Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы оценки функционального состояния человека-оператора в процессе его профессиональной деятельности 12
1.1. Подходы к оценке функционального состояния в процессе деятельности 12
1.2. Рассматриваемые виды функциональных состояний 30
1.3. Оценка эффективности работы оператора 49
1.4. Выводы 54
2. Подготовка и проведение экспериментов по исследованию деятельности операторского типа 55
2.1. Выбор типа операторской деятельности 55
2.2. Выбор метода оценки ФС 57
2.3. Методика проведения эксперимента 65
2.4. Выводы 68
3. Обработка и анализ экспериментальных данных 69
3.1. Обработка электрокардиографических записей 69
3.2. Анализ частоты нажатия клавиш клавиатуры и мыши испытуемым во время эксперимента 78
3.3. Анализ статокинезиграмм 84
3.4. Апробирование метода 110
3.5. Выводы 112
4. Практическая реализация результатов работы программно-аппаратных комплекс контроля состояния нервно-эмоционального напряжения человека-оператора в процессе профессиональной деятельности 113
4.1. Цели разработки программно-аппаратного комплекса и его возможности 113
4.2. Аппаратная часть системы 115
4.3. Устройство и работа стабилографического кресла 116
4.4. Программная поддержка 119
4.5. Выводы 126
Заключение 127
Литература 129
Приложения 140
- Рассматриваемые виды функциональных состояний
- Выбор метода оценки ФС
- Анализ частоты нажатия клавиш клавиатуры и мыши испытуемым во время эксперимента
- Аппаратная часть системы
Введение к работе
Научно-технический прогресс существенно изменил деятельность человека, превратив ее преимущественно в операторскую, т.е. в деятельность человека-оператора в сложных системах «человек — машина -профессиональная среда». Оказалось, что автоматизированные технологии управления современным производством характеризуются рядом новых малоизученных факторов, в конечном счете, существенно снижающих уровень надежности профессиональной деятельности и ведущие к потерям здоровья оперативного и эксплуатационного персонала. К ним относятся совместное действие новых физических и химических факторов производственной среды, информационные перегрузки и информационный «голод», высокий уровень психоэмоционального напряжения, в первую очередь вследствие накопленных «неотреагированных» эмоций, гипокинезия и необходимость длительного поддержания рабочей позы, эргономические недостатки вновь проектируемых рабочих мест, десинхронозы психофизиологических ритмов человека-оператора с технологическими ритмами производства и т.д. Как отмечалось на 25-м Международном конгрессе по медицине труда (Стокгольм, 1996), важнейшей проблемой становится рискованное поведение человека-оператора, причем наиболее опасной его формой является намеренный риск и переоценка оператором своих возможностей. Выделяется определенная часть персонала, склонная в повышенной степени к попаданию в предаварийные и аварийные ситуации, причем ведущими факторами в этих ситуациях выступают определенные индивидуально-личностные и психофизиологические особенности этих операторов. Об этом убедительно свидетельствуют как наблюдения практиков, так и результаты анализа происшедших в последнее время крупных аварий.
В специальных исследованиях установлено, что 60-90% аварий, травм и случаев гибели людей происходит по вине человека, в связи с его запоздалыми или ошибочными действиями.
Возрастает доля лиц, занятых операторским трудом, с различными функциональными расстройствами сердечно-сосудистой, нервной, двигательной систем, сниженными функциональными резервами - так называемыми «психосоматическими расстройствами». Поэтому определение текущего функционального состояния и прогнозирование надежности оператора в процессе его деятельности является важнейшей задачей медицины труда. Тем не менее, решение этой задачи на самом деле связано с рядом трудностей в силу природы человека. Хотя подходы к ее решению начали развиваться еще в семидесятые годы, по-прежнему задача контроля функционального состояния человека-оператора решается лишь частично. Один из таких подходов мы и предлагаем в данной работе.
На сегодняшний день практически не существует систем оценки и прогнозирования изменения функционального состояния человека-оператора в процессе выполняемой им работы. Из применяемых на практике методов распространение получили лишь реализованные в устройствах или в виде компьютерных программ:
а) бланковые опросники, позволяющие получить самооценку психологического состояния испытуемого;
б) психофизиологические тесты, такие как «Определение критической частоты слияния мельканий»;
в) оценка электрофизиологических показателей, таких как частота сердечных сокращений, электроэнцефалографические показатели, и др.;
г) исследование биохимического состава крови и мочи.
