Акустические технологии для «Интеллектуальных» систем мониторинга функционального состояния оперативного состава управления объектами атомной энергетики Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

_ СОЦИАЛЬНО-ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ _

--ТЕРРИТОРИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ АЭС

УДК 65.013, 004.93,159.9:62

АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ» СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТИВНОГО СОСТАВА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

© 2013 г. М.В. Алюшин, В.М. Алюшин, С.В. Дворянкин, Л.В. Колобашкина

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва

Поступила в редакцию 30.06.2013 г.

Анализируются перспективы применения акустических технологий (АТ) инфразвукового и звукового диапазонов для дистанционной регистрации биопараметров человека в пассивном режиме. Рассматриваемые АТ основываются на использовании многоканальных фазированных акустических приемников, позволяющих синтезировать перестраиваемую многолепестковую диаграмму направленности для слежения за каждым из операторов рабочей смены. АТ предназначены для создания современных систем дистанционного мониторинга функционального состояния операторов управления опасными объектами атомной отрасли с целью повышения безопасности их функционирования за счет минимизации влияния так называемого «человеческого фактора».

Ключевые слова: акустические технологии, функциональное состояние, текущий контроль, фазированные акустические приемники, шумоподавление.

В настоящее время акустические технологии достаточно активно используются для решении широкого спектра задач, предполагающих получение и обработку биометрической информации о человеке, например, таких, как идентификация и верификация личности [1], оценка эмоционального состояния человека по голосу [2], медицинская диагностика на основе новых методов акустического анализа дыхательных звуков[3]. Несомненным достоинствам АТ является возможность регистрации биопараметров человека дистанционно и без использования каких-либо контактных датчиков.

Последние разработки в области создания надежных систем акустической идентификации и верификации личности предполагают применение комплексных методов регистрациибиометрической информации. Это позволяет использовать в качестве акустических параметров, например, уникальные амплитудно-частотные характеристики тела человека, которые вычисляются как отношение спектральной плотности мощности акустических сигналов для выделенных областей регистрации на теле человека к спектральной плотности мощности речевого сигнала [4].

Эффективность применения АТ для решения перечисленных выше задач в значительной мере определяется внешними акустическими условиями эксплуатации разработанных на их основе систем. Так, большинство из применяемых на практике систем оценки эмоционального состояния человека по голосу ориентированы, как правило, либо на использование достаточно качественного телефонного (селекторного) канала передачи речевой информации [5], либо на лабораторные условия регистрации речи [6].

Проведенные в НИЯУ МИФИ исследования влияния уровня шумов на

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014

достоверность работы голосового детектора стресса [7] позволили выявить допустимые уровни шума, при которых удается диагностировать различные степени стресса у человека. Так, для предельного случая 100% амплитудной модуляции основного тона говорящего сигналом микротремора правильная диагностика стресса достигается при уровне акустических шумов на выходе микрофона не более 0.3-0.4 мВ и при отношении сигнал/шум - не менее чем 9-10дБ. При меньшем уровне стресса для его достоверного определения необходимо обрабатывать более «чистый» речевой сигнал с отношением сигнал/шум более 20-30дБ.

Наиболее актуальной является задача диагностики стресса по голосу у оперативного состава управления, работающих, как правило, в условиях сильных шумовых помех, которые можно классифицировать в следующие основные группы:

- стационарные акустические помехи от постоянно работающего оборудования, щитов управления, освещения;

- кратковременные импульсные помехи от периодически, либо произвольного срабатывания различных служебных систем, например, звуки сирены и т.д.;

- голосовые помехи от других разговаривающих людей.

Применимость АТ для определения текущего состояния оператора управления в атомной отрасли обусловлена тем, что по существующему регламенту оператор управления должен повторять каждую отданную ему начальником смены команду.

Для повышения эффективности применения АТ при решении задачи диагностики стресса и текущего функционального состояния оперативного состава управления в условиях сильных шумовых помех предлагается подход, основывающийся на применении методов направленного приема акустической информации, методов слежения и сопровождения (трекинга) за перемещающимися источниками речи, а также методов шумоподавления и шумоочистки.

Направленный прием акустической информации достигается за счет применения многоканальных одномерных Ш, либо двухмерных 2Б микрофонных фазированных решеток (ФР) [8], позволяющих сформировать требуемую диаграмму направленности (ДН) для улучшения отношения сигнал/шум в принимаемом акустическом сигнале. На рисунке 1 показано возможное расположение приемной ФР в щите управления АЭС (резервные приборные посадочные места).

