СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВОДИТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B60K28/06 

Изобретение относится к средствам поддержания работоспособности водителей транспортных средств, а также операторов различных профессий и может быть использовано на рельсовом, дорожном, водном, воздушном транспорте, в различных отраслях промышленности для оперативного контроля соответствия функционального состояния требованиям профессиональной деятельности.

Определение уровня бодрствования человека, его внимания, характеризующего профессиональную активность, приобретает особое значение исходя из все более нарастающих требований к человеку как оператору, принимающему ответственные решения. Наиболее многочисленны водители транспортных средств (ТС), что требует разработки методов аппаратурного контроля с выделением недопустимого физического и/или психического состояния. Эти методы основаны на контроле за бодрствованием по частоте сердечных сокращений, мозговой и мышечной активности, а также других физиологических функций, и введением "обратной" связи. Обратная связь превращает эти устройства в поддерживающие работоспособность. К числу ранних изобретений такого рода относится система обеспечения работоспособности водителя с вмонтированными в руль датчиками усилия. При расслаблении мускулатуры, что свойственно процессу засыпания, руки водителя ослабевают. Это вызывает срабатывание системы автоматического пробуждения: в лицо водителя направляется струя душистого вещества (US 2199060, YOUNG, 340-279, 1940).

По типу взаимодействия с оператором различают "пассивные" и "активные" методы мониторинга.

К числу "пассивных" методов, позволяющих получить объективную информацию о психоэмоциональном состоянии человека в реальном времени, является регистрация текущего значения физиологического параметра. Так, в изобретении (SU 0938932 А, БЕЛОВ и др., A 61 B 5/05, 1982) предусмотрено снаряжение водителя наручным браслетом с электродами для регистрации значения относительного изменения электрической проводимости кожного покрова, а также налобным электростимулятором, управляемым по сигналу с упомянутого браслета. Для целей рельсового транспорта анализатор состояния машиниста автоматически управляет тормозами и сигнализацией (SU 938932 А, ЛЕНМЕТРОПОЛИТЕН, B 61 L 3/08, B 60 T 7/14, 1987). Детальный анализ сигналов фазической составляющей кожно-гальванической реакции (КГР) (RU 2025731 А1, БОНЧ-БРУЕВИЧ и др., G 09 B 9/00, 1994) позволяет повысить достоверность определения уровня бодрствования. Серийно выпускаемая для рельсового транспорта телемеханическая система контроля бодрствования машиниста (ТКСБМ) (изготовитель АОЗТ "НЕЙРОКОМ", Российская Федерация, М, 1996), использующая выделение фазической компоненты сигналов КГР, реализует биологическую обратную связь по управлению бодрствованием машиниста.

Самостоятельное направление получили "активные" методы контроля бдительности водителя (оператора), предусматривающие подачу стимула и определение реакции оператора. Исходя из времени реакции включается сигнализация или осуществляется принудительная остановка ТС. На локомотивах такое решение использует "рукоятка бдительности" (Нерсесян Л.С., Психологические аспекты повышения надежности управления движущимися объектами, изд. Промедэк, М., 1992, с. 125). По этому принципу построен монитор бдительности водителя (WO 96/16830 A1, WILLIAMS et. al, B 60 K 28/06, 1996), при этом время реакции сравнивается со стандартным с учетом суточного цикла активности и частных особенностей водителя и в этом смысле система интерактивна. Стимул подается в форме звукового сигнала. Реакция водителя регистрируется с помощью датчика; управляется вся система от процессора. Изобретение WO 96/16830 A1 может быть принято в качестве прототипа для патентуемой группы изобретений.

Задачей изобретения является разработка принципов и создание системы поддержания работоспособности водителя транспортного средства (оператора) в условиях монотонии, сочетающих в себе преимущества обоих типов описанных выше систем.

