Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование подхода к построению подсистемы определения психофизиологического состояния оператора АРМ стр. 9
1.1 Функциональный состав АСУТП на примере нефтеперерабатывающего производства стр. 9
1.2 Место человека АРМ - оператора в автоматизированных системах управления технологическим процессом стр. 15
1.3 Анализ выполняемых функций и задач человека АРМ - оператора как части системы человек-машина стр. 24
1.4 Суть подхода к построению подсистемы определения психофизиологического состояния в виде информационной подсистемы в АСУТП и направления исследования стр. 28
Выводы стр. 34
Глава 2. Теоретические основы реализации подхода к построению подсистемы определения психофизиологического состояния оператора АРМ стр.35
2.1 Нормативные документы, описывающие изменение психофизиологического состояния оператора АРМ в течение рабочей смены стр. 35
2.2 Анализ биометрических методов для получения исходных данных при формировании эталонной модели клавиатурного почерка стр. 47
2.3 Анализ математических методов обработки данных клавиатурного почерка человека стр. 57
2.4 Алгоритмы обучения искусственных нейронных сетей стр. 66
Выводы стр. 75
Глава 3. Разработка алгоритмов и математических моделей биометрической обработки клавиатурного почерка для автоматизированного определения психофизиологического состояния оператора АРМ стр. 76
3.1 Формализованное представление психофизиологического состояния человека- оператора АРМ стр. 76
3.2 Разработка алгоритмов определения психофизиологического состояния оператора АРМ стр. 79
3.3 Построение математической модели подсистемы оценки психофизиологического состояния оператора АРМ с использованием клавиатурного почерка стр. 84
3.4 Модель потоков данных подсистемы оценки психофизиологического состояния оператора АРМ стр. 102
Выводы стр. 108
Глава 4. Экспериментальное исследование разработанной подсистемы оценки психофизиологического состояния оператора АРМ стр. 109
4.1 Исходные данные и программа экспериментальных исследований стр. 109
4.2 Выработка эталонного представления клавиатурного почерка стр. 113
4.3 Определение ПФС человека как относительной величины в реальных производственных условиях стр.125
В ывод ы стр .129
Заключение стр. 131
Список литературы стр. 134
Приложения
- Функциональный состав АСУТП на примере нефтеперерабатывающего производства
- Нормативные документы, описывающие изменение психофизиологического состояния оператора АРМ в течение рабочей смены
- Формализованное представление психофизиологического состояния человека- оператора АРМ
- Исходные данные и программа экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ промышленной аварийности на вредных и опасных производствах показал, что большой процент аварий промышленного характера происходит по вине человеческого фактора. По этой причине в области нефтепереработки и нефтехимии в мире число аварий и аварийных инцидентов составляет 25..55% (в зависимости от типа производства и стоимости аварий). По сведениям журнала «Нефть России» в Российской Федерации этот процентный показатель колеблется в пределах 20..80% в зависимости от степени автоматизации производства.
Проблеме совершенствования автоматизированного определения психофизиологического состояния оператора автоматизированного рабочего места (АРМ) на вредных и опасных производствах (в частности, на предприятиях нефтепереработки малой мощности) в отечественной и зарубежной литературе не уделено должного внимания. Традиционно для решения этой проблемы используются нормативные документы, которые регламентируют работу операторов. Точного контроля над соблюдением этих норм не существует. Также отсутствует определение психофизиологического состояния оператора в течение рабочей смены.
Известно, что развитие усталости и других состояний, негативно сказывающихся на качестве принимаемых оператором АРМ решений, приводит к общему сдвигу психофизиологического состояния (ПФС) оператора. Это отражается на всех его биологических функциях (на работе кожных желез, торможении моторных функций, изменении поведенческих особенностей и т.д.).
Наиболее естественным устройством ввода информации в АРМ оператора является клавиатура. В исследованиях по биометрии ряда ученых (Десятерик М.Н., Иванов А.И., Марченко В.В.) показано, что каждый человек имеет свой клавиатурный почерк. Использование клавиатурного почерка для определения ПФС по изменению торможения моторных функций позволяет
5 определять не только динамику состояния оператора, но дает возможность избавиться от применения дополнительных специализированных устройств, что значительно снижает затраты на разработку и внедрение таких систем.
