СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ОПЕРАТОРОВ Российский патент 2004 года по МПК F41H1/00 

Изобретение относится к средствам управления состоянием операторов, в частности операторов военных антропотехнических систем, имеющихся во всех видах вооруженных сил. От психологического и психофизиологического состояний операторов этих систем, от их работоспособности зависит эффективность функционирования систем в целом, их живучесть и надежность.

Известна система управления состоянием операторов гусеничных транспортеров ГАЗ-71 (см., например, справочник: Технические средства медицинской службы Вооруженных Сил СССР. - М.: Воениздат, 1986, с. 38-39), содержащая средства защиты от непогоды, противоударные и противошумовые средства (корпус с двухместной кабиной и платформой с брезентовым тентом), обеспечивающие работоспособное состояние операторов (членов экипажей). Эта система имеет недостатки: головы членов экипажей практически не защищены от ушибов при толчках, остановках и резких поворотах корпуса транспортера. Кроме того, двухместная кабина плохо защищает от шума двигателя и гусеничного движителя, поэтому общение даже рядом сидящих операторов (водителя и командира машины) затруднено. Шум в гусеничных боевых машинах достигает весьма высокого уровня и по своей громкости стоит на грани допустимого. Влияние шума сказывается не только на органах слуха, что выражается снижением остроты слухового восприятия, но и на состоянии всего организма оператора: нарушается устойчивость нервной системы, притупляется внимание, значительно снижается работоспособность.

Известна система управления состоянием операторов (экипажей) боевых машин пехоты БМП-1 (см., например, Боевая машина пехоты БМП-1, ТО и ИЭ. - М.: Воениздат, 1979, с.5-14, 470-480). Она содержит средства защиты от непогоды, противоударные и противошумовые средства (броневой корпус, перегородки, уплотнения, амортизаторы, налобники и др.), источник питания (бортовая электрическая сеть) и соединенное с ним первым входом переговорное устройство со шлемофонами и вмонтированными в каждый из них телефонами и ларингофонами, касающимися в рабочем положении соответственно ушей и горла операторов (членов экипажа), причем в каждом шлемофоне первый вход каждого телефона соединен с первым выходом соответствующего ларингофона, второй - с выходом переговорного устройства, а второй выход каждого ларингофона соединен со вторым входом переговорного устройства.

Эта система защиты гораздо эффективней предыдущей, так как введение шлемофонов позволило не только значительно уменьшить опасность ушибов и снизить уровень шумов за счет наличия вмонтированных в шлемофоны противо- ударных и противошумовых средств, но и улучшить обмен информацией между операторами посредством подключения их шлемофонов к переговорному устройству. Это позволило не только значительно улучшить психофизиологическое состояние операторов, но и повысить их работоспособность. Однако эта система также имеет недостатки.

Работа в боевых машинах (танках, боевых машинах пехоты, бронетранспортерах, бронеавтомобилях и др.) имеет ряд специфических особенностей, зависящих от их конструкции, вооружения, специального оснащения, характера тактического применения. Исследования показывают (см., например, Е.И.Смирнов (гл. редактор). Энциклопедический словарь военной медицины, том 5, с.441-444), что к числу наиболее важных факторов относятся: движение машины, размеры внутренних помещений, тряска и шум, особенности наблюдения и др. В результате совокупного воздействия этих факторов создаются особые, характерные для боевых машин условия работы в них, влияющие в той или иной степени на организм и самочувствие операторов, создающие в ряде случаев угрозу здоровью и вызывающие утомление.

Движение боевых машин, особенно при высоких скоростях современных самолетов и вертолетов, танков и БМП, обусловливает быструю смену внешней обстановки, требующей от операторов четкой, строго определенной и предельно быстрой реакции. Операторы определенных машин выполняют боевые задачи изолированно друг от друга. В условиях боевой обстановки им приходится нередко принимать самостоятельно весьма ответственные решения. Это ведет к значительному эмоциональному нервно-психическому напряжению и затем к накапливанию утомления. Кроме того, тесные рабочие места (в современном танке примерно 1 м³ на человека) обусловливают вынужденность рабочей позы, что ведет к статическому напряжению мускулатуры и ускорению утомления (см. там же, с.442-443).