Технический результат изобретения состоит в повышении достоверности определения текущего психофизиологического состояния водителя (оператора) и соответственно принятии адекватного ситуации решения по управлению транспортным средством. Дополнительный технический результат усматривается в том, что принудительный диалог водителя с системой оказывает активизирующее действие, препятствующее развитию психофизиологической релаксации и, тем более, засыпанию.

Технический результат обеспечивается вследствие того, что в способе поддержания работоспособности водителя транспортного средства анализируют адекватность реакции водителя на смысловое содержание стимула в условиях снижения уровня бодрствования, для чего формируют звуковой стимул в виде по меньшей мере одного речевого вопроса (команды) водителю на активно-осознанное действие. В качестве реакции регистрируют речевое сообщение водителя в ответ на вопрос (команду) и (или) факт выполнения упомянутого действия. Далее сопоставляют содержание вопроса-команды и речевого сообщения или выполненного действия, и их соответствие принимают за критерий работоспособности.

Способ может характеризоваться тем, что снижение уровня бодрствования регистрируют по изменению физиологических параметров пульса или (и) кожногальванической реакции водителя, а также тем, что вопросы (команды) формируют в случайной последовательности.

В качестве активно-осознанного действия, сформулированного в вопросе (команде), можно рекомендовать водителю воздействовать на вспомогательные средства управления транспортным средством, сообщать характеристики его функционирования и управления, обстановку на участке движения.

Система для поддержания работоспособности водителя транспортного средства включает подключенные к процессору средства для подачи звуковых стимулов со звуковым преобразователем, средства для приема и анализа реакции водителя на звуковые стимулы с датчиками, средства сигнализации и дисплей. Дополнительно введены подключенные к процессору блок анализа соответствия (стимула и реакции с) подключенными к нему блоками ввода текущей информации и анализа реакции водителя на стимулы и команды, блок памяти предаварийных ситуаций, блок формирования стимулов и команд. Имеются блок предъявления стимулов и команд, соединенный с блоком зрительных стимулов и блок выработки решения, о неработоспособности водителя связанный с блоком управления транспортным средством. Средства для подачи звуковых стимулов выполнены в виде блока синтеза речевых стимулов, выход которого подключен к звуковому преобразователю.

Средства для приема и анализа реакции водителя на звуковые стимулы содержат микрофон, подключенный к блоку приема и распознавания речевой информации. Датчики отработки команд подключены ко входу блока приема исполнения команд, причем оба упомянутые блока подключены к блоку анализа реакции водителя на стимулы и команды.

Существо изобретения поясняется на чертеже, где приведена блок- схема системы для поддержания работоспособности водителя транспортного средства, реализующая патентуемый способ.

В основе изобретения лежат следующие предпосылки. Известно, что процессы бодрствования человека строго индивидуальны и подчиняются внешним и внутренним ритмам (Вейн А.М. Бодрствование и сон, М., Наука, 1970, с. 8-11). Монотонная деятельность, а именно такое состояние преобладает у операторов рассматриваемых процессов, вызывает снижение уровня бодрствования, а значит и оптимальной работоспособности (в частности, снижения адекватной и высокостабильной реакции системы на внешнее воздействие) (В.Г.Волков, В.М.Машкова. Методы и устройства для оценки функционального состояния и уровня работоспособности человека, М., Наука, 1993, с. 8). Предлагается в процесс контроля бодрствования ввести операции речевого диалога в режиме "вопрос-ответ" с последующим анализом адекватности ответа заданному вопросу. При неадекватности ответа делается вывод о снижении уровня бодрствования, что предлагается опровергнуть условным действием (воздействием на рукоятку бдительности) или речевым ответом.

