Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)»

На правах рукописи

УДК 681.518.5:536.521.082.52

Левитская Елена Андреевна

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

СОДЕРЖАНИЯ АЛКОГОЛЬНО-НАРКОТИЧЕСКИХ

ВЕЩЕСТВ В ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Первый научный руководитель:

д.т.н., профессор

Епифанцев Б.Н.

Второй научный руководитель:

д.т.н., доцент

Науменко А.П.

Омск – 2016

2

Содержание

Введение....................................................................................................................... 4

1 Состояние вопроса и задачи исследования ....................................................... 13

1.1 Обзор методов дистанционного определения степени алкогольного

опьянения субъекта ................................................................................................. 13

1.2 Обзор технологий дистанционной оценки наркотического состояния

субъекта ................................................................................................................... 21

1.3 Обзор технологий локализации лица субъекта ............................................... 27

1.4 Задачи диссертационного исследования .......................................................... 30

2 Способ дистанционного контроля содержания алкоголя и наркотических

веществ в выдыхаемом субъектом воздухе ...................................................... 31

2.1 Физические основы дистанционного определения содержания алкоголя и

наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом воздухе .................... 31

2.2 Применение абсорбционной ИК - спектроскопии для выявления содержания

алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом воздухе ................................. 36

2.3 Физические основы дистанционной локализации лица человека .................. 48

3 Моделирование и оценка погрешностей ........................................................... 57

3.1 Выбор структуры устройства для дистанционного анализа параметров

выбранных спектральных составляющих ИК-излучения, проходящих через

воздушную среду. ................................................................................................... 57

3.2 Моделирование методом Монте-Карло прохождения ИК излучения через

выдыхаемый воздух и его распространение в биоткани ...................................... 68

3.3 Оценка погрешностей имитационного моделирования .................................. 84

4 Технология дистанционного контроля содержания алкогольно-

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе и предложения

по реализации ....................................................................................................... 91

3

4.1 Технология дистанционного контроля содержания алкогольно-

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе ................................. 91

4.2 Оценка эффективности разработанного метода .............................................. 95

4.3 Предложения по применению разработанной технологии ............................. 98

Заключение ............................................................................................................. 100

Список литературы ............................................................................................... 103

Приложение А ......................................................................................................... 115

Приложение Б ......................................................................................................... 116

Приложение В ......................................................................................................... 118

Приложение Г ......................................................................................................... 119

Приложение Д ......................................................................................................... 120

Приложение Е ......................................................................................................... 122

Приложение Ж ........................................................................................................ 123

4

Введение

В последние годы быстрыми темпами идет процесс автоматизации

производственных процессов и активное внедрение информационных технологий

на крупных и опасных промышленных предприятиях (таких как предприятия

нефтеперерабатывающей, химической и атомной отраслей).

Одним из следствий процессов автоматизации стало существенное

изменение условий, средств и характера трудовой деятельности. Хотя на данный

момент основная часть всех технологических процессов на промышленных

предприятиях автоматизирована, роль человеческого фактора на производстве не

только не уменьшилась, а наоборот возросла. Необходимо учитывать этот фактор

при планировании технологических процессов и организации трудовой

деятельности. Человека и технические средства, которые он использует в

процессе труда, нельзя рассматривать отдельно. Эта точка зрения привела к

формированию понятия системы «человек — машина» (СЧМ). Под СЧМ пони-

мается система, включающая человека-оператора (группу операторов) и машины,

посредством которых осуществляется трудовая деятельность. Машиной в СЧМ

называется совокупность технических средств, используемых человеком-

оператором в процессе деятельности [1].

Независимо от степени автоматизации СЧМ, человек остается главным

звеном системы «человек — машина». Именно он ставит цели перед системой,

планирует, оценивает и производит анализ информации от машины, направляет и

контролирует весь процесс ее функционирования. Поэтому контроль

психофизиологического состояния оператора в СЧМ является важной задачей.

Ильин Е.П. определяет психофизиологическое состояние (ПФС) человека

как целостную системную реакцию на внешние и внутренние воздействия,

направленную на сохранение целостности организма и обеспечение его

жизнедеятельности в конкретных условиях обитания, подчеркивая, что это

реакция «не только психики, но и всего организма и личности в целом» [2].

5

На данный момент контроль психофизиологического состояния лиц,

допущенных в рамках своей профессиональной деятельности к опасным

технологическим процессам или к работе с коммерческой тайной, осуществляется

главным образом нормативными документами, регламентирующими действия и

поведение сотрудников.

Исследования показывают, что только личный негативный опыт влияет на

отношение человека к возможности выполнения профессиональной деятельности

в неадекватном состоянии, а не уровень его информированности о последствиях

и рисках такого действия.

Человек, допущенный к выполнению своей профессиональной

деятельности и находящийся под воздействием психотропных веществ, не

осознает, что представляет большую опасность. Работа в таком состоянии может

привести к несчастным случаям, ошибкам при выполнении сложных задач, срыву

технологического процесса, может стать угрозой не только для информационной

безопасности предприятия, но и привести к аварии способной превратить регион

в зону экологического, техногенного бедствия. Сотрудник неадекватно оценивает

свои возможности, снижается его уровень концентрации внимания, происходит

ухудшение периферийного поля зрения и искажение восприятия

действительности. Подобные проявления алкогольной и наркотической

интоксикации связаны с тем, что наибольшей чувствительностью к

психотропным веществам обладают системы, отвечающие за оперативную

обработку информации, моторные функции, степень реагирования и память. Так

после принятия даже незначительной дозы спиртного в течение часа реакция

замедляется на 30…40% [3].

