Разработка и верификация математических моделей сверточно-рекуррентых нейронных сетей для решения задачи распознавания и анализа видов физической активности человека. Разработка, техническая реализация и отладка модели взаимодействия “человек - измерительный комплекс" прототипа программного обеспечения интеллектуального программно-аппаратного ассистента (интеллектуального фитнес-костюма)". Разработка, техническая реализация и отладка системы обучения нейросетевых моделей прототипа программного обеспечения интеллектуального программно-аппаратного ассистента (интеллектуального фитнес-костюма). (заключительный)

Отчет 120 с., 43 рис., 3 табл., 5 ч, 2 прил. СИНТЕЗ СВЕРТОЧНО-РЕКУРРЕНТНЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ, РЕКУРРЕНТНЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ, НАРУШЕНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, БИОМЕХАНИКА ДВИЖЕНИЙ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОМЕХАНИКИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА, МАШИННОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ ДВИЖЕНИЙ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА, МАШИННОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, МАШИННЫЙ АНАЛИЗ МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ, МАШИННЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ, ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ АССИСТЕНТ Целью данной НИОКР являлись разработка и проведение испытаний прототипа программного обеспечения Интеллектуального программно-аппаратного ассистента (интеллектуального фитнес-костюма) (далее - ИПАА). Данной разработкой решается комплекс проблем автоматизации распознавания движений тела человека посредством математического моделирования и математической обработки сенсорно насыщенной среды, обеспечиваемой носимым устройством. Полученное программное обеспечение обладает следующими технологическими и конструктивными характеристиками: Функции, выполнение которых обеспечивает программное обеспечение ИПАА: 1.1 мониторинг физической активности человека по ограниченному набору движений, 1.2 анализ физической активности человека по ограниченному набору движений, 1.3 выработка рекомендаций корректировки техники выполнения по ограниченному набору спортивных упражнений, 1.4 построение цифровой модели анатомии движения человека по ограниченному набору движений. 2. Показатели эффективности применения, определяющие выполнение программным обеспечением ИПАА своих функций: 2.1 точность распознавания двигательной активности человека - 96,2% (согласно “не менее 85%”, заданных в Техническом задании), 2.2 ошибки первого рода - 1,69% (согласно “не более 10%” заданных в Техническом задании), 2.3 ошибки второго рода - 2,11 % (согласно “не более 30%”, заданных в Техническом задании). 2.4 латентность системы по управляющему сигналу - 8 мс (согласно “не более 50 мс”, заданных в Техническом задании), 2.5 число распознаваемых классов движений - 10 (согласно “не менее 10”, заданных в Техническом задании), 2.6 доступность системы - 1 (согласно “не менее 0.9”, заданных в Техническом задании), 2.7 число одновременно работающих каналов ввода информации - 12 (согласно “не менее 12”, заданных в Техническом задании), 2.8 степень покрытия тестами функций и структуры программного изделия - 83% (согласно “не менее 80%”, заданных в Техническом задании). 3. Входные сигналы, необходимые для выполнения программным обеспечением ИПАА заданных функций: 3.1 измерительная информация с 12 цифровых акселерометров - согласно “не менее 6 каналов”, заданных в ТЗ, 3.2 измерительная информация с 12 цифровых гироскопов - согласно “не менее 6 каналов”, заданных в ТЗ. 4. Выходные сигналы, обеспечиваемые программным обеспечением ИПАА в результате выполнения своих функций: 4.1 управляющие сигналы на вибродвигатели, 4.2 визуальное отображение измерительной информации, 4.3 визуальное отображение рекомендаций. 5. Программное обеспечение ИПАА состоит согласно Техническому заданию из: 5.1 программного обеспечения модуля сбора и препроцессинга измерительной информации с цифровых гироскопов и цифровых акселерометров, 5.2 программное обеспечение модуля принятия решения для ОС Android, 5.3 модуля формирования управляющих сигналов для вибродвигателей. 6. В логике вида исполнения программное обеспечение ИПАА включает в себя согласно Техническому заданию: 6.1 мобильное приложение для ОС Android, 6.2 встраиваемое программное обеспечение для вычислителя на базе процессора с ARM-архитектурой - STM32F030K6T6; 7. Согласно требований Технического задания к аппаратной части ИПАА: 7.1 вычислитель модуля сбора и препроцессинга измерительной информации, а также модуль формирования управляющих сигналов реализованы на базе процессора архитектуры ARM - STM32F030K6T6; 7.2 программное обеспечение модуля принятия решения и визуализации рекомендаций реализованы на базе мобильного телефона с ОС Android. 