The study for the passenger's comfortableness of vehicles and the arousal of car drivers has been done widely. On the other hand, there are few studies for the locomotive engineers. Human error means that the mistakes made by human, recently it receives attention in the field of safety engineering a...
The study for the passenger's comfortableness of vehicles and the arousal of car drivers has been done widely. On the other hand, there are few studies for the locomotive engineers. Human error means that the mistakes made by human, recently it receives attention in the field of safety engineering and human engineering. Comparing the operating condition of train with car, because of the simplification of the visual stimulus, the arousal level on the train goes down easily. The arousal level down makes judgement down, the accident risk from human error is getting bigger. In this study, we measured bio-signals(ECG, EDA, PPG, respiration and EEG) from 6 locomotive engineers to evaluate their arousal state while they operated the train. Also we recorded the 3 axes acceleration signal showing the vibration state of train. Also, the existence of tunnels were simultaneously measured. At the station section where the train speed goes down, the size of vector's sum decreases because of reduced vibration. Beta component in EEG tends to increase at the entering point of each station and tunnel. It is due to the arousal reaction and tension growth. The mean SCR(skin conductance response) was more increased in neutral section. As the button control movement (body movement) increases in the neutral section, it is appeared that SCR increase. RR interval tends to gradually increase during train operation for 1 hour 40 minutes. However, It tends to sharply decrease at the stop station because strong concentration needed to stop train on the exact point. The engineer's arousal reaction can be checked through analysing the bio-signal change during train operation. Therefore, if this analysing result is adopted to the sleepiness prevention caution system, it will be useful for the safety train operation.
The study for the passenger's comfortableness of vehicles and the arousal of car drivers has been done widely. On the other hand, there are few studies for the locomotive engineers. Human error means that the mistakes made by human, recently it receives attention in the field of safety engineering and human engineering. Comparing the operating condition of train with car, because of the simplification of the visual stimulus, the arousal level on the train goes down easily. The arousal level down makes judgement down, the accident risk from human error is getting bigger. In this study, we measured bio-signals(ECG, EDA, PPG, respiration and EEG) from 6 locomotive engineers to evaluate their arousal state while they operated the train. Also we recorded the 3 axes acceleration signal showing the vibration state of train. Also, the existence of tunnels were simultaneously measured. At the station section where the train speed goes down, the size of vector's sum decreases because of reduced vibration. Beta component in EEG tends to increase at the entering point of each station and tunnel. It is due to the arousal reaction and tension growth. The mean SCR(skin conductance response) was more increased in neutral section. As the button control movement (body movement) increases in the neutral section, it is appeared that SCR increase. RR interval tends to gradually increase during train operation for 1 hour 40 minutes. However, It tends to sharply decrease at the stop station because strong concentration needed to stop train on the exact point. The engineer's arousal reaction can be checked through analysing the bio-signal change during train operation. Therefore, if this analysing result is adopted to the sleepiness prevention caution system, it will be useful for the safety train operation.
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문제 정의
본 연구는 열차 운행 중인 기관사의 각성상태를 평가하기 위하여 자율신경계, 중추신경계 생체신호 그리고 운행 환경 정보 즉 열차의 진동상태 및 조도의 급격한 변화가 발생하는 터널 유무 여부를 동시에 측정하였다. 상하행선 동일 기관사에 대해 측정이 이루어졌으며, 총 6회 실험이 수행되었다.
가설 설정
5~4Hz), 쎄타파(4~8Hz), 알파파(8~13Hz), 베타파(13~30Hz), 감마파(30~50Hz)로 구분한다. 여기서 델타파는 신생아 또는 깊은 잠이나 혼수상태에서 두드러지게 나타나는데, 눈 깜박임이나 몸 움직임 등의 잡음과 주파수 대역이 거의 일치하므로 본 연구에서는 고려하지 않았다.
제안 방법
절연구간에서는 전기 공급이 끊어지므로 UPS 배터리를 장착하였고, 열차의 진동 상태를 측정하기 위하여 열차 진행방향에 맞추어 3축 가속도 센서를 세팅하였다. 그리고, 가속도 센서 옆의 빨간색 스위치를 ON/OFF 상태로 하여 터널진입 유무를 기록하였다.
