CC BY
85
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ НЕГАТИВНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ РАБОТНИКОВ ПРОИЗВОДСТВА
Варнавский Александр Николаевич,
к.т.н., Рязанский государственный радиотехнический университет, Россия, г. Рязань, varnavsky_alex@rambler.ru
Ключевые слова: функциональное состояние, негативное состояние, монотония, стресс, кожно-гальваническая реакция, окно анализа, тоническая составляющая, фазическая составляющая, автоматизированная система, гимнастика для глаз, производственная гимнастика.
Рассмотрена задача контроля состояния работника на основе анализа его кожно-гальваниче-ской реакции и предотвращения появления негативных функциональных состояний по результатам такого анализа. Алгоритм анализа кожно-гальванической реакции основан на использовании окна анализа для выделения тонической и фазической составляющих сигнала, на основе динамики которых в течение рабочего дня принимается решение об изменении психоэмоционального состояния и появлении таких негативных состояний как стресс и монотония. Выбраны мероприятия по восстановлению работоспособности работника, борьбы с монотонией и стрессом в зависимости от динамики составляющих кожно-гальванической реакции в течение рабочего дня.
Представлен вариант реализации исследовательской автоматизированной системы в среде визуального программирования LabVIEW на основе разработанных алгоритмов. Предложено запускать режим восстановления работоспособности работника, если какая-либо составляющая сигнала кожно-гальванической реакции выходит за пороговые уровни более одной минуты, причем вариант такого режима восстановления зависит от того, за какой пороговый уровень, и какая составляющая выходит. Выход составляющих за верхние пороговые уровни запускает режим борьбы со стрессом - релаксацию, а выход за нижние - режим борьбы с мо-нотонией и восстановления работоспособности некоторых систем организма работника. В режиме борьбы со стрессом осуществляется аудиовизуальное воздействие на работника специальными звуковыми и световыми сигналами, позволяющими уменьшить психоэмоциональное напряжение. В режиме борьбы с монотонией система в зависимости от динамики сигнала кожно-гальванической реакции запускает одну из нескольких программ восстановления: пассивное восстановление (отдых) работника, гимнастику для глаз или производственную гимнастику. Пассивное восстановление предложено запускать, если утомление наступило быстро и планируемая длительность восстановления мала. Гимнастику для глаз, направленную на восстановление зрительной активности, снятия перенапряжения и усталости, предложено запускать при работе за компьютером через каждые 40 мин. Производственную гимнастику, направленную на восстановление работоспособности, повышение тонуса мышечной системы и борьбы с монотонией за счет активации различных групп мышц, предложено запускать в случае если утомление развивалось долго.
Для цитирования:
Варнавский А.Н. Автоматизированная система для устранения негативных функциональных состояний работников производства // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. Том. 9. - №3. - С. 71-75.
For citation:
Varnavsky A.N. Automated system to eliminate negative functional states of manufacturing workers. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.3. Рр. 71-75. (in Russian).
У
Введение
Эффективность производственной деятельности работника производства зависит от его функционального состояния. В общем случае, функциональное состояние определяется как физиологическое состояние организма и его систем, отражает уровень функционирования организма в целом или отдельных его систем, а также определяет выполнение функции адаптации к данным условиям существования [I].
Оптимальные функциональные состояния работника способствуют высокой производительности труда и качественному результату деятельности. При воздействии негативных факторов или нерациональном режиме труда происходит изменение функционального состояния и его переход в негативное, например, стресс, монотония. Появление таких состояний приводит к ухудшению здоровья, уменьшению эффективности трудовой деятельности и снижению качества результата труда. Известно, что ухудшение состояния здоровья работников влечет за собой серьезные экономические потери: рост страховых выплат по болезни; прямые медицинские затраты, расходы на обучение работников взамен выбывших из-за несчастных случаев, травматизма, снижение производительности труда. Например, величина этих затрат в США превышает 150 млрд. долл. в год [2].
В России ежегодный экономический ущерб в связи травматизмом на производстве и профессиональной заболеваемостью составляет около 407,8 млрд. руб. {1,9% ВВП). На данный момент смертность трудоспособного населения России превышает аналогичный показатель по Евросоюзу в 4,5 раза и по прогнозам может составить в ближайшее десятилетие более 10 млн. человек. От 20 до 40% трудопотерь обусловлено заболеваниями, прямо или косвенно связанными с неудовлетворительными условиями труда, более 20% среди всех впервые признанных инвалидами составляют лица в возрасте 45-50 лет.
