[논문]열차 시뮬레이터 조작 시 운전자의 생체신호 변화에 대한 연구

장혜연; 장재호; 김태식; 한창수; 한정수; 안재용

doi:10.5143/jesk.2006.25.4.129

문제 정의

본 연구에서는 열차 시뮬레이터 조작에 따른 운전자의 생체신호 및 안구 운동에 대하여 실험하였다. 본 실험 결과는 열차의 운행속도 및 조작 차이로 인한 생체신호 및 안 구운동의 차이를 확인하였다.
본 저자는 추후 좀 더 현실감 있는 열차 시뮬레이터에서 의보다 많은 피험자를 대상으로 다양한 실험을 하여 데이터의 객관성을 확보하려 한다.
그러므로 그동안 많은 연구가 진행되어 온 자동차 안전 측정 시스템과는 다른 열차 특성에 맞는 안전시스템 개발이 필수적이라 사료된다. 앞에서 언급한 것처럼 이 연구는 절대적인 수치에 대한 분석에 관한 것 보다는 환경변화에 따른 생체신호의 변화의 가능성에 대한 연구로, 신호의 변화가 뚜렷하게 나타나는 신호들을 이용해 여러 가지안전시스템을 구축하는데 이용되는 것에 목적이 있다. 그러므로 다른 피험자의 경우, 변화하는 생체신호의 경향은 사람마다 다를 수 있다.
본 연구에서는 열차 시뮬레이터를 이용하여 각 주행상황에 따른 운전시 운전자의 생체신호(ECG, EEG SpO₂, GRS, HR)와 안구 운동도(Perclos)를 측정하였다. 이를 통하여 운전환경에 따른 기관사의 생체신호 변화를 비교함으로써 열차 안전 운전시스템 개발을 위한 기초 데이터를 제공하려 한다.

가설 설정

수치의 변화가 없다는 결과가 나왔다. 이는 평균 시속 운행속도를 KTX의 평균운행속도로 가정하였고, 각 미션 운행 시 주어지는 철로구간마다의 규정 속도 역시 평균 시속 운행 시의 속도와 크게 다르지 않았다는 점에서 비롯되었을 것이다. 또한 두 개의 변인 모두 주어진 속도에 맞추어 일정 속도를 유지하는 운전을 해야 하는 비슷한 운전조작이 있었다는 점도 위와 같은 결과를 뒷받침해준다.