Замечено, что изменение психофизиологического состояния отражается на речевом сигнале испытуемого, и это обстоятельство дает возможность объективизировать и повысить точность диагностики. Например, эмоциональное состояние или заторможенность человека в динамике диагностируется измерением изрезанности основного тона во времени (SU 793575 A, ГАЛУНОВ и др., A 61 B 5/16, 1981). Усталость и стресс для индивидуального оператора можно определить по энергетическим параметрам речевого сигнала (SU 1459655 A1, ЛИАП, A 61 B 5/16, 1989), другие характеристики по аритмии речевых сигналов (SU 1581279 A1, ВНИИМП, A 61 B 5/16, 1990).

Известно также, что при переходе от бодрствования к дремотному состоянию, в частности при переутомлении вследствие монотонно действующих факторов, наблюдаются расстройства мышления, выражающиеся в том, что речь человека становится неадекватной ситуации. Она является менее разборчивой, мысли "путаются", становятся бессвязными, речевая информация искажается или речь вообще отсутствует. Известна также связь между речевой возбужденностью и изменением кожного сопротивления (EP 0660303 A1, AT&T Corp., G 10 L 9/16, 1995). Указанные выше физиологические особенности и являются главным критерием в патентуемом изобретении для принятия решения о снижении уровня бодрствования. Сами же средства для синтеза и распознавания речи известны в науке и технике, в частности, из уровня техники, и не являются предметом настоящего изобретения.

Реализация патентуемого способа рассмотрена на примере функционирования системы поддержания работоспособности водителя ТС, блок-схема которой показана на чертеже.

Система содержит блок 1 ввода текущей информации, процессор 2, микрофон 3, подключенный к блоку 4 приема и распознавания речи. Система включает датчики 5 отработки команд по управлению ТС, подключенные к блоку 6 приема исполнения команд, звуковой преобразователь 7 (громкоговоритель, наушники), подключенный к блоку 8 синтеза речевых стимулов. Имеется блок 9 зрительных стимулов, подключенный к блоку 10 предъявления стимулов и команд. Блоки 8 и 10 связаны между собой и с блоком 11 формирования стимулов и команд, подключенным к процессору 2. Кроме того, блоки 8 и 10, а также 4 и 6 подключены к блоку 12 реакции водителя на стимул, связанному с блоком 13 анализа соответствия стимула и реакции также управляемому процессором 2.

Система включает блоки 14 памяти предаварийных ситуаций и блок 15 выработки решения по управлению ТС, подключенные к органам 16 управления ТС. Блок 16 связан с блоком 17 включения сигнальных устройств и блоком 18 экстренного торможения. Для удобства оперативная информация от процессора 2 может быть выведена на дисплей 19. Процессор 2 по соответствующим шинам обеспечивает синхронизацию работы всех блоков, сбор и обработку поступающей информации и управление всей системой.

Блок 1 ввода текущей информации имеет группу входов, подключенную к соответствующим регистраторам параметров ТС. Для устройств с электротягой это могут быть: скоростемер, манометры, вольтметры. Для автодорожных ТС это: спидометр, тахометр, различные измерители - температуры двигателя, наполнения бензобака, давления масла, давления воздуха в тормозах, шинах. Кроме того, имеется группа входов, регистрирующая физиологические параметры водителя: кожногальваническую реакцию, а также, например, пульс, оксигенацию и пр. в зависимости от конкретного вида ТС.

Предусмотрена группа входов внешних параметров дорожной обстановки, для водителей локомотивов, это, например, репетитор сигналов светофоров. Для водителей автотранспорта, например, расстояние до препятствия или помехи движению, местоположение (координаты места нахождения), информация от знаков дорожного движения, телевизионное изображение заднего и кругового обзора (средства описаны - ж. "Автомобильная промышленность", 1996, N 9, с. 29-30), свет фар встречного ТС, метеоусловия.

В блок 14 памяти предаварийных ситуаций введена сложившаяся к настоящему времени категорийность (по длительности) состояний водителя:
а. быстроразвивающаяся (смерть, потеря сознания);
б. средняя скорость развития (переход ко сну, отключение внимания, т.н. сужение функции внимания);
в. медленная (состояние глубокой усталости, нарастание продромальных симптомов болезненных состояний).

