НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Петрова Юлія Валеріївна
УДК 331. 101.1.[658.336:656.7](043.3)
Методологія початкового відбору операторів шляхом знімання візуальної
стохастичної інформації
(за моделями динаміки „зорового каналу” та критеріальними параметрами
людини при її роботі на статичному тренажері)
Спеціальність 05.07.14 – Авіаційно–космічні тренажери
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному авіаційному університеті, м. Київ.
Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Блохін Леонід Миколайович,
Національний авіаційний університет,
професор кафедри систем управління.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Шутко Микола Олександрович,
Національний авіаційний університет,
професор кафедри аеронавігаційних систем;
кандидат технічних наук, доцент
Осадчий Сергій Іванович,
Кіровоградський національний
технічний університет,
завідувач кафедри автоматизації
виробничих процесів
Провідна установа: Авіаційний науково-технічний комплекс
ім. О. К. Антонова
Захист відбудеться „12” червня 2006 р. о 1400 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.062.08 у Національному авіаційному
університеті за адресою: 03680, м. Київ-680, пр. Космонавта Комарова,
1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного
університету за адресою: 03680, м. Київ-680, пр. Космонавта Комарова,
1.
Автореферат розісланий „11” травня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доц. В.М.Шутко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Автоматизація сучасного виробництва, широке
впровадження систем „людина-машина” підіймають проблему підвищення
ефективності професійної підготовки операторів і ця проблема стає з
кожним роком усе більш важливою. Оператор приймає, як правило, найбільш
складні і відповідальні рішення по управлінню об’єктом, причому від
правильності його дій, уміння вчасно знайти і реалізувати вірне рішення
залежить не тільки виконання задач, покладених на керований технічний
об’єкт, але в ряді випадків цілісність самого об’єкта і безпека людей.
Таким чином, для ефективного управління різноманітними технічними
системами, однією з ланок яких є людина – оператор, найбільш важливим є
розробка методики кількісної оцінки динамічних властивостей людини при
виконанні її професійної діяльності, їх атестації, а також визначення
показників для оцінки характеристик кандидатів в оператори і складання
бази даних на майбутнє з метою ранжирування кандидатів в оператори.
До теперішнього часу розроблено багато різноманітних моделей
людини-оператора, що описують різні властивості людини при роботі в
системі управління, різні канали сприйняття інформації. При цьому
використовують різні підходи до моделювання діяльності оператора. Багато
з цих робіт, зокрема, К. Т. Леондеса, И. Е. Цибулевського торкаються
розробки моделей ”зорового каналу” (канал сприйняття візуальної
інформації, її переробки та видача відповідної моторної реакції)
оператора. Незважаючи на велику кількість робіт у цьому напрямку досі не
було розроблено методику по кількісній оцінці динамічних властивостей
кандидатів в оператори при сприйнятті та відтворенні візуальної
інформації, не було чітко встановлено основні критерії, що кількісно
характеризують психофізіологічну придатність людини до конкретного виду
операторської діяльності. Таким чином, створення методики досліджень та
контролю динамічних властивостей людини та встановлення чітких
кількісних критеріїв для оцінки професійної діяльності оператора, а
також розробка для цього ефективного та дешевого комплексу
напівнатурного моделювання є важливою задачею, що дозволить підвищувати
якість пілотування та безпеку польотів, а також проводити відбір,
атестацію кандидатів в оператори для ряду виробництв.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Теоретична
основа дисертаційних досліджень пов’язана з виконанням кафедральної
науково-дослідної роботи № 16-ФЗ/К33 „Проблемні питання метрологічного
забезпечення бортових кібернетичних комплексів”, яка проводилась на
кафедрі систем управління Національного авіаційного університету.
Мета та завдання дисертації. Головна мета роботи полягає у розробці
сучасної методології отримання точної та адекватної кількісної оцінки
динамічних властивостей ”зорового каналу” людини – оператора, яка має
працювати на різних виробництвах, а також і в контурах управління
динамічним об’єктом для цілей відбору, атестації, ранжирування та
підвищення кваліфікації операторів.