1-6 - места расположения компонентов акустической ФР Рис. 1. Вариант размещения приемной микрофонной ФР на щите управления

На рисунке 2 показана типичная синтезируемая ДН приемной части акустической системы Я(Х) в полярных координатах (X - угол, задающий направление приема ФР), предназначенной для одновременной регистрации биопараметров четырех работников смены, имеющих фиксированное положение в зале управления. На приведенной ДН видны четыре основных лепестка (1-4), направление которых определяется положением операторов в зале управления, а также паразитные лепестки (5-6), обусловленные, в первую очередь, дискретностью расположения компонентов ФР в зале.

90

1-4 - основные лепестки ДН; 5-6 - паразитные лепестки ДН Рис. 2. Синтезируемая многолепестковая ДН для улучшения качества приема речи

На рисунке 3 показана дополнительно синтезируемая ДН для реализации режима слежения и сопровождения за перемещением оперативного состава.

90

X

1,2 - дополнительные лепестки ДН Рис. 3. Многолепестковая ДН для определения направления перемещения оперативного состава

Дополнительные лепестки (1-2, рис. 2) ДН предназначены для определения направления перемещения каждого из операторов рабочей смены, что позволяет корректировать направление основных лепестков (1-4, рис. 3) в реальном масштабе времени.

Реализация методов адаптивной фильтрации и шумоподавления [9] дают возможность с высокой достоверностью определить биопараметры человека, например, такие, как: параметры работы сердечно-сосудистой системы (частота пульса, равномерность пульса); параметры дыхания (частота дыхания, глубина дыхания, равномерность дыхания, соотношение верхнее/нижнее дыхание); параметры состояния периферической нервной системы (уровень микротремора в голосе).

Анализ речевой информации дает возможность не только диагностировать уровень стресса каждого работника смены (в первую очередь, на основе регистрации уровня микротремора в голосе говорящего), но также позволяет определить тип и характер межличностных отношений в коллективе, что имеет огромное значение с точки зрения обеспечения рабочей атмосферы. Для решения такого типа задач определяются дополнительные параметры, характеризующие прерывистость речи, временное распределение амплитуд, частоту и длительность пауз, частоту заиканий и т.д. для каждой разговаривающей пары операторов, операторов и руководящего состава. В таблице 1 показаны возможности АТ по определению текущего психоэмоционального состояния для каждого из:

- к операторов рабочей смены (характеристики 01, г=1,2,3,...,к);

- т членов руководящего состава (ЧРС) (характеристики ]=1,2,3,...,т), а также по оценке уровня межличностных отношений, возникающих между:

- операторами рабочей смены (характеристики 0у,г=1,2,3,...,к;]=1,2,3,...,к; ¡Фу);

- ЧРС (%1=1,2,3,...,т;j=1,2,3,...,m; 1ф]);

- операторами и ЧРС (характеристики Яу,1=1,2,3,...,к;]=1,2,3,...,т);

- ЧРС и операторами (характеристики Жу,1=1,2,3,...,т;]=1,2,3,...,к).

Таблица 1. Определение персональных и межличностных характеристик

Категории Операторы рабочей смены ЧРС

сотрудников 1 2 3 K 1 2 3 m

1 Gi G12 G13 G1k R11 R12 R13 R1m

Операторы 2 G21 G2 G23 G2k - R22 R23 R2m

рабочей 3 G31 G32 G3 G3k - - R33 R3m

смены . . . . . . . . . . . . . . . • • • • • • • • • • • •

k Gki Gk2 Gk3 Gk - - - Rkm

1 W11 W12 W13 W1k S1 S12 S13 S1m

2 - W22 W23 W2k S21 S2 S23 S2m

ЧРС 3 - - W33 W3k S31 S32 S3 S3m

. . . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

m - - - W^mk Sm1 S2m S3m Sm

Приведенные в таблице 1 безразмерные нормированные характеристики Gi и Sj определяются следующим образом:

Gi = IAÜ ( (Pi - Pea) / Pan), Sj = ( (Qjl - Qcji) / Qo¡i), (1)

ii

где Рц ,Qji - i-ые биопараметры, определяемые с помощью АТ, соответственно для i-го оператора рабочей смены и j-го ЧРС;

Рои , Qoji - l-ые биопараметры, взятые из базы персональных данных

соответственно для i-го оператора рабочей смены и для j-го ЧРС (для их нормального спокойного состояния);

Ац , Вц - значимость соответственно параметров Рц и Qji для определения характеристикС/и»Уу, взятая из базы персональных данных.

