Телемеханическая система контроля бодрствования машиниста ТСКБМ

Кроме потенциалов можно измерять электрическое сопротивление кожи, как будет показано ниже. КГР проявляется совместно с потоотделительной, зрачковой, сосудистой и другими реакциями, что позволяет рассматривать ее как объективный показатель состояния  нервной системы человека и его эмоциональной среды. Конечно, сопротивление кожи проще измерять, чем, скажем – потоотделение, или сосудистую реакцию. Поэтому, в дальнейшем будем оперировать терминами электрических величин. На активность КГР влияет суточная периодика физиологии человека, его возраст, состояние эндокринной системы, действие принятых медикаментов и другие факторы. Зрачковую реакцию обнаруживать труднее, нужна неподвижная поза. Хотя выше описана автомобильная система безопасности, построенная на профайлинге зрительных реакций оператора [33].В настоящее время термин ЭАК (электрическая активность кожи, или ранее – КГР) объединяет ряд таких показателей, как:уровень потенциала кожи УПК (SPL)реакция потенциала кожи РПК (SPR)спонтанная реакция потенциала кожи СРПК (SSPR)уровень сопротивления УСК (SRL) или уровень проводимости кожи УПрК (SCL)реакция сопротивления кожи РСК (SRR) или реакция проводимости кожи (РПрК или SCR)спонтанная реакция сопротивления кожи СРСК (SSRR) или спонтанная реакция проводимости кожи СРПрК (SSCR)Разные показатели ЭАК могут нести различную информацию о лежащих в её основе процессах.В силу циклического характера выделения пота потовыми железами, записи ЭАК имеют колебательный характер. При применении метода Фере с приложением внешнего тока (экзосоматический метод) показателями считается проводимость (ПрК) или сопротивление кожи (СК). При использовании метода Тарханова (эндосоматический метод) — измеряется электрический потенциал кожи (ПК).С точки зрения электроники, более простой и дешевой является непосредственная регистрация сопротивления, в связи с этим большинство исследователей продолжает использовать приборы, измеряющие СК, а затем через применение нелинейных преобразований переводят получаемые данные в величины проводимости (ПрК), в силу предпочтения данного показателя по ряду причин. Один из доводов к такому предпочтению основывается на биологических соображениях и заключается в том, что потовые железы функционируют как ряд параллельно включенных резисторов. Так как проводимость группы параллельно включенных проводников равняется сумме их проводимостей, увеличение проводимости прямо пропорционально числу включающихся в работу потовых желёз. В качестве индикаторов ЭАК рассматриваются следующие характеристики:Уровень — тоническая составляющая ЭАК (длительные изменения показателей);Реакция — фазическая составляющая ЭАК, занимающая всего несколько секунд (изменения малой длительности, вызываемые определенным раздражителем);Спонтанные реакции — краткосрочные изменения, не обнаруживающие видимой связи с внешними стимулами. Общее число таких фазических реакций на данном временном промежутке (частота спонтанной активности) представляет собой также тонический показатель ЭАК. Ранние исследователи предполагали, что в определении электрической активности кожи могут участвовать и иные факторы, помимо активности потовых желез – как мышечная активность, участие кровеносных сосудов и другое. У человека на теле имеется 2-3 миллиона потовых желез, их количество на разных участках тела сильно варьируется. На ладонях и подошвах порядка 4 железы на квадратный миллиметр кожи, на лбу около двух, на спите и вообще меньше одной. Импульсы кожной активности, записанные совместно с кардиограммой, показаны на рисунке 20, из которого виден относительно медленный характер рассматриваемого процесса даже в сравнении с сердечным ритмом. Рис. 20. Сигналы КГР совместно с ЭКГ. Амплитуда и период следования импульсов КГР и отражает текущее эмоциональное состояние оператора. На настоящий момент активность КГР является одним из самых признанных и распространенных критериев эмоциональной напряженности у тестируемого человека. Существуют два метода регистрации КГР – по Тарханову путем измерения изменяющихся потенциалов на коже, и по Фере – измерениям электрического сопротивления кожи. Понятно, что второй способ методически проще, так как мы можем регулировать величину измерительного тока, а соответственно и измеряемого сигнала. В первом методе нужно измерять весьма слабые разности потенциалов, вдобавок подверженные влиянию помех. Схематически характерный процесс КГР показан на рисунке 21.