Характеристики физиологических процессов человека

Изучаемый процесс	Предмет исследования	Электрические характеристики	Изучаемые показатели (рис. 2.5)
Амплитуда, мкВ	Частота, Гц
Электроэнцефалограмма (ЭЭГ)	Электрическая активность головного мозга	5-10	0,5-100	Суммарная биоэлектрическая активность ЭЭГ, характеристики отдельных ритмов (амплитуда, длительность, число волн ритма, удельный вес ритма в ЭЭГ)
Электромиограмма (ЭМГ)	Электрическая активность мышц	20-200	20-500	Суммарная биоэлектрическая активность мышц, амплитуда и продолжительность отдельных мышечных сокращений
Кожно-гальваническая реакция (КГР)	Электрическое сопротивление кожи	100-200	1 - 10	Латентный период КГР (//), амплитуда КГР (А), длительность г-й фазы (ti, t%, ti ...), скорость нарастания (а) и скорость спада ({5). Общая площадь под кривой КГР
Электрокардиограмма (ЭКГ)	Электрическая активность сердца	300-3000	0,15-300	Интервалы ЭКГ (R - R, Q - Т я др.), частота сердечных сокращений, систолический и гистографический показатели
Электроокулограмма (ЭОГ)	Глазодвигательная активность	20-200	0,1-3,5	Количество движений и миганий в единицу времени. Амплитуда и длительность движения (перемещения взгляда). Длительность фиксации взгляда
Пневмограмма (ПГ)	Характер дыхания	Зависит от способа измерения	0,8-4	Длительность и глубина вдоха (4Д) и выдоха (W), длительность дыхательного цикла, частота дыхания

Рис.2.5. Пример записи физиологических характеристик человека: а - электроэнцефалограмма; б - электромиаграмма; в - кожно-гальваническая реакция; г - электрокардиограмма; д - электроокулограмма; е - пневмограмма;

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) характеризует биоэлектрическую активность головного мозга. В спектре ЭЭГ содержатся различные составляющие: дельта-ритм (частота колебаний 0,5-4,0 Гц), тета-ритм (5,0-7,0 Гц), альфа-ритм (8,0-12,0 Гц), бета-ритм (15-35 Гц), гамма-ритм (35-100Гц). Преобладание низкочастотных колебаний (дельта- и тета-ритмы) свидетельствует о наступлении тормозного процесса (сон, ослабление бдительности и внимания, утомление и т. п.). Наличие альфа-волн характеризует состояние нормальной синхронизации основных нервных процессов. Они являются доминирующими у здорового, бодрствующего человека, находящегося в состоянии оперативной готовности к деятельности. Преобладание высокочастотных колебаний указывает на процесс возбуждения в коре головного мозга. Это бывает характерным при возникновении психофизиологической напряженности во время работы, свидетельствует о возникновении эмоциональных состояний.
Электромиограмма (ЭМГ) представляет регистрацию биопотенциалов мышц человека. ЭМГ служит весьма чувствительным объективным показателем включения в динамическую или статическую работу отдельных групп мышц. Такой анализ необходим при изучении рабочей позы и управляющих движений оператора. Суммарная биоэлектрическая активность мышц оценивается показателем

где А_i и t_i, - соответственно амплитуда и длительность i-го мышечного сокращения; Т - период наблюдения. С помощью ЭМГ можно регистрировать также утомление человека. При утомлении уменьшается суммарная активность мышц и средняя амплитуда колебаний. Кожно-гальваническая реакция (КГР) характеризует изменение электрического сопротивления или разности потенциалов кожи. КГР является одним из наиболее результативных способов регистрации возникновения эмоциональной напряженности у оператора. При этом наблюдается падение электрического сопротивления кожи или увеличение разности потенциалов между двумя точками кожной поверхности (от 10-30 мВ/см в нормальном состоянии до 100 мВ/см и более при возникновении эмоциональной напряженности).
Электрокардиограмма (ЭКГ) заключается в регистрации электрических явлений, возникающих в сердечной мышце. ЭКГ состоит (см. рис. 2.5.г) из ряда зубцов, характеризующих протекание тех или иных процессов в сердечной мышце, и интервалов между ними. Зубец R соответствует моменту возбуждения желудочков сердца, а зубец Т - моменту выхода их из состояния возбуждения. Интервал R-R характеризует длительность сердечного цикла, а интервал Q-Т соответствует периоду от начала возбуждения желудочков сердца до окончания их возбуждения.
В инженерной психологии ЭКГ используется для определения напряженности работы оператора. Для этого измеряются: частота сердечных сокращений (ЧСС), систолический и гистографический показатели. Частота сердечных сокращений определяется величиной, обратной продолжительности R-R-интервалов.
Систолический показатель определяется процентным соотношением времени сокращения желудочков сердца ко всему времени сердечного цикла, т. е.