8. Согласно требований Технического задания к программной части ИПАА: 8.1 программное обеспечение мобильного приложения реализовано на языках Kotlin и Java, размер объектного кода составляет 38 Мб ( не превышает 50 Мб согласно требований Технического задания); 8.2 программное обеспечение для вычислителя сбора измерительной информации реализовано на языке С++, объектный код составляет 162 Кб ( не превышает 248 Кб согласно требований Технического задания); 8.3 Программное обеспечение обучения моделей нейронных сетей реализовано в виде серверного приложения на языке Python. Достигнутая в ходе НИОКР степень внедрения - опытный образец. В рамках последующей работы по внедрению результата НИОКР в практическую деятельность рекомендуется проведение испытаний опытного образца в условиях спортивных и фитнес-тренировок, занятий по двигательной реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата, а также в производственном процессе в качестве инструмента мониторинга промышленной безопасности и производительности труда сотрудников, с целью выявления требований к ИПАА, как к массовому продукту для самостоятельной эксплуатации не техническими специалистами, а также доведения функциональности программного обеспечения ИПАА до требований серийного массового продукта. Непосредственной областью применения программного обеспечения ИПАА является организация физиологически безопасных спортивных тренировок. Потребителями комплекса из Интеллектуального фитнес-костюма и программного обеспечения к нему являются фитнес-центры и фитнес-инструкторы, клиенты фитнес-центров и фитнес-инструкторов, а также самостоятельно занимающиеся фитнесом люди. Экономическая оценка эффективности внедрения ИПАА в работу фитнес-центра составляет экономию от 1 500 000 в год из расчета замещения одного тренера на один программно-аппаратный комплекс ИПАА. Другим перспективным направлением применения результата НИОКР является медицинская диагностика, реабилитация и профилактика нарушений работы и заболеваний опорно-двигательного аппарата, а также автоматизированный дистанционный мониторинг послеоперационных, кардио и онкопациентов, а также пациентов, участвующих в клинических испытаниях лекарственных средств и новых методик лечения. Таким образом потребителями программно-аппаратного комплекса ИПАА являются медицинские учреждения разной направленности от операционных центров до санаторно-курортных заведений, а также медицинские исследовательские институты и компании. Экономическая оценка эффективности внедрения ИПАА в работу медицинского центра составляет экономию от 1 800 000 в год из расчета замещения одного реабилитолога на один программно-аппаратный комплекс ИПАА, или от 1 620 000 в год из расчета замещения одного койко-места стационара на один программно-аппаратный комплекс ИПАА. Также следует отметить социально-экономический эффект от продажи ИПАА для массового потребителя - ориентировочная стоимость лечения широко распространенного такого заболевания локтевого сустава как латеральный эпикондилит или “теннисный локоть” в народе обходиться в 2 100 000 рублей, использование ИПАА позволила бы в принципе проводить своевременную профилактику этого заболевания, чтобы не требовалось лечение. Помимо этого ИПАА решает проблему доступа к квалифицированным специалистам- двигательным реабилитологам, нехватка которых остро ощущается в регионах, а также в целом проблему доступности медицинского обслуживания, так как большая часть услуг двигательной реабилитации не входят в полис общего медицинского страхования , являются дорогостоящими и недоступными для большей части населения. Заинтересованность в программно-аппаратном комплекс ИПАА также обозначают промышленные предприятия с целью мониторинга и обеспечения безопасности и производительности труда сотрудников, одним из ключевых возможных потребителей, выявленных на сегодняшний день является компания “Российские железные дороги”. Экономическая оценка эффективности внедрения ИПАА в работу ремонтных бригад РЖД может дать экономию до 20% от ежегодного бюджета компании на мероприятия по организации и проведения обучения и проверки знаний по безопасности труда, а также мероприятий по предотвращению производственного травматизма и потери здоровья, размер которого составляет 408 млн рублей ежегодно, это без учета бюджета на приобретение униформы и средств индивидуальной защиты, который составляет 5,5 млрд ежегодно. В качестве следующего этапа развития технологии ИПАА предстоит методологическое исследование, проектирование, реализация функциональности по машинной оценке корректности движений тела пользователя в режиме реального времени и генерации машинных рекомендации по корректировке движений в виде синхронизированных визуальных, голосовых и тактильных управляющих сигналов. Последующий шаг усовершенствования технологии будет включать в себя разработку программного обеспечения для автоматизации оцифровки лечебно-физкультурных и спортивных тренировок различных методик, разработку предиктивного подбора оптимальной методики для коррекции физиологического состояния мышечного каркаса пользователя и оценки эффективности методики и скорости прогресса изменений состояния мышечного каркаса, а также связанного с указанными функциями расширения спектра функциональных возможностей и улучшения эффективности применения интеллектуального костюма. В результате выполненной НИОКР на данном этапе были зарегистрированы следующие результаты интеллектуальной деятельности: - “Программа синтеза конструктивных рекуррентных нейронных сетей” - государственная регистрация программы для ЭВМ произведена 23.09.2021. Регистрационный номер (номер свидетельства): 2021665326. - “Программа построения цифровой биомеханической модели движений тела человека” - государственная регистрация программы для ЭВМ произведена 19.10.2021. Регистрационный номер (номер свидетельства): 2021666726. Данная НИОКР выполнена успешно, поставленные цели реализованы в полном объеме, требования технического задания достигнуты в календарные сроки.