153

РОЗДІЛ 3

ОСОБЛИВОСТІ ВИЯВЛЕННЯ Й АНАЛІЗУ

ПЕРЕХІДНИХ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СТАНІВ

ЕЛЕМЕНТІВ СИСТЕМИ «ЛЮДИНА – ТЕХНІКА – СЕРЕДОВИЩЕ»

РІЗНОЇ ПРИРОДИ

3.1. Функціональний підхід до моделювання, аналізу та прогнозування

станів людини в системі «людина – техніка – середовище»

Мета і постановка задачі розділу. Основною проблемою функціонування

СЛТС в складних умовах є не прогнозоване виникнення проблемних (складних,

аварійних, позаштатних) ситуацій і вплив екстремальних стрес-чинників

(екологічного, інформаційного й інших). При цьому роботу оператора

ускладнюють стрес-чинники діяльності (умови праці, процеси отримання

інформації, вимоги до швидкості обробки інформації та прийняття рішення

тощо) та навколишнього середовища (магнітні бурі, перепади тиску і

температури, рівень забруднення і т.п.). Саме в складних умовах починають

проявлятися наслідки прихованих характеристик індивідуальності людини:

індивідуальність ФС, реакцій, поведінки; залежність ФС від мотивації;

успадковані стани та реакції. Тобто домінує успадкований «сценарій» адаптації

організму людини, який в першу чергу підтримує життєво важливі функції

домінантних підсистем за рахунок інших. Все це спотворює функціональні

характеристики сенсорів різної природи.

Вплив стрес-чинників призводить до виникнення у людини-оператора

складного стресового ФС та підвищення «ціни» психофізіологічної адаптації до

такої діяльності. Вони призводять до перехідних функціональних станів, які

обмежують адаптаційні можливості організму. Адаптаційні реакції організму

призводять до зміни 3 показників серцево-судинної системи: рівня

функціонування, функціонального резерву, ступеня напруження регуляторних

154

механізмів. Їх взаємозв'язок найбільш проявляється при високому

психоемоційному або інформаційному навантаженні операторів складних

технічних комплексів, а також пілотів, космонавтів, менеджерів, водіїв та ін.,

тобто у людей, які піддаються високим психоемоційним або інформаційним

навантаженням. Це в першу чергу відноситься до операторів складних технічних

комплексів, а також адміністративно-управлінського апарату та осіб розумової

праці, а також ділових людей. Серед них є люди з невеликим функціональним

резервом, для яких навіть невелике збільшення ступеня напруження

регуляторних підсистем у відповідь на вплив стрес-чинників середовища

викликає порушення гомеостазу, що відображається в істотній зміні параметрів

певних біологічно активних точок шкіри та ЕКГ. Тому виявлення таких людей і

діагностика їх ФС представляє особливий інтерес для ергономіки.

Одною з найскладніших проблем в забезпеченні ефективності та

надійності діяльності оператора є зниження працездатності через перехідні ФС

людини, яке можна трактувати як процес зменшення адаптаційних можливостей

організму. Однак ідентифікація цих станів, навіть за допомогою комплексних

досліджень, неоднозначна через різноманіття електрофізіологічних сигналів,

методів їх обробки, параметрів і критеріїв. Тому необхідний подальший пошук

універсальних засобів ідентифікації складних ФС людини. Зокрема, небезпечних

станів стресу, утоми, які граничать з відмовою оператора, а також перехідних

станів (та динаміки погіршення), що виникають в процесі діяльності. Останні є

передвісниками патологічних станів, і не можуть бути виявлені під час

медичного контролю чи допуску до діяльності. Ергономіка як міждисциплінарна

і системна наука використовує різні засоби (підходи, методи, параметри і т.п.),

що між собою не пов’язані, при цьому кожен з них має ряд переваг та недоліків,

як в отриманні інформації про стан людини, так і в їх обробці та інтерпретації.

Тому сьогодні при визначенні ФС людини-оператора використовують метод

експертних оцінок, що створює коло зворотнього зв’язку впливу «людського

чинника», та не призводить до вирішення проблеми безпеки.

155

У зв’язку з цим виникла необхідність аналізу розвитку методів сучасної

діагностики ФС ЛО, якій притаманні як безперечні переваги (автоматизація

діагнозу, сучасні методи обробки сигналу, сучасні способи відображення даних

(графічні образи)), так і обмеження чи недоліки (статистичність, різноманіття

параметрів та критеріїв, відсутність врахування індивідуальності людини тощо).

Тому основною задачею третього розділу є дослідити можливості існуючих

підходів та методів виявлення тих перехідних ФС елементів СЛТС, включаючи

біосенсорів ФС людини-оператора, еволюція яких при дії стрес-чинників

діяльності та середовища призводить до функціональних відмов. Метою такого

дослідження є виявлення передвісників функціональних відмов елементів СЛТС

різної природи.

Складність проблеми прогнозування функціонального зриву оператора.

Проведені теоретичні пошукові та експериментальні дослідження дали

можливість системно подивитись на проблему ФС ЛО та розробити підхід до

вирішення проблеми оцінки стану людини. Проблема полягає в прогнозуванні

того стану людини, в якому він приймає не адекватні рішення і здійснює

неадекватні дії. Йдеться про стан зриву оператора - стресовий стан людини, з

яким не зміг впоратися його організм. Ключова проблема - як визначити, чи

зможе конкретна людина подолати стресову ситуацію в працездатному стані та

які межі такої пристосовності.

На наш погляд завдання прогнозування зриву оператора в системі ЛТС не

вирішена через те, що арсенал сучасних методів дослідження ФС людини має

або динамічну або статистичну природу. Він мало придатний для аналізу

нелінійної динамічної системи ЛТС, для якої домінуючими властивостями є

цілісність, ієрархічність і організованість. Відзначимо, що в даній системі

людина виступає як компонент самої системи, який наділений знаннями,

мисленням, емоціями, діями і т.п. Перебуваючи в певному ФС, вона змушена

приймати і здійснювати певні рішення, які, в свою чергу, залежать від поточного

ФС людини.

156

Найважливіша проблема, що виникає при оцінюванні функціонального

стану людини-оператора, це його індивідуальність. Її існування дослідники поки

намагаються не помічати, оскільки в рамках існуючих підходів і методів

дослідження немає перспективи вирішення такої проблеми. Адже стан

конкретної людини індивідуальний і в кожен момент часу інший, на відміну від

його попередніх і майбутніх станів. А тим більше він відмінний від ФС будь-якої

іншої людини в аналогічних умовах. І саме індивідуальність, згідно з ідеями

засновника системного аналізу Бенталанфі, вимагає системного підходу до цієї

проблеми [49]. Існують системні суперечності при визначенні перехідних до

функціонального зриву станів. Тому стан функціонального зриву носить

системний характер. Відомо, що зриву передують і його супроводжують такі

системні процеси як порушення адаптації, погіршення саморегуляції, зниження

компенсаторних реакцій, що на функціональному рівні супроводжується

перебудовою взаємозв'язків між підсистемами організму. Така перебудова

визначається індивідуальним функціональним резервом даної людини, який

необхідно враховувати. Стан функціонального зриву індивідуальний для кожної

людини і залежить від його попередніх функціональних станів і є перехідним

ФС. Доведено також, що у людини зі значним функціональним резервом процеси

саморегуляції і компенсації при стресі призводять до практично повної

відсутності проявів зриву в даний момент часу, проте є причиною істотного

зниження функціональних можливостей надалі. Таким чином, з огляду на

вищесказане, щоб прогнозувати зрив, необхідно цілісно оцінити поточний

перехідний ФС та встановити напрямок зміни її стану.

Обґрунтування необхідності системного підходу до ФС елементів

системи ЛТС. Вирішення проблеми прогнозування зриву в системі «людина-

середовище» можливо в рамках підходу [1], який ґрунтується на визначенні

цілісних властивостей системи, її ієрархічної будови, внутрішнього взаємозв'язку

всіх підсистем і взаємозумовленості реакції на зовнішні чинники. Для цього

необхідно перейти від сукупності взаємодоповнюючих психофізіологічних

параметрів і характеристик системи до взаємопов'язаних динамічних параметрів,

157

в яких узагальнено відображаються численні зміни функціональних зв'язків між

підсистемами. Дійсно, тільки в рамках функціонально цілісного підходу можна

розробити модель системи «людина-середовище», промоделювати перехідні ФС

людини-оператора з урахуванням його індивідуальності і встановити, які з них

відображають поведінку в стресовій ситуації. Це відкриває перспективу

визначення послідовності тих ФС, що передують зриву, і тим самим дозволяє

зробити крок на шляху прогнозування зриву.

