CC BY
67
_ СОЦИАЛЬНО-ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ _
--ТЕРРИТОРИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ АЭС
УДК 159.9:62
ДИСТАНЦИОННЫЕ И НЕКОНТАКТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕГИСТРАЦИИ БИОПАРАМЕТРОВ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА КАК СРЕДСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ ФАКТОРОМ И ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС
© 2013 г. М.В. Алюшин*, А.В. Алюшин*, Л.О. Андрюшина**, Л.В. Колобашкина*, В.В. Пшенин***
*Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва.
**ОАО «Концерн Росэнергоатом», Москва.
***Институт промышленных ядерных технологий НИЯУ МИФИ, Москва.
Поступила в редакцию 30.06.2013 г.
Представлены описание и результаты предварительных испытаний разрабатываемого в НИЯУ МИФИ программно-аппаратного комплекса (ПАК) для контроля функционального состояния оперативного персонала АЭС на основе пассивных неконтактных и дистанционных технологий регистрации биопараметров с помощью акустических, оптических, газоаналитических датчиков и специализированного программного обеспечения. Формируемая с помощью ПАК база персональных данных, полученных при периодическом обследовании персонала в лабораториях психофизиологического обеспечения (ЛПФО) АЭС и в процессе учебно -тренировочных занятий на полномасштабных тренажерах с моделированием внештатных и аварийных ситуаций на энергоблоке обеспечивает возможность эффективного управления человеческим фактором, повышение качества и безопасности эксплуатации АЭС.
Ключевые слова: неконтактные технологии, человеческий фактор, оперативный персонал АЭС.
Опубликованные в разных странах результаты анализа аварий на АЭС «Three Mile Island», Чернобыльской АЭС и недавней аварии на АЭС «Fukushima» однозначно указывают на человеческий фактор (ЧФ) как одну из основных причин, определивших характер их протекания и тяжесть последствий. Совокупность индивидуальных физиологических и психологических возможностей и ограничений составляет основу ЧФ и наряду с профессиональными навыками определяет действия операторов в экстремальных ситуациях. Созданные в начале 80-х годов на всех отечественных АЭС ЛПФО проводят первичный отбор, периодические обследования персонала и осуществляют психолого-педагогическое сопровождение обучения персонала в учебно-тренировочных пунктах АЭС. При периодических обследованиях персонала с помощью контактных датчиков регистрации физиологических параметров определяется общее состояние организма, а для оценки функционального состояния центральной нервной системы используется набор компьютеризированных тестов.
Описанный подход в значительной степени способствует повышению «надежности ЧФ» [1], являясь при этом только косвенным способом оценки индивидуальных психологических характеристик оператора АЭС. Качественно другие возможности обеспечивает применение бесконтактных и дистанционных технологий регистрации биопараметров для контроля функционального состояния операторов при проведении учебно-тренировочных занятий на полномасштабных тренажерах (ПМТ) с
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
моделированием нарушений условий нормальной эксплуатации и аварийных ситуаций.
Такие технологии, интенсивно развивающиеся в последние годы, позволяют контролировать функциональное состояние оператора по многим параметрам в on-line режиме при различных психологических нагрузках, обусловленных последовательностью исходных событий и отказов в сценарии занятия на ПМТ.
Структура, характеристики и результаты предварительных испытаний ПАК, включающего в себя акустические (инфразвук, звук), оптические (излучение инфракрасного и видимого диапазонов) и газоаналитические каналы дистанционной регистрации биопараметров представлены ниже. Необходимо отметить, что регистрация биопараметров в процессе занятий на ПМТ в условиях интенсивных перемещений операторов, наличия акустических, тепловых и оптических помех является сложной технической задачей и требует создания высокопроизводительных интеллектуальных средств обработки «зашумленных» сигналов. Результаты ранее выполненных НИЯУ МИФИ таких разработок представлены в публикациях [2-4].
