Розробка методу ідентифікації стану втоми оператора системи "людина-техніка-середовище"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.01.04. - Ергономіка

Розробка методу ідентифікації стану втоми оператора системи "людина-техніка-середовище"

Мигаль Галина Валеріївна

Харків 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор, Іванов Віктор Георгійович, Українська інженерно-педагогічна академія

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ашеров Аківа Товійович, Українська інженерно-педагогічна академія, завідуючий кафедрою інформатики

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, професор Стрілець Віктор Маркович, Харківський інститут пожежної безпеки МВС України, кафедра організації служби та підготовки

Провідна установа: Харківська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України

Захист відбудеться 6 квітня 2000 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.059.03 в

Харківському державному автомобільно-дорожньому

технічному університеті (61002, м. Харків, вул. Петровського, 25).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий 4 березня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Смирнов О.П.

1. Загальна характеристика роботи

втома ентропійний енергетичний працівник

Актуальність теми.

Визначення стану втоми людини-оператора (ЛО) набуває все більшої гостроти та стає найважливішою соціально значущою задачею в міру прискорення науково-технічного прогресу і зростання напруженості та відповідальності операторської діяльності. Це зумовлено тим, що втома є одним з найважливіших чинників, що призводять до зниження надійності оператора і, як наслідок, до зниження надійності системи “людина-техніка-середовище” (СЛТС). В ситуації стресу помилка оператора може вивести з працездатного стану систему управління в цілому. Тому надійність СЛТС все більше залежить від надійності оператора як головної ланки системи. Стан втоми визначається як один з функціональних станів (ФС) оператора, що проявляється в системній зміні значень параметрів організму оператора в процесі діяльності. Тому об'єктивне визначення та ідентифікація стану втоми є актуальною задачею ергономіки, вирішення якої дозволить оцінити та прогнозувати надійність оператора СЛТС.

В ергономічних дослідженнях виникло протиріччя, що полягає в такому. Для того щоб ідентифікувати стан втоми необхідно визначити характеристичні ознаки-критерії стану втоми на основі підходу до організму людини як до функціонально цілісної системи. Традиційні для ергономіки методи дослідження ФС оператора не дозволяють визначити їх. Принциповою перешкодою для цього є незавершеність концептуальної бази цілісного підходу до дослідження ФС оператора СЛТС. В роботі дане протиріччя розв'язане на основі взаємодоповнюваності ентропійних методів дослідження енергетичних та інформаційних процесів в біосистемах і принципів сучасної рефлексодіагностики, кожному з яких притаманний цілісний підхід.

Виходячи з цього актуальність дисертаційного дослідження визначається: 1) існуванням проблеми своєчасної ідентифікації стану втоми оператора для запобігання переходу його в непрацездатний стан і прогнозування надійності СЛТС; 2) недостатньою об'єктивністю методів оцінки надійності організму оператора при існуванні різноманіття методів визначення надійності його діяльності.

Розширення інформаційної бази про ФС оператора, її системний аналіз, моделювання, а також сучасні уявлення про зв'язок гомеостазу організму людини з надійністю його підсистем зумовлюють поступовий перехід від традиційних фізіологічних і психологічних методів визначення втоми оператора до нових кібернетичних та інформаційно-енергетичних підходів до визначення втоми та надійності оператора. Все це обумовило вибір напрямку дисертаційної роботи, що полягає в подальшому розвитку функціонально цілісного підходу до визначення стану втоми, та у використанні ентропійних методів дослідження і моделювання ФС оператора системи “людина-техніка-середовище”.

Теоретичний та практичний базис для вивчення надійності діяльності оператора побудували вчені А.І. Губинський, В.В. Кобзєв, Б.Ф. Ломов, Г.М. Зараковський, А.Т. Ашеров та ін.

Значну увагу проблемі визначення втоми оператора приділяли видатні вчені: В.П. Зінченко, В.В. Розенблат, П.К. Анохін, В.В. Парін, В.М. Муніпов, Р.М. Баєвський, А.І. Зотін та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались за програмою Міносвіти України згідно з планом науково-дослідної роботи Державного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського ”ХАІ”, відповідно до напрямку роботи центру розробки та виготовлення медичного обладнання. Ряд результатів дисертаційної роботи одержано в рамках держбюджетної теми Г 505-38/95 “Розробка та дослідження методів створення радіоелектронних медичних приладів і систем”. Результати роботи покладено в основу програмно-апаратного комплексу рефлексодіагностики “Еледія”, розробленого НТНЦ “Монада”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу ідентифікації стану втоми оператора системи ”людина-техніка-середовище” для оцінки та прогнозування її надійності.

Об'єктом дослідження є оператор СЛТС.

Предметом дослідження є стан втоми оператора СЛТС та його ідентифікація.

