Способ контроля выхода человека-оператора из контура управления
Изобретение относится к медицине, в частности к гигиене труда, и к эргономике. Предварительно в состоянии высокой бдительности при активной зрительно-моторной деятельности и в процессе реальной деятельности проводят анализ частотных характеристик электроэнцефалограммы методом периодометрического анализа. Определяют число волн тета-, альфа- и гамма-диапазона в секунду. Сравнивают полученные значения. При выходе значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду за пределы значений чисел, характерных для состояния высокой бдительности, анализатор ЭЭГ преобразует комбинацию этих чисел в сенсорный сигнал и подает в автоматическом режиме предупреждающий сигнал по типу биологической обратной связи о состоянии выхода человека-оператора из контура управления. Способ повышает достоверность контрольных измерений, позволяющих своевременно подать сенсорный сигнал, что достигается за счет предварительного определения комбинации частот тета-, альфа- и гамма-ритмов ЭЭГ в состоянии высокой бдительности. 1 ил., 2 пр.
Изобретение относится к медицине, в частности к гигиене труда, и к эргономике и может быть использовано для контроля выхода человека-оператора из контура управления.
Поддержание высокой работоспособности, бдительности и безошибочной деятельности операторов в системах «человек-техника» является крайне актуальной задачей в связи с тем, что согласно статистике, от 30-ти до 80-ти процентов техногенных аварий и катастроф, дорожно-транспортных и летных происшествий происходят по вине «человеческого фактора». При этом наиболее частой причиной таких инцидентов является снижение, отвлечение или потеря зрительного внимания, то есть эпизоды (в том числе, кратковременные) непроизвольного и неосознаваемого выхода человека-оператора из контура управления динамическим объектом.
Известны способы и технические устройства контроля и поддержания бдительности, основанные на периодической (через каждые 15-90 секунд) подаче оператору (машинисту, водителю автотранспорта) тестового сигнала, на который он должен быстро ответить определенным действием (нажатием на кнопку, поворотом рукоятки и т.п.). В случае отсутствия такого ответного действия устройство подает сигнал тревоги и/или изменяет параметры динамического объекта (например, включает режим торможения) [Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы. - М.: Маршрут, 2006. - 328 с.; WO 00/55000, 21.09.2000]. Недостатками этих способов являются относительно низкое быстродействие (как минимум 20 секунд), то есть невозможность определения кратковременных (порядка единиц секунд) выходов человека-оператора из контура управления, а также дополнительная информационная нагрузка на оператора, которая, кроме того, отвлекает его от основной деятельности.
Известна другая группа способов и устройств для контроля и поддержания бдительности, основанных на непрерывной регистрации (мониторинге) и автоматическом измерении различных физиологических показателей человека-оператора непосредственно в процессе деятельности. При выходе параметров этих показателей за некоторые, экспериментально определенные пределы оператору подается сигнал, предупреждающий его о наступлении «опасного» функционального состояния, а также (опционально) могут изменяться параметры управляемого динамического объекта [Обзор «Rail Safety and Standards Board's (RSSB) response to the report by Quintec entitled 'Driver vigilance devices: systems review' 03 T024 Quintec 22 RPT Final Report Issue 01. 30th August 2002, Railway Safety, GB]. Эти способы не создают дополнительных и отвлекающих нагрузок на оператора. Однако точность, быстродействие и помехоустойчивость этих способов принципиально зависит от характера регистрируемых физиологических показателей.
Так, при использовании в качестве информативного показателя параметров кожно-гальванических реакций и/или электрокожного сопротивления для определения наступления «опасного» дремотного состояния оператора требуется не менее 15-20 секунд. Поэтому кратковременные (порядка единиц секунд) эпизоды выхода человека-оператора из контура управления способами, основанными на регистрации электрокожных показателей, не определяются. Более того, состояние «флуктуирующей бдительности» оператора расценивается такими системами как состояние активной деятельности. Кроме того, параметры электрокожной активности значительно варьируют не только в связи с изменением функционального состояния оператора, но и в зависимости от внешних условий (прежде всего, температуры и влажности) и от характера деятельности оператора (частоты и интенсивности управляющих воздействий) [патент RU 2025731, 30.12.1994].