5초로 다운샘플링 한 후 벡터합을 구하였다. 뇌파는 30초를 분석구간으로 하여 주파수 대역별 백분율을 구하였다. 비교적 잡음이 적은 F7, 또는 F8로부터 주파수 성분비를 구하였고, Fp1 이나 Fp2로부터 눈깜박임 횟수를 추출하였다.
뇌파는 매우 복잡한 패턴으로 진동하는 파형형태로 보인다. 따라서 뇌파 파형 그대로를 시각적으로 관찰하기보다는 주파수에 따라 분류하는 파워 스펙트럼 분석을 이용한다. 어떤 연구자들은 low 알파, middle 알파, high 알파 등 더욱 세분화하여 분석하기도 하지만, 일반적으로 뇌파는 주파수의 범위에 따라 델타파(0.
일정구간의 평균 크기나 피크의 크기, 피크의 개수, 피크에 도달하는 시간 등을 분석하여 부하의 발생 빈도나 작업부하의 크기를 파악할 수 있다. 본 연구에서는 100Hz로 다운 샘플링한 후, 피부전도도 반응의 크기 등의 파라미터를 추출하였다.
뇌파는 30초를 분석구간으로 하여 주파수 대역별 백분율을 구하였다. 비교적 잡음이 적은 F7, 또는 F8로부터 주파수 성분비를 구하였고, Fp1 이나 Fp2로부터 눈깜박임 횟수를 추출하였다. 자율신경계신호는 4분 데이터를 분석구간으로 하였으며, 1분씩 이동하면서 관련 파라미터를 추출하였다(MATLAB 2010a, The MathWorks, Inc.
본 연구는 열차 운행 중인 기관사의 각성상태를 평가하기 위하여 자율신경계, 중추신경계 생체신호 그리고 운행 환경 정보 즉 열차의 진동상태 및 조도의 급격한 변화가 발생하는 터널 유무 여부를 동시에 측정하였다. 상하행선 동일 기관사에 대해 측정이 이루어졌으며, 총 6회 실험이 수행되었다. 그 중 4회 실험데이터에 대한 분석이 이루어졌다.
본 연구에서는 6명의 기관사를 대상으로 운행 중 생체신호를 측정하였으나, 분석에 부적합한 케이스를 제외한 4명의 데이터를 분석하였다. 생체신호 중 심전도, 피부전도도, 뇌파를 분석하여 기관사의 각성상태를 평가하였다.
본 연구에서는 열차 운행 중인 기관사의 생체상태를 평가하기 위하여 6명을 대상으로 생체신호를 측정하였다. 심전도, 피부전도도, 호흡, 지첨맥파 및 뇌파를 측정하면서 동시에 열차의 진동 상태를 알 수 있도록 3축 가속도 신호, 터널 유무를 기록하였다. 충북선 누리로호 열차 운행 중 제천-전의 상하행 구간 약 1시간 40분간의 신호를 측정하였다.
심전도로부터 RR 간격을 추출하여 심박변동율 파라미터의 시간적 변동을 관찰하였다. 운행 시간 전반에 걸쳐 점차 RR 간격이 길어지는 경향이 나타났다.
비교적 잡음이 적은 F7, 또는 F8로부터 주파수 성분비를 구하였고, Fp1 이나 Fp2로부터 눈깜박임 횟수를 추출하였다. 자율신경계신호는 4분 데이터를 분석구간으로 하였으며, 1분씩 이동하면서 관련 파라미터를 추출하였다(MATLAB 2010a, The MathWorks, Inc. USA). 추출된 파라미터는 표 1~표 3에 정의 및 내용을 설명하고 있다[8, 11-15].