Разрабатывающийся ПАК включает в себя следующие компоненты, размещаемые в помещениях различных служб АЭС (рис.1):
- ПАК для контроля психофизиологического состояния оперативного персонала при приеме на работу и периодическом медицинском обследовании (ПАК-ЛПФО, его внешний вид представлен на рисунке 1а;
- ПАК для контроля психофизиологического состояния оперативного персонала при предсменном контроле или перед началом учебно-тренировочных занятий (ПАК-ПСК), внешний вид комплекса аналогичен представленному на рисунке 1а;
- ПАК для контроля психофизиологического состояния оперативного персонала в процессе тренировочных занятий на ПМТ (ПАК-ПМТ, схема размещения датчиков комплекса на модели БЩУ представлена на рисунке 1б, средства обработки результатов измерений размещаются отдельно в одном из помещений УТЦ).
1 - персональный компьютер с ПО 1 - размещение детекторов в резервных приборных посадочных для тестирования операторов АЭС, местах модели БЩУ, 2 - размещение детекторов в оборудовании
2 - тестовая графическая оболочка на рабочей панели, 3 - размещение детекторов в свободных
ячейках модели БЩУ а) б)
а - ПАК-ЛПФО (ПАК-ПСК), б - варианты размещение детекторов ПАК-ПМТ на модели БЩУ УТЦ Балаковской АЭС [5].
Рис. 1. Компоновка различных конфигураций ПАК
Перечисленные выше компоненты ПАК функционируют независимо и обеспечивают формирование и поддержание локальных баз персональных данных. Связь указанных компонентов осуществляется через общую базу данных. Оценки текущего психофизиологического состояния оператора, степени психологической готовности к действиям в аварийных ситуациях и подготовка рекомендаций по управлению персоналом осуществляются на основе автоматизированного анализа всей совокупности персональных данных, с использованием методики обобщенной оценки психофизиологического состояния.
ПАК-ЛПФО и ПАК-ПСК имеют идентичную структуру, разрабатываются на единой основе и различаются номенклатурой каналов регистрации биопараметров оператора. Последнее обусловлено жесткими временными ограничениями на предсменный контроль (2-3 мин.). Совместное использование ПАК-ПСК и ПАК-ЛПФО обеспечивает наиболее представительные характеристики «исходного» состояния оператора перед началом занятий, использующиеся в методике обобщенной оценки психофизиологического состояния, описание первого варианта которой представлено ниже.
Предварительные испытания макетного образца ПАК-ПМТ были проведены в процессе учебно-тренировочных занятий на ПМТ Балаковской АЭС. Структурная схема макетного образца ПАК-ПМТ представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Структурная схема опытного образца ПАК-ПМТ В качестве акустических датчиков использовались 4 фазированных акустических
решетки (ФАР) из 8-ми элементов каждая. Временная фильтрация и аналого-цифровое преобразование акустического сигнала ФАР осуществляются в устройствах предварительной обработки (УПО1 - УПО4) сигналов.
Пространственная фильтрация акустических сигналов и формирование диаграммы направленности с максимумом, направленным на источник акустической информации, осуществлялась с помощью специализированного процессора SP1. Передача данных от ФАР к спецпроцессору SP1 реализована с помощью интерфейсов ИНТ1 - ИНТ4. Анализ речевых данных, оценка эмоционального состояния оператора выполнялась с использованием персонального компьютера (ПК) со специализированным процессором (SP2). Связь ПК с SP1 организована через USB-интерфейс и мост ИНТ 8/16/32.
Съемка изображения лица оператора осуществлялась 3-мя видеокамерами видимого диапазона (CCD1 - CCD3) и одной камерой инфракрасного диапазона (CCD4) с соответствующими источниками питания ИП1 - ИП4.
Локальная база видео и акустических данных реализована на регистраторе Рег. 1. Обмен данными между Рег. 1 и ПК реализован на основе интерфейса Ethernet.
Для оценки психофизиологического состояния оператора использовалось специальное программное обеспечение и данные анализа параметров сердечнососудистой системы, параметры движения глаз, зрачковая реакция, термометрические параметры, параметры дыхания, параметры голоса, фотоплезмограмма, кожно-гальваническая реакция.
