uprinmatusИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроениеProceedings of the Southwest State University. Series: IT Management, Computer Science, Computer Engineering. Medical Equipment Engineering2223-1536Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1536-2024-14-2-106-125uprinmatus-186Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙSYSTEM ANALYSIS AND DECISION-MAKINGМетод и нечеткие модели оценки функциональных состояний оперативной памятиThe method and fuzzy models for evaluating the functional states of RAMРыбаковА. Ю.RybakovA. Y.

Рыбаков Антон Юрьевич, аспирант кафедры биомедицинской инженерии

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Anton Y. Rybakov, Post-GraduateStudent of the Department of Biomedical Engineering 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

kstu-bmi@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4477-3975РодионоваС. Н.RodionovaS. N.

Родионова Софья Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры биомедицинской инженерии

Scopus ID: 57195455825, WOS ID: Q-1060-2017 

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Sofia N. Rodionova, Candidate of Sciences(Engineering), Associate Professor of the Department of Biomedical Engineering

Scopus ID: 571954558257, WOS ID: Q-1060-201 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

knsofia@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-7942-8083РазумоваК. В.RazumovaK. V.

Разумова Ксения Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры биомедицинской инженерии

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Ksenia V. Razumova, Candidate of Sciences (Engineering), Senior Lecturer of the Department of Biomedical Engineering 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

myelectronworld@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3779-9165МилостнаяН. А.MilostnayaN. A.

Милостная Наталья Анатольевна, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры программной инженерииScopus ID: 57191472450, WOS ID: O-3596-2015 

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация 

Natalia A. Milostnaya, Doctor of Sciences (Engineering), Leading Researcher of the Department of Software Engineering

Scopus ID: 57191472450, WOS ID: O-3596-2015 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040, Russian Federation 

nat_mil@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-1738-8914КоржукН. Л.KorzhukN. L.

Коржук Николай Львович, кандидат технических наук, доцент кафедры приборов и биотехнических систем

Scopus ID: 24802282500 

пр-т им. Ленина, д. 92, г. Тула 300012, Российская Федерация 

Nikolay L. Korzhuk, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department of Devices and Biotechnical Systems

Scopus ID: 24802282500 

92 Lenin Ave., Tula 300012, Russian Federation 

nikolaikorzhuk@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationТульский государственный университетРоссияTula State UniversityRussian Federation202428062024142106125Copyright © Рыбаков А.Ю., Родионова С.Н., Разумова К.В., Милостная Н.А., Коржук Н.Л., 20242024Рыбаков А.Ю., Родионова С.Н., Разумова К.В., Милостная Н.А., Коржук Н.Л.Rybakov A.Y., Rodionova S.N., Razumova K.V., Milostnaya N.A., Korzhuk N.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://uprinmatus.elpub.ru/jour/article/view/186

Цель исследования – повышение качества оценки функциональных состояний оперативной памяти путем разработки метода синтеза нечетких решающих правил.Методы. Для контроля состояния различных блоков оперативной памяти выбран набор методик: оценка времени реакции; поиск сигнала в шуме; «опознание»; полное воспроизведение; определение отсутствующей цифры; объем памяти. Для синтеза решающих правил дополнительно использовались методики оценки таких свойств внимания, как переключаемость, концентрированность и устойчивость, для реализации которых применен прибор контроля свойств функции внимания и памяти. Для выбора адекватного математического аппарата исследований проведен разведочный анализ структуры обрабатываемых данных, по которому установлено, что выбранные классы состояний оперативной памяти имеют нечеткую природу с неопределенными границами их пересечений. С учетом этого в качестве математического аппарата исследований выбрана методология синтеза гибридных нечетких решающих правил, которая была модифицирована путем разработки нового метода нечеткой оценки функционального состояния оперативной памяти по характеристикам её свойств.Результаты. В ходе проведенных исследований синтезированы модели для оценки таких характеристик функционального состояния, как уровни утомления, психоэмоционального напряжения и функционального состояния оперативной памяти по методике полного воспроизведения. Полученные модели могут быть использованы для синтеза решающих правил прогнозирования, ранней и дифференциальной диагностики функционального состояния, оценки качества работы оператора человеко-машинных систем и состояния здоровья оперативной памяти.Заключение. В работе предложен метод синтеза нечетких решающих правил для оценки функционального состояния оперативной памяти по характеристикам её свойств с использованием методик, полученных по результатам микроструктурного анализа. Получены нечеткие решающие правила для оценки уровня утомления, психоэмоционального напряжения и функционального состояния оперативной памяти по методике полного воспроизведения. В ходе экспертного оценивания и математического моделирования показано, что уверенность в правильной оценке уровня функционального состояния превышает величину 0,95.