Каждая упомянутая категория имеет соответственно и свои объективные параметры, сопоставляя которые с текущими значениями возможно сделать прогноз ближайших последствий и мероприятий по их предотвращению.

При проведении интеллектуальной обработки информации с блоков 1 и 14 процессор 2, в соответствии с программой, формирует стимулы и команды в блоке 11, которые поступают на блок 8 синтеза речевых стимулов и блок 10 предъявления зрительных стимулов и команд.

В том случае, если имеет место ситуация а, действие системы наипростейшее: посредством процессора 2 и блока 15 выработки решения выдается прямая команда блоку 16 на включение экстренного торможения для железнодорожных ТС или каких-либо действий для немедленного прекращения движения для других ТС (блок 18) и на включение аварийной сигнализации (17).

Патентуемые способ и система предназначены преимущественно для работы в ситуациях б и особенно в, как наиболее часто ведущих к авариям. Рассмотрим подробно реализацию способа в этих условиях.

Сначала проводится определение текущего состояния водителя, параметров ТС, внешних параметров, проводится их сопоставление с параметрами в блоке 14 и осуществляется прогноз на ближайший период времени (например, на следующую минуту).

Психофизиологическое состояние может быть оценено по параметрам фазической составляющей КГР с использованием, например, упомянутого выше прибора ТКСБМ или ему подобного. Критерием снижения работоспособности является увеличение длительности интервала между импульсами фазической составляющей КГР по отношению к норме.

К параметрам ТС могут быть отнесены показатели скорости, давления, напряжения, электрической мощности (для устройств с электротягой). Для автодорожных ТС это также информация со спидометра, тахометра, о температуре двигателя, наполнении бензобака, давлении масла, давлений воздуха в тормозах, шинах. Внешними параметрами являются показатели дорожной обстановки, сигналы светофоров, метеоусловия и пр., т.е. те показатели, которые могут быть определены аппаратным путем.

В случае неблагоприятного прогноза процессор 2 инициирует блок 11 формирования стимулов и команд. Этот блок 11, в зависимости от конкретной ситуации ("тяжести" прогноза) посредством блока 8 синтеза речевых стимулов и звукового преобразователя 7, вступает в речевое общение с водителем. Задаются некоторая команда или один или несколько заранее сформулированных вопросов, связанных с процессом вождения или состоянием водителя. Причем выбор этих вопросов в каждом цикле "вопрос - ответ" осуществляется случайным образом для исключения привыкания.

Существо способа не изменяется, если вопрос формулируется не речевым путем, а посредством блока 10 предъявления стимулов и команд. Это может быть, как световая информация на табло, или информация в другом виде, например, мнемоническом, формирующая запрос о техническом состоянии средств ("тифон", "пантограф" и пр.).

Ответ водителя путем действия поступает непосредственно в блок 6, а в речевой форме преобразуется микрофоном 3 в электрический сигнал, который обрабатывается в блоке 4 приема и распознавания речевой информации. В том случае, если речевой стимул требует принятия мер по управлению ТС и водитель осуществляет такие операции по исполнению команд посредством датчиков 5, сигналы обрабатываются в блоке 6 приема исполнения команд управления ТС. Далее информация обрабатывается блоком 12, в котором определяется реакция водителя на стимул.

Посредством сопоставления информации о реакции водителя, о текущей обстановке с блока 1, а также с блока 14, блок 13 делает заключение о соответствии понятия "бодрствование" в том случае, если смысловое содержание вопроса и ответа соответствуют, что при прочих равных условиях свидетельствует о работоспособности водителя. В этом случае диалог прекращается.

Если же смысловой анализ в блоке 13 дает отрицательный результат, с учетом текущей обстановки и информации с блока 14 памяти предаварийных ситуаций процессор 2 делает заключение о невозможности дальнейшей работы водителя или дает команду на включение аварийной системы.

