Повышение безопасности технологического производства, управляемого оператором Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Ill

IIIIIHIII11 [Mill IttJIUIn IHIIIf IIIIII I

ВДрнДВОКий1 Александр николаевич,

кандидат технических наук

| if ¡[M ' "r\l НП11 л Г Iff'- IIIщ It' IFlnj fl| TЩ " \ i lijj I | А j

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА, УПРАВЛЯЕМОГО ОПЕРАТОРОМ

В статье рассматривается подход к повышению безопасности и снижению вероятности возникновения аварий на технологических производствах за счет, уменьшения, человеческого фактора операторов таких производств путем, поддержания. высокого уровня их работоспособности.

Ключевые слова: психоэмоциональная, напряженность, адаптивная, биокоррекция, нелинейные интегральные преобразования, электрокардиосигнал.

The approach, to improving safety and reducing probability of accidents on the manufacture by reducing the operators human factor by maintaining a high. level of performance is considered.

Keywords: psychoemotional tension, adaptive biocorrection, nonlinear integral transforms, electrocardiosignal.

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-

' — доцент Рязанского государственного радиотехнического университета.

Воздействие вредных факторов производства

Устройство корректирующих воздействий

Параметры эталонного психоэмоционального состояния

Блок формирования корректирующих воздействий

Оператор

Рис. 1. Структурная схема разрабатываемой аппаратуры

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 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 а(х), в(х). Результат преобразования ЭКС на каждом шаге к будет определяться по формуле: N-1

1 О

0,1 0,05

11

ш

Л,

Л2

У1

л

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Рис. 2. Пример обработки и анализа ЭКС

Для анализа ЭКС в широком диапазоне частот сердечных сокращений (ЧСС) при выборе ширины окна необходимо придерживаться правила, что N должно быть больше числа отсчетов ОТ-сегмен-та, но меньше удвоенного числа отсчетов ИИ-интервала: NQT < N < 2NRR.

у * = X и X-п I ) • Д 4-п)),

(1) личины ЧСС, можно получить:

п=0

где хк — амплитуда к-го отсчета, tk* — время к-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 уКЦ 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

3,1

А ЫЧСС

< N <■

120

А t ■ ЧСС

Л1)2 = (1 ± 0, 5 )у

КЦ •■

(2)

позволяющими определить ширину пиков. В качестве функций а(х), в(х) можно использовать произведение двух сигмоидальных функций. Определить уКЦ можно на этапе преданализа в течение J отсчетов по формуле

!(«(| |) ф (О)

Укц

i=l

J

н. (3) а(х )

(1 + е~6(х-°'8))

в(х) =

где Лt — период дискретизации. Для анализа ЭКС, диапазон ЧСС которых от 40 до 240 уд/мин и Лt = 250 отс/с, значение N может быть выбрано равным 125 отсчетов [4]. Для определения времени tk* можно сравнивать отсчеты сигнала с двумя пороговыми уровнями ±Лt, расположенными выше по модулю отсчетов шума сегментов. В случае превышения пороговых уровней отсчетами сигнала ик необходимо осуществлять формирование значений времени tk* таких отсчетов:

0, еслиI щ\ <А 1 , (4)

+Л t, если\щ | > АI.

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

1

(1 + е-400(х-0,01) ) ( + е200(-0,05) )

В начале работы на этапе преданализа в течение 20 с, используя формулу (3), определим значение уКц, а затем по формуле (2) рассчитаем Л12. Зададим Лt = 0,02 и по формуле (4) сформируем 4*. На каждом шаге к будем формировать результат нелинейных интегральных преобразований ук (1). Результатом сравнения ук с Л12 будет являться массив чисел отсчетов пиков ЛNj, выходящих за пороговые уровни. На основе совокупности значений ЛNi рассчитываются параметры ВСР и показателей психоэмоциональной напряженности оператора ИВР, ВПР, ПАПР, ИНРС:

_ X (±А^г)

МК = N + -;

Ч

80 = -

ГТТ ( ч ж )2

+ 2 ((-МК )2(±щ )+Х(А^ 22

ИВР =

¡=1 АМо *

ЛY

ВПР =

1

ПАПР=

АМо *АУ * АМо *

Мо'

Воздействие вредных факторов производства

Корректирующие воздействия

Динамическое определение ЫК, БВ, ИВР, ВПР, ПАПР, ИН

Формирование МКтЫ, 5 ИВРШп, ВПРтЫ, ПАПРт1п, инт1п, ш^, жи, ИВРтах ВПРтах, ПАПРтах, ИНтах

Оператор

Формирование низкочастотных корректирующих воздействий

Формирование высокочастотных корректирующих воздействий

Рис. 3. Функциональная схема разрабатываемой аппаратуры

ИН = АМо * ,

2А7* Мо *

где д — число всех пиков, ЫК— среднее значение длительности кардиоци-клов; ББ — дисперсия длительностей кардиоциклов; Мо* — наиболее часто встречаемое значение ширины пиков; АМо* — доля пиков с наиболее часто встречающейся шириной; АУ* — разность между длительностями самого широкого и самого узкого пиков. Исходя из полученных значений, можно сделать вывод о психоэмоциональном состоянии оператора. Так увеличение ИВР, ВПР, уменьшение ЫК, ББ, ПАПР, ИН свидетельствуют об увеличении тревожности оператора, его возбуждении, в том числе чрезмерном. Уменьшение ИВР, ВПР, увеличение ЫК, ББ, ПАПР, ИН свидетельствуют о спокойном, расслабленном состоянии оператора, в том числе о засыпании.

Формирование

корректирующих воздействий

В зависимости от значений ЫК, ББ, 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 би-науральные 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. Бина-уральные 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 состояния операторов технологических производств (рис. 3). В блоке эталонного психоэмоционального состояния происходит формирование критических пороговых значение ЫКшп, ББш1п, ИВРш1п, ВПРш1п, ПА-ПРшП, ИНШп; ЫКшаж, ББшаж, ИВРшаж, ВПРшаж, ПАПРшах, ИНшах. В блоке конт-роля психоэмоционального состояния динамически определяются текущие параметры ВСР и психофизического состояния оператора Ж, ББ, 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 бинауральныхвоздействий на оператора

Вид воздействия

Успокоение (низкочастотное воздействие)

Повышение внимания и концентрации (высокочастотное воздействие)

Фонограмма с бинауральными ритмами

Спектр фонограммы

tijjjï

мальными, происходит формирование либо низкочастотных, либо высокоча-

стотных корректирующих воздействий, которые действуют на оператора

в целях стабилизации состояния и возврата 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

Литература

1. Ветошкин А.Г. Надежность технических систем, и техногенный риск. — Пенза: ПГУАиС, 2003. — 155 с.

2. ГолубЯ.В., Жиров В.М. Медико-психологические аспекты применения, свето-звуковой стимуляции и биологически обратной связи. — С-Пб.: КЭРИ, 2007. — 93 с.

3. Панченко Л.Л. Диагностика стресса: Учеб. пособие. — Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2005. — 35 с.

4. Варнавский А.Н. Применение нелинейных преобразований электрокардиосигнала для. выявления, нарушений ритма сердца в режиме реального времени./ Материалы, всероссийской конференции «Биомедсистемы. — 2008». — Рязань, 2008. — C. 1 — 5.

5. Москалионов П.П. Влияние бинауральной стимуляции на психофизиологическое состояние человека./ Актуальные проблемы. экологии и природопользования. — Вып. 9. (ч. 1): Системная, экология, и геоэкология: Сб. науч. трудов. — М.: Изд. дом. «Энергия», 2007. — C. 41 — 44.