Для примера можно привести металлургическую отрасль, обеспечивающую 18,5% общего объёма промышленного производства в стране, и, следовательно, имеющую важнейшее социально-экономическое значение. В данной отрасли занято более миллиона трудящихся. По данным Госкомстата 30,4% металлургов подвергаются воздействию комплекса вредных и опасных производственных факторов. При этом, несмотря на существенную модернизацию производства и уменьшению доли ручного труда, ряд операций, по-прежнему, требует непосредственного контроля и участия человека. В среднем более чем у 80% работников основных профессий металлургического производства заболеваемость с временной утратой трудоспособности связана с влиянием факторов производственной среды.
Поэтому актуальной является задача контроля состояния работника, предотвращения появления негативных функциональных состояний и устранения уже возникших, борьба с возникновением производственно-обусловленной заболеваемости, профессиональных заболеваний.
В настоящий момент существуют технические предложения по снижению влияния человеческого фактора оператора на результаты работы производства. Однако вопросы здоровьесбережения работников предприятий и борьбы с негативными последствиями работы решается
проведением узкого круга организационно-технических мероприятий или не решаются совсем.
Целью работы является разработка автоматизированной системы для поддержки процесса устранения негативных функциональных состояний работников производства. Процесс устранения таких состояний должен включать в себя динамический контроль состояния работника в течение рабочего дня и управление мероприятиями по восстановлению работоспособности и устранению возникших нежелательных функциональных состояний.
Оценка функционального состояния работника
Контроль состояния работника может быть основан на анализе его биоэлектрических сигналов. В качестве такого сигнала можно использовать кожно-гальваническую реакцию (КГР) или электрокожное сопротивление, анализ которого позволит оценить изменение психоэмоционального состояния [3], что особенно актуально, например, для работников умственного труда, работающих за компьютером.
Сигнал кожно-гальванической реакции состоит из двух составляющих: тонической и фазической (рис. I). Тоническая - низкочастотная составляющая характеризует психофизиологическое состояние человека-работника. Соответственно, чем меньше сопротивление кожи, тем выше активность нервной системы, уменьшение сопротивления кожи свидетельствует о его утомлении. Фазическая - высокочастотная составляющая характеризует колебания сигнала под действием эмоционально значимых факторов. Соответственно, большое число колебаний сигнала в единицу времени может свидетельствовать о негативном воздействии на работника текущих психоэмоциональных факторов. Использование совокупности тонической и фазической составляющих позволяет сделать вывод о текущем функциональном состоянии работника.
Рис. I, Пример изменения электрокожного сопротивления во времени
Разработан следующий алгоритм анализа кожно-гальванической реакции и определения уровня психоэмоциональной напряженности работника-оператора [4]. Задаются значения и переменные для расчета: 1МТ - ширина окна сглаживания, мс, Д1 - период дискретизации, п - размер выборки, хь - текущее значение электрокожного сопротивления, к - номер отсчета, хсь - значение постоянной составляющей на к-м шаге, ук - моменты электродермаль-ной активности, Ду - заданный порог для электродермаль-ной активности, гп - величина зоны нечувствительности, N1 - счетчик числа скачков, I - количество скачков в единицу времени, ш1, т2 - пороговые уровни недопустимо малого или чрезмерно высокого возбуждения, гк - сигнал тревоги.
Т-Сотт Том 9. #3-2015
У
1. Непрерывное измерение электрокожного сопротивления хь на каждом шаге к.
2. Первичная обработка регистрируемой зависимости электрокожного сопротивления от времени. Здесь выполняется вычисление постоянной составляющей (уровня) хск зависимости сопротивления от времени. Расчет постоянной составляющей осуществляется путем усреднения выборки из массива значений электрокожного сопротивления. Размер выборки п определяется в результате деления значения ЫТ на период дискретизации по времени Д К первичной обработке относятся действия по формированию массива значений электрокожного сопротивления и массива постоянного уровня электрокожного сопротивления. Массивы задаются фиксированного размера. По мере получения новых значений сопротивлений проводится обновление содержимого массивов. Массивы в дальнейшем отображаются в графическом виде.
3. Выделение моментов электродермальной активности (фазической составляющей). Используя массивы значений электрокожного сопротивления и постоянного уровня электрокожного сопротивления, определяются моменты электродермальной активности ук, Электродермальной активностью с физиологической точки зрения является скачок сопротивления участка тела, расположенного между электродами. Факт наличия скачка определяют по величине разности текущего значения сопротивления хь и текущего значения уровня хск. В случае превышения разностью заданного порога Ду условной величине «Активность» присваивается значение «истина», в противном случае «ложь». Таким образом, при появлении скачка сопротивления формируется импульс, длительность которого зависит от скорости восстановления исходного значения сопротивления. Для исключения дребезга вводится зона нечувствительности Здесь же формируется массив «Моментов появления активности». Значение этого массива логических элементов будет «истина» в момент смены нулевого значения единичным массива «Активность». Заключительным действием является обновление массива «Активности» и массива «Моментов появления активности».
