КОМПЛЕКС МОНИТОРИНГА И ОПТИМИЗАЦИИ СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТОРА ЭРГАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к устройствам контроля и управления состоянием оператора эргатической системы.

Среди современных машин и агрегатов существенное место занимают эргатические системы - системы, состоящие из человека-оператора (группы операторов) и машины, посредством которой он осуществляет (они осуществляют) трудовую деятельность. Основу трудовой деятельности оператора эргатической системы составляет взаимодействие с техническими компонентами машины и с внешней средой, опосредованно, то есть через информационную модель и органы управления.

Успехи теории надежности и совершенствование технологии производства привели к тому, что надежность технических средств эргатических систем существенно возросла: более того, можно утверждать о возможностях ее дальнейшего повышения. Однако средства, затраченные на обеспечение надежности и работоспособности техники, оказываются в значительной степени обесцененными, поскольку в эргатической системе имеется явно слабое (в плане надежности функционирования) звено - оператор.

Анализ проблемы повышения надежности эргатического звена СЧМ при кажущейся полноте систематизации явлений и детальности изучения многочисленных факторов, на нее влияющих, позволяет утверждать, что одним из «узких» моментов является проблема получения информации о состоянии оператора в процессе профессиональной деятельности (мониторинг состояния оператора) - поскольку широко распространенные контактные датчики информации о состоянии (например, электроды, укрепляемые на теле) создают дискомфорт профессиональной деятельности, особенно в экстремальных условиях. Поэтому существенное значение имеют бесконтактные технологии получения о состоянии оператора эргатической системы, позволяющие в совокупности с другой информацией (гигиеническая обстановка на рабочем месте и т.п.) решить полный спектр мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы в процессе выполнения им профессиональной деятельности.

Из уровня техники известен комплекс управления и контроля за самолетовождением на местных воздушных линиях на основе современных технологий (патент на полезную модель RU 100836, опубл. 27.12.2010), включающий в наземную часть локальную контрольно-корректирующую станцию дифференциального режима спутниковой навигационной системы (ЖКС), линию передачи данных (ЛПД) на борт летательного аппарата (ЛА), вход которой связан с выходом ЛККС, автоматизированное рабочее место диспетчера АРМД, а в бортовую часть ЛА - систему бортового навигационно-информационного оборудования, содержащую вычислитель формирования сигналов управления (ВСУ), систему автоматического управления рулевыми агрегатами САУ, соединенную с первым выходом вычислителя ВСУ, приемник спутниковых навигационных систем СНС, подключенный к входу вычислителя ВСУ и связанный по радиолинии с ЖКС, самолетные датчики параметров полета ЛА, связанные своими выходами со вторыми входами ВСУ, связанную с выходами датчиков штатную индикацию ЛА, второй вход которой соединен со вторым выходом вычислителя ВСУ, отличающийся тем, что третий выход вычислителя ВСУ связан с самолетным ответчиком управления воздушным движением (УВД) и входом радиомодема второй бортовой ЛПД режима автоматического зависимого наблюдения радиовещательного типа (АЗН-В), в наземную часть, выполненную в виде мобильного автоматизированного центра управления воздушным движением, введены вычислитель для осуществления автоматической интеграции поступающей информации, вторичный обзорный радиолокатор (ВОРЛ), наземная радиолокационная станция управления воздушным движением, при этом бортовой радиомодем второй ЛПД связан по радиолинии с наземным радиомодемом ЛПД режима АЗН-В, подключенным к входам вычислителя для осуществления автоматической интеграции поступающей информации, соединенного с входами системы индикации АРМД, а самолетный ответчик УВД связан по радиолиниям с радиолокатором ВОРЛ и с наземной радиолокационной станцией УВД, выходы которых подключены к вычислителю для осуществления автоматической интеграции поступающей информации. Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы при осуществлении самолетовождения на местных воздушных линиях.

Известна также система широкоэкранного сбора данных о психическом состоянии оператора компьютера (патент US 2014051047, опубл. 20.02.2014), предполагающая определение психического состояния пользователя компьютера с помощью установленной на нем видеокамеры, регистрирующей такие проявления психического состояния пользователя, как мимика, электродермальная деятельность или движения. Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности мониторинга физиологических компонентов состояния и учета в текущей и прогностической оценке состояния условий профессиональной деятельности оператора эргатической системы.

