Психофизиологические критерии готовности операторов к действиям в нештатных ситуациях

М. В. Зотов, А. П. Войт, В. М. Петрукович

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ГОТОВНОСТИ ОПЕРАТОРОВ К ДЕЙСТВИЯМ В НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ

Одной за важных задач тренажерной подготовки различного рода специалистов является повышение их готовности к эффективным действиям в нештатных и аварийных ситуациях. В ряде исследований было показано, что при возникновении нештатной ситуации или резком изменении рабочей обстановки эффективные действия оператора в значительной степени зависят от его способности к адаптивной регуляции и быстрой реорганизации когнитивной деятельности [1-3]. Эта когнитивная реорганизация является сложным, развернутым во времени психическим процессом, включающим как минимум три стадии [4, 5]:

— изменение (модификация) цели, определяющей текущую деятельность;

— мобилизацию когнитивных ресурсов, включающую поиск и актуализацию в оперативной памяти информации, требующейся для деятельности в нештатной ситуации;

— нахождение правильного способа действий в новых условиях и их оптимизацию с целью снижения затрат функциональных резервов.

Таким образом, при тренажерной подготовке специалистов к действиям в нештатных ситуациях необходимо целенаправленно оценивать и развивать у них отмеченные компоненты когнитивной регуляции, связанные со способностью к быстрому распознанию признаков нештатной ситуации и смене приоритетных целей, а также со способностью к быстрому поиску и актуализации в памяти правил и инструкций, регламентирующих деятельность в нештатной ситуации, и способностью к быстрому определению правильного способа действий и его реализации с минимальными затратами функциональных ресурсов.

Между тем на практике решение данной задачи связано со значительными трудностями. По показателям деятельности часто невозможно определить, чем вызваны неправильные действия обучаемого в смоделированных на тренажере стрессовых инцидентах. Использование данных самоотчета обучаемых также неэффективно: поскольку внимание индивида поглощено процессом совладания со стрессовым инцидентом, обычно он оказывается неспособным к точному интроспективному анализу когнитивной деятельности, задействованной в этом процессе.

В связи с этим нами был разработан динамический подход к физиологической оценке когнитивной регуляции, основанный на анализе нестационарных периодов физиологической активации, отмечающихся у индивида при воздействии факторов стресса.

Известно, что на воздействие факторов стресса люди обычно реагируют возрастанием частоты сердечных сокращений (ЧСС) и снижением вариабельности сердечного ритма (ВСР) [6-8]. Эти периоды резких изменений ЧСС принято называть нестационарными (переходными) периодами, в отличие от стационарных, характеризующихся относительным постоянством параметров ЧСС во времени [8]. Предполагается, что

© М. В. Зотов, А. П. Войт, В. М. Петрукович, 2011

характеристики нестационарных периодов ЧСС могут использоваться для оценки качества регуляции когнитивной деятельности индивида в условиях воздействия стрессовых инцидентов. Общая длительность нестационарного периода (НСП) отражает время, затрачиваемое индивидом на адаптивную регуляцию когнитивных процессов, в то время как характеристики отдельных фаз в структуре НСП отражают параметры эффективности стадий данного процесса.

Цель настоящего исследования — провести апробацию динамического подхода, а также используемых в нем методов и алгоритмов на примере процесса реальной тренажерной подготовки авиадиспетчеров к действиям в нештатных и аварийных ситуациях.

Участники исследования

В исследовании приняли участие 39 человек в возрасте от 20 до 46 лет — 14 опытных авиадиспетчеров и 25 студентов Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. Исследование проводилось на базе Центра тренажерной подготовки указанного вуза.

Метод исследования

В исследовании использовался тренажер для авиадиспетчеров «Навигатор-3», на котором опытные авиадиспетчеры и новички выполняли 40-минутный сценарий, предполагающий решение различных задач диспетчера круга по управлению воздушными судами в зоне своей ответственности. Воздушная обстановка отображалась на экране контрольного дисплея авиадиспетчера. При выполнении сценария на тренажере авиадиспетчеры при помощи средств громкоговорящей радиосвязи осуществляли речевую коммуникацию с операторами воздушных судов и диспетчерами смежных зон воздушного пространства, сообщения которых имитировали инструкторы.

