Введение к работе
-з -
Актуальность темы. Несмотря на революционное развитие электронных систем управления, сейчас, как и прежде, человеческий фактор в значительной степени определяет безопасность функционирования технических средств, представляющих потенциальную опасность. Деятельность водителей, рулевых, диспетчеров, операторов атомных электростанций и представителей многих других профессий, требующих от человека особенного внимания, крайне чувствительна к влиянию человеческого фактора и зависима от него. Ошибка в работе, занимающихся перечисленными видами деятельности, чревата как минимум экономическими потерями, а часто и человеческими жертвами. Введение в широкую практику средств, обеспечивающих необходимый уровень работоспособности операторов, стало актуальной задачей. Условием эффективности применения таких средств является мониторинг состояния человека в каждый момент рабочего времени. Если в результате отказа устройства мониторинга возможны человеческие жертвы или нанесение существенного экономического ущерба, то такое устройство считается системой безопасности и к нему должны предъявляться специфические нормативные требования, обеспечивающие поддержание рисков на заданном приемлемом уровне. Поскольку неработоспособное состояние оператора является опасным в указанном смысле, то системы мониторинга состояния оператора должны быть системами безопасности. В противном случае при потере оператором работоспособного состояния система мониторинга может показывать, что оператор находится в состоянии бодрствования, и не включать объекты управления, которые должны реагировать необходимым образом. Устройство, которое должно повышать безопасность, может, при его неправильной работе, само стать источником опасности. В настоящее время, когда только на российских автомобильных дорогах за год гибнет почти 30 тысяч человек, а на долю аварий, связанных с засыпанием водителя, приходится до 20% случаев, важной и актуальной задачей является
-4-разработка принципов функционирования и создание безопасных устройств
контроля состояния человека-оператора, водителя, машиниста и т.д.
Целью диссертационной работы является изучение закономерностей потери рабочего состояния человеком-оператором, исследование возможности классификации людей по их пригодности к профессии оператора. Выявление наиболее эффективных и оптимальных методов диагностики рабочего состояния оператора. Развитие этих методов до принципов практического конструирования безопасных устройств мониторинга оператора. Разработка и внедрение в практику системы контроля работоспособности человека-оператора.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. На основе российских статистических данных по автомобильному и
железнодорожному движению проведён анализ потери состояния бодрствования водителя автомобиля и машиниста локомотива. Получена количественная оценка различия вероятности засыпания водителя (интенсивность засыпания составляет около 7 10" 1/ч) и машиниста (интенсивность засыпания Хс= 0,99 10" 1/ч).
-
Разработанный непрерывный психомоторный тест позволил получить экспериментальные результаты, свидетельствующие о том, что переход от бодрствования ко сну происходит через промежуточные кратковременные и более длительные состояния бодрствования и сна, длительность которых подчиняется двойному экспоненциальному закону распределения. Построена динамическая модель засыпания, описывающая этот процесс посредством марковских случайных переходов между состояниями бодрствования и состояниями сна (короткими и длительными). Предложенная динамическая модель позволяет по результатам поведенческого тестирования индивидуально оценивать (предсказывать) вероятностные характеристики засыпания субъекта при критическом снижении уровня бодрствования.
-
На основе статистических данных по автомобильному движению проведён
-5-анализ предрасположенности водителей к авариям, основанный на
разделении водителей по категориям с разными интенсивностями попадания
в ДТП. Обнаружено, что по степени предрасположенности к авариям
водителей можно разделить на три категории со значительно
различающимися вероятностями дорожных происшествий. Аналогичная
закономерность обнаружена в лабораторных экспериментах по
исследованию засыпания оператора. Показано, что существует возможность
классификации операторов в соответствии с указанными категориями.