The purpose of the research is to improve the quality of assessment of functional states of working memory by developing a method for synthesizing fuzzy decision rules.Methods. To monitor the state of various RAM blocks, a set of techniques was selected: reaction time assessment; searching for a signal in noise; "identification"; full reproduction; identification of missing digits; Memory. To synthesize decision rules, additional methods were used to assess such properties of attention as switchability, concentration and stability, for the implementation of which a device for monitoring the properties of the attention and memory function was used. To select an adequate mathematical research apparatus, an exploratory analysis of the structure of the processed data was carried out, according to which it was established that the selected classes of RAM states are of a fuzzy nature with uncertain boundaries of their intersections. Taking this into account, the methodology for the synthesis of hybrid fuzzy decision rules was chosen as a mathematical research tool, which was modified by developing a new method for fuzzy assessment of the functional state of RAM based on the characteristics of its properties.Results. In the course of the research, models were synthesized to assess such characteristics of the functional state as levels of fatigue, psycho-emotional stress and the functional state of RAM using the full reproduction method. The resulting models can be used to synthesize decision rules for forecasting, early and differential diagnostics of the functional state, assessing the quality of work of the operator of human-machine systems and the health status of RAM.Conclusion. The paper proposes a method for synthesizing fuzzy decision rules for assessing the functional state of RAM based on the characteristics of its properties using techniques obtained from the results of microstructural analysis. Fuzzy decision rules were obtained for assessing the level of fatigue, psycho-emotional stress and the functional state of RAM using the full reproduction method. During expert assessment and mathematical modeling, it was shown that confidence in the correct assessment of the level of functional state exceeds 0,95.