Одной из основных задач участников при выполнении тренажерного сценария являлось определение очередности и порядка захода воздушных судов на посадку и их периодическая коррекция в зависимости от условий воздушной обстановки. При этом они должны были соблюдать безопасные интервалы между воздушными судами согласно установленному регламенту. Другая задача участников состояла в управлении процессом выхода воздушных судов из зоны ответственности диспетчера круга и передаче управления другому диспетчеру. Выполнение этих задач было связано с высокими требованиями к возможностям когнитивной переработки. Для успешного выполнения отмеченных задач оператор был должен:

— осуществлять быстрое восприятие и анализ визуальной и акустической информации о быстро изменяющейся воздушной обстановке;

— осуществлять быстрый поиск в долговременной памяти и активацию в оперативной памяти информации о необходимых правилах, процедурах, регламентах управления воздушным движением;

— формировать оперативный образ быстро меняющейся воздушной обстановки, на его основе быстро принимать решения по управлению движением воздушных судов, реализовать эти решения путем речевой коммуникации с операторами воздушных судов и диспетчерами смежных зон воздушного пространства.

40-минутный сценарий, которые участники выполняли на тренажере, включал три стрессовых инцидента, связанных с усложнением воздушной обстановки.

Первый стрессовый инцидент. На 4-й минуте сценария резко возрастала интенсивность воздушного движения. В течение 1 минуты количество воздушных судов в зоне ответственности диспетчера круга увеличилось с 2 до 5. Эта ситуация требовала от авиадиспетчера быстрого принятия решений и действий, направленных на разведение воздушных судов по курсам и высоте для предотвращения потенциально опасных ситуаций.

Второй стрессовый инцидент. На 16-й минуте диспетчер круга получает информацию о малом остатке топлива на одном из воздушных судов. В связи с этим он должен освободить воздушное пространство перед этим воздушным судном либо создать между аварийным воздушным судном и судном, заходящим на посадку, безопасный интервал, позволяющий освободить взлетно-посадочную полосу для аварийного воздушного судна. Данный инцидент требовал от авиадиспетчера быстрого принятия решений и действий по изменению очередности и порядка захода на посадку воздушных судов, находящихся в его зоне ответственности.

Третий стрессовый инцидент. На 34-й минуте диспетчер круга получает информацию об отказе двигателя на одном из воздушных судов. Он должен посадить аварийное воздушное судно с направления, противоположного рабочему. Возникает необходимость захода на посадку с направления, обратного рабочему. Для этого авиадиспетчеру было необходимо полностью изменить очередность и порядок захода на посадку всех воздушных судов, находящихся в зоне его ответственности. Данный инцидент был связан с резким возрастанием количества принимаемых решений по управлению воздушным движением, увеличением числа отдаваемых и принимаемых сообщений по радиосвязи, возрастанием требований к скорости восприятия информации о воздушной обстановке и быстрому принятию решений.

По экспертной оценке инструкторов первые два стрессовых инцидента являлись относительно легкими, в то время как последний инцидент являлся сложным и требовал хороших знаний и навыков управления движением воздушных судов.

Процедура исследования

Эксперимент начинался с 2-минутной регистрации ЭКГ для базовой оценки параметров сердечного ритма. После этого опытные авиадиспетчеры со стажем работы не менее 3 лет и студенты Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации выполняли 40-минутный сценарий на тренажере. Студенты выполняли сценарий два раза: до и после курса тренировки.

Группа опытных инструкторов поминутно оценивала ошибки, совершенные участниками при выполнении сценария. Оценивались такие виды ошибок как нарушение фразеологии радиообмена, нарушение правильности и скорости команд, передаваемых по радиосвязи операторам воздушных судов, неправильное взаимодействие с диспетчерами смежных зон воздушного пространства, нарушение интервалов движения воздушных судов и безопасных высот, опасное сближение воздушных судов, столкновение воздушных судов. В зависимости от «тяжести» ошибки — либо легкая (например, неправильно сформулированная команда при радиообмене), либо тяжелая (например, нарушение безопасных высот, опасное сближение или столкновение само-

летов) — ей присваивался весовой коэффициент. После этого для каждого участника рассчитывался средний показатель ошибок за каждые 2 минуты выполнения сценария.

