Разработка способа дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в локальной зоне воздушной среды Левитская Елена Андреевна

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 13

1.1 Обзор методов дистанционного определения степени алкогольного опьянения субъекта 13

1.2 Обзор технологий дистанционной оценки наркотического состояния субъекта

1.3 Обзор технологий локализации лица субъекта 27

1.4 Задачи диссертационного исследования 30

2 Способ дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе 31

2.1 Физические основы дистанционного определения содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом воздухе 31

2.2 Применение абсорбционной ИК - спектроскопии для выявления содержания алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом воздухе 36

2.3 Физические основы дистанционной локализации лица человека 48

3 Моделирование и оценка погрешностей 57

3.1 Выбор структуры устройства для дистанционного анализа параметров выбранных спектральных составляющих ИК-излучения, проходящих через воздушную среду. 57

3.2 Моделирование методом Монте-Карло прохождения ИК излучения через выдыхаемый воздух и его распространение в биоткани 68

3.3 Оценка погрешностей имитационного моделирования 84

4 Технология дистанционного контроля содержания алкогольно наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе и предложения по реализации 91

4.1 Технология дистанционного контроля содержания алкогольно наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе 91

4.2 Оценка эффективности разработанного метода 95

4.3 Предложения по применению разработанной технологии 98

Заключение 100

Список литературы 103

• Обзор технологий локализации лица субъекта
• Применение абсорбционной ИК - спектроскопии для выявления содержания алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом воздухе
• Моделирование методом Монте-Карло прохождения ИК излучения через выдыхаемый воздух и его распространение в биоткани
• Оценка эффективности разработанного метода

Введение к работе

Актуальность работы. В последние годы быстрыми темпами идет процесс автоматизации производственных процессов и активное внедрение информационных технологий на крупных и опасных промышленных предприятиях (таких как предприятия нефтеперерабатывающей, химической и атомной отраслей).

Одним из следствий процессов автоматизации стало существенное изменение условий, средств и характера трудовой деятельности. Хотя на данный момент основная часть всех технологических процессов на промышленных предприятиях автоматизирована, роль человеческого фактора на производстве не только не уменьшилась, а наоборот возросла. Человека и технические средства, которые он использует в процессе труда, нельзя рассматривать отдельно. Эта точка зрения привела к формированию понятия системы «человек – машина» (СЧМ).

Независимо от степени автоматизации СЧМ, человек остается главным звеном системы «человек – машина». Именно он ставит цели перед системой, планирует, оценивает и производит анализ информации от машины, направляет и контролирует весь процесс ее функционирования. Поэтому контроль психофизиологического состояния оператора в СЧМ является важной задачей.

На данный момент контроль психофизиологического состояния лиц,
допущенных в рамках своей профессиональной деятельности к опасным
технологическим процессам или к работе с коммерческой тайной,
осуществляется главным образом нормативными документами,

регламентирующими действия и поведение сотрудников.

Человек, допущенный к выполнению своей профессиональной деятельности и находящийся под воздействием психотропных веществ, неадекватно оценивает свои возможности, снижается уровень концентрации его внимания, происходит ухудшение периферийного поля зрения и искажение восприятия действительности. Работа в таком состоянии может привести к несчастным случаям, ошибкам при выполнении сложных задач, срыву технологического процесса, может стать угрозой не только для безопасности предприятия, но и привести к аварии способной превратить регион в зону экологического, техногенного бедствия.

Таким образом, необходимым условием для создания эффективной системы «человек – машина» является комплексный подход к мониторингу действий сотрудников, который включает в себя их непрерывную идентификацию и автоматическое определение опасного с точки зрения безопасности поведения субъекта.

Изучение научных публикаций и патентной базы в области определения концентрации алкоголя и наркотических веществ в крови субъекта показало наличие некоторого числа решений для экспресс-диагностики субъектов и выявило основные недостатки существующих методов: невозможность скрытого сбора анализов и данных для проведения исследований; длительность

4 процедуры; необходимость специального оборудования для обработки результатов исследований; навязчивость процедуры для пользователей.

Существует настоятельная необходимость создания системы

дистанционного контроля психофизиологического состояния сотрудника, намеревающегося получить доступ на территорию предприятия и/или в процессе его работы. При фиксировании признаков потребления алкоголя и (или) наркотических веществ система должна отобразить результат на экран монитора оператора службы безопасности. Система может быть интегрирована в систему контроля и управления доступом (СКУД) или быть автономной.

