de sistemas de transporte público poco fiables que añaden horas de desplazamiento adicionales a su jornada laboral. Estos trabajadores son más susceptibles a la mala calidad y cantidad de sueño.
La fatiga es una forma de deterioro. En 2011, la forense australiana Annette Hennessy comparó la fatiga con la conducción en estado de ebriedad. Los trabajadores fatigados simplemente están menos alerta y tienen más probabilidades de ejercer un juicio deficiente. Es especialmente arriesgado porque a menudo un operador cansado es el peor juez de cuán fatigado puede estar. David Edwards PhD, Gerente Global de Soluciones de Seguridad Minera en Caterpillar Inc. lo compara con preguntarle a una persona ebria si cree que está demasiado intoxicada para conducir.
Los vehículos y la conducción se reconocen como un riesgo crítico en los entornos mineros. Las interacciones de vehículo a vehículo y de vehículo a humano son generalmente fatales. El costo monetario real de los accidentes se extiende más allá de la compensación y los pagos de seguros, los gastos médicos y los costos de investigación. Los accidentes fatales a menudo resultan en la suspensión temporal de las operaciones y la pérdida de producción. Las operaciones mineras de clase mundial aspiran a un entorno libre de fatalidades y publican su desempeño anual en materia de seguridad en su Informe anual. Existe una expectativa global de que las minas reduzcan las lesiones, eliminen muertes y prevengan incidentes catastróficos.
La mayoría de las minas y flotas de camiones comerciales dependen de controles suaves, como procedimientos y otras contramedidas para controlar la fatiga. Las contramedidas comunes que podrían aliviar la fatiga y mejorar los niveles de alerta en los conductores de camiones de transporte incluyen; días de descanso, control del sueño, horarios de trabajo por turnos bien diseñados y descansos estructurados durante el turno, exámenes de salud y asesoramiento, programas de educación, ingesta de alimentos y líquidos y dispositivos para medir el estado de alerta del conductor.
Consecuencias de la fatiga
Las consecuencias de la fatiga son específicamente evidentes en las estadísticas de seguridad vial. Sin embargo, no solo los conductores de vehículos ligeros y comerciales están en riesgo. En todas las industrias, los trabajadores por turnos son vulnerables a incidentes relacionados con la fatiga, especialmente durante el turno de noche. Las estadísticas de seguridad no siempre están disponibles y rara vez registran los factores causales del incidente. En esta sección se utilizan estadísticas de seguridad vial para ilustrar el contexto del problema de la fatiga.
La fatiga de conducción generalmente se refiere al estado en el que un conductor posee deficiencias de funciones fisiológicas y mentales, y donde las habilidades de conducción disminuyen objetivamente, generalmente después de un período prolongado de conducción. Un conductor que está dormido detrás del volante no actuará para evitar una colisión o un accidente y, por esta razón, es mucho más probable que el accidente cause lesiones graves o la muerte. Los accidentes de tráfico relacionados con la fatiga tienen tres veces más probabilidades de provocar lesiones graves o la muerte. Una gran proporción de estos accidentes ocurren entre las 14h00-16h00 y las 02h00-06h00. Durante estos dos períodos de tiempo, es más probable que los conductores se sientan somnolientos, lo que aumenta la posibilidad de accidentes.
Las estadísticas muestran que una de las principales causas de accidentes de tráfico mortales o que causan lesiones es la disminución del nivel de vigilancia. En la industria de camiones, el 57% de los accidentes fatales de camiones se deben a la fatiga del conductor. Es la causa número uno de accidentes de camiones pesados.
Según la encuesta Sleep in America de 2005 de la National Sleep Foundation , el 60% de los conductores adultos, alrededor de 168 millones de personas, dicen que han conducido un vehículo mientras se sintieron somnolientos en el último año y el 13% de ellos admitió haberlo hecho al menos una vez al año. mes.
La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) estima de manera conservadora que 100,000 choques reportados por la policía son el resultado directo de la fatiga del conductor cada año. Esto resultó en un estimado de 1,550 muertes, 71,000 lesiones y $ 12.5 mil millones en pérdidas monetarias.
En Australia, entre el 60% y el 65% de los accidentes de transporte de camiones están directamente relacionados con la fatiga del operador y el 30% de todos los accidentes están relacionados con la fatiga.
Desafíos técnicos y de diseño
La compleja interacción de los principales factores fisiológicos responsables de la somnolencia, los ritmos circadianos y el impulso homeostático del sueño, plantean desafíos técnicos formidables para el diseño y desarrollo de sistemas de detección de fatiga. La tecnología debe ser robusta y capaz de altas precisiones en diversos entornos operativos con condiciones en constante cambio y diversas necesidades de los clientes.