Ежегодно в мире от различных техногенных аварий погибает до 200 тыс.

человек и около 120 миллионов получают травмы различной тяжести. По данным

официальной статистики МЧС России [4] за 2014 год произошло 186 техногенных

аварий, в которых погибло 556 человек и пострадало 1620, это на 12,05% больше

чем за 2013 год.

6

Основной причиной возникновения опасностей техногенного характера

является человеческий фактор, связанный с нарушениями трудовой дисциплины.

По сведениям журнала «Нефть России» в России процент аварий промышленного

характера, происходящих вследствие ошибок персонала, колеблется от 20 до 80%

в зависимости от степени автоматизации производства [5].

Еще одним из последствий процессов автоматизации производства стало

увеличение вероятности утечки, кражи или порчи информации нелояльным

сотрудником (инсайдером), поэтому особое место на таких предприятиях

занимают вопросы защиты информации.

Важной составляющей комплексной системы обеспечения информационной

безопасности на промышленных предприятиях является система контроля и

управления доступом (СКУД) [6,7].

Под СКУД понимается комплекс мероприятий и устройств, направленных

на обеспечение контроля и санкционированного доступа персонала предприятия

(посетителей, командированных лиц) и транспорта в (из) помещения, здания,

зоны и территории в соответствии с установленной на объекте режимно -

правовой средой.

Основные задачи, выполняемые СКУД:

1. исключение (или существенное затруднение) несанкционированного

доступа нарушителей в охраняемые зоны и помещения;

2. контроль доступа персонала, посетителей и транспортных средств в

соответствии с допуском в охраняемые зоны и помещения;

3. протоколирование всех совершаемых действий, в том числе

персоналом системы физической защиты;

4. автоматический учет рабочего времени персонала.

Стандартные процедуры аутентификации в СКУД выполняют функцию

разграничения понятий «свой» и «чужой». Разграничение происходит на основе

предъявления субъектом «секретного ключа» (пароля, магнитной карты, радио –

7

брелка и т.п.) или биометрических данных [8]. При этом не учитывается

психофизиологическое состояние человека.

Следовательно, доступ может получить потенциально опасный для

технологической и информационной безопасности субъект (например, человек в

состоянии алкогольного или наркотического опьянения).

Таким образом, необходимым условием для создания эффективной системы

«человек - машина» является комплексный подход к мониторингу действий

сотрудников, который включает в себя их непрерывную идентификацию и

автоматическое определение опасного с точки зрения безопасности поведения

субъекта [9,10].

Чаще всего с целью исключения допуска субъекта в состоянии опьянения к

выполнению своих должностных обязанностей применяются медицинские

осмотры перед началом рабочей смены, которые имеют ряд существенных

недостатков:

1. возможность пропуска человека в состоянии опьянения по

невнимательности или из корыстных побуждений;

2. низкая пропускная способность, что делает этот способ

неприемлемым в условиях массового прохода на предприятиях.

В настоящее время идет активное внедрение алкотестеров (анализаторов

паров этанола в выдыхаемом воздухе) интегрированных в СКУД [11].

Применение алкотестеров на предприятиях помогает уйти от основных

недостатков традиционных медицинских осмотров, так как полностью

исключается «человеческий фактор» и сокращается время тестирования. Однако

использование существующих алкотестеров также имеет ряд недостатков:

1. невозможность проведения скрытого контроля содержания

алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе;

2. назойливость процедуры для пользователей;

3. не решается проблема контроля состояния наркотического опьянения;

8

4. не исключается возможность употребления спиртосодержащих или

наркотических веществ после прохождения теста на рабочем месте.

Существует настоятельная необходимость создания системы

дистанционного контроля психофизиологического состояния сотрудника,

намеревающегося получить доступ на территорию предприятия и/или в процессе

его работы. При фиксировании признаков потребления алкоголя и (или)

наркотических веществ система отобразит результат на экран монитора оператора

службы безопасности. Система может быть интегрирована в СКУД или быть

автономной.

Данная система может быть использована для контроля

психофизиологического состояния водителей транспортных средств, чья

деятельность предусматривает доступ на охраняемую территорию или перевозку

опасных веществ (например, взрывчатых веществ). При фиксировании признаков

потребления алкоголя и (или) недопустимого психофизиологического состояния

система предотвратит запуск двигателя транспортного средства, скрытость

проверки осложнит поиски средств противодействия операции.

В какой мере решена проблема дистанционного контроля содержания

алкогольно-наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе к

настоящему времени, позволяют дать ответ приводимые в главе 1 материалы

обзора патентной и периодической литературы.