Методологічним підґрунтям підходу є:

- вибір в якості системного параметра ентропії, яка інтегративно

відображає упорядкованість системи;

- побудова структурно-функціональної моделі системи «людина-

середовище», ієрархія якої визначається принципами східної філософії, що

відображають сучасний холістичний погляд на гомеостаз;

- структурованість системи дозволяє розглянути безліч можливих ФС

системи, кожен з яких відображається пов'язаними параметрами;

- взаємозв’язані операції обробки інформації про стан системи «людина-

середовище», що дозволяє аналізувати збалансованість енергетичного обміну

між усіма її підсистемами з урахуванням цілісності, ієрархічності та інших

системних характеристик;

- образне відображення системної інформації про збалансованість

енергетичного обміну між підсистемами системи «людина» в просторі станів.

Теоретичним підґрунтям системного підходу є ідеї і концепції

холістичного підходу до біосистеми, принципи нерівноважної термодинаміки й

термодинаміки інформаційних процесів (закони термодинаміки, принципи

Бріллюена, Ле Шательє і ін.) [2-10].

Статистична модель системи «людина-середовище». В основу

моделювання покладено термодинамічні уявлення про стабільність системи

«людина-середовище» як узгоджену в часі збалансованість інформаційними і

енергетичними потоками між її пов'язаними підсистемами. Модель системи

«людина-середовище» як біосистеми, що самоорганізується, являє систему, яка

158

складається з 24 підсистем, що утворюють дві симетричні групи по 12 парних

підсистем, кожна з яких ділиться на 4 енергетичні підгрупи, а також на 6

функціонально пов'язаних пар підсистем. Виходячи з домінуючого впливу

людського чинника спочатку приймається, що вплив середовища на підсистему

«людина» є постійним.

Статистична модель. Статистично ФС системи найбільш адекватно

описується ентропією, що характеризує впорядкованість системи (формула

Больцмана), невпорядкованість системи (формула Шеннона-Больцмана для

негентропії) [2-10]. Ентропія, будучи величиною адитивною, інтегративно

відображає упорядкованість енергетичного обміну між усіма підсистемами. В

рамках даної моделі можна обчислити ентропію системи, якщо припустити, що

всі підсистеми енергетично рівноправні і можуть перебувати в деякій певній

кількості N дозволених станів, яка, очевидно, є індивідуальною характеристикою

даної людини і визначається його функціональним резервом. Якщо задати

кількість вже реалізованих станів в даний момент часу Ni, то за формулою

Больцмана можна розрахувати ентропію [2-10]:

Sт = k · lnW=k · ln)!(!

!

ii NNN

N

, (3.1)

де постійна k = 1, W – термодинамічна ймовірність.

Протягом доби в системі здійснюється макроскопічний цикл, що описує

естафетний (послідовний) енергетичний обмін в кожній з симетричних груп,

який включає сукупність під циклів, що описують енергетичний обмін в кожній

підсистемі. Кількість дозволених станів для кожної підсистеми визначається

макроскопічними циклом. Кількість реалізованих станів підсистеми в даний

момент часу, відображає внутрішню перебудову взаємозв'язків в системі і

визначається збалансованістю енергетичного обміну даної підсистеми з іншими

підсистемами. Обчислена таким чином ентропія підсистем відображає

впорядкованість системи та збалансованість енергетичного обміну між

159

підсистемами, а сума ентропій всіх підсистем дозволяє визначити ентропію

системи «людина».

Ідеальний стан системи характеризується повною енергетичною

збалансованістю і динамічною узгодженістю потоків і відображається високою

конфигурационной симетрією графічного образу стану системи (рис. 3.1.),

симетричним графом стану, характеристичним многочленом

4235 144152010 і спектром графа Sp(G)=[4, -1, -1, -1].

0

20

40

60

801

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

relative

number

Рис. 3.1. Графічний образ стану ідеальної системи «людина»:

1, 2, … 12 – порядковий номер БАТШ, в яких вимірювались параметри.

Слід зазначити, що визначення функціонального стану за методикою [12,

13, 14] у 300 молодих практично здорових людей 16-18 років дозволило виявити

у 10% образ, подібний до ідеального.

Порушення збалансованості інформаційних потоків в системі визначає

інформаційна ентропія. Ентропія і інформаційна ентропія взаємодоповнюють і

взаімокомпенсують один одного. Саме з цього, як показано в роботах Бріллюена,

ентропія біосистем зростає тільки при незворотних процесах, тобто при

відсутності компенсації. Отже, ентропія є мірою нескомпенсованості, тобто

разбалансу в системі або її розупорядкованості. Тому в рамках моделі

інформаційну ентропію як ступінь розупорядкованості взаємозв'язків між

підсистемами можна визначити через різницю кількостей Ni реалізованих станів

для симетричних груп підсистем Ni = N1 - N2:

160

Sінф= -k

12

1i

Ni/N дозв lnNi/N дозв. , (3.2)

де k - коефіціент пропорційності, Nдозв. – кількість дозволених, можливих

станів, що є індивідуальними для кожної людини.

Розрахункові формули ентропії і інформаційної ентропії дозволили

промоделювати 8 класів можливих станів системи «людина» з точки зору

порушень причинно-наслідкових взаємозв'язків між її підсистемами. Кожен клас

характеризується певною конфігураційною симетрією функціональних

графічних образів стану системи. Ці графічні образи мають високу ступінь

подібності з графічними образами, отриманими експериментально при

дослідженні функціонального стану операторів, що підтверджує адекватність

моделі.

Візуалізація станів системи «організм людини». Діагностична інформація

про стан людини, а це 96 значень (24х4), представляється у вигляді:

а) графічного образу стану в 12-вимірному функціональному просторі;

б) фазового портрета ФС ЛО в просторі станів. Графічний образ стану системи

являє собою значення ентропії підсистем, відображені в 12-вимірному

функціональному просторі. Він характеризується системними ознаками:

конфигурационною симетрією і площею. Їх тип і порушення дозволяє визначити

ступінь енергетичного розбалансу груп і підгруп функціонально пов'язаних

підсистем та характер розбалансу системи в цілому. Зауважимо, що на практиці

відсутні адекватні критерії багатьох станів, пов'язаних зі стресом, що також, на

наш погляд, обумовлено індивідуальністю ФС людини. Тому практичний інтерес

представляє можливість оцінити «індивідуальний стрес». Так як стрес - це

зниження ентропії за рахунок збільшення неузгодженості в системі, то в рамках

моделі стан стресу відображається зменшенням площі графічного образу ФС і

збільшенням розбалансу між підсистемами організму (рис. 3.2).

161

0

20

40

60

801

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Рис. 3.2. Графічний образ стану системи «організм людини»

Геометризація фазового портрету стану людини. Фазовий портрет стану

системи в інформаційно-енергетичному просторі є відображення 4 тригонів в

просторі станів - трикутників, вершинами яких є значення сполучених системних

параметрів кожної з підсистем. Одні зі значень параметрів пов'язані з

впорядкованістю підсистем, а інші з невпорядкованістю. Тому таку площину

можна умовно назвати простором. Таке уявлення про ФС системи «людина»

дозволяє визначити ступінь енергетичного дисбалансу кожної підсистеми і

розбаланс в системі.

Очевидно, що таке системне відображення інформації в рамках даної

моделі зводить задачу діагностики будь-якого ФС людини до аналізу його

поточних образів і пошуку подібності з промоделювати станами. Простота

критеріїв робить можливим «вхідний» моніторинг стану працюючої людини.

При цьому інформацією про функціональний стан людини є 96 значень

системних параметрів, що дозволяють розрахувати ентропію. Структурування

інформації і подання її в просторі станів дозволяє: а) за сумою площ тригонів S

відповідних підгруп системи визначити разбаланс енергетичного обміну; б) за

відносним перекриттям площ тригонів, S/S визначити функціональний резерв,

який відображає здатність організму людини до відновлення нормального

функціонального стану (рис. 3.3); в) за відсутністю перекриття площ одного або

двох тригонів визначити підсистеми організму, що вимагають лікування. Однак

для прогнозування станів людини цього недостатньо.

162

Рис. 3.3. Фазовий портрет стану системи «організм людини»

Структура ФС системи «організм людини» та можливість прогнозування

її зміни. Для того щоб прогнозувати зрив, необхідно вміти ідентифікувати стани,

що йому передують. Однак, такі стани індивідуальні, а закономірності, отримані

при дослідженні певної вибірки випробовуваних, не можуть бути перенесені на

всю сукупність досліджуваних. Статистична модель системи «людина-

середовище» дозволяє наблизитися до прогнозування станів людини.