При изменении характера боевых действий (переход от наступления к преследованию противника или к совершению марша), вызывающем спад нервной напряженности, накопившаяся усталость вызывает опасность засыпания операторов (членов экипажа). Это же происходит и при их длительном нахождении внутри движущейся боевой машины при однообразном маршруте, особенно ночью. Это часто вызывает наезды боевых машин друг на друга и другие дорожные происшествия, пропуск целей, важной информации, сигналов управления. Кроме того, в сонном состоянии сохраняется опасность травмирования членов экипажа, несмотря на наличие шлемофонов и других противоударных средств. При выполнении боевых задач в неподвижной боевой машине (например, в обороне) засыпание членов экипажа приводит к пропуску целей, сигналов управления и др. Предотвращение засыпания, а также диагностика состояния операторов в этой системе защиты не предусмотрены.

Известна также система управления состоянием операторов (см. патент РФ № 2162199, с приоритетом от 16.12.1999), являющаяся по технической сути и существенным признакам наиболее близкой к заявляемой и принятая за ее прототип. Она содержит средства защиты от непогоды, противоударные и противошумовые средства, источник питания, соединенное с ним первым входом переговорное устройство со шлемофонами и вмонтированными в каждый из них телефонами и ларингофонами, касающимися в рабочем положении соответственно ушей и горла операторов, источник сигнала звуковой частоты, соединенные последовательно генератор, первый вход которого соединен с выходом источника питания, и электромагнитное реле, на якоре которого укреплен подпружиненный колпачок, касающийся головы члена экипажа, причем генератор содержит датчик момента включения с генератором случайных сигналов и регулятор временных интервалов, а источник сигнала звуковой частоты оснащен регулятором уровня и частоты сигнала, в каждом шлемофоне первый вход каждого телефона соединен с первым выходом соответствующего ларингофона, второй - с выходом переговорного устройства, второй выход каждого ларингофона соединен со вторым входом переговорного устройства, источник сигнала звуковой частоты входом соединен со вторым выходом генератора, а выходом - с третьим входом телефона. В этой системе обеспечивается предупреждение засыпания оператора, повышение надежности его работы, а вместе с этим обеспечивается повышение боеготовности и живучести военных объектов. Однако состояние операторов можно определить лишь при их опросе по переговорному устройству, что не обеспечивает высокой достоверности (из-за субъективности ответов, из-за возникновения неопределенности при отсутствии ответа, так как возможны варианты: оператор спит, оператор ранен или мертв, нарушена связь и т.д.), требует больших затрат времени и не всегда возможно в реальных условиях. Это существенно затрудняет объективное диагностирование состояния операторов и эффективное управление им.

Целью изобретения является повышение точности диагностирования состояния операторов и эффективности управления им.

Для достижения этой цели в известную систему управления введены первое и второе запоминающие устройства, блок умножения, соединенные с телом каждого оператора датчики его температуры, артериального давления и частоты пульса, установленные на каждом шлемофоне датчики бессознательного состояния оператора, последовательно соединенные блок включения и выбора, вход которого соединен с выходом источника питания, второй выход - со вторым входом генератора, а третий - со входом первого запоминающего устройства, управляемый коммутатор, второй вход которого соединен с третьим выходом ларингофона, блок выделения основного тона, второй выход которого соединен со входом второго запоминающего устройства, а третий - с первым входом блока умножения, со вторым входом которого соединен первый выход второго запоминающего устройства, первый блок сравнения, второй вход которого соединен со вторым выходом второго запоминающего устройства, блок формирования модуля разностного сигнала, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, сумматор, второй блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого запоминающего устройства, и блок индикаторов, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока включения и выбора, а третий, четвертый, пятый и шестой - с выходами датчиков соответственно температуры, артериального давления, частоты пульса и бессознательного состояния каждого оператора.

Предлагаемая система поясняется чертежом, на котором представлена ее функциональная схема и приняты следующие обозначения: 1 - источник питания (ИП), 2 - генератор (Г), 3 - электромагнитное реле (ЭР), 4 - якорь (Я), 5 - подпружиненный колпачок (ПК), 6 - блок включения и выбора (БВВ), 7 - источник сигнала звуковой частоты (ИСЗ), 8 - телефоны (ТЛФ), 9 - голова оператора (ГО), 10 - блок индикаторов (БИ), 11 - переговорное устройство (ПУ), 12 - ларингофоны (ЛРФ), 13 - шлемофон (ШЛФ), 14 - второй блок сравнения (БС₂), 15 - управляемый коммутатор (УК), 16 - сумматор (С), 17 - делитель (Д), 18 - блок формирования модуля разностного сигнала (БФМ), 19 - первый блок сравнения (BC₁), 20 - блок выделения основного тона (БВТ), 21 - первое запоминающее устройство (ЗУ₁), 22 - блок умножения (БУ), 23 - второе запоминающее устройство (ЗУ₂), 24 - датчик температуры оператора (ДТ), 25 - датчик артериального давления оператора (ДАД), 26 - датчик частоты пульса (ДЧП), 27 - датчик бессознательного состояния оператора (ДБС).