Для досягнення мети були вирішені такі задачі:

Аналіз існуючих методів і критеріїв визначення стану втоми та надійності оператора, а також визначення інформаційних джерел, параметри яких найбільш адекватно та інтегрально відображають ФС підсистем організму оператора.

Визначення характеристичних ознак-критеріїв, що системно відображають зміни ФС оператора.

Розвиток концепції функціонально цілісного підходу до визначення втоми оператора.

Розробка еволюційно-ентропійної моделі інформаційно-енергетичного (ІЕ) обміну в організмі оператора СЛТС, а також моделювання і класифікація можливих ФС людини-оператора.

Розробка інтегрально-диференціального методу ідентифікації стану втоми оператора СЛТС.

Пошук методів прогнозування надійності оператора.

Вирішення задач дозволило одержати та винести на захист такі наукові результати:

Спосіб одержання, структурування й обробки інформації про функціональний стан оператора та вимірювальні пристрої для його реалізації.

Еволюційно-ентропійна модель інформаційно-енергетичного обміну в організмі оператора СЛТС.

Метод інтегрально-диференціальної ідентифікації стану втоми оператора СЛТС.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено нові інструментальні пристрої для пошуку біологічно активних точок шкіри та вимірювання їх нових параметрів, що найадекватніше відображають ФС підсистем організму оператора.

2. Здійснено подальший розвиток концепції функціонально цілісного підходу до визначення ФС оператора, в основі якого лежить застосування ентропійних методів дослідження збалансованості ІЕ обміну між підсистемами організму людини.

3. Розроблено еволюційно-ентропійну модель ІЕ обміну в організмі людини, яка відрізняється від існуючих тим, що вперше ФС оператора цілісно характеризується збалансованістю і узгодженістю в часі ІЕ обміну між всіма підсистемами його організму.

4. Вперше прогнозування надійності оператора здійснюється на основі визначення функціонального резерву його організму.

5. Введено нові характеристичні ознаки-критерії стану втоми оператора (вектор і фаза ФС в 12-вимірному функціональному просторі, конфігураційна симетрія графічного образу ФС).

Практичне значення одержаних результатів.

Одержані наукові результати розширюють ергономічне забезпечення СЛТС і мають суттєве значення для вирішення питань, пов'язаних з прогнозуванням надійності оператора та забезпеченням надійності СЛТС. Теоретична значущість дисертаційного дослідження полягає в подальшому розвитку концепції функціонально цілісного підходу до визначення ФС оператора СЛТС і розвитку ентропійних методів визначення, моделювання та прогнозування функціональних станів оператора.

Практична цінність роботи полягає в такому:

Розроблено дифференціальні вимірювальні щупи-електроди та багатофункціональні датчики, що дозволяють більш точно визначити місцеположення і ФС біологічно активних точок шкіри, а також можуть бути використані в кабінетах функціональної діагностики і релаксації операторів.

Нові параметри репрезентативних точок шкіри дозволяють підвищити достовірність визначення стану втоми за рахунок одержання та системної обробки більшого обсягу інформації.

Інтегрально-диференціальний метод ідентифікації стану втоми дозволяє прогнозувати можливий характер змін ФС оператора та надійність його організму.

Спосіб експрес-діагностики стану втоми оператора дозволяє контролювати ФС оператора без відриву від роботи, а також проводити самодіагностику.

Визначення ступеня втоми дозволяє адаптувати умови праці оператора (освітлення, параметри робочого крісла тощо) до індивідуальних особливостей його організму.

Результати роботи впроваджено:

1. у ПП НТФ “Дельта” (м. Львів) - метод об'єктивної експрес-діагностики стану втоми людини-оператора, що використовується в процесі розробки та випробовування крісел операторів ЕОМ та інших офісних меблів;

2. у центр функціональної діагностики при кафедрі фізичного виховання Державного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” - метод визначення ступеня втоми студентів, співробітників, спортсменів;

3. у навчальний процес кафедри прикладної психології Університету внутрішніх справ МВС України (м. Харків) - спосіб стимульованої релаксації напруженого стану людини.

Особистий внесок здобувача. В працях [1-10] автором запропоновано та обгрунтовано вимірювання нових параметрів репрезентативних точок шкіри і вимірювальні пристрої для цього; в праці [5] автором розроблено методику визначення місцеположення та ФС репрезентативних точок шкіри, а в працях [1-4, 6, 11] проведено дослідження зміни цих параметрів і запропоновано масштабні чинники організму людини як термодинамічної системи; в праці [12] автором розроблено термодинамічну модель ІЕ обміну в організмі людини.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на таких конференціях та конгресах: Міжнародній конференції “Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології” (Харків, 1998р.); Естонському Міжнародному конгресі з альтернативної медицини (Таллінн, 1996р.); ІХ Міжнародній науково-практичній конференції “Застосування лазерів у біології та медицині” (Ялта, 1997р.); ІІ Європейському конгресі “Акупунктурні білі ночі” (Санкт-Петербург, 1997р.); Міжнародних конгресах Балтійських держав з медичної акупунктури та супутніх технологій (Рига, 1997р., Юрмала, 1998р., Рига, 1999р.); ІІІ Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка та молодь у ХХІ сторіччі” (Харків, 1999р.); науково-практичних конференціях молодих вчених (Харків, Держ. аерокосмічний ун-т “ХАІ”, 1997, 1998, 1999рр.).