Наиболее близким аналогом, известным из уровня техники, является система контроля функционального состояния и работоспособности машиниста локомотива (патент на полезную модель RU №57577, опубл. 27.10.2006 г.), содержащая соединенные между собой локомотивный блок электроники, блок ввода и индикации параметров, локомотивный блок коммутации, соединенные с локомотивным блоком электроники приемник спутниковой навигационной системы, цифровую радиостанцию, датчик угла поворота, соединенные с блоком ввода и индикации параметров локомотивным, рукоятки безопасности, соединенную с приемником спутниковой навигационной системы антенну приемника спутниковой навигационной системы, соединенную с цифровой радиостанцией антенну цифрового радиоканала, при этом блок коммутации соединен со штатными измерительными системами локомотива и тормозными системами локомотива, отличающаяся тем, что в нее введены соединенный с локомотивным блоком электроники, блоком ввода и индикации параметров локомотивным, блоком коммутации и цифровой радиостанцией блок анализа и управления, и соединенные с ним датчик местонахождения машиниста, датчик положения машиниста в кресле, датчик положения головы, датчик состояния глаз машиниста, датчик направления взгляда машиниста, датчик положения органов управления локомотивом, датчик регистрации речевого общения машиниста. Недостатками названной системы являются невозможность учета важных для прогноза состояния оператора показателей гигиенической обстановки на рабочем месте (температура воздуха, уровень шума и т.п.), отсутствие возможности оптимизации состояния, использование нескольких (а не одного) датчиков направления взгляда, положения головы, отсутствие возможности учета в оценках состояния и работоспособности диагностически важных показателей активности системы дыхания, кровообращения и др.

Технической задачей заявляемого изобретения является осуществление мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы для повышения безопасности ее эксплуатации и комфортности профессиональной деятельности оператора.

Решение технической задачи достигается тем, что комплекс мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы в процессе профессиональной деятельности реализован по топологии «активная звезда», сервером которой является блок анализа и управления, к которому подключены: биорадиолокатор, измерители положения органов управления эргатической системой, контроллер состояния системы обеспечения жизнедеятельности оператора, контроллер состояния защитного снаряжения оператора, регистратор речевого общения, контроллер ответных реакций, содержащий оборудование громкой связи, экран для предъявления знаковых и цветовых стимулов и устройство ввода реакции оператора, блок оптимизации состояния и блок коммутации, обеспечивающий сопряжение с параметрическим регистратором информации и с системой автоматического управления эргатической системой.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора высокоманевренной эргатической системы (самолет, вертолет, автомобиль и др.) комплекс может включать дополнительный датчик положения оператора в кресле, подключенный к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, кабина которой имеет пространственно распределенное информационное поле (например, самолет), комплекс может включать дополнительный датчик положения головы оператора, подключенный к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, кабина которой имеет пространственно распределенное информационное поле (например, самолет), комплекс может включать дополнительный датчик направления взгляда оператора, подключенный к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, деятельность которого сопряжена с высокой психоэмоциональной нагрузкой, с высоким риском развития состояния монотонии и т.п., комплекс может дополнительно включать датчики электроэнцефалограммы, встроенные в защитный шлем оператора и подключенные к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, деятельность которого сопряжена с высокими нагрузками на сердечно-сосудистую систему (маневренный самолет, космический корабль и т.п.), комплекс может дополнительно включать манжету с компрессором и датчиком осциллограммы, встроенную в снаряжение (обмундирование) оператора и подключенную к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, деятельность которого сопряжена с высоким риском развития гипоксических состояний, комплекс может дополнительно включать анализатор состава выдыхаемой газовой смеси, встроенный в кислородную маску и подключенный к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, деятельность которого сопряжена с высокими нагрузками на сердечно-сосудистую систему (маневренный самолет, космический корабль и т.п.), комплекс может дополнительно включать электроды регистрации электрокардиографических сигналов, встроенные в снаряжение (обмундирование) оператора и подключенные к блоку анализа и управления.

Для повышения объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы, деятельность которого сопряжена с высоким риском развития состояния гипокинезии, комплекс может дополнительно включать датчики двигательной активности оператора, встроенные в кресло или в снаряжение (обмундирование) оператора и подключенные к блоку анализа и управления.

Устройство ввода реакции оператора, входящее в состав комплекса, может быть выполнено в виде клавиатуры, набора тумблеров или в виде сенсорной панели.

