Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Bezpečnost osobní dopravy

Dostane výraz auto– ve slově automobil konečně svůj pravý smysl?
 |  12. 7. 2012
 |  Vesmír 91, 398, 2012/7

Budeme-li zjišťovat, co je nejrozšířenější lidskou činností po základních činnostech, jako jsou jídlo, chůze, spánek ap., s překvapením zjistíme, že je to řízení motorových vozidel. Na ně se ve světě ročně spotřebuje pracovní doba řádově 109 „člověkoroků“. A v souvislosti s rychlou motorizací nejlidnatějších zemí světa (Čína, Indie) toto číslo stále narůstá.

Ať chceme či nechceme, automobil se stal nedílnou součástí našeho života a jsme ochotni obětovat mnohé, abychom ho mohli používat. To dokazuje prodej pohonných hmot, jehož objem se prakticky nemění ani při drastickém zvýšení jejich ceny při různých politických krizích.

Není však úkolem tohoto článku zabývat se socioekonomickými otázkami, ale poukázat na možná řešení jednoho z nejvýznamnějších problémů, který rozvoj automobilismu přináší. Pomineme-li vliv na životní prostředí, má automobilismus bezprostřední vliv na své uživatele jako dosti těžká, velmi často smrtelná nemoc. V automobilovém provozu na světě zahyne průměrně každou minutu jeden člověk. Jen u nás zemře každý rok na silnicích přes 1000 lidí, více než 4000 utrpí zranění těžká a 25 000 lehká. Každoroční škody způsobené dopravními nehodami se blíží desítce miliard. Přitom dopravní nehody nejvíce postihují řidiče mezi 25–35 lety, tedy skupinu v nejproduktivnějším věku. Při chřipkové epidemii, která má nesrovnatelně méně obětí, jsou lidé ochotni nosit roušky a domáhat se preventivních opatření, ale cestou z očkování budou klidně předjíždět na dvojité bílé čáře. Tato nemoc je přijímána fatalisticky – mně se nemůže nic stát. Že to není pravda, se může každý přesvědčit na stránkách ministerstva vnitra, kde jsou dostupné příslušné statistiky [2], nebo na stránkách European Transport Safety Council, kde uvidíme, jak špatně jsme na tom ve srovnání se „starými zeměmi EU“. Proč jsme na tom tak špatně a proč mnoho řidičů hraje v podstatě „ruskou ruletu“, je otázkou pro psychology. Naším cílem bude ukázat, zda existuje možnost cestou převážně technických inovací toto tragické skóre snížit, a to nezávisle na psychologických vlastnostech řidiče.

Každý regulační technik, když vidí potřebu pracovní doby v objemu 109 člověkoroků, si okamžitě řekne, že zde je „pole neorané pro automatizaci“. Řadu činností, které řidič provádí, lze skutečně automatizovat. Letíme-li letadlem, pilot odstartuje a zapne automatického pilota, který je nota bene schopen s velkým dopravním letadlem i přistát. Lodě už jezdí asi sto let s automatickým kormidelníkem a v řadě měst jezdí metro bez řidiče. Automatické řízení by mohlo být mnohem spolehlivější než nejistý lidský faktor.

První pokus o automatizaci řízení automobilů v podobě automatické dálnice vznikl před více než dvaceti lety na univerzitě v Berkeley. Představa byla asi taková, že automobily budou vedeny po silnici pomocí virtuální koleje. Jako nejspolehlivější se ukázala kolej tvořená permanentními magnety zapuštěnými přibližně v metrových vzdálenostech do silnice. Po ní by automobily jezdily v kolonách zhruba po deseti vozech v dvoumetrových vzdálenostech a vedoucí vozidlo by sledovaly pomocí adaptivního tempomatu. První vozidlo kolony by bylo ve spojení s nadřazenou strukturou, která pro každý úsek dálnice a příslušnou dopravní situaci volí vhodnou rychlost, eventuálně optimální trasu. Vozidlo, které by chtělo použít automatickou dálnici, by bylo při nájezdu otestováno, zda má potřebné vybavení (magnetometr pro sledování virtuální koleje, adaptivní tempomat a telematické vybavení pro kontakt s nadřazenou jednotkou řízení). Řidič by uvedl příslušnou destinaci a řízení by převzal automat. Před dosažením cíle by byl řidič upozorněn, aby včas převzal řízení a vybočil z automatického pruhu. Projekt byl realizován i vyzkoušen a přinášel řadu výhod: mnohem lepší propustnost silnice (odstranění kongescí), úspory paliva (10–15 % snížením čelního aerodynamického odporu druhého a všech dalších automobilů v koloně) a větší bezpečnost provozu.