Алгоритмы анализа сердечного ритма

В процессе выполнения участниками сценария на тренажере осуществлялась непрерывная регистрация сигналов ЭКГ с использованием портативного компьютерного электрокардиографа “КаМі2№” с одноразовыми электродами. Применялась стандартная трехэлектродная конфигурация. Проводилось распознание К-зубцов ЭКГ, коррекция артефактов, после чего сигнал сердечного ритма приводился к равномерной сетке с частотой 4 Гц. Полученные данные использовались для расчета значений мгновенной частоты сердечных сокращений (ЧСС) и параметров вариабельности сердечного ритма (ВСР).

Далее на основе нормированных параметров медианы ЧСС, межквартильного размаха ЧСС и ширины главного лепестка автокорреляционной функции, рассчитанных по скользящим окнам, осуществлялось вычисление индекса активации (АИ), который, как показали результаты пилотного эксперимента, позволяет надежно оценивать уровень умственной нагрузки индивида в процессе когнитивной деятельности.

После этого рассчитывался индекс нестационарности сердечного ритма (ИН), основанный на использовании в течение 15 с двух скользящих окон, сдвинутых друг относительно друга на V ширины окон. При каждом их перемещении оценивалась разница между значениями статистических и частотных параметров сердечного ритма, рассчитанных по этим окнам.

Далее осуществлялась процедура нормирования «сырых» значений показателя не-стационарности и на основе нормированных значений выполнялась процедура автоматического распознания нестационарных периодов сердечного ритма (НСП). Процедура распознавания нестационарных периодов, отмечающихся у индивида в процессе выполнения 40-минутного стрессового сценария на тренажере, проиллюстрирована на рис. 1.

Стрессовые инциденты

II I

Нестационарные периоды

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Время, МИН.

Рис. 1. Иллюстрация процедуры распознавания НСП в динамике сердечного ритма у испытуемого при выполнении стрессового сценария на тренажере.

Предложенная процедура позволяет идентифицировать моменты резких изменений функционального состояния индивида, проявляющихся в изменениях параметров сердечного ритма и диаметра зрачка.

После этапа распознавания осуществлялась процедура аппроксимации каждого НСП модельной математической функцией. Пример аппроксимации нестационарного периода представлен на рис. 2.

180 200 Время работы, с.

Рис. 2. Пример аппроксимации НСП в динамике сердечного ритма.

Примечания: Am, — амплитудные и временные параметры фазы мобилизации. Аб, Ws — амплитудные и временные параметры фазы стабилизации. Ак — физиологическая «стоимость» адаптации к изменению условий.

Для всех НСП, отмечавшихся у участников в начале выполнения сценария и при воздействии смоделированных на тренажере стрессовых ситуаций, осуществлялся расчет следующих параметров:

— «Шш» — временная длительность фазы мобилизации;

— «Аш» — степень возрастания активации во время фазы мобилизации;

— «Шз» — временная длительность фазы стабилизации;

— «Ак» — разница в уровне активации до и после нестационарного периода, отражающая физиологическую «стоимость» адаптации к стрессогенным условиям деятельности.

Результаты исследования

На первом этапе анализа данных у обследованных групп участников были проанализированы средние показатели ошибок, совершенных при выполнении сценария на тренажере. Исследование подтвердило, что эксперты обнаруживают более высокий уровень успешности деятельности, чем новички ^ (1,37) = 13,8, р < 0,01). Было выявле-

но значимое влияние тренировки ^ (1,24) = 14,2, р < 0,01). После тренировки студенты допускают меньше ошибок при выполнении сценария на тренажере (рис. 3).

Рис. 3. Средние показатели ошибок при выполнении сценария на тренажере у экспертов, студентов до и после тренировки.

Как видно на рис. 3, студенты чаще совершают ошибки при возникновении стрессовых инцидентов на 4-й, 16-й и 34-й минутах выполнения сценария. При этом наибольшую трудность для них представлял стрессовый инцидент на 34-й минуте, связанный с отказом двигателя у одного из самолетов. Успешное решение этого инцидента требовало комплексной оценки ситуации, вспоминания подходящих для данного случая служебных инструкций, быстрого принятия решения по изменению организации воздушного движения с тем, чтобы избежать опасного сближения самолетов. Таким образом, данный инцидент был связан с резким повышением уровня когнитивной нагрузки у студентов. Даже после тренировки студенты допускали большое количество ошибок на 34-36 минутах сценария (см. рис. 3).