Публікацїї. За результатами проведених досліджень опубліковано 12 наукових робіт, із них 5 статей, 4 з яких входять до переліку ВАК, 6 тез доповідей та одержано один патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 210 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 239 сторінок, із них 89 сторінок заповнюють 74 рисунки, 12 таблиць та 5 додатків.

2. Стислий зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету роботи, виділено напрямки і сформульовано задачі дослідження, наведено основні наукові результати, що виносяться на захист, дано стислу характеристику їх наукової новизни, теоретичної та практичної значущості.

У першому розділі - “Стан втоми оператора СЛТС. Причини, проблеми, діагностика” - на основі системного підходу до аналізу літературних даних показано, що визначення стану втоми оператора за допомогою традиційних для ергономіки двох методичних підходів суб'єктивної оцінки власного стану (самотестування) та оцінки зміни показників трудової діяльності виявило різноманіття ФС оператора, але не дозволило здійснити їх класифікацію за відсутністю достатньої кількості ознак. Простір станів, що вивчаються в даній роботі, складається з працездатного стану, станів втоми та перевтоми. Багатогранність і стійкість цих станів свідчать, що перехід від одного стану до іншого може супроводжуватись функціональними змінами, характер яких визначається порушеннями ІЕ обміну між підсистемами організму оператора, що є наслідком успадкованих та набраних при перевтомі причинно-наслідкових процесів в організмі оператора. Все це індивідуальне для кожного оператора і суттєво впливає на показники функціонального резерву його організму, які визначають надійність СЛТС.

Серед численності ФС людини-оператора стан втоми, як одна з важливих причин переходу оператора у тимчасово непрацездатний стан і зниження його надійності, є надзвичайно складним об'єктом для дослідження. Майже всі концепції та підходи до даної проблеми базуються на розумінні того, що стан втоми є функціонально цілісним. Але існуюча концептуальна база дослідження ФС оператора лише теоретично прагне до цілісності, а відомі критерії неадекватно відображують процеси, що відбуваються в організмі людини при втомі.

Показано, що вирішення цієї проблеми можливе лише на основі доопрацювання концептуальної бази цілісного підходу, що враховував би індивідуальність організму людини та особливості його функціонування в конкретній СЛТС.

Аналітичний огляд літератури та патентні дослідження щодо даної проблеми дозволили визначити, що найінформативнішими джерелами інформації про ФС оператора є сукупність біофізичних параметрів репрезентативних точок шкіри, в яких рефлекторно відображується ефективність управління ІЕ обміном між всіма підсистемами організму. А подальший розвиток концептуальної бази цілісного підходу можливий на основі поєднання ентропійних методів дослідження біосистем, нерівноважної термодинаміки інформаційних та енергетичних процесів, а також холістичної концепції гомеостазу.

На цій основі сформульовано основні завдання дослідження, визначено їх послідовність та можливі шляхи розв'язання.

У другому розділі - “Метод одержання інформації про ФС людини” - показано, що на шкірі людини як інформаційній системі найінформативнішими до зміни ФС оператора є біофізичні параметри тих біологічно активних точок шкіри, які репрезентують функціональний стан кожної підсистеми організму. Тому спочатку були вирішені задачі вибору найінформативніших параметрів, а також підвищення точності визначення місцеположення цих точок шкіри та пошуку нових системних ознак-критеріїв визначення ФС підсистем організму оператора. Це було досягнено за рахунок: а) відмови від інтегральних параметрів і переходу на вимірювання диференціальних параметрів; б) розробки вимірювальних щупів-електродів, розподіл електричного поля в яких збігається з розподілом біопотенціалу у відповідних точках шкіри;

в) розробки багатофункціональних електродів-датчиків, конструктивні особливості яких дозволяють одночасно контролювати декілька параметрів репрезентативної точки, а також здійснювати динамічні виміри параметрів під впливом різних чинників; г) розширення кількості вимірюваних параметрів: до звичних опору Rш, потенціалу , температури T додали локальні ємність C та опір R, теплопровідність та електропровідність G. На основі аналізу еквівалентних схем шкіри та її біологічно активних точок та зіставлення результатів дослідження ФС оператора різними методами показано, що найінформативнішими параметрами підсистем організму є ємність та опір репрезентативних точок, що вимірюються в полі змінного струму на частоті f1/,

де - середнє значення сталої часу RC-кіл, ланками

яких є ємність Ci і опір Ri репрезентативних точок шкіри. Виявилось, що для здорової людини f=900...1100 Гц.