Система «людина-середовище» є квазістаціонарною, але не рівноважною

внаслідок постійного впливу середовища на людину. Тому в підсистемі

«людина» безперервно йдуть численні фізичні, хімічні, біологічні та ін. обмінні

процеси, метою яких є підтримка гомеостазу, що відображається в моделі

збалансованості інформаційно-енергетичного обміну в системі. Згідно з

принципом Ле Шательє і принципу ієрархічності відкритих систем, підсистема

«людина» перебудовує структуру взаємозв'язків підсистем так, щоб максимально

зменшити зовнішній вплив середовища. Рівновага в системі «людина» залежить

від ефективності даного обміну. Якщо обмін не ефективний, рівновага порушена,

отже, відповідно до того ж принципу Ле Шательє, підсистемі «людина»

необхідно витратити більше зусиль для встановлення рівноваги із середовищем.

Тому при проходженні системою через ряд критичних ситуацій за обмежений

проміжок часу, збалансованість енергетичного обміну в системі стає

недосяжною і пристосування до поточного стану середовища не відбувається.

Тим самим, підсистема «людина» переходить зі стану стресу в перехідний стан, в

163

якому ймовірність зриву або функціональної відмови (за аналогією з технічними

системами) різко зростає.

Таким чином, підсистема «людина» послідовно змінює свій стан - від

збалансованого до перехідного або зриву - за рахунок перебудови своєї

структури. Це відображається в зміні графічного образу стану системи при

розбалансування енергетичного обміну. При цьому основним чинником, від

якого залежить швидкість перебудови, є початковий «запас міцності» системи,

інакше кажучи, її функціональний резерв. Тому, знаючи функціональний резерв

системи і послідовність зміни її станів, можна прогнозувати ймовірність зриву.

В рамках статистичної моделі ФС людини представляється певною

сукупністю параметрів можливих станів системи «людина», в якій кожен

можливий стан інтегративно відображається точкою стану. Кожній точці

простору станів відповідає фазовий портрет поточного стану людини, який

інтегративно відображає функціональний стан людини в даний момент часу.

В силу нерівноважності системи «людина» її стан безперервно змінюється.

Однак така система функціонує циклічно (добовий, місячний та ін. цикли), отже,

незважаючи на флуктуації її стану, в просторі станів системі належить деяка

обмежена область. Площа цієї області дуже чутлива до таких змін стану системи

як стомлення, накопичення втоми і т.п. Експериментально доведено, що чим

більше функціональний резерв людини, тим меншу площу займає область його

можливих станів. Тобто система «людина» є більш упорядкованою і

збалансованою. Збільшення кількості можливих станів (збільшення площі в

просторі станів, а також випадання точки поточного стану з області) свідчить про

таку зміну стану людини, на яку необхідно звернути увагу. Однак найголовніше

полягає в наступному. Як було показано вище, кожна сукупність точок стану - це

відповідний фазовий портрет, що складається з 4 тригонів (рис. 3.3). Стани

людини відрізняються ступенем перекриття тригонів між собою. Ступінь

перекриття характеризує в системі, характеризує її функціональний резерв.

Відповідно, чим менше область перекриття, тим менше у системи

функціональний резерв, і тим імовірніше зрив системи. Прогнозувати напрям

164

зміни ФС людини як системи можна в просторі станів (див. рис. 3.4). Таке

представлення результатів дослідження стану людини дозволяє виділити в

просторі станів послідовність функціональних станів людини, що

характеризується зниженням функціонального резерву системи. І надалі можна

судити про ймовірність функціонального зриву. Запропонований статистичний

підхід до моделювання функціонування системи «людина» дозволяє:

- прогнозувати напрям зміни стану людини як системи в просторі станів,

тобто визначати настання перехідного стану і прогнозувати зрив;

- оцінювати функціональний резерв, а також моделювати і вимірювати

функціональний стан конкретної людини-оператора.

Рис. 3.4. Зміна ФС людини в просторі станів

З цього випливає можливість комп'ютерної обробки і створення

електронної бази даних, тобто сукупності графічних образів і фазових портретів,

на основі яких може бути аналіз поточного стану людини і прогнозування

послідовності зміни станів. Це дозволяє здійснювати інформаційний супровід

функціонального стану людини в системі «людина-середовище».

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 200 400 600 800 1000

С, pF

1/R

, 1

/МО

м

165

3.2. Дослідження функціонального стану людини-оператора по

параметрам біологічно активних точок шкіри з метою виявлення та

прогнозування наслідків стресу

Стан стресу носить системний характер, його супроводжують такі системні

процеси як порушення адаптації, погіршення саморегуляції, зниження

компенсаторних реакцій. Ці процеси визначаються функціональним станом і

індивідуальним функціональним резервом кожної людини. Однак, стан стресу

індивідуальний для кожної людини і в значній мірі залежить від його попередніх

ФС і умов навколишнього середовища. Індивідуальність визначає, що стан

конкретної людини в кожен момент часу відмінний від його попередніх і

майбутніх станів, а тим більше відмінний від стану будь-якого іншої людини в

аналогічних умовах. З такими початковими умовами стає очевидною складність

проблеми розпізнавання і прогнозування наслідків стресу. Тому метою даного

дослідження було вивчення взаємозв'язку між психофізіологічними і

психологічними характеристиками організму людини в стресовій ситуації, з

метою запобігання можливих фізичних, психічних, психофізіологічних

порушень; а також дослідження впливу на формування стресової реакції

чинників життєдіяльності індивідуума.

Для досягнення мети проведені дослідження ФС 50 студентів, магістрів та

аспірантів, що знаходяться в різних станах під впливом різних факторів (їжа,

розумова і фізичне навантаження, шкідливі звички, захворювання, вагітність).

Дана група випробовуваних була обрана виходячи з того, що саме студенти

найбільш схильні до цілого комплексу стресових факторів.

Вимірювалися електрофізичні параметри біологічно активних точок шкіри

(БАТШ) - пов'язані ємність С (пФ) і опір R (МОм) в змінному полі і

електропровідність ЕП (відн.од.). Визначалися психофізіологічні характеристики

організму людини по таким тестам: а) 8-колірному психофізіологічному тесту

Люшера - досліджувалися кількісні характеристики психофізіологічного стану

людини: чинники нестабільності вибору, тривожності, активності,

166

працездатності, показник вегетативного тонусу; б) тесту на стрес;

в) опитувальнику для суб'єктивної оцінки стресу в поточний момент часу. Також

враховувались результати анкетування стосовно основних звичок і способу

життя.

Для отримання адекватних результатів досліджень всі випробувані були

розбиті на групи за ознакою, що характеризує спосіб життя: «спортсмени»,

«курці» і «вагітні». З метою емпіричної валідизації суб'єктивних і об'єктивних

методів і методик був здійснений кореляційний аналіз психофізіологічних

(фактор активності, працездатності і тривожності) і фізичних показників (ємність

С, опір R і електропровідність) з обчисленням критерію Стьюдента. Так як

кореляція між різними параметрами будь-якої системи відображує узгодженість

в даній системі, її впорядкованість, то значення коефіцієнта кореляції

r = 0,4...0,6 свідчить про найбільш оптимальні зв'язки між показниками

функціонального стану. Кореляційні зв'язки дискретні (r <0,2) і жорсткі (r> 0,8)

не забезпечують нормальної регуляції функціональних систем (Пейсахов, 1984).

Аналіз результатів суб'єктивної оцінки дослідженими рівня нервозності на

поточний момент показав, що найбільше число випробовуваних в стані стресу в

групі «курці» (табл. 3.1).

Таблиця 3.1

Відносна кількість різних видів досліджених операторів

Група Кількість піддослідних в стресі (%)

Спортсмени 25%

Курці 72%

Вагітні 33%

Порівняльний аналіз кореляційних зв'язків у трьох групах досліджених

показав, що найбільшу кількість оптимальних зв'язків між показниками ФС має

група «спортсмени» (рис. 3.5, а). При цьому необхідно підкреслити такі

особливості, які спостерігалися в групах «вагітні» і «курці»:

167

- в групі «курці» чітко виражена тенденція відхилення від оптимальних

кореляційних зв'язків до дискретних (рис. 3.5, б);

- в групі «вагітні» повністю відсутні дискретні зв'язку і переважають

жорсткі (рис. 3.5, в).

В ході аналізу також було встановлено, що у всіх випробовуваних в стані

стресу, незалежно від групи, середні значення кореляцій по трьом типам

вимірювань нижче, ніж у випробовуваних в нормальному стані (рис. 3.6).

а)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Коефіцієнт кореляції

кіл

ьк

ість

зв

'язк

ів

б)

0

1

2

3

4

5

6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Коефіцієнт кореляції

кіл

ьк

ість

зв

'язк

ів

в)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Коефіцієнт кореляції

Кіл

ьк

ість

зв

'язк

ів

Рис. 3.5. Зв'язок коефіцієнтів кореляції між фізичними і

психофізіологічними параметрами організму для різних груп ( а - група

«спортсмени», б - група «курці», в - група «вагітні»).