При использовании в качестве информативного показателя уровня бдительности параметров глазодвигательной системы (закрывания глаз, частоты морганий, скорости смыкания/размыкания век, направления взора и частоты его переключений) [патент RU 2423070, 10.04.2009; патент RU 2444275, 10.03.2012] существенными ограничениями способов являются: ношение оператором очков (особенно, противосолнечных), повороты головы, изменения позы, вибрация, связанная с особенностями транспортного средства и состоянием дорожного покрытия. Быстродействие этих способов (в силу временных характеристик регистрируемых показателей) также не дает возможность определения кратковременных (порядка единиц секунд) выходов человека-оператора из контура управления.
Наилучшим разрешением по времени среди физиологических показателей (порядка десятков миллисекунд) обладают параметры биоэлектрической активности головного мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Кроме того, убедительно доказано, что амплитудные и частотные параметры ЭЭГ наиболее достоверно характеризуют функциональное состояние человека в континууме сон-бодрствование, а некоторые из них непосредственно связаны со зрительным вниманием. До недавнего времени использование ЭЭГ в качестве информативного показателя уровня бдительности человека-оператора в условиях реальной деятельности было затруднительно вследствие низкой помехоустойчивости как регистрирующей аппаратуры, так и традиционных методов анализа ЭЭГ. С развитием технологии часть этих ограничений была преодолена и в настоящее время известно несколько способов определения состояния человека-оператора (как правило, в терминах бдительность-дремота) по параметрам ЭЭГ [патент WO 0044580, 03.08.2000; Программы эмуляторы на ПК измерительных устройств; SmartCap Ресурс Интернет, опубл. 15.06.2010 http://www.radiomaster.net/news/view/699/].
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ контроля за утомлением человека при зрительном слежении путем регистрации амплитудно-частотных характеристик волн альфа-ритма электроэнцефалограммы человека-оператора в процессе деятельности и определении первых признаков зрительного утомления при регистрации трех последовательных волн альфа-ритма с амплитудным диапазоном от -3 дБ до +6 дБ [SU 1090341 от 07.05.1984].
Однако данный способ имеет недостаточную помехоустойчивость, кроме того, появление фрагментов альфа-ритма может быть связано не только с утомлением оператора, что может продуцировать «ложные тревоги».
Технический результат предлагаемого нами способа контроля выхода человека-оператора из контура управления заключается в повышении точности определения непроизвольных эпизодов выхода человека-оператора из контура управления динамическим объектом непосредственно в процессе деятельности.
Технический результат достигается тем, что для контроля выхода человека-оператора из контура управления проводят непрерывную регистрацию и автоматический анализ его электроэцефалограммы непосредственно в процессе деятельности в реальном масштабе времени, при этом предварительно анализ частотных характеристик электроэнцефалограммы проводят экспериментально в реальном масштабе времени методом периодометрического анализа с определением числа волн тета-, альфа- и гамма-активностей головного мозга в секунду в состоянии высокой бдительности человека-оператора на модели зрительно-моторной деятельности, затем регистрацию и анализ электроэнцефалограммы оператора осуществляют непосредственно в процессе реальной деятельности, с автоматическим сравнительным анализом значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду и при выходе комбинации значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду за пределы значений, характерных для состояния высокой бдительности человека-оператора при активной зрительно-моторной деятельности, анализатор ЭЭГ преобразует эти данные в сенсорный (акустический) сигнал, контролирующий в автоматическом режиме состояние выхода человека-оператора из контура управления по типу биологической обратной связи.
Способ осуществляется следующим образом:
Пример 1. В лабораторных условиях на голову испытуемого устанавливают датчики (стандартные ЭЭГ-электроды) и присоединяют их к входному устройству аппаратно-программного комплекса для регистрации и анализа электрической активности головного мозга (цифрового электроэнцефалографа). Затем испытуемому предлагают выполнять задачу, представляющую собой упрощенную модель операторской деятельности, а именно начать компенсаторное зрительно-моторное слежение за смещением на экране дисплея точки - «мишени», управляемой программой-имитатором динамического объекта слежения, удерживая «мишень» в пределах изображения «рамки» с помощью манипулятора («мыши» или джойстика). Смещение «мишени» по случайному закону осуществляют программой-имитатором объекта слежения. При выходе «мишени» за пределы «рамки» программа-имитатор объекта слежения выдает сигнал ошибки, амплитуда которого пропорциональна величине ошибки слежения. Одновременно непрерывно регистрируют электроэнцефалограмму и автоматически в реальном масштабе времени (on-line) анализируют частотные характеристики тета-, альфа- и гамма-активностей головного мозга испытуемого с использованием периодометрического анализа по ранее описанному алгоритму [Чаянов Н.В., Изнак А.Ф. Электронное устройство для автоматического распознавания некоторых ритмических паттернов электроэнцефалограммы. Биол.науки, 1979. - №3. - С. 93-98].