Существует много различных вариантов выполнения системы в зависимости от умения и профессиональных знаний, а также используемой элементной базы и технических средств. Поэтому приведенная блок-схема не должна служить ограничением при реализации изобретения.

По информации, которой располагает заявитель, группа изобретений является новой и по приведенному описанию промышленно применимой. Представляется, что изобретение удовлетворяет условию изобретательского уровня, так как основано на знаниях, установленных изобретателями. Эти знания сводятся, во-первых, к самой постановке задачи поддержания работоспособности водителя ТС по критерию смыслового соответствия "вопрос - ответ", во-вторых, к одновременной активизации бодрствования водителя посредством речевой стимуляции в диалоговом режиме, что является весьма полезным.

Изобретения относятся к средствам поддержания работоспособности водителей транспортных средств, а также операторов различных профессий и могут быть использованы в различных отраслях промышленности для оперативного контроля соответствия функционального состояния требованиям профессиональной деятельности. В способе поддержания работоспособности водителя анализируют адекватность реакции водителя на смысловое содержание стимула в условиях снижения уровня бодрствования, для чего формируют звуковой стимул в виде по меньшей мере одного речевого вопроса (команды) водителю на активно-осознанное действие. В качестве реакции регистрируют речевое сообщение водителя в ответ на вопрос (команду) и (или) факт выполнения упомянутого действия. Далее сопоставляют содержание вопроса (команды) и речевого сообщения или выполненного действия и их соответствие принимают за критерий работоспособности. Система включает управляемые процессором блоки формирования стимулов и команд, анализа реакции водителя на речевые стимулы, в том числе распознавания речи и блок анализа соответствия стимула и реакции. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ поддержания работоспособности водителя транспортного средства, включающий генерацию звукового стимула, регистрацию реакции водителя на стимул, сопоставление параметров упомянутой реакции с установленными критериями и формирование сигнала активизации при несоответствии критериям работоспособности, отличающийся тем, что анализируют адекватность реакции водителя на смысловое содержания стимула в условиях снижения уровня бодрствования, для чего формируют звуковой стимул в виде по меньшей мере одного речевого вопроса (команды) водителю на активно-осознанное действие, в качестве реакции регистрируют речевое сообщение водителя в ответ на вопрос (команду) и (или) факт выполнения упомянутого действия, сопоставляют содержания вопроса (команды) и речевого сообщения или выполненного действия и их соответствие принимают за критерий работоспособности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снижение уровня бодрствования регистрируют по изменению физиологических параметров пульса или (и) кожно-гальванической реакции водителя. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вопросы (команды) формируют в случайной последовательности. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве активно-осознанного действия, сформулированного в вопросе (команде), рекомендуются водителю воздействовать на вспомогательные средства управления транспортным средством и (или) сообщить обстановку на участке движения. 5. Система для поддержания работоспособности водителя транспортного средства, включающая подключенные к процессору средства для подачи звуковых стимулов со звуковым преобразователем, средства для приема и анализа реакции водителя на звуковые стимулы с датчиками, средства сигнализации и дисплей, отличающаяся тем, что дополнительно введены подключенные к процессору блок анализа соответствия стимула и реакции с подключенными к нему блоками ввода текущей информации и анализа реакции водителя на стимулы и команды, блок памяти предаварийных ситуаций, блок формирования стимулов и команд, а также блок предъявления стимулов и команд, соединенный с блоком зрительных стимулов, и блок выработки решения о неработоспособности водителя, связанный с блоком управления транспортным средством, при этом средства для подачи звуковых стимулов выполнены в виде блока синтеза речевых стимулов, выход которого подключен к звуковому преобразователю, средства для приема и анализа реакции водителя на звуковые стимулы содержат микрофон, подключенный к блоку приема и распознавания речевой информации, датчики отработки команд подключены к входу блока приема исполнения команд, причем оба упомянутых блока подключены к блоку анализа реакции водителя на стимулы и команды.