제안 방법

또한 GSR의 측정을 위해 왼손검지와 중지에 전극을 부착하였고, HR과 SpO₂의 측정을 위해서는 왼손 약지에 집게형태의 전극를 부착시켰다. 가급적 오른손은 자유롭게 하여 열차를 운행하는 동작에 의한 영향을 작게 받도록 실험하였다. 열차 시뮬레이터를 평균시속운행과 고속운행 및 미션수행운행 등으로 나누어 시뮬레이터 별 각 10회씩 20초간 실험을 실시하였다.
이용하였다. 또한 GSR의 측정을 위해 왼손검지와 중지에 전극을 부착하였고, HR과 SpO₂의 측정을 위해서는 왼손 약지에 집게형태의 전극를 부착시켰다. 가급적 오른손은 자유롭게 하여 열차를 운행하는 동작에 의한 영향을 작게 받도록 실험하였다.
및 안구 운동에 대하여 실험하였다. 본 실험 결과는 열차의 운행속도 및 조작 차이로 인한 생체신호 및 안 구운동의 차이를 확인하였다. 분석 결과 열차는 출발 시 많은 확인 작업이 필요하며 평균시속주행을 하기 위해서는 지속적인 주의와 운행조작을 요함으로 HR와 EEG, GSR이 기저치에 비해 확연히 증가함을 알 수 있었다.
본 연구는 열차사고의 90% 이상이 본인 부주의에 의한 사고이므로 열차운행속도에 따른 운전자의 각성상태와, 졸음 정도를 생체신호를 이용하여 측정하고, 연구하였다. 이와 같은 원인에 의한 운전자 과실의 경우 신호 등 지시의 오인, 기기 오작동, 고장에 대한 대처미흡, 졸음운전 등으로 이어질 수 있다.
DE Waard와 Brookhuis[1993], 김정룡[1999] 등의 많은 학자들은 고속주행 시 운전자의 생체신호를 측정하여 운행환경(속도)에 따라 운전 작업 부하가 얼마나 민감하게 반응하는지 조사하였다. 본 연구에서는 열차 시뮬레이터를 이용하여 각 주행상황에 따른 운전시 운전자의 생체신호(ECG, EEG SpO₂, GRS, HR)와 안구 운동도(Perclos)를 측정하였다. 이를 통하여 운전환경에 따른 기관사의 생체신호 변화를 비교함으로써 열차 안전 운전시스템 개발을 위한 기초 데이터를 제공하려 한다.
위해 10분의 휴식시간을 가졌다. 실험환경은 실내온도 섭씨 22℃와 습도 40%를 유지하였으며, 전극은 그림 1과같이 ECG 측정을 위해 손목과 발목에 사지유도를 위한 전극을 부착하고, 흉부유도를 위해 6개의 전극을 흉부에, EEG 측정을 위해서는「파가 주로 나타나는 전두부 부분의 신호를 측정하기 위하여 피험자의 이마에 전극를 부착하였다.
05의 분산분석을 통해 신뢰성 검토 후 결과를 비교하였다. 안구 운동은 Perclos를 측정하여 데이터 간의 절대치를 비교, 분석하였다.
가급적 오른손은 자유롭게 하여 열차를 운행하는 동작에 의한 영향을 작게 받도록 실험하였다. 열차 시뮬레이터를 평균시속운행과 고속운행 및 미션수행운행 등으로 나누어 시뮬레이터 별 각 10회씩 20초간 실험을 실시하였다. GSR의 경우 피 실험자의 적응반응에도 영향을 받기 때문에 목표한 속도가 되었을 경우부터 20초간 짧게 측정하여 적응반응에 대한 영향을 배제하였다.
열차 안전사고의 경우 실제 열차에서의 실험에 많은 위험이 따르므로 열차 시뮬레이터를 이용하여 실제로 속도를 조절해가며 운전을 하는 시뮬레이션 방식으로 실험하였다. 시뮬레이터는 실제 상황과 유사한 환경을 제공하여 주며 다양한 응급 상황을 시간과 공간의 제약에 구애 받지 않고 구현해 줄 수 있다.
임상에서 부정맥 등의 이상적인 심장활동을 진단하는 주요 생체신호인 ECG는 PR interval, QRS interval, QT interval 등의 결과로 분석한다. 기저치보다 시뮬레이터 운행 시 QT interval의 경우만 조금씩 빨라짐을 알 수 있었지만 본 실험에서의 결과는 각 변인 별 변화에 따른 유의성을 찾을 수 없었다。>0.
측정된 뇌파 중 사람이 활발하게 활동할 때, 주로 나타나는 생체신호인「파를 분석하기 위해 time domain으로 측정된 것을 다시 frequency domain으로 변환하였고, 「파가 어느 정도 활성화 되어있는지 그 정량적인 양을 분석하여 분산분석을 통해 증명하였다.
특히, 열차 시뮬레이터를 능숙하게 사용할 수 있는 사람을 선정하여 시뮬레이터 조작 미숙에 의해 결과에 영향을 받지 않도록 실험하였다. 또한, 확실한 기저상태에서의 측정을 위하여 실험 전 충분한 휴식과 동시에 자율신경계에 영향을 미칠 수 있는 흡연, 음주, 운동은 삼가도록 주의를 주었다.
하지만 본 실험에서는 절대적인 수치가 아닌 변화의 양상만을 확인하기 위함으로, 한명의 피 실험자를 여러 번 측정하였다.

대상 데이터

뇌파는 512Hz로 샘플링 하였으며, 분석은 측정 소프트웨어를 이용하였다. 또한 GSR의 측정을 위해 왼손검지와 중지에 전극을 부착하였고, HR과 SpO₂의 측정을 위해서는 왼손 약지에 집게형태의 전극를 부착시켰다.
실험은 신체 질환이 없는 건강한 20대 남성을 대상으로 하였다. 특히, 열차 시뮬레이터를 능숙하게 사용할 수 있는 사람을 선정하여 시뮬레이터 조작 미숙에 의해 결과에 영향을 받지 않도록 실험하였다.