Para cumplir con los requisitos de eficiencia y funcionalidad, la tecnología debe cumplir con las siguientes pautas:
- Debe medir lo que se pretende medir operativa y conceptualmente y ser consistente en estas mediciones a lo largo del tiempo. Por lo tanto, un dispositivo diseñado para medir los parpadeos de los ojos (operativamente) y el estado de alerta (conceptualmente) debería medirlos todo el tiempo para todos los conductores.
- La tecnología de software utilizada en el dispositivo debe optimizarse para la sensibilidad y la especificidad. Los falsos negativos deben minimizarse mediante la detección precisa y confiable de niveles reducidos de alerta. Los falsos positivos deben minimizarse mediante la identificación precisa y confiable de la conducción segura y la vigilancia del operador.
- El dispositivo debe ser robusto, confiable y capaz de funcionar de manera continua durante períodos prolongados, como un turno. El costo de mantenimiento y reemplazo no debe ser excesivo.
- Ser capaz de monitorear en tiempo real el comportamiento del conductor o del operador.
- El dispositivo debe poder funcionar con precisión en diversas condiciones operativas durante el día, la noche y en condiciones de iluminación. La precisión no debe verse comprometida por las condiciones en la cabina del operador, como humedad, temperatura, vibración, ruido, etc.
- Las señales de advertencia audibles no deben asustar al operador y deben poder ajustarse en un rango razonable. Las señales deben ser distintas y audibles en condiciones de funcionamiento para no confundirse con otras alarmas y señales.
Criterios de aceptación del usuario
Independientemente de los obvios beneficios de seguridad que ofrecen los dispositivos de detección de fatiga, la aceptación exitosa de la tecnología depende de si el operador percibe los beneficios como mayores que el costo. La aceptación del usuario está influenciada por los siguientes factores:
- Facilidad de uso: la tecnología debe ser comprensible e intuitiva en su funcionamiento. El operador debe estar familiarizado con las capacidades, limitaciones y parámetros operativos en todas las condiciones operativas. La salida del dispositivo debe ser interpretada fácil y correctamente por operadores con diferentes capacidades cognitivas y físicas. La visión del operador de la carretera y otros controles no debe oscurecerse.
- Facilidad de aprendizaje: el éxito de la tecnología depende de su congruencia con el modelo mental del operador, de lo fácil que sea comprender, recordar y retener la información y reaccionar ante ella. Lo más importante es que el operador debe confiar en la precisión del dispositivo para maximizar los "impactos" y eliminar las falsas o molestas alarmas.
- Valor percibido: el operador debe percibir que la tecnología contribuye a una experiencia de conducción más segura y alerta, pero al mismo tiempo no debe crear un estado de dependencia excesiva. El dispositivo debería beneficiar al operador en su propio programa de gestión de la fatiga. Debe quedar claro que el dispositivo es completamente seguro de usar sin ningún efecto secundario negativo sobre la salud del operador. Los datos del operador, capturados y transmitidos a una sala de control central deben ser completamente confidenciales.
- Promoción: un componente crítico de la aceptación del usuario se mide por la voluntad de los operadores de comprar y respaldar la tecnología. Para los beneficios de seguridad percibidos del dispositivo, la aceptación del mercado aumentará cuando sea respaldado por los usuarios previstos: operadores, administradores de flotas, asociaciones de camiones, departamentos de seguridad, etc.
- Comportamiento del conductor: la asignación de la atención del operador para mantener una conducción segura no debe verse influida negativamente por la interacción con el dispositivo. La exposición prolongada a la tecnología debería crear una influencia positiva en el comportamiento del conductor, así como cambios en el estilo de vida con respecto a la gestión de la fatiga.
Tecnologías de monitorización y detección de fatiga
Hubo avances significativos en la tecnología de monitoreo de la fatiga durante la última década. Estas innovadoras soluciones tecnológicas ahora están disponibles comercialmente y ofrecen beneficios de seguridad reales a los conductores, operadores y otros trabajadores por turnos en todas las industrias.
Los desarrolladores de software, ingenieros y científicos desarrollan software de detección de fatiga utilizando varias señales fisiológicas para determinar el estado de fatiga o somnolencia. La medición de la actividad cerebral (electroencefalograma) es ampliamente aceptado como el estándar en el monitoreo fatiga. Otra tecnología utilizada para determinar el deterioro relacionado con la fatiga incluye mediciones de síntomas de comportamiento tales como; comportamiento de los ojos, dirección de la mirada, micro-correcciones en la dirección y el uso del acelerador, así como la variabilidad de la frecuencia cardíaca.