При необходимости резервного документирования динамики изменения состояния оператора комплекс может дополнительно содержать накопитель информации с энергонезависимой памятью, подключенный к блоку коммутации. Динамика изменения состояния оператора означает получение информации о первичных и/или интегральных показателях состояния во времени, наличие этой информации важно, в частности, для принятия прогностических решений на основе математических зависимостей риска опасных состояний от динамики изменения их показателей, например по алгоритмам, изложенным в [Богомолов А.В., Гридин Л.А., Кукушкин Ю.А., Ушаков И.Б. Диагностика состояния человека: математические подходы. М.: Медицина, 2003. 464 с; Ушаков И.Б., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В. Физиология труда и надежность деятельности человека / Под ред. А.И.Григорьева. М.: Наука, 2008, 318 с.].

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение объективности мониторинга состояния оператора эргатической системы.

Что касается средств для реализации признаков заявляемого изобретения, выраженных общим понятием и предполагающих использование неизвестного из уровня техники средства, приводим необходимые сведения:

биорадиолокатор может быть выполнен в виде миниатюрной сверхширокополосной импульсной биорадиолокационной системы типа Prism 200 (Великобритания), BioRadar 402 (Германия) или Radar Flashlight (США) [Биорадиолокация / Под ред. А.С.Бугаева, С.И. Ивашова, И.Я. Иммореева М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010, 396 с.].

измерители положения органов управления эргатической системой выполняются в зависимости от особенностей эксплуатации эргатической системы (водный, сухопутный, железнодорожный, воздушный или морской объект) - описаны, например, в

[http://venec.ulstu.ru/lib/disk/2015/Mekhonoshin_11.pdf],

[file:///E:/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D1%80%D1%83%D0%B7%D0%BA%D0%B8/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9%20%D1%80%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%20%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82%D0%B0%20(%D0%A1%D0%90%D0%A0%D0%9F%D0%9F).pdf];

контроллер состояния системы обеспечения жизнедеятельности оператора может быть реализован с помощью интегрированного наземно-бортового комплекса регистрации, контроля и обработки полетной информации «КАРАТ» [http://guap.ru/guap/kaf71/meth/5_3.pdf] или с помощью микроконтроллера, описанного в [Бухтияров И.В., Усов В.М., Дворников М.В., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Чернуха В.Н. Технология биоадаптивного управления функционированием средств обеспечения жизнедеятельности человека в условиях измененной газовой среды // Безопасность жизнедеятельности. 2004. №5. С. 24-29], либо по варианту, изложенному в патенте на изобретение RUS 2111698;

контроллер состояния защитного снаряжения оператора может быть реализован с помощью интегрированного наземно-бортового комплекса регистрации, контроля и обработки полетной информации «КАРАТ» [http://guap.ru/guap/kaf71/meth/5_3.pdf] или с помощью микроконтроллера, описанного в [Бухтияров И.В., Усов В.М., Дворников М.В., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Чернуха В.Н. Технология биоадаптивного управления функционированием средств обеспечения жизнедеятельности человека в условиях измененной газовой среды // Безопасность жизнедеятельности. 2004. №5. С. 24-29.], либо по варианту, изложенному в патенте на изобретение RUS 2111698;

регистратор речевого общения может быть реализован с помощью интегрированного наземно-бортового комплекса регистрации, контроля и обработки полетной информации «КАРАТ» [http.7/guap.ru/guap/kaf71/meth/5_3.pdf];

контроллер ответных реакций может быть реализован в варианте, изложенном в [Кукушкин Ю.А., Козловский Э.Д., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов СБ. Технология автоматизированного оценивания резервов внимания летчика в процессе подготовки на авиационном тренажере // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. №2. С. 14-19; Кукушкин Ю.А., Козловский Э.А., Грудзинский А.В., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов СБ., Осипенко В.В. Оценка нервно-эмоционального напряжения оператора в процессе профессиональной подготовки // Безопасность жизнедеятельности. 2007. №2. С 2-5];

состояние системы жизнеобеспечения эргатической системы - абстрактный термин, обозначающий множество стабильных значений ее переменных параметров, формируемое в зависимости от специфики эргатической системы. Например, для авиационных эргатических систем это в простейшем случае бинарный вектор, компоненты которого свидетельствуют о наличии («1») / отсутствии («0») кислорода в баллонах, герметичности («1») / негерметичности («0») кабины, исправности («1») / неисправности («0») системы регуляции климата и т.п.), получение такой информации может быть реализовано с помощью интегрированного наземно-бортового комплекса регистрации, контроля и обработки полетной информации «КАРАТ» [http://guap.ru/guap/kaf71/meth/5_3.pdf], либо по варианту, изложенному в патенте на изобретение RUS 2111698;