그림 2는 신호 측정용 장비 구성을 나타낸 것이다. 절연구간에서는 전기 공급이 끊어지므로 UPS 배터리를 장착하였고, 열차의 진동 상태를 측정하기 위하여 열차 진행방향에 맞추어 3축 가속도 센서를 세팅하였다. 그리고, 가속도 센서 옆의 빨간색 스위치를 ON/OFF 상태로 하여 터널진입 유무를 기록하였다.
심전도, 피부전도도, 호흡, 지첨맥파 및 뇌파를 측정하면서 동시에 열차의 진동 상태를 알 수 있도록 3축 가속도 신호, 터널 유무를 기록하였다. 충북선 누리로호 열차 운행 중 제천-전의 상하행 구간 약 1시간 40분간의 신호를 측정하였다. 기관사의 열차 운행 중 생체신호 변동을 분석하여 장시간의 단조로운 주행으로 인해 유발될 수 있는 각성상태 저하를 평가함으로서 안전알람시스템 즉 졸음방지 알람시스템에 접목시켜 안전운행에 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
대상 데이터
벨트형 호흡센서는 흉부와 복부 가운데 위치에 부착하였으며, 심전도 센서는 Lead II 유도법으로 흉부에 부착하였다. 뇌파는 캡형 전극 중 4개의 센서(Fp1, Fp2, F7, F8)에서 신호를 획득하였다.
본 연구에서는 6명의 기관사를 대상으로 운행 중 생체신호를 측정하였으나, 분석에 부적합한 케이스를 제외한 4명의 데이터를 분석하였다. 생체신호 중 심전도, 피부전도도, 뇌파를 분석하여 기관사의 각성상태를 평가하였다.
본 연구에서는 열차 운행 중인 기관사의 생체상태를 평가하기 위하여 6명을 대상으로 생체신호를 측정하였다. 심전도, 피부전도도, 호흡, 지첨맥파 및 뇌파를 측정하면서 동시에 열차의 진동 상태를 알 수 있도록 3축 가속도 신호, 터널 유무를 기록하였다.
그림 4는 20초간 측정한 신호를 나타낸 것이다. 생체신호 8채널, 3축 가속도 3채널, 터널유무 신호 1채널, 총 12채널을 동시에 측정하였다.
성능/효과
RRI 및 여러 추출 파라미터의 변동을 아래에 나타내었다. 4명의 기관사로부터 획득한 RR 간격과 나머지 심박변동율 파라미터들의 상관계수를 구하여 파라미터들간의 관련성을 알아본 결과, 상행에서는 SD2, CSI, nLF, LFHF ratio를 제외한 나머지, 하행에서는 nLF를 제외한 나머지 파라미터가 0.6 이상의 높은 값을 나타내었다(SPSS ver. 12).
생체신호 분석 결과, 뇌파의 여러 주파수 성분 중에서 베타파가 정차 역에서 출발하는 시점에 급격하게 증가하였다. 긴장, 또는 두뇌활동이 활발해지면서 베타파 성분이 증가하는 경향을 보인 것은 정차 역에서 출발하면서 속도 조절 등의 열차 운행에 필요한 조종간 조작에 집중을 하게 되므로 각성도 역시 증가된다는 것을 의미한다.
이는 열차 운행은 큰 자극이 없는 단조로운 작업에 해당되며 시각피로 등의 작업부하가 단시간에 유발되지 않았기 때문으로 보여 진다. 실험 전후의 설문 결과에서 또한 기관사는 운행 후 피로감이 거의 증가하지 않은 것으로 나타났다.
피부전도도의 여러 파라미터 중 특히 평균 피부전도도 레벨과 SCR 크기는 유사한 경향을 보였으며 특히 SCR이 신체 움직임에 대해 더욱 큰 반응을 보였다. 절연구간 즉, 버턴 조작(기관사는 반드시 절연구간에서 특정 버턴 조작을 해줌)이 늘어난 구간에서 SCR이 크게 증가하는 경향이 나타났다. SCR의 발생빈도는 놀람, 각성 빈도와도 관련이 있다는 보고가 있으나 본 실험에서는 발생빈도와의 연관성은 찾을 수 없었다.