Для определения гистографического показателя определяется N последовательных значений величин tKR. Весь диапазон изменения t_RR разбивается на m интервалов одинаковой длины. Если через t_i, обозначить середину i-го интервала, а через n_i - число значений t_RR, попавших в i-й интервал, то величину гистографического показателя можно вычислить по формуле

При возникновении напряженности в работе оператора рассмотренные показатели ЭКГ, как правило, увеличиваются. Электроокулограмма (ЭОГ) характеризует электрическую активность глазных мышц. Обычно используется раздельная регистрация вертикальных и горизонтальных движений глаз. При этом знак потенциала ЭОГ указывает направление перемещения взгляда, а его величина - угол перемещения. ЭОГ применяется для анализа работы зрительной системы человека со средствами отображения информации, для анализа распределения и переключения внимания оператора в процессе работы и других целей. Пневмограмма (ПГ) представляет собой запись внешнего дыхания. Она используется для оценки психофизиологической напряженности. В состоянии возбуждения или напряжения частота дыхания увеличивается до 50-60 колебаний в минуту, наблюдается также уменьшение глубины дыхания и укорочение фазы выдоха (t_выд) относительно фазы вдоха (t_ВД).
Речевой ответ (РО) изучается по спектральным и временным характеристикам речи оператора. По изменению интонации голоса, которая сопровождается изменением спектрального состава звуковых колебаний, можно судить о возникновении эмоциональных состояний оператора, напряженности и утомления в его работе. В последнее время получены данные, свидетельствующие о том, что информация об этих состояниях содержится также во временных параметрах РО. Например, при развитии утомления увеличиваются длительность слов и пауз между ними, а также их дисперсии.
В состав аппаратуры для измерения физиологических характеристик обычно входят следующие устройства: датчики или электроды (служат для отведения потенциалов с поверхности тела человека), преобразователь (служит для преобразования исходного сигнала к виду, с которым легко вести его дальнейшее усиление), усилитель биоэлектрических сигналов, регистратор (служит для выдачи результата измерений в графической или цифровой форме). Исследование только одного физиологического показателя, как правило, не может дать однозначного ответа о состоянии оператора. Поэтому на практике применяется обычно так называемый полиэффекторный метод, заключающийся в одновременной записи и анализе целого комплекса показателей, называемого симптомокомплексом. Применение полиэффекторной методики позволяет значительно повысить надежность и достоверность диагностики состояний оператора при выполнении данной деятельности. Структурная схема системы, предназначенной для одновременного съема и анализа трех физиологических показателей, показана на рис. 2.6. Сигналы на анализ в этой схеме поступают в дискретной форме с использованием широтно-импульсной (ШИМ) или амплитудно-импульсной (АИМ) модуляции.

Рис. 2.6. Структурная схема трехканального устройства для анализа физиологических характеристик человека с применением широтно-импульсной (ШИМ) или амплитудно-импульсной (АИМ) модуляции

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Рассмотренные выше психологические и физиологические методы могут быть применены лишь в реально существующих СЧМ или при наличии их макетов, имитаторов, испытательных стендов. Возможности этих методов при проектировании СЧМ, когда будущая система существует лишь в чертежах, весьма ограничены. Более широкие возможности в этих условиях имеют математические методы. Они применяются для формализованного описания и построения математических моделей деятельности оператора (функционирования СЧМ).
К математическим методам в инженерной психологии предъявляются следующие требования: размерность (описание процессов управления со многими взаимосвязанными переменными), динамичность (учет фактора времени), неопределенность (учет случайных, вероятностных составляющих в деятельности оператора), факторность (учет специфических особенностей поведения человека, например напряженности, эмоций и т. д.), описательность (возможность описания внутренних, психофизиологических механизмов деятельности человека). Кроме того, применяемые методы должны допускать возможность описания деятельности человека и работы машины с помощью единых показателей и характеристик.
Сравнительная характеристика различных методов приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2