168

а) б)

в)

Рис. 3.6. Графіки середніх значень кореляцій у випробовуваних в стресовому і

нормальному стані (а - в групі «спортсмени»; б - в групі «курці»; в - в групі

«вагітні»).

Для підтвердження висловленого припущення в ході статистичної обробки

отриманих результатів були побудовані діаграми для трьох груп

випробовуваних. Діаграми, найбільш характерні для кожної групи

випробовуваних, представлені на рис. 3.7.

а) б) в)

Рис. 3.7. Діаграми сум значень параметрів симетричних підгруп організму

(а - група «курці», б - група «вагітні», в - група «спортсмени»)

0,8

0,2

0,4

0,6

0 С

Ко

ефіц

ієн

т ко

рел

яц

ії

R EП Вимірювані параметри

0,2

0,4

0,6

0,8

0 С

Ко

ефіц

ієн

т ко

рел

яц

ії

R EП

Вимірювані параметри

0,2

0,4

0,6

0,8

0 С

Ко

ефіц

ієн

т ко

рел

яц

ії

R EП Вимірювані параметри

169

Аналіз даних діаграм показав наявність більш високого ступеня розбалансу

між симетричними підгрупами організму у випробовуваних в групах «курці» і

«вагітні» (рис. 3.7, б) в порівнянні з випробовуваними в групі «спортсмени» (рис.

3.7, в).

Таким чином, на підставі проведеного експерименту і статистичної

обробки отриманих результатів можна зробити наступні висновки:

1. Найбільше число оптимальних зв'язків між фізіологічними і

психофізіологічними параметрами організму спостерігається у дослідженої

групи «спортсмени», найбільше число дискретних зв'язків - у групі «курці».

2. У дослідженої групи «вагітні» спостерігається істотне переважання

жорстких зв'язків, що свідчить про високу ступінь мобілізації функціонування їх

організму.

3. Стресовість зростає при наявності супутніх шкідливих чинників (в

даному випадку куріння), а також при високій оптимізації функціональних

систем організму.

4. Внаслідок впливу стресу збільшується розбаланс між сумами значень

параметрів симетричних підгруп організму у досліджених.

3.3. Аналіз функціонального стану сенсорів випромінювання та

біосенсорів по діелектричним параметрам

3.3.1. Фазова площина для визначення функціональної придатності

сенсорів. Проведено аналіз сукупностей діелектричних параметрів ФС елементів

СЛТС різної природи сенсорів (детекторів, спектрометрів і т.п.) та БАТШ

операторів-дослідників. Аналіз електрофізичних параметрів сенсорів і

біосенсорів різної природи дозволив встановити, що їх функціональний стан

найбільш повно характеризується дійсною ε/ і уявною ε

// частинами комплексної

діелектричної проникності ε*. При цьому графічне відображення діелектричних

параметрів ε/ і ε

// сукупності сенсорів випромінювання закономірно розподілено

в межах сектора цієї площини [26, 50]. Шляхом порівняльного аналізу

170

отриманих експериментально результатів було встановлено, що сукупності *

Т

лічильників і спектрометрів випромінювання розташовані в різних областях

сектора фазової площини },{ (рис. 3.8, а).

5

10

10 18 ¢

¢¢

26

Спектрометри

Лічильники

12 16 20 24 28

3

6

9

¢

¢¢ Положення

точок :*

Т

до обробки

після відпалу

після електротренування

а) б)

Рис. 3.8. Розподіл параметрів ФС спектрометрів і лічильників в фазовій

площині (а) та їх зміна при дії зовнішніх чинників (б)

При дії зовнішніх чинників положення точок *

Т , що відображають ФС

сенсорів, змінюється в межах сектора (рис. 3.8, б). Отже функціональна

придатність напівпровідникових сенсорів випромінювання найбільше проявляє

себе саме в діелектричних відгуках.

Інтегративно ФС ЛО відображає сукупність множини значень

репрезентативних БАТШ ε*= {ε1*, ε2*, ... , εi*, ... , εv*}. Представлення цієї

сукупності в фазовій площині формує графічний образ ФС, конфігурація і площа

якого є досить інформативними його показниками. Наприклад, на рис. 3.9

показано переміщення сукупностей параметрів БАТШ в процесі діяльності

операторів при припустимій та неприпустимій стресостійкості.

Перевагою такого представлення є можливість визначити найбільш

вразливі підсистеми організму та їх моніторинг в процесі діяльності.

ε//

ε/ ε

/

ε//

ε/

ε/ ε

/

171

а) б)

Рис. 3.9. Переміщення сукупностей діелектричних параметрів БАТШ в

процесі діяльності операторів (а – на початку робочого дня; б – наприкінці

робочого дня)

Отже, така геометризація підмножин параметрів стану ε* різних за

природою елементів СЛТС різної природи, кожна з яких відображає їх ФС,

дозволила класифікувати сенсори, оцінювати зміну їх стану та визначати їх

стійкість.

3.3.2. Визначення функціонального стану оператора по сукупності

діелектричних параметрів біологічно активних точок шкіри. Розроблено та

запатентовано чотири взаємодоповнюючі способи визначення ФС людини-

оператора по сукупності параметрів БАТШ, що дозволяють визначати рівень

адаптаційного напруження організму людини-оператора та взаємозв’язок

характеру зміни його стану зі стрес-чинниками середовища [11-14].

1. Спосіб визначення ФС точок акупунктури по діелектричним

параметрам. Відомі способи визначення ФСЛ по параметрам репрезентативних

БАТШ ґрунтуються на математичній обробці вимірюваних параметрів. Однак їм

притаманний загальний недолік: у цих способах визначаються різноманітні

співвідношення вимірюваних параметрів, що істотно знижує адекватність

отриманих даних через неможливість проведення іншої обробки, крім

кореляційного аналізу даних між собою.

(n+2)-й вимір

(n+1)-й вимір

800

n-й вимір 8

0 400

4

R, МОм

1

2

C, пФ 1600 1200

(n+2)-й вимір

800 0 400

R, МОм

8

4

1

2

n-й вимір

C, пФ 1600 1200

(n+1)-й вимір

172

Найбільш технічно досконалим є спосіб визначення місцеположення та

функціонального стану точок акупунктури, який включає визначення параметрів

репрезентативних БАТШ для оцінки функціонального стану БАТШ шляхом

вимірювання взаємозв’язаних параметрів. Наприклад, ємності С і опору R у

змінному електричному полі за допомогою коаксіального диференціального

електрода [11].

2. Спосіб визначення ФСЛ шляхом визначення рівня адаптаційного

напруження організму людини-оператора. Відомі способи обробки

електрофізичних параметрів репрезентативних БАТШ для визначення ФСЛ

шляхом відображення отриманих параметрів БАТШ у вигляді гістограм та

визначення 14 % фізіологічного коридору [15]. Однак дані способи мають ряд

загальних недоліків: аналіз базується на статистично отриманих

закономірностях, що знижує надійність визначення ФСЛ через значне

усереднення отриманих результатів; наявність будь-якого артефакту або

параметра, який значно відрізняється від загальної вибірки, приводить до

зміщення фізіологічного коридору, що робить подальшу оцінку ФСЛ

неадекватною.

В основу запропонованого способу поставлена задача підвищення точності

й адекватності оцінки ФСЛ шляхом представлення сукупності виміряних

взаємозв’язаних параметрів у фазовій площині для забезпечення визначення

рівня адаптаційного напруження організму людини-оператора. Спосіб

здійснюється таким чином:

1) Проводять виміри параметрів репрезентативних БАТШ для визначення

рівня адаптаційного напруження організму людини-оператора шляхом

вимірювання ємності С і опору R у змінному електричному полі за допомогою

коаксіального диференціального електрода.

2) Досліджуваному пред'являють тестове навантаження у вигляді важких

умов діяльності. До і після тестового навантаження проводять виміри параметрів

репрезентативних БАТШ.

173

3) Отримані значення представляють у фазовій площині та будують дві

області S1 та S2, кожна точка яких характеризує ФС однієї з 12 підсистем

організму людини-оператора.

4) На підставі них визначають наступні характеристики:

- коефіцієнт адаптаційного напруження КАН:

КАН = 2

1

S

S, (3.3)

де S1 – площа області, що відображає стан людини-оператора в нормальних

умовах діяльності;

S2 – площа області, що відображає стан людини-оператора в тяжких умовах

діяльності.