Для математической обработки данных, полученных в результате экспериментов с биологическими объектами (к которым, несомненно, относится человек - оператор АРМ) используется аппарат искусственных нейронных сетей. Это нашло отражение в работах ученых Волчихина В.И., Иванова А.И..
Динамика изменения моторных функций оператора определяется по отклонению от эталонного значения, характеризующего наилучшее ПФС оператора. По степени отклонения оператор АРМ или получает предупреждения (в форме оповещения) или решение принимается на верхнем уровне АСУТП (уровень диспетчера) о целесообразности дальнейшего исполнения обязанностей оператором.
Объектом исследования в настоящей работе является подсистема АСУТП нефтеперерабатывающего производства с человеком - оператором АРМ в контуре управления.
Предмет исследования - математические модели и алгоритмы определения ПФС человека в АРМ оператора.
Цель диссертационной работы - обеспечение безопасности технологических процессов за счет принятия решений на основе определения параметров ПФС человека АРМ оператора.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
анализ существующих методов и средств определения психофизиологического состояния человека АРМ оператора;
разработка алгоритмов и математических моделей определения психофизиологического состояния человека АРМ оператора;
выбор конкретной типовой локальной вычислительной сети и разработка всех информационных данных, связанных с представлением, преобразованием и передачей их по локальной вычислительной сети;
- проведение экспериментального исследования с целью формирования параметров для оценки ПФС человека-оператора.
Методы исследования:
При решении диссертационных задач использовались методы системного анализа, методы теории множеств, теория нейронных сетей, теория принятий решений, теория представления знаний человеко-машинных систем, методы объектно-ориентированного программирования, программные и языковые средства современных информационных технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) предложен подход к построению подсистемы автоматизированного
определения психофизиологического состояния оператора АРМ в АСУТП,
базирующийся на типовой структуре локальной вычислительной сети,
объединяющей АРМы-операторов всей АСУТП с АРМ-диспетчера и
основанный на математической модели биометрической обработки
клавиатурного почерка, на математической модели определения ПФС и
алгоритме принятия решения об оповещении лица принимающего решение
(диспетчера);
разработан алгоритм получения исходной информации для определения ПФС человека АРМ оператора на основе математической модели биометрической обработки клавиатурного почерка;
разработана математическая модель определения параметров психофизиологического состояния человека АРМ - оператора на основе теории искусственных нейронных сетей;
4) разработан алгоритм принятия решения об оповещении оператора и
лица принимающего решения (диспетчера).
Основные положения, выносимые на защиту:
1) подход к автоматизации процесса определения психофизиологического состояния оператора АРМ в составе АСУТП, базирующийся на типовой структуре локальной вычислительной сети,
7 объединяющей АРМы-операторов всей АСУТП с АРМ-диспетчера и основанный на математической модели биометрической обработки клавиатурного почерка.
2) алгоритм получения исходных данных для автоматизированного
определения психофизиологического состояния человека - оператора АРМ на
основе математической модели биометрической обработки клавиатурного
почерка;
3) математическая модель определения параметров
психофизиологического состояния оператора АРМ на основе теории
нейронных сетей;
4) алгоритм принятия решения об оповещении оператора и лица
принимающего решения (диспетчера).
Практическая ценность и реализация результатов работы
Практическую ценность работы представляет внедрение в АСУТП автоматизации процесса определения ПФС оператора АРМ и выдачи рекомендаций по оповещению оператора или лица принимающего решение.
Результаты внедрены в производство на предприятии ЗАО «Стройкомплект Золотой Орел», используются при проведении лабораторных работ по курсу «Информационные технологии проектирования РЭС и ЭВС» для студентов кафедры «ПТЭиВС» ОрелГТУ. Также результаты исследования используются в работе сайта , созданного для популяризации идеи контроля ПФС человека при работе со средствами вычислительной техники.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на межвузовской научно-практической конференции «Результаты научно-исследовательской деятельности студентов» (г.Орел, 2003), всероссийской научно-практической конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике и экологии» (г.Орел, 2004), международная научно-практическая
8 конференция «Развитие конкуренции как фактор экономического роста и обеспечения социального благополучия: методология, теория, практика» (г.Орел, 2005), международная НТК «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г.Орел, 2006). Программная реализация программы определения ПФС зарегистрирована в фонде алгоритмов и программ №6269.
