ドライバーの覚醒低下警告・防止に向けた技術開発

57特集 ● 長時間運転と疲労／報告

ドライバーの覚醒低下警告・防止に向けた技術開発
金子成彦＊

藤田悦則＊＊

わが国では最近の度重なる居眠り運転事故によってその悲惨さが認知され、居眠り運転の防止に社会的関心が高まっている。居眠り運転を防止するためには危険な状態を検知し、警告することが有効である。しかし、居眠り自体を検知できたとしても、すでに事故が起こっている可能性が高いため、事故防止効果は薄い。このため入眠に至る前の入眠の予兆現象を検知する必要がある。本稿では、入眠の予兆現象の検知に関する筆者らのグループによる研究開発の経緯と現状について、解説を行う。

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いつでも起こりうる事故であると考えられる。居眠．まえがき
20
1
2
年

り運転事故の悲惨さが認知され、居眠り運転の防止

月29日に関越自動車道でツアーバスの運に社会的に関心が高まっている。

転手が居眠り運転をしたことにより防音壁に衝突し、居眠り運転を防止するためには危険な状態を検知人が死亡、39人が重軽傷を負う事故が起こった。

し、警告することが有効である。しかし、居眠り自総務省が平成21
年に貸切バス運転手136人に行った調体を検知できたとしてもすでに事故が起こっている

査では、運転手の89％が運転中、睡魔に襲われたり可能性が高いため、事故防止効果は薄い。このため居眠りしたりした経験があると答えた ）。このこと入眠に至る前の入眠の予兆である現象（以下、入眠から、この居眠り運転事故は特殊な事例ではなく、予兆現象）を検知する必要がある。また、運転者の眠気は運転時間中に徐々に上昇し、我慢ができなく＊ 東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻教授なった時点で入眠すると考えられるので、運転者のProfessor,
Dept.
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TheUniversityofTokyo＊ ＊ ㈱デルタツーリング常務取締役
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aToolingCo.
原稿受理 2013
年3月21日ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ． ，Ｎｏ．

眠気の推移を検知することも同様の効果が期待できる。
筆者らの研究グループは、ドライバーの状態見守りシステム（Fig.
1）を構築し、安心・安全社会実現に（）

May,201358金子成彦、藤田悦則

貢献するため、03
年に「入眠予兆研究会」を結成しいる。また、評価のためのアルゴリズムについても、て、背部大動脈脈波の揺らぎを利用した居眠り予知、時刻歴波形処理による方法、周波数領域情報に基づ

疲労度の評価のための着座センサーと信号処理技術

く方法に始まり、最近では、脈波の揺らぎと眠気とを開発し、改良を加え、特許や論文の形で公表し、の相関に基づいた眠気推定関数の提案を行っている。

）
展示会等で発表してきた 〜 （Table1）。その結果、本稿では、これまでの開発の経緯と現状について解開発した着座センサーによって着衣状態でも脈波信説を行う。

号が取得できることが明らかになり、以来、この着．着座センサーの開発

座センサーによるドライバーの覚醒低下警告と状態−推定を利用した覚醒誘導に向けた技術開発を行って着座センサーの構成

ドライバー/管理者

搭乗〜移動時

本人認証
初期疲労度
酔度

異常検知
現場報告
復旧作業の最適化
意志決定支援生体揺らぎ信号センサー位置
入眠予兆
疲労進行度
警告音、覚醒機能の発動停止時
走行時
事故時

搭乗前後/覚醒時

肉体損傷度
被害者の座標健康度・疲労度・酔度・賦活度
データベース／
データウェアハウス

搭乗前
搭乗後

睡眠時

解析／診断
シミュレーション
データマイニング（現場報告の整理スクリーニング ）搭乗前後/睡眠時
睡眠パターン・仮眠パターン・覚醒/疲労分析

Fi
g.1 着座センサーの活用方法：研究概要図
Tabl
e1 着座センサーによる入眠予兆研究の流れ
'02

'03

原著
論文

特許
出願

展示会
講演会

'04

'05

'06

'07

'08

傾き時系列考案
疲労計測法/入眠予兆解析手法の考案
着座疲労の評価法（原著論文/人間工学）
入眠予兆現象（原著論文/人間工学）
疲労度の評価（原著論文/疲労と休養の科学）
入眠予兆検知（原著論文/インド睡眠学会）
入眠予兆検知（原著論文/インド睡眠学会）

