Published October 26, 2018 | Version v1
Publication Open

A Novel Method for Classifying Driver Mental Workload Under Naturalistic Conditions With Information From Near-Infrared Spectroscopy

  • 1. Nagoya University
  • 2. Vietnam National University of Agriculture
  • 3. Nitto (Japan)
  • 4. Denso (Japan)

Description

Driver cognitive distraction is a critical factor in road safety, and its evaluation, especially under real conditions, presents challenges to researchers and engineers. We introduce a novel method for classifying cognitive distraction levels by using hemodynamic data recorded with a four-channel near-infrared spectroscopy (NIRS) device. To produce cognitive distraction in a driver, an auditory n-back task was used at three levels by changing the variation in n from 0 to 2. A total of 60 experimental data sets from the NIRS device during two driving tasks were obtained and analyzed by machine-learning algorithms. We used two techniques to prevent overfitting of the classification models: (1) k-fold cross-validation and principal-component analysis, and (2) retaining 25% of the data (holdback data) for testing of the model after classification. Six types of classifier were trained and tested: decision tree, discriminant analysis, logistic regression, the support vector machine, the nearest-neighbor classifier, and the ensemble classifier. Distraction levels were well classified from the NIRS data in the cases of subject-dependent classification (the accuracy of classification increased from 81.30% to 95.40%, and the accuracy of prediction of the holdback data was 82.18% to 96.08%), subject-independent classification (the accuracy of classification increased from 84.90% to 89.50%, and the accuracy of prediction of the holdback data increased from 84.08% to 89.91%), and channel-independent classification (classification 82.90%, prediction 82.74%). NIRS data in conjunction with an artificial-intelligence method can therefore be used to classify cognitive distraction in real time under naturalistic conditions to prevent road accidents.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد التشتت المعرفي للسائق عاملاً حاسمًا في السلامة على الطرق، ويمثل تقييمه، خاصة في ظل الظروف الحقيقية، تحديات للباحثين والمهندسين. نقدم طريقة جديدة لتصنيف مستويات التشتيت المعرفي باستخدام البيانات الديناميكية الدموية المسجلة باستخدام جهاز التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة رباعي القنوات (NIRS). لإنتاج الهاء المعرفي في السائق، تم استخدام مهمة n - back السمعية على ثلاثة مستويات عن طريق تغيير التباين في n من 0 إلى 2. تم الحصول على ما مجموعه 60 مجموعة بيانات تجريبية من جهاز NIRS خلال مهمتين للقيادة وتحليلها بواسطة خوارزميات التعلم الآلي. استخدمنا تقنيتين لمنع الإفراط في تركيب نماذج التصنيف: (1) التحقق المتبادل من صحة k - fold وتحليل المكون الرئيسي، و (2) الاحتفاظ بنسبة 25 ٪ من البيانات (بيانات الحجز) لاختبار النموذج بعد التصنيف. تم تدريب واختبار ستة أنواع من المصنفات: شجرة القرار، والتحليل التمييزي، والانحدار اللوجستي، وآلة ناقلات الدعم، ومصنف الجار الأقرب، ومصنف المجموعة. تم تصنيف مستويات التشتيت بشكل جيد من بيانات NIRS في حالات التصنيف المعتمد على الموضوع (زادت دقة التصنيف من 81.30 ٪ إلى 95.40 ٪، وكانت دقة التنبؤ ببيانات الحجب 82.18 ٪ إلى 96.08 ٪)، والتصنيف المستقل عن الموضوع (زادت دقة التصنيف من 84.90 ٪ إلى 89.50 ٪، وزادت دقة التنبؤ ببيانات الحجب من 84.08 ٪ إلى 89.91 ٪)، والتصنيف المستقل عن القناة (التصنيف 82.90 ٪، والتنبؤ 82.74 ٪). لذلك يمكن استخدام بيانات NIRS بالاقتران مع طريقة الذكاء الاصطناعي لتصنيف التشتيت المعرفي في الوقت الفعلي في ظل الظروف الطبيعية لمنع حوادث الطرق.

Translated Description (French)

La distraction cognitive du conducteur est un facteur essentiel de la sécurité routière, et son évaluation, en particulier dans des conditions réelles, présente des défis pour les chercheurs et les ingénieurs. Nous introduisons une nouvelle méthode de classification des niveaux de distraction cognitive en utilisant des données hémodynamiques enregistrées avec un dispositif de spectroscopie infrarouge proche à quatre canaux (NIRS). Pour produire une distraction cognitive chez un conducteur, une tâche auditive n-back a été utilisée à trois niveaux en modifiant la variation de n de 0 à 2. Au total, 60 ensembles de données expérimentales provenant du dispositif NIRS au cours de deux tâches de conduite ont été obtenus et analysés par des algorithmes d'apprentissage automatique. Nous avons utilisé deux techniques pour éviter le surajustement des modèles de classification : (1) la validation croisée par k et l'analyse en composantes principales, et (2) la conservation de 25% des données (données de retenue) pour les tests du modèle après la classification. Six types de classificateurs ont été formés et testés : l'arbre de décision, l'analyse discriminante, la régression logistique, la machine vectorielle de support, le classificateur du plus proche voisin et le classificateur d'ensemble. Les niveaux de distraction ont été bien classés à partir des données NIRS dans les cas de classification dépendante du sujet (la précision de la classification est passée de 81,30 % à 95,40 % et la précision de la prédiction des données de retenue était de 82,18 % à 96,08 %), de classification indépendante du sujet (la précision de la classification est passée de 84,90 % à 89,50 % et la précision de la prédiction des données de retenue est passée de 84,08 % à 89,91 %) et de classification indépendante du canal (classification 82,90 %, prédiction 82,74 %). Les données NIRS en conjonction avec une méthode d'intelligence artificielle peuvent donc être utilisées pour classer la distraction cognitive en temps réel dans des conditions naturalistes afin de prévenir les accidents de la route.

