ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ УРОВНЯ БОДРСТВОВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике диагностики психофизиологического состояния человека в процессе профессиональной деятельности, и может использоваться для определения уровня бодрствования оператора в системах человек-машина, в частности вахтенных операторов морских судов или водителей транспортных средств.
Уровень техники
Изобретение относится к технике диагностики психофизиологического состояния человека и может использоваться для определения состояния человека в системах человек-машина, к которым предъявляются повышенные требования надежности человеческого звена.
Известны ряд изобретений, контролирующих уровень работоспособности человека, известно использование газоанализаторов для определения паров алкоголя в процессе дыхания водителя, препятствующих запуску двигателя [1], использование систем распознавания речи [2]. Процесс перехода в дремотное состояние в процессе движения предлагается фиксировать по частоте перемещения века глаз. Известны также системы, использующие в качестве критерия работоспособности степень сжатия водителем рулевого колеса [3].
Другим направлением контроля за состоянием оператора является фиксация его физиологических параметров - электроэнцефалограмм, электромиограмм и электроокулограмм, а также их совместный анализ, состояния давления, сердцебиения [4], температуры кожи, ее электропроводности и др. Контроль функционального состояния может быть эффективно использован для поддержания работоспособности, например, в условиях монотонии, когда оператор теряет бдительность [5]. Одним из наиболее информативных критериев перехода в состояние потери работоспособности человека является изменение кожно-гальванической реакции [6, 7, 8] - патенты-аналоги. Устройство для реализации способа содержит электроды со средствами их крепления, подключенные к входному устройству, средства для подавления импульсных помех, средства для выделения сигнала в полосе фазической составляющей электродермальной активности, средства для детектирования импульсов фазической составляющей, блок регистрации.
За прототип принята телеметрическая система контроля бодрствования водителя транспортного средства [9]. Она содержит связанные по радиоканалу приемник и два телеметрических датчика, имеющие электроды для обеспечения электрического контакта с кожей оператора, подключенные к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подключен к передатчику с антенной, блок обработки сигналов и управления, связанный с блоком индикации. Блок обработки сигналов и управления выполнен с возможностью суммирования сигналов от обоих датчиков в режиме реального времени.
Эта система использует два телеметрических датчика, размещаемых на запястье и на пальце оператора и регистрирующих кожно-гальваническую реакцию. Однако кожно-гальваническая реакция (или электропроводимость кожи) у разных людей значительно отличается, а также при вполне работоспособном психофизиологическом состоянии эта реакция (уменьшение либо увеличение) бывает спонтанная (без каких либо воздействий на человека) [10, 19], причем значения реакции на разных участках тела, в том числе на пальцах и запястье отличаются [11, 12].
Недостатком известных устройств является невозможность детерминировать снижение работоспособности человека-оператора за счет сверхвозбуждения (стресса), что ограничивает область применения этих устройств в системах человек-машина с монотонной деятельностью оператора.
Известные устройства или не могут быть применены, или недостаточно эффективны в системах, к операторам которых предъявляются требования не только высокой степени готовности к экстренным действиям (высокая бдительность), но и способность принимать решения и выполнять задачи в стрессовых нештатных ситуациях (высокая стрессоустойчивость). К таким системам относятся например суда, системы вооружения, пункты управления полетами, атомные электростанции.
Сущность изобретения
Целью предлагаемого изобретения является расширение области использования системы путем обеспечения контроля функционального состояния оператора по всей шкале уровней бодрствования от дремоты до сверхвозбуждения (стресса) и повышение достоверности контроля бодрствования для различных физиологических типов операторов. Дополнительный технический результат - повышение надежности устройства за счет резервирования телеметрических датчиков.
Предлагаемая система отличается от прототипа наличием оптического датчика пульса, который включает светодиод и фотодиод (данная технология используется, например, в устройстве [13, 18]), наличием блока звуковой сигнализации стрессового уровня бодрствования, а также измененным алгоритмом функционирования с целью идентификации стресса. Введение датчика пульса не сводится к увеличению однотипных признаков, приводящему лишь к усилению технического результата, поскольку реализуется другой принцип оценки психологического состояния оператора с одновременной регистрацией сигналов о состоянии сердечнососудистой системы и сопротивлении кожи.
На фиг.1 показана блок-схема патентуемой системы контроля уровня бодрствования человека-оператора; на фиг.2 представлен алгоритм функционирования системы.