Tecnología de electroencefalografía (EEG)
El software de detección de fatiga analiza el comportamiento y las señales de advertencia para determinar el inicio de la fatiga. La tecnología tiene el potencial de ser una herramienta de alta precisión para detectar las primeras etapas de fatiga en los conductores y minimizar la probabilidad de incidentes. La tecnología permite a los operadores en tiempo real identificar visualmente sus niveles de alerta. Los operadores pueden evaluar de forma proactiva diferentes enfoques para mantener el estado de alerta y gestionar sus niveles de fatiga.
La electroencefalografía (EEG) es una técnica que informa la actividad eléctrica del cerebro de forma no invasiva. Fue descubierto por Hans Berger en 1924 y evolucionó durante más de 90 años hasta la tecnología avanzada de hoy. Una reducción drástica en el tamaño, el peso y el costo de la instrumentación de EEG y el potencial de comunicarse de forma inalámbrica con otros sistemas digitales allanaron el camino para extender la tecnología a campos previamente insospechados, como el entretenimiento, la retroalimentación biológica y el apoyo para el aprendizaje y el entrenamiento de la memoria. La experimentación y el desarrollo de productos en torno a esta tecnología incluyen aplicaciones de detección de fatiga.
El nuevo software de detección de fatiga EEG mide la capacidad de una persona para resistir el sueño. El micro-sueño solo ocurre cuando un individuo no se resiste al sueño, no ocurre cuando un individuo elige descansar. Los operadores de equipos móviles pesados están acostumbrados a resistirse al sueño; viene de forma natural y es casi un comportamiento subconsciente. Sin embargo, cuando la capacidad de un individuo para resistir el sueño disminuye, existe el riesgo de un micro-sueño. La capacidad de resistir el sueño es, por tanto, la medida de seguridad más relevante para los operadores de equipos. La medida subyacente detrás de la tecnología es la actividad cerebral. El electroencefalograma ha sido el estándar de oro en la ciencia del sueño y la fatiga. Al ser una medida fisiológica más directa, proporciona una mayor precisión al evitar mediciones erróneas relacionadas con el entorno externo.
Además de desarrollar tecnología portátil práctica , se requiere el mapeo universal de la información del EEG a una medición útil para un monitoreo preciso de la fatiga en un entorno operativo. Aunque el análisis de EEG está muy avanzado, los científicos encontraron que debido a las variaciones fisiológicas naturales de una persona a otra, las reglas rigurosas para interpretar la actividad cerebral no se pueden aplicar de manera efectiva a toda la población. Esto implica que un enfoque basado en reglas para las mediciones de fatiga del electroencefalograma no sería práctico, ya que cada variación fisiológica requeriría una regla específica aplicable a una persona específica.
Para superar este problema, los científicos desarrollaron el algoritmo de fatiga universal basado en un enfoque basado en datos. La somnolencia es un estado determinado por medidas independientes no electroencefalográficas. La prueba de resistencia al sueño de Oxford (prueba OSLER) y la prueba de vigilancia psicomotora (PVT) son las medidas más utilizadas en la investigación del sueño. Ambas pruebas se utilizaron para establecer el conjunto de datos de muestra para el desarrollo del algoritmo de fatiga universal. El algoritmo se desarrolló a partir de EEG real de un gran número de personas. Luego se utilizaron técnicas de inteligencia artificial para mapear la multitud de relaciones individuales. La implicación es que el resultado se vuelve progresivamente universal y significativo a medida que se incluyen más datos de una gama más amplia de individuos en el algoritmo. Además de un enfoque experimental ciego que no se ve, la prueba del algoritmo también está sujeta a partes externas independientes.
Seguimiento del porcentaje de apertura ocular (PERCLOS)
PERCLOS es una medida de detección de somnolencia, conocida como el porcentaje de cierre de párpados sobre la pupila a lo largo del tiempo y refleja cierres lentos o caídas de párpados en lugar de parpadeos. Varios sistemas de detección de somnolencia del operador en tiempo real utilizan la evaluación PERCLOS y el software desarrollado de forma adecuada para determinar el inicio de la fatiga. Cada desarrollador de tecnología utiliza una configuración y combinación únicas de hardware para mejorar la precisión y la capacidad de seguir el movimiento de los ojos, el comportamiento de los párpados y las poses de la cabeza y el rostro en todas las circunstancias posibles.