'09

'10

'11

IEEE Transactions on Information
Technology in BioMedicine入眠検知着座センサー
疲労度検知
シート
生体評価
飲酒
モーターショー
人テク/自動車技術会
人間工学会
機械学会

補助委託

JRTT
（入眠予兆）

JRTT（飲酒）

地域イノベーション事業 国土交通省パイロット事業受託

プレチスモスグラム
（指尖）
センサー
研究開発

耳朶圧電センサー（尻下）

国際交通安全学会誌 Ｖｏｌ． ，Ｎｏ．

導波管型センサー
（腰部）

（尻下）

（）

（感度と座り心地向上）

平成年

月

5
9

ドライバーの覚醒低下警告・防止に向けた技術開発

バック
ベースネット

導波管型センサー

クッション
ベースネットAir Pack Output V[V]

0.30

0.29

0.28

0.27

04
6Time[sec]2810Fig.3 着座センサーによって取得された生体信号

Fi
g.2 着座センサーシート

長時間運転時にドライバーの生体信号を、運転の邪魔にならないシートバック部分から着座センサーによって取得するためのシートの開発を発案し開発した（Fig.
2）
。このシートの背面には、一対の着座セAir Pack Output V[V]1.20.80.4ンサー（図中では導波管型センサー）が装着されてい0る。以下に、着座センサーの詳細について紹介する。

04ルムはポリエステル系ウレタンエラストマーシート

Fig.4 指尖容積脈波波形
100

れ、ウレタンエラストマーシートと3Dネットの間には空気層が確保されている。3Dネットは、ばねゼロを作ることに寄与しており、衣服の影響を受けない状態での脈波の測定を可能にしている。また、Heart Rate[1/min]

で、内部にはメカニカルフィルターとしての機能を持った三次元立体編物（以下、3Dネット）が装入さ

着座センサー内の圧力変動はマイクロフォンで電気信号に変換される。
−806040

背部大動脈脈波の揺らぎ信号検知アルゴ

着座センサーによって得られた生体信号波形の一

Sheet-backFinger

200リズム128Time[sec]

着座センサーに用いられている振動を伝えるフィ

0103020
Beat Number4050Fi
g.5 指尖容積脈波と着座センサー信号から求めた心拍数の比較

例をFig.
3に示す。呼吸成分由来と思われる長周期大カットするフィルタリング操作を行った。また、最振幅の成分と、脈波由来と思われる短周期小振幅の終的に得たい心拍変動を求めるときには、機械シス成分と、電気的・機械的なノイズと思われる成分がテムの故障診断に用いられる手法を参考にして、同含まれていることが分かる。また、Fig.
4には、指先期加算、絶対値処理、ヒルベルト変換のに取り付けたプローブによって測定された指尖容積号処理手法を用いて結果を比較検討し、最適な手法脈波波形を、着座センサーによって得られた生体信を採用することとした。ヒルベルト変換を用いた結号波形との比較のために示す。

果と絶対値処理によるものを比較したところ、ほと本研究では、脈波成分のみを検討対象としている
ため、呼吸由来の成分や電気的・機械的ノイズ成分んど差がなく、絶対値処理が適当と判断し、この方法を採用している 、 ）。

を除去する必要がある。脈波成分を強調するためにはセンサー信号の原波形の種類の信Fi
g.
5は、指尖容積脈波と着座センサー信号から求階微分をとり、電気的・めた心拍数を比較して示したものである。このよう機械的ノイズ成分を除去するために、高周波成分をに、着座センサーからの信号に適切な信号処理を施ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ． ，Ｎｏ．

（）

May,
2013

60

金子成彦、藤田悦則

心臓・大動脈

筋肉・骨格

皮膚A）
疲労度合いと入眠予兆推定モデル
12年2月発売衣服Fi
g.8 トラック・バスドライバー用に販売開始した状態推定・
覚醒誘導装置シートバックセンサー

Fi
g.6 脈波が着座センサーに到達するまでの信号の流れられていることが分かる。衣服の影響をばね定数の変化と仮定して計算しても共振周波数の変化の程度

Prase[degree]

