Intelligence analysis of empirical data based on time series

Abstract

EN: Context. The problem of intelligent data analysis for assessing the stability of operators’ functioning as a component of safety management is considered.The object of the study was to verify estimates of the complexity and chaotic nature of physiological processes based on nonlinear dynamics methods. Objective. The goal of work is intelligent data analysis for assessing the stability of the functioning of a dynamic system based on the methods of non-linear dynamics. Method. Data intelligence to obtain additional useful information to avoid wrong decisions when deciding on the current state of the operator to be able to perform professional duties. Quantitative assessment of the complexity of physiological dynamics to determine the stability of feedback control processes of body subsystems and their constant adaptation to changes in environmental conditions. The presence of significant nonlinearities in the biomedical signals of the body is associated with the appearance of a chaotic component that describes the chaotic nature of the body’s processes. Due to the fact that biomedical signals have both a periodic and a chaotic component, the study of the latter makes it possible to determine the informational component of the nature of the internal organization of the organism and provide information about the possible destabilization of the functional state of the operator. The use of nonlinear dynamics methods to study changes in the operator’s body and provide additional independent prognostic information complementing traditional data analysis in the time and frequency domains. Several indices obtained by the methods of nonlinear dynamics are proposed, which contribute to the expansion of the diagnostic solution based on the available data. Results. The results of the study can be used during the construction of mathematical methods of non-linear dynamics to describe empirical data of this kind. Conclusions. Experimental studies have suggested recommending the use of non-linear methods dynamics as an an additional independent component that allows analyzing the chaotic component of biomedical signals to avoid wrong decisions during professional selection and assessment of the current state of aviation industry operators as one of the causes of adverse events in aviation. Prospects for further research may include the creation of a methodology based on nonlinear dynamics methods that will allow to increase the reliability of predicting a malfunction of the cardiovascular system as an indicator of a change in the balance of the functional state of the operator based on additional informative parameters, which can be used to assess triggers that may cause an adverse event in aviation, as well as an experimental study of the proposed mathematical approaches for a wide range of diagnostic problems. UK: Актуальність. Розглянуто проблему інтелектуального аналізу даних для оцінки стабільності функціонування операторів як складової управління безпекою в авіації. Дослідження присвячене аналізу складності та хаотичності фізіологічних процесів на основі методів нелінійної динаміки. Об’єктом дослідження є процес аналізу варіабельності серцевого ритму методами нелінійної динамік. Мета роботи – оброблення біомедичних сигналів для оцінювання хаотичності процесів із використанням нелінійних методів. Результати дослідження можуть бути використані під час побудови математичних методів нелінійної динаміки для опису емпіричних даних такого роду. Експериментальні дослідження надають змогу рекомендувати використання методів нелінійної динаміки в якості додаткової незалежної інформації, що дозволяє проаналізувати хаотичну складову біомедичних сигналів для уникнення хибних рішень при професійному відборі та оцінюванні поточного стану операторів авіаційної галузі як одну з причин несприятливих подій в авіації. Перспективами подальших досліджень може бути створення методології на основі методів нелінійної динаміки, яка дозволить підвищити достовірність прогнозування дисфункції серцево-судинної системи, як індикатора зміни рівноваги функціонального стану оператора на основі додаткових інформативних параметрів, що можуть бути використані для оцінки тригерів несприятливих подій в авіації, а також експериментальне дослідження запропонованих математичних підходів для широкого кола діагностичних задач. Метод. Проведено аналіз біомедичних даних для отримання додаткової корисної інформації при оцінювання хаотичних процесів для визначення стабільності функціонування біологічної системи при прийнятті рішення про поточний стан оператора. Проведена кількісна оцінка складності фізіологічної динаміки для визначення стійкості процесів управління підсистемами організму та їх постійної адаптації до змін зовнішнього середовища. Наявність значних нелінійностей у біомедичних сигналах пов’язана з появою динамічної складової, яка описує хаотичний характер процесів організму. Завдяки тому, що біомедичні сигнали мають як періодичну, так і хаотичну складову, вивчення останньої дає змогу визначити інформаційну складову характеру внутрішньої організації організму та надати інформацію про можливу дестабілізацію функціонального стану оператора. Використання методів нелінійної динаміки для вивчення змін в організмі оператора та надання додаткової незалежної прогностичної інформації доповнює традиційний аналіз даних у часовій та частотній областях. Запропоновано декілька показників, отриманих методами нелінійної динаміки, що сприяють розширенню діагностичного рішення на основі емпірічних даних. Результати. Результати дослідження можуть бути використані під час побудови математичних моделей для опису емпіричних даних такого роду. Висновки. Застосування запропонованого підходу надає додаткову прогностичну інформацію та доповнює традиційний аналіз варіабельності серцевого ритму, оскільки саме зміна динаміки варіабельності серцевого ритму має прогностичне значення щодо прогресування порушення стабільності функціонування стану оператора. Зміни в динаміці варіабельності серцевого ритму мають прогностичне значення щодо прогресування біологічного дисбалансу на основі аналізу функціонування серцево-судинної системи. При застосуванні до окремої біологічної системи протягом певного періоду часу ці показники можуть бути діагностично корисними, диференціюючи прогресування функціональної нестабільності. Крім того, вони можуть бути цінним доповненням до сучасних систем моніторингу людського фактору. Перспективами подальших досліджень може бути створення методології із поєднанням використання класичних методів аналізу даних з додатковим використанням методів нелінійної динаміки для підтвердження адекватності прийняття рішення про поточний стан оператора за інформативними параметрами, а також експериментальне вивчення запропонованих математичних підходів для широкого кола практичних задач різного характеру та розмірності.