Все це дозволило експериментально визначити закономірності зміни параметрів підсистем організму при дії різних чинників та виявити параметри, що є найінформативнішими. На цій базі розроблено диференціально-інтегральний метод одержання та обробки інформації про ФС оператора. Метод реалізується шляхом вимірювання сукупності взаємодоповнювальних диференціальних параметрів репрезентативних точок шкіри та відрізняється від існуючих методів тим, що інформація про ФС всіх підсистем і взаємозв'язок між ними обробляється системно, тобто структурується, підсумовується за групами, підгрупами підсистем і відображується у функціональному 12-вимірному просторі.

У третьому розділі - “Втома та психофізіологічні параметри ФС оператора” - наведено експериментальні результати дослідження характеру зміни сукупності значень параметрів підсистем, що інтегрально відображають ФС оператора при втомі. Шляхом статистичного та кореляційного аналізу результатів досліджень ФС операторів встановлено ряд важливих закономірностей зміни цих параметрів внаслідок втоми:

1. зменшення величини значень параметрів (відносне зменшення ємності досягає 10-30%, електропровідності - 3-7%, метаболічного потенціалу - 10-15%, температури - 5-15%);

2. виникає або збільшується розбаланс між сумами значень параметрів симетричних підгруп і груп підсистем організму оператора;

3. зменшення коефіцієнта кореляції значень параметрів підсистем між собою з 0,8...0,99 до 0,2...0,4;

4. погоджена робота функціонально зв'язаних підсистем відображується подібними кривими розподілу коефіцієнтів взаємної кореляції

5. В операторів, що мають функціональні порушення взаємозв'язку цих підсистем, криві розподілу характеризуються дзеркальною симетрією де , - коефіцієнти взаємної кореляції підсистем С і IG та V і R з іншими підсистемами). Наявність прямої та оберненої кореляції між підсистемами дозволяє визначити індивідуальні порушення інформаційно-енергетичного обміну в організмі та є характеристичною ознакою-критерієм ФС оператора.

Відношення параметрів репрезентативних точок шкіри до їх температури дозволяє збільшити достовірність визначення ФС підсистем:

Спр=С/Т, пр=/Т, пр=/Т, (1)

де Спр, пр, пр - зведені ємність, потенціал, теплопровідність, оскільки температура відображує парасимпатичну частину вегетативної нервової системи (ВНС), а електричні параметри - симпатичну частину. Зауважимо, що зміна зведених параметрів підсистем у часі дозволяє встановити перехід від одного

На основі статистичної обробки результатів дослідження 300 абітурієнтів Харківського інституту льотчиків (ХІЛ), що пройшли медичний відбір, та 50 операторів ЕОМ виявлено, що для всіх підсистем здорового організму середньостатистично відношення значень параметра репрезентативної біологічно активної точки шкіри i-ої підсистеми Хi до їх кількості в цій підсистемі Ni приблизно однакове для всіх підсистем. Незначний розкид Х0 не перевищує відношення сумарної величини значень вимірюваного параметра підсистем до кількості всіх біологічно активних точок шкіри організму, що є однаковою для всіх людей:

. (2)

З цієї закономірності випливає, що кількість особливих точок шкіри в підсистемі є фундаментальною величиною, яка відображує її функціональну значущість, а розкид Хо є мінімальною величиною функціонально значущої зміни значення параметра підсистеми. Він являє собою масштабний чинник підсистем організму, що дозволяє визначити:

а) ідеальний розподіл значень параметрів по підсистемах даної людини:

Хi=; (3)

б) допустимі відхилення параметра від даного розподілу, що знаходяться в межах індивідуальної норми.

В результаті дослідження впливу чинників середовища і полів-стимулів (тиск, температура) на ФС оператора встановлено, що реакція на стимул залежить від ФС, а величина діапазону зміни значень параметрів, що вимірюються в репрезентативних точках, пропорційна їх кількості у відповідних підсистемах.

Аналіз результатів досліджень ФС операторів ЕОМ та абітурієнтів

ХІЛу дозволив установити ряд інших важливих закономірностей: а) масштабний чинник Хо є індивідуальною характеристикою людини; б) ємність кожної репрезентативної точки здорової людини обернено пропорційна її опору на цій же частоті. Це означає, що всі підсистеми здорового організму характеризуються однаковим часом релаксації, що підтверджує узгодженість ІЕ обміну між підсистемами. Встановлено, що при перевтомі ця узгодженість порушується, що приводить до розкиду часів релаксації підсистем, який може бути характеристичною ознакою-критерієм ФС оператора.

