CC BY
61
_ СОЦИАЛЬНО-ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ _
--ТЕРРИТОРИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ АЭС
УДК 65.013, 004.93, 159.9:62
ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ТЕКУЩЕГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТИВНОГО СОСТАВА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ
АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
© 2013 г. М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, В.М. Белопольский, Л.В. Колобашкина, В.Л. Ушаков
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва
Поступила в редакцию 20.05.2013 г.
Представлены результаты разработки в НИЯУ МИФИ оптических технологий (ОТ) видимого и инфракрасного диапазонов для дистанционной регистрации биопараметров человека в пассивном режиме. Для обработки регистрируемых сигналов в шумах созданы высокопроизводительное аппаратное и программное обеспечение (ПО). Разработанные технологии и средства предназначены для построения современных систем мониторинга функционального состояния операторов управления объектами атомной энергетики, что позволит повысить безопасность их функционирования.
Ключевые слова: оптические технологии; функциональное состояние; текущий контроль; высокопроизводительные программные и аппаратные средства.
Применяемые в настоящее время на российских и иностранных объектах атомной отрасли средства контроля за функциональным и психоэмоциональным состоянием оперативного персонала, как правило, ограничены классическими «контактными» технологиями, применяемыми только при периодических обследованиях и при предсменном контроле, что не позволяет в полном объеме решить задачи обеспечения безопасности таких объектов.
Разработанные в НИЯУ МИФИ ОТ для систем мониторинга текущего функционального состояния оперативного состава управления основываются на регистрации изображения, в первую очередь, лица оператора в двух оптических диапазонах - видимом (0,4-0,7 мкм) и инфракрасном (8-12 мкм), что дает возможность надежно определять основные биопараметры человека, такие, например, как:
- параметры работы сердечно-сосудистой системы;
- параметры глаз и зрачков, а также динамику их изменения;
- параметры термометрии и дыхания;
- параметры, аналогичные фотоплетизмограмме и кожно-гальванической реакции.
ОТ видимого диапазона дают возможность также регистрировать направление взгляда оператора, работающего за пультом управления, например, АЭС, что позволяет контролировать порядок осмотра им показаний приборов на щите управления, а также регистрировать характерное время его реакции на возникающие визуальные и звуковые сигналы. Дальнейшая обработка этих данных в значительной степени повышает надежность оценки его текущего психоэмоционального состояния при использовании ОТ.
На рисунке 1 показано типичное рабочее место оператора блочного щита управления АЭС.
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
Рис. 1. Регистрация направления взгляда оператора блочного щита управления
Основными задачами при использовании ОТ для мониторинга текущего психоэмоционального состояния оперативного состава являются:
- трекинг и идентификация оператора;
- выделение полезного физического сигнала;
- определение текущих значений биопараметров;
- анализ и интерпретация полученных значений биопараметров.
Трекинг и идентификация оператора осуществляются на основе использования иерархичной зонной модели изображения оператора. На первом уровне иерархии осуществляется выделение контура конкретного оператора в поле зрения видеокамеры (видеокамер). На втором уровне выделяются определенные информативные зоны на теле оператора в пределах выделенного контура на первом уровне и так далее. Степень детализации анализируемого изображения при определении основных биопараметров оператора (количество уровней иерархии) составляет 5 - 7. На каждом уровне иерархии осуществляется независимый трекинг за положением всех выделенных зон в анализируемом изображении оператора. Данная модель позволяет эффективно решить задачу трекинга заданных областей для постоянно перемещающихся операторов.
На рисунке 2 приведен пример применяемой фрагментации инфракрасного изображения лица оператора на шесть зон на четвертом уровне иерархии (Т1 - Т6 -измеряемые температуры выделенных областей).
1, 2 - зоны щек; 3 - зона лба и глаз; 4 - зона носа, рта и подбородка; 5, 6 - зоны ушей. Рис. 2. Пример фрагментации инфракрасного изображения лица оператора
Адаптация системы мониторинга на основе ОТ для периодических обследований и предсменного контроля с фиксированным положением оператора заключается в упрощении алгоритма трекинга или полным отказом от него на первом уровне иерархии.
Выделение полезного физического сигнала и определение текущих значений биопараметров оператора осуществляются на определенном уровне детализации в соответствии с иерархической моделью изображения оператора. Так, определение температуры выделенных областей лица оператора осуществляется на четвертом уровне иерархии (рис. 2).