Тета-активность - биоэлектрическая компонента, представляющая собой колебания потенциала с частотой от 4 до 8 Гц (с периодами колебаний от 125 мс до 250 мс, распределенными в случайном порядке). Альфа-активность - биоэлектрическая компонента, представляющая собой колебания потенциала с частотой от 8 до 12.5 Гц (с периодами колебаний от 80 мс до 125 мс, распределенными в случайном порядке). Гамма-активность - биоэлектрическая компонента, представляющая собой колебания потенциала с частотой, лежащей в полосе свыше 40 Гц (с периодами колебаний менее 25 мс, распределенными в случайном порядке). Соотношения тета-, альфа- и гамма-активностей отражают определенные функциональные состояния головного мозга.
Автоматически у оператора в состоянии высокой бдительности человека-оператора при активной зрительно-моторной деятельности каждую секунду измеряют периоды волн электроэнцефалограммы и определяют число тета-, альфа- и гамма-волн. Экспериментально определено, что состоянию высокой бдительности испытуемого-оператора при активной зрительно-моторной деятельности соответствует сочетание менее двух тета-волн, менее трех альфа-волн и более десяти гамма-волн в секунду. При выходе значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду за эти пределы анализатор ЭЭГ выдает сигнал о выходе человека-оператора из контура управления по типу биологической обратной связи.
Электроэнцефалограмму испытуемого, сигнал детектора состояния испытуемого-оператора и сигнал ошибки записывают на жесткий диск аппаратно-программного комплекса.
На графике (Рис.1), иллюстрирующем результаты эксперимента, приведен пример характерных соотношений между функциональным состоянием оператора, определенном по комбинации числа волн тета-, альфа- и гамма-ритмов биоэлектрической активности головного мозга в секунду, и качеством деятельности - сигналом ошибки слежения (для упрощения на данном графике приведено отклонение «мишени» только по вертикали).
В данном случае на протяжении около 6 секунд от начала срабатывания детектора состояния оператора число тета-волн составляло от 2-х до 6-ти, число альфа-волн составляло от 3-х до 10-ти, а число гамма-волн составляло от 2-х до 8-ми в каждую из 6-ти секунд, что привело к появлению сигнала выхода оператора из контура управления. По окончании эпизода выхода оператора из контура управления в каждую секунду в ЭЭГ испытуемого-оператора определялось не более одной тета-волны, не более двух альфа-волн и от 15-ти до 30-ти гамма-волн.
На графике видно также, что сигнал детектора состояния оператора (выхода из контура управления) опережает появление сигнала ошибки слежения (в данном эпизоде - примерно на 2 секунды).
Более того, график иллюстрирует, что во время эпизода выхода оператора из контура управления у него нарушается зрительно-моторная координация, вследствие чего управляющее воздействие оператора после окончания такого эпизода, призванное скорректировать внезапно осознанную им ошибку слежения, оказывается не только несоразмерным, но и неверным по направлению. В результате ошибка слежения вначале резко возрастает и только затем становится равной нулю. Применительно к управлению автомобилем это означало бы, что водитель некоторое время (в данном эпизоде около 6 секунд) ехал, не обращая внимания и не реагируя на изменение дорожной обстановки, а затем круто повернул руль не в ту сторону, или резко затормозил, или вместо тормозной педали нажал на педаль газа.
Пример 2. В реальных условиях управления автомобилем опытный оператор-водитель надевает головной убор (защитный шлем или теннисную ленточку), в который вмонтированы датчики (ЭЭГ-электроды), присоединенные к входу портативного («холтеровского» типа) аппаратно-программного комплекса для регистрации и анализа тета-, альфа- и гамма-активностей головного мозга. Предварительно анализ частотных характеристик электроэнцефалограммы оператора проводят экспериментально в реальном масштабе времени методом периодометрического анализа с определением числа волн тета-, альфа- и гамма-активностей головного мозга в секунду в состоянии его высокой бдительности на модели зрительно-моторной деятельности, затем регистрацию и автоматический периодометрический анализ электроэнцефалограммы оператора осуществляют непосредственно в процессе реальной деятельности - например, в данном случае при управлении автомобилем. Значения числа волн тета-, альфа- и гамма-активностей, выходящие за вышеуказанные экспериментально определенные пределы, преобразуются в сенсорный (акустический) сигнал, который в автоматическом режиме контролирует состояние выхода оператора-водителя из контура управления по типу биологической обратной связи. Для этого используется вмонтированный в головной убор миниатюрный громкоговоритель, через который в виде звукового тона подается сигнал от детектора состояния оператора, предупреждающий водителя об опасном выходе из контура управления автомобилем.