Целью диссертационной работы является развитие методов и технологии

дистанционного контроля содержания алкогольно-наркотических веществ в

выдыхаемом субъектом воздухе. Для достижения поставленной цели необходимо

решить следующие задачи:

1. проанализировать современное состояние методов и технологий

контроля паров этанола и аммиака в выдыхаемом субъектом воздухе, обосновать

применения абсорбционной ИК – спектроскопии;

9

2. выбрать и обосновать спектральные области излучения, наиболее

подходящие для обнаружения паров этанола и аммиака;

3. разработать метод дистанционного контроля содержания алкоголя и

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, позволяющего с

высокой точностью определять концентрацию этанола и аммиака в крови

субъекта;

4. предложить способ локализации зоны анализа воздушной среды для

обнаружения области с наибольшей концентрацией паров этанола и аммиака;

5. разработать математическую модель процесса прохождения ИК

излучения через выдыхаемый воздух и биоткань;

6. разработать технологию дистанционного контроля содержания

алкоголя и наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработан способ дистанционного контроля содержания этанола и

аммиака в выдыхаемом субъектом воздухе, отличающийся введением опорного и

измерительного оптических каналов для каждого из анализируемых веществ,

применением дополнительных операций по обработке сигналов, а также

введением каналов измерения концентрации алкоголя и наркотических средств на

основе конопли в выдыхаемом воздухе.

2. Обоснован метод локализации зоны анализа воздушной среды на

присутствие алкоголя и наркотических веществ, использующий наличие

меланина в поле зрении оптической системы, отличающийся введением опорного

и измерительного оптических каналов для меланина. С целью улучшения

чувствительности и селективности локализации применяются операции

накопления отраженных импульсов и их непрерывное сопоставление до

получения устойчивого эффекта выполнения базового условия, означающего

попадание лица субъекта в поле зрения оптической системы.

3. Получены численные результаты математического моделирования

процесса взаимодействия ИК-излучения на выбранных длинах волн (1,1, 1,2, 2,6,

10

3,0, 3,1, 3,3 мкм) при прохождении через выдыхаемый воздух, попадании на

кожный покров и отражении от него в направлении приемной системы.

4. Установлены зависимости между количеством регистрируемых

фотонов, расстоянием до источника/приемника излучения и площадью детектора.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные

результаты позволят решить важную проблему дистанционного контроля

содержания алкоголя и наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом

субъектом воздухе. Это позволит повысить уровень информационной и

техногенной безопасности на важных промышленных объектах, а также снизить

уровень ошибок, чрезвычайных ситуаций, происходящих по вине нетрезвого

сотрудника, а значит сделать СЧМ более эффективной.

Разработанный метод дистанционного контроля содержания этанола и

аммиака в выдыхаемом человеком воздухе может быть использован для решения

широкого круга задач в биохимии, биомедицине и клинической медицине.

Практическую ценность представляют:

1. метод локализации зоны анализа воздушной среды на наличие

алкоголя и наркотических веществ, использующий наличие меланина в поле

зрении оптической системы;

2. способ дистанционного контроля содержания алкоголя в крови

субъекта по выдыхаемому воздуху;

3. способ дистанционного контроля содержания наркотических

веществ на основе конопли в крови субъекта по выдыхаемому воздуху;

4. технология дистанционного контроля содержания алкогольно-

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, реализующая

предложенные методы.

5. Математическая модель прохождения инфракрасного излучения через

выдыхаемый субъектом воздух, его попадании на кожный покров и отражении от

него в направлении приемной системы, позволяющая моделировать процесс

дистанционного анализа спектральных составляющих и получить ожидаемые

оценки его чувствительности.

11

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ дистанционного контроля содержания алкоголя и

наркотических веществ на основе конопли в выдыхаемом субъектом воздухе,

основанный на облучении лица человека последовательностью импульсов

инфракрасного диапазона оптического спектра и анализа отраженных

излучений, позволяющий обнаружить концентрацию этанола в крови от 0,20/00

и аммиака от 100/00.

2. Метод локализации зоны анализа воздушной среды на наличие

алкоголя и наркотических веществ, основанный на обнаружении меланина в

поле зрения приемной оптической системы, позволяющий повысить

чувствительность обнаружения.

3. Математическая модель прохождения инфракрасного излучения через

выдыхаемый субъектом воздух, его попадании на кожный покров и отражении от

него в направлении приемной системы, позволяющая моделировать процесс

дистанционного анализа спектральных составляющих и получить ожидаемые

оценки его чувствительности.

4. Технология дистанционного контроля содержания алкогольно-

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, реализующая

предложенные способы и методы.

Достоверность результатов подтверждена соответствием результатов

имитационного моделирования и экспериментальных данных, а также

использованием признанных методик статистической обработки данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

«Восьмом Всероссийском конкурсе студентов и аспирантов по

информационной безопасности SIBINFO-2008» (г. Томск, 2008 г.); IV

Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и

молодых ученых (г. Омск, 20-21 мая 2009 г.); Международной научно-

практичекой конференции «Снежинск и наука 2009» (г. Снежинск, СГФТА,

2009 г.); Третьей Международной конференции САИТ-2009 «Системный

анализ и информационные технологии» (г.Звенигород, 14-18 сентября 2009 г.);

12

Международном информационном конгрессе «МИК-2010» «Международный и

региональный опыт построения информационного общества» (г. Омск, 14-16

сентября 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции студентов,

аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011» (г. Томск, 2011

г.); XII Всероссийской научно-практической конференции студентов,

аспирантов и молодых ученых (г. Екатеринбург, 2-4 декабря 2013 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных

научных работах. В число указанных публикаций входят 5 статей из перечня

ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, 6 статей в

сборниках материалов международных и всероссийских конференций. Получен

патент на изобретение № 2438131 от 27.12 2011.

