Выделите текст, чтобы комментировать.
Проблемы безаварийной работы машинистов
Очевидно, предотвратить катастрофу лучше, чем купировать ее последствия. Однако, пока за ситуацию влияет такое небезупречное мнение ответственных работников, что «суммы ущерба от крушений меньше, чем затраты на нормальные условия работы». Разберемся с ситуацией с технической стороны, ответив на вопрос - можно ли повысить безопасность на жд транспорте с помощью не одного элемента контроля, а комплексно, с применением нескольких элементов системы идентификации машиниста. Элементами комплексной системы безопасности предполагается контроль по глазам (состоянии век), сердечному ритму, и голосу – в ответ на предупреждение системы безопасности. Ни одной такой надежной системы в производстве нет, но сие не значит, что она не будет создана в ближайшее время.
Пока не существует ни одной биометрической системы, которая бы работала без сбоев и при этом не стоила, как всемирный банк. Голос — поддается подделке и изменяем у носителя. Отпечатки пальцев — в холодной, влажной, загрязненной среде – в электронном виде считываются некорректно. Контроль по форме и мимике лица предполагает жесткие требования к расположению и освещению объекта. Сердечный ритм изменяется индивидуально. Сканирование по радужной оболочке (не путать с сетчаткой глаза) — дорого, медленно, дает сбои. Корректно контролировать научились пока только в затемненных условиях и при надежно обездвиженном лице. Либо, как вариант, прислоняют специальную трубу к глазу, но последнее - не дистанционные технологии. И, тем не менее, совершенствовать ситуацию с точки зрения повышения безопасности на жд транспорте возможно.
Что применяется сейчас
В основе телемеханической система контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ), действующей сегодня как элемент безопасности движения на железной дороге в России распознавание по биологической активности сердца – сокращениям сердечной мышцы, то есть пульсу. ТСКБМ производит компания «Нейроком». Надо сказать, до 2018 года не было и этого. В старые времена машинисты вынуждены были действовать «по старинке», по методу, которому без малого 70 лет… В кабине раздавался «неприятный» звуковой сигнал – с периодичностью 3-4 раза в 5 минут, машинист должен был нажать специальную кнопку, чтобы выключить его. Если не нажимал, сигнал раздавался чаще, затем, если не было реакции включалась система аварийной остановки локомотива. Работая над темой, автор испробовал ситуацию на себе – см. рис.
Машинист управляет локомотивом 2ЭС, исследуя системы безопасности движения
Теперь для контроля состояния машиниста принята технология динамической биометрической идентификации; экспресс-анализ состояния сердечно-сосудистой системы позволит идентифицировать cостояние человека. Потому, что кардиограмма может быть средством биометрической аутентификации, таков промежуточный вывод в научной работе «Исследование искусственных нейронных сетей в задаче идентификации личности по электрокардиосигналу». В научном сообществе признана уникальность человеческого сердечного ритма, что позволяет использовать его в качестве биометрического идентификатора. Предполагается, что при засыпании человека, его пульс снижается. Это обстоятельство легло в основу современной телемеханической система контроля бодрствования машиниста. Специальный браслет (рис. 2) постоянно на руке машиниста, тест-контроль пульса и сопротивления кожи на локальном участке занимает долю секунды.
Элемент системы безопасности – контроль пульса машиниста
Изделия локомотивной аппаратуры системы ТСКБМ: ТСКБМ-К, ТСКБМ-П, ТСКБМ-И, ТСКБМ-ИМН, ТСКБМ-ИД, ТСКБМ-А, ознакомиться с документацией можно по ссылке [1]. Для локомотивов, управляемым одним машинистом (без помощника) – как правило, это подъездные пути, маневренные тепловозы составители поездов, грузовые подъездные пути второстепенного назначения, существует требование об обязательном использовании телемеханическая система контроля бодрствования машиниста. По отзывам практикующих машинистов «ТСКБМ малоэффективная, мешающая, не решающая проблему — поезд вести мешает, от сна не гарантирует. У начальства считается панацеей от всех бед». Давайте проверим – почему? Рассмотрим принцип оценки уровня бодрствования машиниста.
