Повышение безопасности технологического производства, управляемого оператором

Ущерб от аварийности и травматизма на технологических производствах достигает 10 – 15% от ВВП страны, а экологическое загрязнение окружающей природной среды и несовершенная техника безопасности являются причиной преждевременной смерти 20 – 30% мужчин и 10 – 20% женщин. За последние 20 лет на территории России было зафиксировано более 1000 чрезвычайных техногенных ситуаций, в которых пострадало более 10 000 человек, погибло свыше 2000. Проблема повышения безопасности и предупреждения аварий приобретает особую актуальность в атомной энергетике, химической промышленности, при эксплуатации военной техники, где используются и обращаются мощные источники энер- гии, высокотоксичные и агрессивные вещества.

Основные причины крупных техногенных аварий можно разделить на две большие группы:

• □    технические и технологические причины, обусловленные отказами технических систем из-за дефектов изготовления и нарушений режимов эксплуатации;

• □    причины, обусловленные человеческим фактором операторов технических систем [1].

Причины второй группы, к которым относятся ошибочные действия оператора, зависят от состояния и работоспособности оператора, возникают под воздействием вредных факторов производства (психоэмоциональная напряженность, перенапряжение от- дельных мышечных групп, высокие уровни шума и электромагнитного излучения, химические факторы и т.д.) и сопряжены с последующими рисками. Вероятность принятия некорректного решения оператором зависит от величины этих воздействий и возрастает при снижении работоспособности и ухудшении его состояния, в том числе психоэмоционального.

В частности, в течение рабочего дня работоспособность падает, уровень утомления возрастает. Среднее время выполнения оператором операций также зависит от психоэмоциональной напряженности: в расслабленном состоянии и при стрессе такое время значительно возрастает. Следовательно, для снижения рисков аварий на производствах необходимо умень-

Рис. 1. Структурная схема разрабатываемой аппаратуры

Оператор

шать влияние человеческого фактора оператора.

В настоящее время на ряде производств производят периодическую оценку психофизиологического состояния оператора. Если в результате такого анализа состояние оказывается неудовлетворительным, то производят либо замену оператора, либо переложение некоторых функций оператора на автоматизированный блок.

Цель работы – разработка средств снижения влияния человеческого фактора операторов технологических производств за счет динамического контроля состояния и работоспособности и адаптивной биокоррекции психофизического состояния операторов в течение рабочего дня.

Адаптивная биокоррекция

Адаптивная биокоррекция основана на принципах биологической обратной связи и позволяет влиять на сердечную деятельность, вазомоторную активность, сон и бодрствование, психоэмоциональное состояние. Одним из методов адаптивной биокоррекции является использование аудиовизуальной стимуляции (АВС). АВС позволяет осуществить регуляцию психических фун- кций и вегетативных реакций благодаря оптимизации нервных процессов в коре головного мозга и устранению предпосылок для функционирования генератора патологически усиленного возбуждения. За счет этого АВС может использоваться в качестве профилактического средства, обеспечивающего повышение адаптационного резерва механизмов защиты внутренних органов от психоэмоциональных нагрузок [2].

В медицине для проведения АВС используются приборы, генерирующие световые и звуковые сигналы, которые воздействуют через зрительный и слуховой анализаторы человека. Такие приборы используются только в стационарных условиях. Необходимо развивать направление использования АВС и аппаратуры для ее осуществления применительно к оператору непосредственно в процессе трудовой деятельности.

Предлагается следующая структурная схема аппаратуры для динамического контроля и адаптивной биокоррекции психофизического состояния операторов технологических производств (рис. 1). В этой схеме осуществляется контроль параметров психоэмоционального состояния и их сравнение с эталонными значениями. Формиро- вание корректирующих воздействий осуществляется пропорционально разности значений сравнения. Устройство корректирующих воздействий осуществляет бесконтактное воздействие на оператора до тех пор, пока параметры его психоэмоционального состояния не приблизится к эталонным.

Контроль состояния оператора

Психоэмоциональная напряженность – состояние, формирующееся в результате чрезмерного возрастания психоэмоционального напряжения и характеризующееся временным понижением устойчивости психических и психомоторных функций, выраженными соматовегетативными реакциями и снижением профессиональной работоспособности. Для измерения уровня психоэмоциональной напряженности человека-оператора применяют исследование показателей работы вегетативной нервной системы. При быстром течении стрессовых реакций сердечная деятельность во многих случаях является наиболее информативным показателем изменений состояния организма. В настоящее время определение вариабельно-

сти сердечного ритма (ВСР) признано наиболее информативным методом количественной оценки вегетативной регуляции сердечного ритма и функционального состояния организма.

