Автореферат

Введение

Обоснование актуальности

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.

Забота о сохранении уровня внимания, с которым оператор выполняет работу, привела к появлению многочисленных предложений по устройствам мониторинга уровня бдительности и предупреждения оператора о снижении внимания во время работы. Но как показывают исследования на данный момент не существует стандартного метода контроля бодрствования. Поэтому создание подобных приборов является актуальной научной и практически важной задачей.

Цель и задачи работы

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.

Предполагаемая научная новизна

Идея моей работы заключается в создании системы контроля бодрствования оператора с использованием пульс-оксиметрического метода. Это неинвазивный (т.е. без оперативного вмешательства) метод определения частоты пульса и уровня содержания кислорода в крови. Предполагаемая научная новизна заключается в том, что до последнего времени эта техника не была используема для контроля бодрствования. А также в том, что функциональные параметры проектируемой системы будут не общими, а индивидуально настраиваемыми для разных пользователей, что сделает систему более универсальной (так как последний фактор является немаловажным, когда речь идет о физиологических показателях человека).

Обзор по теме

Существующие методы и разработки

Первая задача, решаемая в работе, – провести последовательный систематический поиск устройств контроля бдительности, а также методологий и технологий измерения готовности оператора.

Поиск на локальном и национальном уровне не дал информативно емких результатов. Используемый в работе пульс-оксиметрический метод, описан в работе магистра ДонНТУ Литвиновой А.В. «Разработка и обоснование структуры прибора определения содержания кислорода в крови». Разработок каких-либо приборов контроля бдительности на национальном уровне не обнаружено.

Поиск на мировом уровне был проведен по всем отраслям индустрии, включая железные дороги, воздушные, наземные морские сообщения, гражданские и военные. Результаты поиска сведены в две базы данных, одна из которых содержит материал по устройствам бдительности, другая – по физиологическим параметрам.

База данных устройств содержит информацию об устройствах, которые либо доступны в настоящее время, в виде прототипов или экспериментальных устройств, либо находятся на уровне проектирования или концепции.

Анализ существующих устройств

Первые серийные приборы, призванные разбудить уснувшего машиниста поезда, увидели свет сравнительно недавно: в 30-х годах прошлого века в кабинах американских локомотивов появился рычаг, который машинист во время движения должен был сжимать в руке. Если машинист засыпал и отпускал рычаг, срабатывала сирена. Этот в общем-то простой и надежный способ был крайне неудобен, и довольно скоро на смену ему пришли устройства, работающие по несколько иному принципу, суть которого - проверка состояния водителя локомотива.

Прибор посылает запрос в виде загорающейся лампочки или звукового сигнала, на который машинист отвечает нажатием на специальную кнопку или педаль (их еще называют «педалью смерти») или просто касаясь рукой каких-то частей кабины. Алгоритм действий может быть самым разнообразным: в системах, устанавливаемых на наших поездах, и поныне сначала - световой сигнал, затем, если подтверждение не получено, звуковой.

Существуют приборы, требующие от машиниста самостоятельной подачи сигнала через равные промежутки времени, и по тому, насколько у него теряется чувство реального времени, делается заключение о его состоянии. И все же эти устройства далеки от совершенства. Беда их не только в том, что в промежутках между сигналами поезд успевает пройти километры. Приборы не могут регистрировать дремотное состояние машиниста, когда тот еще способен на «автомате» отвечать на запросы системы, но уже не в силах контролировать дорожную ситуацию. Современные передовые системы контроля бдительности работают на ином уровне.