Все, вышеперечисленные методики при совокупном использовании позволяют получить объективную оценку функционального состояния человека-оператора, однако для получения этой оценки необходимо:
1) отвлечь оператора от выполняемой работы для прохождения тестов и выполнения предусмотренных методиками процедур;
2) подсоединить к телу оператора электрофизиологическое электроды;
3) взять кровь и мочу для анализа.
Для получения картины изменения функционального состояния человека-оператора в течение рабочей смены эти процедуры необходимо повторять через равные промежутки времени. Это требует значительного времени и поэтому данный подход, хотя и является самым точным и достоверным, на практике не применяются. Поэтому усилия исследователей, занимающихся проблемой оценки и прогнозирования изменения функционального состояния человека-оператора в процессе профессиональной деятельности, направлены на поиск методов, позволяющих получать оценку исследуемых показателей без отвлечения оператора от работы. Кроме того, такие методы должны быть комфортными по отношению к оператору, т.е. исключать необходимость крепления всевозможных датчиков к телу и т.п. К ним можно отнести методики оценки функционального состояния по определению изменения параметров речевого сигнала, или определение изменения мимики лица на основе данных, снимаемых видеокамерой. Однако все эти методы довольно сложны и имеют свои ограничения в применении.
Таким образом, поиск новых, комфортных методов оценки и прогнозирования изменения функционального состояния человека-оператора в процессе выполнения профессиональной деятельности является актуальной задачей в этой области.
В данной работе для оценки психофизиологического состояния предлагается использование стабилографического метода, который заключается в регистрации координат центра давления тела человека на плоскость опоры. В нашем случае плоскостью опоры является сиденье кресла оператора. Для регистрации координат центра давления (ЦД) в плоскости сиденья в кресло оператора были встроены силометрические датчики. Такое кресло было названо стабилографическим. Стабилографическое кресло регистрирует координаты центра давления на плоскость опоры сиденья кресла и представляет собой жесткую силокоординатную плиту на четырех опорах, снабженных датчиками силы. Эти датчики регистрируют реакции опор, по которым из уравнений моментов относительно осей ОХ и OY вьиисляются координаты центра давления на плоскость опоры. Опытный образец стабилографического кресла был разработан и изготовлен в ЗАО «ОКБ» РИТМ» при непосредственном участии автора представляемой работы.
Целью представленной диссертационной работы является разработка и исследование стабилографического метода оценки функционального состояния человека-оператора в процессе профессиональной деятельности, создание метода обработки длительных стабилографических записей и построении стабилографического показателя напряженности деятельности.
Разработка и исследование стабилографического метода оценки функционального состояния базируется на экспериментальных исследованиях, описанных в [54]. В экспериментах преобладающим функционального состоянием является состояние нервно-эмоционального напряжения, поэтому в качестве метода достоверной оценки использован метод электрокардиографии, поскольку авторы [51] описывают его высокую информативность при оценке исследуемого состояния.
Длительность каждого эксперимента составляла от двух до пяти часов. Предложена методика обработки длительных стабилографических записей, который состоит в разбиении данных на фрагменты по пять минут и выделению в статокинезиграмме зон локализации центра давления. Разработана классификация зон локализации центра давления на пять типов [53]. Программно реализован алгоритм, позволяющий автоматически выделять зоны локализации центра давления из стабилографических записей. Введено понятие стабилографического показателя напряженности, получаемого путем сопоставления параметров стабилографического сигнала с параметрами электрокардиограммы, и разработана методика его определения. Построение данного показателя основывается на выделении в параметрах стабилографического сигнала параметров, характеризующих степень напряженности [55].
Для достижение поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
1. Анализ традиционных методов исследования психофизиологического состояния;
2. Разработка методики проведения экспериментов;
3. Определение функционального состояния, преобладающего в экспериментах;
4. Анализ электрокардиографических показателей, характеризующих степень наблюдаемого функционального состояния;
5. Исследование параметров стабилографического сигнала, коррелирующих с электрокардиографическими показателями.