Введенные элементы и связи показаны пунктиром, а сплошными линиями изображены элементы и связи прототипа.

В качестве источника питания 1 (ИП) используются источники питания штатной бортовой сети боевой машины. В качестве связей между известными элементами также используются штатные: кабели переговорного устройства 11 (ПУ) и шлемофона 13 (Ш) (гарнитура), предназначенные для подачи питания и передачи необходимых сигналов на телефоны 8 и ларингофоны 12, а также генератор 2. В тех случаях, когда электрические характеристики генератора 2 и электромагнитного реле 3 не отвечают соответствующим характеристикам источников питания бортовой сети 1, то в гарнитуру (кабели) может вводиться дополнительная связь (электропроводник), а в бортовую сеть - соответствующий источник питания. Генератор 2 и электромагнитное реле 3 электрически соединены последовательно друг с другом. При этом электромагнитное реле 3 укреплено на шлемофоне 13 так, чтобы его якорь 4 был обращен к голове члена экипажа 9, а подпружиненный колпачок 5, укрепленный на конце якоря, касался головы члена экипажа. Генератор 2 своим входом подключен к выходу источника питания 1. Расположен он может быть и вне шлемофона, и так же, как и электромагнитное реле 3 на шлемофоне 13, так как современные средства разработки и производства электронных генераторов и реле времени позволяют выполнять их в размере половины спичечной коробки (см., например, А.Х.Синельников. Электронные реле времени. - М.: Энергия, 1974, с.101-129, 148-162, 172-181; Р.Филпс. 750 практических электронных схем. Справочное руководство /Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.347, 440-454, 462 и др.). Генератор содержит датчик момента включения с генератором случайных сигналов и регулятор временных интервалов. Периодичность моментов включения может быть различной: заданной (регулируемой) или же случайной. В последнем случае к генератору подключается или же встраивается в него генератор случайных сигналов. Решение о периодичности зависит от характера и напряженности действий операторов на своих рабочих местах, от их физического состояния, профессионального уровня, усталости. Например, чем усталость оператора больше, тем чаще должно быть воздействие. В процессе испытаний макета предлагаемой системы периодичность моментов включения изменялась от 2-х включений в минуту до 1-го включения в 5 минут. Источник сигнала звуковой частоты может быть выполнен как на основе одной из электронных систем (см., например, Р.Филпс. 750 практических электронных схем. Справочное руководство /Пер с англ. - М.: Мир, 1986, с.347-462), так и на основе запоминающих устройств с предварительно записанной информацией. Блок 6 включения и выбора выполнен на основе переключателя, обеспечивающего включение системы и выбор режима ее работы. В исходном положении блока 6 система отключена и не работает. В 1-м положении - работает как прототип, а во втором - полностью. Особенности устройства остальных элементов широко известны (см. приведенные выше источники), а устройство, принцип действия и тактико-технические характеристики блоков 24-27 подробно описаны в специальной литературе (см., например, Технические средства медицинской службы Вооруженных Сил СССР. Справочник - М.: Воениздат, 1986, с.106-118; Ю.М.Борисов и др. Справочник по инженерной психологии. - М.: Машиностроение, 1982, с.6-48). При этом блок 27 наиболее часто выполняется на основе размыкающихся контактов с индикацией их состояния.

Работа с предлагаемой системой происходит следующим образом. Включение блока 6 в первое положение обеспечивает подключение через него источника питания 1 к генератору 2. Подача электроэнергии к управляемому коммутатору 15 в этом случае не происходит и блок 20 не подключается к блоку 12. Поэтому система функционирует как прототип. При надетом на голову оператора (члена экипажа) шлемофоне 13 и включенном источнике питания 1 напряжение бортовой сети подается на телефоны 8 и ларингофоны 12 (не показано), а также на генератор 2. Подача электрических сигналов на телефоны 8 и ларингофоны 12 обеспечивает подготовку последних к работе. При подаче информации от переговорного устройства 11 (ПУ) сигналы попадают на телефоны, а затем к ушам головы оператора (члена экипажа) 9. Если информация передается оператором, то соответствующие электрические сигналы формируются в ларингофонах 12 и через гарнитуру передаются к переговорному устройству 11 и далее - к другим операторам.