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, в том числе в 10 статьях, 1 отраслевой разработке в фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 132 наименования, и 9 приложений.
Функциональный состав АСУТП на примере нефтеперерабатывающего производства
В данном случае В = {bi,b2,...,bn}, где bi - температура на входе колонны, hi - температура выхода бензиновой фракции, и т.д. Вектор В входная информация, на основании которой устройство управления формирует управляющее воздействие U на объект управления. U = {ubU2,...,un}, где Ui - электрический сигнал, управляющий заглушкой подачи сырья на входе установки, и2 - электрический сигнал, управляющий заглушкой нагревателя печи и т.д. J = {oi,o2,...,on} - общее возмущающее воздействие внешних сил на процесс происходящий в ратификационной колонне, где о( - внешнее механическое воздействие, о2 - внешнее электрическое воздействие и прочее. D = {di,d2,...,dn} - выходные величины объекта управления, где di - температура на входе колонны, d2 - температура выхода бензиновой фракции, и т.д. Перечисление наиболее значимых вспомогательных установок, диапазонов входных и выходных значений СУТП нефтеперерабатывающего мини-завода описано в нормах технологического режима установки перегонки нефти (Приложение 1).
Место оператора АРМ, управляющего технологическим процессом крекинга углеводородного сырья, представлено на рисунок 1.2.
Работа установки перегонки, как и любой другой технологической установки, регулируется производственным персоналом с помощью контрольно-измерительных приборов, а также путем непосредственного контроля над состоянием аппаратуры, оборудования, коммуникаций, лабораторных анализов качества сырья и получаемой продукции[4].
На сегодняшний момент не используются полностью автоматические нефтеперерабатывающие производства. Система управления с человеком-оператором может в настоящее время решать большее количество задач, чем автомат. Вместе с тем успехи точных наук и высокий уровень технологии привели к тому, что надежность технических звеньев оказалось более высокой по сравнению с аналогичным показателем «человеческого звена» в заданных условиях функционирования эргатических комплексов. Задача, таким образом, заключается в том, чтобы, используя положительные, уникальные свойства человека, предупредить или компенсировать проявление тех его качеств, которые отрицательно влияют на характеристики процесса управления[5].
Особенностью нефтеперерабатывающих мини-заводов, подтверждающей необходимость использовать человека, заключается в том, что операторы производства получают дополнительные сведения, позволяющие правильно вести технологический процесс, благодаря лабораторному контролю. В лаборатории исследуется качество нефти, поступающей на перегонную установку и продукции, уходящей с установки. На основании лабораторных данных вносятся корректировки в условия текущего процесса перегонки для улучшения качества выпускаемой продукции. При анализе нефти определяется её плотность, содержание солей, воды, светлых фракций. Анализ бензиновых фракций состоит в определении октанового числа, наличия или отсутствия сернистых соединений. Для средних дистиллятов, керосиновой и дизельной фракции, производят анализ фракционного состава, вязкости, температуры вспышки и застывания или помутнения [6].
Если в результате лабораторного анализа выясняется, что продукция не соответствует нормам, оператор должен немедленно определить причину этого и в случае необходимости, принять решение по изменению режима работы установки или отдельных аппаратов.
На сегодняшний момент разработаны анализаторы качества на потоке, позволяющие не направлять отбираемые пробы сырья и продукции в цеховую или заводскую лабораторию, а получать результат сразу же[1], непосредственно на установке. Однако их стоимость не позволяет использовать эти устройства на предприятиях нефтепереработки малой мощности в связи с их дороговизной. Основным документом, в котором определены требования к технологическому процессу, является технологический регламент[2]. В случае нарушения технологического режима, описанного в технологическом регламенте, правил эксплуатации, правил и норм пожарной безопасности при работе с огнеопасными и взрывоопасными веществами возможно с большой вероятностью, возникновение аварий на установках. Причиной аварии бывает также прекращение подачи на установку сырья, пара, топлива, воды, электроэнергии[3]. В общем виде структура наиболее распространенных аварий в процессе крекинга углеводородного сырья представлена на рисунке 1.3.