Аналогичным образом осуществляется обработка оптической информации в видимом спектре. На рисунке 3 показан пример обработки лица оператора на шестом уровне иерархии (выделение зрачков). Регистрируемыми биопараметрами в рассматриваемом случае являются средние размеры (диаметры) зрачков глаз оператора.
а) б) в)
а - зрачки расширены; б - нормальное состояние зрачков; в - зрачки сужены
Рис. 3. Анализ размера зрачков оператора при неизменном уровне освещения
Достоверность определения биопараметров при использовании ОТ в значительной степени зависит от уровня и характера существующих оптических помех. Наличие стационарных (например, освещение) и динамических (световая индикация приборов, компьютеров и т.д.) помех высокой интенсивности может привести к сбоям в работе системы регистрации биопараметров. Для минимизации влияния оптических помех необходимо произвести анализ существующих помех и их параметров, а также использовать помехоустойчивые алгоритмы обработки изображения, способные подавлять выявленные помехи, либо использовать активные методы регистрации [1]. На рисунке 4 показаны процедуры выявления существующих инфракрасных помех в зале блочного щита управления.
а) б)
а - помехи от нагретых приборов щита управления; б - помехи от нагретых осветительных приборов.
Рис. 4. Выявление помех в инфракрасном диапазоне
Наличие помех оптического диапазона, а также возможность интенсивного перемещения операторов по залу приводят к необходимости применения алгоритмов, устойчивых к потерям данных на любом из уровней обработки (например, оператор случайно закрыл лицо рукой). В таблице 1 приведены статистические данные по числу повторений операций на каждом из возможных уровней обработки оптической информации (вычислительная сложность указана в операциях с плавающей точкой в секунду).
Таблица 1. Характеристики вычислительных алгоритмов для различных уровней
обработки
№№ п/п Уровень иерархии задачи Основные выполняемые процедуры и функции Среднее число повторений Уровень вычислительной сложности Вероятность успешного завершения
1. Первый Выделение контура тела 1-2 102 98%
2. Второй Выделение контура головы 1-3 104 95%
3. Третий Выделение области лица 1-3 104 90%
4. Четвертый Выделение областей глаз, носа, щек, подбородка и т.д. 1-3 105 85%
5. Пятый Выделение области белков глаз 1-3 105 90%
6. Шестой Определение области зрачков 1 103 95%
7. Седьмой Определение направления взгляда 1 103 97%
Для выделения полезного физического сигнала, определения текущих значений биопараметров на основе ОТ в НИЯУ МИФИ разработан комплект высокопроизводительных электронных модулей, а также специализированное ПО, позволяющие осуществить интеллектуальную обработку, как правило, сильно зашумленных сигналов в реальном масштабе времени [2-3]. Кроме этого, повышение достоверности производимых измерений достигается за счет одновременного использования иерархической зонной модели изображения оператора как в видимом, так и в инфракрасном оптическом диапазонах. На рисунке 5 показан внешний вид разработанного высокопроизводительного модуля на основе кластера из 6 сигнальных процессоров Shark.
Рис. 5. Электронный модуль в стандарте Евромеханика 6U
На рисунке 6 показана типичная последовательность решаемых задач с помощью разработанного специализированного ПО при наличии интенсивных оптических помех (для упрощения рисунка уровни обработки, представленные в таблице 1, соответственно - 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 - объединены).
Определение направления взгляда
Рис. 6. Последовательность решения задач с помощью разработанного специализированного ПО
Разработанные аппаратные и программные средства дают возможность в полной мере реализовать потенциальные возможности ОТ, а именно осуществить:
1) Анализ цвета белков глаз оператора. Оператор щита управления АЭС имеет постоянную нагрузку на глаза, так как должен периодически просматривать показания большого числа приборов, расположенных в различных местах щита. Постоянный контроль за цветом белков глаз дает возможность своевременно выявить состояние усталости и переутомления у оператора, а также диагностировать ряд серьезных
заболеваний. В качестве определяемых параметров в ПАК используются степень окрашенности глаза (в процентах), код цвета окрашенности глаза.
2) Анализ размера зрачков глаз оператора, а также динамики его изменения с целью регистрации наркотического или алкогольного опьянения.
3) Регистрацию пупилограммы (зрачковой реакции) [4], дающей возможность определить состояние человека, его активность, уровень истощения, стресса. Достоинство этого метода заключается в том, что для регистрации пупилограммы требуется примерно 1 = 0,5 с непрерывной съемки глаза и примерно 1 = 2 с для определения состояния оператора.
