XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система мониторинга состояния водителя перед поездкой на автомобиле.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
По данным Национального фонда сна (National Sleep Foundation), от 10 до 30 % всех ДТП происходит из-за водителей, испытывающих сонливость или же уснувших за рулем. Дело в том, что человек не способен отличить обычную усталость от состояния, когда он уже провалился в сон. При управлении автомобилем в состоянии утомления водители допускают ошибки, которые приводят к ДТП [1].
Мы хотим разработать приложение для смартфонов для тестирования водителей перед поездкой, чтобы определять есть ли утомление у человека и какой оно степени. В случае успеха, мы сможем поделиться нашей разработкой с другими людьми.
Различают утомление и усталость [2]:
Утомление — это процесс временного снижения работоспособности, наступающего в результате работы. Это объективный процесс, при котором наступают изменения в организме человека, которые могут быть определены объективными методами.
Усталость — это те переживания, которые человек чувствует во время утомления. Когда организм сигнализирует о необходимости прекратить работу для того, чтобы избежать расстройства функций нервных клеток.
В результате утомления нервных клеток возникают нарушения психических процессов: восприятие, скорость мышления, память, внимание, скорость реакции, теряется чувство скорости, нарушается точность и координация движений, возникает вялость. Кроме того, снижается острота зрения, суживается поле зрения, учащается пульс, повышается кровяное давление.
Принципов и методов измерения утомления довольно много [2]. Но большинство из них довольно сложные. Мы обладаем начальным уровнем программирования и не можем программировать слишком сложные приложения, поэтому начнем с простых схем.
Постановка целей и решение задач исследования
Цель нашего исследования – найти, какие есть признаки утомления, как их можно измерить, и научиться использовать объективные методы измерения утомления, понятные нам и другим ученикам со знаниями начальных классов.
Гипотеза: существуют параметры утомления, которые можно измерить, и которые мы сможем использовать в нашей программе.
Задачи, которые нужно решить:
Определить, какие признаки утомления можно измерить;
Разработать тесты, вопросы, программу, которые помогут измерить параметры, влияющие на усталость. Определить границы нормы и не нормы;
Провести испытания на близких, своем окружении после отдыха и после работы;
Провести анализ эксперимента и выбрать какие параметры подходят, чтобы написать программу.
План исследований
Мы разделили работу на 3 этапа:
Определить, какие признаки утомления можно измерить.
Для того, чтобы определить признаки утомления, мы нашли и изучили информацию в интернете, взяли простые для понимания статьи, потому что мы еще учимся в начальных классах. Поэтому сначала нужно узнать, что изменяется у человека при утомлении.
Определить, какие ограничения и требования к тестам дают доступные нам технологии разработки мобильных приложений.
Мы можем быстро сделать прототип программы в среде разработки Scratch. Но нужно знать, что в этой среде разработки можно сделать, а что – нет. Понять, какие изменения мы сможем измерить через программу.
Разработать тесты, вопросы и алгоритмы тестирования, которые помогут измерить параметры, влияющие на усталость.
После того, как мы определились, узнали, что изменяется у человека при утомлении, и выбрали параметры, которые будем измерять, нужно разработать систему, которая может эти параметры измерить.
Провести испытания на близких, своем окружении после отдыха и после работы. Провести анализ эксперимента. Определить границы нормы и не нормы, которые можно заложить в программу
Научно-исследовательская часть
Признаки утомления
Мы проанализировали литературу [1-5]. Далеко не всегда чувство усталости соответствует степени утомления. Человек в состоянии утомления может и не чувствовать усталости под влиянием эмоционального возбуждения, опасности, интереса к выполняемой работе, чувства долга, ответственности за порученное дело. Именно по этой причине водитель в продолжительном рейсе испытывает чувство усталости в меньшей степени, чем сидящий рядом пассажир, хотя длительное управление автомобилем, естественно, приводит к большему утомлению водителя, чем бездействующего пассажира. Поэтому в работе нашей программы мы не можем опираться на субъективное суждение человека, нам нужны объективные способы оценки.
Мы выделили следующий список признаков утомления:
внимание ослабевает, появляются трудности при переключении внимания;
снижается память;
замедляется скорость реакции;
замедляется мышление (снижается скорость переработки информации);
ухудшается зрительное восприятие (н-р, оценка расстояний до объектов и скорости их движения, сужение полей зрения).
Что позволяет смартфон
Разработку приложения для смартфонов можно быстро сделать в Thunkable – бесплатной браузерной среде разработки мобильных приложений под iOS и Android [6, 7].
В Thunkable можно создать простое приложение с интерфейсом, реализовать навигацию между экранами, работать с мультимедиа, хранилищами данных, базой данных Firebase, таблицами AirTable, синтезатором речи, камерой, службой распознавания изображений Microsoft и др.