Algunos sistemas se basan en un módulo de cámara sobre una base giratoria que se monta en el tablero de instrumentos dentro de la cabina. El dispositivo tiene un gran campo de visión para adaptarse a los movimientos de la cabeza del operador. El equipo utiliza un software de seguimiento ocular con un enfoque de iluminación estructurado que depende del alto contraste entre las pupilas y la cara para identificar y rastrear las pupilas del operador.
Alternativamente, los sistemas de seguimiento móviles y flexibles proporcionan seguimiento de la cabeza y la cara que incluye seguimiento de ojos, párpados y mirada. Estos sistemas ahora brindan retroalimentación en tiempo real sin el uso de cables, imanes o accesorios para la cabeza.
Aunque los estudios confirmaron una correlación entre PERCLOS y deterioro, algunos expertos están preocupados por la influencia que el comportamiento ocular no relacionado con los niveles de fatiga puede tener en la precisión de las mediciones. El polvo, la iluminación insuficiente, el deslumbramiento y los cambios de humedad son factores no relacionados con la fatiga que pueden influir en el comportamiento visual del operador. Por lo tanto, este sistema puede ser propenso a tasas más altas de falsas alarmas y casos de deterioro perdidos.
Seguimiento de rasgos faciales
El sistema de visión por computadora utiliza una cámara discreta montada en el tablero y dos fuentes de iluminación infrarroja para detectar y rastrear los rasgos faciales del operador. El sistema analiza los cierres de ojos y las posturas de la cabeza para determinar la aparición temprana de fatiga y distracción. El algoritmo de detección de fatiga calcula AVECLOS. Este es el porcentaje de tiempo que los ojos están completamente cerrados durante un intervalo de un minuto.
La tecnología se desarrolló para los mercados doméstico y comercial y actualmente se está probando en un vehículo de demostración Volvo.
Plataforma móvil
Recientemente, el software del sistema de detección de fatiga se ha modificado para que se ejecute en teléfonos móviles con Android. La tecnología utiliza la cámara del teléfono móvil que está montada en un soporte en el tablero de la cabina para monitorear el movimiento de los ojos del operador. Los desarrolladores del sistema prefirieron utilizar la técnica de movimiento de párpados. El robusto sistema es capaz de rastrear movimientos rápidos de la cabeza y expresiones faciales. La iluminación externa es limitada, lo que reduce la interferencia del operador. Se encontró que otras técnicas potenciales tenían inconvenientes con la aplicación del hardware específico. La detección de bostezos dificulta la detección precisa de las posiciones de los labios. La detección de asentir con la cabeza requiere que los electrodos se fijen al cuero cabelludo.
Además, los métodos de aprendizaje profundo para el reconocimiento de acciones también se han aplicado con éxito en dispositivos móviles. Las técnicas de aprendizaje profundo no requieren pasos de selección de características independientes para identificar las posiciones de los ojos, la boca o la cabeza y tienen el potencial de aumentar aún más la precisión de la predicción.
También se han lanzado tecnologías basadas en aplicaciones que no utilizan cámaras, sino que aprovechan la prueba Bowles-Langley (BLT) a través de una experiencia de juego simple de 60 segundos. Las empresas que han lanzado aplicaciones para el deterioro por fatiga con este tipo de tecnología incluyen Predictive Safety , con sede en Denver, Colorado, EE. UU. Y Aware360, con sede en Calgary, Alberta, Canadá.
Detección de somnolencia del conductor
Las tecnologías discutidas en secciones anteriores abrieron el panorama de la seguridad automotriz para que varios fabricantes agreguen nuevas características de seguridad a sus modelos de producción. Los impulsores del desarrollo de estas características pueden contribuir como presión regulatoria o como la mejora de la oferta de valor de su producto a través de características agregadas.
Los nuevos desarrollos en la industria del automóvil son los siguientes:
- NVIDIA, el proveedor de chips de Audi, Mercedes, Tesla y otros, lleva a cabo un mayor desarrollo. NVIDIA está desarrollando el copiloto, una herramienta de inteligencia artificial que puede aprender los comportamientos de los conductores individuales y determinar comportamientos anormales.
- Para la detección temprana de somnolencia, Plessey Semiconductors desarrolló sensores, que se colocan en un asiento, que monitorean los cambios en la frecuencia cardíaca.
- Bosch, un proveedor alemán de tecnología para muchas empresas automotrices, está desarrollando un sistema basado en cámaras que controlará los movimientos de la cabeza y los ojos, así como la postura corporal, la frecuencia cardíaca y la temperatura corporal.