4. На основе обработанных статистических данных по автомобильному и
железнодорожному движению построены математические модели систем
контроля состояния оператора, описывающие их взаимодействие с
оператором и внешней (дорожной) обстановкой с учётом потери рабочего
состояния оператора, отказов аппаратной части и возможности наступления
аварийных ситуаций. Учитывалось также влияние психологических
факторов, обусловленных чрезмерным доверием водителей системе
мониторинга. Показано, что на безопасность применения системы
мониторинга влияет качество обнаружения системой преддремотного
состояния. Рассчитаны риски, связанные с неисправностями системы и
недостаточной эффективностью её работы.
5. Проведены макетирование и анализ двух активно разрабатываемых в мире в
настоящее время методик контроля состояния бодрствования оператора:
речевой диалоговой технологии и метода регистрации состояния оператора
по анализу его видеоизображения. Проведены теоретические и
экспериментальные оценки надёжности и безопасности систем, основанных
на этих технологиях.
6. Исследовано более 1000 эпизодов засыпания испытуемых в лабораторных
условиях, показано, что существуют изменения амплитудно-временных
характеристик сопротивления кожи человека (в частности,
электродермальная активность (ЭДА) по Фере), позволяющие
прогнозировать снижение уровня бодрствования человека-оператора с
заранее заданной вероятностью опасного отказа, что дает возможность разрабатывать реальные системы контроля состояния оператора.
-
На основе анализа временных зависимостей формы сигналов ЭДА предложен и реализован алгоритм их обнаружения с использованием методов распознавания образов.
-
Проведено сравнение результатов регистрации ЭДА на постоянном и переменном токе. Показано, что на переменном токе возможны измерения при более высоких значениях действительной составляющей межэлектродного импеданса и в более широком температурном диапазоне.
-
Исследование зависимостей параметров сигналов ЭДА от величины зондирующего напряжения показало, что с увеличением напряжения качество регистрации сигналов возрастает (улучшается соотношение сигнал/шум), особенно при высоких значениях межэлектродного сопротивления. Этому дано объяснение на основе учета влияния на результаты измерения гальванических ЭДС.
10. На основе описанных в диссертационной работе принципов разработана
«Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста» (ТСКБМ).
Прибор выпускается серийно и в течение многих лет обеспечивает
безопасную работу машинистов на сети железных дорог России.
Новые научные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, позволили сформулировать положения, выносимые на защиту:
1. Процесс засыпания оператора происходит посредством чередования
кратковременных и длительных состояний бодрствования и сна.
Длительность продолжительного состояния бодрствования в среднем
составляет несколько минут, а кратковременное состояние бодрствования
продолжается в среднем чуть меньше минуты. Кратковременный сон в
среднем длится около полутора десятка секунд, что на порядок короче
длительности состояний продолжительного сна.
2. Вероятность появления ошибок оператора (аварий), связанных с засыпанием,
зависит от характера его деятельности. Например, среднее время
-7-бодрствования машиниста составляет около 100 часов, среднее время
бодрствования водителя автомобиля - 1,4 10 часов. Это связано с
возможностью возникновения опасных эпизодов «микросна» уже на
начальных периодах засыпания.
-
Водителей автотранспортных средств по склонности к авариям можно условно разделить на четыре категории. Вероятность аварии водителей для первой и третьей категорий отличаются от таковой для средней категории в три - пять раз.
-
Контроль состояния глаз водителя позволяет обеспечивать контроль бодрствования в условиях управления автомобилем. Вероятность опасных отказов в таких системах оценивается как 3-10" .
5. Использование интеллектуальной системы диалога с машинистом
(оператором) со словарём из 10 слов позволяет обеспечивать надежный
контроль состояния машиниста в условиях шума до 92 ДБ. Проведённые
испытания и расчёты показали, что для каждого человека можно подобрать
такой набор параметров системы распознавания, при котором вероятность
опасного отказа составляет 10" .
6. Существуют такие параметры электродермальной активности, которые
свидетельствуют о снижении уровня бодрствования оператора. При этом
возможно обеспечить распознавание сигналов ЭДА на фоне помех с
задаваемой достоверностью. Это позволяет использовать измерение
параметров сигналов ЭДА для прогноза опасных состояний человека-
оператора с вероятностью опасного отказа менее 10" .