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:
- «Медицинские информационные системы» 2002г, 2004г;
- Научных конференциях студентов и аспирантов ТРТУ. Таганрог 2001 г.
- Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии. Аспекты применения», Таганрог 2001г.
По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы:
1. Марченко А.А., Слива С.С. Применение стабилографии для оценки функционального состояния человека-оператора в процессе профессиональной деятельности // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Медицинские информационные системы - МИС-2002". Тематический выпуск. - Таганрог, 2002. - ИЗВЕСТИЯ ТРТУ № 5. -С.17-23.
2. Марченко А.А. Классификация зон локализации центра давления в статокинезиграммах // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Медицинские информационные системы - МИС-2004". Тематический выпуск. - Таганрог, 2004. - ИЗВЕСТИЯ ТРТУ № 6. - С. 110-115.
3. Марченко А.А. Методика проведения экспериментов по моделированию деятельности операторского типа // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Медицинские информационные системы - МИС-2004". Тематический выпуск. - Таганрог, 2004. - ИЗВЕСТИЯ ТРТУ № 6. -С.18-21.
4. Марченко А.А. Стабилографический показатель напряженности деятельности человека-оператора // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Медицинские информационные системы - МИС-2004". Тематический выпуск. - Таганрог, 2004. - ИЗВЕСТИЯ ТРТУ № 6. -С.22-24.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования, 4 приложения. Работа содержит страниц текста, включая рисунки.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены основные проблемы, возникающие при оценке ФС человека-оператора в условиях деятельности. Проанализированы традиционные методы оценки функционального состояния человека-оператора, их преимущества и недостатки. Рассмотрены стадии работоспособности, а так же влияющие на нее факторы.
Во второй главе описаны требования к типу операторской деятельности, исследуемой в данной работе. На основе особенностей деятельности диспетчера железной дороги сформулированы требования, предъявляемые к деятельности в условиях эксперимента:
1. значительная длительность экспериментов;
2. необходимость частого принятия решений;
3. высокий темп работы;
4. необходимость удерживания в памяти значимой информации, определяющей стратегию принятия решений;
5. обеспечение высокой мотивации для поддержания испытуемого в рабочем состоянии на протяжении всего времени эксперимента.
На основе выдвинутых требований в качестве экспериментальной деятельности выбрана динамичная компьютерная игра, носящей соревновательный характер.
В третьей главе проанализированы результаты проведенных экспериментальных исследований. Из электрокардиографических записей выделена частота сердечных сокращений, сопоставлена с событиями деятельности. На основе выделенной частоты сердечных сокращений построены графики изменения среднего значения ЧСС и электрокардиографический показатель напряженности регуляторных систем. График изменения среднего значения ЧСС рассматривается как объективный показатель изменения нервно-эмоционального напряжения.
Предложен метод обработки и представления стабилографических сигналов и методика построения стабилографического показателя напряженности.
В четвертой главе описан стабилографический комплекс, его технические характеристики, а так же особенности программного обеспечения, использованного в экспериментах.
Таким образом, можно сформулировать следующие положения, выносимые на защиту:
1. Метод оценки функционального состояния человека оператора в процессе профессиональной деятельности на основании стабилографических данных;
2. Методика обработки длительных стабилографических записей;
3. Методика построения стабилографического показателя напряженности деятельности.
Рассматриваемые виды функциональных состояний
На сегодняшний день общепринятой классификации ФС не существует, а для практического применения распространенным является разделение все функциональные состояния на экстенсивные и интенсивные.
Экстенсивными называются качественно неоднородные классы состояний, имеющих разную нейрофизиологическую основу и психологическое содержание. Сюда относятся различные состояния: утомление, монотония, эмоциональная напряженность, стресс и т.д. качественные различия этих состояний не позволяют упорядочить их внутри некоторой единой шкалы.
Под интенсивными понимаются различные уровни определенных состояний, для которых возможно подобное упорядочивание по степени выраженности физиологических проявлений [52]. Традиционно выделяют различные степени утомления, нервно-эмоционального напряжения и т.д.