Согласно отчету водителя после нескольких часов (4-5 часов) непрерывного управления автомобилем, как в условиях городского движения, так и на междугородной трассе, предупреждающие звуковые сигналы детектора состояния оператора подавались только в ситуациях неосознаваемого водителем выхода из контура управления. Это проявлялось, например, в виде опасного сближения с впереди идущим транспортным средством, в ситуациях отвлечения внимания от управления автомобилем (например, на чтение придорожной рекламы, на окружающий дорогу пейзаж с мысленным представлением отсутствующих деталей, на настройку радиоприемника, на работу с сотовым телефоном или навигатором), а также при кратковременном «ослеплении» водителя ярким светом (днем - при выезде из тоннеля, ночью - светом фар встречных автомобилей). Во всех этих случаях значения чисел тета-, альфа- и гамма-волн в секунду выходили за пределы значений чисел, характерных для состояния высокой бдительности оператора-водителя при активной зрительно-моторной деятельности, а водитель отмечал кратковременные эпизоды выхода из контура управления автомобилем, что свидетельствует об отсутствии «ложных тревог». Длительных выходов из контура управления, опасных с точки зрения возникновения ДТП, не было отмечено, причем, по мнению водителя, этому способствовали предупреждающие сигналы ЭЭГ-детектора состояния оператора.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять эпизоды непроизвольного выхода человека-оператора из контура управления динамическим объектом с высоким быстродействием (не более 1 секунды) и еще до появления реальной ошибки деятельности. Важно отметить, что такие эпизоды далеко не всегда связаны с состояниями дремоты или сонливости.
Способ основан на современных, экспериментально доказанных научных данных о функциональном значении биоэлектрической активности головного мозга и принципах обработки зрительной сенсорной информации [Гусельников В.И., Изнак А.Ф. Ритмическая активность в сенсорных системах. М.: изд-во МГУ, 1983]. В качестве информативных параметров используются результаты автоматического (в реальном времени) анализа биопотенциалов мозга человека-оператора. Для поддержания высокого уровня бдительности человека-оператора используется техника акустической ЭЭГ-обусловленной биологической обратной связи.
Практическая реализация способа при современном уровне биомедицинской электронной техники и информационно-коммуникационных технологий не представляет проблемы. При использовании так называемых «активных» («сухих») ЭЭГ-электродов способ становится неинвазивным, так как не требует применения контактных гелей или жидкостей.
Способ может быть использован в технических системах определения и поддержания высокого уровня внимания, бдительности и работоспособности операторов, управляющих различными транспортными средствами (летчиков, водителей, машинистов), а также операторов «критических» технологий (например, диспетчеров транспортных и энергетических систем).
Способ контроля выхода человека-оператора из контура управления, включающий непрерывную регистрацию и автоматический анализ его электроэнцефалограммы непосредственно в процессе реальной деятельности, отличающийся тем, что предварительно анализ частотных характеристик электроэнцефалограммы проводят экспериментально в реальном масштабе времени методом периодометрического анализа с определением числа волн тета-, альфа- и гамма-активностей головного мозга в секунду в состоянии высокой бдительности человека-оператора при активной зрительно-моторной деятельности, затем регистрацию и автоматический периодометрический анализ электроэнцефалограммы оператора осуществляют непосредственно в процессе реальной деятельности, с автоматическим сравнительным анализом значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду, и при выходе значений числа тета-, альфа- и гамма-волн в секунду за пределы значений чисел, характерных для состояния высокой бдительности человека-оператора при активной зрительно-моторной деятельности, анализатор ЭЭГ преобразует комбинацию этих чисел в сенсорный сигнал, и подает в автоматическом режиме предупреждающий сигнал по типу биологической обратной связи о состоянии выхода человека-оператора из контура управления.