-
Системы контроля состояния оператора должны быть высокоэффективны и безопасны. Применение малоэффективной или небезопасной системы мониторинга не снижает, а наоборот повышает аварийность, связанную с засыпанием оператора.
-
«Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста», созданная в соответствии с разработанной технологией измерения ЭДА, существенно повысила безопасность движения, что подтверждается многолетним опытом
-8-эксплуатации этой системы на железнодорожном транспорте.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработаны научные основания и принципы практического конструирования безопасных устройств мониторинга оператора. Проведён анализ современных разработок устройств мониторинга оператора. На основе развитых принципов разработана и внедрена на сеть железных дорог России «Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста». Прибор 14 лет выпускается серийно, оборудовано более 4 тысяч локомотивов. С этими приборами работают более 12 тысяч машинистов, и в течение всего времени эксплуатации (более 45 миллионов человеко-часов наработки) не было ни одного случая аварии по причине засыпания или снижения уровня бодрствования машинистов.
Достоверность результатов работы подтверждается, во-первых, результатами 14-летней безаварийной эксплуатации «Телемеханической Системы контроля бодрствования машиниста»; во-вторых, теоретическими расчётами, выполненными при помощи общепринятых методик; в-третьих, согласием основных теоретических положений с результатами лабораторных экспериментов; в-четвертых, соответствием этих результатов данным, приведённым в работах других авторов.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы были представлены на международных и российских конференциях и съездах начиная с 1998 года:
-
1998 г. - 9th World Congress of Psychophysiology, Sicily, Italy.
-
2005, 2007, 2009 r.r. - 3, 4, 5-я Международные школы-конференции по сомнологии «Сон-окно в мир бодрствования». (Ростов-на-Дону, Москва, Ростов-на-Дону).
3. 2006 г. - Вторая международная конференция по когнитивной науке.
Санкт-Петербург.
-
2007 г. - XX Съезд физиологического общества им. И.П.Павлова, Москва.
-
2007 г. - IV съезд Российского психологического общества, Ростов-на-
-9-Дону.
-
2008 г. - 44th International Applied Military Psychology Symposium, St. Petersburg, Russia.
-
2008 r. - 14th World Congress of Psychophysiology "The Olympics of the Brain" St. Petersburg, Russia.
-
2009r. - 15th European Conference on Eye Movements. Southampton. UK.
-
2009 r. - 15-й Международной конференции по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону.
Исследования, результаты которых отражены в диссертации, поддерживались грантами Российского гуманитарного научного фонда (№01-0600186а, № 05-06-06280а) и Российского фонда фундаментальных исследований (№01-07-90326-в, №02-07-08009-инно, №09-06-12040 офи-м, №08-07-00352-а, научным руководителем которого является автор настоящей работы).
Прибор «Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста» (ТСКБМ) прошёл апробации в НПО ЭНЕРГИЯ, ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН», МГУ им. М.В. Ломоносова, Институте психологии РАН, Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. По результатам апробаций даны соответствующие заключения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 16 статей в реферируемых изданиях и 13 публикаций в сборниках трудов международных научно-технических конференций.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве.
Экспериментальные и теоретические исследования, представленные в 1-й главе, проведены под руководством автора совместно с В.Б. Дороховым и СВ. Герусом. Исследования 2-й главы проведены совместно с СВ. Герусом по инициативе автора. Результаты 3 и 4-й главы получены совместно с
- 10-Д.Н. Бабиным под руководством автора. Экспериментальные и практические
результаты, представленные в главе 5, получены совместно с В.Б. Дороховым и
В.И. Миргородским под руководством автора. Практические результаты,
изложенные в 6-й главе, получены коллективом специалистов под
руководством и при непосредственном участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
шести глав, заключения и списка использованных литературных источников.
Она содержит 328 страниц, включающих текстовое описание, 71 рисунок, 12
таблиц и список цитируемой литературы из 115 наименований.