Принцип оценки уровня бодрствования машиниста
Из основ физиологии человека известно, что уровень бодрствования человека сопровождается сигналом кожно-гальванической реакции (сигнал КГР). Сигнал КГР - спонтанное кратковременное повышение проводимости кожи с последующим возвратом к исходному уровню. Сигнал КГР регистрируется путем измерения относительного приращения сопротивления кожи и имеет форму импульсов треугольной формы со специфической асимметрией: в виде крутого переднего и полого заднего фронта. Схематическое изображение импульса КГР и типичные параметры приведены на рис.
Сигнал кожно-гальванической реакции
Пояснение к рис.
- RA = 50...500 кОм - Базовое сопротивление, относительно которого регистрируется импульс КГР
- dRA = 2,5...50 кОм - Приращение сопротивления за время нарастания импульса КГР
- dRA/RA = 5...10% - Амплитуда импульса КГР
- t1 = 1...3 с - Длительность нарастания импульса КГР
- t2 = 1...10 с - Длительность убывания импульса КГР
- ТКГР = 20...60 с - Интервал следования импульсов КГР
- Rx = 5 кОм ... 12,5 МОм - Текущее значение сопротивления
Далее представлена блок-схема cвязи по радиоканалу браслета и блока управления ТСКБМ.
Блок-схема cвязи по радиоканалу браслета и блока управления ТСКБМ
Носителем информации об уровне бодрствования является ТКГР время между импульсами КГР - у засыпающего человека увеличивается интервал времени между импульсами КГР. Несмотря на случайную природу, импульс КГР хорошо распознается. В ТСКБМ реализовано программное преобразование сигнала КГР в цифровую форму выделение количественных показателей сигнала КГР, отображение показателей в условный уровень бодрствования. Так написано в инструкции. Система ТСКБМ непрерывно осуществляет контроль и индикацию уровня бодрствования машиниста по условной шкале, а также приводит в действие механизм экстренного торможения при снижении уровня бодрствования ниже некоторого критического. Машинисту предоставлена возможность до 3 раз отодвинуть момент торможения, нажимая на рукоятку бдительности по свистку электропневматического клапана. Если машинист в течение этого времени повысит свой уровень бодрствования, то экстренного торможения не произойдет. Критический уровень бодрствования не связан с потерей работоспособности. Из соображений безопасности и с учетом индивидуального разброса физиологических параметров машинистов критический уровень бодрствования зафиксирован вблизи границы работоспособного состояния. Как показывает практика, эта система несовершенна.
Кожно-гальванические реакции у разных людей индивидуально отличаются. Это подтверждается тем, что некоторые машинисты с этой системы управляют локомотивом нормально – без отрицательных отзывов. Но большинство от нее «плачут», свидетельствуя: «если ты работаешь с ТСКБМ, нужно заниматься аутотренингом, медитацией... быть абсолютно спокойным, в полном равновесии. Тогда эта проклятая система не будет мотать нервы». И высказывают вполне логичные пожелания: «система должна настраиваться под человека, у каждого - свои параметры, а пока она отвлекает в самый ответственный момент». И еще: «ТСКБМ полностью себя опоганила, она ничего не дает, кроме угрозы безопасности движения, на нее идут постоянные отвлечения, особенно в момент подъезда к запрещающему сигналу или в момент регулировочного торможения». Оставим в стороне эмоциональный фактор, в разной степени он присущ всем. Однако, по моему опыту следует признать, что внезапно – «ни с того, ни с сего» устройство начинает «свистеть», когда признаков сна даже близко нет. Очевидно, сигнал КГР вырабатывался даже у меня, хотя, надо признать, я волновался, принимая «штурвал» управления локомотивом. Что уж говорить о профессиональных машинистах…
Система создана для контроля присутствия машиниста на рабочем месте (в движении локомотива), и его физического состояния – контроль сознания, чтобы машинист не спал. Суть ее работы в том, что периодически с разными промежутками времени (чтобы исключить привычку – 3-8 раз в 5 мин) на рабочем пульте подается световой сигнал. Если машинист заметил появление световой сигнализации, причиной которой является изменение кожно-гальванической реакции, он нажимает специальную кнопку - рукоятку бдительности (РБ), находящуюся на пульте см. рис.