4) Регистрацию окулограммы [5], которая описывает регулярное изменение направления взгляда оператора. Регистрируются как горизонтальная, так и вертикальная составляющая окулограммы.
Анализ значений биопараметров оператора, оценка его функционального состояния, а также поддержание соответствующей базы данных осуществляются с помощью разработанного ПО. Пример рабочего окна программной оболочки приведен на рисунке 7. ПО позволяет зарегистрировать временное изменение биопараметров оператора, а также представить полученные результаты в виде круговых диаграмм (центр диаграмм соответствует времени начала регистрации биопараметров, а периферийная зона - окончанию). На рисунке 7 показана регистрация с помощью разработанных средств трех биопараметров (данные приведены в нормированном виде относительно максимально возможных значений для данного оператора).
1 — частота пульса; 2- частота дыхания; 3-двигательная активность; 4 - «эмоциональный резерв» Рис. 7. Построение круговых диаграмм, отображающих текущее состояние оператора
На рисунке 8 представлены результаты обработки биопараметров при выполнении простого и сложного тестовых заданий. Полученные результаты показывают, что для данного оператора «эмоциональный резерв» составляет примерно 75% и 60% для решаемых задач указанной сложности.
а)
б)
в)
г)
а - спокойное решение поставленной задачи; б - сильное волнение в середине тестового цикла; в и г - круговые диаграммы для приведенных случаев
Рис. 8 . Изменение текущего психоэмоционального состояния в процессе тестирования
На рисунке 9 представлены аналогичные результаты при выполнении тестовых заданий с изменяющейся сложностью. «Эмоциональный резерв» на момент окончания тестирования составлял примерно 30% и 70%.
а)
б)
в)
г)
а - решение задачи с возрастающим напряжением; б - решение задачи со спадом напряжения; в и г - круговые диаграммы для приведенных случаев
Рис. 9. Изменение текущего психоэмоционального состояния в процессе тестирования
ВЫВОДЫ
Таким образом, разработанные аппаратные и программные средства на основе ОТ позволяют создать современную систему дистанционного мониторинга текущего функционального состояния операторов управления опасными объектами атомной отрасли с целью повышения безопасности их функционирования за счет минимизации влияния так называемого «человеческого фактора».
Созданные средства позволяют осуществить неконтактную дистанционную регистрацию значимых биопараметров операторов управления ядерными объектами в пассивном режиме.
Разработанные высокопроизводительные электронные модули и специализированное ПО дают возможность осуществить разработку прототипа системы мониторинга с заданными техническими характеристиками с минимальными временными и материальными затратами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алюшин, М.В. и др. Система слежения за взглядом человека для контроля действий оператора управления атомными станциями [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Б.М. Величковский, Л.В. Колобашкина // Труды научной сессии НИЯУ МИФИ - 2010. В 6 томах. - Том 1. Физико-технические проблемы ядерной энергетики. Экологическая и радиационная безопасность. Прикладная ядерная физика. Ядерная медицина. - М. : НИЯУ МИФИ, 2010. -С. 161.
2. Алюшин, М.В. и др. 3U и 6U 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.
3. Алюшин, М.В. и др. Электронные системы анализа движения глаз человека [Текст] / М.В. Алюшин, А.В. Алюшин, Л.В. Колобашкина // Датчики и системы. - 2010. - №4. - С. 28.
4. Пат. 2123797 РФ МКИ А61В 3/00. Способ регистрации зрачковых реакций и устройство для его осуществления [Текст].
5. Пат. 1194412 СССР МКИ A61F 9/00. Способ калибровки окулограмм [Текст].
Optical technologies for the operational staff current functional state monitoring systems for the atomic energy objects
M.V. Alyushin, A.V. Alyushin, V.M. Belopolsky, L.V. Kolobashkina, V.L. Ushakov
National Research Nuclear University «MEPhI», Moscow, Russia 115409 e-mail: [email protected]
Abstract - The article presents the optical technologies of visual and infrared bands for distant registration of human bio parameters in passive mode developed at NRNU MEPhI. The high performance hardware and software means for noisy signals processing are developed. These technologies and means are aimed at creation the modern systems of monitoring the functional state of atomic energetic objects' control operators, it permits to improve their security level.
Keywords: optical technologies; functional state; current monitoring; high performance hardware and software means.
