Система измерения температуры с элементами AI

Заболевания, в первую очередь передаваемые воздушно-капельным и контактно-бытовым путем, могут значительно повлиять на эффективность работы предприятия. Основной риск заключается в передаче инфекции между сотрудниками, приводящий к увеличению числа заболевших. Выявление даже части заболевших существенно уменьшает скорость распространения инфекции, что повышает эффективность работы компании за счет уменьшения числа временно нетрудоспособных сотрудников.


Графическая иллюстрация «разрыва цепи передачи инфекции» на примере одного сотрудника.

Наиболее простым методом предварительного определения заболевших сотрудников является измерение их температуры. Температура тела человека позволяет выявить характерную реакцию, которая свойственна всем типам заболеваний и является первым легко диагностируемым измерительными средствами симптомом.

Для предприятия целесообразно использовать дистанционные средства измерения температуры, имеющие высокую пропускную способность и не требующие присутствия медицинского персонала. К таким средствам относятся тепловизоры.
Точное дистанционное измерение температуры тела может быть выполнено рядом сертифицированных для этих задач тепловизоров, входящих в реестр зарегистрированных медицинских изделий. Как правило, эти устройства имеют высокую стоимость и слабые возможности по интеграции со сторонним программным обеспечением.

Однако, так как задача создания системы для предприятия – предварительное обнаружение потенциально заболевших сотрудников, целесообразно использовать технические тепловизоры, интегрированные в систему интеллектуальной обработки, что позволяет повысить качественные показатели обнаружения заболевших сотрудников.

Тепловизоры, как средство измерения температуры человека, имеют ряд недостатков, которые можно устранить техническими и/или алгоритмическими средствами.

1. Тепловизоры определяют температуру кожного покрова человека с учетом процессов терморегуляции и теплообмена, на которые влияют как состояние самого человека, так и внешние условия. Результирующая температура определяется балансом между теплом, возникающим вследствие циркуляции крови в локальной области, и теплом, теряемым этой областью за счёт проводимости, излучения, конвекций и испарения, [3]. Это обуславливает первый недостаток тепловизоров – отсутствие учета внешних условий приводит к неточным измерениям температуры.
Типовые графики усредненного изменения температуры в зависимости от температуры окружающей среды приведены на рис. 2, [4]. Для точного измерения температуры требуется 2-3 минуты ожидания после входа сотрудника в помещение с комнатной температурой, что не отвечает требованиям высокой пропускной способности.



Типовая зависимость температуры различных участков тела от температуры окружающей среды

Результаты внутренних испытаний показали вариации измеряемой температуры до 1.5-2 градусов в зависимости от погодных условий (изменение температуры окружающего воздуха на 12 градусов).

Устранить это недостаток можно как при помощи собственных датчиков внешних условий, так и за счет использования информации от метеорологических интернет-служб. Информация с датчиков, расположенных внутри помещения и на улице, позволяет учесть климатические условия, влияющие на температуру тела. Для уточнения измерений температуры и использованием внешних датчиков необходимо использовать адаптивную самообучающуюся систему, формирующую оценки такого влияния по набору статистических данных.

2. У современных тепловизоров есть зависимость отображаемой температуры источника от расстояния до него. В типичных условиях применения измеренная температура человека в зависимости от расстояния изменяется на несколько градусов, что является существенным недостатком. На диапазон изменения влияет наличие и положение калибровочной аппаратуры, так называемого «черного тела».

Результаты внутренних испытаний показали изменение измеряемой температуры на 2.8 градусов Цельсия. На рис. 3 показан пример изменения измеряемой тепловизором температуры для отдельного сотрудника при приближении к тепловизору.


Экспериментальная зависимость результата измерения температуры от расстояния до тепловизора

Решение данной проблемы – измерение взаимных расстояний между измеряемым объектом (сотрудником) и источником эталонной температуры. Простейшее техническое решение – замер температуры при проходе мимо «черного тела» был реализован в макете программным путем за счет обработки изображений. Более сложные решения проблемы могут использовать датчики расстояния до объектов (ультразвуковые, радиолокационные, оптические) и корректировку измеряемой температуры как функции расстояния. Зависимость от расстояния определяется параметрами тепловизора и должна быть введена в модель уточнения температуры.