Система содержит (фиг.1) телеметрические датчики 10, 12, 14, приемник 20 сигналов телеметрического датчика, контроллер 30 и устройство индикации 40. Телеметрические датчики 10, 12 предназначены для получения информации об изменении кожного сопротивления оператора, датчик 14 - об изменении сердечного пульса, передачи этой информации по радиоканалу. Телеметрические датчики 10, 12, 14 располагаются на запястье и на пальце (пальцах) водителя и могут быть выполнены в виде браслета (или наручных часов) и перстня, а также в виде перчатки или ее части.
Телеметрические датчики 10 и 12 характеризуются идентичной функциональной схемой и различаются только формой корпуса и электродов. Телеметрический датчик 10 имеет электроды 102, 104 для обеспечения электрического контакта с кожей водителя, соединенные с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 105, выход которого подключен к входу передатчика 106. Передатчик 106 имеет передающую антенну 108. Питание датчика осуществляется от встроенного сменного автономного элемента (не показан). Датчик 12 соответственно включает электроды 122 и 124, АЦП 125, передатчик 126 с передающей антенной 128. Телеметрический датчик 14 имеет светодиод 142 и фотодиод 144, АЦП 145, передатчик 146 с передающей антенной 148.
Приемник 20 с антенной 201 предназначен для приема высокочастотных радиосигналов от телеметрических датчиков 10, 12, 14. Приемник 20, так же как и датчики 10, 12, 14, выполняется таким образом, чтобы обеспечить прием телеметрической информации по радиоканалу с последующим разделением сигналов. Принципы и средства построения таких решений являются известными для специалиста (выбор разных частот передатчиков, различных типов модуляции и т.п.). Телеметрическая система может быть выполнена в соответствии с международным стандартом - протоколом беспроводной связи IEEE.802.15.4 [14]. Этот протокол предусматривает небольшую дальность действия (около 10 метров) и пропускную способность канала - до 250 кбит/с.Передача на этой скорости ведется в диапазоне 2,4 ГГц. Небольшая мощность и скорость обусловлены малыми энергоресурсами связываемых устройств. Также телеметрическая система может выполняться по технологии Bluetooth 4.0 [15]. Выход приемника 20 связан с контроллером 30.
Контроллер 30 имеет интерфейс 302, связанный с блоком 304 управления и цифровой обработки сигналов. Блок 304 подключен к блоку 306 формирования управляющих воздействий, имеющему ряд соответствующих выходных клемм 308 для подключения к различным системам. К одному из входов блока 304 подключен блок 310 входных сигналов, имеющий группу входов 312 для подключения к соответствующим электрическим цепям, например указателям торможения, поворота и другим. К блоку 310 также подключена кнопка 314 подтверждения бодрствования. Для подключения блока 304 к управляющему компьютеру введен блок 316 сопряжения, вход которого соединен с блоком 304, а выход имеет соответствующий разъем 318. Блок 304 связан с интерфейсом 320 для связи с устройством индикации 40.
Устройство индикации 40 связано с контроллером 30 через интерфейс 402, подключенный к блоку 404 управления индикацией, связанному с блоком 406 звуковой сигнализации (уровня дремоты), блоком 407 звуковой сигнализации (стресса) и средством отображения информации 408 (индикации уровня бодрствования, наличия радиосигналов от телеметрических датчиков, а также световой сигнал тревоги).
Интерфейсы 302, 320 и 402 могут быть организованы по стандарту RS-232C или другому.
Технический результат достигается тем, что телеметрическая система контроля бодрствования оператора содержит связанные по радиоканалу приемник, три телеметрических датчика, два датчика, имеющих электроды для обеспечения электрического контакта с кожей водителя, и датчик пульса подключенные к аналого-цифровому преобразователю, выходы которых подключены к передатчику с антенной, блок обработки сигналов и управления, связанный с блоком индикации, и диагностирует снижение уровня работоспособности не только в случае засыпания, но и стресса.
Работу всей системы, за исключением телеметрических датчиков, обеспечивает вторичный источник питания. Он преобразует постоянное напряжение бортовой электрической сети транспортного средства в несколько постоянных стабилизированных выходных напряжений (на фиг.1 не показан).
Система может характеризоваться тем, что радиоканал связи приемника и телеметрических датчиков выполнен с возможностью двустороннего обмена данными.
Устройство работает следующим образом.