Nicméně dosud nikde na světě žádná automatická dálnice není. Všechny technické problémy byly úspěšně vyřešeny a nijak zásadní nebyly ani finanční problémy. Přídavné vybavení pro prototyp by stálo asi 1000 dolarů na jeden automobil, přičemž při hromadné výrobě by se cena radikálně snížila. Celý projekt ztroskotal na nepřekonatelných problémech právních.

Ve většině zemí vycházejí dopravní předpisy z mezinárodních dohod uzavřených před desítkami let, kdy o takovýchto možnostech nikdo nemohl ani uvažovat. Ve většině evropských zemí se dopravní předpisy opírají o tzv. „Vídeňskou úmluvu o silničním provozu“ z roku 1968, v níž jsou mimo jiné dva zásadní body:

§ 8 odst. 5: Každý řidič musí trvale ovládat své vozidlo nebo svá zvířata užitá k tahu.

§ 13 odst. 1: Každý řidič musí ovládat své vozidlo za všech podmínek takovým způsobem, aby byl kdykoliv schopen provést manévr, který si vyžaduje situace.

Na první pohled to sice připomíná pověstného muže s červeným praporkem kráčejícím před lokomotivou z počátků železnic. Na druhé straně je složité rozdělit odpovědnost při automatickém provozu mezi výrobce automobilu, provozovatele telematické infrastruktury automatické dálnice a řidiče. A ještě navíc rychlý technický rozvoj v tomto směru může velmi rychle měnit základní předpoklady (např. přechod na družicovou komunikaci a navigaci). Žádný stát se zatím neodhodlal ke změně legislativy, která by provoz automatické dálnice umožňovala.

Projekt automatické dálnice se předvádí na různých dopravních kongresech a byly z něj realizovány jen dvě drobnosti. Obsluha sněhových pluhů v kalifornských horách využívá magnetickou virtuální kolej, což nesmírně zvýšilo produktivitu. A v Berkeley jezdí jako demonstrace uvedených principů automatický městský autobus, ve kterém sice sedí řidič, aby bylo zákonu učiněno zadost, ale jen pozoruje, jak se volant sám otáčí.

Pokrok se ovšem obrátil jiným směrem. Nemůžeme-li řidiče nahradit, pokusme se mu asistovat. Dodejme řidiči informace z míst, kam nesahají jeho smysly, varujme ho včas před nebezpečím a převezměme za něj činnosti, které vyžadují větší rychlost, než je jeho reakční doba. Tato snaha vedla ke vzniku takzvaných asistenčních systémů, jimž výrazně napomohlo, že různé iniciativy prosadily v předpisech mírné změny s významným dosahem. Připouští se, aby automatické zařízení převzalo řízení vozidla ve dvou případech: při velmi nízkých rychlostech (menších než 10 km/hod) a v případě těsně před kolizí, kdy řidič nestačí adekvátně reagovat. První případ umožňuje mnohem úspornější a bezpečnější pohyb v dopravních kongescích (jízda ve „štrúdlu“). V druhém případě lze zásadně snížit následky dopravních kolizí na posádku automobilu.

Aby mohl automobil automaticky popojíždět v kongesci, potřebuje tzv. adaptivní tempomat. Tempomat je více méně běžné vybavení např. dálkových kamionů. Je to jednoduchý regulační obvod udržující konstantní rychlost nezávisle na stoupání či klesání. Adaptivní tempovat je rozšířen o snímač překážek před vozidlem. Může to být radarový dálkoměr, laserový infračervený dálkoměr nebo např. tzv. LIDAR, což je skenovací laserový dálkoměr. Zachytí-li snímač překážku, může zjistit, zda jde o pohybující se překážku, a přizpůsobit rychlost pro bezpečné sledování jako při jízdě v kongesci. V případě stojící překážky může vozidlo včas a bezpečně zastavit. Uvedené snímače pracují spolehlivě i při snížené viditelnosti, a v případě, že mají dostatečnou rozlišovací schopnost, mohou zobrazit překážku na poloprůhledném displeji na skle před řidičem. Je zřejmé, že systém nepřebírá řízení za řidiče, jen mu „asistuje“. Řidič je stále ve smyslu paragrafů pánem svého vozidla a může tempomat vypnout, nechce-li poslouchat jeho doporučení. Tato zařízení se již běžně vyrábějí.