Структурування значень параметрів по групах і підгрупах підсистем, вибір взаємодоповнювальних параметрів та їх системна обробка дозволили встановити важливу закономірність, що при втомі відносне зменшення зведених параметрів пропорційне відповідному збільшенню розкиду сумарних значень параметрів груп і підгруп.

Встановлено закономірну зміну термодинамічних параметрів мочки вуха людини-оператора в результаті його діяльності. На основі цієї зміни розроблено спосіб експрес-діагностики стану втоми оператора.

У четвертому розділі - “Еволюційно-ентропійна модель ІЕ обміну в організмі оператора СЛТС та її термодинамічний аналіз” - розвинуто функціонально цілісний підхід до дослідження втоми оператора та розроблено еволюційно-енропійну модель ІЕ обміну в організмі оператора як системі. В основу підходу покладено термодинамічні уявлення про стабільність ФС організму людини як узгоджене в часі збалансування ІЕ обміну між взаємозв'язаними підсистемами, яке адекватно відображується їх ентропією S. Для встановлення можливих, з точки зору нерівноважної термодинаміки, шляхів перерозподілу ІЕ обміну між підсистемами в часі розроблено еволюційно-ентропійну модель ІЕ обміну в організмі людини. Модель базується на уявленні організму людини як кібернетичної системи, в якій канали, що містять особливі точки шкіри відповідної підсистеми, відображають контури управління ІЕ обміном як в самій підсистемі, так і між підсистемами, які описуються інформаційною складовою ентропії Sінф. Дана модель подає організм людини як самоорганізовану біосистему, яка складається з 12 парних підсистем, що утворюють 4 енергетичні підгрупи, 2 взаємодоповнювальні підгрупи, 6 функціонально об'єднаних пар підсистем. При цьому енергетичний обмін описується термодинамічною складовою ентропії. Як показано в працях Бріллюена, ентропія біосистем зростає лише при необоротних процесах, а її термодинамічна та інформаційна складові взаємодоповнюють одна одну.

Враховуючи, що функціонально значущою величиною ІЕ обміну між підсистемами є масштабний чинник (2), кожну підсистему організму можна подати як сукупність комірок, які можуть бути заповненими (енергією та інформацією) або порожніми, тобто характеризуватись 1 або 0. Тоді за допомогою масштабного чинника можна обчислити ступінь заповненості підсистеми. Виходячи з рівноправності всіх підсистем організму, а також з дискретності ІЕ обміну між ними, припустимо, що всі вони мають однакову кількість N комірок. Це дозволяє обчислити інформаційну Sінф і термодинамічну Sт складові ентропії кожної підсистеми з однієї й тієї ж сукупності значень параметрів. Так, приймаючи, що ступінь заповнення комірок I-ої підсистеми Ni, термодинамічна складова ентропії визначається за формулою Больцмана як

Sт = k lnWТ = k ln, (4)

де k - стала Больцмана, а W - термодинамічна ймовірність, що розглядається як число сполучень Nі по N комірках. Інформаційна складова ентропії як ступінь розбалансованості взаємозв'язків між підсистемами визначається через різницю ступеня заповнення комірок лівої та правої підсистеми

Ni=Nлів - Nправ:

Sінф= -kNi/N ідеал lnNi/N ідеал, (5)

де Nідеал=Ni/X0. Розрахункові формули (4) і (5) дозволили промоделювати можливі ФС організму людини з точки зору порушень причинно-наслідкових взаємозв'язків між його підсистемами. Ідеальний ФС характеризується повною збалансованістю та узгодженістю в часі ІЕ обміну між підсистемами і відображується високою конфігураційною симетрією графічного образу ФС оператора, графом стану, характеристичним багаточленом

та спектром Sp(G)=[4, -1, -1, -1]. Незважаючи на те, що всі нерівноважні стани є індивідуальними, вони можуть бути об'єднані в класи за характером домінуючого причинно-наслідкового перерозподілу ІЕ потоків між підсистемами організму. На цій основі проведено класифікацію ФС оператора. Еволюцію функціонального стану організму людини як ентропійної системи подано графом-деревом.

Далі за домінуючим циклом взаємозв'язків між підсистемами організму виділено 8 класів метастабільних ФС, що характеризуються певною конфігураційною симетрією функціонально-часових графічних образів ФС оператора. Ці графічні образи мають елементи подібності з графічними образами, одержаними експериментально при дослідженні ФС операторів.

У п'ятому розділі - “Ідентифікація стану втоми людини-оператора на основі ентропійного підходу” - проведено апробацію функціонально цілісного підходу до дослідження та ідентифікації втоми оператора СЛТС і показано його дієвість та вірогідність.