Вид на «рукоятку бдительности»
РБ технически связана с ЭПК – электропневматическим клапаном автостопа, который автоматически сработает, если на РБ не нажать в течении нескольких периодов, тогда за 8 с. перед срабатыванием «автостопа» раздастся громкий звуковой сигнал – «свисток» в кабине машиниста, отсечь который можно только нажатием РБС. А чтобы нажать ее, машинист должен встать с кресла, и поднять вверх руку. По утверждению машинистов, система перманентно мешает водить поезда и является угрозой безопасности движения. Если игнорировать сигнал РБС, через 8 сек сработает автоматический клапан и произойдет экстренное торможение локомотива.
Человеческий фактор и медицинское обоснование
Люди спят в кабине (на рабочем месте) не из-за того, что отсутствует ТСКБМ, а из-за того, что ночью человеку в принципе свойственно спать. А при отсутствии нормального отдыха спят даже днем — вспомним армейский сарказм о «дневальных»: «деревья умирают стоя». Пытаться бороться с явлением при помощи инструкций глупо, ибо потребности организма возьмут верх над бюрократическими усилиями. К рабочему графику, когда он стабильный, цикличный можно приспособиться, и адаптировать личные «биоритмы» или циркадные ритмы - акцент активности на конкретную часть суток. Вот, как описывает ситуацию с «человеческим фактором» практикующий машинист локомотива на пассажирском направлении: «Иной раз, придя домой с ночи и завалившись спать, просыпаешься через какое-то время и не понимаешь, какой сегодня день, сколько примерно времени и вообще где находишься — дома или в доме отдыха. Только открыв глаза и оглядевшись, понимаешь, что к чему. У грузовых ситуация еще печальнее: они лишь примерно знают, когда вернутся домой».
Так в 2021 году на Лужском полигоне российской железной дороги произошла авария без жертв. «Система» в течение 5 мин «выводила» машиниста из равновесия требованием нажать верхнюю рукоятку бдительности (РБС), а затем еще на 5 мин оставила его в покое. Пяти минут машинисту хватило, чтобы уснуть. Проснулся он уже в тупике, применив экстренное торможение, которое при весе поезда почти в шесть с половиной тысяч тонн позволило тепловозу произвести «земляные работы». Пока суммы ущерба от крушений, сходов, проездов и др. аварий меньше, чем суммы затрат на обеспечение нормальных условий работы локомотивных бригад и дорогостоящие комплексные системы безопасности машиниста, тенденция сохраняется.
Перспективы совершенствования систем безопасности и переход к ЕБС
Люди с легкостью идентифицируют друг друга по лицам, так почему бы не научить этому компьютерную систему? Контроль активного состояния машиниста (для предотвращения ситуаций с его погружением в сон) по геометрии лица можно использовать как элемент комплексной системы контроля. В основе технологии — создание двухмерных или трехмерных «карт» человеческих черт — система запоминает и опознает контуры носа и губ, форму бровей, расстояние между отдельными чертами. В пользу этого свидетельствует относительно стабильное местоположение машиниста на рабочем месте — неизменяемое освещение, к которому устройства контроля могут подстраиваться программными средствами, решая проблемы освещенность «день-ночь», проезда освещенных участков дороги или попадания в кабину машиниста света от встречного локомотива). Такие параметры, как угол наклона головы, наличие возможного макияжа в рабочей ситуации практически не влияют, и вот почему. Да, разумеется, наиболее уверенно распознаются статичные изображения — фотографии. Однако на рабочем месте машиниста локомотива железной дороги и метро, и (или) водителя наземного транспорта его лицо хоть и неподвижно, оно двигается не значительно. Это обстоятельство дает возможности к совершенствованию системы распознавания лица. Сигнал тревоги в данной ситуации может поступать при закрытии век машиниста более чем на полсекунды, или длительном не мигании ими. Не обязательно сосредоточенно смотреть в одну точку, ведь пятна на сетчатке находятся на поверхности глазного яблока и легко считываются на расстоянии, не превышающем 1 метр.
Сегодня локомотивные бригады, в том числе на второстепенных участках жд, где управление осуществляется одним машинистом, оснащены диктофоном и в кабине, даже допотопной как в ВЛ-10У, идет постоянная запись переговоров. Диктофон является подобием «черного ящика» - элемента фиксации и контроля, который потом по необходимости проверяется диспетчером.