состояние защитного снаряжения - абстрактный термин, обозначающий множество стабильных значений его переменных параметров, формируемое в зависимости от специфики эргатической системы. Например, для авиационных эргатических систем это в простейшем случае бинарный вектор, компоненты которого свидетельствуют о исправности («1») / неисправности («0») кислородного прибора, исправности («1») / неисправности («0») противоперегрузочного костюма, плотного («1») / неплотного («0») прилегания защитного шлема и т.п.), получение такой информации может быть реализовано с помощью интегрированного наземно-бортового комплекса регистрации, контроля и обработки полетной информации «КАРАТ» [http://guap.ru/guap/kaf71/meth/5_3.pdf], либо по варианту, изложенному в патенте на изобретение RUS 2111698;

ответные реакции - реакция оператора эргатической системы на стимул (обычно световой сигнал), предъявляемый для проверки работоспособности оператора - например, включение надписи «Погаси табло», требующей от оператора нажатия определенной кнопки (переключения тумблера), по времени реакции делается вывод о работоспособности и резервах внимания оператора - пример можно найти в [Кукушкин Ю.А., Козловский Э.Д., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов СБ. Технология автоматизированного оценивания резервов внимания летчика в процессе подготовки на авиационном тренажере // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. №2. С. 14-19];

взаимодействие контроллера ответных реакций с оборудованием громкой связи, экраном для предъявления знаковых и цветовых стимулов и устройством ввода реакции оператора осуществляется по типовому варианту, изложенному в [Кукушкин Ю.А., Козловский Э.Д., Пономаренко А.В., Цигин Ю.П., Страмнов СБ. Технология автоматизированного оценивания резервов внимания летчика в процессе подготовки на авиационном тренажере // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. №2. С. 14-19];

взаимодействие контроллера ответных реакций с блоком оптимизации состояния и блоком коммутации осуществляется по типовому варианту, изложенному в [Гузий А.Г., Богомолов А.В., Кукушкин Ю.А. Теоретические основы функционально-адаптивного управления системами «человек-машина» повышенной аварийности // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. №1. С. 24-30, Гузий А.Г., Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В. Методология стабилизации функционального состояния оператора системы "человек-машина" // Мехатроника, автоматизация, управление. 2002. №5. С. 9-15, Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Гузий А.Г. Принципы построения системы обеспечения жизнедеятельности операторов систем «человек-машина», адаптивных к их функциональному состоянию // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. №3. С. 50-54];

блок оптимизации состояния оператора эргатической системы по команде с блока анализа и управления на заданное время и с заданной интенсивностью реализует заложенный способ оптимизации состояния оператора (резкие звуковые сигналы, снижение температуры воздуха в кабине, включение обдува лица оператора, оптимизация положения спинки кресла, подача в подмасочное пространство или на рабочее место оператора резко пахнущей воздушной смеси, массаж биологически активных точек оператора средствами, встроенными в кресло, снаряжение и обмундирование оператора и т.п.) и может быть реализован в варианте, описанном в [Ушаков И.Б., Богомолов А.В., Гридин Л.А., Кукушкин Ю.А. Методологические подходы к диагностике и оптимизации функционального состояния специалистов операторского профиля. М.: Медицина, 2004, 144 с.];

параметрический регистратор информации - это технические средства, предназначенные для регистрации и сохранения информации, характеризующей условия эксплуатации эргатической системы (условия полета, движения, плавания и т.п.), действия экипажа и функционирование бортового оборудования [http://guap.m/guap/kaf71/meth/5_3.pdf];

система автоматического управления эргатической системой - систематизированный (строго определенный) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определенных целей [https://ru.wikipedia.org/wiki/%DO%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%DO%BO_%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F];

взаимосвязь автоматического управления (без оператора) и оператора (как такового) очевидна: оператор является «надсистемой (суперсистемой)», который может включить/отключить систему автоматического управления, система автоматического управления может включиться по сигналу с блока анализа и управления, означающего потерю работоспособности оператором (например, разгерметизация салона самолета в высотном полете).

Функционирование разработанного комплекса мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы заключается в следующем.

1. На рабочем месте оператора эргатической системы устанавливают биорадиолокатор таким образом, чтобы обеспечить возможность регистрации биорадиолокационного сигнала (сигнала, излученного биорадиолокатором и отраженного от оператора) - наиболее предпочтительным является расположение напротив лица оператора. В интересах обеспечения повышенной помехоустойчивости регистрации биорадиолокационной информации может быть реализовано автоматическое позиционирование биорадиолокатора за счет адаптивной максимизации отношения сигнал/шум с помощью пространственного поворота излучателя сигнала.

2. Сигнал с выхода биорадиолокатора поступает в блок анализа и управления, который осуществляет его обработку, обеспечивающую определение положения головы оператора, направления его взгляда, частоты пульса и частоты дыхания.