Личный вклад автора. Основные результаты и положения, выносимые

на защиту, получены лично автором. Все методы, обсуждаемые в работе,

разработаны и экспериментально исследованы автором самостоятельно.

Постановка целей и задач исследования, их предварительный анализ,

планирование экспериментов осуществлялись совместно с научным

руководителем.

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить глубочайшую

благодарность первому научному руководителю д.т.н., профессору Епифанцеву

Б.Н. за неоценимый вклад и помощь при работе над диссертацией.

Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры

«Информационная безопасность» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная

автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)», а также к.т.н. Сулавко А.Е. за

помощь в подготовке диссертационной работы.

13

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Обзор методов дистанционного определения степени алкогольного

опьянения субъекта

По данным официальной статистики Всемирной организации

здравоохранения (ВОЗ) [12], употребление алкоголя и одурманивающих веществ

являются глобальными проблемами, ставящими под угрозу общественное

развитие. Ежегодно злоупотребление алкоголем приводит к 2,5 миллионам

смертей в мире, более 15,3 миллионов человек страдают расстройствами,

связанными с употреблением психоактивных веществ. В России смертность от

алкоголя в 2 раза превышает общемировой показатель. В 2014 году, согласно

отчету НИИ Росстата, продажа алкогольных напитков составила 8,3 литра

чистого спирта на душу населения [13].

Дорожно-транспортные происшествия по вине нетрезвого водителя вносят

свой вклад в увеличение общей смертности населения. Так за период с 2010 по

2014 года в России более чем в 1,5 раза увеличилось количество дорожно-

транспортных пришествий с участием водителей, находившихся в состоянии

опьянения и ранее лишенных права управления, а число погибших в них людей –

в 2 раза [14].

14

Рис. 1.1 – Статистика дорожно-транспортных происшествий с участием

водителей в состоянии алкогольного опьянения в РФ, 2010 – 2014гг

В Бразилии в 2008 году было проведено исследование целью которого стала

оценка содержания алкоголя в крови молодых людей и риска совершения ими

ДТП до и после внедрения закона, запрещающего распитие алкогольных

напитков на городских АЗС [15]. Согласно проведенному исследованию, после

принятия закона никаких существенных изменений не последовало.

Концентрация алкоголя более 0,060/00 была обнаружена у 35,5 и 40%

респондентов соответственно до и после принятия запрещающего закона.

Анализ статей и официальных отчетов отечественных и зарубежных

периодических изданий показал большую озабоченность относительно той роли,

которую играет алкоголь и наркотические вещества в причинах аварий и

происшествий различного рода.

Характерным показателем интереса к вопросу контроля

психофизиологического состояния субъекта является динамика количества заявок

на патенты и число статей в периодической литературе в данной области. Общее

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

2010 год 2011 год 2012 год 2013 год 2014 год

Число ДТП по вине водителя в состоянии алкогольного опьянения

число погибщих в ДТП по вине нетрезвого водителя

15

представление об изобретательской деятельности по разработке устройств

измерения концентрации алкоголя в крови человека дает рисунок 1.2.

Рис. 1.2 – Число заявок на патенты в области определения концентрации алкоголя

в крови человека, 2001-2012 гг

Изучение периодической литературы [16] в области определения

концентрации алкоголя в крови субъекта выявило необходимость решения ряда

практических задач, например, по дистанционной оценке степени опьянения

человека. На сегодняшний день такие задачи, в основном, решаются путем

рассмотрения и оценки психической сферы и поведения, выявления

неврологических и вегетососудистых нарушений, таких как, нарушение походки,

гиперемия кожных покровов, изменение артериального давления и температуры

тела и другие [17]. Все эти процедуры проводятся при контакте с тестируемым

лицом, то есть человек знает, что его проверяют и как это делается.

Активно идет разработка и усовершенствование полупроводниковых

датчиков для обнаружения этанола в воздухе [18-20]. В большинстве своем

подобные датчики изготавливаются на основе оксида олова (SnO2),

легированного катализирующими примесями, имеющие низкую проводимость на

0

50

100

150

200

250

16

чистом воздухе. При появлении в воздухе паров этанола, их проводимость

изменяется.

Полупроводниковые датчики имеют небольшие размеры, обладают

достаточно высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения, что

позволяет их использовать для дистанционной диагностики алкогольного

состояния субъекта. С другой стороны, полупроводниковые датчики имеют ряд

серьезных недостатков: малая избирательность по отношению к этанолу, низкая

стабильность характеристик, зависимость от температуры окружающей среды.

В работах [21, 22] предложено судить о психофизиологическом состоянии

субъекта по тепловому излучению с левого и правого висков человека при

выполнении им определенных заданий. В отличие от них в работе [23]

предлагается производить измерение температуры субъекта в нескольких зонах -

глазные впадины, на лбу, подбородке, ушных раковинах. Возможность

дистанционного получения информации – это основное достоинство «тепловых»

методов. Однако каких-либо данных о применимости данных методов к оценке

состояния алкогольного опьянения и эффективности этих методов не

представлено.