Для повышения достоверности определения указанных выше биопараметров оператора, работающего на БЩУ ПМТ и, как правило, совершающего интенсивные движения по залу ПМТ в процессе проведения учебных занятий, для их определения использовались данные, получаемые с помощью различных технологий регистрации. Так, например, частота пульса оператора определялась по данным акустического, оптического и инфракрасного каналов регистрации. Технологии, которые используются в опытном образце ПАК ПМТ для определения биопараметров оператора представлены в таблице 1.
Таблица 1. Определение биопараметров с помощью оптической, инфракрасной и _акустической технологий_
Объект наблюдения Основные биопараметры тестируемого оператора, определяемые с помощью опытного образца ПАК ПМТ Оптические технологии видимого диапазона Оптические технологии инфракрасного диапазона Акустические технологии
1. Система дыхания 1.1. Частота дыхания + + +
1.2. Глубина дыхания - + +
1.3. Равномерность дыхания + + +
1.4. Верхнее/нижнее дыхание + + +
2.Сердечно-сосудистая система 2.1. Частота пульса + + +
2.2. Артериальное давление - + -
2.3. Равномерность пульса - + +
2.4. ФПГ - + -
2.5. Температура участков лица - + -
3. Периферическая нервная система 3.1. КГР - + -
3.2. «Зрачковая» реакция + - -
3.3. Уровень микротремора в голосе - - +
3.4. Уровень тремора участков лица + + -
Обработка временных зависимостей перечисленных в таблице 1 биопараметров позволяет оценить изменения психофизиологического состояния оператора в зависимости от сложности решаемых им в процессе занятия задач. При обработке данных, полученных в процессе занятий на ПМТ, для обобщенной оценки психофизиологического состояния к-го оператора использовалась нормированная безразмерная интегральная характеристика Ок , определяемая следующим образом:
Gk = 2 BfGjk ,j = 1,2,3, (1)
j
где Bj (0 < Bj < 1) - значимость частной характеристики Gjk для определения характеристики Gk;
Gjk - частная характеристика, определяющая психоэмоциональное состояние оператора на основе данных, полученных с помощью только одной технологии регистрации биопараметров;
j - номер используемой технологии регистрации биопараметров оператора (j =1 - оптические технологии видимого диапазона, j = 2 - оптические технологии инфракрасного диапазона, j = 3 - акустические технологии).
Частные характеристики Gjk в формуле (1) определяются с учетом индивидуальных особенностей каждого из операторов:
Gjk = 2 Ajk ( (Pyk - Po,jk) / Poyk ), (2)
i
где Pjk - i-ый биопараметр j-го объекта наблюдения (табл.1) для k-го оператора;
P0ijk - i-ый биопараметр j-го объекта наблюдения, взятый из базы персональных данных для k-го оператора (для его нормального состояния);
Aijk - значимость параметра Pij для определения частной характеристики Gjk, взятая из базы персональных данных.
Поскольку на момент проведения испытаний макетного образца база персональных данных, содержащая значения регистрируемых параметров при периодических обследованиях и предсменном контроле отсутствовала в качестве P0ijk использовались значения биопараметров, измеренные в начале занятий, когда операторы решали простые задачи управления энергоблоком в штатном режиме.
На рисунке 3 а приведена временная зависимость определенного соотношением (1) безразмерного параметра Gk для одного из операторов (k = 1) при выполнении задания, связанного с устранением единичного отказа оборудования после непродолжительного периода работы в штатном режиме. Временная зависимость параметра сложности решаемой задачи R, экспертно определенного в относительных единицах по отношению к штатному режиму эксплуатации представлена на том же рисунке ниже.
На рисунке 3б представлены аналогичные зависимости для второго оператора при выполнении им более сложного (R=2,8) учебного задания, связанного с наложением нескольких отказов оборудования.
Представленные на рисунке 3 данные демонстрируют однозначную зависимость психофизиологического состояния оператора от сложности решаемых им в процессе учебно-тренировочного занятия задач. При этом зависимости Gk от времени достаточно плавные, что обеспечивает возможность регистрации биопараметров с относительно
большим временным шагом и существенно упрощает решение проблем, связанных с перемещением оператора и временной потерей сигнала некоторых датчиков. Полученные зависимости Ок также однозначно свидетельствуют о различном уровне профессиональной подготовки первого и второго операторов.