- розкид значень тангенса кута діелектричних втрат Δtgδ:

Δtgδ = R max – R min, (3.4)

де R max – максимальне значення опору R для даного виміру;

tgδmin – мінімальне значення опору R для даного виміру.

5) Далі на підставі визначених показників визначають ФС ЛО та

прогнозують його професійну придатність до певного виду діяльності:

- придатний, якщо КАН≥1 і ΔR1>>ΔR2, R max1> Rmax2, Rmin1>Rmin2;

- умовно придатний, якщо КАН≥1 і ΔtR1>ΔR2, Rmax1=Rmax2, Rmin1=Rmin2;

- непридатний, якщо КАН<1 і ΔR1≤ΔR2, Rmax1<Rmax2, Rmin1<Rmin2.

Визначення коефіцієнта адаптаційного напруження та тангенса кута

діелектричних втрат за допомогою фазової площини дозволяє проаналізувати

зміни ФС людини-оператора під впливом різних чинників певної діяльності,

тому що вони надають можливість представити динамічну систему, якою є

організм людини-оператора, у статичному вигляді для аналізу.

3. Спосіб визначення ФСЛ шляхом визначення взаємозв’язку порушень

стану людини з чинниками середовища. Відомі способи оцінки взаємозв'язку

174

порушень ФС організму людини-оператора з факторами зовнішнього

середовища шляхом визначення різних психологічних і фізіологічних реакцій

організму людини в різних кліматичних умовах [16, 17]. Однак ці методи мають

цілу низку недоліків:

1) досліджують реакцію на зміну зовнішніх умов тільки окремих

підсистем організму людини (серцево-судинної, дихальної і т.і.);

2) аналіз досліджуваних параметри ФС організму людини вимагає

спеціальних знань;

3) дозволяють отримати уявлення про ступінь впливу зовнішніх факторів

на ФСЛ тільки після накопичення значного обсягу статистичного матеріалу.

В основу запропонованого способу поставлено завдання підвищення

точності і адекватності оцінки взаємозв'язку порушень ФС людини з факторами

зовнішнього середовища. Поставлена задача вирішується таким чином:

1. У випробуваного вимірюються такі параметри:

а) ємність С (пФ) і опору R (МОм) в репрезентативних БАТШ;

б) ємність С (пФ) і опору R (МОм) в точках біоритмів, які найбільш тонко

реагують на зміну факторів зовнішнього середовища (активність Сонця,

геомагнітне поле Землі і т.д.).

Крім того, враховуються параметри зовнішнього середовища (температура

Т і вологість φ повітря, час року, активність Сонця і т.д.).

2. Далі шляхом кореляції отриманих об'єктивних даних робиться висновок

про ступінь впливу факторів зовнішнього середовища на зміну ФСЛ.

Приклад. Проводилося дослідження ФСЛ випробуваного А. протягом

всього року при різних показниках активності Сонця (W, число Вольфа),

вологості і температури повітря (див. табл. 3.2, 3.3).

На підставі графіків, представлених на рис. 3.10, 3.11, можна зробити

висновок, що параметри репрезентативних БАТШ і точок біоритмів залежать від

природних факторів. Однак параметри точок біоритмів мають більш високу

кореляцію зі змінами параметрів навколишнього середовища.

175

Таблиця 3.2

Кореляція параметрів БАТШ та чинників середовища

Параметри чинників середовища

φ, відн.од. Т, С0 W, число Вольфа

Літо

С, пФ 0,5 0,25 0,6

R, МОм 0,5 0,6 0,7

Осінь

С, пФ 0,4 0,3 0,7

R, МОм 0,635 0,63 0,83

Зима

С, пФ 0,3 0,5 0,75

R , МОм 0,9 0,57 0,745

Весна

С, пФ 0,45 0,38 0,65

R, МОм 0,595 0,725 0,74

На підставі даних у таблицях будуються графіки (рис. 3.10, 3.11).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Времена года

К

Лето Осень Зима Весна

Температура

Активность

Солнца

Влажность

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Времена года

К

Лето Осень Зима Весна

Активность

СолнцаВлажность

Температура

а) б)

Рис. 3.10. Графіки кореляції ємності С БАТШ і зовнішнього середовища

(а - параметри репрезентативних БАТШ, б - параметри точок біоритмів)

Крім того, слід зазначити, що більш високі значення кореляції характерні

для тангенса кута діелектричних втрат tgδ точок біоритмів, що говорить про

більш високу інформативність даного параметра при дослідженні придатності

людини для роботи в будь-яких екстремальних природних умовах.

176

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Времена года

К

Лето Осень Зима Весна

Активность

Солнца

Влажность

Температура

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Времена года

К

Лето Осень Зима Весна

Активность

Солнца

Температура

Влажность

а) б)

Рис. 3.11. Графіки кореляції опору R і зовнішнього середовища (а - параметри

репрезентативних БАТШ, б - параметри точок біоритмів)

Таблиця 3.3

Кореляція параметров біоритмічних БАТШ й чинників середовища

Літо

φ, відн.од. Т, С0 W, число Вольфа

С, пФ 0,8 0,6 0,7

R, МОм 0,95 0,75 0,8

Осінь

С, пФ 0,825 0,7 0,65

R, МОм 0,85 0,8 0,9

Зима

С, пФ 0,5 0,5 0,685

R, МОм 0,9 0,75 0,85

Весна

С, пФ 0,755 0,62 0,8

R, МОм 0,8 0,95 0,87

Спосіб може бути використаний для виявлення людей, придатних для

роботи в екстремальних природних умовах.

3.4. Дослідження функціонального стану елементів системи «людина –

техніка – середовище» за допомогою аналогового сигнатурного аналізу їх

динамічних вольтамперних характеристик

Вольтамперна характеристика (ВАХ) біологічно активних точок шкіри

(БАТШ) людини. Варіантом дослідження ФС біологічно активних точок є

177

вивчення її вольтамперної характеристики. Динамічна вольтамперна

характеристика виявляє залежність струму, що проходить через об'єкт, від

прикладеної напруги. Даний параметр може бути використаний для електричної

характеристики організму, так як реакція БАТШ на зовнішній сигнал може

служити інформацією про стан об'єкта [15-24]. Залежність напруги і сили струму

в БАТШ не лінійна, на відміну від інших ділянок шкіри, а форма ВАХ залежить

від сили притиснення електродів до шкіри, причому ця залежність носить також

нелінійний характер [20, 24].

Дослідження електропровідності шкіри тіла людини проводились в

основному у напрямку дослідження стаціонарних ВАХ. Однак зі стаціонарних

ВАХ не може бути отримана інформація про перехідні процеси, що

розвиваються при прикладені електричного поля. Тому з’явились дослідження

динамічних ВАХ та перехідних процесів різних частин тіла людини. В роботах

Коломійця Б.Т. показані дослідження ВАХ на трьох характерних ділянках тіла –

шкіра, БАТШ та ділянки між БАТШ. Було показано надзвичайну чутливість

ВАХ БАТШ до зміни стану шкіри в БАТШ, та встановлено складний характер

динамічних ВАХ в БАТШ. Авторами вперше також показано наявність ділянок з

від’ємним диференційним опором та ефектом пам’яті, тобто здатністю зберігати

інформацію про проходження електричного струму. ВАХ БАТШ близька до

ВАХ паралельного RC-ланцюга. ЇЇ зміщення, кут нахилу є характеристичними

ознаками, що відрізняються у різних людей, в різних БАТШ. Так, наявність

ділянки з від’ємним опором свідчить про підвищену збудливість певної БАТШ,

що пов’язано з певною підсистемою організму. Тому БАТШ можна розглядати

як біосенсор організму людини та використовувати для динамічної діагностики

ФС.

Індивідуальність відгуку сенсора на зовнішній вплив в сигнатурах їх ВАХ.

Сенсори фізичних і біофізичних величин широко використовують в

аерокосмічній техніці, атомній енергетиці, медицині і в ін. областях. Однак, як

істотно нерівноважні умови створення і експлуатації сенсорів, так і різноманіття

взаємозв'язків між їх підсистемами призводить до природної просторово-

178

неоднорідної самоорганізаціі електронних процесів. Як правило, більшість

сенсорів потерпають від проблем локальної нестійкості характеристик,

нестабільності і непрогнозованості параметрів, нелінейності відгуку, пам'яті та

ін. Наслідком цього є ряд взаємозв'язаних проблем дослідження, виготовлення і

експлуатації сенсорів, які проявляються, як правило, при визначеному поєднанні

зовнішніх і внутрішніх чинників або в екстремальних умовах. У звичайних

умовах дослідження індивідуальних особливостей взаємозв'язків між

підсистемами сенсорів випромінювання проявляються в тонких, часом

непомітних, змінах різних параметрів і характеристик сенсорів [25-28]. При

цьому їх виявлення утруднено, а аналіз отриманих результатів не однозначний.

