Способ оценки состояния человека-оператора в системе "человек - машина"

Способ оценки состояния человека-оператора в системе "человек - машина"

Реферат

Изобретение относится к медицине, в частности к технике измерения психофизиологических характеристик, и касается способа оценки состояния человека-оператора по степени его утомления. В практике функциональной деятельности работников различных специальностей значительную долю рабочего времени занимает напряженная умственная работа. Это касается научных сотрудников, преподавателей, исследователей, операторов и др. Наступление умственной усталости наступает незаметно. Появляются ошибки, снижающие эффективность труда. Их появление особенно опасно в операторском труде, в системах «человек - машина», где следствием могут быть аварии, катастрофы и другие чрезвычайные происшествия, связанные с гибелью людей. Поэтому своевременное выявление наступления умственной усталости с целью принятия необходимых мер по недопущению ошибок способствует повышению эффективности труда специалистов, а в ряде случаев позволяет предупредить наступление чрезвычайных ситуаций и уменьшить риск для жизни персонала.

Известен способ оценки степени умственного (зрительного) утомления, предусматривающий предъявление испытуемому сигналов с плавно изменяемой частотой (см., например, Деревянко В.А. и др. Интегральная оценка работоспособности при умственном и физическом труде. М., 1976, с.76). В этом способе испытуемому в качестве сигнала предъявляется поток мелькающего света.

Этот способ имеет недостатки: низкую достоверность из-за ограничения оценкой состояния только зрительного аппарата, которая является лишь частью общего состояния; большие разброс данных и количество измерений. Кроме того, использование этого способа связано с затруднениями при сравнении данных, полученных различными исследователями и для различных испытуемых. Перечисленные недостатки связаны в значительной степени с тем, что в процессе испытаний используется лишь зрительный аппарат человека в ограниченных условиях при наличии световых помех, а также ввиду небольших величин сдвига абсолютных значений критической частоты слияния мельканий в зависимости от изменения состояния оператора. Вместе с тем известно (см., например, А.В.Луизов. Глаз и свет. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.89-90), что критическая частота слияния мельканий зависит от многих факторов, в частности от частоты мельканий, яркости светового потока, углового размера поля зрения, глубины модуляции яркости при мельканиях (амплитуды модуляций) и др. Кроме того, световая чувствительность сетчатки глаза в зависимости от удаленности от центра глаза существенно различна (см. там же, с.37-53), а ее рабочая зона, как правило, ограничена, особенно у испытуемых, характер профессиональной деятельности которых связан с операторским трудом, например у оператора военно-технических комплексов, авиаторов и др. Поэтому достоверность оценки по абсолютным значениям в одноразовом испытании не является высокой.

Известен способ оценки состояния оператора, предусматривающий предъявление испытуемому (подачу в поле зрения его глаза) сигналов в виде потока мелькающего света изменяемой частоты и одновременно потока ровного света, определение момента, когда световые потоки будут казаться испытуемому одинаково светящимися (см., например, авторское свидетельство СССР №339280). Этот способ в ряде случаев позволяет произвести измерения более точно, поскольку предоставляет возможность ориентироваться на эталонный (ровный) поток света и задействовать несколько большую часть зрительного аппарата. Однако помещение в поле зрения испытуемого одновременно двух источников с разными характеристиками, непрерывное их сравнение и слежение за ними рассеивают внимание испытуемого и не дают в полной мере обеспечить и точность, и достоверность оценки. Яркость второго источника (с ровным потоком света) суммируется с яркостью первого и вызывает дополнительную погрешность (см. там же, с.85-87, 117-121). Кроме того, диагностика ограничивается, как и в предыдущем способе, оценкой состояния (утомления) в основном зрительного аппарата испытуемого.