У зв'язку з існуванням значних труднощів при цілісному визначенні стану втоми оператора обґрунтовано необхідність ідентифікувати стан втоми за кількома взаємодоповнювальними інтегральними і диференціальними характеристичними ознаками-критеріями. Тому запропоновано ідентифікувати стан втоми спочатку інтегрально, тобто на основі сукупності значень параметрів репрезентативних точок шкіри та масштабного чинника підсистем класифікувати поточний стан ЛО як втому і визначити її ступінь.

Ступінь втоми визначається за відносною зміною складових ентропії підсистем організму людини. Для цього розроблено алгоритм, який базується на встановлених фактах, що мають місце при втомі:

а) термодинамічна складова ентропії підсистем зменшується, а інформаційна - пропорційно збільшується, тому ентропія організму людини як системи в цілому не змінюється;

б) ентропійна ефективність, тобто відношення різниці ентропії та її інформаційної складової до ентропії

(6)

характеризує ступінь необоротності процесів в організмі та відображує його функціональний резерв. Тоді коефіцієнт

Ку = (7)

відображує ефективність управління ІЕ обміном між підсистемами організму і характеризує ступінь втоми.

Ентропія організму як системи обчислюється на основі дослідження оператора в працездатному стані. Далі в будь-який момент часу, якщо значення складових ентропії не змінились, - ідентифікуємо поточний стан як працездатний. Якщо сумарне значення ентропії залишилось сталим, але значення будь-якої складової ентропії змінилось, - ідентифікуємо стан втоми та маємо змогу визначити його ступінь за розробленим алгоритмом. У випадку зростання сумарної ентропії організму оператора ідентифікуємо поточний стан як перевтому.

Додатковими характеристичними ознаками втоми оператора є:

а) виникнення асиметрії графічних образів лівої та правої груп підсистем, що призводить до порушення рівності площин, які вони охоплюють;

б) зміна модуля вектора, що відображує ФС оператора в 12-вимірному функціональному просторі;

в) збільшення сумарного значення сталої часу всіх підсистем.

Суть диференціальної ідентифікації полягає у визначенні класу ФС та кількості підсистем, ІЕ обмін яких з іншими підсистемами організму оператора порушений. Для цього виконується порівняння поточних характеристичних ознак-критеріїв стану людини з ознаками промодельованих класів ФС. Порівняння полягає в пошуку подібності елементів конфігураційної симетрії поточного графічного образу ФС людини і елементів симетрії одного з 8 класів графічних образів метастабільних станів. Далі за допомогою розробленого алгоритму визначається кількість порушених взаємозв'язків між підсистемами.

Основні положення розробленого методу і моделі підтверджені імітаційним моделюванням стану втоми оператора. Для цього використовувався метод біорезонансного впливу на сітчатку очей модульованим випроміненням червоних світлодіодів (max=0,63 мкм) частотою і ритмів мозку людини. Вивчення змін ФС 45 людей під впливом стимульованої релаксації на частотах ритму (8...13 Гц) виявило, що ці зміни є протилежними тим змінам, що реєструються після впливу ритмів (4...7,5 Гц), які сприяють переходу людини в стан, подібний втомі. Все це підтверджує достовірність метода інтегрально-диференціальної ідентифікації втоми оператора.

Показано, що оцінити та прогнозувати надійність оператора можна за величиною функціонального резерву його організму, обчисленою на основі кількості порушених взаємозв'язків між підсистемами. Показник, що характеризує надійність оператора, може змінюватись в межах 0,58...0,92 при п'яти - одному порушених зв'язках відповідно.

Наприкінці відзначено, що для того, щоб підвищити надійність усієї СЛТС, необхідно підвищити надійність її оператора, бо, незважаючи на високу надійність техніки (0,98) з причини низької надійності операторів (0,7), надійність СЛТС може мати незадовільне значення (0,6...0,7). Тому для підвищення надійності СЛТС необхідно, з одного боку, відбирати операторів з високим рівнем функціонального резерву, а з іншого - своєчасно виявляти його втому. Для цього потрібні методи, розроблені в даній дисертаційній роботі, що дозволяють підвищити достовірність визначення втоми оператора, визначити та спрогнозувати його надійність і в цілому підвищити надійність СЛТС.

У висновках наведено основні результати дисертаційної роботи.

Висновки

1. Обгрунтовано доцільність досліджувати збалансованість інформаційно-енергетичного обміну між підсистемами організму оператора в процесі діяльності за допомогою ентропії, обчислення якої здійснюється на основі структурованої сукупності значень взаємозв'язаних параметрів, що відображають функціональний стан цих підсистем.

2. Встановлено закономірності розподілу середньостатистичних значень параметрів репрезентативних точок шкіри по підсистемах, на основі яких визначено іерархію взаємозв'язків підсистем, та індивідуальну норму організму оператора.