Gain[dB]

脈波成分-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100B）
覚醒誘導モデル13年4月発売予定

は小さく、測定対象となる周波数帯ではその影響を受けにくいことが判明している。これら、一連の研究によって、指先で測定した指尖容積脈波から得られる脈波の揺らぎ情報と同等の情報を、シートに取10-1

100101り付けた着座センサーによって、取得できることが102確認された。

0-50-100-150-200-250．トラック運転手用体表脈波計測装置への展開
−

研究の背景

近年、国土交通省の「運輸安全マネジメント制
10-1100101Frequency[Hz]度」 ） の導入等により経営トップから現場まで一丸102となって安全管理体制の構築・改善を図る活動が行Fi
g.7 背部大動脈の血圧変動に対するセンサー内圧変動の伝達関数

われてきた。しかし、大手事業者と中小事業者の間には、安全意識・安全対策にギャップが存在し、中小事業者の安全対策のレベルを引上げることが課題すことによって、心拍数の変化をほぼ正確に把握すとなっている。そこで、中小事業者が容易に導入することができることが分かる。

ることができ、運転者の体調管理や走行中に生じる−さまざまな事故の要因を軽減するシステムの開発が伝達関数による着座センサーの動特性脈波が着座センサーに到達するまでの信号の流れ望まれている。

を、Fig.
6に示す。背部大動脈の血圧変動が、筋肉・筆者らのグループは、シートではなく運転席の背骨格を通して皮膚を加振し、衣服を経由して着座セもたれ部分に設けたセンサーマットから非拘束で取ンサーを振動させる。その振動は、圧力変化として得される、体表脈波による体調管理システムを提案計測される。背部大動脈の血圧変動が皮膚を加振すしている 、 ）。

る部分を粘弾性モデル、また、衣服の効果も粘弾性−装置と信号処理方法モデルを仮定し、着座センサーの振動が圧力に変換Fig.
8は、トラック・バスドライバー用に販売開始される部分には圧力伝播モデルを仮定して、これらした状態推定・覚醒誘導装置を示す。背中からの体のモデルを結合することで、背部大動脈の血圧変動表脈波や呼吸、および体動を含んだ圧力変動波形を、に対するセンサー内圧変動の伝達関数を求めること

マイクロフォンを用いたセンサーユニットからが可能となる。求められた伝達関数の一例をFi
g.
7にmsecの時間間隔でA/D変換を行い、内部CPUで眠気示す。

や疲労等の状態推定の演算をリアルタイムで行って脈波成分の周波数帯域である0.
5〜2.
0Hz付近ではいる。

ゲインも位相も変化が小さく、フラットな特性が得

国際交通安全学会誌 Ｖｏ
ｌ． ，Ｎｏ．

（

その手順は以下のとおりである。まず、センサー）

平成年月

61

ドライバーの覚醒低下警告・防止に向けた技術開発
1200
RR interval[msec]

センサーマット

1000

80

RR interval

60
800
40600

20

real sleepiness
400

02040

Fi
g.9 システムのトラックへの装着状態ユニットで得られた圧力変動波形に平滑化を適用する。平滑化

sleepiness score[points]

本体

100WMA（500）
RR int.

060time[min]階微分階微分を適用することで、呼Fig.10 被験者AのRR間隔とそのWMAの推移および眠気得点の推移

吸や体動といった低周波帯域と高周波帯域のノイズ成分を同時に除去し、る。次に、平滑化

拍ごとの変動成分を強調す

を、点数が上がるにつれて眠気が強いことを、そし00点が「とても眠い」を表す。
階微分波形に全波整流を適用し、 て1尖頭波検波を検出するためのピークを作成する。最実験は、RR間隔の日内変動の影響を軽減するた

