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Mental Fatigue Assessment in Demanding Marine Operations

  • 2024
  • Buch
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Über dieses Buch

Dieses Buch untersucht, wie menschliche geistige Erschöpfung (MF) bei anspruchsvollen Seeoperationen objektiv gemessen werden kann. Der maritime Bereich ist durch anspruchsvolle Operationen gekennzeichnet. Diese Operationen können besonders komplex und gefährlich sein, wenn sie die Koordinierung zwischen verschiedenen Schiffen und mehreren maritimen Betreibern erfordern. Der beste Ansatz zur Quantifizierung von MF ist der Einsatz physiologischer Sensoren, einschließlich Elektroenzephalogramm (EEG), Elektrokardiogramm, Elektromyogramm, Temperatursensor und Eyetracker, die einzeln oder in Verbindung angewendet werden können, um relevante Daten zu sammeln, die auf einer MF-Skala abgebildet werden können. Dieses Buch schlägt nicht nur eine Brücke zwischen den relevanten Sensordaten und einem quantifizierbaren MF-Niveau, sondern nutzt sowohl datengestützte als auch modellbasierte Ansätze. Der datengesteuerte Teil untersucht die Verwendung verschiedener NNs, die für die MF-Bewertung (MFA) kombiniert werden. Unter den verschiedenen getesteten Architekturen zeigten konvolutionale neuronale Netzwerke (CNN) die beste Leistung im Umgang mit mehreren physiologischen Datenkanälen. Die Optimierung wurde genutzt, um die Leistung von CNN bei der themenübergreifenden MFA-Aufgabe zu verbessern. Der Test verschiedener Kombinationen physiologischer Sensoren zeigte, dass ein Aufbau, der nur aus EEG-Sensoren bestand, aufgrund des Zielkonflikts zwischen Bewertungspräzision und Komplexität des Sensorrahmens die beste Option war. Diese beiden Faktoren sind von großer Bedeutung, wenn man ein Makrofinanzhilfesystem in Betracht zieht, das in realen Szenarien umgesetzt werden könnte. Die modellbasierte Diskussion wendet das aktuelle Wissen über die Verwendung von EEG-Daten zur Charakterisierung von MF an, um einen MF-Ansatz zur Quantifizierung des Fortschreitens von MF bei maritimen Betreibern zu entwickeln. In den in diesem Buch vorgestellten Forschungsarbeiten wurden realistische Schiffssimulatoren als Plattform für Experimente mit verschiedenen Einsatzszenarien und Sensoreinstellungen genutzt.

Inhaltsverzeichnis

  1. Frontmatter

  2. Chapter 1. Introduction

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    Maritime operations are more demanding every day. New and complex marine operations include anchor-handling operations at depths of several thousand meters, precise installation of subsea modules weighing hundreds of tons, and platform support in icy and cold environments on northern regions. Further increasing the level of complexity of these operations, they require greater coordination among professionals operating disparate mechanisms and systems, including vessels, cranes, winches, and remotely operated vehicles. This increasing complexity brings an attending increase in the risk of accidents and the damaged caused by them. The majority of accidents in the maritime domain are related to Human factors (HF) challenges. To make maritime operations safer, it is essential that the ones that are the most relevant among these challenges need to be identified and addressed.
  3. Chapter 2. Handling Fatigue

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    There is no single accepted definition of the different types of fatigue a person can experience, but MF (cognitive impairment), physical fatigue and sleepiness are frequently cited in several studies [1]. In this study we are going to consider sleepiness as a consequence of fatigue, either mental or physical. Fatigue can be originated from mainly two different sources. It can be sleep (or lack of sleep) related or task related. Sleep play an essential role in fatigue mitigation and physiological recovery and inadequate sleep cycles can lead to or worsen fatigue scenarios. When considering task related fatigue, it can arise from passiveness (boring tasks) or activeness (high workload). A person in more likely to fall asleep when the task at hand is dull or boring or not requiring a lot of interaction. In the other hand, in a hectic environment a person is less prone to fall sleep, but the high workload can lead to fatigue build up.
  4. 3. Mental Fatigue Assessment Sensor Framework

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    This chapter describes the proposed MFA framework, going over the requirements of such systems and detailing their implementation for the actual framework, including hardware and software integration. This chapter also approaches the experimental setup applied in all case studies, which will be discussed in the following chapters.
  5. 4. Mental Fatigue Assessment Using Artificial Intelligence

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    Data-driven methods have increased in popularity in recent years, and successful applications of NN in highly diverse areas of research have driven the trend. MF-related research is no exception. This chapter investigates the use of NN, especially CNN, for MFA. Different architectures and sensor combinations are tested and MFA approaches are proposed.
  6. 5. Model-Based Assessment for Multi-subject and Multi-task Scenarios

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    The previous chapter explored the application of CNN, to MFA. The CNN performed well in multi-subject scenarios when considering only two possible MF states: non-fatigue and fatigue. When including a more discretized MF scale, such as using the KSS levels as reference, CNN was only satisfactory for single subject-scenarios. To address these deficiencies, this chapter investigates a model-based MFA approach for multi-task and multi-subject scenarios.
  7. 6. Mental Fatigue Prediction

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    Assessing seafarers’ MF levels helps identifying potential operational risks and the ability to simulate future scenarios can be used during planning and management, to ensure safer operational conditions. In this chapter, we propose a framework for modelling seafarers’ future MF levels using a combination of both physiological and environmental sensors and model- and data-based techniques. We will establish the building blocks of this framework and present examples of how it could be applied in different scenarios as soon as enough data is collected to feed the data-based section of the model. Once properly trained, this framework could be used not only to assess human-related operational risks but also to provide the necessary information to ensure that these issues are addressed before potential danger escalates to real accidents. This chapter does not aim to solve the MFP problem, but only to provide a starting point for further developments.
  8. Chapter 7. Research Challenges

    Thiago Gabriel Monteiro, Houxiang Zhang
    Abstract
    The number of published works studying MFA has steadily increased in the recent years [1]. This increase reflects a change of paradigm in human machine systems as machinery systems become increasingly reliable and consequently human operators account for a steady increase in accidents. This increase reflects a change of paradigm in human machine systems as machinery systems become increasingly reliable and consequently human operators account for a steady increase in accidents.
Titel
Mental Fatigue Assessment in Demanding Marine Operations
Verfasst von
Thiago Gabriel Monteiro
Houxiang Zhang
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Nature Singapore
Electronic ISBN
978-981-9730-72-8
Print ISBN
978-981-9730-71-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-981-97-3072-8

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