Перспективным направлением по дистанционной оценке

психофизиологического состояния дистанционным способом может стать анализ

изменения речи субъекта. Параметры речи, такие как, характер, вываривание

отдельных звуков и словосочетаний, связность, темп и другие, являются одним из

основных критериев для установления факта употребления алкоголя субъектом

при проведении медицинского освидетельствования [24]. Анализ периодической

и патентной литературы в этом направлении выявил отсутствие каких-либо

решений.

Анализ патентов в области методов обнаружения этанола в крови человека

выявил большое число предлагаемых решений. Некоторые из представленных

систем пытаются измерять концентрацию алкоголя в крови пользователя, требуя

17

нажатия кнопок в случайном порядке в течение заданного отрезка времени [25].

Другие системы определяют концентрацию алкоголя в тканях или требуют

совершения дыхательного теста [26,27]. Так как операция выдыхания воздуха в

техническое средство требует контакта с проверяемым лицом, исключается

скрытность проведения теста.

Сложность реализации, громоздкость и назойливость систем для

пользователей, делают их непрактичными для широкого круга использования.

Кроме того, точность многих устройств значительно снижается в случае наличия

в воздухе других спиртосодержащих паров (бензин, духи).

Известен «Способ определения наличия этилового спирта в организме

человека» (Патент РФ RU2198401, МПК – G01N33/48 от 22.06.2001). По данному

способу исследуют ликвор человека. Недостатком известного способа является

длительность процедуры, контактность с исследуемым лицом, исключена

скрытность проводимой операции.

По другому способу (Патент WO2005118326, МПК - B60R 25/0, E05B 19/04

от 15.12.2005) «Метод и устройство для контроля транспорта» используется ключ

для дистанционного управления иммобилайзером автомобиля. В состав ключа

встроен прибор для определения уровня алкоголя в крови лица, подающего

сигнал на запуск автомобиля. В основе способа определения концентрации

алкоголя в крови лежит изменение электропроводности выдыхаемого воздуха.

Главный недостаток изложенного решения – возможность фальсификации

результатов через подмену лица, контактность.

Также известны способы определения наличия алкоголя в крови субъекта

по изменению сопротивления кожи [28] и анализу образца слюны[29]. Эти

способы обладают теми же недостатками что и рассмотренные выше.

Из известных методов и систем наиболее близкая к решению задачи

обеспечения скрытности проведения операции определения концентрации

алкоголя в крови субъекта “System and method for detecting and measuring ethyl

18

alcohol in the blood of a motorized vehicle driver transdermally and non-invasively in

the presence of interfeerents” (Патент US 2013/0027209 А1, МПК – A61B 5/1477,

G06F 7/00 от 31.01.2013). В данном методе осуществляется сбор потовых

выделений, исходящих от рук водителя, полимерными датчиками,

расположенными в рулевом механизме автомобиля. Предложенная система

достаточно компактна, ненавязчива для водителя. Однако ее применение

возможно только в течение нескольких минут с начала потребления алкоголя

водителем транспортного средства. Кроме того, она обладает всеми недостатками

методов, использующих полупроводниковые датчики.

В настоящее время количественное определение алкоголя в выдыхаемом

воздухе производится термокаталитическим методом с помощью прибора ППС-1;

хемосорбционым методом с помощью индикатора паров алкоголя АГ-1200;

спектрофотометрического анализатора концентрации паров этанола АКПЭ-01

[30].

Термокаталитический метод основан на сорбировании паров алкоголя

выдыхаемого воздуха с последующей термодесорбцией и сжиганием на

элементах чувствительного детектора. Этот принцип реализуется с помощью

прибора ППС - I для определения паров спирта в выдыхаемом воздухе. Прибор

более чувствителен и точен в сравнении с качественными реакциями.

Термокаталитический метод не является избирательным по отношению к

этиловому спирту, поскольку даёт положительный результат и при наличии в

выдыхаемом воздухе ряда других летучих веществ.

Индикатор паров алкоголя АГ-1200 [31] предназначен для выявления на-

личия паров алкоголя при его концентрации 100 мкг/л и более в выдыхаемом

воздухе (0,2 промилле и более в крови). Принцип работы индикатора основан на

преобразовании электрического сигнала датчика, изменяющего сопротивление

чувствительного слоя при адсорбции паров этанола, воздействующих на его

поверхность.

19

Принцип работы анализатора концентрации паров этанола АКПЭ-01

основан на инфракрасном спектрофотометрическом методе обнаружения

алкоголя в организме. Анализатор применяется для освидетельствования

водителей транспортных средств. Избирателен к алкоголю, обладает высокой

точностью.

Проведенный анализ способов, изложенных в существующих патентах и

периодической литературе в области дистанционного определения уровня

алкоголя в крови субъекта показал наличие некоторого числа решений для

экспресс – диагностики субъектов и выявил основные недостатки существующих

методов:

1. невозможность дистанционного определения уровня алкоголя в крови

из-за контактности методов;

2. возможность фальсификации результатов через подмену

обследуемого субъекта;

3. назойливость систем для пользователей;

4. недостаточная чувствительность методов.