Систематизация определенного множества интенсивных состояний проводится в рамках теории активации, которая устанавливает гипотетическую шкалу уровней бодрствования «сон - сверхвозбуждение», охватывающую широкий диапазон поведенческих реакций в соответствии с разными уровнями активности физиологических систем. Под активацией при этом понимается степень энергетической мобилизации, которая определяется актуальными возможностями организма и стоящей перед субъектом задачи [50]. Активационная теория предполагает наличие прямой зависимости между уровнями активации и бодрствованием. Различные уровни активности физиологических систем организма обусловлены деятельностью неспецифического образования - ретикулярной формацией ствола мозга, которая играет ведущую роль в регуляции функциональных состояний.
Традиционно содержание шкалы уровней бодрствования представлялось в виде одномерной зависимости с весьма грубым нанесением делений - весь диапазон поведенческих реакций разделялся на девять градаций [50]: 1)кома; 2) глубокий сон; 3) поверхностный сон; 4) дремота; 5) пробуждение; 6) пассивное бодрствование; 7) активное бодрствование; 8) эмоциональное возбуждение; 9) сверхвозбуждение. Установление зависимостей между уровнями бодрствования, уровнями активности нервных центров и эффективностью деятельности, а также определение оптимальных зон уровня активации для различных функциональных состояний составляют одну из важнейших задач физиологии труда. Функциональное состояние, соответствующее определенным «уровням бодрствования», развертывается на фоне исходных состояний, формируемых в процессе трудовой деятельности под влиянием факторов, специфических для конкретного вида деятельности. В динамике рабочей смены в зависимости от продолжительности действия указанных факторов у специалистов-операторов, особенно у работающих за пультом в режиме ожидания, развиваются такие специфические состояния, как монотония, относительная гипокинезия, нервно-эмоциональная напряженность и утомление. Однако следует иметь в виду, что на практике функциональное состояние человека-оператора в процессе работы представляет собой сложную интеграцию физиологических реакций, которые могут быть характерными для разнородных специфических состояний.
Определение доминирующей экстенсивной компоненты состояния и установление интенсивных характеристик других составляющих имеют большое значение при оценке функционального состояния человека-оператора, прогнозировании эффективности его деятельности, а также при разработке средств компенсации и способов поддержания заданных уровней работоспособности. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся функциональные состояния подробнее. Утомление — это физиологическое состояние организма, проявляющееся во временном снижении его работоспособности в результате проведенной работы. Ведущими причинами утомления являются нарушения в слаженности функционирования органов и систем. Утомление является сложнейшим физиологическим процессом, начинающимся в высших отделах нервной системы и распространяющимся на другие системы организма. Утомление (по Берштейну) - есть предохранительное приспособление организма, защищающее его чрезмерных затрат и истощения.
При определении методических подходов к оценке состояния утомления существенное значение имеет положение о единстве механизмов физического и умственного утомления. Отсутствие существенной разницы в динамике утомления при физическом и умственном труде служит обоснованием для использования неспецифических методов оценки, являющихся традиционными в физиологии мышечной деятельности. Однако при оценке утомления человека-оператора ведущее значение имеют показатели, полученные с помощью специфических методов, выбор которых определяется функциональной структурой операторской деятельности на основе реализации принципа конкретности в физиологических исследованиях.
Монотония - функциональное состояние, являющееся результатом монотонной работы, характеризуемая однообразными действиями или непрерывной и устойчивой концентрацией внимания. Фактор монотонности является компонентом операторской деятельности в режиме ожидания, неблагоприятное влияние которого обуславливается однообразием окружающей обстановки и внешних раздражителей, а также необходимостью постоянного наблюдения за показаниями приборов, продолжительное время остающихся неизменными.
Физиологическая реакция организма на монотонный характер трудовой деятельности заключается в развитии особого состояния, получившего название монотонии, которое характеризуется специфическими изменениями психического состояния, снижением уровня функциональной подвижности анализаторов и изменениями ряда вегетативных функций в результате преобладания тормозных процессов в корковой нейродинамике. . Отличают монотонию от утомления условия, при которых она возникает. Как правило, монотония появляется при выполнении несложной и однообразной деятельности, не требующей частого переключения внимания, при недостатке внешних раздражителей, а также при недостаточной заинтересованности в выполнении задания, при низкой мотивации.