Момент засыпания человека характеризуется физическими изменениями в организме. Судить о состоянии человека можно по энцефалограмме мозга, электрокардиограмме, количеству морганий, тонусу мышц, электропроводности кожи. Для проверки бодрствования водителя не все эти параметры годны (снятие в кабине энцефалограммы трудно себе представить), но по некоторым из них существуют весьма любопытные разработки. Например, американской компанией ASCI изготовлен прибор, реагирующий на микронаклоны головы. Несколько сложнее устройства, определяющие засыпание «по глазам». 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 (например, американские ETSPC Eye Tracking System или Eye Tracking Alertness Monitor) 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. Такого недостатка лишена Телеметрическая система контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ), разработанная российской компанией ЗАО «Нейроком» и внедренная на российских железных дорогах. 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. А так как внешние раздражители практически сразу изменяют сопротивление кожи, то контроль за бдительностью удается получать в реальном времени. «Безошибочность» прибора уникальна: вероятность обнаружения засыпания не ниже 10^4, иными словами, «не заметить» уснувшего человека система может один раз за 300 лет круглосуточной работы.

Заключение из информационного поиска

Всего обнаружено 13 устройств. Из них, одно было основано на технологии развитой другой отраслью (датчик слежения за глазами и поворота руля), одно снято с рынка производителем (мониторинг возбуждения по морганиям), и об одном нет никаких данных. Десять устройств оказались доступными. Восемь из тринадцати устройств использовали какую-либо форму движения глаз или моргания. Измерения параметров сердца не были представлены технологическими устройствами. Возможно, подобные измерения оказались неподходящими для практических применений, или не получили достаточных вложений для развития приборов для мониторинга в реальном времени.

Измерения или мониторинг зрительного внимания не были обнаружены при поиске. Возможно, существует технология, позволяющая надежно отслеживать и анализировать движения глаз, но сведения о поведении глаз, типа характеристик поиска и фиксации глаз, по-видимому, недоступны.

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 (Рис.1)

Рисунок 1. Принципиальная схема проектируемой системы контроля бодрствования.

Оксиметр, который крепится на палец или 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).

Заключение

Полученные и планируемые результаты

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.

ПО планируется разрабатывать при помощи среды программирования высокого уровня Delphi. Адаптация системы под индивидуального пользователя на начальном этапе применения СКС будет проводится с использованием современного набора методов, например, таких как обучающиеся нейросети.

Использование данной системы возможно по двум направлениям:

1. Обработка экспериментальных данных для выделения индивидуальных зависимостей типа «пульс – бодрствование» и «пульс – засыпание», т.е. настройка прибора под конкретного пользователя;
2. Непосредственное применение системы в оперативных условиях для контроля бодрствования водителей, операторов, машинистов.

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. Начата разработка ПО, ознакомление с протоколом передачи Bluetooth а также проводится выбор окончательной технологии для обучения СКС.

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.

На данном этапе работа находится в стадии разработки. Окончание планируется на декабрь 2007 года. С предложениями и пожеланиями использовать материалы моей магистерской обращайтесь по адресу

e-mail:eva_mag@mail.ru

Список источников

1. http://pi.zen.ru/arhiv/2003/024/dreams.shtml
2. http://apnoe.ru/php/content.php?id=82
3. http://mosmedclinic.ru
4. http://www.rssb.co.uk
5. http://www.sensation-eu.org/rus/sp4.html
6. http://hcvl.hci.iastate.edu/cgi-bin/openEyes.cgi
7. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/192.pdf
8. http://www.neurocom.ru/ru/prod/transport_safety/tskbv109.html
9. http://www.neurocom.ru/ru/tech/transport_safety/structure_skb121.htm
10. Дорохов В.Б. (2000) Психомоторный тест для оценки дневной сонливости. // Материалы «ХХХ Всероссийского совещания по проблемам высшей нервной деятельности». Санкт- Петербург. 663-664
11. Баевский Р.М. Прогнозирование на грани нормы и патологии. М.: Медицина, 1979. – 295с.
12. Митькин А. А. Электроокулография в инженерно-психологических исследованиях. М., 1974.
13. Варонецкас Г., Жемайтите Д. Сон и нарушения сердечной деятельности // Кардиология. 1986. - № 4. - С. 113-120.