Данная система может быть использована для контроля

психофизиологического состояния водителей транспортных средств, чья деятельность предусматривает доступ на охраняемую территорию или перевозку опасных веществ (например, взрывчатых веществ). При фиксировании признаков потребления алкоголя и (или) недопустимого психофизиологического состояния система предотвратит запуск двигателя транспортного средства, скрытость проверки осложнит поиски средств противодействия операции.

Основная идея работы состоит в контроле содержания алкогольных и наркотических веществ на основе каннабиноидов в локальной зоне воздушной среды путем сравнения интенсивностей потоков ИК-излучения на двух длинах волн (опорной и измерительной), прошедших через выдыхаемый субъектом воздух и отраженных от его лица, с предварительным установлением местоположения лица человека.

Степень разработанности темы исследования. Анализ доступных объектов интеллектуальной собственности, патентов, монографий, публикаций и периодической литературы в области определения концентрации алкоголя и наркотических веществ в крови субъекта показал наличие некоторого количества решений для экспресс-диагностики субъектов. А также выявил недостатки существующих методов и необходимость решения ряда практических задач, например, по скрытой оценке степени опьянения субъекта. На сегодняшний день такие задачи либо решаются при контакте с тестируемым, то есть субъект знает, что его проверяют и как это делается, либо не решаются вовсе.

Объектом исследования диссертационной работы является

концентрация алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе.

Предметом исследования диссертационной работы являются методы дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических веществ на основе каннабиноидов в крови субъекта по выдыхаемому им воздуху.

Целью диссертационной работы является разработка способа дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать современное состояние методов контроля паров этанола и аммиака в выдыхаемом субъектом воздухе, обосновать применения абсорбционной ИК- спектроскопии;

2. Выбрать и обосновать спектральные области излучения, наиболее подходящие для обнаружения паров этанола и аммиака;

3. Разработать способ дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, позволяющего с высокой точностью определять концентрацию этанола и аммиака в крови субъекта;

4. Предложить метод локализации зоны анализа воздушной среды для обнаружения области с наибольшей концентрацией паров этанола и аммиака;

5. Разработать математическую модель процесса прохождения ИК-излучения через выдыхаемый воздух и биоткань;

6. Разработать технологию дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе.

Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, математической статистики, математического, имитационного и натурного моделирования.

Научная задача: разработать методы и технологию дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе.

Научная новизна результатов исследования.

7. Разработан способ дистанционного контроля содержания этанола и аммиака в выдыхаемом субъектом воздухе, отличающийся введением опорного и измерительного оптических каналов для каждого из анализируемых веществ, применением дополнительных операций по обработке сигналов, а также введением каналов измерения концентрации алкоголя и наркотических средств на основе конопли в выдыхаемом воздухе.

8. Обоснован метод локализации зоны анализа воздушной среды на присутствие алкоголя и наркотических веществ, использующий наличие меланина в поле зрении оптической системы, отличающийся введением опорного и измерительного оптических каналов для меланина. С целью улучшения чувствительности и селективности локализации применяются операции накопления отраженных импульсов и их непрерывное сопоставление до получения устойчивого эффекта выполнения базового условия, означающего попадание лица субъекта в поле зрения оптической системы.

9. Получены численные результаты математического моделирования процесса взаимодействия ИК-излучения на выбранных длинах волн (1,1, 1,2, 2,6, 3,0, 3,1, 3,3 мкм) при прохождении через выдыхаемый воздух, попадании на кожный покров и отражении от него в направлении приемной системы.

6
4. Установлены зависимости между количеством регистрируемых

фотонов, расстоянием до источника/приемника излучения и площадью детектора.

Практическая ценность научной работы заключается в том, что
полученные результаты позволят решить важную проблему дистанционного
контроля содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в
выдыхаемом субъектом воздухе. Это позволит повысить уровень

информационной и техногенной безопасности на важных промышленных объектах, а также снизить уровень ошибок, чрезвычайных ситуаций, происходящих по вине неадекватного субъекта, а значит сделать СЧМ более эффективной.