Выбор метода оценки ФС
Перед тем как выбрать метод оценки функционального состояния необходимо указать, какое из функциональных состояний имеет место в исследуемом виде деятельности. На наш взгляд, превалирующим функциональным состоянием в выбранной модели деятельности является состояние нервно-эмоционального напряжения (НЭН), поскольку время принятия решения в данном виде деятельности сильно ограничено, и в значительной мере влияет ее результат. Из литературных источников [50] известно, что среди объективных показателей НЭН важнейшими считаются: - мышечно-двигательные и поведенческие реакции; - вегетативные сдвиги; - изменения биоэлектрической активности головного мозга; - экскреция «гормонов стресса».
Поскольку результаты работы планируется применять на практике в видах деятельности с высоким уровнем нервно-эмоционального напряжения, метод, обеспечивающий достоверную регистрацию исследуемых параметров должен в первую очередь отвечать критерию комфортности. Т.е. не отвлекать оператора от выполняемой деятельности, не сковывать движений и не создавать ощущения дискомфорта от соприкосновения датчиков с поверхностью кожи, требующихся для большинства методов съема физиологических показателей.
Среди отмеченных объективных показателей НЭН остаются лишь мышечно-двигательные и поведенческие реакции. Действительно, движения - главное средство взаимодействия человека с окружающей средой. В этом взаимодействии рефлекторные ответы, побуждаемые стимулами внешней среды, составляют лишь часть двигательной активности; другая ее часть -это активность, инициируемая «изнутри». Мозг не просто отвечает на стимулы, поступающие извне, он находится в постоянном диалоге со средой, причем инициатива в нем принадлежит именно мозгу [3]. Мозг осуществляет управление скелетно-мышечной системой.
В управлении движениями участвуют практически все отделы ЦНС -от спинного мозга до коры больших полушарий. Это означает, что преобладание тормозных или активационных процессов в мозге будет находить отражение в движениях. Движения человека очень разнообразны, однако все это разнообразие можно свести к небольшому количеству основных типов активности: обеспечение позы и равновесия, локомоция и произвольные движения.
Поддержание позы у человека обеспечивается теми же фазическими мышцами, что и движения, а специализированные тонические мышцы отсутствуют [5]. Отличие заключается в том, что при «позной» деятельности мышц сила их сокращения обычно невелика, режим близок к изометрическому, а длительность сокращения значительна. В «позный» или постуральный режим работы мышц вовлекаются преимущественно низкопороговые, медленные и устойчивые к утомлению двигательные единицы. Одна из основных задач «позной» активности - удержание нужного положения звеньев тела в поле силы тяжести (удержание головы от свисания, голеностопных суставов от тыльного сгибания при стоянии и др.).
Локомоцией называют активное перемещение в пространстве на расстояния, значительно превышающие характерные размеры тела. Наиболее распространенными формами локомоции являются ходьба и бег. Произвольными движениями в широком смысле слова могут быть названы самые разные движения, совершаемые как в процессе труда, так и в повседневной жизни. Поскольку разработанные методы оценки ФС и аппаратуру предполагается использовать в реальных условиях деятельности в течение рабочей смены, необходимо обеспечить максимально возможную комфортность при регистрации данных. Поэтому в качестве базового метода регистрации данных предлагается метод стабилографии. Он состоит в регистрации координат центра давления тела человека на плоскость опоры. В нашем случае плоскостью опоры является сиденье кресла оператора. Для регистрации координат центра давления (ЦД) в плоскости сиденья в кресло оператора были встроены силометрические датчики. Такое кресло было названо стабилографическим. Стабилографическое кресло регистрирует координаты центра давления на плоскость опоры сиденья кресла и представляет собой жесткую силокоординатную плиту на четырех опорах, снабженных датчиками силы (см. рис. 2.1). Эти датчики регистрируют реакции опор (Pa, Pb, Рс, Pd), по которым из уравнений моментов относительно осей ОХ и OY вычисляются координаты (x(t),y(t)) центра давления Р на плоскость опоры. Опытный образец стабилографического кресла был разработан и изготовлен в ЗАО «ОКБ» РИТМ» при непосредственном участии автора представляемой работы.
