система контроля функционального состояния человека-оператора при выполнении им обязанностей на стационарном автоматизированном рабочем месте

Формула изобретения

Система контроля функционального состояния человека - оператора при выполнении им обязанностей на стационарном автоматизированном рабочем месте, содержащая объект управления, подключенный к пульту управления и индикации, выполненному с возможностью выполнения на нем оператором своих обязанностей, передающую и приемную части, при этом передающая часть расположена в кресле оператора и содержит измерительные преобразователи акустических колебаний, температуры, механического давления на опору и положения центра тяжести, выходы которых подключены к входу узла предварительного усиления, выходы которого соединены с входами мультиплексора, выход которого соединен с узлом кодирования, соединенного выходом с входом узла инфракрасного излучения N, а приемная часть содержит фотоприемный узел, выход которого соединен с входом узла декодирования, выход которого подключен к входу демультиплексора, отличающаяся тем, что измерительные преобразователи акустических колебаний, температуры, механического давления на опору и положения центра тяжести сведены в блок съема физиологических сигналов, расположенный в кресле оператора, а в приемную часть введены блок диагностирования функционального состояния оператора, устройство регистрации информации, устройство ввода идентификационного кода оператора, блок управления проверочными сигналами и блок формирования проверочных сигналов, причем вход блока диагностирования функционального состояния оператора соединен с выходами демультиплексора, к блоку диагностирования функционального состояния оператора подключен пульт управления и индикации и устройство ввода идентификационного кода оператора, а к его выходам - входы устройства регистрации информации и блока управления проверочными сигналами, выходы которого соединены с пультом управления и индикации и входом блока формирования проверочных сигналов, выход которого соединен с пультом управления и индикации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам контроля и диагностики, и может использоваться в качестве оборудования, обеспечивающего контроль состояния стационарной человеко-машинной системы в реальном масштабе времени.

Большинство аварий и техногенных катастроф при современном развитии техники и технологии происходят из-за несоответствия изменений в состоянии элементов системы человек - машина - среда, что часто приводит к действиям человека, не всегда адекватным складывающейся обстановке.

Для оценки функционального состояния человека-оператора сложного технического комплекса при выполнении им обязанностей могут применяться различные способы, технические устройства и системы, такие как:

- устройство для контроля бодрствования оператора (Авторское свидетельство А 61 В 5/05, №990186);

- мониторная система физиологических параметров (Патент №RU 2089094 С1);

- способ оценки подготовки экипажа воздушного судна в области человеческого фактора (Патент №RU 2182815 С1).

Наиболее близким по своей сущности техническим решением задачи оперативной оценки изменений в функциональном состоянии оператора является телеметрический комплекс для контроля и диагностики функционального состояния человека (Патент №RU 2175212 С1), содержащий располагаемую на теле человека передающую и приемную части.

Передающая часть включает последовательно соединенные узел съема физиологических сигналов, содержащий электроды для съема электрических биопотенциалов, узел предварительного усиления, мультиплексор, узел кодирования сигналов и узел инфракрасного излучения. Приемная часть включает последовательно соединенные фотоприемный узел, узел декодирования сигналов, демультиплексор и узел формирования выходных информационных сигналов. Узел съема физиологических сигналов дополнительно включает электроды и первичные преобразователи, а кодирующий и декодирующий узлы содержат соответственно времяимпульсный модулятор и времяимпульсный демодулятор, и в каждый из них введена схема логического управления и синхронизации с кварцевым генератором для стабилизации опорной частоты.

Применение такого телеметрического комплекса ограничивается необходимостью расположения на теле человека электродов для съема электрических биопотенциалов, которые стесняют действия оператора, при этом результат диагностирования не сопоставляется с режимом работы управляемой им системы, а также не учитывает индивидуальных особенностей оператора.

Заявленное изобретение направлено на расширение функциональных возможностей телеметрического комплекса для контроля и диагностики функционального состояния человека-оператора и повышение надежности стационарных человеко-машинных систем за счет сопоставления индивидуальных характеристик психофизиологической напряженности и эффективности деятельности человека-оператора, обусловленной режимом работы объекта управления, в соответствии с законом Йоркса-Додсона, графическая интерпретация которого представлена на фигуре 2.

Подобная задача возникает при разработке систем управления потенциально опасными объектами, не допускающими ошибочных действий оператора, обусловленных отклонениями в его функциональном состоянии.