Thunkable позволяет сделать приложение для тестирования с сохранением данных через интернет. В учебнике есть урок «Build a Survey App with Thunkable - Connect to an Airtable Database» («Создайте приложение для опроса с помощью Thunkable - Подключитесь к базе данных Airtable»).
Airtable — это сервис в интернете, который выглядит как электронная таблица, но на самом деле действует как база данных, поэтому он может хранить не только текст, но и данные в специальных форматах, например, даты и время, может хранить файлы, изображения и связывать записи между электронными таблицами. Таким образом, мы можем создать такую программу, чтобы результаты измерений сохранялись в нашей таблице Airtable независимо от нас, и мы смогли бы собирать статистику по результатам измерений.
В Thunkable есть стандартный набор текстовых элементов интерфейса и кнопок. Текстовые задачи мы реализовать в программе сможем. Есть возможность вставлять в интерфейс картинки, но возможности рисовать геометрические фигуры – нет. Это может создать ограничения для тестов с графикой.
Есть возможность пользоваться всеми датчиками смартфона: акселерометр, магнетометр, гироскоп, камера, узнать время смартфона и засекать время в таймере.
Для того, чтобы проверить то, что мы действительно можем разработать приложение, мы создали тестовую программу (см. Рис 1.). В процессе разработки стало ясно, что в дальнейшем нам потребуется разработать детальный алгоритм действий пользователя в программе. Визуальное программирование в Thunkable точно повторяет алгоритм программы, описанный словами. Но когда визуальные блоки не помещаются на экран, в них легко можно запутаться. Кроме того, когда мы построили алгоритм в виде схемы, мы лучше поняли, как делать программу (см. Рис. 2).
Разработка тестов
Изучили различные тесты [2] и с учетом возможностей Thunkable, выбрали такие способы определения утомления:
(Память) Прочитайте 10 слов в течение 10 секунд, затем выберите из предложенного списка те слова, которые вы прочитали ранее.
Например: карандаш, слон, яблоко, комар, стакан, стул, книга, вилка, батон, остров, телефон, река ...
Норма 5-9 слов, 5-9 слов = 1 балл, >9 = 2 балла, <5 = 0 баллов, но можно и за каждое слово начислять 1 балл.
Общее количество слов в программе - 100, слова для теста выбираются случайным образом в количестве 10 слов.
(Мышление) Решите 5 примеров по математике за определенное время. Например: отнимите от числа 100 цифру 7 пять раз. Числа и тип задачи выбираются случайным образом.
За каждый правильный ответ 1 балл.
(Мышление) Выберите на каких часах изображено правильное время. Например: без пятнадцати минут двенадцать часов.
Картинок часов может быть снова 100, храниться они могут в Airtable, а для теста – выбираться случайным образом из базы.
За каждый правильный ответ 1 балл.
(Мышление, внимание) Прогрессивные матрицы Равена
Методика "Шкала прогрессивных матриц" была разработана в 1936 году Джоном Равеном (совместно с Л. Пенроузом). Тест прогрессивные матрицы Равена (ПМР) предназначен для диагностики уровня интеллектуального развития и оценивает способность к систематизированной, планомерной, методичной интеллектуальной деятельности (логичность мышления).
На каждом отдельном рисунке в верхней половине листа находится прямоугольник, имеющий определенный фон или составные элементы (фигуры), связанные между собой некоей зависимостью (см. пример на Рис. 3). В правом нижнем углу прямоугольника имеется вырез – свободное, пустое место. Под прямоугольником находится 2 ряда фрагментов (шесть или восемь), которые по форме и величине точно подходят к вырезу прямоугольника. Каждый предложенный фрагмент имеет различный рисунок. Вашей задачей является найти в ряде фрагментов тот, который точно вписался бы в свободное место. Предпосылкой правильного решения является логическое рассуждение о том, по какому закону составлен рисунок в прямоугольнике, пустое место в котором вы должны заполнить [8-9].
Можно использовать несколько матриц в тесте и за каждый правильный ответ начислять 1 балл, за неправильный 0 баллов.
(Скорость реакции) Перед вами экран, на котором меняются цвета, нажимайте на кнопку, когда появится красный (жёлтый, зеленый, синий, черный, белый, серый и др. цвет). За каждую верно нажатую кнопку начисляется 1 балл.
(Внимание) Тест с «птичками». Иконка птички и иконка чего-то похожего по силуэту, но другое по смыслу. На экран выводится случайное количество первых и вторых иконок. Нужно на скорость сосчитать птичек. Вместо птичек могут быть, например, буквы «О» и цифра «0» (см. Рис. 4).
(Память) Запомните последовательность цифр от 1 до 9 (например, 132547698) или последовательность нескольких чисел (0010101). Последовательность цифр можно генерировать случайным образом. Предложить восстановить последовательность через вопрос.