4. Анализ текущего уровня возбужденности работника-оператора, Предлагается текущий уровень возбуждения работника-оператора определять как количество скачков I. сопротивления в заданный интервал времени. Для расчета следует вычислить усредненное за время наблюдения количество значений «истина» массива «Моментов появления активности». Анализ предполагает сравнение текущего уровня возбуждения оператора с некоторыми пороговыми уровнями т! и т2. В случае если уровень возбуждения станет недопустимо малым или чрезмерно высоким, то формируется сигнал тревоги гк. Количество скачков величины электрокожного сопротивления в единицу времени наблюдения определяет уровень психологического напряжения или активность нервной системы оператора.
5. Фиксация наиболее значимых событий. Предлагается фиксировать моменты времени, когда уровень возбуждения становится недопустимо малым или чрезмерно высоким и моменты времени восстановления уровня возбуж-
дения до приемлемого значения. Таким образом, можно выявить появление монотонии, усталости и стресса.
6. Циклическое выполнение пп, 1-5 до тех пор, пока идет анализ кожно-гальванической реакции и состояния работника.
Оптимизация функциональных состояний
работника
Под профилактикой неблагоприятных функциональных состояний понимается комплекс мероприятий, направленных на предупреждение развития или на ликвидацию (полную или частичную) уже возникших состояний. Существует ряд способов улучшения или нормализации состояния человека. Если рассматривать деятельность работника за компьютером, то можно отметить высокий уровень нагрузки на зрение и опорно-двигательный аппарат. При этом нагрузка может привести как к возникновению утомления, так и к возникновению стресса. Причем негативные состояния могут развиваться с разной скоростью. Поэтому предлагается использовать такие корректирующие мероприятия как пассивное восстановление, аудиовизуальная коррекция, гимнастика для глаз и производственная гимнастика.
Пассивное восстановление предлагается использовать, если утомление наступило быстро. Аудиовизуальная коррекция - это применение аудио и видеосигналов, которые направлены на релаксацию работника и уменьшение уровня стресса. Гимнастика для глаз должна запускаться периодически, например, каждые 40 мин, если у работника не наблюдается сильного утомления. При наличии утомления, развившегося в течение длительного времени, необходимо использовать производственную гимнастику.
Предлагается связать динамику сигнала кожно-гальванической реакции с видом корректирующего мероприятия. В таблице I представлена зависимость вида корректирующего мероприятия от динамики электрокожного сопротивления.
Таблица I
Предлагаемая связь вида корректирующего мероприятия с динамикой электрокожного сопротивления
Тоническая Фазическая Время Корректирующее
составляю- составляющая развития мероприятие
щая КГР КГР состояния
Большая Малое число Менее Пассивное
величина колебаний 30 мин восстановление
Средняя Большое чис- Менее Пассивное
величина ло колебаний 30 мин восстановление
Малая Большое чис- Более Аудиовизуальная
величина ло колебаний 2 часов коррекция
Малая Малое число Менее Пассивное
величина колебаний 30 мин восстановление
Средняя Малое число 40 мин Гимнастика для глаз
величина колебаний
Большая Малое число Более Производственная
величина колебаний 1 часов гимнастика
Т-Сотт ^1.9. #3-2015
Для использования оценки электрокожного сопротивления необходимо определить для конкретного работника пороговые уровни тонической составляющей КГР, выход за которые свидетельствует о развитии утомления или возникновении стресса [5].
Автоматизированная система устранения негативных функциональных состояний работников
В качестве аппаратных и программных компоненты автоматизированной системы использованы технологии компании National Instruments. Аппаратная часть построена с использованием устройства сбора данных USB 6008, а программная часть представляет собой виртуальный прибор LabVlEW [6], лицевая панель которого представлена на рис. 2.
Время роботы Время oinoujtx у,:*.'.
Рис. 2. Лицевая панель виртуального прибора для съема и анализа кожно-гальванической реакции работника
На лицевой панели можно выделить область ввода данных о работнике, область ввода параметров, контролирующих процесс обработки и анализ, группу индикаторов, характеризующих уровень возбуждения, активности и работоспособности, окно осциллограммы, кнопки запуска, паузы и остановки работы автоматизированной системы. Поля «Время работы» и «Время отдыха» отображают соответственно время, проведенное за работой, и время отдыха и восстановления работника. Элементы «Изменение КГР во времени» и «Показатель мгновенного значения КГР» отображают динамику и мгновенное значение КГР работника.