оперативная памятьфункциональное состояниеутомлениепсихоэмоциональное напряжениенечеткие решающие правилаRAMfunctional statefatiguepsycho-emotional stressfuzzy decisive rulesРабота выполнена в рамках реализации программы развития ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» проекта «Приоритет – 2030».The work was carried out within the framework of the development program of the Southwest State University of the project "Priority 2030".ReferencesВеличковский Б. Б. Когнитивные эффекты умственного утомления // Вестник Московского университета. Серия 14: Психология. 2019. № 1. С. 108–122. https://doi.org/10.11621/vsp.2019.01.108Velichkovskii B.B. Cognitive effects of mental fatigue. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 14: Psikhologiya = Moscow University Psychology Bulletin. Series 14: Psychology. 2019;(1):108–122. (In Russ.) https://doi.org:10.11621/vsp.2019.01.108Поиск ассоциации полиморфизма I/D гена АСЕ с самооценкой работоспособности, памяти и состоянием сердечно-сосудистой системы у представителей профессионального сообщества лидеров / А. В. Власов, Е. В. Богданенко, Л. П., Кузьмина, А. А. Ёлов // Медицина труда и промышленная экология. 2024. Т. 64, № 2. С. 91–98. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2024-64-2-91-98Vlasov A.V., Bogdanenko E.V., Kuz'mina L.P., Elov A.A. Search for an association of the I/D polymorphism of the ACE gene with self-assessment of performance, memory and the state of the cardiovascular system among representatives of the professional community of leaders. Meditsina truda i promyshlennaya ehkologiya = Russian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology. 2024;64(2):91–98. (In Russ.) https://doi.org/10.31089/1026-9428-2024-64-2-91-98Особенности проявления соматических и когнитивных нарушений у лиц юношеского возраста, перенесших COVID-19 / Л. А. Варич, Я. И. Брюханов, А. В. Серый, А. В. Солодухин // Вестник психофизиологии. 2022. № 4. С. 92–99. https://doi.org/10.34985/f0194-0574-8740-fVarich L.A. Bryukhanov Y.I., Seryi A.V., Solodukhin A.V. Features of the manifestation of somatic and cognitive disorders in adolescents who have had COVID-19. Vestnik psikhofiziologii = Psychophysiology News. 2022;(4):92–99. (In Russ.) https://doi.org/10.34985/f0194-0574-8740-fФакторная структура функционального состояния у лиц юношеского возраста в период пандемии COVID-19 / А. В. Солодухин, А. В. Серый, Л. А. Варич, Я. И. Брюханов // Сибирский психологический журнал. 2023. № 89. С. 152–163. https://doi.org/10.17223/17267080/89/9Solodukhin A.V., Seryi A.V., Varich L.A., Bryukhanov Y.I. Factor of the functional state stream in young people during the COVID-19 pandemic. Sibirskii psikhologicheskii zhurnal = Siberian Journal of Psychology. 2023;(89):152–163. (In Russ.) https://doi.org/10.17223/17267080/89/9Анализ когнитивных функций и нейрофизиологических процессов при адаптации человека к условиям Арктики / Е. П. Муртазина, И. И. Коробейникова, Л. В. Поскотинова, Н. А. Каратыгин, С. С. Перцов // Российский медико-биологический вестник имени академика И. П. Павлова. 2023. Т. 31, № 2. С. 293–304. https://doi.org/10.17816/PAVLOVJ109581Murtazina E.P., Korobeinikova I.I., Poskotinova L.V., Karatygin N.A., Pertsov S.S. Analysis of cognitive functions and neurophysiological processes during human adaptation to Arctic conditions. Rossiiskii mediko-biologicheskii vestnik imeni akademika I. P. Pavlova = I. P. Pavlov Russian Medical Biological Herald. 2023;31(2):293–304. (In Russ.) https://doi.org/ 10.17816/PAVLOVJ109581Метод синтеза математических моделей прогнозирования и ранней диагностики нарушений когнитивных функций / Н. А. Кореневский, С. Н. Родионова, А. В. Поляков, Т. Н. Говорухина // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2019. Т. 18, № 4. С. 85–92. https://doi.org/10.25987/VSTU.2020.18.4.011Korenevskii N.A., Rodionova S.N., Polyakov A.V., Govorukhina T.N. Method for synthesizing mathematical models for forecasting and early diagnosis of cognitive impairment. Sistemnyi analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemakh = System Analysis and Management in Biomedical Systems. 2019;18(4):85–92. (In Russ.) https://doi.org/10.25987/VSTU.2020.18.4.011Малкова А. А., Пустовалова А. Д., Борисова Е. А. Оценка когнитивных функций у пациентов с артериальной гипотонией // Пермский медицинский журнал. 2022. Т. 39, № 4. С. 19–25. https://doi.org/10.17816/pmj39419%25Malkova A.A., Pustovalova A.D., Borisova E.A. Assessment of cognitive functions in patients with arterial hypotension. Permskii meditsinskii zhurnal = Perm Medical Journal. 