Нормативные документы, описывающие изменение психофизиологического состояния оператора АРМ в течение рабочей смены
Вопрос организации рабочего дня человека был поставлен Ф.Тэйлором с появлением первых «неосязаемых» факторов, которые были изучены и включены в технологию - усталость и движение. Это произошло в начале двадцатого века в период «научной организации труда». Ф.Тейлор доказал, что технологический процесс должен строиться с учетом физической усталости человека. Тем самым в технологический процесс был включен принципиально новый элемент - человеческий фактор, т.е. человеческий фактор стал элементом технологического процесса. Теперь сам технологический процесс стал строиться с учетом того, что существует усталость человека[23].
Одной из профессий, появившихся в процессе развития автоматизации производств, является профессия оператора автоматизированного рабочего места (АРМ).
Характерной особенностью профессии оператора АРМ является статический режим работы: большой объем работы приходится выполнять в сидячем положении, т.е. в неизменной статической позе. При этом большинство групп мышц находится в постоянном напряжении, что приводит к быстрой утомляемости, способствует развитию профессиональных заболеваний[24].
Описанный фактор относится к категории опасных и вредных производственных факторов, действующих на всех операторов АРМ. В частности нефтеперерабатывающем производстве он является одним из основных негативных факторов техносферы наравне с работой с химическими веществами, рядом с источниками шума, излучения и т.д. и вызывает физические перегрузки.
Статические нагрузки относятся к психофизиологическим фактором, кроме этого, оператор испытывает непрерывные нервно-психические перегрузки, связанные с перенапряжением анализаторов (зрения, слуха)[24]. Следует учесть, что в случае наличия нарушений в организации работы оператора АРМ, кроме этих факторов, на него могут воздействовать и другие негативные факторы. Следующие факторы, не связанные непосредственно с рабочим местом, могут отрицательно воздействовать на оператора: повышенная температура в помещении; наличие вредных веществ в воздухе; наличие запыленности; повышенная влажность; недостаточная освещенность; смена погоды у метеозависимых людей; неустойчивые психологические состояния; принятие медицинских препаратов, вызывающих сонливость, например аллергиками; принятие психотропных препаратов, алкоголя. Эти факторы приводят к быстрой утомляемости, снижению внимания. В свою очередь, утомляемость проявляется через торможение моторных функций человека. В этом состоянии оператор способен совершать ошибочные действия, особенно если возникнет необходимость принятия быстрого, ответственного решения. В последнее время возросло число исследований, посвященных психофизиологическим нарушениям, возникающим у операторов при работе с АРМ, построенных на основе видео дисплейных консолей. Все они направлены на изучение влияния работы с консолью на здоровье и качество принятия решения операторов. Отмечаются изменения функционального состояния не только зрительной системы, сопровождающиеся жалобами на зрительный дискомфорт и нарушения процессов аккомодации, но и выраженные сдвиги функционального состояния организма в целом[25]. В последнем случае на первый план выступают жалобы на головную боль, усталость, снижение концентрации внимания, работоспособности, стойкие психоэмоциональные и психосоматические нарушения[26]. Развитие большинства указанных симптомов связывают с пространственно-временной нестабильностью изображения на дисплее АРМ, иными словами «дрожанием изображения». Последнее приводит к дезорганизации функциональной активности коры головного мозга и напряженности (переактивации) подкорковых регуляторных образований преимущественно диэнцефальной области. Совершенствование электронно-лучевых трубок и ЖК-экранов лишь частично решило данную проблему, снизив роль «внутренних» источников дрожания изображения. Однако выяснилось, что причиной нестабильности зрительного паттерна являются также внешние электромагнитные поля[27][28]. Российский Научно - исследовательский институт охраны труда также провел медико-биологические исследования воздействие работы с АРМ на операторов. Результаты исследования представлены в таблице 2.1 [29].