Jiným problémem jsou neočekávané situace, na které řidič nestačí reagovat. Například jiné vozidlo vyjede náhle z vedlejší silnice. Řidič má jistou reakční dobu. Když dojde signál od oka do mozku, mozek provede analýzu situace a vydá pokyn k zásahu. Než se tento pokyn projeví v noze na brzdovém pedálu, uplyne minimálně okolo 300 ms, ale většinou mnohem více. Za tu dobu ujede auto při 130 km/hod 36 m. Po tuto dobu není řidič schopen jakkoliv reagovat. Automatické zařízení může reagovat mnohem rychleji. Pomocí podobných snímačů jako u adaptivního tempomatu dokáže rozpoznat směr a rychlost pohybující se překážky, predikovat polohu v okamžiku střetu a rozhodnout, zda bude možno projet spíše napravo, či nalevo. Musí-li dojít nutně ke střetu, rozhodne, z které strany bude střet pro posádku bezpečnější. Pak může převzít „krizové řízení“ a vše provést v mnohem kratším čase, než si řidič stačí situaci uvědomit. Těsně před střetem může dotáhnout bezpečnostní pásy a aktivovat příslušné airbagy, eventuálně vyslat nouzové volání o pomoc. I tyto asistenční systémy už patří do výbavy mnohých automobilů vyšších cenových kategorií.

Fyziologické vlastnosti řidiče tvoří významnou položku bezpečnostních parametrů automobilismu. V uvedených příkladech reagují asistenční systémy na problémy vznikající interakcí řidiče a automobilu s okolím, na problémy přicházející z vnějšku. Bezpečnost řidiče však také významně ovlivňují fyziologické děje týkající se jeho samého. Nemáme na mysli problémy psychologického charakteru, ale pokles pozornosti způsobený únavou, který může vést k úplné neschopnosti korigovat polohu vozidla, k mikrospánku. Statistiky o nehodách způsobených těmito důvody se značně rozcházejí, neboť je lze obtížně prokázat. (Málokterý řidič se přizná, že usnul, většinou se bude obhajovat, že byl oslněn, vletěl do výmolu, byl vytlačen ze silnice a podobně.) Podle kvalifikovaných odhadů může být ztráta pozornosti viníkem až 30 % dopravních nehod. Současné moderní automobily mohou průběžně testovat správnou funkci všech důležitých subsystémů, nejslabším článkem se stává lidský operátor – řidič.

Únava není fyzikální veličina, kterou by šlo změřit jako třeba krevní tlak. Jak změřit objektivně únavu a varovat řidiče při dosažení jistého kritického stavu, je vážný problém, kterým se už několik desítek let zabývá řada univerzit a výrobců automobilů, dosud se však nenašlo všeobecně přijímané řešení.

Většinou rozlišujeme únavu fyzickou jako následek vynaložení velké tělesné energie a únavu mentální, ke které může dojít, aniž vynakládáme velkou tělesnou energii, například nedostatkem spánku. V obou případech máme dobré důvody se domnívat, že vznik únavy je spojen se změnou aktivity některých nervových center, a že se tedy účinky únavy budou projevovat v centrálních strukturách v mozku a míše a také v nejinervovanějších svalech. Únava se bude projevovat mnoha různými způsoby od zhoršeného usuzování přes sníženou koncentraci, pomalejší reakce, pomalejší oční pohyby, pomalejší či někdy rychlejší korekční pohyby volantu až po mikrospánek.

Jediný způsob, jak je možno objektivně měřit únavu, je pozitronová emisní tomografie (PET), jejíž pomocí přímo vidíme aktivitu jednotlivých nervových center. Jenže PET je unikátní diagnostická technika vyžadující specializované laboratorní vybavení a není reálné ji použít pro zkoumání únavy řidičů. Další možnou objektivní metodou je EEG, kterou je sice možné použít za jízdy, ale jde opět o techniku vhodnou pro výzkumné účely, nikoliv pro standardní monitorování řidičů.

Všechny ostatní způsoby měření únavy jsou založeny na nepřímých metodách sledování určitých projevů únavy, například změn činnosti nejinervovanějších svalů. Takovými svaly jsou svaly okohybné a průběh mrkání nás může informovat o únavě. (Mrknutí na myografickém záznamu tvoří impuls s velmi strmou náběžnou hranou a exponenciálním doběhem. Jakmile se náběžná hrana začne zpomalovat, je to známkou únavy. Mrknutí ve tvaru „hory Řípu“ naznačuje, že se v nejbližší době prodlouží na mnohem delší dobu, oči zůstanou zavřené a řidič upadne do mikrospánku.)