後に、全波整流波形に検波を適用後、所望の帯域でめに、14時〜16時の時間帯で行うこととした。また、

ある0.
5〜3.
0Hzのローパスフィルタとハイパスフィ

同様の理由で、実験ルタを組み合わせて、体表脈波の検出を行う。

喫煙を禁止した。被験者は、指先に脈波測定器を装−時間前から、被験者の飲食、着し、自動車用シートに座り、目の前のタイマーをトラック運転手の体調推定法

事業用のトラック・バスの運転手による交通事故
件数は比較的少ないものの、事故が発生した場合、見ながら分毎にVASに眠気を記録させた。なお、実験時間は60分とした。
−

重大事故に結び付きやすい。そこで筆者らは、運転結果と考察席の背もたれ部分に設けたセンサーマットから非拘上記の実験を、22〜23歳の男性被験者Ａ〜Ｆの束で体表脈波を計測し、運転手の体調の変化、集中人に対して行った。Fig.
10に被験者ＡのRR間隔、平力の有無、眠気の発生、入眠予兆現象を把握可能な滑化したRR間隔および眠気得点の推移を示す。図中

常時モニタリングシステムを開発し、トラックの運の平滑化したRR間隔は、式（1）に示す、データ点数

転台に装着した（Fig.
9）。その後、トラック・バス事m＝500のときの線形加重移動平均（WMA）である。

業者への実証実験により、事業者・運転手が本システムを活用し易くするための改善も行った

WMAi =）。

．眠気推定関数による入眠予兆ぎから算定できる平滑化したRR間隔＊ と主観的な眠）、この関係を定量化するために、被験者毎に得られる眠気推定……⑴

RR間隔と眠気得点の相関の強さを定量的に評価する
ために、500
点WMAと眠気得点の相関係数を求めた
ところ、被験者Ｃ以外においては高い相関係数が得られた。
また、RR間隔のｍ点WMAと眠気得点の相関係数

関数 （Sx）
から、眠気の強さ、睡眠中の時間帯を推定は、m＝1000のときに、比較的高いことが分かった。

することを目指して研究を行った。
−m+（m-1）+…+2+1

被験者Ａ〜Ｆの実験結果において、平滑化した

別の方向からの研究として、筆者らは脈波の揺ら気の強さには相関があることを見つけ

mpi+（m-1）pi-1+…+2pi-l+2+pi-l+1

そこで、Fig.
11に、RR間隔の1000
点WMAと眠気得実験

実験ではRR間隔と眠気の関係を検討するために、点の散布図を示し、最小乗法によって両指標からRR間隔を測定しながら、眠気の時間変化を記録する近似した次関数を描いている。図より、この実験を行うこととした。RR間隔は脈波を計測するこ関数は、各被験者固有の関数であることが分かる。とで、測定する。眠気の変化を記録する方法として、 次に、この各人固有の次次関数を眠気推定関数 （Sx）

主観的眠気評価尺度VisualAnalo
gueScal（eVAS）をとしたとき、この関数を用いてRR間隔のWMAから用いる。このVASに記録した被験者の主観的な眠気＊

心臓が収縮するときに発生する電気の流れを示すR波の間隔を表す。

）

May,
2013

は0〜100点に変換され、0点が「とても目覚めている」

ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ． ，Ｎｏ．

（62金子成彦、藤田悦則sleepiness score[points]

100

ズ統計理論に基づいた入眠予兆判定を取り入れるな
subject E

80

どして、さらなる精度向上を可能とするアルゴリズ

subject F

subject B

ムの改善が望まれている。
［謝辞］

60

本研究の初期の頃の成果は、J
RTTの運輸分野に
40

subject A

おける基礎的研究推進制度（200402）「入眠予兆検知

subject C

subject D

着座センサーによる居眠り運転防止技術の開発」の20ご支援によるものである。また、多くの被験者のご
0600

700

900

800

1000

1100

1200

協力を得て有意な知見が得られたものであり、この場を借りて感謝申し上げる次第である。なお、トラ

WMA（1000）
of RR int[msec]
Fig.11 各被験者の1000点WMAと眠気得点の散布図および両指標を最小 乗法により近似した 次関数

ックドライバーの体調推定の部分は、平成22年度国
土交通省運輸安全パイロット事業「先進安全技術の活用等による運輸安全対策事業」の支援を受けて実sleepiness score[points]