Осуществляется выделение тонической и фазической составляющих сигнала, которые сравниваются с пороговыми уровнями, задаваемыми для каждого пользователя автоматизированной системы. Если величина тонической составляющей КГР или число скачков величины фазической составляющей выходят за пороговые уровни, то активизируется индикатор «Опасность». Верхние пороговые уровни нужны для оценки появления стрессовых состояний, а нижние - для оценки появления утомления.
Определяется длительность не превышения составляющими КГР соответствующих пороговых уровней и длительность их выхода за пороговые уровни, оценивая тем самым развитие и появление длительных негативных состояний. Если составляющая сигнала КГР выходит за пороговые уровни более одной минуты, то система запускает режим восстановления работоспособности работника, причем вариант такого режима зависит от того, за какой пороговый уровень и какая составляющая выходит.
Выход составляющих за верхние пороговые уровни запускает режим борьбы со стрессом - релаксацию, а выход за нижние - режим борьбы с монотонней и восстановления работоспособности некоторых систем организма работника.
В режиме борьбы со стрессом осуществляется аудиовизуальное воздействие на работника специальными звуковыми и световыми сигналами, позволяющими уменьшить психоэмоциональное напряжение.
В режиме борьбы с монотонней система в зависимости от динамики сигнала КГР запускает одну из нескольких программ восстановления.
1, Пассивное восстановление (отдых) работника. Данная программа запускается, если утомление наступило быстро и планируемая длительность восстановления мала. В данном режиме система запускает таймер, отсчитывающий время пассивного отдыха работника.
2. Гимнастика для глаз, направленная на восстановление зрительной активности [7]. Данная программа (рис. 3) запускается при умственном труде при работе за компьютером через каждые 40 мин, если не наступило сильное утомление работника. В этом режиме система предлагает выполнить несколько упражнений, направленных на восстановление зрения, снятия перенапряжения и усталости.
Ф/У0|м«>м[А.в.
- н Время i системе Время работы Время отОша
,7атп ■ - ; Время
Пор0,-atiwt ypcwttb Bcpwillft [' НижннП I"
Частота среза,
Показатель f tn cift мгновенного L 1 нспения KTi
Гимнастка для глаз
Сфокусируете игли на предмете и следите и его перемещением
Рис» 3, Вид программы восстановления с помощью гимнастики для глаз
3. Производственная гимнастика, направленная на восстановление работоспособности и борьбы с монотонней за счет активации различных групп мышц [8]. Данная программа {рис. 4) запускается, если утомление развивалось долго. В этом режиме система предлагает выполнить несколько упражнений, направленных на повышение тонуса мышечной системы работника.
ФИО I Андает А. В, 0
Время в с ас плие Время работы
Время опмыха 1 садод
Пороговый уровень ВерхниП ft НнжкнП Jo |
Частота среза ¡|зэ
Покашиг и/тни'юи значения
Производственная гимнастика I Сил« за компьютером, выпроситесь. голову и плечи отведите назад, сделайте вдох, наклонитесь вперед -выход
2, Сидя на стуле, ноги поставьте на поя. скрепите руки в шок на спине и удерживайте ш в такой состоянии пару минут.
3. Встаньте спиной к стулу, руки опустите вдоль тела.
Рис, 4. Вид программы восстановления с помощью производственной гимнастики
T-Comm Том 9. #3-2015
Режим восстановления работоспособности продолжается до тех пор, пока значение кожно-гальванической реакции выходит за пороговые уровни с некоторым запасом в течение одной минуты.
Заключение
Рассмотрена задача контроля состояния работника на основе кожно-гальванической реакции и предотвращения появления негативных функциональных состояний (стресс, мо-нотония) по результатам такого контроля. Представлен алгоритм динамического анализа кожно-гальванической реакции. Выбраны мероприятия по восстановлению работоспособности работника, борьбы с монотонней и стрессом в зависимости от динамики кожно-гальванической реакции в течение рабочего дня. Представлен вариант реализации автоматизированной системы на основе разработанных способов в среде визуального программирования Lab VIEW.
Использование разрабатываемой автоматизированной системы позволит осуществить контроль состояния работника производства и будет способствовать снижению рисков возникновения негативных функциональных состояний и профессиональных заболеваний, в том числе опорно-двигательного аппарата у офисных работников.
Литература
1. Ильин Е.П. Психофизиология состояний человека - СПб.: Питер, 2005. - -412 с.