На следующем этапе анализа результатов были проанализированы характеристики физиологических реакций, отмечающихся у участников при выполнении основных этапов сценария на тренажере. Усредненные значения мгновенной ЧСС участников при выполнении сценария представлены на рис. 4.

Студенты по сравнению с экспертами демонстрируют более высокий уровень физиологической активации. Также видно (рис. 4), что все участники реагируют на начало работы и возникновение критических инцидентов резким возрастанием показателей ЧСС.

Далее были проанализированы значения индекса активации (АИ), основанного на комбинации временных и частотных показателей сердечного ритма, таких как медиана ЧСС, межквартильный размах ЧСС и ширина главного лепестка автокорреляционной

функции. Для средних значений АИ, рассчитанных за каждые две минуты сценария, проводился ANOVA с внутригрупповым фактором «этап» (двухминутный период покоя и 20 двухминутных этапов сценария) и межгрупповым фактором «опыт» (новички, эксперты). Было установлено значимое влияние факторов «опыт» ^ (1,37) = 4,5, р < 0,05) и «этап» ^ (20,18) = 3,9, р < 0,01). ANOVA с двумя внутригрупповыми факторами «этап» (период покоя, этапы 1-20) и «тренировка» (до и после тренировки) показал значимое влияние на средние значения индекса активации фактора «тренировка» ^ (1,24) = 8,1, р < 0,01), «этап» ^ (20,5) = 24,2, р < 0,01) и их взаимодействия ^ (20,5) = 5,5, р < 0,05).

Начало 115-1 сценария

Стпрппгткіе инііилрнткі

75

—1---1-1-1---1--1--1---1-1--1--»-1--1---------1-1-1-1-г

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Время, мин.

эксперты студенты до тренировки

----студенты после тренировки

Рис. 4. Усредненные значения мгновенной ЧСС участников при выполнении сценария на тренажере.

По сравнению с экспертами студенты обнаруживают значимо больший уровень физиологической активации в течение первых 10 минут выполнения сценария на тренажере. Вероятно, это связано с трудностями адаптации к условиям работы и чрезмерными усилиями, затрачиваемыми на выполнение действий по управлению воздушным движением. После тренировки студенты демонстрируют снижение уровня активации на начальных этапах сценария. Также установлено, что при воздействии критических инцидентов на 16-й и 34-й минутах сценария все участники демонстрируют возрастание средних значений АИ.

Затем были проанализированы показатели частоты возникновения нестационарных периодов (НСП) в динамике сердечного ритма (в минуту) на различных этапах выполнения участниками стрессового сценария. Установлено, что у участников во всех группах нестационарные периоды сердечного ритма наиболее часто возникают в начале выполнения сценария, а также при возникновении критических инцидентов на 4-й, 16-й и 34-й минутах сценария. Были рассчитаны средние показатели частоты

нестационарных периодов сердечного ритма для нейтральных этапов сценария и этапов, связанных со стрессовыми инцидентами. ANOVA показал достоверное влияние фактора «этап» (нейтральные, стрессовые этапы) на частоту нестационарных фаз (F (1,37) = 42,7, р < 0,001). Межгрупповые различия, а также влияние фактора тренировки оказались статистически незначимыми.

Таким образом, все участники, независимо от уровня опытности, демонстрируют значимое возрастание частоты нестационарных фаз в периоды возникновения стрессовых инцидентов, связанных с резким возрастанием рабочей нагрузки. Исследование показало, что предложенный метод автоматического распознания НСП позволяет надежно идентифицировать моменты резких изменений функционального состояния операторов, связанных с воздействием стрессогенных факторов.

На следующем этапе были проанализированы параметры НСП, отмечающихся у участников в начале сценария и при возникновении стрессовых инцидентов на 4-й, 16-й и 34-й минутах сценария.