Как отмечается в [68], полоса стабилографического сигнала лежит в диапазоне 0-7 Гц. Сигнал достаточно низкочастотный. По теореме Котельникова-Шенона частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты в спектре сигнала, т.е. больше 14 Гц. Однако исследования, описанные в [68] относятся к стабилографическим сигналам, снятым с человека, спокойно стоящего на стабилографической платформе. Поскольку мы имеем дело с оператором, ведущим активную деятельность, на наш взгляд стоит расширить полосу исследуемого сигнала как минимум до 10 Гц. Дальнейшее расширение исследуемой полосы стабилографического сигнала не имеет смысла, даже напротив вносит некоторые неудобства. Так с увеличением полосы пропускания аналоговой части усиливается влияние сетевой наводки 50 Гц. Исходя из рекомендаций, опубликованных в [68], для преобразования сигнала с тензорезистивных датчиков в цифровую форму следует использовать АЦП фирмы Analog Devices AD7706, имеющий встроенный цифровой фильтр, позволяющий обеспечить подавление сетевой наводки на 120 Дб. Указанный АЦП позволяет настраивать полосу среза цифрового фильтра. При значении частоты среза в 13 Гц, что немного больше необходимой полосы сигнала, значение частоты обновления данных составляет 50 Гц. Это значение является частотой дискретизации сигнала.
Анализ частоты нажатия клавиш клавиатуры и мыши испытуемым во время эксперимента
Каждая игра, имевшая место в экспериментах сохранялась в виде ролика, который можно просмотреть и использовать для интерпретации данных эксперимента. Так же использовалась программа, поставляемая разработчиками игры для просмотра значений скорости нажатия клавиш клавиатуры и мыши. На рисунке 3.12 представлен один из таких графиков.
На нижнем графике представлена скорость нажатия клавиш испытуемым (АРМ - actions per minutes), на верхнем - скорость нажатия клавиш противником. Такой вид графика характерен для каждой игры. Вначале значение АРМ заметно выше, потому что в первые минуты игры испытуемый действует в соответствии с отработанной до секунды стратегией. Почти каждая игра начинается одинаково. Таких стратегий обычно две - три. Из игры в игру они оттачиваются, доводятся до автоматизма. Следующий участок с самым низким значением АРМ. В это время обычно происходит определение местоположения противника, и
установление типа используемой им стратегии. Далее, как правило, разворачиваются сражения и часто в конце игры заметно сильное повышение значения АРМ, поскольку последняя схватка обычно решает исход игры. На представленном графике видно, что значение показателя АРМ противника почти в два раза выше показателя нашего испытуемого. Для противника эта игра была гораздо напряженнее, испытуемый уверенно одержал победу.
Далее нам хотелось бы сопоставить показатель АРМ со средним значением ЧСС и стабилографическим показателем - смещением центра давления тела оператора в сагиттальном направлении. Для этого на шкалу времени мы разобьем на промежутки, каждый из которых соответствует определенной игре, поскольку время начала и окончания каждой из них мы фиксировали в протоколе событий. Для каждой игры мы отметим среднее значение АРМ и соединим их прямой.
АРМ имеет высокие значения. Однако более интересная картина видна на рисунке 3.13 (в). Отчетливо видно, что график скорости нажатия клавиш повторяет тенденцию изменения координаты центра давления тела оператора в сагиттальном направлении, т.е. проще говоря, когда испытуемый наклонялся вперед в процессе деятельности увеличивалась скорость нажатия клавиш. На наш взгляд причиной этому являются задачи, возникающие перед оператором в процессе деятельности. События в игре имеют определенную последовательность, и естественно, что испытуемый в силу своей подготовленности может предсказывать наиболее вероятный исход этих событий. Когда он полностью контролирует ситуацию все показатели, как электрофизиологические, так и скоростные показатели двигательных актов, направленных на выполнение деятельности сохраняют свое постоянство. В момент, когда происходит неожиданное событие, в зависимости от его значимости, оператор мобилизует все свои физиологические и психологические резервы для скорейшего установления контроля над ситуацией. В зависимости от важности события и степени его последствий, реакция оператора так же варьируется в некотором диапазоне значений. Проблема состоит в том, что эта реакция зависит так же и от внутреннего ресурса организма оператора. Если система, построенная для определения функционального состояния оператора, не имеет возможности оценивать степень важности события, может возникнуть ситуация, когда при истощенном состоянии организма оператора произойдет серьезное событие, реакция оператора может быть похожей на реакцию на обычное событие, когда уровень адаптационных возможностей оператора высок. К сожалению, в реальных условиях деятельности кроме самого оператора степень сложности ситуации не в силах определить никто, тем более электронная система. Она может только пытаться оценивать текущее функциональное состояние по регистрируемым косвенным показателям.