120

during sleep施されたものである。実験にご協力いただいたトラック事業者および運転手の皆様に感謝いたします。

10080

参考文献

60

ス会社→運転手

estimation by S（x）
A200）産経ニュース「【高速バス衝突】旅行会社→バ

real sleepiness

40

02040

強要の連鎖、しわ寄せは『安全』に」▶htt
p://sa
nkei.
jp.
msn.
co
m/aff
ai
rs/print/
1
20501/
ds
t
1
2050
100
300001c.
ht
m 2012
年

60

月日アクセスtime[min]Fig.12 被験者Aの 回目の実験における眠気得点とS（x）よAり求めた眠気）金子成彦他「研究開発の目的と実施体制」『研眠気得点を推定することが可能であるか確かめる。

）金子成彦、山崎由大「脈波計測の意義の物理的究成果（最終版）入眠予兆検知着座センサーによる居眠り運転防止技術の開発』p.
3、2004
年

被験者Ａに回目の実験の検証と計測法の妥当性を裏付けるための根拠調

回目の実験結果から得られたS（xをA ）査」『研究成果（最終版）入眠予兆検知着座セン

回目の実験を行い、眠気得点と、利用して推定した眠気得点を比較した。それらの比サーによる居眠り運転防止技術の開発』pp.
35-

較をFi
g.
12に示す。この図より、すべての睡眠中の85、2004
年

時間帯が推定できていることが分かる。

）藤田悦則他「覚醒状態を維持する着座姿勢とシこのように、眠気の程度とRR間隔の間には強い相ート構造に関わる研究」『研究成果（最終版）入関があり、この情報を活用すれば、眠気の到来が近眠予兆検知着座センサーによる居眠り運転防止いことをドライバーに伝えることができる。ただし、技術の開発』pp.
160200、2004年

眠気推定関数は個人に依存するため、脈波から得ら）金子成彦、三好竜介「シートに取り付けた脈波れる情報を用いて個人差によらない眠気推定を行う計測用エアパックセンサーのモデリング」『日ことを目標としたベイズ推定を用いた入眠予兆の研本機械学会福祉工学シンポジウム2008
講演会講究を現在進めているところである。

演論文集』No.
0828、 pp.
185188、山口大学工学部、2008
年．おわりに）金子成彦、馬場智紹「シートに取り付けた脈波計測用エアパックセンサーの設置位置と精度の本稿では、入眠予兆や眠気推定を実現するためのハードとソフト両面にわたるアイデアからシステム検討」『福祉工学シンポジウム2009講演論文集』

開発までの流れについて概略を述べた。今後、予測

日 本 機 械 学 会No.
093
109、09.
2426、高 知 工 科大、pp.
7174、2009年

精度を高めるためには、データ数を増やし検証を重） ▶ ht
tp://www.
mlit.
go.
jp/unyuanzen/out
line.

ねる必要がある。また、複数の指標を基にしたベイ

国際交通安全学会誌 Ｖｏ
ｌ． ，Ｎｏ．

（）

平成年

月

63

ドライバーの覚醒低下警告・防止に向けた技術開発

10）落合直輝、前田慎一郎、内川竜一、小倉由美、

html）前田慎一郎、小倉由美、藤田悦則、村田幸治、藤田悦則、村田幸治、亀井勉、金子成彦、吉栖

亀井勉、吉栖正生、金子成彦「トラック運転手正生「体表脈波を用いた長距離運転手の業務管用体表脈波計測装置の開発」『日本人間工学会

理ソフトの開発」『日本人間工学会中国・四国

中国・四国支部、九州・沖縄支部合同開催支部

支部大会講演論文集』pp.
162163、2012年11）福島怜、金子成彦「RR間隔と眠気の強さの相関

大会講演論文集』pp.
9899、2011年

関係を利用した眠気推定手法の考案」日本機械）落合直輝、延廣良香、内川竜一、小島重行、小学会福祉工学シンポジウム、20
10年

倉由美、藤田悦則、村田幸治、亀井勉、金子成彦、吉栖正生「体表脈波を用いたトラック運転手の体調推定法」『日本人間工学会中国・四国支部、九州・沖縄支部合同開催支部大会講演論文集』pp.
6869、2011年

ＩＡＴＳＳ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｖｏｌ． ，Ｎｏ．

（）May,
2013