Феномен КГР имеет следующие характерные параметры, обозначенные на рисунке: RА = 50...500 кОм - базовое сопротивление, относительно которого регистрируется импульс КГР;dRА = 2,5...50 кОм - приращение сопротивления за время нарастания импульса КГР;dRА/RА = 5...10% - амплитуда импульса КГР в сопротивлении кожи;t1 = 1...3 с - длительность нарастания импульса КГР;t2 = 1...10 с - длительность убывания импульса КГР;ТКГР = 20...60 с - интервал следования импульсов КГР;Интервал дискретизации сигнала КГР в системе ТСКБМ – 1/128 секунды. Рис. 21. Сигнал кожно-гальванической реакции (КГР).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.ПРИНЦИАЛЬНАЯ СХЕМАТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА (ТСКБМ-Н)Производитель не дает принципиальных схем блоков ТСКБМ в свободном доступе. По крайней мере, автор не смог найти ничего вразумительного в сети Интернет. Тогда попробуем сами организовать принципиальную схему носимого датчика, исходя из имеющейся информации.Итак, что мы знаем?Во-первых, мы имеем функциональную схему носимого датчика и его описание. Рассмотрим еще раз функциональную схему, изображенную выше на рисунке ???Из схемы видно, что через сопротивление кожи формируется измерительный ток, затем стоит логарифмический элемент, АЦП, устройство кодирования и радиопередатчик. Рассмотрим эту последовательность более подробно с переходом на элементы принципиальной схемы. Таким образом:На сопротивление кожи необходимо подать напряжение 0.2 вольта, при напряжении питания устройства – 1.5 вольта от аккумуляторной батареи;Сопротивление участка кожи оценивается в пределах (50 – 500) кОм;Тогда, принимая максимальное сопротивление кожи RК = 500 кОм, имеем делитель напряжения 1.5 вольта до 0.2 вольт – в 7.5 раз, то есть добавочный резистор делителя равен 500 * (1.5 – 0.2)/0.2 = 3,25 Мом. ОК. Далее, ставим шунт последовательно с сопротивлением кожи, для измерения тока через кожу – то есть эффекта КГР. Шунт ставим величиной, допустим – RШ= 100m кОм, чтобы без проблем измерять напряжение 0.1 вольта. Тогда получает последовательную цеп, питаемую напряжением аккумулятора 1.5 вольта – 3.15 Мом дополнительный резистор определяющий ток в цепи, затем - кожа сопротивлением 500 кОм и менее, и шунт 100 кОм. ОК. Далее – напряжение на шунте – то есть ток цепи КГР – измеряем дифференциальным усилителем с единичным усилением;За дифференциальным усилителем ставим логарифмический усилитель, усилитель с логарифмической амплитудной характеристикой, который будет выравнивать величину выходного сигнала при разбросе сопротивления кожи машинистов. Это делается путем включения в обратную связь инвертирующего операционного усилителя – диода, который при малых напряжениях имеет большое сопротивление, которое падает с ростом сигнала, образуя как раз логарифмическую зависимость усиления от сигнала. ОК. Сформированный аналоговый сигнал подаем на АЦП, который 128 раз в секунду преобразовывает величину напряжения в цифровой код; Параллельный цифровой код на выходе АЦП необходимо преобразовать в последовательный код, которым будем модулировать частоту передатчика радиоканала. Это делается при помощи регистра сдвига, управляемого тактовым генератором, частота тактового генератора выбирается из соображений, чтобы за время преобразования (1/128 секунды) успеть продвинуть все разряды кода на выходе АЦП. ОК.В другом варианте такой алгоритм реализован в схеме дельта-сигма АЦП, структурная схема которого приведена на рисунке 22 [34]:Рис. 22. Структура дельта -сигма АЦП. Здесь входное напряжение непрерывно сравнивается с другим напряжением, накопленным интегратором, имеющимся в составе устройства. В зависимости от текущего результата сравнения на интегратор подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в результате чего выходное напряжение интегратор отслеживает форму входного сигнала. С выхода устройства поступает последовательный поток нулей и единиц с выхода сравнивающего компаратора, который (поток) и образует последовательный цифровой код, используемый в нашем случае для модуляции частоты радиопередатчика. Таким образом дельта – АЦП представляет собой устройство с одним входом и одним выходом. На входе аналоговый сигнал, на выходе – последовательный цифровой код. И, наконец радиопередатчик. Рассмотрим варианты. Вариант 1 – радиопередатчик на транзисторе [35]Принципиальная схема ЧМ – передатчика на биполярном транзисторе приведена на рисунке 23. Устройство содержит минимум деталей, что важно для носимого прибора минимального веса. Питание передатчика осуществляется от батареи напряжением 1.5 Вольта, что также существенно для нашей задачи. В принципе дальность радиосвязи такого передатчика может достигать 150 метров, но из большего сделать меньшее всегда легче, чем наоборот. Рси. 23. ЧМ передатчик с питанием от батареи 1.5 вольта.