Разработанный способ дистанционного контроля содержания этанола и аммиака в выдыхаемом человеком воздухе может быть использован для решения широкого круга задач в биохимии, клинической и биомедицине. Практическую ценность представляют:

10. Метод локализации зоны анализа воздушной среды на наличие алкоголя и наркотических веществ, использующий наличие меланина в поле зрении оптической системы;

11. Способ дистанционного контроля содержания алкоголя в крови субъекта по выдыхаемому воздуху;

12. Способ дистанционного контроля содержания наркотических веществ на основе конопли в крови субъекта по выдыхаемому воздуху;

13. Технология дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, реализующая предложенные методы;

14. Математическая модель прохождения инфракрасного излучения через выдыхаемый субъектом воздух, его попадании на кожный покров и отражении от него в направлении приемной системы, позволяющая моделировать процесс дистанционного анализа спектральных составляющих и получить ожидаемые оценки его чувствительности.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Представленная диссертация удовлетворяет п.1 и п.2 паспорта специальности 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»:

п. 1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

п. 2. Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля.

Достоверность результатов подтверждена соответствием результатов
имитационного моделирования и экспериментальных данных, использованием
признанных методик статистической обработки данных. Все

7 экспериментальные данные были получены на сертифицированной и метрологически поверенной аппаратуре с погрешностью не более 10%;

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
«Восьмом Всероссийском конкурсе студентов и аспирантов по

информационной безопасности SIBINFO-2008» (г. Томск, 2008 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Омск, 20-21 мая 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Снежинск и наука 2009» (г. Снежинск, СГФТА, 2009 г.); Третьей Международной конференции САИТ-2009 «Системный анализ и информационные технологии» (г. Звенигород, 14-18 сентября 2009 г.); Международном информационном конгрессе «МИК-2010» «Международный и региональный опыт построения информационного общества» (г. Омск, 14-16 сентября 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011» (г. Томск, 2011 г.); XII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2-4 декабря 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных научных работах. В число указанных публикаций входят 5 статей из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, 6 статей в сборниках материалов международных и всероссийских конференций. Получен патент на изобретение № 2438131 от 27.12 2011.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены лично автором. Все методы, обсуждаемые в работе, разработаны и экспериментально исследованы автором самостоятельно. Постановка целей и задач исследования, их предварительный анализ, планирование экспериментов осуществлялись совместно с научным руководителем.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

15. Способ дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом субъектом воздухе, основанный на облучении лица человека последовательностью импульсов инфракрасного диапазона оптического спектра и анализа отраженных излучений, позволяющий обнаружить концентрацию этанола в крови от 0,2⁰/₀₀ и аммиака от 10⁰/₀₀.

16. Метод локализации зоны анализа воздушной среды на наличие алкоголя и наркотических веществ, основанный на обнаружении меланина в поле зрения приемной оптической системы, позволяющий повысить чувствительность обнаружения.

17. Математическая модель прохождения инфракрасного излучения через выдыхаемый субъектом воздух, его попадании на кожный покров и отражении от него в направлении приемной системы, позволяющая моделировать процесс дистанционного анализа спектральных составляющих и получить ожидаемые оценки его чувствительности.

4. Технология дистанционного контроля содержания алкогольно-

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, реализующая предложенные способы и методы.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 124 страницах. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, семи приложений. Работа содержит 38 иллюстраций, 9 таблиц, 44 формулы, список использованных источников, состоящий из 116 наименований.

Обзор технологий локализации лица субъекта

Поиск объективных критериев оценки психофизиологического состояния человека, находящегося под воздействием наркотических веществ, до настоящего времени остается актуальной задачей [32].

По последним оценкам, опубликованным во Всемирном докладе о наркотиках [33], в 2010 году от 3,4 до 6,6% людей в возрасте от 15 до 64 лет употребляют психоактивные вещества. Согласно тому же источнику, в 2010 году произошло от 22 до 55,9 смертей на миллион человек в результате незаконного употребления наркотических веществ.

Согласно данным ВОЗ [12] самым широко используемым запрещенным наркотическим веществом в мире является каннабис. Данные об изъятии и уничтожении указывают на то, что масштабы распространения производства марихуаны растут.

Одной из причин широкого распространения марихуаны является высокая сложность выявление лиц, употребивших каннабиноиды (препараты, приготовленные из различных частей конопли, наиболее распространенные: марихуана (смесь листьев, соцветия), гашиш (смолка, гашишное масло) [34]). Как правило, их курят, забивая в папиросы вместе с табаком. Основным действующим веществом, ответственным за психоактивные свойства конопли, является группа алкалоидов под общим названием тетрагидроканнабинолы.