Для определения степени адаптации сердечно-сосудистой системы к случайным или постоянно действующим нагрузкам и оценки адекватности процессов регуляции имеется ряд параметров, являющихся производными классических статистических показателей: ИВР – индекс вегетативного равновесия, ВПР – вегетативный показатель ритма, ПАПР – показатель адекватности процессов регуляции, ИНРС – индекс напряжения регуляторных систем [3].

Предлагается для определения параметров вариабельности сердечного ритма и показателей психоэмоциональной

Рис. 2. Пример обработки и анализа ЭКС

напряженности оператора в режиме реального времени использовать нелинейный интегральный анализ ЭКС, который заключается в применении к амплитудно-временным параметрам отсчетов на временных участках сигнала функций α(x) , β(x) . Результат преобразования ЭКС на каждом шаге k будет определяться по формуле:

N - 1

y к = x ^а ( I x k - n I ) ■ ^{e (} t k - n ) ) ,       (1)

n = 0

где x_k – амплитуда k -го отсчета, t_k* – время k -го отсчета относительно начала соответствующего зубца, N – число отсчетов временного участка. Принцип выбора функций и числа N – формирование результата преобразования ЭКС в виде уровня значения преобразования y_КЦ одного кардиоцикла, относительно которого при отличии длительности кардиоцикла от ширины окна анализа наблюдается образование пиков. Полученный таким образом сигнал может быть проанализирован путем сравнения с пороговыми уровнями

^A 1,2 = ( 1 ± 0, 5 ) y _щ ,              (2)

Для анализа ЭКС в широком диапазоне частот сердечных сокращений (ЧСС) при выборе ширины окна необходимо придерживаться правила, что N должно быть больше числа отсчетов QT-сегмента, но меньше удвоенного числа отсчетов RR-интервала: N_QT< N < 2N_RR .

Учитывая зависимости N_QT и N_RR от величины ЧСС, можно получить:

3,1              120

---.     < N <-------- , а йчее     a t ■ чсс где Δt – период дискретизации.

Для анализа ЭКС, диапазон ЧСС которых от 40 до 240 уд/мин и Δt = 250 отс/с, значение N может быть выбрано равным 125 отсчетов [4].

Для определения времени t_k* можно сравнивать отсчеты сигнала с двумя пороговыми уровнями ±Δt , расположенными выше по модулю отсчетов шума сегментов. В случае превышения пороговых уровней отсчетами сигнала u_k необходимо осуществлять формирование значений времени t_k* таких отсчетов:

^в(x ) ( 1 ₊ e"⁴⁰⁰⁽x - ^0,0 1 ) ) ( 1 + e ²⁰⁰⁽ x - ^0,0 5 ) )

В начале работы на этапе преданализа в течение 20 с, используя формулу (3), определим значение y_КЦ , а затем по формуле (2) рассчитаем Δ_1,2 . Зададим Δt = 0,02 и по формуле (4) сформируем t_k* . На каждом шаге k будем формировать результат нелинейных интегральных преобразований y_k (1). Результатом сравнения y_k с Δ_1,2 будет являться массив чисел отсчетов пиков ΔN_i , выходящих за пороговые уровни.

На основе совокупности значений ΔN_i рассчитываются параметры ВСР и показателей психоэмоциональной напряженности оператора ИВР , ВПР , ПАПР , ИНРС :

q

_   E(±A ^ a

NK = N + - i =i-------

q

;

„         1 I                    2

SD =    q[N - NK + q -11

позволяющими определить ширину пиков. В качестве функций α(x) , β(x) можно использовать произведение двух сигмоидальных функций.

Определить y_КЦ можно на этапе преданализа в течение J отсчетов по формуле

t k

0, если\и _к\ < A _t , t*_k _ _x +A t , если\ik_k | >  A _t .

____ q               q           A

+ 2 ( N - NK ) l ( +A N_i ) + t ( A N_i )² ;

= 1                   z = i              7

y Ц =

L (a (| ^,1)■«A) -------------N.