Translated Description (Spanish)

La distracción cognitiva del conductor es un factor crítico en la seguridad vial, y su evaluación, especialmente en condiciones reales, presenta desafíos para los investigadores e ingenieros. Presentamos un nuevo método para clasificar los niveles de distracción cognitiva mediante el uso de datos hemodinámicos registrados con un dispositivo de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) de cuatro canales. Para producir distracción cognitiva en un conductor, se utilizó una tarea auditiva n-back en tres niveles cambiando la variación en n de 0 a 2. Se obtuvieron un total de 60 conjuntos de datos experimentales del dispositivo NIRS durante dos tareas de conducción y se analizaron mediante algoritmos de aprendizaje automático. Utilizamos dos técnicas para evitar el sobreajuste de los modelos de clasificación: (1) validación cruzada de k veces y análisis de componentes principales, y (2) retener el 25% de los datos (datos de retención) para probar el modelo después de la clasificación. Se entrenaron y probaron seis tipos de clasificadores: árbol de decisión, análisis discriminante, regresión logística, la máquina de vectores de soporte, el clasificador del vecino más cercano y el clasificador de conjunto. Los niveles de distracción se clasificaron bien a partir de los datos NIRS en los casos de clasificación dependiente del sujeto (la precisión de la clasificación aumentó de 81.30% a 95.40%, y la precisión de la predicción de los datos de retención fue de 82.18% a 96.08%), clasificación independiente del sujeto (la precisión de la clasificación aumentó de 84.90% a 89.50%, y la precisión de la predicción de los datos de retención aumentó de 84.08% a 89.91%), y clasificación independiente del canal (clasificación 82.90%, predicción 82.74%). Por lo tanto, los datos NIRS junto con un método de inteligencia artificial se pueden utilizar para clasificar la distracción cognitiva en tiempo real en condiciones naturalistas para prevenir accidentes de tráfico.

Files

pdf.pdf

Files (4.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:c721ddc139ec6b43364862e26c5192d1
4.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
طريقة جديدة لتصنيف عبء العمل العقلي للسائق في ظل الظروف الطبيعية مع معلومات من التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة
Translated title (French)
Une nouvelle méthode pour classer la charge de travail mentale du conducteur dans des conditions naturalistes avec des informations provenant de la spectroscopie infrarouge proche
Translated title (Spanish)
Un nuevo método para clasificar la carga de trabajo mental del conductor en condiciones naturalistas con información de la espectroscopia de infrarrojo cercano

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2898430761
DOI
10.3389/fnhum.2018.00431

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Vietnam

References

  • https://openalex.org/W1538561100
  • https://openalex.org/W1847863561
  • https://openalex.org/W1967124120
  • https://openalex.org/W1971952290
  • https://openalex.org/W1972131791
  • https://openalex.org/W1974128646
  • https://openalex.org/W1979421079
  • https://openalex.org/W1979497730
  • https://openalex.org/W1988975411
  • https://openalex.org/W1993750289
  • https://openalex.org/W2004210413
  • https://openalex.org/W2007333865
  • https://openalex.org/W2010872261
  • https://openalex.org/W2011487759
  • https://openalex.org/W2014551244
  • https://openalex.org/W2022021629
  • https://openalex.org/W2023477754
  • https://openalex.org/W2029802912
  • https://openalex.org/W2036530483
  • https://openalex.org/W2038432431
  • https://openalex.org/W2043131253
  • https://openalex.org/W2045561515
  • https://openalex.org/W2046080578
  • https://openalex.org/W2050102554
  • https://openalex.org/W2052521734
  • https://openalex.org/W2052604480
  • https://openalex.org/W2059106952
  • https://openalex.org/W2059303722
  • https://openalex.org/W2059394600
  • https://openalex.org/W2063976153
  • https://openalex.org/W2066303625
  • https://openalex.org/W2066385839
  • https://openalex.org/W2080497943
  • https://openalex.org/W2081244659
  • https://openalex.org/W2091419001
  • https://openalex.org/W2098521030
  • https://openalex.org/W2116352842
  • https://openalex.org/W2143207782
  • https://openalex.org/W2151687179
  • https://openalex.org/W2165201535
  • https://openalex.org/W219703096
  • https://openalex.org/W2199735431
  • https://openalex.org/W2231427063
  • https://openalex.org/W2301300959
  • https://openalex.org/W2316855288
  • https://openalex.org/W2607706872
  • https://openalex.org/W2608445072
  • https://openalex.org/W2734549536
  • https://openalex.org/W2739173684
  • https://openalex.org/W2765662825
  • https://openalex.org/W2794624637
  • https://openalex.org/W2796167654
  • https://openalex.org/W2892845635
  • https://openalex.org/W4234966256
  • https://openalex.org/W4285719527
  • https://openalex.org/W612198319
  • https://openalex.org/W988647996