В литературе [12, 30, 35] описываются психологические эффекты от приема каннабиноидов, такие как обостренное восприятие звука и света, эйфория, спокойствие и дремота (или бессонница, что зависит от конкретного человека), кратковременные приступы тревожности, доходящие до паники, галлюцинации.

При курении каннабиноиды быстро всасываются лёгкими в течение нескольких минут, достигая максимальной концентрации в крови через 5…30 минут с последующим быстрым снижением за счёт распределения по тканям и процессов метаболизма. При пероральном введении концентрация этих веществ нарастает медленно и достигает максимальных значений через 1,5…3 часа [36].

Анализ периодической литературы [18, 37] в области оценки психофизиологического состояния, удовлетворяющих нашему условию, показал наличие определенных результатов и выявил необходимость решения ряда вопросов.

В последние 5…7 лет в странах Европы было предложено достаточно методов обнаружения наркотических веществ, но все они в большинстве случаев не подходят в качестве экспресс - тестов для субъектов [38]. В настоящее время, для диагностики употребления наркотических веществ используются экспресс -анализы мочи или крови, показывающие наличие ТГК (тетрагидроканнабинола) в организме человека. Методы основаны на том, что за 5 дней выводится от 80 до 90% принятой дозы ТГК, 20% из которой с мочой в виде метаболитов, на 80% связанных с глюкуроновой или серной кислотами. В настоящее время в практику внедрены наборы индикаторных полосок, основой действия которых является иммунохроматографический анализ [30, 39]. Анализируемый образец (моча) абсорбируется поглощающими участками полосок, и при наличии в образце наркотика (или его метаболитов) они вступают в реакцию со специфическими антителами, образуя комплекс «антиген - антитело». В зависимости от того, чем метится антитело и какие предусмотрены цветовые реакции, связанные с появлением комплекса «антиген - антитело», индикаторная зона при наличии искомого наркотического вещества приобретает или, наоборот, не приобретает, определённую окраску. У хронических наркоманов иммуноферментным методом в моче определяются метаболиты ТГК на уровне более 20 нг/мл в период от 4 до 77 дней после последнего употребления, а у «умеренных» потребителей — в среднем через 13 дней (от 3 до 29 дней) [40]. Анализ каннабиноидов представляет собой определенные трудности вследствие их высокой липорастворимости и низкой концентрации в анализируемых биожидкостях — моче и крови. Поэтому более часто содержание каннабиноидов устанавливается в смывах рук и ротовой полости курильщиков.

Медленнее чем ожидалось, идет развитие методов, основанных на анализе слюны [41]. Ученые столкнулись с проблемой получения образца надлежащего качества (объема и вязкости) и невысокой чувствительностью метода.

Так же проходят испытания потовых методов, но они пока не дали хороших результатов [41].

На данный момент самым надежным и широко применяемым методом выявления факта употребления наркотических веществ в США и Европе является анализ по волосам. Данный метод обладает высокой чувствительностью и достоверностью.

Еще одним методом диагностики наркотических веществ является – анализ ногтевой пластины [42]. Концентрация психоактивных веществ в ногтях равна или выше концентрации в волосах.

У всех доступных методов существует общая проблема сбора необходимых для анализов образцов в рамках задачи обеспечения скрытности и ненавязчивости. Кроме того, большим недостатком существующих методов выявления наркотического опьянения человека является возможность фальсификации результатов предстоящей проверки благодаря предварительной осведомленности о ней. Отсутствие возможности скрытого проведения проверки, без активного вовлечения человека в процедуру проверки, является ограничивающим фактором распространения данных методик в особо важных информационных системах.

Применение абсорбционной ИК - спектроскопии для выявления содержания алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом воздухе

От выбранного метода локализации лица напрямую зависит точность и корректность дистанционной оценки содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом субъектом воздухе. Поэтому метод локализации лица субъекта должен быть точным, быстродействующим и обеспечивающим селективность обнаружения, предполагать работу на значительном расстоянии, при разных условиях освещения и в условиях скрытности. Учитывая это, лишь несколько методов могут быть применимы с целью локализации лица субъекта в рамках решения поставленной задачи.

Теоретически решить задачу локализации лица возможно при помощи ИК -спектроскопии, занимающейся изучением спектров поглощения и отражения электромагнитного излучения в инфракрасной области. Из-за большой уникальности инфракрасных спектров поглощения, каждый из них может быть расценен как биометрическая характеристика соответствующей молекулы, вещества, ткани и т.д.