Подача сигналов электрического тока определенной продолжительности (в зависимости от установленной посредством регулятора временных интервалов величины необходимого интервала включения) с первого выхода генератора 2 на электромагнитное реле 3 обеспечивает выталкивание якоря 4 реле 3 и его воздействие через подпружиненный колпачок 5 на голову члена экипажа 9. Установка подпружиненного колпачка 5 обеспечивает плавное нарастание усилия и предупреждает травмирование головы члена экипажа. При прекращении действия сигнала на выходе генератора 2 якорь 4 электромагнитного реле 3 возвращается в исходное положение и действие подпружиненного колпачка 5 на голову члена экипажа 9 прекращается. Таким же образом со второго выхода генератора 2 сигнал подается на вход источника сигнала звуковой частоты 7, который в телефонах 8 преобразуется в звуковой сигнал, аналогичный по моменту возникновения и продолжительности действия сигналу с первого выхода генератора 2.

При переключении блока 6 во второе положение с его выходов сигналы подаются на входы блока индикаторов 10, управляемого коммутатора 15 и первого запоминающего устройства 21, обеспечивая их включение. Управляемый коммутатор 15 обеспечивает подключение к выходу ларингофонов 12 блока выделения основного тона 20. Речевой сигнал с выхода ларингофона поступает на вход блока 20, а на его выходе формируются импульсы основного тона с переменным периодом Т_i=1/f_i, где f_i - текущая частота основного тона речевого сигнала. С выхода блока выделения 20 основного тона сигнал подается на вход первого блока сравнения 19, первый вход блока умножения 22 и вход второго запоминающего устройства 23, которое обеспечивает запоминание и подачу на вторые входы первого блока сравнения 19 и блока умножения 22 сигнала, предшествующего по сравнению с последующим сигналом, подаваемым на его первый вход. Таким образом, в первом блоке сравнения 19 обеспечивается формирование разностного сигнала T_i+1-Т_i, который затем через его выход подается на вход блока 18 формирования модуля разностного сигнала |T_i+1-Т_i|. А в блоке умножения 22 обеспечивается формирование сигнала умножения T_i+1·Т_i, так как на его первый вход с выхода блока выделения основного тона 20 поступает текущий (последующий) сигнал T_i+1, а на его второй вход с выхода блока 23 - предыдущий сигнал T_i. Поэтому на вход блока деления 17 поступают сигналы, соответствующие модулю разности и произведению сигналов каждого последующего и предшествующего периодов основного тона. На выходе блока деления 17 формируется сигнал, соответствующий частному от деления этих величин |T_i+1-Т_i|/T_i+1·Т_i. В сумматоре 16 производится суммирование полученных значений частных деления:

где к - количество импульсов в речевой информации.

Полученная сумма определяет степень изрезанности кривой частоты основного тона, измеренного в период наличия речевого сигнала. Во втором блоке сравнения в цифровом виде воспроизводятся и сравниваются значения изрезанности частоты основного тона, информация о чем поступает с выходов сумматора и первого запоминающего устройства 21, в котором хранится информация, соответствующая нормальному состоянию говорящего оператора. Сравнение этих величин позволяет определить степень и знак изменения его состояния, информация о чем подается на соответствующий индикатор блока индикаторов 10.

Другие индикаторы блока 10 связаны с соответствующими датчиками 23, 24 и 25, соединенными с телом каждого оператора и представляющими информацию об основных физиологических характеристиках каждого из них. Эта информация позволяет еще более расширить возможности системы, особенно при диагностировании и в случае отсутствия речевой информации между операторами.

Посредством датчика 27 на блок 10 подается информация о бессознательном состоянии оператора. Такое состояние фиксируют с помощью размыкающихся контактов, один из которых соединен гибкой связью со шлемофоном оператора, а второй - с характерным неподвижным элементом на рабочем месте (например, с потолком башни или корпуса на бронеобъекте). При выходе головы оператора 9 из рабочей зоны (бессознательное состояние) контакты размыкаются, информация о чем поступает на соответствующий индикатор блока 10.