2. Рыбников О.Н. Психофизиология профессиональной деятельности, - М.: Изд. центр «Академия». 2010. - 320 с.
3. Данилова H.H. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний: Учебное пособие / H.H. Данилова. - М.: ИГ/, 1992. - 192 с.
4. ВарнавскиО А.Н. Крахмаль Ю.С., Каплан М,Б. Автоматизированная исследовательская система для съема и анализа кожно-гальванической реакции И Спецтехника и связь. - 2012. - №5-6. С. 42-46.
5. Зоткин НА Основы психодиагностики: учебно-методический комплекс для специальности 030301.65 Психология. - Самара: «Универс групп», 2007. - 208 с,
6. Виноградова H.A., Листратов Я.И., Свиридов Е.В. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW: учеб. пособие. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 50 с.
7. Демирчоглян Г.Г., Никулин В.И. Гимнастика для глаз. - М.: «Физкультура и спорт», 1988, - 32 с.
8. Аксенова O.S. Производственная гимнастика, гимнастика для офисных работников: методические указания. - Новосибирск: Сибирская государственная геодезическая академия, 2012. - 15 с.
AUTOMATED SYSTEM TO ELIMINATE NEGATIVE FUNCTIONAL STATES
OF MANUFACTURING WORKERS
Varnavsky Alexander, Ryazan, Russia, varnavsky_alex@rambler.ru
Abstract. The problem of monitoring the status of an employee on the basis of an analysis of its galvanic skin response and prevent the emergence of negative functional states based on the results of such an analysis is considered. Analysis algorithm galvanic skin response is based on the analysis window to select the tonic and phasic components of the signal, based on the dynamics of which during the workday decision to change the psycho-emotional state and the emergence of such adverse conditions as stress and monotony. Selected measures to restore the health worker, anti-monotony and stress, depending on the dynamics of the components of the galvanic skin response within one business day. A version of the implementation of the automated system of research in visual programming environment LabVIEW based on the developed algorithms is presented. Asked to run mode disaster recovery worker, if any component of the signal of galvanic skin response is beyond the threshold levels of more than one minute, with the option of such a recovery mode depends on the threshold of what and what component goes. The yield is at the upper thresholds launches mode of dealing with stress - relaxation, and the output of the bottom - the mode of combat monotony and restore functionality of some systems of the body of the worker. In the struggle with the stress carried audiovisual impact on workers with special sound and light signals, can reduce the emotional stress. In the struggle with the monotony of the system depending on the dynamics of the signal GSR runs one of several recovery programs: passive recovery (rest) employee exercises for the eyes or industrial gymnastics. Passive recovery prompted to run if fatigue came quickly and the planned duration of the recovery is small. Exercises for the eyes, aimed at restoring visual acuity, removing the surge and fatigue, it is proposed to run to computer every 40 minutes. Production gymnastics aimed at restoring health, body toning muscle system and the fight against monotonically due to the activation of different muscle groups, it is suggested to run if fatigue was developed a long time.
Keywords: functional status, a negative state, monotony, stress, galvanic skin response, the analysis window, the tonic component phasic component, an automated system for eye exercises, industrial gymnastics.
References
1. Ilyin E. Psychophysiology of states rights. St. Petersburg: Peter, 2005. 412 p. (in Russian).
2. Rybnikov O. Psychophysiology of professional activity. Moscow: center "Academy." 2010. 320 p. (in Russian).
3. Daniel N. Psychophysiological diagnostics of functional states: Textbook / N. Danilova. Moscow: Moscow State University, 1992. 192 p. (in Russian).
4. Varnavsky A., Krahmal Y., Kaplan M. Automated research system for removal and analysis of galvanic skin response. Farm equipment and communications. 2012. No 5-6. Pp. 42-46. (in Russian).
5. Zotkin N. Fundamentals psychodiagnosis: training complex for specialty 030301.65 Psychology. Samara: Universal Group, 2007. 208 p. (in Russian).
6. Vinogradov N., Listratov Y., Sviridov E. Application software development environment LabVIEW: Proc. allowance. Moscow: Publisher MEI, 2005. 50 p. (in Russian).
7. Demirchoglyan G., Yankulin V. Gymnastics for the eyes. Moscow: Sport, 1988. 32 p. (in Russian).
8. Aksenov O. Production gymnastics, gymnastics for office workers: guidelines. Novosibirsk: Siberian State Academy of Geodesy, 2012 15 p. (in Russian). Information about authors:
Varnavsky Alexander, Ph.D., Ryazan State Radio Engineering University, Ryazan, Russia.