Применение ИК-спектроскопии с целью локализации лица субъекта снимет основные проблемы стандартной локализации лица, связанные с ограничениями на условия освещенности, фона, положения лица, температурный режим. Кроме того, нет необходимости в камерах, что, несомненно, снизит стоимость готовой системы.

Для того, чтобы понять процесс воздействия ИК-излучения на человеческую кожу, важно понимать каким именно образом происходит распространение света в биологических тканях, необходимы базовые знания о человеческой коже с точки зрения ее структуры и состава.

Кожа человека представляет собой сложную структуру и является примером, так называемой мутной среды, в которой присутствуют как поглощение, так и рассеяние излучения. В то же время она является живой многослойной средой, содержащей различные включения, такие как, например, кровеносные сосуды, потовые железы и другое. Все это усложняет понимание процессов, происходящих при воздействии ИК излучением на кожу.

Однако, распространение электромагнитного излучения в биологических тканях, и в коже в частности, имеет некоторые особенности (рисунок 2.11). За счет многократного рассеяния и поглощения световой пучок уширяется и затухает в ткани. Эти процессы являются предметом многочисленных исследований [81], а также описаны в монографии Тучина В.В. «оптическая биомедицинская диагностика» и работах Пушкаревой А.Е., Гениной Э.А. [82-84].

Кожа – гетерогенная среда, состоящая из нескольких слоев с различными оптическими и теплофизическими свойствами. Обычно выделяют 7 слоев кожи [85]: роговой слой, эпидермис, верхняя дерма, дерма с поверхностным сплетением сосудов, нижняя дерма с поверхностным сплетением сосудов, нижняя дерма, дерма с глубинным сплетением сосудов, гиподерма (рисунок 2.12).

На практике для изучения процессов отражения и поглощения падающего на кожу излучения чаще используют упрощенную модель, предполагающую, что кожа состоит из трех слоев. Каждый слой однородно пропускает и рассеивает свет [83] (рисунок 2.13). Вследствие поглощения интенсивность отраженного от кожи излучения ослабляется. Поглощательная способность среды зависит главным образом от распределения, концентрации, спектров поглощения поглощающих элементов, длины волны излучения и толщины поглощающего слоя. Падающее излучение сначала проходит через наружный слой кожи (1) – эпидермис. Его толщина составляет от 0,027 до 0,2 мм и зависит от расположения на теле [86]. Поглощающие свойства эпидермиса обусловлены в основном меланином. В пределах данного слоя очень мало рассеивание [87] и в результате весь свет не поглощенный меланином достигает содержащей кровь поверхностный слой дермы (слой 2), где поглощается преимущественно гемоглобином; оставшаяся часть диффузно рассеивается коллагеном в остальной части дермы (слой 3). Диффузно рассеянный свет выходит из кожи, по пути еще раз испытав поглощение в слоях, содержащих гемоглобин и меланин.

Связь между поглощением света в чистопоглощающей среде и толщиной среды описывается законом Бугера - Ламберта: , (2.15) где - коэффициент поглощения (см-1), который может быть интерпретирован как вероятность того, что фотон будет поглощен средой на единицу длины. Величина, обратная коэффициенту поглощения известна как длина поглощения, показывающая расстояние, на котором интенсивность светового пучка уменьшится в е раз от его начальной интенсивности. В ближнем инфракрасном диапазоне длин волн коэффициент отражения кожи человека лежит в пределах от 0,1 до 0,5 и зависит от степени пигментации, морщинистости кожи, наличия жира и влаги.

Кожа состоит из различных типов, поглощающих свет химических соединений, называемых хромофорами. В биологических тканях поглощение оптического излучения в основном вызвано молекулами воды, так как она является главной составляющей большинства тканей. Человеческий организм на 55…65% состоит из воды. В ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазоне коэффициент поглощения воды очень мал. Эта область называется терапевтическим окном. В этих областях поглощение ткани определяется спектрами поглощения пигментов, в частности для кожи - спектрами поглощения меланина и гемоглобина.

Меланин является основным пигментом кожи, его вырабатывают меланоциты - клетки базального (нижнего) слоя эпидермиса [88]. Основная функция меланина – защита кожи от вредного воздействия солнечных лучей. У людей меланин отвечает за цвет волос, глаз, кожи и ее чувствительность к воздействию света. Чем больше вырабатывается меланина, тем интенсивнее и темнее окраска кожи.