Из известных технических решений наиболее близким по совокупности

признаков к поставленной задаче является «Способ обнаружения глаз людей и

животных (Патент РФ RU2223516, МПК – G01S 17/06, G06К 9/00 от 02.07.2002).

По этому способу осуществляют обучение лоцируемого объема пространства

импульсным излучением на двух длинах волн, одна из которых лежит в полосе

поглощения искомого вещества (родопсина), а другая – вблизи этой полосы,

отраженные импульсы энергии сравнивают и по результату сравнения принимают

решение об отсутствии или наличии искомого вещества (родопсина) в

лоцируемом объеме пространства.

Недостатком известного способа является ограниченность расстояния, на

котором возможно проводить обнаружение объекта, и невысокая точность

измерения концентраций искомого вещества (есть родопсин или нет его).

Расстояние определяется оптической схемой, концентрирующей излучение в

20

лоцируемый объем пространства и перехватывающей отраженное излучение, а

также энергией генерируемых импульсов и допустимой для глаз плотностью

потока облучения. Последний ограничивающий фактор играет решающее

значение при реализации дистанционного абсорбционного анализатора примесей

в воздухе при использовании отражающей поверхности лица человека.

Очевидна необходимость устранения недостатков известного способа путем

введения дополнительных операций по обработке сигнала и формирования

другой последовательности выполняемых операций. Тем самым удастся перейти

от пороговой операции «да - нет» к решению задач измерительного плана и

снизить ограничения на расстояние до исследуемого субъекта.

21

1.2 Обзор технологий дистанционной оценки наркотического состояния

субъекта

Поиск объективных критериев оценки психофизиологического состояния

человека, находящегося под воздействием наркотических веществ, до настоящего

времени остается актуальной задачей [32].

По последним оценкам, опубликованным во Всемирном докладе о

наркотиках [33], в 2010 году от 3,4 до 6,6% людей в возрасте от 15 до 64 лет

употребляют психоактивные вещества. Согласно тому же источнику, в 2010 году

произошло от 22 до 55,9 смертей на миллион человек в результате незаконного

употребления наркотических веществ.

Согласно данным ВОЗ [12] самым широко используемым запрещенным

наркотическим веществом в мире является каннабис. Данные об изъятии и

уничтожении указывают на то, что масштабы распространения производства

марихуаны растут.

Одной из причин широкого распространения марихуаны является высокая

сложность выявление лиц, употребивших каннабиноиды (препараты,

приготовленные из различных частей конопли, наиболее распространенные:

марихуана (смесь листьев, соцветия), гашиш (смолка, гашишное масло) [34]). Как

правило, их курят, забивая в папиросы вместе с табаком. Основным действующим

веществом, ответственным за психоактивные свойства конопли, является группа

алкалоидов под общим названием тетрагидроканнабинолы.

В литературе [12, 30, 35] описываются психологические эффекты от приема

каннабиноидов, такие как обостренное восприятие звука и света, эйфория,

спокойствие и дремота (или бессонница, что зависит от конкретного человека),

кратковременные приступы тревожности, доходящие до паники, галлюцинации.

При курении каннабиноиды быстро всасываются лёгкими в течение

нескольких минут, достигая максимальной концентрации в крови через 5…30

22

минут с последующим быстрым снижением за счёт распределения по тканям и

процессов метаболизма. При пероральном введении концентрация этих веществ

нарастает медленно и достигает максимальных значений через 1,5…3 часа [36].

Анализ периодической литературы [18, 37] в области оценки

психофизиологического состояния, удовлетворяющих нашему условию, показал

наличие определенных результатов и выявил необходимость решения ряда

вопросов.

В последние 5…7 лет в странах Европы было предложено достаточно

методов обнаружения наркотических веществ, но все они в большинстве случаев

не подходят в качестве экспресс - тестов для субъектов [38]. В настоящее время,

для диагностики употребления наркотических веществ используются экспресс -

анализы мочи или крови, показывающие наличие ТГК (тетрагидроканнабинола) в

организме человека. Методы основаны на том, что за 5 дней выводится от 80 до

90% принятой дозы ТГК, 20% из которой с мочой в виде метаболитов, на 80%

связанных с глюкуроновой или серной кислотами. В настоящее время в практику

внедрены наборы индикаторных полосок, основой действия которых является

иммунохроматографический анализ [30, 39]. Анализируемый образец (моча)

абсорбируется поглощающими участками полосок, и при наличии в образце

наркотика (или его метаболитов) они вступают в реакцию со специфическими

антителами, образуя комплекс «антиген - антитело». В зависимости от того, чем

метится антитело и какие предусмотрены цветовые реакции, связанные с

появлением комплекса «антиген - антитело», индикаторная зона при наличии

искомого наркотического вещества приобретает или, наоборот, не приобретает,

определённую окраску. У хронических наркоманов иммуноферментным методом

в моче определяются метаболиты ТГК на уровне более 20 нг/мл в период от 4 до

77 дней после последнего употребления, а у «умеренных» потребителей — в

среднем через 13 дней (от 3 до 29 дней) [40]. Анализ каннабиноидов представляет

собой определенные трудности вследствие их высокой липорастворимости и

низкой концентрации в анализируемых биожидкостях — моче и крови. Поэтому

23

более часто содержание каннабиноидов устанавливается в смывах рук и ротовой

полости курильщиков.

