Миронов А.Д., Наквасин А.Ю.

Федеральное государственное унитарное предприятие  «Летно-исследовательский институт им. М.М.Громова», г. Жуковский, Московская обл, Россия

Многолетняя мировая и российская статистика авиационных катастроф указывает на человеческий фактор, как преобладающую причину этих событий, причем  значительная их часть связана с неправильными действиями или бездействием членов лётных экипажей. В некоторых случаях причиной ошибок служит воздействие длительной, усыпляющей бдительность монотонии, а в других наоборот - выраженное перенапряжение регуляторных систем и истощение запасов функциональных резервов пилота, связанное с высоким уровнем рабочей нагрузки.

При этом следует иметь в виду, что состояние воздушного судна и его систем контролируется бортовыми самописцами в течение всего полёта, а информация о состоянии важнейшего звена авиатранспортной системы - пилота доступна для контроля только на этапе предполётного медицинского осмотра. После полёта на основании информации бортовых самописцев может быть оценена своевременность принятия экипажем решений, их исполнение, особенности управляющих воздействий и т.д. Однако в процессе автоматического полёта состояние членов экипажа может быть оценено только на основе анализа речевой информации.

В Летно-исследовательском институте в течение ряда лет ведется НИР, целью которой является создание бесконтактной системы наблюдения за состоянием лётчика на рабочем месте, не обременяющей его какими либо дополнительными обязанностями и являющейся элементом конструкции воздушного судна. В настоящее время проводится проверка на пилотажном стенде третьей модификации макетной информационно-измерительной системы контроля состояния пилота ИИС-СП, встраиваемой в сиденье пилотского кресла.

Система представляет собой стабилометрическую платформу  на трёх опорах, оборудованных тензометрическими силоизмерительными датчиками и пьезодатчиком микроперемещений. Регистрирует система ИИС-СП возникающие колебания вертикальной нагрузки, незаметные для человека. Сигнал после оцифровки аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) поступает в портативную вычислительную машину, где проводится вычисление веса, расчет координат центра давления тела пилота на платформу, и регистрация импульсов, связанных с дыханием и сердечной деятельностью испытуемого при малоподвижном состоянии (например, при полете на автопилоте).

Результаты исследований, проведённых в ФГУП ЛИИ им. М.М. Громова, показывают, что при штурвальном пилотировании система позволяет давать оценку степени двигательной активности пилота, а параметры указанного колебательного процесса (стабилографические ритмы) могут характеризовать психофизиологическое состояние испытуемого. Накопленный экспериментальный материал так же показывает, что система должна обеспечивать двухрежимность: одна группа показателей состояния лётчика соответствует штурвальному режиму управления, другая - автоматическому, без воздействия лётчика на рычаги управления.

На текущем этапе исследований основное внимание уделяется показателям второй группы, базирующимся на анализе вариабельности сердечного ритма (ВСР). Анализ ВСР основан на распознавании и измерении временных интервалов между R-зубцами электрокардиограммы. В данном исследовании источником исходных данных для анализа ВСР служит пьезодатчик малых колебаний, входящий в состав системы ИИС-СП. При размещении пьезодатчика в центре платформы физическая интерпретация его сигнала - скорость изменения вертикальной нагрузки на платформу от тела испытуемого пилота. 

Система ИИС-СП с высокой точностью  локализует механические импульсы, связанные с сердечной деятельностью на фоне незначительной двигательной активности. Как пример для иллюстрации, использован отрезок конкретной сейсмограммы с 15 по 30 секунду записи, которая получена в эксперименте при помощи ИИС-СП с параллельным независимым измерением параметров сердечной деятельности испытуемого медицинским кардиомонитором, регистрирующим ЭКГ. Измерения проводились в период отдыха испытуемого в положении сидя после интенсивной физической нагрузки на велотренажере. Сейсмограмма с частотой дискретизации по времени 300 Гц в интервале 15-30с. представлена на нижнем графике рис.1.

Основным средством анализа сейсмограмм в работе является метод, основанный на непрерывном вейвлет-преобразовании. Вейвлет-преобразование одномерного сигнала преобразует функцию одной переменной в набор вейвлет-коэффициентов, который представляет собой функцию двух переменных - масштаба (или обратной ему центральной частоты)  и времени. На рис.1 (верхний и средний графики) изображена такая функция в виде проекций на плоскость параметров центральной частоты и времени в двух смежных частотных диапазонах, где величина вейвлет-коэффициента в точке отмечается цветом соответствующей интенсивности (в данном случае оттенком серого).

Рис.1      Пример вейвлет-преобразования исходной сейсмограммы при помощи вейвлета Гаусса 4-го порядка.

Следует отметить, что применение вейвлет-анализа позволяет выявить в сложном апериодическом процессе некоторые особенности, которые трудно было бы обнаружить методами классического спектрального оценивания. Например, на среднем графике рис.1, отражающем колебательную активность в диапазоне частот 0.1 - 1Гц,  отчетливо видны 5 циклов дыхания, которые на графике исходного сигнала незаметны. Верхний же график (диапазон 1 - 37.5Гц) показывает 21 импульс схожей частотно-временной структуры, которые на графике сейсмограммы хоть и присутствуют, но не выглядят однотипными. Эти импульсы точно совпадают с отметками сердечных сокращений, зарегистрированными электрокардиографическим прибором (черные маркеры на  верхнем графике рис.1, что подтверждает эффективность рассматриваемого метода.