Для всех параметров НСП проводился ANOVA с внутригрупповым фактором «этап» (начало сценария, стрессовые инциденты 1, 2, 3) и межгрупповым фактором «опыт» (новички, эксперты). С целью оценки измерений параметров нестационарных фаз в результате тренировки проводился ANOVA с внутригрупповыми факторами «этап» (начало сценария, стрессовые инциденты 1, 2, 3) и «Тренировка» (до и после тренировки).

Исследование показало значимое влияние на параметр «Ат», отражающий степень учащения сердечного ритма во время НСП, фактора «этап» (F (3,35) = 7,7, p < 0,001) и взаимодействия факторов «опыт» и «этап» (F (3,35) = 3,37, p < 0,05). Post hoc анализ показал, что в начале работы новички обнаруживают значимо большие значения параметра «Ат», чем эксперты (р < 0,05). Также установлено достоверное влияние на параметр «Ат» взаимодействия факторов «тренировка» и «этап» (F (3,22) = 4,6, р < 0,05). Post hoc анализ показал, что в результате тренировки значение параметра «Ат» в начале выполнения сценария у студентов достоверно снижается (р < 0,05).

Студенты до тренировки реагируют большим возрастанием ЧСС на начало работы и меньшим — на стрессовые инциденты, возникающие в процессе выполнения сценария. Эксперты, напротив, обнаруживают способность к дифференцированной мобилизации своих усилий в зависимости от сложности критического инцидента. Наиболее интенсивную мобилизацию усилий они демонстрируют при появлении последнего критического инцидента, являющегося наиболее сложным.

Исследование показало достоверно большие значения параметра «Wm», отражающего длительность мобилизации усилий, у новичков по сравнению с экспертами (F (1, 37) = 4,9, р < 0,05). Post hoc анализ показал, что новички по сравнению с экспертами обнаруживают большую длительность нарастания ЧСС в начале выполнения сценария (р < 0,05).

ANOVA также показал достоверный эффект фактора «тренировка» (F (1,24) = 4,4, р < 0,05). Post hoc анализ показал, что тренировка приводит к значимому снижению длительности мобилизации в начальный период выполнения сценария.

Эксперты значительно быстрее, чем новички мобилизуют свои усилия в начале работы, а также при воздействии стрессовых инцидентов.

Исследование также выявило достоверно большие значения параметра «Ws», отражающего длительность стабилизации сердечного ритма, у новичков по сравнению

с экспертами (F (1,37) = 35,1, р < 0,001). Post hoc анализ показал, что новички по сравнению с экспертами обнаруживают большие значения параметра «Ws» в начале сценария (р < 0,01), при воздействии второго (р < 0,05) и третьего (р < 0,01) инцидента. Также обнаружено, что параметр «Ws» достоверно снижается в результате тренировки (F (1,24) = 46,8, р < 0,001). Post hoc анализ показал, что тренировка приводит к снижению параметра «Ws» в начале сценария (р < 0,001), при воздействии второго (р < 0,05) и третьего (р < 0,001) стрессового инцидента.

Далее были проанализированы значения параметра «Ak», отражающего различия в уровне активации до и после нестационарной фазы, то есть «физиологическую стоимость» адаптации к условиям работы и воздействию стрессовых инцидентов. ANOVA показал значимый эффект взаимодействия факторов «опыт» и «этап» (F (3, 35) = 2,9, р < 0,05). Post hoc анализ показал, что у новичков в начальный период сценария значения параметра «Ak» являются значимо большими (р < 0,05), а в период воздействия последнего, наиболее трудного стрессового инцидента — значимо меньшими (р < 0,05), чем у экспертов.

Также обнаружено достоверное взаимодействие факторов «тренировка» и «этап» (F (3, 22) = 3,12, р < 0,05). Post hoc анализ показал, что в результате тренировки отмечается значимое снижение параметра «Ak» в начальный период выполнения сценария (р < 0,05) и значимое возрастание параметра «Ak» в период воздействия последнего стрессового инцидента (р < 0,05).

