Построение системы контроля бодрствования

Проблема человеческого фактора в связи с безопасностью движения всех видов транспорта является настолько жизненно важной, что не требует специальной дисскусии. Для правильного подхода к решению этой задачи необходимо разработать концепцию безопасности движения автомобильного транспорта, связанную с человеческим фактором. Результатом этой концепции должны быть мероприятия, которые приведут к снижению числа аварий.

Холдинг наших компаний более 20 лет участвует как в теоретической разработке такой концепции в части надежности работы водителей транспортных средств, так и в практической реализации разработанных мероприятий. Концепция эта, безусловно, является многофакторной "задачей". Но одна из самых главных задач, сформулированных в концепции, - повышение надежности работы водителя. В концепции принято, что надежность (безопасность) работы водителя обусловлена тремя основными факторами:

Мероприятия по третьему пункту содержат следующие основные элементы:

Каждая из последних трех задач важна, но главная из них все же третья. Поскольку, отобрав идеального с точки зрения психофизиологических параметров водителя, убедившись в его великолепном состоянии перед рейсом, мы тем не менее не можем, например, гарантировать, что при длительной монотонной работе, он все же не заснет.

Над задачей аппаратного поддержания работоспособного состояния у человека, выполняющего важную работу, ученые и инженеры в России работают уже более 25 лет. Чрезвычайно важно, что мы поняли необходимость рассматривать систему "человек - прибор поддержания работоспособности" в неразрывной целостности. Нами были сформированы требования к построению таких систем.

Первым шагом, при построении системы является описание опасных состояний человека во время выполнения данной работы. Очевидно, что таких состояний может быть много, и при создании системы разработчик выбирает наиболее актуальные для заданных условий. Например, для пилота в бою важно определить момент потери сознания или смерти, для пилота или машиниста поезда, следящих за работой систем автоматического управления, можно ограничиться определением момента засыпания, а для водителя в дальней дороге при монотонной работе гораздо важнее определить наступление состояния глубокой релаксации или другими словами низкого уровня бодрствования, который предшествует сну. Для нас сегодня наиболее интересен последний случай, и рассмотрение мы будем проводить для водителя автомобиля, хотя нами используется аналогичный подход и для других операторских профессий.

На втором шаге задается эффективность применения системы. Т.е. во сколько раз вероятность аварии при применении системы поддержания бодрствования водителя за заданный промежуток времени, например за восемь часов работы, будет меньше чем исходное значение этой вероятности (без применения нашей системы). Последнее можно получить из анализа аварийности в данной стране, для водителей определенной квалификации и для заданных условий их работы. Хотя конечно существуют и средние величины. Более подробно об этом можно прочитать на нашем сайте.

Мы разделили все возможные варианты систем "человек - прибор поддержания бодрствования" на две принципиально разные группы:

1. Системы с инициализацией. В этом случае через определенные промежутки времени, желательно неравные, проводиться тестирование, при котором происходит принудительное восстановление работоспособности человека. После каждой инициализации бодрствование восстанавливается до какого-то уровня, который ниже, чем исходный. Вероятность потери работоспособности после инициализации опять начинает нарастать. И этот рост надо прерывать, останавливая его на заданном уровне вероятности. К примеру, на железных дорогах ряда стран используется "кнопка бдительности". Каждые 40..90 секунд звучит звуковой сигнал и машинист должен немедленно нажать на эту кнопку. Время между тестированиями до сих пор выбиралось опытным путем. Мы же умеем его рассчитывать, исходя из заданной вероятности аварии и уровня восстановления бодрствования.

2. Системы мониторинга, которые только измеряют текущее функциональное состояние, и по достижении опасного уровня включают необходимые процедуры. В этом случае вероятность потери работоспособности определяется заранее для каждого диагностического показателя, по которому осуществляется мониторинг.

Можно было бы рассматривать еще одну группу: системы мониторинга по результатам труда. Например, слежение за траекторией автомобиля. Но эти системы, в действительности, могут быть сведены либо к первому, либо ко второму типу.