(Внимание) Тесты в стиле «паззл», когда из ряда картинок нужно выбрать недостающий фрагмент (см. Рис 5). Картинки можно использовать из [10]
(Внимание) Тесты на внимание со счетом пересекающихся простых геометрических контуров (см. Рис. 6) [11].
(Внимание) Картинки со слабоконтрастными изображениями (см. Рис. 7) [12]. Можно найти больше таких картинок и менять их. В этом вопросе можно использовать время на ответ.
Выбранные нами тесты проверяют все признаки утомления: внимание, память, скорость реакции, мышление и зрение. А так же выбранные тесты точно можно реализовать в Thunkable.
Эксперименты
Тесты с сайта konstruktortestov.ru проверяют внимание логику и скорость мышления. Мы проверили, есть ли отличия в скорости и правильности прохождения этих тестов у бодрых и уставших людей, чтобы понять, можно ли с их помощью определить утомление. Люди для эксперимента отбирались не только по субъективному ощущению бодрости/усталости. Тесты проходили только выспавшиеся люди с утра и утомленные люди вечером или после тяжелой работы. Один человек проходил тест после 9 часов вождения машины.
Результаты экспериментов приведены на диаграммах на Рис. 8.
По результатам экспериментов видно, что:
чаще всего бодрые делают меньше ошибок, но это не всегда верно для задач на логику и счет;
часто бодрые люди тратят больше времени на ответ на задачи на логику и счет и меньше на скорость реакции и внимание;
бодрые люди лучше различают цвета, т.к. быстрее и более правильно решают задачи на зрение, это более надежный тест.
Выводы
Определение утомления возможно с помощью тестирования на внимание, память, скорость реакции, мышление и зрение. Такие тесты можно реализовать в виде программы для смартфона с помощью доступных нам технологий, платформы Thunkable. Мы проверили работоспособность тестов на внимание, скорость реакции, мышление и зрение. Отличия в результатах утомленных и бодрых людей видны.
Мы подготовили материалы для проведения следующего исследования. Дальнейшие шаги нашей работы:
По собранным нами материалам разработать программу для смартфона для сбора статистики через интернет.
Дать программу большому количеству людей и просить проходить тесты в разных состояниях: утомленными и нет.
Собрать статистику и по ней попробовать определить критерии, как отличать утомление.
Если удастся определить критерии, сделать финальную версию программы, которая будет определять утомление сама.
Литература
Усталость за рулем. https://www.autoprava.ru/article/?id=584 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Утомление и усталость. Признаки и причины утомления водителя. https://studopedia.ru/14_123654_utomlenie-i-ustalost-priznaki-i-prichini-utomleniya-voditelya.html [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021)
5 признаков усталости водителя, игнорирование которых может стоить жизни https://www.adme.ru/svoboda-sdelaj-sam/5-priznakov-ustalosti-voditelya-
ignorirovanie-kotoryh-mozhet-stoit-zhizni-1687265/ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Признаки утомления. https://yandex.ru/turbo/ilive.com.ua/s/health/priznaki
-utomleniya_106337i16002.html – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Методические рекомендации по тестированию будущих водителей автомобилей. https://infourok.ru/metodicheskaya-razrabotka-po-testirovaniyu-voditelej
-4172153.html – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Thunkable X – бесплатная браузерная среда разработки мобильных приложений под iOS и Android. https://habr.com/ru/post/353584/ – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Пара слов о THUNKABLE. https://alexgyver.ru/about_thunkable/ – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Тест Равена. Шкала прогрессивных матриц. Raven Progressiv Matrices. Методики для диагностики интеллекта. https://psycabi.net/testy/717-test-ravena-
progressivnye-matritsy-raven-progressiv-matrices-metodiki-dlya-diagnostiki-intellekta-vzroslykh – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Прогрессивные матрицы Равена .https://psychojournal.ru/tests_online/
129-progressivnye-matricy-ravena.html – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Тест на внимание и логику https://konstruktortestov.ru/test-9466 – [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Быстрый тест на внимание https://konstruktortestov.ru/test-24944 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Тест на возможность сосредотачиваться на мелких деталях https://konstruktortestov.ru/test-13609 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: свободный (20.02.2021).
Приложение
Рисунок 1. Пробная программа тестирования
Рисунок 2. Схема работы пробной программы
Рисунок 3. Матрицы Равена
Рисунок 4. Пример теста в с мало отличающимися изображениями
Рисунок 5. Пример теста в стиле «паззл»
Рисунок 6. Тест на внимание со счетом пересекающихся простых геометрических контуров
Рисунок 7. Картинки со слабоконтрастными изображениями
Рисунок 8. Результаты экспериментов.