3. Зависимость температуры кожного покрова от индивидуальных особенностей человека не позволяет установить единый порог для разнородной по возрасту и полу группы сотрудников. В зависимости от возраста, скорости обмена веществ, физической нагрузки, времени суток и прочих особенностей, включая пол и расу, температура может случайно или циклично изменяться в диапазоне до двух градусов, [5, 6], рис. 4.


Разброс измерений температуры тела

Результаты внутренних испытаний для сотрудников в возрасте от 23 до 64 лет на фиксированной дистанции, исключающей ошибки измеренения в зависимости от расстояния до объекта, показали изменение измеряемой температуры более чем на 3.6 градуса Цельсия.

В разработанном макете системы используется алгоритмическое устранение этого недостатка тепловизоров, - учет индивидуальных особенностей температуры за счет накопления данных по каждому сотруднику.

Учет индивидуальных особенностей выполняется за счет создания закрытой базы данных предприятия, в которой в обезличенном зашифрованном виде хранится информация о сотрудниках. Наличие такой информации позволяет выполнить анализ скользящих средних значений, отклонений относительно средних значений, цикличности и скорости изменений для каждого сотрудника. Это классическая задача анализа статистических рядов решается постоянно в процессе функционирования системы.

4. Необходимость идентификации сотрудников. Так как определении индивидуальных особенностей предполагает идентификацию, в разработанном макете интеллектуальной системы используются алгоритмы обнаружения движущихся объектов, обнаружения лиц и идентификации сотрудников по исходным данным в виде набора изображений.

5. Сохранность персональных данных. Современные тепловизоры не гарантируют сохранность персональных данных, что критично для организаций, работающих с закрытыми данными.

Устранение этого недостатка осуществляется путем проведения специальных проверок и исследований аппаратуры и программного обеспечения, используемого в интеллектуальной тепловизионной системы определения температуры сотрудников. Помимо этого, данные должны храниться в обезличенном (не персонифицированном виде) с привязкой к идентификатору системы контроля и управления доступом предприятия. Это позволяет, даже в случае утечки данных, обеспечить защиту персональных данных, полученных в системе.

Обоснованность сбора данных сотрудников – их температуры пояснил Роскомнадзор [7], - обработка информации о температуре сотрудника без согласия ее владельца в соответствии с частью 2.3 ст.10 ФЗ "О персональных данных" допускается, если осуществляется в соответствии с трудовым законодательством. При этом согласие сотрудников организации не требуется, а посетителей необходимо уведомить об этой процедуре заранее, их согласие выражается в желании пройти в здание.

6. Отсутствие достоверных исследований, описывающих связь между всеми параметрами, влияющими на результат измерения температуры. Влияние внешних условий (температуры, давления, влажности, ветра и пр.), термодинамического профиля перехода из улицы в помещение, индивидуальных особенностей человека сложно описать строгими математическими зависимостями. По этой причине в создании системы используются элементы искусственного интеллекта, собирающие набор разнородных данных и позволяющие не только определить температуру с более высокой точностью, но и выставить индивидуальные пороги «заболевания».

Разработанный макет комплекса позволяет подключать широкий набор оптических камер и тепловизоров, обрабатывая все данные на универсальном компьютере. Структурная схема показана на рис. 5.


Структура разработанного макета тепловизионного комплекса измерения температуры.

Преимущества предлагаемой интеллектуальной тепловизионной системы определения температуры сотрудников:
- высокая пропускная способность;
- высокая достоверность за счет многоточечного и многократного измерения температуры;
- низкая стоимость развертывания и обслуживания;
- возможность использования широкого набора оптических камер и тепловизоров;
- собственная система датчиков внешних и внутренних условий для адаптации алгоритмов обнаружения;
- система необслуживаемая и функционирует в автоматическом режиме;
- повышение достоверности обнаружения заболевших сотрудников за счет учета индивидуальных особенностей;
- повышения качества профилактики заболеваний сотрудников за счет использования элементов искусственного интеллекта.

В результате создания макета системы были созданы основные аппаратно-программные модули, собрана база данных и настроена система обработки, которая постоянно накапливает и обрабатывает данные в процессе своего функционирования, то есть проходит процесс самообучения.