Телеметрический датчик 10 крепится на запястье, а датчики 12, 14 - на пальце (пальцах) водителя. При контакте пар электродов 102, 104 и 122, 124 с кожей водителя обеспечивается возможность измерения электрического сопротивления кожи, характеризующего физиологическое состояние. При излучении света светодиодом 142, свет проходит через ткани пальца и фиксируется фотодиодом 144. Посредством АЦП 105, 125 и 145 текущие значения сопротивления и принятого света (зависит от степени наполненности кровеносных сосудов) преобразуется в цифровой вид. Сигналы с выхода АЦП 105, 125, 145 поступают на передатчики 106, 126, 146. Кроме того, на эти передатчики поступает служебная информация о наличии гальванического контакта обоих пар электродов с телом водителя, об исправности свето- и фотодиода, напряжении батарей питания датчиков, начале и окончании режима тестирования.
По запросу контроллера 30 информационный код вместе с признаками тестирования и ошибки подается на выход приемника 20. Блок 304 управления и цифровой обработки анализирует полученные с приемника 20 сигналы, соответствующие измеренным значениям сопротивления кожи и пульса. На основе этого анализа, с учетом известных критериев состояния бодрствования по кожно-гальванической реакции [6] и пульса[13], блок 304 определяет уровень бодрствования оператора. Кроме того, блок 304 управления и цифровой обработки анализирует полученные с приемника 20 сигналы об ошибках. К числу таких ошибок относятся:
а) отсутствие контакта электродов 102, 104 и 122, 124 с кожей оператора,
б) неисправность светодиода или фотодиода,
в) замыкание электродов 102, 104 и 122, 124 между собой,
г) отсутствие радиосигнала от датчиков 10, 12 и 14
д) сбои в работе приемника 20.
Алгоритм работы блока 304 предусматривает, при наличии упомянутых ошибок, подачу определенного сигнала на блок 404 управления индикацией, который переводит индикатор 408 в особый режим работы (например, мигание), либо выдает звуковой сигнал посредством блока 406 или 407.
В соответствии с уровнем бодрствования через интерфейс 320 на вход устройства индикации 40 поступает код состояния индикатора 408. Блок 404 управления индикацией выдает соответствующий сигнал, который отображается средством отображения информации 408 (например, количеством светодиодов) и при критических уровнях бодрствования подает сигнал на блоки 406 или 407 звуковой сигнализации. Звуковой сигнал критически низкого уровня бодрствования требует от оператора нажатия кнопки 314 подтверждения бодрствования. Если оператор нажал кнопку 314 или блок 310 входных сигналов, зарегистрировал сигнал по любому из входов 312, работа всей системы продолжается в прежнем режиме. В том случае, если с выхода блока 310 на блок 304 не поступило никакого сигнала, подтверждающего бодрствование, блок 304 выдает сигналы на блок 306 формирования управляющих воздействий, выходные клеммы 308 которого подключены к функциональным системам транспортного средства. Звуковой сигнал стрессового уровня требует от оператора успокоиться, если спустя определенное время после подачи сигнала уровень бодрствования человека стал в пределах нормы, работа системы продолжается в штатном режиме. Если же уровень бодрствования по-прежнему стрессовый, блок 304 выдает сигналы на блок 306 формирования управляющих воздействий, выходные клеммы 308 которого подключены к функциональным системам транспортного средства.
При использовании патентуемой телеметрической системы на автодорожном транспорте и морских судах это - системы световой и звуковой сигнализации, управления впрыском топлива и другие.
Система может быть подключена к бортовому компьютеру транспортного средства посредством блока 316 сопряжения через разъем 318. В бортовую сеть транспортного средства в этом случае может передаваться информация о текущем уровне бодрствования оператора, включении звукового сигнала тревоги, включении сигнала о необходимости смены оператора, активизации оператором кнопки 314 подтверждения бодрствования, информации о выдаче сигналов на блок 306 формирования управляющих воздействий. Кроме того, в бортовую сеть может выдаваться информация и о состоянии самой системы контроля бодрствования (например, о возникновении сбоев, потере контакта телеметрического датчика с кожей руки оператора, разряде элемента питания датчика и о прочих нерегламентных ситуациях в работе системы).
Алгоритм функционирования системы показан на фиг.2.
При включении питания (п.60) проходит самотестирование стационарной части системы - блоков 20, 30 и 40 (п.61), в процессе которого проверяется правильность функционирования ее блоков. При обнаружении ошибок выдается сообщение (п.77), после чего оператор принимает решение (п.78) относительно дальнейшего использования системы: продолжить работу системы (п.61) или отключить ее (п.79).