2022;39(4):19–25. (In Russ.) https://doi.org/10.17816/pmj39419%25Игнатова Ю. П., Макарова И. И., Страхов К. А. Когнитивные вызванные потенциалы: Р300 в нейрофизиологии и клинической практике // Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины. 2022. Т. 12, № 4. С. 80–91. https://doi.org/10.29039/2224-6444-2022-12-4-80-91Ignatova Y.P., Makarova I.I., Strakhov K.A. Cognitive evoked potentials: P300 in neurophysiology and clinical practice. Krymskii zhurnal ehksperimental'noi i klinicheskoi meditsiny = Crimean Journal of Experimental and Clinical Medicine. 2022;12(4):80–91. (In Russ.) https://doi.org/10.29039/2224-6444-2022-12-4-80-91Мурик С. Э. Оценка функционального состояния организма человека: в 2 ч. Иркутск: Издательство Иркутского государственного университета, 2013. Ч. 1. 159 с.Murik S.E. Assessment of the functional state of the human body. Pt. 1. Irkutsk: Izdatel'stvovo IGU; 2013. 159 p. (In Russ.)Математические модели прогнозирования и ранней диагностики заболеваний нервной системы, провоцируемых комбинированным воздействием разнородных факторов риска / Т. Н. Говорухина, М. А. Мясоедова, И. Ю. Григоров, А. В. Поляков // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2019. Т. 18, № 2. С. 110–116. https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.18.2.022Govorukhina T.N. Myasoedova M.A., Grigorov I.Y., Polyakov A.V. Mathematical models for prediction and early diagnosis of nervous system diseases provoked by the combined influence of diverse risk factors. Sistemnyi Analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemakh = Systems Analysis and Management in Biomedical Systems. 2019;18(2):110–116. (In Russ.) https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.18.2.022Брумштейн Ю. М., Молимонов Д. А. Модели, методы, технические средства управления рисками проектирования, создания и эксплуатации сложных человеко-машинных систем с учетом психофизиологических характеристик людей-операторов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2019. № 3 (47). С. 143–162.Brumshtein Y.M., Molimonov D.A. Models, methods, technical means of risk management for the design, creation and operation of complex human-machine systems, taking into account the psychophysiological characteristics of human operators. Prikaspiiskii zhurnal: upravlenie i vysokie tekhnologii = Caspian Journal: Control and High Technologies. 2019;(3):143–162. (In Russ.)Матель В. А., Шишлянникова О. А. Система «человек – машина» и анализ и влияние факторов среды на производительность и здоровье работников // Российский экономический вестник. 2023. Т. 6, № 2. С. 58–63.Matel' V.A. Shishlyannikova O.A. Man-machine system and analysis, and the influence of environmental factors on the productivity and health of workers. Rossiiskii ehkonomicheskii vestnik = Russian Economic Bulletin. 2023;6(2):58–63. (In Russ.)Брумштейн Ю. М., Молимонов Д. А. Математические модели и методы решения задач информационного обеспечения, управления и оценки качества работы операторов в сложных человеко-машинных системах // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. 2019. № 3. С. 73–89. https://doi.org/10.24143/2072-9502-2019-3-73-89Brumshtein Y.M. Molimonov D.A. Mathematical models and methods for solving problems of information support, management and assessment of the quality of work of operators in complex human-machine systems. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tehničeskogo universiteta. Seriâ: Upravlenie, vyčislitelʹnaâ tehnika i informatika = Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Management, Computer Science and Informatics. 2019;(3):73–89. (In Russ.) https://doi.org/10.24143/2072-9502-2019-3-73-89Кореневский Н. А., Шуткин А. Н., Горбатенко С. А., Серебровский В. И. Оценка и управление состоянием здоровья обучающихся на основе гибридных интеллектуальных технологий: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2020. 472 с.Korenevsky N.A., Shutkin A.N., Gorbatenko S.A., Serebrovsky V.I. Assessment and management of the health status of students based on hybrid intelligent technologies. Staryi Oskol: TNT; 2020. 472 p.Зинченко В. П., Леонова А. Б., Стрелков Ю. К. Психометрика утомления. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977. 109 с.Zinchenko V.P., Leonova A.B., Strelkov Y.K. Psychometrics of fatigue. Moscow: Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta; 1977. 109 p. (In Russ.)Метод синтеза математических моделей прогнозирования и ранней диагностики нарушений когнитивных функций / Н. А. Кореневский, А. В. Поляков, С. Н. Родионова, Т. Н. Говорухина // Системный анализ и управление в биотехнических системах. 