J

Рассмотрим ЭКС u_k ( рис. 2 ), частота дискретизации которого 250 отс/с. Сформируем окно анализа длительностью N = 125 , нелинейные функции

ИВР = AMO* ;

A Y *

ВПР =

AMo * -A Y * ’

a ( "’=ртЦ

и

ПАПР = AMOl ;

Mo *

Воздействие вредных факторов производства

Рис. 3. Функциональная схема разрабатываемой аппаратуры

ИН =

AMo *

2 А Y * ■ Mo *

где q – число всех пиков, N K – среднее значение длительности кардиоциклов; SD – дисперсия длительностей кардиоциклов; Mo* – наиболее часто встречаемое значение ширины пиков; АМо* – доля пиков с наиболее часто встречающейся шириной; ΔY* – разность между длительностями самого широкого и самого узкого пиков.

Исходя из полученных значений, можно сделать вывод о психоэмоциональном состоянии оператора. Та к ув еличение ИВР , ВПР , уменьшение N K , SD , ПАПР , ИН свидетельствуют об увеличении тревожности оператора, его возбуждении, в том числе чрезмер ном . Уменьшение ИВР , ВПР , увеличение N K , SD , ПАПР , ИН свидетельствуют о спокойном, расслабленном состоянии оператора, в том числе о засыпании.

Формированиекорректирующих воздействий

В зависимости от значений N K , SD, ИВР, ВПР, ПАПР, ИН и состояния оператора предлагается осуществлять формиро- вание соответствующих аудиовизуальных сигналов – бинауральных ритмов. Эффект бинауральных ритмов основан на феномене наведения ритма. При прослушивании звуков близкой частоты по разным каналам (правому и левому) человек ощущает так называемые бинауральные биения или бинауральные ритмы. Например, если одно ухо слышит чистый тон с частотой 150 Гц, а другое с частотой 157 Гц, полушария человеческого мозга начинают работать вместе, и в результате человек слышит биения с частотой 157 – 150 = 7 Гц. Эти ритмы могут улучшить функционирование мозга, поскольку помогают слушающему их налаживать межполушарные нервные связи на нужной частоте. Накладывая бинауральные ритмы друг на друга, можно формировать ритмическую активность мозга в нужном направлении и таким образом вызывать у человека нужное состояние. Изменения состояния от прослушивания фонограмм с бинауральными ритмами могут быть как стимулирующими, так и успокаивающими, в зависимости от частоты ритма. Бинауральные ритмы до 13 Гц способству- ют расслаблению, успокоению, более 13 Гц – возбуждению, повышению внимания, концентрации и активности [5]. В табл. 1 представлены би- науральные ритмы и их спектры, которые можно использовать для успокоения оператора и для повышения внимания и концентрации.

Исходя из рассматриваемых воздействий на оператора, можно предложить следующую функциональную схему аппаратуры для контроля и динамической коррекции психофизического со- стояния операторов технологических производств (рис. 3).

В блоке эталонного психоэмоционального состояния происходит форми- рование критических пороговых значение NKmin, SDmin, ИВРmin, ВПРmin, ПА-

ПР min,

ИН . ■NK min ; max ,

SD max , ИВР max , ВПР max ,

ПАПРmax, ИНmax. В блоке конт-роля пси- хоэмоционального состояния динами- чески определяются текущие параметры ВСР и психофизического состояния оператора NK, SD, ИВР, ВПР, ПАПР, ИН, которые затем сравниваются с критическими пороговыми значениями. При выходе текущих значений за пороговые в зависимости от того, являются ли они минимальными или макси-

Таблица 1. Предлагаемые виды бинауральных воздействий на оператора

Вид воздействия

Успокоение (низкочастотное воздействие)

Повышение внимания и концентрации (высокочастотное воздействие)

Фонограмма с бинауральными ритмами

Спектр фонограммы

мальными, происходит формирование стотных корректирующих воздейст- в целях стабилизации состояния и воз-либо низкочастотных, либо высокоча- вий, которые действуют на оператора врата его в рамки нормы.

Заключение

Работа направлена на повышение безопасности и снижения вероятности возникновения аварий на технологических производствах за счет уменьшения человеческого фактора операторов таких производств. Для этого предложено по результатам анализа электрокардиосигнала с определением значений параметров психоэмоциональной напряженности оператора осуществлять аудиовизуальную стимуляцию, являющуюся одним из методов адаптивной биокоррекции и позволяющую поддерживать высокий уровень работоспособности операторов. Предложены структурная и функциональная схемы аппаратуры для реализации предложенных способов контроля и воздействия ■