Крім того, різні артефакти, а також незворотні зміни параметрів і характеристик

сенсорів при експлуатації обумовлюють необхідність моніторингу їх

працездатності і періодичного калібрування. З іншого боку, подібні проблеми

були характерні для матеріалів і електронних приладів, які експлуатуються в

екстремальних умовах. В основу їх вирішення був покладений аналоговий

сигнатурний аналіз шляхом порівняння ВАХ з їх еталоном. У роботах [24-27]

показано, що індивідуальність фотовідгуку сенсорних матеріалів і їх поведінку в

екстремальних умовах найбільш повно відображають сигнатури діелектричного

відгуку - діаграми (рис. 3.12, а) та ін.

Рис. 3.12. Сигнатури фотодіелектричного відгуку сенсора випромінювання (а)

без стрес-чинника (крива 1) і при дії стрес-чинника (крива 2); б) - д) операції над

підмножинами індукованих станів

179

Дійсно, площа сигнатури діелектричного відгуку відображає в фазовій

площині потужність підмножини Vn індукованих станів, а її конфігурація

визначається характером їх взаємозв'язків. Її зміна при зовнішньому впливі, а

також операції над підмножинами цих станів є новими подмножинами. Тому

сигнатури характеристик системно відображають функціональний стан сенсора,

для аналізу якого запропоновані інтегративні параметри W1, W2, і ін., які

визначаються через операцію R відношення між двома підмножини Vn

індукованих станів [27]:

W1 = (V1 V2) R (V1V2), (3.5)

W2 = (V1 \ V2) R (V1 V2), (3.6)

W3 = (V1 V2) R (V1ΔV2). (3.7)

Це дозволило збільшити інформаційну базу даних і виявити характер змін

взаємозв'язків в сенсорі (заготовці, кристалі, оптичному елементі і т.д.) при

силовому навантаженні або при обробці. Параметри W1, W2, і ін. покладені

також в основу такої ідентифікації та оцінки сенсорів, кристалів і

функціональних елементів. В ході комплексних досліджень були запропоновані

два взаємодоповнюючих підходи до дослідження сенсорів - динамічний і

статистичний. В основі динамічного підходу лежить аналоговий сигнатурний

аналіз ВАХ сенсорів, тобто порівняння їх з еталоном, з також перетворення

сенсорних характеристик в сигнатури динамічного (фазового) простору.

Дослідження методом вимірювання динамічних ВАХ БАТШ

функціонального стану людини-оператора в динаміці дозволили визначити

особливості та характеристичні ознаки зміни ВАХ БАТШ людини та розробити

експрес-методику визначення функціонального стану оператора шляхом

визначення динаміки відгуку БАТШ на вплив зовнішніх чинників.

180

Досліджувалися сенсори і біосенсори різної природи (напівпровідникові

сенсори, детектори, спектрометри, БАТШ тощо) [26, 27, 50]. В ході комплексних

досліджень сенсорів вимірювали цикли динамічних вольтамперних

характеристик (ВАХ), а також спектральний відгук сенсорів. Встановлено, що:

- зміни їх динамічних ВАХ складаються з послідовності ділянок

постійної крутизни і кривизни, параметри яких залежать від інтенсивності і

довжини хвилі фотозбудження, частоти ƒ і температури. Вони є індивідуальними

характеристиками сенсора, що перетворює динамічні ВАХ в сигнатури відгуку.

Їх застосування розширює можливості сенсорів, перетворюючи їх на

багатофункціональні пристрої;

- при цьому дія зовнішніх і внутрішніх чинників проявляється в

локальному розмитті і асиметрії конфігурацій сигнатур ВАХ, представлених у

вигляді пакету. Вони є характеристичними ознаками локальної перебудови

динаміки ВАХ, які покладені в основу методики відбору функціонально

подібних сенсорів. Аналіз пакету сигнатур сенсорів ефективний для визначення

оптимальних режимів та умов їх експлуатації.

Комплексні дослідження динамічних ВАХ напівпровідникових сенсорів

показали [27, 50], що їх форма чутлива до довжини хвилі і інтенсивності

фотозбудження. При цьому форма динамічної ВАХ і її площа залежать від

частоти і температури, що дозволяє перетворити сенсор випромінювання в

багатофункціональний. Відзначимо також різноманіття і подібність динамічних

ВАХ різних за своєю природою сенсорів (детекторів випромінювання на основі

А2В

6, природних біосенсорів ФС людини, якими є репрезентативні біологічно

активні ділянки шкіри людини). Встановлено, що ті ж характеристичні ознаки

притаманні сигнатурам динамічних ВАХ БАТШ, а саме:

- складний характер послідовності динамічних ВАХ, який змінюється

після кожного циклу;

- з кожним циклом провідність зростає і ВАХ зміщується в сторону

більших струмів, що вказує на ефект пам’яті, тобто на здатність зберігати

інформацію про проходження струму;

181

- наявність в деяких ВАХ області з яскраво вираженим від’ємним

диференціальним опором S-типу. При цьому на цих ділянках спостерігаються

автоколивання.

Із стаціонарних ВАХ не можна отримати інформацію про перехідні

процеси, які представляють значний діагностичний інтерес. Типові ВАХ БАТШ

людини приведені на рис. 3.13. Як видно з рисунку, сигнатури ВАХ деяких

БАТШ подібні до сигнатур елементів електронної техніки (діодів, ємностей,

нелінійних елементів і т.п), а їх конфігурації мають однакові характеристичні

ознаки і відрізняються лише кількістю складових та їх потужністю [26, 27, 50].

а)

б) в)

Рис. 3.13. Динамічні ВАХ кристалів ZnSe(Te) та БАТШ людини

(а - кристал ZnSe(Te); б - БАТШ №1; в - БАТШ №2)

Для ідентифікації і аналізу системних змін ФС оператора у процесі

діяльності запропоновано системні показники збалансованості і асиметрії

протидіючих процесів, які відображає конфігурація сигнатур ВАХ БАТШ.

Індивідуальність динамічних ВАХ сенсорів і біосенсорів якісно проявляється в їх

U, відн. од.

I, в

ідн

. о

д.

I, в

ідн

. од

.

I, в

ідн

. од

.

U, відн. од. U, відн. од.

182

асиметрії, ступінь якої пропорційна відношенню площ, охоплених ВАХ в

протилежних квадрантах. При впливі стрес-факторів форма динамічних ВАХ

змінюється, що вказує на перебудову структури функціонування сенсорів і

біосенсорів. Вона найбільш проявляється при пакетному поданні послідовності

циклів динамічних ВАХ.

Для виявлення впливу зовнішніх чинників (температури, інтенсивності

фотозбудження і ін.) на працездатність сенсорів запропоновані пакети сигнатур

ВАХ. Вони дозволили виявити локальну нестійкість характеристик та їх

перебудову. Вона якісно проявляється в зміні конфігурації, ступень асиметрії

якої пропорційний відношенню площ, охоплених ВАХ в протилежних

квадрантах. При цьому дія зовнішніх і внутрішніх чинників проявляється в

локальному розмитті й асиметрії конфігурацій сигнатур ВАХ, представлених у

вигляді пакету. У пакетах динамічних ВАХ інформативні форма і екстремуми

локальної щільності в 4 квадрантах, а також їх площі. Вони виявилися

ефективними для: а) визначення оптимальних режимів та умов експлуатації

сенсорів; б) відбору функціонально подібних сенсорних матеріалів і сенсорів; в)

виявлення біосенсорів ФС вразливих підсистем організму людини. Тому

сигнатурний аналіз дозволив здійснювати експрес-діагностику ФС і відбір

подібних сенсорів, їх ідентифікацію та класифікацію.

Дослідження ВАХ БАТШ людини-оператора. Застосування принципу

аналогового сигнатурного аналізу динамічних вольт-амперних характеристик

(ВАХ) сенсорів U – I(y), в основі якого порівняння сигнатур ВАХ сенсорів з

відповідними еталонними чи модельними, до аналізу ФС людини-оператора по

діелектричним параметрам БАТШ, дозволило [26, 50]:

1) виявити, що ФС сенсорів випромінювання і БАТШ людини має вигляд

сигнатур справного або несправного діода, ємності з втратами, нелінійної

ємності і т.п. (рис. 3.14 (а, б, в, г));

2) запропонувати пакети сигнатур ВАХ (рис. 3.14, д, є, ж, з) для виявлення

впливу зовнішніх чинників (температури, інтенсивності випромінювання і ін.) на

працездатність сенсорів;

183

3) виявити, що в локальному розмитті, асиметрії конфігурацій в пакетах

сигнатур ВАХ та їх перебудові проявляється вплив зовнішніх чинників

(температури, інтенсивності випромінювання і ін.) на працездатність сенсорів.