Известен способ оценки степени умственного утомления, заключающийся в предъявлении испытуемому сигналов переменной частоты в виде потока мелькающего света и измерении показателя реакции испытуемого на предъявленные сигналы путем измерения критической частоты слияния мельканий, воспринимаемой испытуемым (см., например, авторское свидетельство СССР №673266, кл. А61В 5/16, 1977). По этому способу дополнительно измеряют критическую частоту слияния мельканий, воспринимаемую другим глазом, и по разности получаемых величин определяют степень утомления. Этот способ в отличие от предыдущих предусматривает в большей степени определение состояния (усталости) не только зрительного аппарата, но и всего человека, в частности его умственного аппарата, поскольку в формировании зрительных образов участвует не только один глаз непосредственно, но и второй глаз, и большая часть мозга (см., например, А.В.Луизов. Глаз и свет. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.52-53). Однако этого приближения к реальности недостаточно, поскольку поле зрения одного глаза достаточно велико, например в горизонтальной плоскости оно составляет около 150° (см. там же, с.53-55), и рабочая зона поля зрения, как правило, значительно меньше. Особенно это относится к тем профессиональным работникам, деятельность которых связана с оптическими приборами и прежде всего с монокулярными приборами (микроскопами, телескопами, различного рода визирами, прицельными устройствами и др.). В этих случаях основную рабочую нагрузку воспринимает центральная часть сетчатки, угловой размер которой составляет единицы градусов. Учитывая угловые размеры подавляющего большинства типовых объектов, находящихся в пространстве предметов, с которыми контактирует зрительный аппарат глаза через оптический прибор, а также вероятности их отклонения от зрительной оси, можно определить угловой размер наиболее нагруженной части сетчатки глаза, который не превышает 3°. Поэтому применение в этих случаях способа по а.с. №673266 дает завышенный результат в определении состояния зрительного аппарата из-за участия в испытании как "уставших", так и "неуставших" частей сетчатки глаза. Кроме того, на достоверность оценки оказывает влияние в этом случае и оптическая составляющая зрительного аппарата, и та часть мозга, которая участвует в деятельности зрительного аппарата (см. там же, с.7-11, 66-71). Достоверность диагностики состояния оператора в отношении умственной деятельности в момент испытания зрительного аппарата не является высокой, поскольку оценивается лишь часть умственной деятельности мозга.

Известен способ оценки состояния человека-оператора в системе «человек - машина» (по степени умственного утомления), заключающийся в предъявлении испытуемому сигнала переменной частоты в отдохнувшем и утомленном состояниях, измерении показателя реакции испытуемого на предъявленный сигнал и определении состояния человека-оператора (по степени умственного (зрительного) утомления) по относительному отклонению значения измеренного показателя. В этом случае в качестве предъявляемого сигнала также используется поток мелькающего света с изменяемой частотой, а в качестве одного из показателей - критическая частота слияния мельканий. Однако окончательную оценку производят по относительному отклонению показателя, измеренного в исходном (отдохнувшем) состоянии и в состоянии утомления, что повышает достоверность оценки. Кроме того, с этой же целью зрительный аппарат испытуемого экранируют от посторонних источников света, а световой поток направляют на его центральную часть. Процедура исследования в этом способе позволяет также несколько уменьшить нагрузку на зрительную систему испытуемого. Однако и в этом способе достоверность определения умственной усталости в значительной степени зависит от характеристик зрительного аппарата и опасность травмирования его не исключается.

Известен также принятый в настоящей заявке за прототип способ определения состояния человека-оператора в системе «человек - машина» (по степени утомления), заключающийся в предъявлении испытуемому в отдохнувшем и утомленном состояниях сигналов переменной частоты, сформированных в виде требующих решения тестов, частоту предъявления которых изменяют пропорционально частоте их решения, а количество задают одинаковым для отдохнувшего и утомленного состояний, измерении показателей реакции испытуемого на предъявленные сигналы, оценке степени утомления по относительному отклонению значений измеренных показателей, определении в каждом из состояний суммарного времени решения заданного количества тестов, количества правильно решенных тестов и среднего времени правильного решения одного теста в соответствии с выражениями Тср.у=Тсум.у/Кпр.у, Тср.о=Тсум.о/Кпр.о, где Тср.у - среднее время правильного решения одного теста в утомленном состоянии, Тср.о - среднее время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, Тсум.у - суммарное время решения заданного количества тестов в утомленном состоянии, Тсум.о - суммарное время решения заданного количества тестов в отдохнувшем состоянии, Кпр.у - количество правильно решенных тестов в утомленном состоянии, Кпр.о - количество правильно решенных тестов в отдохнувшем состоянии.