3. Розроблено еволюційно-ентропійну модель ІЕ обміну в організмі оператора СЛТС, що має аналітичне, структурне та графічне подання, і на основі моделювання проведено класифікацію 8 класів можливих ФС людини-оператора.

4. Розроблено спосіб експрес-діагностики ФС оператора.

5. Розроблено метод інтегрально-диференціальної ідентифікації стану втоми оператора та алгоритми для його реалізації.

6. Розроблено оригінальні диференціальні вимірювальні щупи-електроди та багатофункціональні датчики для вимірювання локальних параметрів біологічно активних точок шкіри.

7. Показано можливість оцінки та прогнозування надійності оператора як головної ланки СЛТС у процесі його діяльності.

Одержані наукові результати дозволяють здійснювати об'єктивну ідентифікацію стану втоми оператора та визначати його ступінь, прогнозувати можливі стани оператора, а також вирішують комплекс питань, пов'язаних з оцінкою та прогнозуванням надійності операторів СЛТС.

Список публікацій за темою дисертації

Мигаль Г.В. Компьютерная интегральная диагностика состояния утомления оператора ЭВМ. // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. - Вып. 12.- Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 1999. - С. 50-54.

Мигаль Г.В. Исследование функционального состояния человека-оператора ЭВМ. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр.- Вып. 1. - Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 1998.- С. 222-226.

Шаронов В.Б., Мигаль Г.В. Оценка информативности параметров функционального состояния человека-оператора. // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. Вып. 2. - Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, -1998.- С. 76-82.

Мигаль Г.В. Нормализация функционального состояния человека и ее влияние на достоверность рефлексодиагностики. // Вісник проблем біології і медицини. Харків - Полтава.- 1999.- № 1. - С. 30-32.

Мигаль Г.В., Иванов В.Г. Способ определения местоположения и функционального состояния точек акупунктуры. //Рішення про видачу Патенту Украины від 27.12.99г. - № 97010169. Заявл. 17.01.97г.

Мигаль Г.В. Компьютерная диагностика состояния утомления оператора ЭВМ. // Зб. наук. пр. ІІІ Міжнар. Молодіжн. форуму “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ ст.”- Харків: ХДТУР,1999.- С. 226-229.

Иванов В.Г., Мигаль Г.В. Применение электрической спектроскопии точек акупунктуры в физиотерапии. // Труды І Эстонского Междунар. конгресса по альтернативной медицине.- Таллинн: 1996. - С.16-17.

Иванов В.Г., Мигаль Г.В. Электрическая спектроскопия БАТК. // Щорічник Української академії наук національного прогресу.-. Київ: Тернопіль.- 1997. - С.222.

Иванов В.Г., Мигаль Г.В., Заславский В.А. Компьютерная система для лазерной рефлексотерапии. // Материалы IX Междунар. научно-практич. конф. “Применение лазеров в медицине и биологии”.- Ялта-Харьков.- 1997 - С. 163-164.

Иванов В.Г, Колпаков Н.Д., Рубан Ю.С., Домрачев В.А., Иванов С.В., Мигаль Г.В., Колодяжный В.М. Новые принципы съема биоинформации. // Щорічник Української академії наук національного прогресу.-Київ: Тернопіль.- 1997. - С.223.

Мигаль Г.В. Емкость БАТК и функциональное состояние человека. // Труды Междунар. Конгресса Балтийских государств по медицинской акупунктуре и сопутствующим технологиям.- Юрмала.- 1998. - С.33.

Колодяжный В.М., Мигаль Г.В. Моделирование состояния утомления по результатам электрорефлексодиагностики организма человека. // Материалы Междунар. симп. по мед. акупунктуре и сопутствующим технологиям. - Рига. - 1999. - С.20.

Анотація

Мигаль Г.В. Розробка методу ідентифікації стану втоми оператора системи ”людина-техніка-середовище”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.04. - ергономіка. - Харківський державний автомобільно-дорожний технічний університет, Харків, 2000.

Дисертаційна робота Мигаль Г.В. присвячена вирішенню актуальної наукової задачі щодо розробки методу ідентифікації стану втоми оператора системи “людина-техніка-середовище”, спрямованого на оцінку та прогнозування її надійності. На основі системного підходу до відбору, структурування та обробки значень розширеної сукупності диференціальних параметрів репрезентативних біологічно активних точок шкіри, а також проведених досліджень, допрацьовано функціонально цілісний підхід до дослідження функціонального стану людини та визначено характеристичні ознаки-критерії втоми оператора. Це дозволило розробити еволюційно-ентропійну модель інформаційно-енергетичного обміну в організмі людини та промоделювати його можливі функціональні стани з точки зору причинно-наслідкових взаємозв'язків між підсистемами.