1,0
С15 относительные единицы
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
О3, относительные единицы
5 10 15 20 25 30 35 40 Т,мин И, относительныеединицы
5 10 15 20 25 30 35 40 Т,мин И, относительныеединицы
3,0
2,0
1,0
/
Нор Р тльна |бота / Устр шение т возник ренаж шей ав ере арии н а
3,0
2,0
1,0
\
Уст[ анение авари возни и на тр сшей с. енаже[ южной \
Нор Р 1альн! 1бота я \
5 10 15 20 25 30 35 40 Т,мин
а)
5 10 15 20 25 30 35 40 Т,мин б)
а - первый оператор; б - второй оператор.
Рис. 3. Мониторинг состояния операторов в процессе занятий на ПМТ
Так, первый оператор (к = 1) при выполнении им тестового задания относительно невысокой сложности Я =1.4, по-видимому, не смог полностью решить поставленную задачу, о чем свидетельствует постоянное нарастание напряженности его состояния (Ок > 0.7, Т=45 мин).
Второй оператор (к = 2) при решении более сложного тестового задания (Я=2.8) вначале испытал сильный стресс (Ок > 0.8, Т=30 мин), но затем по мере успешного выполнения поставленной задачи успокоился плавно перешел в спокойное состояние, близкое к тому в котором он находился в начале занятия.
Временная зависимость частной характеристики психофизиологического состояния О2к, измеряемой с помощью канала регистрации инфракрасного излучения представлена на рисунке 4. Для оценки текущего состояния оператора (значения функции О2к) в данном случае были использованы следующие биопараметры (см. табл. 1), которые представлены в относительных по отношению к нормальному (в начале занятия) состоянию оператора:
- параметр 1.1 - частота дыхания (изображен синим цветом);
- параметр 2.1 - частота пульса (изображен красным цветом);
- параметр 3.4 - уровень тремора участков лица (изображен зеленым цветом).
Программа обработки информации от инфракрасного детектора IR Date |12.10.2012 Number I33-00-24-3546
Фамилия [Сидоров
Имя (Иван
Отчество [Федорович
ВРЕМЯ T1 Т2 ТЗ ТА Т5
MOTOFLR 12 20 18 25 29
BREATH г~
H_PULSE 9 16 15 23 24
Инструктор Петров Г.В.
1 - начало тестирования в момент времени Т0;
2, 3, 4 и 5 - соответственно моменты времени Т1, Т2, Т3 и Т4;
6 - момент времени завершения тестирования Т5
Рис. 4. Оценка текущего состояния оператора
Центр приведенной круговой диаграммы соответствует моменту времени начала регистрации биопараметров (Т0). Периметр круговой диаграммы соответствует моменту времени окончания регистрации биопараметров (Т5). Ширина сектора определенного цвета на данном расстоянии от центра пропорциональна величине регистрируемого биопараметра в соответствующий момент времени.
На рисунке 5 показан механизм формирования итоговой обобщенной оценки текущего психоэмоционального состояния тестируемого к-го оператора Gк (1) на основе частных оценок 01к , 02к и 03к (2), получаемых с помощью соответственно
Психологический портрет оператора АЭС:
1. Темперамент
2. Характер
3. Способности
4. Направленность
5. Интеллектуальность
6. Эмоциональность
7. Волевые качества
8. Умение общаться
9. Самооценка
10. Уровень самоконтроля
11. Способность к групповому взаимодействию
оптических технологий и акустических технологии.
Рис. 5. Вклад оценок, полученных с помощью оптических 01к , 02к и акустической 03к технологий, в формирование итоговой интегральной оценки Ок текущего психоэмоционального состояния
тестируемого оператора
Приведенные выше результаты испытаний макетного образца ПАК-ПМТ демонстрируют широкие возможности бесконтактных и дистанционных технологий регистрации биопараметров для оценки психофизиологических характеристик операторов АЭС и других опасных производств в процессе учебно-тренировочных занятий на тренажерах, в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы на энергоблоке. Полученные в процессе таких занятий объективные данные в сочетании с данными периодического обследования персонала в ЛПФО могут обеспечить возможность объективной комплексной оценки результатов занятий и готовности операторов к действиям в аварийных ситуациях, планированию занятий с точки зрения психологических нагрузок, выработке обоснованных решений по управлению персоналом и, в конечном счете, повышению надежности человеческого фактора.