Этот способ позволяет более точно и достоверно оценивать состояние человека-оператора (по степени его умственного утомления) и прогнозировать изменение профессиональных показателей операторов, особенно если их основной деятельностью является умственный труд. Кроме того, процедура исследования в этом способе обеспечивает более щадящий режим для зрительной системы. Раннее и более точное определение степени умственного утомления в конечном итоге позволяет своевременно предупреждать нежелательные действия операторов, их ошибки, вызванные умственным утомлением, а также исключать травмирование зрительного аппарата, сохранять его характеристики и долголетие. Однако реализация этого способа требует значительных временных и материальных затрат, связанных с обязательной необходимостью измерения показателей реакции операторов и в отдохнувшем, и в утомленном состояниях, а также ожидания их изменений. Кроме того, достоверность результатов оценки зависит от параметров функционального состояния испытуемого оператора в отдохнувшем состоянии, прежде всего, таких как частота сердечных сокращений, артериальное давление и температура тела в состоянии покоя. Особенностью деятельности оператора в системе «человек - машина» является необходимость выполнения динамических операций (тестов) при высоких точностных показателях, что недостаточно учтено в прототипе.

Целью изобретения является повышение эффективности способа оценки состояния человека-оператора в системе «человек - машина» путем сокращения временных и материальных затрат при его реализации и совершенствования процедуры оценки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе оценки состояния человека-оператора в системе «человек - машина», заключающемся в предъявлении испытуемому в отдохнувшем и утомленном состояниях сигналов переменной частоты, сформированных в виде требующих решения тестов, частоту предъявления которых изменяют пропорционально частоте их решения, а количество задают одинаковым для отдохнувшего и утомленного состояний, измерении показателей реакции испытуемого на предъявленные сигналы, оценке степени утомления по относительному отклонению значений измеренных показателей, определении в каждом из состояний суммарного времени решения заданного количества тестов, количества правильно решенных тестов и среднего времени правильного решения одного теста в соответствии с выражениями Тср.у=Тсум.у/Кпр.у, Тср.о=Тсум.о/Кпр.о, где Тср.у - среднее время правильного решения одного теста в утомленном состоянии, Тср.о - среднее время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, Тсум.у - суммарное время решения заданного количества тестов в утомленном состоянии, Тсум.о - суммарное время решения заданного количества тестов в отдохнувшем состоянии, Кпр.у - количество правильно решенных тестов в утомленном состоянии, Кпр.о - количество правильно решенных тестов в отдохнувшем состоянии, дополнительно в отдохнувшем состоянии вначале проводят оценку значимых для осуществления данного вида деятельности параметров функционального состояния испытуемого оператора, абсолютные отклонения которых от нормы не должны превышать допустимых, определяют эталонное время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии в соответствии с выражением Тэо=(Тср.о₁+Тср.о₂+Тср.о₃+…+Тср.o_n)/n, где Тэо - эталонное время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, 1, 2, 3, …, n - порядковые номера проводимых опытов, n - количество проведенных опытов, а оценку состояния человека-оператора производят по относительному изменению среднего времени правильного решения одного теста в утомленном состоянии в соответствии с выражением (Тср.у-Тэо)100%/Тср.у при условии сохранения допустимых точностных показателей выполнения динамических тестов, например α≤α_доп, где α - отклонение, полученное в результате выполнения теста, α_доп - допустимое отклонение в этом же тесте.

Применение предлагаемого способа оценки состояния человека-оператора в системе «человек - машина» (по степени утомления) позволяет повысить его эффективность путем сокращения временных и материальных затрат при его реализации (введением Тэо), повышения достоверности оценки за счет учета динамики тестов, а также снизить зрительные нагрузки на испытуемого.