На основі характеристичних ознак-критеріїв та індивідуальної норми організму оператора розроблено інтегрально-диференціальний метод ідентифікації стану втоми оператора. Показано, що оцінити та прогнозувати надійність оператора можна за величиною функціонального резерву його організму.

Ключові слова: ергономіка, функціональний стан, втома, оператор, надійність.

Аннотация

Мигаль Г.В. Разработка метода идентификации состояния утомления оператора системы “человек-техника-среда”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.04 - эргономика. - Харьковский Государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 2000.

Диссертационная работа Мигаль Г.В. посвящена решению актуальной научной задачи разработки метода идентификации состояния утомления оператора системы “человек-техника-среда” для оценки и прогнозирования ее надежности. Для определения функционального состояния всех подсистем организма оператора разработан метод получения, структурирования и обработки информации, который отличается от существующих тем, что является интегрально-дифференциальным. В методе совокупность дифференциальных параметров репрезентативных точек кожи структурируется и суммируется по группам, подгруппам подсистем и отображается в 12 - мерном функциональном пространстве. Для реализации метода разработаны оригинальные дифференциальные измерительные щупы-электроды и многофункциональные датчики, позволяющие измерять наиболее информативные психофизиологические параметры организма оператора, а также проводить динамические измерения параметров под влиянием внешних факторов.

Проведены исследования функциональных состояний операторов и выявлены их изменения в процессе деятельности, в результате которых определены закономерности системного изменения совокупности значений психофизиологических параметров кожи оператора в результате утомления.

Установленные закономерности позволили развить концепцию функционально целостного подхода к исследованию функционального состояния оператора, на основе которой разработана эволюционно-энтропийная модель информационно-энергетического обмена в организме человека. Показано, что функциональное состояние организма человека как системы наиболее адекватно отображается структурированной совокупностью значений параметров подсистем, которая характеризует сбалансированность информационно-энергетического обмена между ними.

На основе моделирования информационно-энергетического обмена в системе, возможного с точки зрения причинно-следственных связей между подсистемами организма, выделены классы функциональных состояний организма оператора, которые отличаются функционально-временным графическим образом функционального состояния. Эволюция организма человека как энтропийной системы представлена графом-деревом, в котором отражены возможные пути снижения эффективности управления информационно-энергетическим обменом в системе.

Это позволило ввести новые характеристические признаки-критерии состояния утомления (вектор функционального состояния, его модуль и фаза в 12-мерном функциональном пространстве, конфигурационная симметрия графического образа и его площадь, соотношение составляющих энтропии).

Разработан интегрально-дифференциальный метод идентификации состояния утомления оператора и алгоритмы для его реализации. Суть интегральной идентификации заключается в том, что на основе совокупности параметров репрезентативных точек кожи и вычисленной индивидуальной нормы организма определяют степень текущего состояния утомления оператора. Дифференциальная идентификация состоит в определении класса функционального состояния и количества подсистем, эффективность управления которыми недостаточна. Для этого выполняется сравнение текущих характеристических признаков-критериев состояния человека с признаками промоделированных классов функциональных состояний. Далее с помощью разработанного алгоритма определяется количество подсистем с недостаточной эффективностью управления.

Достоверность и работоспособность основных положений разработанного подхода и модели подтверждены имитационным моделированием состояния утомления человека-оператора.

Показано, что оценить и прогнозировать надежность оператора можно по величине функционального резерва его организма, вычисленного на основе экспериментально определенного количества подсистем, взаимосвязи которых с другими подсистемами организма нарушены.

Полученные научные результаты позволяют осуществлять объективную идентификацию состояния утомления оператора и определять его степень, определить и спрогнозировать его надежность и в целом повысить надежность СЧТС.

Ключевые слова: эргономика, функциональное состояние, утомление, оператор, надежность.

Summary

Migal G. V. Working out the identification method of operator's fatigue state of “man-machine-medium” system. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by specialty 05.01.04 - ergonomics. - The Kharkiv State Automobile & Highway Technical University, 2000.

The candidate's thesis of Migal G.V. is dedicated to solution of the actual scientific problem of build-up of functionally integrated approach to research of a person functional state and development of fatigue state identification method used for the estimation and prediction of “man-machine-medium” system reliability. The characteristic features and criteria of operator fatigue are determined on the basis of a system approach to selection, structuring and processing of the extended collection of differential parameters of representative biologically active points of skin, and also research carried out. It has allowed to elaborate the evolutionally-entropy model of informational - energy exchange in an organism of a person and to make modeling his possible functional states from the point of view of cause-effect interrelationship between subsystems.

The integrally - differential method of the operator's fatigue state identification is developed on the basis of characteristic features and criteria and individual norm of the operator's organism. It is shown that it is possible to estimate and to prognosticate reliability of the operator by using the value of functional storage of his organism.

Keywords: ergonomics, functional state, fatigue, operator, reliability.

Размещено на Allbest.ru

...