Продолжительность работы такого передатчика – не менее 24 часов. Задающий генератор собран на транзисторе VT1, режим работы которого по постоянному току задается резистором RI. Частота колебаний задается контуром в базовой цепи транзистора VT1 из элементов L1 – C3, а также входную емкость цепи база-эмиттер транзистора VTI. В коллекторную цепь транзистора включен другой контур L2 - С6 - С7, определяющий селективные свойства передатчика. Конденсатор С5, включенный в обратную связь, определяет уровень возбуждения генератора.В качестве источника сигнала, вместо микрофона, показанного на рисунке 23, в нашем случае, естественно используется КГР – сигнал, поступающий с аналоговой части приора, описанной выше. Полная принципиальная схема радиопередатчика дана ниже. Частотная модуляция в данном случае производится путем изменения смещения генерирующего элемента – транзистора. Управляющее входное напряжение прикладывается к его базе, изменяя тем самым напряжение смещения на переходе база-эмиттер, которое влияет на емкость перехода база-эмиттер. Изменение емкости приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура, что и вызывает необходимую частотную модуляцию. При достаточной величине входного сигнала может быть получена девиация несущей частоты на уровне 75 кГц и выше, что достаточно для передачи сообщения от носимого датчика. Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию колебаний высокой частоты. Конденсатором С7 можно в небольших пределах изменять значение несущей частоты. Сигнал в антенну поступает через конденсатор С8, емкость которого специально выбрана малой для уменьшения влияния возмущающих факторов на частоту колебаний генератора. Антенна – штыревая, минимальных размеров, так как длина волны требуется на уровне 0, 17 метра. При настройке такого радиопередатчика могут возникнуть сложности с выбором элементов емкостей и индуктивностей, которые на заданную1 частоту будут достаточно малыми. В этом случае можно использовать второй вариант – радиопередатчик на цифровом синтезаторе частоты с петлей импульсно – фазовой автоподстройки, как показано на рисунке 24 [36]. Вариант 2 – радиопередатчик на цифровом синтезаторе частотыРис. 24. Функциональная схема генератора СВЧ сигнала на основе цифрового синтезатора частоты с петлей импульсно – фазовой автоподстройки. Данная технология использует делители частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД. Сигнал опорной частоты с опорного генератора делится в заданное число раз R делителем с постоянным коэффициентом деления. С другой стороны, имеется генератор управляемый напряжением (fст), сигнал с которого делится делителем с переменных коэффициентом. Оба сигнала сравниваются на импульно - фазовом детекторе, сигнал с которого управляет генератором fст , поддерживая выходную частоту на требуемом уровне. Такие генераторы выпускаются зарубежными производителями (AnalogDevices) в виде единой микросхемы, показанной на рисунке 25 и обеспечивают выход частоты заданной величины с возможностью её модуляции. Рис. 25. Синтезатор частоты HMS398, Например, синтезатор HMC734LP5 обеспечивает перестройку частоты в диапазоне 0.6 – 10.2 ГГц [36] с возможностью частотной модуляции. Такой вариант не требует навесных реактивных элементов, так как схема синтезатора построена на счетчиках частоты. Полная принципиальная схема синтезированного радиопередатчикаСхема представлена на рисунке 26.