Если самотестирование прошло успешно, проводится проверка наличия сигналов от датчиков 10, 12, 14 (п.62). В том случае, если сигнал от датчиков 10, 12, 14 отсутствует, система возвращается в цикл самотестирования (п.61). Наличие сигналов от соответствующего датчика отображается блоком 408 (п.63) и производится анализ принимаемых данных (п.64). В случае обнаружения ошибок (п.65), сообщение о которых передал датчик 10, 12 или 14 или приемник 20 (см. выше позиции в перечне ошибок за исключением пункта «г»), выдается сообщение (п.77). После этого водитель принимает решение (п.78) относительно дальнейшего использования системы: устранить причину ошибки и продолжить работу системы (п.61) или отключить систему (п.79).
При отсутствии ошибок проводится суммирование цифровых сигналов датчиков 10, 12 и 14 в режиме реального времени и определение уровня бодрствования (п.66) и его индикация (п.67) с помощью блока 408. Далее проводится проверка уровня бодрствования (п.68) по известным критериям [6, 16, 17]. Если уровень бодрствования выше критически низкого, проверяется уровень бодрствования (п.69) на состояние стресса. Если уровень бодрствования ниже стрессового, то система возвращается в п.62 по циклу с одновременным обнулением регистрации стресса. Если уровень бодрствования выше стрессового уровня, выдается звуковой сигнал (п.70) и проверяется (п.71) оповещался ли оператор о стрессе, если нет, то система спустя определенное время возвращается в п.62 по циклу, если оператор уже оповещался и не смог справиться с чрезмерным возбуждением (стрессом) подается управляющее воздействие на выходы 308 (п.72) (или (и) рекомендация сменить оператора) и соответствующее сообщение об ошибке (п.77). После этого оператор принимает решение (п.78) относительно дальнейшего использования системы: продолжить работу системы, устранив причину ошибки (п.61), или отключить систему (п.79).
Если уровень бодрствования ниже критически низкого, выдается звуковой сигнал «Подтвердите бодрствование», а также включается световой индикатор тревоги (п.73). Проверяется ответная реакция водителя (п.74): нажата ли в течение заданного времени кнопка 314. Если кнопка 314 нажата, система возвращается на шаг (п.62). Одновременно проверяется наличие сигналов от органов управления транспортным средством (п.75) с группы входов 312, например, указателей торможения, поворота и других. Если хотя бы один из этих сигналов присутствует, то система возвращается на шаг п.62. При отсутствии таких сигналов подается управляющее воздействие на выходы 308 (п.76) и соответствующее сообщение об ошибке (п.77). После этого водитель принимает решение (п.78) относительно дальнейшего использования системы: продолжить работу системы, устранив причину ошибки (п.61), или отключить систему (п.79).
Источники информации
1. Патент ЕР №1024746 кл. А61В 5/097, В60К 28/06 от 09.08.2000.
2. Патент RU №2148505 кл. В60К 28/06 от 10.05.2000.
3. Патент RU №2214931 кл. В60К 28/06 от 10.07.2001.
4. Патент RU №2246251 кл. А61В 5/0452, А61В 5/00 от 14.05.2003.
5. Патент RU №2111134 кл. В60К 28\06 от 20.05.1998.
6. Патент RU №2107460 кл. А61В 5/05, 5/103, 5/18 от 27.03.1998.
7. Патент RU №2200095 кл. В60К 28/06, G08B 21/00 от 09.08.2001.
8. Патент RU №2251156 кл. G08B 21/00, В60К 28/06, А61В 5/05 от 31.07.2003.
9. Патент RU №2282543 кл. В60К 28/06 от 18.02.2005 - прототип.
10. http://mirslovarei.com/contentjsv/kozhno-galvanicheskaja-reakciia-1665-html.
11. http://www.test-detector.ru/interest/?ELEMENT_ID=72.
12. http://www.prozdorovye.ru/sub/funddiag/30.
13. Патент RU №2294141 кл. А61В 5/145, А61В 5/02 от 09.08.2005.
14. Д.Панфилов, М.Соколов, Введение в беспроводную технологию ZIGBEE стандарта 802.15.4, - Электронные компоненты №12' 2004 - с.73-79.
15. В.Алексеев, Новый Bluetooth - шлюз АР3201, - Беспроводные технологии №4' 08 - с.26-29.
16. Патент RU №2111133 кл. В60К 28/06 от 20.05.1998.
17. Ильин И.П. Эмоции и чувства. - СПб: Питер, 2001. - 752 с.
18. Патент RU №2135076 кл. А61В 5/024, G06F 17/00, G06F 159:00 от 24.03.1998.
19. Аракелов Г.Г., Шотт Е.К. КГР при эмоциональных, ориентировочных и двигательных реакциях. Психологический журнал. N4. 1998