Реализация предложенного способа происходит следующим образом. Предварительно в отдохнувшем состоянии проводят оценку значимых для осуществления данного вида деятельности параметров функционального состояния испытуемого оператора, абсолютные отклонения которых от нормы не должны превышать допустимых, например, для операторов систем «человек - машина» целесообразно определять частоту сердечных сокращений, артериальное давление и температуру тела в состоянии покоя. После этого предъявляют испытуемому сигналы переменной частоты в отдохнувшем состоянии. Сигналы формируют в виде тестов, требующих решения, то есть представляющих именно умственную нагрузку или действия, характеризуемые временем и точностью. Целесообразно, чтобы эти тесты и нагрузки были близкими к профессиональной деятельности испытуемого. Тесты могут составляться из типовых задач, характерных для профессиональной деятельности испытуемого, что обеспечивает стабильность результатов и статистическую надежность, так как процесс испытания практически не изменяет уровень мастерства испытуемого, а также экономию времени, поскольку исключает необходимость предварительной подготовки испытуемого. Для обеспечения универсальности в тестах могут использоваться общепринятые, доступные широкой аудитории логические, математические, технические и др. выражения, не требующие глубоких или специальных знаний. Например, каждый тест может содержать определенное математическое выражение, требующее выполнения заданных действий. В простейшем случае это могут быть две или несколько цифр, которые необходимо сложить. Тесты по сложности и структуре должны быть однотипными, подобными друг другу (для обеспечения однородности), а цифры задаваться случайным образом (чтобы обеспечить независимость и последующую сравнимость результатов испытаний и испытуемых). Частота предъявления тестов (сигналов) изменяется и зависит от скорости выполнения тестов. Каждый последующий тест предъявляется испытуемому только после решения им предыдущего теста (в случае математических выражений). Математические тесты целесообразно предъявлять (руководителем) с помощью экрана видеоконтрольного устройства. Их решения, если их необходимо записывать, также размещаются (испытуемым) на экране рядом с математическим выражением. Динамические тесты, например слежение за подвижным объектом, также легко представляются на экране телевизора или ПК. При подаче тестов необходимо следить за тем, чтобы процесс их подачи не влиял на процесс их выполнения (решения): чтобы решение не замедлялось из-за преждевременного появления или отсутствия математического выражения на экране, поскольку в обоих случаях создает помехи работе испытуемого и снижает достоверность оценки.

Опыт использования способа-прототипа показывает, что в отдохнувшем состоянии у операторов-профессионалов значение показателей их реакции на предъявленные сигналы от опыта к опыту практически не изменяется. Поэтому становится возможным после проведения определенного количества опытов (n) определять осредненное значение времени правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии (эталонное время) в соответствии с выражением Тэо=(Тср.о₁+Тср.о₂+Тср.о₃+…+Тср.o_n)/n, где Тэо - эталонное время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, 1, 2, 3, …, n - порядковые номера проводимых опытов, n - количество проведенных опытов, а оценку состояния человека-оператора в дальнейшем производить по относительному изменению среднего времени правильного решения одного теста в утомленном состоянии в соответствии с выражением (Тср.у-Тэо)100%/Тср.у. Опыт показал, что для определения n достаточно проведения 2-5 опытов и в дальнейшем использовать осредненное Тэо без определения в каждом тесте Тср.о.

