ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 1, с. 24-32
^ ОБЗОРЫ, ^^^^^^^^^^^^
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 612.821.6
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ УРОВНЯ
БОДРСТВОВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА С УЧЕТОМ ВЕРОЯТНОСТНОЙ ПРИРОДЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОШИБОК
ПРИ ЗАСЫПАНИИ
© 2013 г. В. В. Дементиенко, В. Б. Дорохов*
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова Российской академии наук, *Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности
и нейрофизиологии Российской академии наук, Москва, e-mail: valery@dementienko.ru Поступила в редакцию 23.04.2012 г. Принята в печать 19.10.2012 г.
Одной из наиболее частых причин возникновения ошибок при выполнении профессиональной деятельности является критическое снижение уровня бодрствования человека-оператора. Показано, что соотношение между величиной снижения уровня бодрствования и вероятностью ошибок носит нелинейный характер, причем развитие дремотного состояния может по-разному влиять на разные когнитивные функции человека. Это означает, что даже при небольших снижениях уровня бодрствования существует вероятность возникновения ошибок. Для контроля возникновения и предотвращения опасных состояний оператора разрабатываются автоматизированные системы контроля таких состояний (fatigue monitoring devices), но они пока имеют ограниченную область применения и недостаточную эффективность. Предлагается новый подход для количественной оценки эффективности систем контроля функционального состояния человека-оператора с учетом нестабильной природы поведенческих реакций в условиях критического снижения уровня бодрствования.
Ключевые слова: засыпание, сонливость, состояние нестабильности, вариабельность деятельности, транспортная безопасность, системы контроля уровня бодрствования.
Estimation of Efficiency of Fatigue Monitoring Devices Considering the Occurrence of the Instability of Nature of Falling Asleep Errors
V. V. Dementienko, V. B. Dorokhov
Institute of Radio Engineering and Electronics of V.A. Kotelnikova, Russian Academy of Sciences; Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: valery@dementienko.ru
One of the most frequent reasons of occurrence of errors at professional work performance is the critical decrease in the level of wakefulness of the operator. It is shown that the parity between the size of the decrease in the level of wakefulness and the probability of errors has a nonlinear character, and development of a drowsy condition can influence differently on various cognitive functions of the person. It means, that even at a small decrease in the level of wakefulness, there is a probability of occurrence of errors. For the control of the occurrence and prevention of dangerous conditions of the operator, the Fatigue monitoring devices are developed, but now they have the limited scope and efficiency. The new approach to a quantitative estimation of the efficiency of the monitoring systems of a functional is offered on condition of the person of the operator taking into account the instability of performance in the conditions of the critical decrease in the level of wakefulness.
Keywords: falling asleep, sleepiness, state instability, performance variability, transport safety, fatigue monitoring devices.
DOI: 10.7868/S0044467713010036
ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее частых причин возникновения ошибок при осуществлении профессиональной деятельности является критическое снижение уровня бодрствования человека-оператора, вызываемое различными нарушениями ночного сна [8, 11, 27, 30, 31]. Известно, что человеческая деятельность имеет принципиально стохастический, нестабильный характер [16, 21, 22], зависящий как от вариабельности внутреннего состояния человека, так и от изменений во внешней среде. Причем снижение уровня бодрствования может по-разному влиять на разные когнитивные функции человека, связанные с разного рода поведенческими ошибками [25]. Как показывают исследования, снижение уровня бодрствования может вызывать нарушения когнитивной деятельности, сравнимые с действием довольно больших доз алкоголя [32]. Однако если для измерения содержания уровня алкоголя в организме водителя существуют точные и чувствительные приборы, то для измерения уровня сонливости таких приборов пока нет, но такими приборами в будущем могут стать системы автоматического контроля уровня бодрствования.
В последнее время большое внимание уделяется разработке технических систем контроля уровня опасных функциональных состояний оператора, объединяемых термином "утомление" (fatigue monitoring devices), направленных на обнаружение и предотвращения таких состояний [12, 13, 18, 26, 32]. В настоящее время существует несколько десятков такого рода систем, основанных на использовании различных физиологических и поведенческих показателей, но они пока имеют ограниченную область применения и недостаточную эффективность [12, 13, 32], связанную с вероятностным характером возникновения поведенческих ошибок при снижении уровня бодрствования [16, 21, 22].
Наш опыт разработки систем контроля уровня бодрствования для железнодорожного и автомобильного транспорта [3—7] позволил нам сформулировать определенные требования к надежности систем контроля уровня бодрствования оператора с гарантированной вероятностью того, что декларируемое неблагоприятное состояние не наступит. Мы полагаем, что для преодоления принципиального физиологического ограничения — нестабильного характера деятельности при сниженном
уровне бодрствования, необходимо периодически активировать (инициировать) оператора в случае сомнения в адекватности его состояния.