Na predikci únavy řidiče na základě analýzy očních pohybů se orientuje většina světových výrobců automobilů. Některé japonské firmy již montují do automobilů na požádání zařízení, které sleduje pomocí kamery tvář řidiče, analyzuje oční pohyby a údajně včas varuje před možností mikrospánku. Tento přístup má mnohé výhody, především není nutno na řidiče připojovat žádné elektrody. Dále má každý člověk rozložení cév na pupile individuální jako papilární linie, což umožňuje navrhnout velmi spolehlivý elektronický „zámek“, který pozná svého majitele. Alkohol a mnohé drogy vyvolávají rozšíření těchto cév, takže by bylo možné už při nasednutí zjistit, že řidič je pod vlivem nevhodných látek. Přes intenzivní výzkum však zůstávají podstatné problémy (například snímání očních pohybů u řidiče s brýlemi).

Další nepřímá metoda, kdy není nutno na řidiče nic připojovat, je založena na snímání pohybů volantu. Tuto metodu již řadu let rozvíjí skupina pracující na Dopravní fakultě ČVUT. Automobil se z hlediska příčného řízení (polohy na silnici) pomocí volantu chová jako dvojitý integrátor. Integruje natočení kol – pokud necháme natočení kol konstantní, opustí automobil silnici po nějaké kvadratické křivce. Řidič musí toto tzv. astatické chování neustále kompenzovat, aby vozidlo na silnici udržel. To vede k neustálým malým pohybům volantu (jde o natočení v řádu stupňů), které dělá většina řidičů podvědomě. Tyto pohyby se dějí se střední frekvencí okolo 1 Hz a nesou významnou informaci o fyziologickém stavu řidiče. Abychom získali informaci o únavě řidiče, musíme ovšem nejprve odfiltrovat řadu parazitních signálů. Na pohybech volantu se v první řadě projevuje průběh silnice.

Odfiltrujeme-li vlivy způsobené geometrií silnice, zůstanou nám složky charakteristické pro osobu řidiče, jakýsi „řidičský rukopis“. Některý řidič se tlačí spíše k pravému okraji, jiný má strach z chodců a jede poblíž středního pruhu. Další řidič se baví a jede střídavě při jedné či druhé straně atd.

Teprve odstraníme-li i vlivy „řidičského rukopisu“, dostáváme signál, ve kterém byla dosud složka nesoucí informaci o únavě zcela překryta. Nicméně i potom jde o signál nestacionární, který mění během času své parametry. Nalezneme zde pomalu proměnnou složku, která zachycuje zvolna narůstající vliv dlouhodobé únavy, spánkové deprivace a také krátkodobé rychlé změny parametrů, které právě nesou informaci o nastupujícím mikrospánku.

Manifestace únavy velmi závisí na počátečních podmínkách. Především na spánkové historii. Dalo by se říci, že chronický nedostatek spánku se v tomto ohledu jaksi akumuluje. Dále záleží na tom, v kterou denní nebo noční dobu jízda probíhá. Hrají zde významnou roli změny fyziologických parametrů řidiče v souvislosti s cirkadiánními rytmy. Neméně významnou roli hraje věk a pohlaví řidiče. Pánové starší 50 let usínají za volantem během odpoledního útlumu (potřebují si dát „šlofíka po obědě“). Pro mladé řidiče do 30 let jsou kritické časné hodiny mezi 3. a 6. ráno. Podle statistik je tato skupina řidičů nejrizikovější, pokud jde o mikrospánky. Kupodivu u žen nejsou mezi věkovými skupinami žádné výrazné rozdíly.

Hlavním problémem při výzkumu v této oblasti je potřeba získat dostatečné množství experimentálních dat, a to data naměřená v blízkosti nastupujícího mikrospánku. Pokud chceme nechat řidiče skutečně usnout, nelze dělat experimenty na reálné silnici, ale na simulátoru. Vzhledem k tomu, co dnes o problému víme,1) jsme přesvědčeni, že nepůjde vytvořit nějaký univerzální monitor únavy pro všechny řidiče; buď bude muset být navržen „na míru“ konkrétnímu řidiči, nebo se bude muset na vlastnosti daného řidiče nějakou dobu adaptovat.