Сущность изобретения состоит в том, что в телеметрический комплекс, содержащий приемную и передающую части, дополнительно вводятся в передающую часть, вместо узла съема физиологических сигналов с располагающимися на теле оператора электродами для снятия электрических биопотенциалов, измерительные преобразователи акустических колебаний, температуры, механического давления на опору, положения центра тяжести, образующие блок съема физиологических сигналов, который располагается в кресле оператора, что не затрудняет деятельности человека-оператора при выполнении им обязанностей на стационарном автоматизированном рабочем месте, узел предварительного усиления, мультиплексор, узел кодирования сигналов и узел инфракрасного излучения. В приемную часть, содержащую фотоприемный узел, узел декодирования и демультиплексор, дополнительно вводится блок обработки данных, содержащий блок диагностирования функционального состояния оператора, устройство ввода идентификационного кода оператора, устройство регистрации информации и блок управления проверочными сигналами.

На фигуре 1 представлена функциональная схема системы контроля функционального состояния человека-оператора при выполнении им обязанностей на стационарном автоматизированном рабочем месте.

Система включает в себя объект управления 1, подключенный к пульту управления и индикации 2, с помощью которого человек-оператор, находящийся в кресле, выполняет свои обязанности. В кресло оператора вмонтирован блок съема функциональных сигналов 3. Блок съема функциональных сигналов содержит измерительные преобразователи акустических колебаний 4, температуры 5, механического давления на опору 6 и положения центра тяжести 7, выходы которых соединены с входом узла предварительного усиления 8. Выходы узла предварительного усиления 8 соединены с входами мультиплексора 9, выход которого соединен с узлом кодирования 10. Узел кодирования своим выходом соединен с входом узла инфракрасного излучения 11. Блок обработки данных 12 содержит фотоприемный узел 13, выход которого соединен с входом узла декодирования 14. Выход узла декодирования 14 соединен с входом демультиплексора 15, выходы которого соединены с входом блока диагностирования функционального состояния 16, к которому подключен пульт управления и индикации 2, для передачи кода режима работы объекта управления 1, и устройство ввода идентификационного кода оператора 18. К выходам блока диагностирования функционального состояния 16 подключен вход устройства регистрации информации 17 и вход блока управления проверочными сигналами 19. Выход блока управления проверочными сигналами 19 соединен с пультом управления и индикации 2, а также с входом блока формирования проверочных сигналов 20, выход которого соединен с пультом управления и индикации 2.

Работа предлагаемой системы основывается на оценке психофизиологической напряженности человека-оператора и эффективности его деятельности в реальном масштабе времени, автоматическом сопоставлении признаков функционального состояния человека-оператора по закону Йоркса-Додсона (см. фиг.2) и изменении на этой основе параметров проверочных сигналов.

Система работает следующим образом.

С человека-оператора, находящегося в кресле, с помощью соответствующих измерителей преобразователей 4, 5, 6, 7 снимаются сигналы, характеризующие состояние его физиологических систем. Электрические сигналы с измерительных преобразователей 4, 5, 6, 7 усиливаются в узле предварительного усиления 8 и через мультиплексор 9 поступают в виде аналоговых сигналов на вход устройства кодирования 10, где производится их цифровая обработка. Закодированные сигналы поступают в узел инфракрасного излучения 11, где излучаются в сектор блока обработки данных 12 и принимаются фотоприемным узлом 13. С фотоприемного узла 13 кодированные сигналы поступают в узел декодирования 14, где производится их раскодирование. Далее сигналы через демультиплексор 15 поступают в блок диагностирования функционального состояния 16. Блок диагностирования функционального состояния оператора 16 реализуется на базе универсального вычислительного средства типа ЭВМ класса Pentium 3 и выше. Работа блока 16 по диагностике функционального состояния человека-оператора основывается на известных алгоритмах обработки психофизиологических сигналов (определение вегетативного равновесия, индекса напряженности по Баевскому, на основе измеряемых кардиоинтервалов, а также значений частоты сердечных сокращений, систолического и диастолического артериального давления, частоты и амплитуды дыхания). Обработка психофизиологических сигналов производится с целью определения психофизиологической напряженности человека-оператора путем выделения из них информации о функционировании его основных физиологических систем - нервной, дыхательной, сердечно-сосудистой и опорно-двигательной.