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ХАРАКТЕР НАРУШЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ СНИЖЕНИИ УРОВНЯ БОДРСТВОВАНИЯ
Давно известно о вариабельности поведенческих реакций при выполнении непрерывной деятельности, что объяснялось колебанием уровня внимания при бодрствовании [28]. Однако в последние годы в экспериментах с длительным временем бодрствования было показано, что увеличение потребности во сне сопровождается увеличением вариабельности времени выполнения реакции и нестабильности поведенческих реакций [16, 33]. Было показано, что латентность реакции меняется не плавно по мере увеличения длительности бодрствования, а могут неожиданно возникать эпизоды моментального увеличения ла-тентности эффекторной реакции в 2—3 раза, после чего время реакции быстро возвращается к исходным значениям. Полагают, что причиной возникновения таких "провалов" в деятельности длительностью 3—10 с, называемых "микросном", является экстренное кратковременное включение механизмов сна [14, 29]. Этот феномен моментального (неожиданного) сдвига в характере выполнения реакций, вызываемый увеличением потребности в сне, был сформулирован в виде гипотезы "состояния нестабильности" во внимании [16, 21, 22, 33]. Предполагается, что "состояние нестабильности" в процессах внимания и поведенческих реакций есть результат взаимодействия двух конкурирующих механизмов сна и бодрствования, запускаемых увеличивающейся потребностью в сне (давлением сна) [16, 22, 29, 33]. С одной стороны, происходит экстренное включение механизмов запуска сна и кратковременное внедрение их в процесс бодрствования, что выражается в провалах внимания, задержках или отсутствии реакций на стимулы. С другой стороны, такой экстренный запуск механизмов сна вызывает ответную компенсаторную активацию механизмов бодрствования, направленную на восстановление и поддержание уровня внимания, обеспечивающего эффективность деятельности. Предполагают, что физиологической основой такого
Доля ДТП, % 100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
ив
- у/ Wm ш
- / Щк
шр
в
- / шж
- ЩШ\
- ш шш
ж шхШ
Я jHH Шж
ft iiii wívífá шШ,
20 40 60
Доля водителей, %
80
100
Рис. 1. Зависимость количества ДТП от процентной доли водителей, параметр Ха изменя-
Для первых (худших)
3 ■ 10-4 ч-1
ч % для по-
К, ср = 7 ■ 10-7 ч-1
a, ср
ется от 10—3 до 10-7 ч-1 10% водителей — X, следних (лучших) Fig. 1. Dependence of the quantity of the road accident on a percentage share of drivers, parameter Xa changes from 10-3 till 10-7 hour-1. For first 10% of drivers (worst) — Xa sr = 3 ■ 10-4 hour-1, for last (best) of 10% — Xa sr = 7 ■ 10-7 hour-1.
конкурентного взаимодействия механизмов бодрствования и сна, вызывающего "состояние нестабильности", может быть функционирование гипотетического нейронного переключателя, предложенного К. Сейпер с соавт. [29]. Авторы работ [29, 33] считают, что две популяции нейронов "сна" и "бодрствования", находящиеся в вентральном латеральном преоптическом ядре гипоталамуса, конкурентно тормозят друг друга и определяют возникновение "состояния нестабильности" поведенческих реакций при развитии потребности в сне.
Данные такого рода и гипотеза "состояния нестабильности" внимания лежат в основе разрабатываемого нами подхода к анализу нарушения деятельности при засыпании [3—7]. Ранее нами было экспериментально показано, что соотношение между величиной снижения уровня бодрствования и вероятностью возникновения ошибок деятельности носит нелинейный, вероятностный характер, что было представлено в виде биоматематической модели
засыпания человека-оператора [4]. Наиболее интересным результатом, полученным в этом исследовании, являются данные о возможности появления кратковременных эпизодов "микросна" уже на начальных стадиях засыпания. Этот результат противоречит интуитивным представлениям о постепенном характере перехода ко сну и подтверждает точку зрения, что процесс засыпания носит циклический вероятностный характер, определяемый гетерохронным взаимодействием систем бодрствования и сна [19, 23]. Поэтому при анализе нарушений деятельности следует говорить не о наступлении "момента сна" [20, 27], а более правильно проводить оценку вероятности возникновения эпизодов "микросна" и сопровождающих их ошибок в деятельности [4, 12, 22]. Предполагают, что возникновение дремотного состояния сознания при длительном м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.