При использовании систем первого типа можно теоретически достичь любого сколь угодно высокого уровня бодрствования водителя, но из-за постоянного отвлечения на тестирование вероятность аварии может даже возрасти. Кроме этого водителя частые проверки очень быстро приведут в состояние раздражения. Для систем второго типа существует очень мало верифицированных показателей. Нам известно только два: электродермальная активность и формы фонем в слове "понял", которое используется в диалоге военных.

Из-за недостатков, которые присущи обеим группам, мы пошли по пути разработки комбинированных систем. Т.е. мы считаем, что наиболее эффективными являются системы мониторинга с инициализацией или системы с инициализацией и мониторингом между тестированиями. В этом случае необходим выбор тестов водителя и составление реестра показателей для мониторинга.

Но в любом случае, какую бы вероятность мы не задавали, система, контролирующая водителя, будет беспокоить его проверками. Это расплата за то, что мы даем гарантированную вероятность того, что декларируемое неблагоприятное состояние не наступит. Т.е. в случае сомнения в благоприятном состоянии водителя система "человек - прибор" инициализируется.

Итак, третий шаг при разработке системы - это принятие "надежного теста". В рассматриваемом нами случае уровень бодрствования считается достаточным, если водитель правильно прошел тест. Таким тестом может быть нажатие на "кнопку бдительности" (достоверность p = 10^-7) или ответ на вопрос о показаниях каких-либо приборов автомобиля (вероятность p = 10^-6..10^-10) и т.п. При этом очень важно знать, как меняется со временем вероятность наступления опасного состояния после успешно пройденного теста, какова достоверность самого теста в момент его проведения и каков уровень восстановления бодрствования?

Пусть, в начальный момент времени оператор был надежно инициализирован, т.е. приведен в заведомо хорошее состояние. Тогда вероятность засыпания в условиях монотонной, но важной, работы зависит от времени так, как это изображено на графике.

График a - машинист, b - водитель профессионал. Эти зависимости лежит в основе расчета систем поддержания бодрствования. Как можно видеть вероятности чрезвычайно сильно зависят от режима работы водителя. Эти кривые получены в результате анализа работы машинистов почти за 60 лет, водителей - за 40 лет, а также наших лабораторных экспериментов на приблизительно 10 тысячах испытуемых за 20 лет. Надежные статистические данные по машинистам и водителям существуют только в ведомствах с высокой дисциплиной. И были доступны очень недолго во время перестройки в России. Понятно, что значения меньшие 10^-5 - результат аппроксимации, но даже 10^-4 требует минимум 10 тысяч испытаний с человеком. Для водителей непрофессионалов, которые отправляются в многочасовой путь, график будет лежать между двумя кривыми, изображенными на рисунке, но для его построения еще нужно набрать достаточно данных.

Уровень восстановления водителя при инициализации определяется теми мероприятиями, которые его возбуждают. Например, при тестировании он должен поднять руку (вероятность невосстановления нормального состояния p ~ 10^-2...10^-7), плюс к этому изменить положение тела (p ~ 10^-3...10^-7), дополнительно получить брызги воды в лицо (по-видимому, p ~ 10^-4...10^-8) и т.п.

Четвертый шаг это выбор диагностических показателей, которые могут отменить очередное тестирование. Для этого нужно иметь реестр показателей, по которым можно определить, что данное опасное состояние не наступило. Т.е. инициализация водителя может быть отодвинута до наступления такого состояния. Но надо знать надежность этого показателя.

Вероятность ошибки (p) в определении засыпания по выбранному показателю должна быть в любой момент времени меньше чем та, которая задана для системы в целом, и в частности вероятности наступления опасного состояния после успешно пройденного теста. Сегодня нам известен ряд физиологических параметров, которые могут служить диагностическими показателями: особенности речевых фонем (p=10^-5), определенные особенности электродермальной активности (p=10^-7), движения век, изменения сердечной деятельности, электрическая активность мозга и т.п.

Реестр таких показателей составлен, и время от времени в него добавляются новые параметры. Однако главная проблема состоит не в описании всех этих показателей, а в их верификации. Необходимо проведение испытаний на сотнях и тысячах испытуемых, чтобы достоверно определить вероятности ошибок при использовании того или иного параметра. И только после этого, показатель может быть введен в систему предотвращения определенного состояния с заданной величиной вероятности опасного отказа.

Достоверность работы созданной системы будет определяться самым слабым звеном - тем показателем, тестом или уровнем восстановления, вероятность ошибки при использовании которого наибольшая.

Например, холдинг наших компаний разработал прибор для предотвращения засыпания водителя, в основе которого лежит тест нажатия на кнопку в ответ на звуковой сигнал. Вероятность для системы допустить сон водителя с таким тестом, производимым каждые сорок секунд, - 10^-7. Из известного нам реестра было выбрано определенное электромагнитное событие на коже водителя, при использовании которого вероятность ошибки определения глубокой релаксации около 10^-7. Но нам понадобилось более 10 тысяч многочасовых экспериментов, чтобы достоверно получить это число. К сожалению, такое электромагнитное событие у нормально бодрствующего водителя возникает не всегда. И в среднем 5 раз в час водители подвергаются проверке. Некоторые даже чаще. Для того чтобы уменьшить количество проверок, мы ввели анализ рациональных действий: поворот и торможение. Эти показатели фактически являются проверками на наличие состояния засыпания. Но на сегодняшний день количество испытаний, которые мы провели, позволяет нам утверждать, что вероятность ошибки тестирования и инициализации при использовании этих параметров не хуже, чем 10^-4. И мы вынуждены давать вероятность опасного отказа для системы в целом около 10^-4 в час. Однако мы полагаем, что достоверность теста лучше, но у нас нет тех необходимых десятков тысяч испытаний, которые еще только будут проведены.

Таким образом, сегодня мы можем составить проект системы для мониторинга водителя с целью уменьшения количества аварий, связанных с определенными неблагоприятными состояниями водителя. Для этого мы задаем вероятность того, что водитель окажется в недопустимом состоянии, выбираем "надежный тест" соответствующий этой вероятности для таких состояний, уровень восстановления во время инициализации тестом и отбираем дополнительные показатели из реестра, которые могут в соответствии с их достоверностью отменить тест. После этого задача становиться чисто инженерно-конструкторской.

К примеру, мы хотим, чтобы количество аварий по причине потери бодрствования водителя (глубокая релаксация, сон) уменьшилось в 10 раз. Сегодня по этой причине в России гибнет приблизительно 8 тысяч человек в год, а будет - 800. Вероятность в течение часа автомобилю попасть в аварию по причине потери бодрствования - 4x10^-6. Эта величина должна стать 4x10^-7. По нашей кривой (график, b) выбираем среднюю частоту проведения теста - один раз в 90 секунд. Для определения не только сна, но и глубокой релаксации запросы на нажатие кнопки должны быть апериодическими, периодические не очень подходят из-за привыкания. Вспомним автоматизм нажатия кнопки будильника. Далее из реестра выбираем электродермальную активность, которая позволяет при ее достоверности 10^-7 служить признаком нормального состояния водителя. Других показателей с такой же достоверностью мы пока не имеем. В результате получится прибор, который довольно часто будет беспокоить водителя проверками, но если им оборудовать все автомобили России, он спасет 7200 жизней ежегодно.

В настоящее время холдинг наших компаний выпускает систему контроля бодрствования водителя транспортного средства, перевозящего пассажиров либо опасный груз.

Эта система помогает водителю поддерживать необходимый ему уровень работоспособности. В систему заложена функция самотестирования аппаратных средств. Система содержит индикатор бодрствования, который располагается в зоне бокового зрения водителя. Человек в любой момент времени может проконтролировать собственное состояние.

Мы поставляем различным потребителям автоматизированный комплекс для отбора водителей, в который включены 12 психо-физиологических методик, главными из которых являются тесты: готовности к экстренному действию, переключения внимания, стрессоустойчивости и монотоноустойчивости.

Мы производим прибор для оценки готовности водителя к управлению автомобилем. В течение 5-ти минут по 7-ми физиологическим методикам производиться экспресс обследование человека, после чего ему дается одна из трех рекомендаций: "к управлению автомобилем готов", "необходим дополнительный отдых", "необходимо обратиться к врачу".