2019. Т. 18, № 4. С. 85–92. https://doi.org/10.25987/VSTU.2020.18.4.011Korenevskii N.A., Polyakov A.V., Rodionova S.N., Govorukhina T.N. Method for synthesizing mathematical models for forecasting and early diagnosis of cognitive impairment. Sistemnyi analiz i upravlenie v biomeditsinskikh sistemakh = System Analysis and Management in Biotechnical Systems. 2019;18(4):85–92. (In Russ.) https://doi.org/10.25987/VSTU.2020. 18.4.011An expert system for assessment of the state of cognitive functions using a fuzzy hybrid knowledge base / N. A. Korenevskiy, S. N. Rodionova, V. V. Aksenov, N. L. Korzhuk // Biomedical Engineering. 2021. Vol. 55, N 4. P. 263–268Korenevskiy N.A., Rodionova S.N., Aksenov V.V., Korzhuk N.L. An expert system for assessment of the state of cognitive functions using a fuzzy hybrid knowledge base. Biomedical engineering. 2021;55(4):263–268.Кореневский Н. А., Родионова С. Н., Хрипина И. И. Методология синтеза гибридных нечетких решающих правил для медицинских интеллектуальных систем поддержки притяни решений: монография. Старый Оскол: ТНТ; 2019. 472 с.Korenevskii N.A., Rodionova S.N., Khripina I.I. Methodology for the synthesis of hybrid fuzzy decision rules for medical intelligent decision support systems. Staryi Oskol: TNT; 2019. 472 p. (In Russ.)Метод комплексной оценки уровня информативности классификационных признаков в условиях нечеткой структуры данных / Н. А. Кореневский, В. В. Аксенов, С. Н. Родионова, С. Н. Гонтарев, Л. П. Лазурина, Р. И. Сафронов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2022. № 3. С. 80–96. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-3-80-96Korenevskii N.A., Aksenov V.V., Rodionova S.N., Gontarev S.N., Lazurina L.P., Safronov R.I. Method for a comprehensive assessment of the level of information content of classification features in conditions of a fuzzy data structure. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computer Engineering, Information Science. Medical Instruments Engineering. 2022;(3):80–96. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1536-2022-12-3-80-96Prediction of operators cognitive degradation and impairment using hybrid fuzzy modelling / N. A. Korenevskiy, Riad Taha Al-Kasasbeh, Fawaz Al-Shawawreh, Tareq Ahram, S. N. Rodionova, S. Mahdi, S. A. Filist, M. Namazov, A. Shaqadan, M. Ilyash // Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2022. N 24(2). Р. 1–26. https://doi.org/10.1080/1463922X.2022.2086645Korenevskiy N.A., Riad Taha Al-Kasasbeh, Fawaz Al-Shawawreh, Tareq Ahram, Rodionova S.N., Mahdi Salman, Filist S.A., Namazov M., Shaqadan A., Ilyash M. Prediction of operators cognitive degradation and impairment using hybrid fuzzy modelling. Theoretical Issues in Ergonomics Science. 2022;(24):1–26. https://doi.org/10.1080/1463922X.2022. 2086645Булгакова О. С. Динамика некоторых свойств мышления и образной и слуховой видов памяти в фоне и после функциональной нагрузки // Мир науки. Педагогика и психология. 2023. Т. 11, № 6. С. 1–13.Bulgakova O.S. Dynamics of some properties of thinking and figurative and auditory types of memory in the background and after functional load. Mir nauki. Pedagogika i psikhologiya = World of Science. Pedagogy and Psychology. 2023;11(6):1–13. (In Russ.)Апробация методики оценки психофизиологического состояния оператора при виртуализации рабочего информационного пространства / И. В. Тарасова, М. С. Никитенко, О. А. Трубникова, И. Н. Кухарева, Д. С. Куприянова, А. С. Соснина, О. Л. Барбараш // Фундаментальная и клиническая медицина. 2021. Т. 6, № 2. С. 66–74. https://doi.org/10.23946/2500-0764-2021-6-2-66-74Tarasova I.V., Nikitenko M.S., Trubnikova O.A., Kukhareva I.N., Kupriyanova D.S., Sosnina A.S., Barbarash O. Approbation of a methodology for assessing the psychophysiological state of the operator during virtualization of the working information space. Fundamental'naya i klinicheskaya meditsina = Fundamental and Clinical Medicine. 2021;6(2):66–74. (In Russ.) https://doi.org/10.23946/2500-0764-2021-6-2-66-74Лисова Н. А., Черенева Е. А., Шилов С. Н. Взаимосвязь уровня нейрометаболизма со степенью когнитивного дефицита у пожилых людей // Психология. Психофизиология. 2022. Т. 15, № 4. С. 84–93.Lisova N.A., Chereneva E.A., Shilov S.N. Relationship between the level of neurometabolism and the degree of cognitive deficit in older people. Psikhologiya. Psikhofiziologiya = Psychology. Psychophysiology. 2022;15(4):84–93. (In Russ.) http://dspace.susu.ru/xmlui/handle/00001.74/51076

The authors declare that there are no conflicts of interest present.