피부전도도의 여러 파라미터 중 특히 평균 피부전도도 레벨과 SCR 크기는 유사한 경향을 보였으며 특히 SCR이 신체 움직임에 대해 더욱 큰 반응을 보였다. 절연구간 즉, 버턴 조작(기관사는 반드시 절연구간에서 특정 버턴 조작을 해줌)이 늘어난 구간에서 SCR이 크게 증가하는 경향이 나타났다.
후속연구
이러한 다양한 정보를 바탕으로 보다 기관사의 각성상태를 객관적으로 측정, 분석함으로서 안전운행 알람시스템 등에 적용이 가능한 졸음, 각성상태에 관한 기준을 마련할 수 있을 것이다. 그리하여 운전자의 각성수준 저하 정도를 분석하여 사고능력의 저하, 반응시간 지연 등 위험 정도에 맞추어 경고를 줄 수 있는 시스템 개발에 활용할 수 있을 것이다.
특히 본 실험을 수행하기에 앞서 철도청에 협조를 요청하였으며 실험장비의 세팅은 열차 운행 전이나 운행을 멈춘 상태에서 실시하는 등 기관사의 운행 업무에 불편함이 없도록 주의하였다. 기관사 4명의 신호로 분석한 결과로부터 정량적인 결과를 충분히 제시하지는 못하였으나, 주행 환경으로부터 영향을 크게 받는다는 결론을 얻을 수 있었으며 피험자 수를 늘인다면 보다 객관적인 결과를 얻을 수 있을 것이다.
충북선 누리로호 열차 운행 중 제천-전의 상하행 구간 약 1시간 40분간의 신호를 측정하였다. 기관사의 열차 운행 중 생체신호 변동을 분석하여 장시간의 단조로운 주행으로 인해 유발될 수 있는 각성상태 저하를 평가함으로서 안전알람시스템 즉 졸음방지 알람시스템에 접목시켜 안전운행에 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
또한 주행환경에 대한 정보 즉, 건널목에서 경고음을 울린다거나 철도가 휘어지는 구간 등에 대한 보다 세밀한 기록 및 분석이 필요할 것이다. 또한 본 실험의 실험조건의 경우, 상행과 하행이 같은 구간을 운행하지만 시간 조건의 상이성으로 인해 밝기 환경이 전혀 다르다는 점을 고려하여 상행과 하행에 있어 분석방법에 차별성을 두어야 할 것이다. 이러한 다양한 정보를 바탕으로 보다 기관사의 각성상태를 객관적으로 측정, 분석함으로서 안전운행 알람시스템 등에 적용이 가능한 졸음, 각성상태에 관한 기준을 마련할 수 있을 것이다.
본 연구는 열차 운행 중에 발생하는 밝기 환경 정보에 초점이 맞추어져 있으나, 실내 환경은 졸음, 각성에 큰 영향을 미치는 중요한 요인이므로 추후 기관실 내의 산소, 이산화탄소 등의 환경 측정이 요구된다. 또한 주행환경에 대한 정보 즉, 건널목에서 경고음을 울린다거나 철도가 휘어지는 구간 등에 대한 보다 세밀한 기록 및 분석이 필요할 것이다. 또한 본 실험의 실험조건의 경우, 상행과 하행이 같은 구간을 운행하지만 시간 조건의 상이성으로 인해 밝기 환경이 전혀 다르다는 점을 고려하여 상행과 하행에 있어 분석방법에 차별성을 두어야 할 것이다.
본 실험에서 추후 보완해야 될 점은 절연구간, 터널 유무에 대한 정보를 수동으로 입력하게 되므로 측정 신호에 시간차가 존재한다는 것이다. 이는 추후 조도계를 이용하여 밝기 정보를 기록하고, 절연구간에서의 기관사의 몸 움직임은 가속도 센서 등을 몸에 추가적으로 부착함으로서 보완할 수 있을 것이다.