Формализованное представление психофизиологического состояния человека- оператора АРМ
При проектировании АСУТП человек рассматривается как техническое звено системы человек-машина и как канал связи, имеющий определенные (фиксированные) «входные» и «выходные» характеристики по приему и переработке информации.
Надежность действий человека и человека-оператора в частности, существенно зависит от его наличного функционального состояния[53][54][55]. С точки зрения надежности все состояния делятся на две группы. В одну из них входят те функциональные состояния, которые выводят оператора из контура управления: сон, потеря сознания, крайняя степень утомления. При возникновении и развитии состояний второго рода (эмоциональное напряжение, утомление и т.п.) человек продолжает участвовать в процессе управления, однако характеристики операторской деятельности изменяются. Качество рабочих действий при этом может ухудшиться или улучшиться по отношению к исходному уровню, а в определенных условиях (сильное эмоциональное напряжение, отвлечение внимания) достичь критических значений. Располагая информацией о механизмах функциональных состояний и сдвигах последних в процессе деятельности, можно использовать положительные влияния на качество работы.
По результатам исследований[56] предложено следующее определение ПФС: текущее состояние организма есть отражение мозгом, находящемся в некотором начальном состоянии, характеристик актуальной потребности и входного воздействия на временном интервале приспособительного поведения. Данное определение в виде формулы, отражающей существенные факторы, является функциональной зависимостью:
Для того чтобы учесть все факторы, влияющие на ПФС оператора, исследуется целостное состояние оператора АРМ. Под целостным состоянием организма понимается такая совокупность его свойств, которая позволяет установить в процессе приспособительного поведения определенное соответствие между стимулом и реакцией при заданном типе преобразования входного сигнала в выходной. Эта зависимость определяется общей формулой где, О - реакция, / - стимул, S - текущее функциональное состояние организма. Под текущим функциональным состоянием S понимается совокупность наличных свойств тех функций человека, которые обеспечивают выполнение операторской деятельности. Концепция «черного ящика» неприменима для описания ПФС человека - оператора[5]. Для решения этого противоречия вместо функционального описания развития ПФС человека в течение рабочей смены, для определения его ПФС используется измерение одного или нескольких вегетативных признаков человека и на основании этих измерений происходит оценка его ПФС. Под вегетативным признаком подразумевается работа систем организма, контролируемых вегетативной нервной системой (дыхание, кровяное давление, торможение подсознательных движений). В общем случае к числу значимых характеристик биосистем относятся те из регулируемых доступными методами, которые имеют существенное отношение к выживанию (частота пульса, температура тела и т.п.), так что значительные изменения одной из них ведут рано или поздно к изменениям остальных[57]. В качестве сигналов функционального состояния человека используют показатели электроэнцефалограммы, электромиограммы, кожно-гальванической реакции, речевой деятельности, а также величины артериального давления, тонус сосудов, диаметр зрачка и т.п.[58][20]. Наиболее ценными среди информативных характеристик будут в рассматриваемом случае показатели состояния тех функций организма, которые несут наибольшую нагрузку. Для оператора АРМ это устройства ввода информации, при использовании которых возможен съем клавиатурного почерка и обработка полученных данных биометрическими методами. Входной информацией для математической модели определения ПФС является величина , где At- время удержания клавиши или время между нажатиями, - продолжительность предыдущего удержания клавиши или время между нажатиями, tc - время последнего удержания клавиши или время между нажатиями, здесь с - текущее значение.
Исходные данные и программа экспериментальных исследований
Для подтверждения теоретических положений подхода к оценке психофизиологического состояния оператора АРМ, используя клавиатурный почерк, проведено экспериментальное исследование. Предметом исследования являются алгоритмы и математические модели определения психофизиологического состояния оператора АРМ.