Медленнее чем ожидалось, идет развитие методов, основанных на анализе

слюны [41]. Ученые столкнулись с проблемой получения образца надлежащего

качества (объема и вязкости) и невысокой чувствительностью метода.

Так же проходят испытания потовых методов, но они пока не дали хороших

результатов [41].

На данный момент самым надежным и широко применяемым методом

выявления факта употребления наркотических веществ в США и Европе является

анализ по волосам. Данный метод обладает высокой чувствительностью и

достоверностью.

Еще одним методом диагностики наркотических веществ является – анализ

ногтевой пластины [42]. Концентрация психоактивных веществ в ногтях равна

или выше концентрации в волосах.

У всех доступных методов существует общая проблема сбора необходимых

для анализов образцов в рамках задачи обеспечения скрытности и

ненавязчивости. Кроме того, большим недостатком существующих методов

выявления наркотического опьянения человека является возможность

фальсификации результатов предстоящей проверки благодаря предварительной

осведомленности о ней. Отсутствие возможности скрытого проведения проверки,

без активного вовлечения человека в процедуру проверки, является

ограничивающим фактором распространения данных методик в особо важных

информационных системах.

В работе [43] ученые Вашингтонского государственного университета

представляют алкотестер, который позволит определить наличие ТГК,

психоактивного компонента марихуаны. Однако, никаких данных по оценке его

эффективности, применимости, достоверности не приводится.

24

Анализ патентной базы [44-46] выявил интерес к изучению методов

обнаружения наркотических веществ. Так известен способ бесконтактного

получения информации о психофизиологическом состоянии объекта - «Способ

получения информации о психофизиологическом состоянии живого объекта»

(Патент RU2289310, МПК – A61B 5/16 от 16.02.2004). Задача получения

информации о психофизиологическом состоянии живого объекта решается путем

преобразования изображения объекта. Осуществляется проецирование

изображения на фотоприемное устройство, преобразование изображения объекта

в электрический сигнал, последующую обработку указанного сигнала и

получение информации о психофизиологическом состоянии живого объекта на

основании результатов его обработки. Обработка сигнала включает в себя

получение виброизображения, построенного на основе измерения частотной

составляющей вибрации точек живого объекта. Недостатками данного способа

является длительности исследования, высокая вычислительная трудоемкость.

Зарегистрировано большое число патентов по методам оценки

психофизиологического состояния субъекта по изменению параметров движения

глаз. Известен «метод и устройство для оценки степени усталости» (Патент US

77833447 от 24.08.2010). По данному методу оценка степени усталости человека

происходит путем проведения нескольких актов сканирования глаз в ИК -

диапазоне, с последующим измерением размеров диаметров зрачков. Результат о

степени усталости человека выдается исходя из изменений размеров диаметров со

временем. Недостатками известного метода являются: необходимость

соблюдения особых условий освещенности лица субъекта, осведомленность

человека о проводимой процедуре (т.е. невозможность скрытой оценки

состояния) и длительность процедуры.

В работе [47] предложен метод принятия решений о психофизиологическом

состоянии по частоте и направлению движения глаз и частоте морганий, а также

по времени, в течение которого глаза остаются закрытыми. Работа посвящена в

25

основном технической стороне вопроса и никаких результатов по оценке

состояния субъекта не приводится.

Из известных технических решений наиболее близким по совокупности

признаков к поставленной задаче является «Способ оценки

психофизиологического состояния человека» (Патент РФ RU2337607, МПК –

A61B 3/113, A61B 5/16 от 28.03.2007). По этому способу осуществляют

регистрацию психофизической реакции в процессе вербальной коммуникации в

виде таких параметров, как диаметр зрачка и число актов моргания,

дополнительно регистрируют площадь фигуры, построенной по точкам

максимального отклонения центра глаза от видимого среднего положения. В

работе приводятся данные по средней величине количества морганий при

произнесении «правды» (14,2 раза в минуту) и при произнесении «лжи» (19 раз в

минуту). Не приведена достоверность полученных результатов.

Недостатками известного способа является осведомленность человека о

проводимом исследовании, контактность с исследуемым лицом, высокая

зависимость от освещения и маскировки субъекта, ограниченность расстояния, на

котором возможно проводить оценку психофизиологического состояния.

В представленном способе существует необходимость снижения

ограничения на расстояние до исследуемого субъекта, исключение

необходимости фиксации его лица и расширение базы классификации

психофизиологических состояний.

Проведенный анализ методов, изложенных в существующих патентах и

периодической литературе в области дистанционного определения уровня

наркотических веществ в крови субъекта показал отсутствие работ в данном

направлении и выявил основные недостатки существующих методов:

1. невозможность скрытого сбора анализов и данных для проведения

исследований;

2. длительность процедуры;

26

3. необходимость специального оборудования для обработки

результатов исследований;

4. навязчивость процедуры для пользователей.

Очевидна необходимость разработки дистанционного способа определения

концентрации наркотических средств на основе конопли в крови субъекта,

удовлетворяющего следующим требованиям:

1. высокая точность определения концентрации наркотических веществ

в крови субъекта;

2. относительно несложные алгоритмы, обеспечивающие высокое

быстродействие;

3. возможность дистанционного проведения процедуры (скрытая

идентификация).