Человеческая кожа характеризуется переменной концентрацией меланина. Как правило, в объемных долях эпидермиса содержание меланина варьируется от 1,3% (для светлокожих людей) до 43% (для темнокожих людей) [89].

Выделяют два типа меланина – красно-желтый феомеланин и коричнево-черный эумеланин [90], они одновременно присутствуют в коже человека, но в разных соотношениях. Эумеланин отвечает за цвет кожи и его концентрация сильно варьируется в зависимости от расы и типа кожи. Феомеланин в основном сосредоточен в губах, сосках, половых органах. Его уровень не зависит от расы, цвета и типа кожи [91]. Спектры поглощения феомеланина и эумеланина монотонно возрастают с уменьшением дины волны (рисунок 2.14).

Рассеяние светового излучения – отклонение фотонов в случайных направлениях частицами среды распространения. Рассеяние от поверхности среды называют диффузным отражением.

В тканях кожи различают два доминирующих рассеяния – Рэлеевское и Ми [81]. Рэлеевское рассеяние является упругим рассеянием света, когда рассеивающие частицы много меньше, чем длина волны падающего излучения. Оно обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Рассеяние Ми – рассеяние света на сферических частицах, когда их размер соизмерим с длиной волны падающего излучения.

Моделирование методом Монте-Карло прохождения ИК излучения через выдыхаемый воздух и его распространение в биоткани

Реальные траектории движения фотонов от источника ИК-излучения через выдыхаемый человеком воздух, их отражение от лица и их вклады в сигнал приемника излучения случайны. Однако вероятностные законы, описывающие процессы переноса частиц, их взаимодействие со средой, биотканью и детектором, достаточно хорошо изучены, что позволяет моделировать на ЭВМ траектории, статистически адекватные реальным, и оценивать на них исследуемые параметры.

При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их достоверность. Для количественной оценки используется понятие "погрешность измерений" (чем меньше погрешность, тем выше точность). Погрешность результата измерения - это разница между результатом измерения X и истинным (или действительным) значением Q измеряемой величины. Она указывает границы неопределенности значения измеряемой величины.

Погрешность результата зависит от многих факторов и источников. Чаще всего при анализе погрешностей измерений производят их деление на составляющие, изучение их по отдельности и суммирование по принятым правилам. Определив, количественные параметры всех составляющих погрешности, и зная способы их суммирования, можно правильно оценить погрешность результата измерений и при возможности скорректировать его с помощью введения поправок. Выделяют следующие основные источники погрешностей измерений [110, 111]: 1. неполное соответствие объекта измерений принятой его модели; 2. неполное знание измеряемой величины; 3. неполное знание влияния условий окружающей среды на измерение; 4. несовершенное измерение параметров окружающей среды; 5. конечная разрешающая способность прибора или порог его чувствительности; 6. неточность передачи значения единицы величины от эталонов к рабочим средствам измерений; 7. неточные знания констант и других параметров, используемых в алгоритме обработки результатов измерения; 8. аппроксимации и предположения, реализуемые в методе измерений; 9. субъективная погрешность оператора при проведении измерений; 10. изменения в повторных наблюдениях измеряемой величины при очевидно одинаковых условиях и другие.

Число факторов, влияющих на достоверность и точность измерений велико, и любая их классификация условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в разных группах.

В случае оценки погрешностей моделирования физического процесса можно выделить несколько основных видов погрешностей, которые встречаются чаще всего: 1. систематическая, т.е. остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же величины; 2. статистическая, т.е. возникающая из-за того, что несколько повторных измерений одним и тем же самым инструментом дали различающиеся результаты; 3. случайная, т.е. изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях и не подчиняющаяся какой-либо закономерности.

Систематические погрешности обычно вызваны несовершенством самой методики обработки данных или измерительного инструмента. Существует большое число возможных источников таких погрешностей (таких как, дефекты детектора, неточность измерений отраженного излучения, погрешность при измерении траектории частиц и т.д.). Для оценки погрешности проведенного математического моделирования этим видом погрешности можно пренебречь, так как нет самого источника погрешностей.

Статистическая погрешность связана с разбросом значений, которые выдает эксперимент после каждого измерения.