Рис. 26. Принципиальная схема носимого датчика. Здесь: Rкожи – сопротивление участка кожи машиниста между электродами; Х1 – дифференциальный усилитель, измеряющий ток КГР; Х2 – логарифмирующий усилитель; Х3 – дельта – АЦП; Q1 – биполярный транзистор радиопередатчика (описание дано выше). РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДАДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ТСКБМФункциональная схема стенда ТСКБМЕстественно предположить необходимость создание некого лабораторного стенда, предназначенного для тщательного и внимательного изучения темы данной работы, а именно телеметрической системы контроля бдительности машиниста. Такой стенд необходимо продумать, во-первых, методически, а во-вторых – схемотехнически. Начнем с методики, которая и определит необходимый функциональный состав данного стенда. Назначение стендаИсходя из опыта исследований, можно предположить, что стенд должен позволять физическое моделирование условий работы исследуемой системы ТСКБМ с заданием необходимых условий, проведение конкретного исследования по согласованной программе и методике, и возможностью получения и анализа выходных результатов физического эксперимента. Математическое моделирование должно предшествовать работе такого стенда для априорной оценки масштабов ожидаемых результатов. Оценим перечень вопросов – влияний, которые могли бы моделироваться на создаваемом стенде для уяснения основ построения и функционирования рассматриваемой системы. Вопросы, подлежащие моделированию и изучениюИсследование допустимых границ изменения начального сопротивления коже машиниста. С помощью магазина сопротивлений, подключенного к электродам носимого датчикамоделируем изменения величины сопротивления кожи и наблюдаем выходной сигнал системы. Моделирование импульсного КГР – сигнала. Импульсный генератор со смещением подключаем к электродам носимого устройства, и создаем сигналы, аналогичные по форме, амплитуде и длительности ожидаемым сигналам КГР. Исследование влияния удаления носимого устройства от бортового приемника. Задаем известное расстояние между датчиком и приемником, и контролируем прохождение сигнала. Исследование влияния ориентации датчика на уровень принимаемого сигнала. Задаем переменную ориентацию датчика и контролируем прохождение сигнала.Исследование влияния преград на распространение сигнала между датчиком и бортовым приемником. Моделируем преграды – тело машиниста, закрытая дверь в кабину, и контролируем прохождение сигнала. Другие исследования по согласованию с активом кафедры. Таким образом, стенд реализует следующие функции:Задание внешнего воздействия на систему ТСКБМ;Наблюдение, регистрация отклика, выходного сигнала системы на заданное внешнее воздействие;Анализ полученного результата для сопоставления с априорными данными, полученными методами математического моделирования. Соответствующая функциональная схема стенда для изучения принципа действия системы ТСКБМ, приведена на рисунке 27.Рис. 27. Функциональная схема стенда для изучения принципа действия ТСКБМ. Принципиальная схема макета локомотиваТеперь задумаемся – что может представлять из себя принципиальная схема такого стенда? Схема электрическая соединений систем, входящих в состав локомотива? Вряд ли! Такие схемы имеются в полном объеме в составе эксплуатационной документации как на локомотив, так и на рассматриваемую систему ТСКБМ. Можно предположить, что речь идет, все-таки, о стенде, предназначенном для изучения работы системы ТСКБМ в учебных целях.Видимо, речь в данных условиях может идти лишь о составе такого стенда и связях между его компонентами, что и показано на рисунке ???В состав стенда должны входить следующие элементы:Сама исследуемая система ТСКБМ в полном составе;Средства моделирования внешних воздействий – магазин сопротивление; генератор импульсов, устройства задания линейного расстояния между датчиком и приемником; их взаимной ориентации; различные экраны, преграды;Внешние устройства, необходимые для полномасштабной работы системы ТСКБМ – ЭПКлапан, имитация бортовой электросети, имитация элементов системы КЛУБ и другое. Принципиальная схема стенда (не локомотива, а стенда!!!) приведена на последнем (крайнем) рисунке 28 в данной работе, данном ниже. Данная схема показывает лишь принцип организации данного стенда, который (принцип) состоит в окружении системы ТСКБМ необходимыми компонентами, которые позволили бы проводить полномасштабные исследования системы в различных режимах. Рис. 28. Принципиальная схема стенда для изучения системы ТСКБМСоздание такого стенда безусловно поможет в изучении принципа работы системы ТСКБМ, которая является типичным представителем современных наукоёмких технологий, реализующих достижения современной электроники, а также, в данном случае – и научные результаты физиологии человека. ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения квалификационной работы исследована современная система безопасности локомотивного движения, построенная на выявленном физиологическом эффекте КГР, который обеспечивает решение задачи контроля состояния машиниста железнодорожного локомотива. Дан обзор методов контроля состояния, применяемых в различных областях техники. Показаны преимущества выделенного направления для железнодорожного применения. Рассмотрены требования к элементам системы контроля бдительности машиниста, функциональные схемы устройств. Детально рассмотрен феномен кожно – гальванической реакции человека на внешние воздействия. В результате синтезирована принципиальная схема носимого датчика КГР. Рассмотрены подходы к созданию стенда для изучения принципа действия рассматриваемой системы безопасности. Результаты работы, кроме решения учебных задач, будут применены в будущей профессиональной деятельности выпускника. ЛИТЕРАТУРАПравила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ) № ЦРБ-756 от 26.05.2000 г.http://www.shpls.org/rights/medicine/742/view/https://weekend.rambler.ru/read/42958573-kak-proveryayut-psihiku-pilotov-grazhdanskoy-aviatsiihttps://www.popmech.ru/technologies/12787-kak-samolyet-kontroliruet-zdorove-pilotov/Шепета А.П., Жаринов И.О. Перспективы применения в авиации интегрированных нашлемных систем нейрофизиологического контроля// Информационно – управляющие системы. 2003, No 3.Требования к членам экипажа воздушных судов, специалистам по техническому обслуживанию воздушных судов и сотрудникам по обеспечению полетов/полетным диспетчерам гражданской авиации. Приказом Минтранса РФ от 12 сентября 2008 г. N 147https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_предупреждения_столкновения_самолетов_в_воздухеhttps://techautoport.ru/sistemy-bezopasnosti/aktivnaya/sistema-kontrolya-ustalosti-voditelya.htmlhttps://wiki.org/Профайлингhttps://fastmb.ru/auto_shem/1158-monitoring-sostoyaniya-voditelya-za-rulem.htmlhttps://www.glonass-expert.ru/info/doc/i-pribory-i-osobennosti-ucheta-rabochego-vremeni-voditelej-gruzovyh-avtomobilejhttp://m-sestra.ru/bolezni/item/f00/s00/e0000409/index.shtmlhttp://www.eliman.ru/Lit/AMCM/1.htmlhttps://zen.yandex.ru/media/id/5cbc0d6ea56d7d00aec088dd/chto-takoe-poligraf-i-nemnogo-iz-istorii-ego-sozdaniia-5d83799f1d656a00ad33b789?utm_source=serphttp://www.neurocom.ru/ru2/rail/l116u.htmlhttps://www.dieselloc.ru/lokomtivnie-pribory-bezopasnosti-posmituha/ustroistvo-kontrolya-bditelnosti-tipa-l-116-v-sisteme-alsn.htmlhttps://www.dieselloc.ru/lokomtivnie-pribory-bezopasnosti-posmituha/ustroistvo-kontrolya-bditelnosti-mashinista-ukbm.htmlПосмитюхаA.A. Локомотивные приборы безопасности и контроль за их работой. – М.: Транспорт, 1992Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы: - М.: Маршрут, 2006Эксплуатационно – технические требования к системам интервального регулирования движения поездов на перегонах. Париж. Р817 2016. ИСО 9000: Системы менеджмента качества, EN 50126-1998: Дороги железные. Технические условия и демонстрация надежности, готовности, ремонтопригодности и безопасности;http://scbist.com/wiki/16038-tskbm.htmlАйфичерАйфичер Э. Цифровая обработка сигналов. М.: Вильямс, 2004https://ruskransnab.ru/sistema-kontrolya-bodrstvovaniya-mashinista-tskbm-manevrovoe-ispolnenie,https://poznayka.org/s1867t1.html,https://docplayer.ru/32939437-Sistema-tskbm-rukovodstvo-po-ekspluatacii-kniga-1-nkrm-re-kolichestvo-stranic-72-nkrm-re.html,https://docplayer.ru/32939437-Sistema-tskbm-rukovodstvo-po-ekspluatacii-kniga-1-nkrm-re-kolichestvo-stranic-72-nkrm-re.html, http://td-str.ru/file.aspx?id=28466, https://spb.ruskransnab.ru/telemehanicheskaya-sistema-kontrolya-bodrstvovaniya-mashinista-tskbm,https://studopedia.ru/10_256684_telemehanicheskaya-sistema-kontrolya-bodrstvovaniya-mashinista-tskbm.htmlhttps://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/КОЖНО-ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ_РЕАКЦИЯhttps://textarchive.ru/c-2611168-p5.html, https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрическая_активность_кожиhttps://habr.com/ru/post/125029/https://arsenal-info.ru/b/book/572319677/31https://www.kit-e.ru/articles/svch/2012_3_19.php