데이터처리

한명의 피 실험자를 대상으로 하였으므로 정규화 과정을 하지 않고 절대적인 SpO₂, HR, GSR, EEG, ECG 수치의 변화를 유의수준 0.05의 분산분석을 통해 신뢰성 검토 후 결과를 비교하였다. 안구 운동은 Perclos를 측정하여 데이터 간의 절대치를 비교, 분석하였다.

이론/모형

Cardiofax를 사용하였다. 또한 Perclos 측정을 위해서 Seeing Machine사의 비전을 이용한 FaceLAB 을 사용하였다. 분석을 위한 소프트웨어는 각 장비에서 제공하는 Acqknowledge ver 3.
또한 Perclos 측정을 위해서 Seeing Machine사의 비전을 이용한 FaceLAB 을 사용하였다. 분석을 위한 소프트웨어는 각 장비에서 제공하는 Acqknowledge ver 3.8.1과 ECG Viewere, FaceLAB 소프트웨어를 사용하였다. 열차 시뮬레이터는 Microsoft Train Simulator를 사용하였다.
실험 시 사용된 생체신호 측정장비는 SpO₂, GSR, HR, EEG를 측정하기 위하여 Biopac System사의 Biopac MP- 100 series를 사용하였으며, ECG 측정을 위해서는 NIHON KOHDEN사의 Cardiofax를 사용하였다. 또한 Perclos 측정을 위해서 Seeing Machine사의 비전을 이용한 FaceLAB 을 사용하였다.
1과 ECG Viewere, FaceLAB 소프트웨어를 사용하였다. 열차 시뮬레이터는 Microsoft Train Simulator를 사용하였다.