ВЫВОДЫ
На основе результатов лабораторных исследований, проведенных в НИЯУ МИФИ и натурных испытаний на ПМТ Балаковской АЭС выбраны детекторы для оптических (видимый и инфракрасный диапазоны) акустического и инфракрасного каналов бесконтактной регистрации биопараметров оператора. Разработано математическое обеспечение для обработки результатов измерений, выполняющихся в условиях оптических, акустических и инфракрасных помех. Предложена модель обобщенной оценки психофизиологического состояния оператора по результатам бесконтактной регистрации биопараметров.
Продемонстрирована высокая информативность бесконтактно регистрируемого набора биопараметров и широкие возможности разрабатываемого программно-аппаратного комплекса, позволяющего производить объективную оценку псхофизиологического состояния оператора в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы на БЩУ, стрессоустойчивости, степени готовности к действиям в аварийных ситуациях и вырабатывать на основе этих оценок обоснованные решения по управлению оперативным персоналом.
Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс может найти применение в УТЦ и ЛПФО АЭС и службах психофизиологического обеспечения других опасных производств, использующих тренажеры для подготовки оперативного персонала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Человеческий фактор. В 6-ти томах [Текст] / Под ред. Г. Салвенди : пер. с англ. Том 3. Моделирование деятельности, профессиональное обучение и отбор операторов. - М. : Изд-во Мир, 1991. - 488 с.
2. Алюшин, М.В. и др. Информационные технологии принятия решений в условиях конфликта. Часть II. Оптимальное поведение и психоэмоциональное состояние [Текст] / М.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина, - М. : НИЯУ МИФИ, 2010. - 160 с.
3. Алюшин, М.В. и др. Интерфейсные модули для макетирования систем сбора и обработки данных с реконфигурируемой структурой [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина и др. // Естественные и технические науки. - 2011. - №4. - С. 440.
4. Алюшин, М.В. и др. Реконфигурируемая шина для создания высокопроизводительных систем обработки данных со структурой, управляемой потоком данных [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина и др. // Естественные и технические науки. - 2011. - №4. - С. 444.
5. Разбирая архивы. Надоработанный отчетик о посещении Балаковской АЭС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ИКЬ: http://ulis-aka-janek.livejournal.com/370444.html - 21.04.2013.
6. Алюшин, М.В. и др. 3и и би модули цифровой обработки данных для макетирования систем с реконфигурируемой структурой [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина и др. // Естественные и технические науки, 2011, №4. - С.452.
Distant and noncontact technologies for registration of operating personnel bio parameters as a mean of human factor control and NPP security
improvement
M.V. Alyushin*, A.V. Alyushin*, L.O. Andryushina**, L.V. Kolobashkina*, V.V. Pshenin***
* National Research Nuclear University «MEPhI», Kashirskoye shosse 31, Moscow, Russia 115409
e-mail: MVAlyushin@mephi.ru ** JSC «Concern Rosenergoatom», Moscow, Russia 347388 e-mail: andryushina-lo@rosenergoatom.ru *** Institute of the Industrial Nuclear Technologies NRNU MEPHI, Moscow, Russia
Abstract - Description and results of pretests of software and hardware complex (SHC) developed by NRNU MEPhI for NPP operational staff current state monitoring on the basis of the noncontact and distant technologies of bio parameters registration with the help of acoustical, optical and infrared analytical sensors are presented. SHC data base received during personnel periodical survey in the laboratory of NPP psycho-physiological maintenance and in the process of training with full-scale simulator provides an opportunity to forecast and control staff behavior in the case of nonstandard or failure situations, minimize the influence of so-called "human factor", improve the quality and security level of NPP operating.
Keywords: noncontact technologies, human factor, NPP operational staff.