Поэтому мы делаем допущение, что человек-оператор, приступая к работе имеет достаточный функциональный резерв и обладает хорошими адаптационными возможностями организма. При дальнейшем использовании предлагаемого метода оценки уровня нервно-эмоционального напряжения в условиях реальной деятельности перед началом ее выполнения оператор должен быть подвергнут допусковому контролю. Допусковый контроль должен оценить наличный резерв адаптационных возможностей организма оператора, уровень которых необходимо учитывать при контроле функционального состояния, предлагаемым в данной работе методом. Это позволит повысить достоверность оценки динамики контролируемого функционального состояния в процессе деятельности.
Анализируя рисунок, можно сказать, что в первой трети каждого из экспериментов, наблюдаемые значения показателя АРМ принимают низкие значения. Затем, в ходе деятельности происходит повышение этого показателя, наблюдаемое во второй трети каждого из графиков. И, наконец, в последней трети заметно либо снижение значения показателя АРМ или его скачкообразное поведение. Такое поведение показателя скорости нажатия клавиш можно объяснить наличием различных стадий работоспособностей, описанных в главе 1. Так начальный участок по описанию совпадает со стадией врабатываемости, следующий за ним - участок оптимальной работоспособности. Далее, в зависимости от степени сложности задач, возникающих в процессе деятельности и от их субъективного восприятия оператором, можно наблюдать остальные описанные стадии.
Например, эксперименты 4 и 11 по типу поведения показателя АРМ, который и является количественным показателем работоспособности, можно отнести к типу Б - эффективная работа. Эксперимент 10 скорее относится к напряженному типу. Хотя, на самом деле, судить о работоспособности просто по скорости нажатия клавиш нельзя, поскольку этот показатель не отображает результативность деятельности и, следовательно может привести к ошибочным выводам. Поэтому необходимо искать другие показатели и лишь при их сопоставлении делать выводы о стадиях работоспособности или степени напряженности деятельности.
Тем не менее, представленные графики изменения показателя АРМ для разных экспериментов свидетельствуют о наличии всех стадий работоспособности испытуемого во время экспериментов. Поэтому можно сказать, что эксперименты были проведены на высоком уровне, и среднестатистические показатели, предлагаемые в следующем разделе имеют высокую достоверность.
Аппаратная часть системы
Аппаратура, используемая в рамках системы "Стабилокресло" предназначена для регистрации реакций опор четырех тензорезистивных датчиков, размещенных в углах сиденья стабилографического кресла, преобразования их в цифровую форму и ввода этой информации в ЭВМ для обработки ее в соответствии с заданным алгоритмом. При этом обеспечивается максимально возможная комфортность регистрации данных. Основные технические характеристики комплекса приведены ниже. 1. Стабилографическое кресло работает от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. 2. Потребляемая электрическая мощность - не более 20 В А. 3. Поле регистрации координат центра давления представляет собой круг с центром в начале координат платформы и радиусом 150 мм. 4. Масса испытуемого - от 20 до 150 кг. 5. Отклонение координат центра давления, приведенное к максимальному диаметру поля регистрации, - не более 5%. 6. Программное обеспечение стабилографического кресла выполняет следующее: 6.1 Визуализацию стабилографического сигнала на экране ПЭВМ в реальном масштабе времени. 6.2 Представление и анализ стабилограммы. 6.3 Представление и анализ статокинезиграммы. 6.4 Представление и анализ гистограмм. 6.5 Спектральный анализ стабилографического сигнала. 6.6 Ведение базы данных испытуемых и проведенных обследований.