Аналогичным образом могут быть определены и характеристики межличностных отношений в коллективе:

Gjj = lAj ( (Pji - P0lji) / Poji), Sij = TBji ( (Qji - Qoj) / Q0lJi), (2)

ii

где Piji ,Qiji - i-ые биопараметры, определяемые с помощью АТ и характеризующие соответственно уровень эмоционального напряжения соответственно при ведении голосового диалога i-го оператора с j-ым оператором рабочей смены и i-го ЧРС с j-ым ЧРС;

P0iji, Qoiji - i-ые биопараметры, взятые из базы персональных данных и характеризующие соответственно уровень эмоционального напряжения при ведении диалога i-ый оператор -J-ый оператор и i-ый ЧРС -j-ый ЧРС (при ведении диалога в нормальном и спокойном состоянии);

Ay , By - значимость соответственно параметров Py и Qy для определения характеристи^г/№% взятая из базы персональных данных;

Rj = ЪСу ( (Tyi - Toij) / Toji), Wj = IDy ( (Yj - Yoy) / Yoy), (3)

ii

где Tiji ,Yy - i-ые биопараметры, определяемые с помощью АТ, соответственно при ведении голосового диалога i-ым оператором с J-ым ЧРС и i-ым ЧРС с J-ым оператором;

T0y , Yooiji - i-ые биопараметры, взятые из базы персональных данных и характеризующих эмоциональную окраску диалога соответственно i-го оператора с J-ым ЧРС и i-го оператора с J-ым ЧРС (при ведении диалога в нормальном и спокойном состоянии);

Ciji , Dy - значимость соответственно параметров Piji и Qy для определения характеристи^г/иУу, взятая из базы персональных данных.

Таким образом, детальный анализ голосовой информации дает возможность не только определить характеристики текущего психоэмоционального состояния каждого оператора и ЧРС (1), но также выделить его зависимость от межличностных отношений с другими членами коллектива (рабочей смены) (2,3). Так, текущее психоэмоциональное и функциональное состояние i-го оператора G/зависит как от его собственных эмоций, обусловленных трудностью решаемых в данный момент производственных задач, так и от характера его межличностных отношений с другими работниками:

G i = ЪОу + Ша + Go. (4)

ji

Например, высокий уровень эмоционального напряжения оператора при устранении сбоя (4) может быть обусловлен не плохим уровнем профессиональной

подготовки, а, например, хамским отношением к нему руководителя смены.

Это дает возможность не только определять уровень подготовки к действиям в экстремальных ситуациях, но также делать выводы о возможности слаженной работы в коллективе в критических ситуациях, что также имеет огромное значение для безопасности функционирования ядерных объектов. Для объективной оценки возможностей /-го оператора по действиям в критических ситуациях с данной рабочей сменой предлагается ввести следующие нормированные показатели, характеризующие эффективное значение профессиональной подготовки - Fi., уровень конфликтности с операторами рабочей смены - ^¿иуровень конфликтности с руководством - Zi.

k m

Fi = Glf/ (LG/j + + GM), (5)

j=i i=i

k k m

Xi = (LGj)/ (LGj + LRa + Gif), (6)

j=i j=i i=i

m k m

Zi = (LR/ )/ (LGij + LR;/ + Gf ). (7)

i=ij=i /=i

Для сокращения сроков разработки систем мониторинга текущего психоэмоционального и функционального состояния оперативного состава управления в НИЯУ МИФИ разработан комплект специализированных многоканальных аппаратно-программных модулей, позволяющих осуществить интеллектуальную обработку сильно зашумленных акустических сигналов, что необходимо для достоверного расчета характеристик (1) и (5-7) при наличии множественных источников помех большой мощности. На рисунке 4 показан внешний вид разработанных многоканальных модулей в стандарте Евромеханика 3и, выполненных с использованием современной высокопроизводительной элементной базы - ПЛИС ХШпхУ1ПехХСУ300Б, ХС2У250 и сигнальных процессоров типа ЛОБР 21062Ь.

а б

а - 8/16 канальный модуль формирования ДН, б - модуль цифровой обработки сигналов ФР

Рис. 4. Разработанные модули в стандарте Евромеханика 3и.

Разработанные модули предназначены для регистрации акустических сигналов и определения биопараметров человека в двух частотных диапазонах - инфразвуковом (0,01Гц - 25Гц) и звуковом (300Гц - 6кГц).

Биопараметры, использующиеся для определения значений характеристик (1-7) вычисляются на основе анализа сонограммы голоса оператора, либо ЧРС в реальном масштабе времени. Пример фрагментов сонограмм с отображением зарегистрированного уровня микротремора (Б) голоса приведен на рисунке 5 (использованы реальные записи разговоров операторов в учебно-тренировочном зале АЭС).