Literatura

[1] www.mvcr.cz/clanek/dopravninehody-statistiky.aspx

[2] www.etsc.eu/documents.php?did=4 (vybrat Road accidents data in the Enlarged European Union)

Poznámky

1) Na simulátoru vybudovaném v laboratoři spolehlivosti systémů na Fakultě dopravní ČVUT již byly odměřeny stovky hodin jízd usínajících řidičů – většinou studentů, kteří jednak dělají „pokusné králíky“, jednak v rámci svých projektů a diplomových prací participují na analýze dat. Ale jak to bývá, s postupným vývojem měřicích metod a metod analýzy z těch stovek hodin splňuje všechny požadavky na plnohodnotný experiment jen několik.

DARPA CHALLENGE

Vojákům, kteří se s automatickými vozidly hodlají pohybovat po polích válečných, legislativní omezení technického rozvoje příliš nevadí. Výzkumu a vývoji v této oblasti je věnováno velké úsilí. Dobrou ilustraci poskytuje tzv. DARPA challenge. Americká vládní agentura DARPA (Defense Advance Research Project Agency), která poskytuje prostředky na obranný výzkum, vypisuje závod automatických vozidel, jehož první cena byla zpočátku dotována částkou milion dolarů, nyní dvou milionů dolarů. První závod se uskutečnil na dráze dlouhé 240 km v Mojavské poušti v Kalifornii s cílem v Las Vegas. Nedojel nikdo. Druhý závod dojelo 5 vozidel a vítězem se stal tým Stanfordovy univerzity. V roce 2007 proběhl závod DARPA urban challenge, který se odehrával na dráze dlouhé 96 km a končil v ulicích městečka Victorville v Kalifornii. Automobily bez posádky musely dodržovat všechny dopravní předpisy, dbát na dopravní značky, semafory atd. a proplétat se „normálním provozem“, který z bezpečnostních důvodů simulovalo 30 aut řízených dobrovolníky. Vítězem se stalo tentokrát vozidlo připravené týmem Carnegie-Mellonovy univerzity v Pittsburghu. Tým Stanfordovy univerzity se musel spokojit s druhým místem. Jak je vidět, závodu se účastní převážně skupiny ze špičkových univerzit, tu a tam podporované nějakým výrobcem automobilů. Závod má vynikající atmosféru a do značné míry připomíná atmosféru závodů v době nadšené pro technický pokrok v závěru „belle époque“ (jako byly první oblety Eiffelovy věže ap.). Pokrok je nesmírně rychlý a virtuální kolej již úspěšně nahrazuje družicová navigace.

Vzhledem k tomu, jak rozšířenou činností je řízení automobilu, je překvapující, jak málo víme o chování řidiče. Řidič nastavuje volant do polohy ovlivněné dvěma regulačními smyčkami. Prediktivní smyčkou, která určuje celkový směr pohybu, a kompenzační smyčkou, která slouží k řízení polohy vzhledem k okraji vozovky. Teprve před několika málo lety bylo v Nature publikováno zásadní zjištění, že prediktivní složka je orientována jako tečna k vnitřnímu oblouku silnice ve vzdálenosti několika desítek metrů od řidiče. Pokud by někdo z čtenářů chtěl toto tvrzení falsifikovat orientací na tečnu k vnějšímu oblouku, pak lze doporučit, aby to dělal na silnici obklopené z obou stran volnou loukou. Pokud nemůžeme využít prediktivní složku, drasticky stoupne frekvence pohybů volantu, jak se můžeme přesvědčit při jízdě za husté mlhy, kdy nevidíme dostatečně daleko dopředu a řídíme se jen podle střední dělicí čáry.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Technické vědy
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Petr Vysoký

Doc. Ing. Petr Vysoký, CSc., (*1939) vystudoval Elektrotechnickou fakultu ČVUT. Po kratším působení v Ústavu teorie informace a automatizace ČSAV přešel roku 1964 na katedru řídicí techniky Elektrotechnické fakulty ČVUT. Zabýval se adaptivním řízením, obecnou teorií systémů a kybernetikou, biomedicínským inženýrstvím a fuzzy logikou. V letech 1996–2000 vedl laboratoř inženýrsko-medicínské diagnostiky Centra biomedicínského inženýrství ČVUT, kde byl zahájen výzkum vlivu únavy na lidského operátora-řidiče. V současné době se touto problematikou zabývá na Dopravní fakultě ČVUT.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné