На главную Портал магистров

доц., к.т.н. Омельченко А.А., студент Вознюк Е.А. ДонНТУ, каф. АСУ

Назад

Ведение в методы и алгоритмы дистантной диагностики функционального состояния человека-оператора

http://ksm.donntu.ru/laureati.php

Цель: повышение безопасности технических объектов, управляемых оператором за счет создания специализированной компьютерной системы диагностики функционального состояния человека-оператора.

Для достижения поставленной цели в работе решаются такие задачи:

  1. Обзор существующих методов и алгоритмов оценки функционального состояния человека-оператора и систем их реализующих.
  2. Определение критериев состояния бодрствования.
  3. Разработка алгоритмов оценки состояния оператора и их программная реализация.

Характеристика объекта диагностики

В типах деятельности, для которых безопасность является критическим фактором, всегда существовал заметный интерес к бдительности, бодрствованию и усталости, в особенности, когда присутствуют ухудшающие факторы, такие, как сменная работа. К таким занятиям относятся гражданская авиация, вождение автомобилей, грузовиков и поездов. В этих случаях, короткие периоды интенсивной активности сменяются длительными периодами монотонной работы. Эти виды деятельности часто происходят на фоне нерегулярного расписания - работы и отдыха оператора, что может также означать что продолжительность и качество сна хуже оптимальных.

Обзор существующих методов

Так как при переходе из состояния бодрствования в состояние релаксации, а затем состояние сна изменяются некоторые физиологические показатели человека, то именно на этом и основаны использующиеся в настоящее время методы для определения смены функционального состояния оператора:

  1. Электроэнцефалография (ЭЭГ).
  2. Сердечная активность (ЭКГ).

    3. В указанных методах существует необходимость закрепления датчиков на теле оператора (причем, в строго определенных местах), наличия установки для обработки полученных сигналов, а также предполагается проводная связь установки с датчиками и необходимость обработки большого количества артефактов (шумов), которые появляются вследствие нестационарного использования системы. Это делает данные методы трудоемкими при проектировании и неудобными при использовании.

  3. Электродермальная активность (ЭДА).

    4. Используется в Телеметрической системе контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ), разработанной российской компанией ЗАО «Нейроком». Принцип действия системы основан на зависимости изменения электрического сопротивления кожи человека от получаемой информации. Перед поездкой машинист надевает на руку часы, в браслет которых вмонтированы датчики, измеряющие электропроводность кожи и передающие полученные параметры в главный блок посредством радиосигнала.

  4. Моргания глаз (длительность моргания, амплитуда и частота морганий).
  5. Движение глаз.
  6. PERCLOS (Измерение части времени, когда глаза закрыты).
  7. Движения головы.

    8. Известно, что у засыпающего человека изменяется частота морганий, траектория движения глаз, суживаются зрачки. Приборов, следящих за глазами водителя, достаточно много. Самые простые из них не очень удобны: крепятся к голове человека, а их сканирующее устройство располагается в районе лица. Более дорогие используют отдельно стоящую камеру. Поиск глаз водителя камера ведет автоматически, «забив» в память расположение точек наиболее резкой светотеневой границы на лице контролируемого человека. По такому же принципу отыскивают цель камеры, следя за тонусом мышц лица: у засыпающего человека мышцы расслабляются, и лицо «оплывает». Впрочем, и эти системы не способны определить момент снижения уровня внимания.

  8. Время реакции на стимул.

    9. Прибор посылает запрос в виде загорающейся лампочки или звукового сигнала, на который машинист отвечает нажатием на специальную кнопку или педаль или просто касаясь рукой каких-то частей кабины.

  9. Пульс-оксиметрический метод

Как показывают исследования на данный момент не существует стандартного метода контроля бодрствования. Поэтому создание подобных приборов является актуальной научной и практически важной задачей.

Пульс-оксиметрический метод

Еще одним параметром, изменение которого хорошо заметно при переходе ко сну, является изменение (снижение) частоты дыхания. Что в свою очередь приводит к сокращению частоты сердечных сокращений (соответственно снижается пульс и уменьшается содержание кислорода в крови). Именно на этой зависимости основан выбор метода, который будет использован в моей магистерской работе – пульс-оксиметрический метод.

Пульс-оксиметр является устройством для неинвазивного измерения насыщения крови кислородом и измерения пульса. Его применяют для контроля дыхания во время сна, предотвращения раннего смертельного синдрома, для контроля общей анестезии, а также спортсмены во время тренировок.

Для использования данной техники для контроля бодрствования предполагается проектирование системы, представленной на схеме

Схема контроля бодрствования

Рис. Принципиальная схема контроля бодрствования на основе пульс-оксиметрического метода

Оксиметр, который крепится на мочку уха оператору, состоит из двух каналов, каждый канал оснащен источником света и фотодиодом. Информационный преобразователь включает усилитель, который преобразовывает выход фотодиода в напряжение, фильтр и аналого-цифровой преобразователь для оцифровки полученного сигнала. Для управления работой системы используется микропроцессор (AVR, Atmel или другой специализированный). Для обработки полученной информации используется разрабатываемое специализированное программное обеспечение, которое устанавливается на ПК (КПК). Связь с ПК планируется осуществлять при помощи беспроводной технологии Bluetooth (что определяется спецификой применения системы). На процессе отладки подключение к компьютеру будет осуществляться через USB-порт. Особенность применения системы будет заключаться в том, что перед ее непосредственным использованием необходимо будет провести настройку системы, так как используемые показатели строго индивидуальны для каждого человека. Адаптация системы под индивидуального пользователя на начальном этапе применения СКС будет проводится с использованием современного набора методов, например, таких как обучающиеся нейросети.

На данном этапе окончен информационный поиск существующих технологий и выбран метод для дальнейшей разработки. Ведется работа над математическим (поиск оптимальных алгоритмов обработки информации) и техническим обеспечением.

Выводы: Разработанные и используемые на практике приборы не обеспечивают диагностику состояния оператора (сон/бодрствование) в полной мере, поэтому существует актуальная необходимость в улучшении существующих приборов и разработке новых. Наиболее перспективным направлением создания недорогих подобных устройств является создание систем базирующихся на анализе пульса оператора.

Список источников:

  1. Научные программы. Человеческий фактор. «Бодрствование водителя. Обзор систем» http://www.rssb.co.uk
  2. 2. Pulse Oximeter Laboratory.Urs Utzinger, Assistant Professor U of A, 2002. http://www.ece.arizona.edu/~bme517/supporting%20documents/PulseOximeter/Pulse%20Oxi%20Meter%20Laboratory.htm