Б, кГц

3

2 1

Б, кГц

3 2 1

Б, кГц

3 2 1

Б, кГц

3 2 1

Б, кГц

3

2 1

Б, %

0 0.25 0.5 1.0 1.25 1.5

а)

1.75 Т, с

%

0 0.25 0.5 1.0 1.25 1.5

б)

1.75 Т, с

%

0 0.25 0.5 1.0 1.25 1.5

в)

1.75 Т, с

%

0 0.25 0.5 1.0 1.25 1.5

г)

1.75 Т, с

Б, %

75 50 25

0.25 0.5 1.0 1.25

д)

1.5

1.75

Т, с

а - уровень микротремора в голосе оператора 10% от возможного; б, в, г, д - уровень микротремора составляет соответственно 15%, 20%, 23% и 25%.

Рис. 5. Различные уровни эмоционального напряжения оператора

0

ВЫВОДЫ

Таким образом, разработанные в НИЯУ МИФИ методические и программно-аппаратные средства на основе АТ дают возможность создавать широкий спектр современных интеллектуальных систем для регистрации биопараметров человека с целью мониторинга его текущего функционального и психоэмоционального состояния.

Представленные средства являются перспективными, так как позволяют осуществить неконтактную дистанционную регистрацию значимых биопараметров операторов управления ядерными объектами в пассивном режиме, не оказывая никакого воздействия на оператора. Возможно их применение в скрытом режиме. Использование созданных средств совместно с оптическими технологиями позволяет повысить надежность регистрации основных биопараметров операторов управления.

Разработанные средства являются инструментом для объективного решения проблемы психологической совместимости в коллективе.

Проведенные лабораторные и натурные испытания основных функциональных узлов акустической системы мониторинга подтвердили высокую надежность ее функционирования даже при высоком уровне акустических помех.

Разработанные средства позволяют повысить безопасность функционирования опасных объектов атомной отрасли за счет минимизации влияния, так называемого, «человеческого фактора».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голубинский, А.Н. и др.К вопросу о параметризации результатов акустического зондирования тела человека при реализации контактно-разностного метода аудиоидентификации [Текст] / А.Н. Голубинский, С.В. Дворянкин // Спецтехника и связь. - 2011. - №2. - С. 38.

2. Лукьяница, А.А. и др. Автоматическое определение изменений эмоционального состояния по речевому сигналу [Текст] / А.А. Лукьяница, А.Г. Шишкин // Речевые технологии. - 2009. -№3. - С. 60.

3. Абросимов, В.Н. и др. Новые методы акустического анализа дыхательных звуков [Текст] / В.Н. Абросимов, В.Г. Подолян, С.И. Глотов // 13-й Национальный конгресс по болезням органов дыхания. - СПб., 2003. - С. 2.

4. Пат. 2451346 РФ МКИ G10L 15/00. Способ контактно-разностной акустической идентификации личности [Текст].

5. Отечественные и зарубежные полиграфы [Электронный ресурс] // Российская энциклопедия полиграфа: сетевой журн. - 2013. - Режим доступа: URL: http://www.psy-expert.com -25.06.2013.

6. Голосовой детектор лжи Ex-Sense-PRO-R [Электронный ресурс] // Официальный сайт ООО «Ареопаг-центр». - 2013. - Режим доступа: URL: http://www.areopagcentr.ru - 25.06.2013.

7. Алюшин, М.В. и др. Анализ работы голосового детектора стресса в акустических шумах [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина // Естественные и технические науки. -2010. - №1. - С. 283.

8. Пат. 2369042 РФ МКИ H04R 3/00. Система и способ для формирования луча с использованием микрофонной решетки [Текст].

9. Грант, П.М. и др. Адаптивные фильтры [Текст] / П.М. Грант, К.Ф.Н. Коуэн. - М. : Мир, 1988. -392 с.

Acoustic technologies for "intellectual" monitoring systems of atomic energetic objects' operational control staff current functional state

M.V. Alyushin, V.M. Alyushin, S.V. Dvoriankin, L.V. Kolobashkina

National Research Nuclear University «MEPhI», Kashirskoye shosse 31, Moscow, Russia 115409

e-mail: [email protected]

Abstract - The application perspectives of the sound and infra sound bands acoustic technologies for human being bio parameters distant registration in the passive mode are analyzed. The acoustic technologies under consideration are based on the usage of the multichannel phased acoustic receivers. Such receivers permit the multi directivity diagram synthesis for each person tracking capabilities realization. The presented acoustic technologies are intended for the contemporary systems for the distant staff functional state registration development. The main aim - is the improvement of the dangerous atomic objects secure functioning due to the minimization of the so-called "human factor" influence.

Keywords: acoustic technologies, functional state, current monitoring, phased acoustic receivers, noise reduction.