Из этого появилась и другая идея. Чтобы не отвлекать машиниста в движении периодическим нажатием на кнопки РБ и РБС, в ответ на внезапные звуковые сигналы оповещения, которые сами по себе могут приводить – в накопительном эффекте – к мини-инфарктам (по отзывам практикующих машинистов), можно подтверждать его «ответ» в виде голосовой команды. Для этого потребуется специальное устройство на основе биометрический метода идентификации по голосу, настраиваемому индивидуально под каждого машиниста. Да, введение такой системы потребует материальных затрат, но к чему говорить об этом, если в приоритете безопасность людей по обе стороны кабины машиниста локомотива и сохранность мат. базы депо? Для функции настройки «индивидуального голоса» потребуется оснастить аналитическое устройство микрофоном и записать «звучание» конкретного человека. Однако, голос одного и того же человека может звучать по-разному в зависимости от психологического и физического состояния, уровня шума, качества микрофона. Именно поэтому речь идет о совершенствовании ТСКБМ в комлексе факторов: добавление элементов контроля состояния лица (закрытых век) при любой освещенности, голосового отзыва машиниста на световой и (или) звуковой сигнал предупреждения (контроля бдительности) – тогда не надо манипулировать руками, чтобы нажимать кнопки «РБ». Все это является ответом на некоторые, уже давно введенные новшества на железной дороге, когда было решено «сверху» на второстепенных путях использовать труд одного машиниста, исключив его помощника, то есть последствия оптимизации. Теперь с ними приходится «бороться» техническими методами с помощью электроники. Биометрические контроллеры, конфигуративно объединенные в ЕБС (единые биометрические системы) как современные электронные системы контроля безопасности и идентификации, являются наиболее безошибочным решением для различных служб и организаций, которые могут сегодня предложить разработчики и специалисты РЭА. ЕБС может работать как самостоятельно (автономно), так и в комплексе интегрированной системы как составляющая часть без потери ее функций.
Это позволит с помощью современной электроники снизить риски ошибки при идентификации и обеспечении безопасности - как для стационарных, так и движимых объектов, когда передача сигнала осуществляется моментально по телекоммуникационным сетям открытого и закрытого доступа, что позволяет оперативно решать актуальные задачи безопасности. Биометрические технологии основываются на машинном обучении. Этот термин известен. Правда, нельзя сказать, что определение машинного обучения устоялось, оно меняется под воздействием прогресса. Это не программирование в чистом виде, это обучение на основе данных. Как в любом подобном совершенствовании ценность неискаженного результата прямо зависит от исходных данных, которые вы представляется. При том, что архитектура машинного обучения относительно проста, интеллектуальная часть работы сводится к обработке чисел и их последовательности, подобная система не является полноценным искусственным интеллектом.
Системы машинного обучения не умеют думать. Пока. К примеру, цифровая нейронная сеть может распознавать лица, но не может описывать известное ей лицо. Если «научить» такую систему машинного интеллекта двум навыкам, она не может пока объединить их для получения третьего навыка. Такие системы взаимосвязаны, но не автономны. В этом весь фокус.
Машинное обучение, прикладные механизмы и инновации в этой сфере за 20-30 лет значительно обогатили научно-технический прогресс, но проблема анализа результатов, выходных данных в сравнении с исходными или иными вводными массивами данных, глубокая и лонгитюдная аналитика пока еще никак не обходятся без участия человека. Хотя, да, многие навыки стали автоматизированы, и один из них биометрические способы распознавания. Разумеется, в этом направлении есть достижения и перспективы.
К примеру, финская компания Valossa (г. Оулу) продвигает программное обеспечение для искусственного интеллекта, который распознает содержание видео многофакторным анализом почти как человек: видит изображение, слышит звук и понимает смысл.
Важный параметр «процент правильных распознаваний» по отзывам специалистов выше 90. В основе финских разработок идентификация по радужной оболочке глаза.
Финны добились того, что их система распознает/идентифицирует не только по зрачкам, но даже квалифицирует глазные линзы. Видели ли вы у человека «вертикальные» зрачки, и такие уже созданы с помощью особых глазных контактных линз.
Мировой прогресс идет вперед. Но в России машинисты пока нажимают пальцами на РБ и РБС.