밀폐된 공간에서의 산소, 이산화탄소 등의 환경 요소가 운전자의 각성상태에 영향을 미친다[16]. 본 연구는 열차 운행 중에 발생하는 밝기 환경 정보에 초점이 맞추어져 있으나, 실내 환경은 졸음, 각성에 큰 영향을 미치는 중요한 요인이므로 추후 기관실 내의 산소, 이산화탄소 등의 환경 측정이 요구된다. 또한 주행환경에 대한 정보 즉, 건널목에서 경고음을 울린다거나 철도가 휘어지는 구간 등에 대한 보다 세밀한 기록 및 분석이 필요할 것이다.
본 실험에서 추후 보완해야 될 점은 절연구간, 터널 유무에 대한 정보를 수동으로 입력하게 되므로 측정 신호에 시간차가 존재한다는 것이다. 이는 추후 조도계를 이용하여 밝기 정보를 기록하고, 절연구간에서의 기관사의 몸 움직임은 가속도 센서 등을 몸에 추가적으로 부착함으로서 보완할 수 있을 것이다. 일상적인 상황에서의 신호측정을 위해서는 무구속, 무접촉 시스템의 개발 및 활용이 필요할 것이다.
또한 본 실험의 실험조건의 경우, 상행과 하행이 같은 구간을 운행하지만 시간 조건의 상이성으로 인해 밝기 환경이 전혀 다르다는 점을 고려하여 상행과 하행에 있어 분석방법에 차별성을 두어야 할 것이다. 이러한 다양한 정보를 바탕으로 보다 기관사의 각성상태를 객관적으로 측정, 분석함으로서 안전운행 알람시스템 등에 적용이 가능한 졸음, 각성상태에 관한 기준을 마련할 수 있을 것이다. 그리하여 운전자의 각성수준 저하 정도를 분석하여 사고능력의 저하, 반응시간 지연 등 위험 정도에 맞추어 경고를 줄 수 있는 시스템 개발에 활용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심박변동 율이란 무엇인가?
일반적으로 동일한 장기에는 교감·부교감 신경이 함께 분포하여 길항작용을 함으로써 신체의 균형을 이루게 되는데, 자율신경계의 지배를 받는 장기 중에서 특히 심혈관계는 매우 중요하며 복잡하다. 심박변동 율이란 심장 박동의 주기적인 변화율을 관찰하여 질병의 유무를 판단하는 방법이다. 심박동과 심박동 사이의 간격(RRI, RR interval)은 끊임없이 변화하는데 특히 감정, 체온, 체위, 조명 등과 자율신경실조, 심혈관 질환, 신경병증, 스트레스, 노화 등이 영향을 주므로 연구자들은 이러한 변화를 관찰하여 의미 있는 질병의 상태를 확인하고자 하였고 이에 1996년에는 유럽 심장학회와 북미 심조율 전기생리학회에서 심박변동율의 측정방법, 생리적 해석, 그리고 임상적 사용에 대한 표준이 제정하였다[8].
지난 10년간 우리나라의 철도직원 직무사고의 가장 큰 원인은 무엇인가?
2005년 통계에 따르면 한국 교통사고의 60% 이상이 부주의에 의한 것이며, 일본의 1998년 통계에 따르면 차량 충돌사고의 89%가 운전자 실수에 관련되어 있다고 한다[1]. 특히 지난 10년간 우리나라의 철도직원 직무사고 약 740건 중 90%는 본인 부주의에 의한 것으로 보고되고 있다[2]. 그러나 탈 것에 대한 승객의 승차감, 자동차 운전자의 졸음, 각성 등에 대한 연구[1, 2]는 폭넓게 이루어지고 있는 반면 열차 기관사에 대한 연구는 거의 전무하며 시뮬레이션 실험에 국한되어 있다[3].
이산화탄소가 증가하고, 산소가 감소하여 생기는 문제점은 무엇인가?
또한 밀폐된 운전 공간에서는 이산화탄소가 증가하고, 산소가 감소하게 되면서 산소부족으로 인한 졸림 현상이 나타나게 된다. 특히 산소 섭취가 부족하게 되면 피로가 유발되며 주의력, 기억력, 의사 결정 등의 뇌기능 변화를 초래할 수 있다고 한다[4].
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