Якісно він проявляється в зміні конфігурації, ступень асиметрії якої

пропорційний відношенню площ, охоплених ВАХ в протилежних квадрантах, а

кількісно – в зміні площі сигнатури ВАХ в є-раз. Очевидно, це пов’язано з тим,

що всі процеси релаксації в сенсорах і БАТШ протікають по експоненті і

характеризуються постійною часу, яка визначається їх ємністю і опором.

В ході комплексних досліджень динамічних ВАХ сенсорів і біосенсорів

різної природи (напівпровідникові сенсори, детектори, БАТШ тощо), виявлена

індивідуальність їх конфігурацій, що перетворює динамічні ВАХ в їх сигнатури.

Типові сигнатури біосенсорів шкіри людини і сенсорів γ-випромінювання

наведені на рис. 3.14, а. Порівняння їх з еталонними показує, що ФС сенсорів

випромінювання і біосенсорів шкіри людини має вигляд сигнатур справного або

несправного діода, ємності з втратами, нелінійної ємності і т.п. [50].

Сигнатури Пакети сигнатур

Рис. 3.14. Сигнатури динамічних ВАХ сенсорів випромінювання (а, б) і БАТШ

(в, г), і пакети сигнатур динамічних ВАХ детекторів (д, е) і спектрометрів (ж, з)

а) б)

в) г)

д) е)

ж) з)

184

Для виявлення впливу зовнішніх факторів (температури, інтенсивності

фотозбудження і ін.) на працездатність сенсорів запропоновані пакети локальних

фотоелектричних сигнатур. Вони дозволили виявити локальну нестійкість

характеристик, асиметрію характеристик, межі стійких станів (рис. 3.14, б).

Експрес-методика визначення ФС оператора шляхом визначення динаміки

відгуку БАТШ на вплив зовнішніх чинників. Отримані результати дозволили

розробити експрес-методику визначення функціонального стану підсистем

організму людини. В її основі визначення зміни показника збалансованості в

протифазних складових ВАХ БАТШ при впливі зовнішніх чинників, який

пропорційний відношенню площ S+ і S_, що охоплюються в протилежних

квадрантах, тобто В = S+ / S_. Методика дозволяє оцінити вплив зовнішніх

чинників на БАТШ, а значить і на ФС людини.

Характеристичними ознаками ФС сенсорів в пакетах динамічних ВАХ є

форма і локальні екстремуми в 4 квадрантах, а також їх площі. Вони виявилися

ефективними для: а) визначення оптимальних режимів та умов експлуатації

сенсорів; б) відбору функціонально подібних сенсорних матеріалів і сенсорів;

в) виявлення вразливих підсистем організму людини-оператора та експрес-

діагностики його ФС. Достовірність методу підтверджено за допомогою

стандартизованих психологічних тестів (Люшера, визначення тривожності,

стресу): виявлено закономірне збільшення показників тесту Люшера, що

характеризують стрес та напруження, одночасно зі зменшенням ступеню

збалансованості сигнатур ВАХ БАТШ.

3.5. Висновки за розділом

Суть наукового результату, отриманого в розділі 3, полягає в тому, що:

експериментально виявлено проблеми дослідження життєздатності елементів

СЛТС в складних умовах функціонування і обґрунтовано необхідність розробки

підходу, в рамках якого параметри функціонування будуть не тільки

взаємодоповнюючими, а і взаємозв’язаними. Зокрема, експериментальні

185

дослідження ФС студентів і викладачів, операціоністів, курсантів різними

методами (ЕКГ, ВАХ БАТШ і ВСР) дозволило визначити особливості та

характеристичні ознаки зміни ВАХ БАТШ людини та розробити експрес-

методику визначення ФС оператора шляхом визначення динаміки відгуку БАТШ

на вплив зовнішніх чинників.

При цьому уперше:

1) показано, що конфігурації сигнатур ВАХ репрезентативних БАТШ

людини мають однакові характеристичні ознаки і відрізняються лише кількістю

складових та їх потужністю;

2) для ідентифікації і аналізу системних змін ФС ЛО у процесі діяльності

запропоновано системні показники збалансованості і асиметрії протифазних

процесів, які відображає конфігурація сигнатур ВАХ БАТШ.

Також одержано наступні практично-інструментальні результати:

1) розроблено алгоритм і програма перетворення ВАХ БАТК у відповідні

сигнатури фазового простору;

2) розроблено алгоритм обробки сукупності ВАХ БАТШ та розрахунку

інтегративних показників у пакеті програм Matlab;

3) встановлено, що труднощі діагностики перехідних ФС обумовлені

тривалістю діагностики (300-500 сек.) та не врахуванням індивідуальності і

артефактів;

4) виявлена неузгодженість результатів психологічних досліджень ФС ЛО

та сигнатурного аналізу динамічних ВАХ репрезентативних БАТШ.

Отже, динамічна індивідуальність елементів системи ЛТС, у тому числі

людини-оператора, призводить до неефективності існуючих підходів та методів

визначення їх перехідних ФС. Вони не дозволяють виявляти та системно

аналізувати артефакти, за якими часто прихована індивідуальність перехідних

ФС людини. Для ергономічних же досліджень всієї системи ЛТС необхідна

розробка взаємопов’язаних та взаємодоповнюючих методів дослідження

динаміки функціонування її елементів в складних умовах шляхом геометризації

сигналів функціонування СЛТС в одному функціональному просторі.

186

Комплексне дослідження ФС елементів СЛТС і узагальнення їх результатів

дозволило вирішити друге поставлене завдання дисертаційного дослідження.

Достовірність отриманих результатів забезпечена взаємодоповнюваністю

експериментальних результатів, а також динамічною подібністю складових ВАХ

БАТШ і сенсорів різної природи.

Рекомендації. Використання принципу норми для ідентифікації

працездатних станів і тим самим неврахування індивідуальності людини-

оператора є проблемним у зв’язку з широкою варіативністю параметрів ФС та

можливостей людини.

Теоретичний матеріал та практичні розробки лягли в основу навчальних

посібників «Безпека життєдіяльності» [29, 30], «Функциональное состояние

человека-оператора в экстремальных ситуациях. Методы исследования» [31] та

«Эргономическая оценка проектируемых систем «человек-техника-среда»» [32].

Результати доповідались на міжнародному семінарі [1] та опубліковані в

[33 - 48].

Основні положення розділу опубліковано в роботах [1, 4, 8, 9 – 22, 24, 25,

26, 27 Додатка А].

3.6. Список використаних джерел розділу

1. Мигаль Г. В. Functional state of an operator. System approach // NATO

Advanced Research Workshop on Operator Functional State and Impaired

Performance in Complex Work Environments: Il Ciocco Italy, 2002. Vol 355.

2. Keith A. Entropy // American Journal of Physics.1984. Vol. 52, is. 6. P. 492–

496.

3. Уотермен Т. Теория систем и биология: точка зрения биолога //

Системные исследования. Методологические проблемы. М.: Наука, 1970. С. 164–

186.

187

4. Зотин А. И. Термодинамика и регуляция биологических процессов:

теория информации, управление в живых системах, проблемы самоорганизации.

М.: Наука, 1984. 334 с.

5. Мельник М. А. Взаимообусловленность порядка и хаоса и возможность

прогноза в развитии сложных самоорганизующихся систем // Проблемы

устойчивого развития: иллюзии, реальность, прогноз: материалы VI Всерос.

науч. семинара «Самоорганизация устойчивых целостностей в природе и

обществе»., г. Томск, 13–20 нояб. 2002 г. Томск, 2002. С. 192–195.

6. Зотин А. И., Зотина Р. С. Термодинамические критерии устойчивости и

надежности биологических систем и процессов развития // Работы по теории

информации и кибернетике. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. С. 13–26.

7. Волькенштейн М. В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986. 192 с.

8. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986. 248 с.

9. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М.: Мир, 1966.

271 с.

10. Месарович М. Теория систем и биология: точка зрения теоретика //

Системные исследования. Методологические проблемы: сб. ст. М.: Наука, 1970.

С. 137–163.

11. Спосіб визначення місцеположення та функціонального стану точок

акупунктури: пат. № 30578А Україна: МПК А61Н39/00 / В. Г. Іванов,

В. П. Мигаль, Г. В. Мигаль. № 97010169; заявл. 17.01.1997; опубл. 15.12.2000,

Бюл. № 7-II.

12. Спосіб визначення взаємозв’язку функціонального стану людини-

оператора з факторами зовнішнього середовища: пат. 70697 A Україна: МПК

А61Н39/00 / В. А. Копилов, Г. В. Мигаль. Протасенко О. Ф. № 20031212204;

заявл. 23.12.03; опубл. 15.10.04, Бюл. № 10.