27

1.3 Обзор технологий локализации лица субъекта

Прежде чем приступать к определению концентрации алкоголя и

наркотических веществ в крови субъекта, необходимо произвести локализацию

зоны анализа воздушной среды с наибольшим скоплением интересующих нас

компонентов. Такой зоной является лицо, так как именно в его направлении будет

наибольшее скопление интересующих психоактивных веществ. Хотя в рамках

данной работы эта задача является лишь «первым шагом» на пути решения

основной проблемы, сама информация о присутствии человека в поле зрения

системы может быть полезна другим приложениям, например, охранным

системам.

Чаще всего задача локализации лица решается в рамках задачи

идентификации лица. Все технологии распознавания лица субъекта можно

разделить на две группы: анализирующие статическое изображение [48-50] и

анализирующие видеопоток [51-52].

Существующие алгоритмы обнаружения и локализации лица [53-55]

можно разделить на две категории: эмпирическое распознавание и методы

моделирования лица человека. Алгоритмы первой категории опираются на опыт и

знания человека в области распознавания лиц и заключаются в обнаружение на

изображениях элементов и особенностей, характерных для лиц (например,

выделение черт лица, формы, взаимного расположения частей, цвета кожи и т.д.).

Методы второй категории опираются на инструментарий распознавания образов и

используют такие методы, как метод главных компонент, факторный анализ,

байесовские сети, алгоритм Viola-Jones и т.д.

Изучение патентной [44-46] и периодической литературы [16, 56-58] в

области локализации лица дает право сделать вывод, что на сегодняшний день

разработано достаточное количество методов и алгоритмов локализации лица на

изображении или в видеопотоке. Однако условие «скрытности» резко сокращает

число патентов и публикаций, применимых для решения поставленной задачи.

28

Известен «Способ идентификации человека» (Патент RU 2175148, МПК -

G06K9/00 от 04.04.2000), основанный на анализе структуры лица человека.

Способ включает в себя анализ видеоизображения для выделения лица человека,

выявление характерных признаков лица, сравнение этих признаков с признаками

эталонов, и операцию обучения системы авторизованного доступа. Недостатками

известного способа являются вычислительная сложность, длительность

процедуры и недостаточная надежность распознавания.

Наиболее перспективным видится алгоритм Viola-Jones [57, 59] в плане

высокой производительности и низкой частоты ложных срабатываний. В данном

методе используются изображения в интегральном представлении; поиск лица

происходит с использованием признаков Хаара; все признаки поступают на вход

классификатора, который даёт результат «верно» либо «ложь». Алгоритм

показывает хорошие результаты и обнаруживает лица на изображении под углом

до 30 градусов, при большем угле наклона обнаружение резко падает. Что в

значительной мере затрудняет или делает невозможным использование алгоритма

в современных системах контроля, где угол наклона головы субъекта может быть

произвольным.

В работах [55, 60] описан алгоритм обнаружения лица на изображении,

основанный на алгоритме Viola-Jones с использованием нового типа признаков

треугольной формы и матрицы объекта. Данный алгоритм позволяет увеличить

скорость обучения при одновременном снижении объема базы примеров, а также

снижение времени на определение угла наклона лица.

При всем многообразии способов обнаружения и локализации лица, на

сегодняшний день остаются нерешенными следующие проблемы, с которыми

сталкиваются подобные системы:

1. высокая зависимость от условий освещения, фона;

2. малая информативность при наличии аксессуаров (например, борода,

очки, макияж), возрастных изменений;

29

3. зависимость результата выделения лица на изображении от

положения лица относительно камеры;

4. двухмерные системы могут быть обмануты плоским изображением

лица – оригинала;

5. сложность и высокая стоимость реализации.

Существует необходимость разработки способа локализации лица субъекта,

обладающего следующими достоинствами перед существующими методами:

1. независимость от условий освещения и фона,

2. высокая информативность при наличии макияжа и других

аксессуаров;

3. простота алгоритмов и невысокая стоимость реализации.

30

1.4 Задачи диссертационного исследования

Из выше представленного анализа патентов и периодической литературы в

области скрытого дистанционного определения степени алкогольного и

наркотического опьянения субъекта, а также локализации его лица, вытекают

задачи, которые необходимо решить в рамках данной диссертационной работы,

что бы качественно улучшить показатели оценки психофизиологического

состояния человека с обеспечением скрытности проводимых действий:

1. проанализировать современное состояние методов и технологий

контроля паров этанола и аммиака в выдыхаемом субъектом воздухе, обосновать

применения абсорбционной ИК – спектроскопии;

2. выбрать и обосновать спектральные области излучения, наиболее

подходящие для обнаружения паров этанола и аммиака;

3. разработать метод дистанционного контроля содержания алкоголя и

наркотических веществ в выдыхаемом субъектом воздухе, позволяющего с

высокой точностью определять концентрацию этанола и аммиака в крови

субъекта;

4. предложить способ локализации зоны анализа воздушной среды для

обнаружения области с наибольшей концентрацией паров этанола и аммиака;

5. разработать математическую модель процесса прохождения ИК

излучения через выдыхаемый воздух �