Использование эффекта воздействия подпружиненного колпачка 5 и звукового сигнала в телефонах 8 с точки зрения физиологии заключается в раздражении ими операторов посредством соответственно касания его головы и действия на его слуховой аппарат. Такое раздражение препятствует засыпанию члена экипажа на рабочем месте, особенно при монотонном характере деятельности члена экипажа, не позволяет ему отвлекаться в паузах между выполняемыми операциями и в конечном итоге обеспечивает повышение надежности его работы. Неприятные ощущения, если они возникают, могут быть устранены подбором пружины под колпачком и регулировкой уровня и частоты звукового сигнала.

Введение блоков 6, 10, 14-23 позволяет дополнительно существенно расширить функции предлагаемой системы за счет повышения достоверности и точности диагностирования состояния операторов (эмоционального, утомления) еще до наступления стадии засыпания, что повышает быстродействие и управляемость операторов системы. Введение блоков 24-27 обеспечивает дальнейшее повышение достоверности и точности диагностирования состояния операторов за счет учета физиологических характеристик их основных жизнеобеспечивающих систем. Кроме того, расширение функций предлагаемой системы обеспечивается и в случаях отсутствия речевой связи между операторами.

Изобретение относится к средствам управления состоянием операторов, в частности операторов военных антропотехнических систем, имеющихся во всех видах вооруженных сил. Технический результат - повышение точности диагностирования состояния операторов и повышение эффективности управления. Система содержит средства защиты от непогоды, противоударные и противошумовые средства, источник питания, соединенное с ним переговорное устройство со шлемофонами и вмонтированными в них телефонами и ларингофонами, соединенные последовательно генератор и электромагнитное реле, на якоре которого укреплен подпружиненный колпачок, касающийся в рабочем положении головы оператора. Система снабжена двумя запоминающими устройствами, дополнительной коммутирующей аппаратурой, сумматором, индикатором, блоками деления, умножения, сравнения, формирования модуля, выделения основного тона речевого сигнала, датчиками температуры, артериального давления, частоты пульса, бессознательного состояния оператора и дополнительными связями. Введенные элементы и связи обеспечивают существенное расширение функциональных возможностей системы по повышению ее диагностических характеристик при оценке состояния операторов (их утомления, эмоционального напряжения и др.) и управлению им. Это позволяет обеспечить повышение надежности, боеготовности экипажей и живучести боевых машин на 10-20%. 1 ил.

Система управления состоянием оператора, содержащая источник питания, соединенное с ним первым входом переговорное устройство со шлемофонами и вмонтированными в каждый из них телефонами и ларингофонами, выполненными с возможностью касания в рабочем положении соответственно ушей и горла оператора, источник сигнала звуковой частоты, соединенные последовательно генератор, первый вход которого соединен с выходом источника питания, и электромагнитное реле, на якоре которого укреплен подпружиненный колпачок, выполненный с возможностью касания головы оператора, причем генератор содержит датчик момента включения с генератором случайных сигналов и регулятор временных интервалов, а источник сигнала звуковой частоты оснащен регулятором уровня и частоты сигнала, в каждом шлемофоне первый вход каждого телефона соединен с первым выходом соответствующего ларингофона, второй выход каждого ларингофона соединен со вторым входом переговорного устройства, а источник сигнала звуковой частоты входом соединен со вторым выходом генератора, а выходом - с третьим входом телефона, отличающаяся тем, что введены первое и второе запоминающие устройства, блок умножения, датчики температуры, артериального давления и частоты пульса для установки на теле каждого оператора, установленные на каждом шлемофоне датчики бессознательного состояния оператора, последовательно соединенные блок включения и выбора, вход которого соединен с выходом источника питания, второй выход - со вторым входом генератора, а третий - со входом первого запоминающего устройства, управляемый коммутатор, второй вход которого соединен с третьим выходом ларингофона, блок выделения основного тона, второй выход которого соединен со входом второго запоминающего устройства, а третий с первым входом блока умножения, со вторым входом которого соединен первый выход второго запоминающего устройства, первый блок сравнения, второй вход которого соединен со вторым выходом второго запоминающего устройства, блок формирования модуля разностного сигнала, блок деления, второй вход которого соединен с выходом блока умножения, сумматор, второй блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого запоминающего устройства, и блок индикаторов, второй вход которого соединен с первым выходом блока включения и выбора, а третий, четвертый, пятый и шестой - с выходами датчиков соответственно температуры, артериального давления, частоты пульса и бессознательного состояния каждого оператора.