С целью сближения условий испытаний в отдохнувшем и утомленном состояниях количество тестов и в первом, и во втором случаях принимают одинаковым и проводят в несколько серий. Исследования показывают, что целесообразно проводить 3-5 серий, по 10 тестов в каждой из них. С целью максимального выравнивания нагрузок для всех серий и состояний, упрощения проведения испытаний и обеспечения инвариантности по отношению к профессиональным особенностям испытуемых в каждом тесте математическое выражение составляют из двузначных целых случайных чисел, в качестве действий используются суммирование и вычитание. При этом числа подбираются и расставляются таким образом, чтобы результат был также двузначным числом. Затем в прототипе определяется суммарное время решения заданного количества тестов в утомленном состоянии Тсум.у и в отдохнувшем состоянии Тсум.о, а также количество правильно решенных тестов в утомленном состоянии Кпр.у и в отдохнувшем состоянии Кпр.о. Далее определяют среднее время правильного решения в каждом из состояний. В утомленном: Тср.у=Тсум.у/Кпр.у и в отдохнувшем: Тср.о=Тсум.о/Кпр.о. Оценку степени утомления производят по относительному изменению среднего времени правильного решения в процентах в соответствии с выражением (Тср.у-Тср.о)100%/Тср.у. В дальнейшем вместо Тср.о используется Тэо. Предложенный способ может использоваться (как и прототип). По сравнению с известными он более критичен к умственной и динамической нагрузке, поскольку из оценки практически исключена составляющая зрительного аппарата. Его реализация с технической точки зрения не вызывает затруднений. Достаточно иметь видеоконтрольное устройство и датчик времени. В простейшем случае можно ограничиться классной доской, мелом и секундомером. При наличии компьютера возможности способа значительно расширяются. Оценка с использованием эталонного времен Тэо позволяет существенно сократить время на оценку, поскольку исключается необходимость определять Тср.о в каждом опыте.

В прототипе во всех случаях для его постоянной реализации измерение показателей необходимо производить и в отдохнувшем, и в утомленном состояниях. Кроме того, промежуток времени между утомленным и отдохнувшим состояниями оператора, как правило, велик (часы, этапы, смены и др.). Этот способ (как и прототип) позволяет более точно и достоверно оценивать состояние человека-оператора (по степени его утомления) и прогнозировать изменение профессиональных показателей операторов, особенно если их основной деятельностью является умственный труд. По сравнению со способом-прототипом за счет использования Тэо (вместо Тср.о), оценки и учета параметров функционального состояния оператора, а также учета точностных показателей динамики тестов предлагаемый способ позволяет повысить эффективность и достоверность его проведения, в частности, сократить время его проведения более чем на 30%, а также учесть значение точностных показателей.

Способ определения состояния человека-оператора, заключающийся в предъявлении испытуемому в отдохнувшем и утомленном состояниях сигналов переменной частоты, сформированных в виде требующих решения тестов, частоту предъявления которых изменяют пропорционально частоте их решения, а количество задают одинаковым для отдохнувшего и утомленного состояний, измерении показателей реакции испытуемого на предъявленные сигналы, оценке степени утомления по относительному отклонению значений измеренных показателей, определении в каждом из состояний суммарного времени решения заданного количества тестов, количества правильно решенных тестов и среднего времени правильного решения одного теста в соответствии с выражениями Тср.у=Тсум.у/Кпр.у, Тср.о=Тсум.о/Кпр.о, где Тср.у - среднее время правильного решения одного теста в утомленном состоянии, Тср.о - среднее время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, Тсум.у - суммарное время решения заданного количества тестов в утомленном состоянии, Тсум.о - суммарное время решения заданного количества тестов в отдохнувшем состоянии, Кпр.у - количество правильно решенных тестов в утомленном состоянии, Кпр.о - количество правильно решенных тестов в отдохнувшем состоянии, отличающийся тем, что дополнительно в отдохнувшем состоянии первоначально проводят оценку значимых для осуществления данного вида деятельности параметров функционального состояния испытуемого оператора, абсолютные отклонения которых от нормы не должны превышать допустимых, затем определяют эталонное время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии в соответствии с выражением Тэо=(Тср.о₁+Тср.о₂+Тср.о₃+…+Тср.о_n)/n, где Тэо - эталонное время правильного решения одного теста в отдохнувшем состоянии, 1, 2, 3, …, n - порядковые номера проводимых опытов, n - количество проведенных опытов, а оценку состояния человека-оператора производят по относительному изменению среднего времени правильного решения одного теста в утомленном состоянии в соответствии с выражением (Тср.у-Тэо)100%/Тср.у при условии сохранения допустимых точностных показателей выполнения динамических тестов, например α≤α_доп, где α - отклонение, полученное в результате выполнения теста, α_доп - допустимое отклонение в этом же тесте.