Для достижения поставленных целей было принято решение разделить эксперимент на две части. Целью первой части эксперимента стала подготовка индивидуальных данных по ПФС человека в АРМ - оператора. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. определить количество респондентов и количество данных, необходимых для идентификации его клавиатурного почерка; 2. разработать алгоритм и обосновать выбор технических средств и программного обеспечения для сбора и предварительной обработки данных; 3. создать базу данных для хранения результатов предварительной обработки данных; 4. создать механизм формирования эталонных моделей клавиатурного почерка человека в АРМ-оператора. Целью второго этапа эксперимента является определение ПФС человека как относительной величины, характеризующей степень отклонения текущего состояния от эталонного в реальных производственных условиях. Для реализации этого этапа были выполнены следующие действия: 1. выбор производственной базы эксперимента; 2. адаптации разработанной системы определения ПФС к АСУТП выбранного предприятия; 3. выбор количество рабочих мест АРМ - оператора; 4. определить количество рабочих смен, в течение которых необходимо определять ПФС; 5. по результатам испытаний определить степень ПФС в соответствии с правилами принятия решений, разработанных в главе 3. Для подтверждения подхода необходимо использовать информацию о клавиатурном почерке и сформировать эталонное представление клавиатурного почерка. Также следует учесть, что минимальная информация о клавиатурном почерке представляет собой временные интервалы между двумя нажатиями и временем удержания этих двух клавиш. Каждый временной интервал, в свою очередь, состоит из двух событий (Приложение 7). Для определения эталонного представления необходимо осуществить набор информации от N количества людей по М событий от каждого. Учитывая, что минимальный размер информации о клавиатурном почерке равен трем значением, получаем что общий объем необходимой информации равен 3 2 M N событий. Для определения количественных значений М, N необходимо провести предварительный эксперимент. Для этого были взяты данные пяти человек, по десять нажатий от каждого с целью определения разности характеристик нажатий клавиш. В связи с отсутствием информации о зависимости изменения клавиатурного почерка было принято решение использовать для получения выборки простой случайный отбор. Репрезентативность выборки определялась по эмпирическим функциям распределения и функции плотности [71] [72]. При увеличении количества человек, чьи данные использованы для эксперимента, более 400 человек, изменение значений функции распределения и функции плотности стали изменяться в рамках статистической погрешности два процента. Были определены следующие значения (Таблица 4.1). Следующим шагом является создание эталонного представления клавиатурного почерка. Получение сигналов от клавиатуры связано с работой двух микросхем: контроллера 8042, обрабатывающего события от интерфейса RS-232 или контроллера USB, а также счетчика времени. Погрешность измеренных значений складывается из задержек, возникающих при прохождении электрического сигнала от переключателя клавиатуры или мыши до участка памяти, хранящего значения времени события. Погрешность обмена данными между контролером 8042 и контролером клавиатуры складывается из времени посылки старт бита 250 мкс. и пересылки 11 импульсов продолжительностью по 60 мкс, что в сумме составляет 910 мкс. В связи с тем, что эта погрешность стабильно появляется при всех сигналах от клавиатуры или мыши, а также учитывая важность интервалов времени между событиями, а не времени сигналов, нужно говорить не о погрешности, а о задержке. Изменение времени прохождения сигнала от переключателя клавиатуры до контролера 8042, а значит и сама погрешность, равна нескольким микросекундам.
Время отклика микроконтроллера 8042 на команды процессора также может составлять десятки микросекунд, в зависимости от используемой BIOS, её программного обеспечения и версии самого контролера. Влияние BIOS связано со встроенной поддержкой этой системой контролера 8042.
Таким образом, общая погрешность около сотни микросекунд связана с аппаратной реализацией клавиатуры, её интерфейса обмена данными, и контролером, принимающим от неё данные и пересылающим их в оперативную память. Погрешность на этом участке прохождения сигнала составляет около одного процента.
Более сложная проблема связана с использованием операционной системы Windows. Данная операционная система не является системой реального времени и имеет квантование времени для процессов, работающих на уровне пользователя 50 миллисекунд, т.е. в этом случае погрешность составляет от 5% до 160%, что не допустимо. Данная проблема решается использованием процессов работающих с привилегиями системы. Также рекомендуется сразу же после получения сигнала от клавиатуры определять текущее системное время с максимально возможной точностью, а уже затем решать задачу отправки данных в процесс, работающий с привилегиями пользователя.