"Стабилокресло" представляет собой комплекс, состоящий из ПЭВМ и стабилографической платформы, встроенной в сиденье кресла оператора. Внутри конструктива кресла расположены датчики реакций опор и печатные платы блоков. Кресло состоит из сиденья со спинкой с подлокотниками и нижней части, являющейся опорой, которые соединены между собой посредством датчиков реакций опор. Четыре датчика реакций опор объединены в систему путем жесткого соединения их с сиденьем кресла и нижней его частью. Датчики реакций опор конструктивно попарно объединены. Каждая пара датчиков образована жесткой балкой с и наклеенными на ней тензорезисторными мостами. Балка имеет две силовводящие опоры.
Конструкция ПЭВМ определяется конфигурацией выбранного типа компьютера фирмы IBM. С точки зрения оперативности в работе стабилографического кресла предпочтительно использовать ПЭВМ с тактовой частотой процессора 166 МГц или выше. Электронная часть комплекса расположена внутри сиденья кресла и состоит из печатных плат: блока электронного и блока выпрямителей, «і которые конструктивно представляют собой законченные узлы. Блок выпрямителей выполнен на основе сетевого трансформатора, который имеет сплошную изоляционную перегородку между первичной и вторичной обмотками для обеспечения безопасности согласно ГОСТ Р 50267.0-92 и МЭК 601-1-1-96.
Каждый из четырех датчиков сиденья состоит из четырех тензорезисторов, наклеенных на металлические балки и соединенных по мостовой схеме. Сигнал с диагонали моста, пропорциональный деформации балки, снимается с помощью инструментального усилителя фирмы Analog Devices. По имеющимся данным отечественная промышленность не выпускает инструментальных усилителей вообще, а тем более усилителей такого класса. Усилители подобного типа выпускаются так же и некоторыми другими западными фирмами, например, Burr Broun.
Далее сигнал пропускается через фильтр низкой частоты для устранения сверхвысокочастотных составляющих сигнала. В качестве фильтра используется фильтр Бесселя 1 порядка с частотой среза 100 Герц. Наличие этого фильтра в схеме необходимо, поскольку используемый далее аналогово-цифровой преобразователь имеет аппаратный цифровой фильтр, который требует ограничения полосы входного сигнала. Используемый 16-ти разрядныйный сигма-дельта аналогово-цифровой преобразователь фирмы Analog Devices со встроенным цифровым фильтром низкой частоты позволяет настраивать частоту среза фильтра и частоту выдачи результата преобразования. При частоте выдачи результата преобразования в 50 Гц, значении полосы среза фильтра составляет 13,1 Гц. Спектр стабилографического сигнала достаточно низкочастотный, по данным [68] лежит в диапазоне 0-7 Гц. Поэтому значение частоты среза фильтра нас вполне устраивает.
Управление работой АЦП и передача данных в ПЭВМ осуществляется однокристальным микроконтроллером PIC16F877 фирмы Microchip. Кроме тензометрических датчиков, размещенных в сиденье кресла в исследовательских целях в подлокотники и спинку были встроены датчики усилия, которые можно использовать как вспомогательные каналы. Кроме того, система имеет возможность подключения внешнего датчика периметрического дыхания и фотоплетизмографического датчика пульса, которые так же были добавлены в систему для исследовательских целей.
Стабилографическое кресло имеет возможность работы как от сетевого источника напряжения, так и от внутреннего аккумулятора, степень заряда которого так же контролируется микроконтроллером.
В комплексе реализована возможность передачи данных в ПЭВМ по радиоканалу. Использование радиоканала вместе с аккумуляторным питанием позволяет отказаться от проводов питания и связи, что позволяет оператору спокойно передвигать кресло во время работы, не опасаясь зацепить какой-то из проводов.
Для работы с стабилографической системой со стороны пользователя было написано специальное программное обеспечение на языке Delphi. Программа создана для работы в операционной системе Windows, имеющей возможности для создания графического интерфейса с пользователем и систему поддержки баз данных. Программа позволяет регистрировать стабилографические данные и проводить их анализ, как с помощью визуальной оценки, так и с применением различных математических методов обработки информации.