13. Спосіб оцінки функціонального стану людини-оператора: пат.

№ 70699 A UA: МПК A61H 39/00 / Г. В. Мигаль, О. Ф. Протасенко.

№ 20031212206; заявл. 23.12.03; опубл. 15.10.04; Бюл. №10.

188

14. Спосіб оцінки функціонального стану людини-оператора: пат. 70698 A

UA: МПК А61Н39/00 / Г. В. Мигаль, О. Ф. Протасенко. № 20031212205; заявл.

23.12.03; опубл. 15.10.04, Бюл. № 10.

15. Самосюк И. З., Лысенюк Ю. П., Лиманский Ю. П. Нетрадиционные

методы диагностики и терапии. Киев: Здоровье, 1994. 238 с. Казначеев В. П.

Современные аспекты адаптации. Новосибирск: Наука, 1980. 191 с.

16. Казначеев В. П. Донозологическая диагностика в практике массовых

обследований населения. Л.: Медицина, 1980. 207 с.

17. Новосельцев В. Н. Теория управления и биосистемы: анализ

сохранительных свойств. М.: Наука, 1978. 320 с.

18. Новосельцев В. Н. Организм в мире техники. М.: Наука, 1989. 239 с.

19. Торнуев Ю. В. Электрический импеданс биологических тканей. М.:

Изд-во ВЗПИ, 1990. 155 с.

20. Иванов В. Г., Панков Е. Я. Приборная реализация методов

рефлексодиагностики и терапии. Харьков: Новатор, 1994. 185 с.

21. Чеглоков А. В., Иванов В. Г. Рефлексодиагностика

психофизиологического состояния человека. Харьков: Основа, 2000. 50 с.

22. Лукьянов А. Н., Фролов М. В. Сигналы состояния человека-оператора.

М.: Наука, 1969. 132 с.

23. Ермолаев Ю. М. Биологически активная точка – биологический аналог

диода с отрицательным сопротивлением // Биомедицинская радиоэлектроника.

1999. № 7. С. 38–46.

24. But A. V., Migal V. P. Fomin A. S. Structure of a time variable

photoresponse from semiconductor sensors // Technical Physics. 2012. № 57. P. 575–

577.

25. Мигаль В. П., Фомин А. С. Многомасштабность спектрального и

пространственного фотооткликов кристаллов CdZnTe // Письма в журн. техн.

физики. 2006. Т. 32, № 11. С. 44–51.

189

26. Мигаль Г. В., Мигаль В. П. Структурно-функціональний підхід до

аналізу безпеки складних технічних систем // Вісн. Львів. держ. ун-ту безпеки

життєдіяльності: зб. наук. пр. Львів, 2015. Вип. 12. С. 142–149.

27. Мигаль В. П. Технологічно успадковані стани кристалів АIIВVI: дис. …

докт. техн. наук : 05.02.01 / М-во освіти і науки України, Нац. аерокосм. ун-т

ім. М. Є. Жуковського «ХАІ». Харків, 2002. 376 с.

28. Мигаль Г. В., Кивиренко О. Б. Безопасность жизнедеятельности. Ч. 1:

учеб. пособие. Харьков: ХАИ, 2002. 54 с.

29. Мигаль Г. В., Кивиренко О. Б. Безопасность жизнедеятельности. Ч. 2:

учеб. пособие. Харьков: ХАИ, 2002. 60 с.

30. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Функциональное состояние человека-

оператора в экстремальных ситуациях. Методы исследования: учеб. пособие.

Харьков: ХАИ, 2004. 32 с.

31. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Эргономическая оценка проектируемых

систем «человек–техника–среда»: учеб. пособие. Харьков: ХАИ, 2007. 63 с.

32. Мигаль Г. В. Безопасность деятельности человека-оператора и

надежность систем «человек–техника–среда» // Сб. тр. Севастоп. ин-та ядерной

энергии и пром-сти. Севастополь, 2001. Вып. 4. С. 221–225.

33. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Исследование психофизиологических

показателей функционального состояния человека-оператора при действии

стрессогенных факторов // Вестн. Харьков. нац. автомобил.-дорож. ун-та: сб.

науч. тр. Харьков, 2003. Вып. 21. С. 70–74.

34. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Информационно-энергетический

подход к безопасности человека в аэрокосмическом производстве // Открытые

информационные и компьютерные интегрированные технологи: сб. науч. тр. /

Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». Харьков, 2003. Вып. 19. С.

263–268.

35. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Емкость кожи и функциональная

стрессоустойчивость человека-оператора // Вестн. Кременчуг. гос. политехн. ун-

та: сб. науч. тр. Кременчуг, 2003. Вып. 5. С. 138–141.

190

36. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Идентификация состояния стресса

человека-оператора: разработка критериев оценки // Открытые информационные

и компьютерные интегрированные технологи: сб. науч. тр. / Нац. аэрокосм. ун-т

им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». Харьков, 2003. Вып. 21. С. 148–153.

37. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Функциональная надежность человека

на производстве с повышенной опасностью // Сб. тр. Севастоп. ин-та ядерной

энергии и пром-сти. Севастополь, 2004. Вып. 10. С. 135–140.

38. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Методы контроля функционального

состояния операторов // Коммунальное хозяйство городов. Сер.: Технические

науки : науч.-техн. сб. / Харьков. нац. акад. гор. хоз-ва. Харьков, 2006. Вып. 72.

С. 313–318.

39. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Исследование зависимости процесса

формирования стрессоустойчивости от индивидуального образа жизни на

примере курсантов-летчиков // Проблеми освіти: наук.-метод. зб. / Нац. пед. ун-т

ім. М. П. Драгоманова. Харків, 2006. Вип. 49. С. 25–30.

40. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Залежність психофізіологічного стану

людини від стресових факторів життєдіяльності // Вестн. Харьков. нац. автомоб.-

дорож. ун-та: сб. науч. тр. Харьков, 2007. Вып. 36. С. 32–36.

41. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Проблема стресса в обеспечении

безопасности человека // Коммунальное хозяйство городов. Сер.: Технические

науки: науч.-техн. сб. / Харьков. нац. акад. гор. хоз-ва. Харьков, 2008. Вып. 81. С.

385–390.

42. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Стресостійкість людини-оператора.

Методи підвищення стресостійкості // Открытые информационные и

компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. / Нац. аэрокосм. ун-т

им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». Харьков, 2008. Вып. 39. С. 248–252.

43. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Функциональное состояние человека-

оператора как источник мониторинговой информации // Открытые

информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. /

191

Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». Харьков, 2008. Вып. 40. С.

187–192.

44. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Влияние факторов социальной среды на

стрессоустойчивость оператора // Открытые информационные и компьютерные

интегрированные технологи: сб. науч. тр. / Нац. аэрокосм. ун-т им.

Н. Е. Жуковского «ХАИ». Харьков, 2009. Вып. 43. С. 208–212.

45. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Влияние факторов природной среды на

функциональное состояние человека-оператора // Вестн. Нац. техн. ун-та «ХПИ»:

сб. науч. тр. Харьков, 2010. Вип. 46. С. 141–146.

46. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Исследование влияния

индивидуального образа жизни на формирование профессиональных качеств //

Якість технологій та освіти: зб. наук. пр. / Укр. інж.-пед. акад. Харків, 2011. Вип.

2. С. 184–188.

47. Мигаль Г. В., Протасенко О. Ф. Функциональное состояние человека-

оператора как источник мониторинговой информации // Проблемы створення та

забезпечення життєвого циклу авіційної техніки: Міжнар. наук.-техн. конф.: тези

доп., 23–24 квіт. 2008 р., м. Харків / Нац. аерокосм. ун-т ім. М. Є. Жуковського

«ХАІ». Харків, 2008. С. 110.

48. Применение параметрических и вейвлет сигнатур для диагностики

сенсоров / Г. В. Мигаль, А. В. Бут, И. А. Клименко, В. П. Мигаль //

Радіоелектронні і комп’ютерні системи. 2009. № 2 (36). С. 35–44.

49. Берталанфи Л. Общая теория систем – критический обзор //

Исследования по общей теории систем: Сборник переводов / Общ. ред. и вст. ст.

В. Н. Садовского и Э. Г. Юдина. М.: Прогресс, 1969. С. 23–82.

50. Применение параметрических и вейвлет сигнатур для диагностики

сенсоров / В. П. Мигаль, И. А. Клименко, Г. В. Мигаль, А. С. Фомин, А. В. Бут //

Радіоелектронні і комп’ютерні системи. 2009. № 2 (36). С. 35–44.