Нестационарные периоды, отмечающиеся у новичков в начале выполнения сценария и при воздействии относительно легких стрессовых инцидентов на 4-й и 16-й минутах сценария, характеризуются большими, чем у экспертов, значениями параметра «Ak». Другими словами, на этих этапах сценария показатели активации у новичков стабилизируются на более высоком уровне, чем у экспертов, что свидетельствует о больших усилиях, затрачиваемых ими на совладание с относительно легкими стрессовыми инцидентами. При возникновении сложного стрессового инцидента на 34-й минуте сценария нетренированные новички, в отличие от экспертов, в среднем демонстрируют отрицательные значения параметра «Ak». Это указывает на то, что показатели активации у них стабилизируются на уровне ниже того, который наблюдался до воздействия стрессового инцидента. Как показали данные опроса студентов, данный вид физиологического реагирования был связан с неспособностью выработать правильный способ выхода из стрессовой ситуации, потерей оперативного образа ситуации воздушной обстановки и, как следствие, отказом от дальнейших усилий по совла-данию с ситуацией. Во всех случаях данный вид реагирования сопровождался резким возрастанием количества ошибок при управлении воздушным движением.

Обсуждение результатов

В исследовании был апробирован динамический подход к физиологической оценке процессов регуляции когнитивной деятельности в стрессогенных условиях, основанный на взаимосвязи этих процессов с нестационарными периодами в динамике физиологической активации индивида. Исследование показало, что параметры нестационарных фаз сердечного ритма являются информативными индикаторами уровня готовности индивида к действиям в нештатных ситуациях. Установлено, что нетренированные лица по сравнению с экспертами в начале выполнения сценария на трена-

жере и при возникновении относительно легких стрессовых ситуаций демонстрируют более интенсивный и длительный процесс нарастания физиологической активации. Это свидетельствует о больших усилиях и времени, которые затрачивают новички на поиск и актуализацию в оперативной памяти правил, процедур и инструкций, необходимых для выполнения задач по управлению воздушным движением в нештатных ситуациях.

В начальный период работы, а также при возникновении несложных инцидентов опытные авиадиспетчеры-эксперты способны быстро принять необходимые решения, сформировать план необходимых действий и приступить к его систематической реализации. В результате физиологические показатели активации у них быстро снижаются и стабилизируются на относительно низком уровне. Авиадиспетчеры-новички, напротив, обнаруживают трудности принятия решений и планирования своих действий. В результате они демонстрируют более длительный, чем эксперты, процесс стабилизации показателей активации и более высокую «физиологическую стоимость» действий по управлению воздушным движением.

При возникновении сложного критического инцидента на 34-й минуте сценария новички демонстрируют паттерн реагирования, состоящий в быстром снижении физиологических показателей активации и их стабилизации на уровне ниже того, который отмечался до воздействия инцидента. Данный вид реагирования сопровождается резким ухудшением деятельности по управлению воздушным движением и связан с чувством растерянности, потерей оперативного образа воздушной обстановки и отказом от усилий по преодолению критической ситуации.

Исследование показало, что предложенный подход может успешно использоваться при физиологической оценке уровня готовности различных специалистов к действиям в нештатных и аварийных ситуациях.

Литература

1. Hancock P A, Warm J. S. A dynamic model of stress and sustained attention // Human factors. 1989. Vol. 31(5). P. 519-37.

2. Береговой Г Т., Пономаренко В. А. Психологические основы обучения человека-оператора готовности к действиям в экстремальных условиях // Вопросы психологии. 1983. № 1. С. 23-32.

3. Зотов М. В. Методологические основы ранней диагностики пограничных нервно-психических расстройств // Вест. С.-Петерб. ун-та. Сер. 12. 2009. Вып. 4. С. 250-257.

4. Altmann E. M., Gray W. D. An integrated model of cognitive control in task switching // Psychological Review. 2008. Vol. 115, P. 602-639.

5. Rubinstein J. S., Meyer D. E., Evans J. E. Executive control of cognitive processes in task switching // J. of Experimental Psychology: Human Perception and Performance. 2001. Vol. 27. P. 763-797.

6. Баевский Р М., Кириллов О. И., Клецкин С. З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984. 221 с.

7. Медведев В. И. Устойчивость физиологических и психологических функций человека при действии экстремальных факторов. Л.: Наука, 1982. 104 с.

8. Сапова Н. И. Комплексная оценка регуляции сердечного ритма при дозированных функциональных нагрузках // Физиол. журн. им. Сеченова. 1982. Т. 68, № 8. С. 1159-1164.

Статья поступила в редакцию 12 мая 2011 г.