- Valeo, otro proveedor de tecnología automotriz, está desarrollando un sistema de cámara infrarroja que monitoreará a los niños en el asiento trasero, así como los movimientos del hombro, cuello y cabeza del conductor, buscando desviaciones de la norma.
- El asistente de atención de Mercedes monitorea el comportamiento de un conductor durante los primeros 20 minutos detrás del volante para obtener una línea de base de los comportamientos. Luego, el sistema los compara con hasta 90 índices, como el ángulo del volante, la desviación del carril y factores externos como las ráfagas de viento y la evitación de baches.
La aplicación de estos sistemas no solo se limita a los fabricantes de automóviles, sino también a empresas tecnológicas de terceros. Estas empresas han desarrollado hardware como el Anti Sleep Pilot y Vigo. Anti-Sleep Pilot es un dispositivo danés que se puede instalar en cualquier vehículo que utilice una combinación de acelerómetros y pruebas de reacción. El Vido es un auricular Bluetooth inteligente que detecta signos de somnolencia a través del movimiento de los ojos y la cabeza para alertar a los usuarios.
Para 2013, se estimó que alrededor del 23% de los automóviles nuevos registrados tenían varios grados de sistemas de detección de somnolencia. La importancia de estos sistemas se puede contribuir a que los organismos reguladores de la seguridad incluyan estos sistemas en sus sistemas de clasificación. Los sistemas regulatorios como el sistema Euro NCAP se enfocan principalmente en las calificaciones de seguridad de los ocupantes, la calificación de peatones y las calificaciones de ocupantes infantiles a través de la publicación de una calificación general de 5 estrellas. En 2009, se agregó una nueva categoría en forma de sistemas de asistencia de seguridad Euro NCAP Advance. El Euro NCAP Advanced revisa los sistemas de monitoreo activo de seguridad de los nuevos modelos de automóviles y tiene como objetivo proporcionar a los compradores de automóviles una guía clara sobre los beneficios de seguridad que ofrecen estas nuevas tecnologías.
A continuación, se incluye una lista de algunos sistemas de seguridad avanzados desarrollados recientemente por los fabricantes de automóviles.
- Monitoreo del patrón de dirección, mejoras de la visión y frenado de emergencia autónomo
Utiliza principalmente la entrada de dirección del sistema de dirección asistida eléctrica, los sistemas de radar y las cámaras. Estos sistemas podrían facilitar el frenado autónomo en caso de somnolencia o distracción, cuando un conductor no actúa físicamente con la suficiente rapidez. También tiene la facilidad de conducción autónoma en la prevención de un accidente, cuando el conductor reacciona con demasiada lentitud o nada.
- Posición del vehículo en el seguimiento de carril
Utiliza una cámara de monitoreo de carril y sensores de radar. Estos sistemas pueden ayudarlo y advertirle cuando abandona involuntariamente el carril de la carretera o cuando cambia de carril sin indicación, generalmente debido a la fatiga. Estas funciones se conocen comúnmente como monitoreo de punto ciego, asistencia de mantenimiento de carril o monitoreo de salida de carril.
- Monitoreo ocular / facial del conductor
Requiere una cámara que observe la cara del conductor, lo que se conoce como asistencia de atención, estos sistemas detectan y advierten a los conductores para evitar que se duerman momentáneamente mientras conducen.
- Medida fisiológica
Requiere sensores corporales para medir parámetros como la actividad cerebral, la frecuencia cardíaca, la conductancia de la piel y la actividad muscular. No se limita solo a los conductores de automóviles. También se han realizado estudios para evaluar las mediciones neurofisiológicas como método para mejorar el estado de alerta de los pilotos de aeronaves.
Volkswagen
VW ha incorporado un sistema para ayudar a los conductores en el bienestar físico y mental cuando están detrás del volante. El sistema monitorea de cerca el comportamiento del conductor, notando las desviaciones que pueden ser señales de advertencia de la fatiga del conductor.
Volvo
Volvo ha desarrollado Driver Alert Control, un sistema que detecta a los conductores fatigados y les advierte antes de que se queden dormidos al volante. Driver Alert Control fue el primer sistema de detección de fatiga desarrollado por un fabricante de automóviles y ha estado en el mercado desde 2007.
Investigación de Stanford
En 2009, la Universidad de Stanford investigó los sistemas automáticos de detección de fatiga y llegó a la conclusión de que la tecnología que se basa en el movimiento de los párpados puede ser eficaz para determinar la fatiga del conductor en los automóviles, pero es necesario realizar más investigaciones para mejorar la precisión.