성능/효과

민감하게 반응하는 생체신호다. GSR의 경우, 기저치에비해 평균시속운행의 경우, 고속운행의 경우 그리고 미션수행 운행의 경우에도 유의하게 GSR수치가 증가함을 알 수 있었다(p<0.05). 열차의 평균시속운행 시와 고속운행 시 GSR 수치를 비교해 보았을 때 유의하게 평균시속운행일 경우가 고속일 경우보다 오히려 GSR의 수치가 높아짐을 알 수 있다(刀<0.
HR는 기저상태보다 평균시속운행 시와 고속운행 시, 미션수행 운행 시 모두 유의하게 증가하였다(刀<0.05). 하지만 SpO₂와 마찬가지로 기저치에 비해서는 모두 유의하게 증가하였지만 속도차이에 의한 HR수치의 차이는 유의하게 크지 않았다(p>0.
결과와 같이 생체신호 및 안구 운동을 통하여 열차의 운행 시 열차속도에 따른 기관사의 생체반응은 자동차 등의 다른 교통수단과 다르게 궤도차량의 특성에 따른 분명한 차이가 있음을 알 수 있었다. 기존의 열차차량이 아닌 자동차 운전시 생체신호를 통한 운전자의 심리, 생리상태를 측정하였을 경우, 많은 연구에서 속도가 증가할수록 운전자의 각성상태가 증가함이 뚜렷한 경향과 반대되는 결과라고 할 수 있다.
유의성이 발견되지 않았다. 그러므로 평균 시속 운행을 할 경우가 고속주행을 할 경우보다「파가 지속적으로 활발해져 운전자에게 피로감을 준다는 것을 알 수 있었다.
또한 운전 시 앞으로 내다보이는 장면이 거의 유사함으로 주의력 감소로 인하여 오히려 GSR 은 감소하며 EEG는「값이 평균시속주행일 경우보다 오히려 활성화 정도가 떨어지게 되며, Perclos는 증가함을 확인하였다. 그러므로 평균시속운행 시보다 고속운행 시 속도는 많이 빠르지만 조작이 간단하다는 점과 철도 레일이 대부분 직선이라는 점에서 기관사의 긴장감이나 민감도가 오히려 더 떨어지고 그에 따라 졸음이 많이 오고 눈꺼풀이 많이 감기는 등 피로가 더 쌓인다는 것을 실험결과를 통해 알 수 있었다.
SpO₂의 경우 일반적 정상치인 95~98% 안에 들어 있으며 기저치를 제외한 각 변인에 따른 유의성도 찾기 힘들었다. 기저치에 비해 평균시속운행 시 SpO₂ 수치가 증가하였고, 고속운행 시와 미션수행운행 시에도 기저에 비해 수치가 증가하였지만 분산분석 결과 유의하게 증가하지는 않았음을 알 수 있었다(刀>0.05). 즉, SpO₂의 경우, 기저치에 비해 기차운전 시 SpO₂가 증가하였지만, 그것은 안정 상태보다 작업을 할 경우 어느 정도의 활동성이 생김에 의한 작은 변화라고 할 수 있을 것이다.
조작이 필요 없다. 또한 운전 시 앞으로 내다보이는 장면이 거의 유사함으로 주의력 감소로 인하여 오히려 GSR 은 감소하며 EEG는「값이 평균시속주행일 경우보다 오히려 활성화 정도가 떨어지게 되며, Perclos는 증가함을 확인하였다. 그러므로 평균시속운행 시보다 고속운행 시 속도는 많이 빠르지만 조작이 간단하다는 점과 철도 레일이 대부분 직선이라는 점에서 기관사의 긴장감이나 민감도가 오히려 더 떨어지고 그에 따라 졸음이 많이 오고 눈꺼풀이 많이 감기는 등 피로가 더 쌓인다는 것을 실험결과를 통해 알 수 있었다.
또한 평균시속운행의 경우와 미션수행운행의 경우 유의한 GSR 수치의 변화가 없다는 결과가 나왔다. 이는 평균 시속 운행속도를 KTX의 평균운행속도로 가정하였고, 각 미션 운행 시 주어지는 철로구간마다의 규정 속도 역시 평균 시속 운행 시의 속도와 크게 다르지 않았다는 점에서 비롯되었을 것이다.
특히, 열차 시뮬레이터를 능숙하게 사용할 수 있는 사람을 선정하여 시뮬레이터 조작 미숙에 의해 결과에 영향을 받지 않도록 실험하였다. 또한, 확실한 기저상태에서의 측정을 위하여 실험 전 충분한 휴식과 동시에 자율신경계에 영향을 미칠 수 있는 흡연, 음주, 운동은 삼가도록 주의를 주었다.
본 실험 결과는 열차의 운행속도 및 조작 차이로 인한 생체신호 및 안 구운동의 차이를 확인하였다. 분석 결과 열차는 출발 시 많은 확인 작업이 필요하며 평균시속주행을 하기 위해서는 지속적인 주의와 운행조작을 요함으로 HR와 EEG, GSR이 기저치에 비해 확연히 증가함을 알 수 있었다.
열차 시뮬레이터를 조작하기 전 기저상태 측정을 위하여 전극 부착 후 전극의 정확성과, 피 실험자의 안정상태 확보를 위해 10분의 휴식시간을 가졌다. 실험환경은 실내온도 섭씨 22℃와 습도 40%를 유지하였으며, 전극은 그림 1과같이 ECG 측정을 위해 손목과 발목에 사지유도를 위한 전극을 부착하고, 흉부유도를 위해 6개의 전극을 흉부에, EEG 측정을 위해서는「파가 주로 나타나는 전두부 부분의 신호를 측정하기 위하여 피험자의 이마에 전극를 부착하였다.
측정 결과 평균시속주행의 경우 기저에 비해 크게「파가 활성화 되는 경향을 알 수 있었고, 고속주행의 경우는 기저치와의 유의성이 발견되지 않았다. 그러므로 평균 시속 운행을 할 경우가 고속주행을 할 경우보다「파가 지속적으로 활발해져 운전자에게 피로감을 준다는 것을 알 수 있었다.
05). 평균 시속 주행을 할 경우보다 열차의 고속주행 시 오히려 긴장감이나 운전자의 각성 정도, 작업 부하 등이 감소한다는 결과이다.

후속연구

개발 및 개선에 사용된다. 특히 운전자의 생리학적 반응에 대한 변화를 정량적으로 측정하여 생리학적 작업부하를 판단함으로써 기관사를 포함한 전체 열차 시스템의 안전 점검 및 개선에 사용될 수 있다.
그러므로 다른 피험자의 경우, 변화하는 생체신호의 경향은 사람마다 다를 수 있다. 하지만 환경 변화에 민감하게 반응하는 생체신호들에 대한 정의가 확실하게 된다면, 그러한 점을 이용하여 운전자의 안전시스템을 구축하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.

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