Оценка эффективности деятельности человека-оператора производится по известным алгоритмам оценки показателей качества операторской деятельности в реальном масштабе времени. Это достигается на основе регистрации последовательности действий оператора, измерения скорости его реакций на раздражители и сопоставлении фактических действий с оптимальной моделью деятельности оператора в конкретной ситуации. Информация о режиме работы объекта управления 1 в виде кодов транспарантов и органов управления, изменивших свое состояние, с пульта индикации и управления 2 передается в блок 16 (например, по шине USB). Обработка данной информации в блоке 16 производится в соответствии с последовательностью поступления во времени путем сопоставления с оптимальной последовательностью, формируемой ЭВМ по соответствующему алгоритму.

Оценка функционального состояния оператора производится по значениям эффективности деятельности оператора и его напряженности на основе закона Йоркса-Додсона, в виде сигналов “Норма”, “Ненорма 1” или “Ненорма 2”, которые поступают на вход блока управления проверочными сигналами 19.

Блок 19 представляет собой логическое устройство, которое в зависимости от поступившей оценки управляет работой генераторов блока формирования проверочных сигналов 20. При этом изменяются характеристики проверочных сигналов (частота и интенсивность), генерируемых блоком формирования проверочных сигналов 20.

В результате обработки информации в блоке 16 после выполнения оператором каких-либо действий, автоматически производится оценка его функционального состояния, интерпретируемая как точка текущего функционального состояния человека-оператора (точка ФС), координатами которой являются получаемые в реальном масштабе времени значения показателей Э - эффективности и Н - напряженности на плоскости, изображенной на фигуре 2.

Когда точка ФС находится в области “Норма” (положение 1), то из закона Йоркса-Додсона следует, что оператор находится в состоянии, близком к оптимуму.

В случае, когда точка ФС оказывается в области “Ненорма 1” (положение 2), это означает, что оператор расслаблен, засыпает или покинул рабочее место и требует возбуждения, поскольку может допустить ошибку в своих действиях.

Попадание точки ФС в область “Ненорма 2” (положение 3) свидетельствует о том, что оператор перевозбужден и требует релаксации, поскольку может неадекватно среагировать на изменение состояния объекта управления.

Блок 16 реализует функцию запроса данных о состоянии оператора в том случае, если оператор не выдает управляющих воздействий в течение 60 секунд. Эта функция реализуется одновременным переводом трех сигналов “НОРМА”, “НЕНОРМА 1”, “НЕНОРМА 2” на уровень логического нуля. Управление функциональным состоянием оператора реализуется блоком 19, который при отсутствии на его входе сигналов от блока 16 формирует код проверочного сигнала, и на основе подсчета числа наступлений подряд критического события - нахождения точки ФС за пределами области нормы формирует команду на перевод объекта управления 1 в безопасное состояние. При формировании кода проверочного сигнала в блоке 19, перед его выдачей в блок 20, реализуется временная задержка 1_вз, продолжительность которой определяется числом подряд полученных значений оценки функционального состояния оператора, так как это показано в таблице 1.

Таблица 1 Вариант назначения продолжительности временной задержки выдачи проверочного сигнала.
Число повторов	“Норма” t вз, в секундах	“Ненорма 1” t вз, в секундах	“Ненорма 2” t вз, в секундах
1	30	15	40
2	30	10	50
3	30	5	60
4	30	3	90
5	30	2	120
6	30	1	160

При поступлении подряд 6-ти сигналов “Ненорма 1” или “Ненорма 2” в блок 19 он выдает команду на перевод объекта управления 1 в безопасное состояние.

Число повторов и величины продолжительности задержки назначаются с учетом специфики объекта управления.

Параметры звукового сигнала (длительность и тон), сопровождающего выдачу проверочного сигнала, в блоке 20 изменяются аналогично временной задержке и сообразно с условиями дежурства человека-оператора.

Значения параметров нормального психофизиологического состояния человека-оператора положены в основу его идентификационного кода, который формируется в результате медицинского обследования человека-оператора в условиях медицинского учреждения. Идентификационный код человека-оператора вводится в блок диагностирования функционального состояния оператора 16 из устройства ввода идентификационного кода 18 для повышения достоверности диагностики его текущей психофизиологической напряженности. С выхода блока диагностирования функционального состояния 16 данные поступают в устройство регистрации информации 17, где формируется протокол, содержащий данные о режимах работы объекта управления и динамике функционального состояния оператора.

Таким образом, предложенная система позволяет существенно повысить адекватность оценки функционального состояния человека-оператора, оптимизировать нагрузку на него, и, следовательно, повысить надежность потенциально опасных человеко-машинных систем как промышленного, так и военного назначения, а также эффективность учебно-тренировочных средств к ним.