Случайные погрешности возникают в результате случайных колебаний температуры, вибрациями, помехами и т. д. В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений. Однако их влияние может быть уменьшено путем применения специальных способов обработки результатов измерений, основанных на положениях теории вероятности и математической статистики.

Для случайных погрешностей имеет место ряд условий: - малые по величине случайные погрешности встречаются чаше, чем большие; - отрицательные и положительные относительно средней величины измерений, равные по величине погрешности, встречаются одинаково часто; - для каждого метода измерений есть свой предел, за которым погрешности практически не встречаются (в противном случае эта, погрешность будет грубым промахом).

Для выявления случайных погрешностей используют многократные измерения одной и той же величины, а их результаты обрабатываются методами теории вероятностей и математической статистики. Это позволяет уточнить результаты выполненных измерений. В силу вероятностного характера случайных погрешностей они могут быть оценены статистическими методами.

Оценка эффективности разработанного метода

Для проверки работоспособности предлагаемого в данном диссертационном исследовании метода дистанционного обнаружения алкоголя в крови субъекта был проведен натурный эксперимент.

В эксперименте приняло участие 10 здоровых добровольцев – мужчин в возрасте от 27 до 60 лет и 10 здоровых добровольцев – женщин в возрасте от 24 до 59 лет (приложение А).

Добровольцам было предложено употребление некоторого количества спиртосодержащих напитков с последующим измерением и вычислением концентрации алкоголя в крови субъектов при помощи откалиброванного анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе АЛКОТЕКТОР PRO-100 combi фирмы Shenzhen Well Electric Co. [114] (приложение Д), имитационного моделирования и теоретических расчетов по формуле Видмарка (2.2).

Перед употреблением спиртного все участники эксперимента прошли контрольную проверку алкотестером PRO-100 combi. Данный алкотестер сертифицирован в Минздраве РФ и используется сотрудниками ГИБДД при освидетельствовании водителей (приложение Е) [115, 116]. Технические характеристики PRO-100 combi [115, 116] Диапазон измерений от 0 до 2,00 мг/л Пределы допустимой погрешности измерений при температуре (20±5) С от 0 до 0,480 мг/л - ±0,048 мг/л 0,480 мг/л - ±10% от измеренного значения Время измерения 10 сек Рабочая температура от -5 до +50 С Алкотестер показывает содержание паров этанола в выдыхаемом воздухе. Для перевода результатов в промилли по крови была использована формула 2.3. Технические характеристики источника и приемника излучения, необходимые для проведения моделирования, были взяты из таблиц 3.2 – 3.3. Расстояние между субъектом и измерительным устройством было принято 40 см. Время нахождения субъекта в поле зрения системы 1 секунда, период посылки импульсов 40 мксек. Концентрация воздушных примесей считалась постоянной.

Добровольцы принимали спиртосодержащие напитки дозами. Одна доза соответствует 15 гр чистого спирта (таблица 4.2). Первая серия замеров проводилась через 5, 30 и 60 минут после принятия первой дозы. Затем было принято еще 2 дозы. Вторая серия замеров проводилась также через 5, 30 и 60 минут после принятия алкоголя.

Сравнение результатов имитационного моделирования и расчетных исследований позволяет сказать, что абсолютная погрешность составляет 0,03 мг/л, что меньше абсолютной погрешности измерений алкотестером PRO-100 combi.

Проведенные натурные эксперименты дают основание говорить о работоспособности разработанных методов дистанционного обнаружения алкогольного и наркотического опьянения, а также об адекватности построенной математической модели и достоверности, полученных в ходе имитационного моделирования результатов. 4.3 Предложения по применению разработанной технологии

Разработанная в рамках данной диссертационной работы технология дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом субъектом воздухе может быть применима в составе комплексной системы разграничения доступа пользователей компьютерных систем к информационным ресурсам. В системе предлагается подход к разграничению доступа, основанный на непрерывной скрытой идентификации пользователя компьютерной системы в процессе его работы с электронными документами. В качестве идентификационных характеристик используются клавиатурный почерк и особенности работы субъекта с мышью [9,10].

Установлено, что при реализации нарушений режима доступа к информации нестабильность клавиатурного почерка и особенностей работы пользователя с мышью возрастают.

На рисунке 4.3 представлена блок-схема работы комплексной системы скрытой идентификации пользователя компьютерных систем и оценка его психофизиологического состояния в процессе профессиональной деятельности.