3. С измерителей положения органов управления эргатической системой в блок анализа и управления поступает информация о силе давления ног оператора на педали (или на подставку для ног), о силе зажима ручек управления эргатической системой. Обрабатывая информацию о силе зажима ручки управления эргатической системой, блок анализа и управления осуществляет расчет показателей качества управляющих движений оператора.

4. С контроллера состояния системы обеспечения жизнедеятельности оператора эргатической системы в блок анализа и управления поступает информация о температуре, давлении воздуха, составе воздуха, освещенности, уровне звука, содержании химически активных веществ на рабочем месте оператора.

5. С контроллера состояния защитного снаряжения оператора в блок анализа и управления поступает информация о состоянии защитного снаряжения, а также, при наличии, информация с датчиков состояния оператора, встроенных в защитное снаряжение (газовый состав воздушной смеси в маске, объем дыхания, сигналы с датчиков и электродов, встроенных в снаряжение и обмундирование: кожно-гальваническая реакция, тремор, температура различных участков тела и т.п.).

6. С регистратора речевого общения в блок анализа и управления поступает информация о характеристиках речи оператора (темп речи, уровень звука и т.п.).

7. На основе информации, названной в пунктах 2-6, в соответствии с используемым алгоритмом в блоке анализа и управления осуществляют принятие решения о текущем состоянии (для одного или нескольких опасных состояний: потеря сознания, утомление и т.п.) оператора.

8. Если решение о текущем состоянии оператора, принятое в блоке анализа и управления, интерпретируют как «выраженное отклонение от нормы», то блок анализа и управления формирует стимул в виде звукового (команда нажать кнопку, прикоснуться к экрану и т.п.) или светового сигнала, реакция оператора на который оценивается контроллером ответных реакций, содержащим оборудование громкой связи, экран для предъявления знаковых и цветовых стимулов и устройство ввода реакции оператора. Информацию с контроллера ответных реакций передают в блок анализа и управления.

9. На основании информации с контроллера ответных реакций с учетом динамики показателей и оценок состояния оператора блок анализа и управления принимает одно из решений:

- продолжить штатную работу (состояние оператора в пределах нормы);

- определить реакцию оператора на новый стимул (в соответствии с пунктом 8);

- выдать в блок оптимизации состояния команду о реализации одной из заложенных программ оптимизации состояния: резкие звуковые сигналы, снижение температуры воздуха в кабине, включение обдува лица оператора, оптимизация положения спинки кресла, подача в подмасочное пространство или на рабочее место оператора резко пахнущей воздушной смеси, массаж биологически активных точек оператора средствами, встроенными в кресло, снаряжение и обмундирование оператора и т.п.;

- выдать в блок коммутации команду о необходимости активизации системы автоматического управления эргатической системой, активной системы безопасности оператора и т.п.

10. Всю информацию с выхода блока анализа и управления в реальном времени передают в блок коммутации, который осуществляет ее передачу в параметрический регистратор для обеспечения хранения информации и, при необходимости, использования при анализе особенностей эксплуатации эргатической системы.

Таким образом, описанные элементы заявляемого комплекса мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы функционально взаимосвязаны и находятся в конструктивном единстве. За счет использования биорадиолокатора для мониторинга частоты пульса и дыхания оператора, положения его головы и направления взгляда обеспечивается компактность и надежность аппаратуры, исключение помех профессиональной деятельности оператора, обусловленных использованием «контактных» датчиков для регистрации базовой информации о состоянии оператора эргатической системы, за счет блока оптимизации состояния обеспечивается возможность управления состоянием оператора, за счет контроллеров состояния системы обеспечения жизнедеятельности оператора эргатической системы и состояния защитного снаряжения оператора обеспечивается возможность учета диагностически важной информации при принятии диагностических решений, а с помощью блока коммутации обеспечивается сопряжение системы с параметрическим регистратором информации и с системой автоматического управления эргатической системой, что обеспечивает повышение объективности расследования причин происшествий (инцидентов) с эксплуатацией эргатической системы и предпосылок к ним, а также реализовать принципы активного обеспечения безопасной эксплуатации таких систем.

Поэтому заявляемый комплекс мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы представляет собой новое техническое решение, относящееся к классу устройств контроля и управления состоянием оператора эргатической системы.

Заявляемый комплекс мониторинга и оптимизации состояния оператора эргатической системы является промышленно применимым, он может быть реализован предприятиями (организациями) машиностроения при производстве и модернизации эргатических систем.