Поставлена мета досягається розв’язанням таких задач:
розробка методології дослідження та контролю динамічних характеристик
кандидатів в оператори щодо процесів сприйняття з моніторів та
відтворення стохастичної візуальної інформації;
розробка програмного продукту для експериментального дослідження
кандидатів в оператори при знятті з моніторів та відтворенні
стохастичної візуальної інформації;
визначення факторів, які суттєво впливають на динаміку „зорового каналу”
людини;
визначення структури та параметрів моделей ”зорових каналів” операторів,
що кількісно характеризують властивості людини при знятті з моніторів та
відтворенні стохастичної візуальної інформації;
дослідження зміни основних параметрів, які кількісно характеризують
динамічні властивості людини в залежності від ряду факторів (її віку,
„робочої” руки (правша або лівша), часу неперервної роботи, кількості
тренувань та динаміки об’єкта в замкнутому контурі управління);
вибір критеріальних параметрів, які будуть використовуватися для
загальної оцінки діяльності, пов’язаної зі сприйняттям візуальної
стохастичної інформації різних груп операторів;
побудова рейтингових таблиць для досліджуємих груп операторів.
Об’єктом дослідження є динамічні властивості „зорового” каналу кандидата
в оператори при сприйнятті та відтворенні стохастичної візуальної
інформації.
Предметом дослідження є структура та параметри моделей „зорових каналів”
людини при сприйнятті та відтворенні стохастичної візуальної інформації.
Методи дослідження – будуються на відомих методах теорії випадкових
процесів, технічної кібернетики та алгоритмах структурної ідентифікації,
розроблених на кафедрі систем управління Національного авіаційного
університету. Етапи досліджень та оцінка їх результатів проводилась на
комп’ютері з використанням програми С++, Fortran та пакету MatLab.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
розроблена нова методологія дослідження і контролю динамічних
властивостей ”зорових каналів” кандидатів в оператори для встановлення
придатності людини до операторської діяльності при знятті з моніторів та
відтворенні стохастичної візуальної інформації; результати досліджень за
такою методикою дають базу для рейтингових оцінок кандидатів в
оператори;
запропоновано використовувати математичні моделі ”зорових каналів” людей
для цілей відбору і атестації кандидатів в оператори на підставі їх
психофізіологічних властивостей;
для дослідження кількісних характеристик людини та груп операторів при
знятті з моніторів та відтворенні стохастичної візуальної інформації
вперше застосовано алгоритм структурної ідентифікації, розроблений на
кафедрі систем управління Національного авіаційного університету;
вперше запропоновано набір критеріальних параметрів для проведення
відбору та атестації кандидатів в оператори і підвищення професійних
навичок операторів;
виявлені особливості та дана кількісна оцінка змін динамічних
характеристик різних груп операторів при сприйнятті та відтворенні
стохастичної візуальної інформації в замкнутому та розімкнутому контурах
управління на основі їх експериментальних досліджень (групи визначались
в залежності від ряду факторів: віку людини, „робочої” руки людини,
динамічних характеристик об’єкта в замкнутому контурі управління і таке
інше).
Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що:
запропонована кількісна оцінка результатів дослідження та контролю
динамічних властивостей людини при сприйнятті та відтворенні
стохастичної візуальної інформації, динамічних властивостей ”зорових
каналів” операторів, що дозволяє проводити атестацію та ранжирування
кандидатів в оператори. Особливості психофізіологічних властивостей
людини при даному виді операторської діяльності кількісно оцінюються за
допомогою визначених в роботі показників, таких як дисперсія
спектральної щільності ремнанти, час запізнювання реакції оператора,
коефіцієнт підсилення в моделі динаміки та інші;
запропонована методика дослідження змін структур та параметрів моделей
„зорових каналів” операторів в залежності від таких важливих факторів як
вік людини, працює вона правою або лівою рукою, динаміки об’єкту
управління та інших факторів;
визначені (орієнтовно) середні та середньоквадратичні значення
критеріальних параметрів, що характеризують динамічні властивості груп
операторів при сприйнятті та відтворенні ними стохастичної візуальної
інформації в замкнутому та розімкнутому контурах управління;
представлені в дисертації теоретичні та практичні розробки можуть бути
рекомендовані різним відомствам для уточнюючих випробувань та контролів
динамічних властивостей кандидатів в оператори та їх атестації для
різних галузей промисловості.
Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст
дисертації, отримані і сформульовані самостійно. У роботах,
опублікованих у співавторстві [1, 3] автором проведений аналіз впливу
зовнішніх факторів на точність вимірювальної системи і виконано рішення
на ЕОМ ілюструючих задач; у роботі [2] – прийнята участь у розробці
методології атестації стаціонарних стохастичних інформаційно –
вимірювальних систем, проведено вибір критеріальних параметрів для
атестації якості; в [11] – розроблена методика ідентифікації „зорового
каналу” пілота-оператора, визначено фактори, що суттєво впливають на
динаміку „зорового каналу” людини, запропоновано використовувати
спектральну щільність ремнанти оператора як один із основних кількісних
показників якості роботи пілота-оператора.
Апробація результатів роботи: Основні положення та результати даної
роботи доповідались та обговорювались на XLVIII студентській науково –
технічній конференції „Політ-2000” (КМУЦА, м. Київ, 2000р.). науковій
конференції студентів та молодих вчених „Політ-2001” (НАУ, м. київ,
2001), щорічних міжнародних науково – технічних конференціях „Авіа –
2002”,. „Авіа – 2003” та „Авіа – 2004” (НАУ, м. Київ, 2002 – 2004 р.
р.), науковій конференції студентів та молодих вчених „Політ-2003” (НАУ,
м. Київ, 2003), на 11 міжнародній конференції по автоматичному
управлінню „Автоматика – 2004” (м. Київ, 2004), Міжнародній конференції
„Управління в великих системах ” (НАУ, м. Київ, 2004).
Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 наукових праць у
фахових наукових журналах, 4 у збірниках праць наукових конференції та 1
тези доповіді.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох
розділів, висновку, списку використаних джерел та чотирьох додатків.
Повний обсяг дисертації складає 163 сторінок, з яких основна частина
викладена на 144 сторінках друкованого тексту, містить 39 рисунків, 36
таблиць. Список використаних джерел складається з 84 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі подано загальну характеристику роботи. Показана актуальність
роботи, сформовано цілі, основна і додаткові задачі наукових досліджень,
визначено наукову новизну отриманих результатів та обґрунтовано їх
практичну цінність.
У першому розділі розглянуті питання щодо оцінювання різних сторін
діяльності оператора, зокрема при сприйнятті візуальної стохастичної
інформації та внесенні відповідної реакції в систему управління.
Проведено аналіз існуючих методів та критеріїв, які використовуються
зараз для оцінки якості роботи оператора в контурі управління. Як
показує аналіз літературних джерел, існуючі методи оцінки операторської
діяльності людини не дають повної кількісної оцінки поведінки оператора
при спостереженні за візуальним стохастичним сигналом при роботі в
замкнутому або розімкнутому контурах управління динамічним об’єктом.
Більш якісна оцінка операторської діяльності людини потребує
комплексного підходу при вирішенні цієї задачі.
У другому розділі розглянуті особливості поведінки оператора при
виконанні професійної діяльності, пов’язаної зі сприйняттям візуальної
інформації, в задачах атестації динамічних властивостей людини, а також
основні фактори, що впливають на зміну динамічних властивостей людини
(вік людина, деякі фізіологічні особливості людини – лівша людина чи ні,
час неперервної роботи людини, кількість тренувань та особливості
динаміки об’єкту управління).
Для проведення кількісної атестації динамічних властивостей людини
ставиться задача знаходження квазілінійних моделей динаміки ”зорового
каналу” людини по даним ”стохастичний вхід – вихід”. Для вирішення
поставленої задачі використовується процедура структурної ідентифікації
”зорового каналу” людини – оператора. Результатом структурної
ідентифікації є побудова математичної моделі динаміки ”зорового каналу”
людини, а також моделі динаміка помилки оператора (ремнанти) при
сприйнятті інформації. Це дає можливість кількісно оцінити такі основні
характеристики поведінки людини-оператора в системі управління, як,
наприклад, час запізнювання реакції, характер фільтрації низьких частот,
залежність характеристик від часу неперервної роботи та збурення, які
людина вносить у систему в силу своїх навичок та вмінь.
Для визначення динамічних властивостей ”зорового каналу” використано
відомий 1 алгоритм структурної ідентифікації моделей динаміки складного
об’єкту та неконтрольованого збурення, що діє на нього. Джерелом
неконтрольованого збурення є сам оператор. Воно залежить від
фізіологічних навичок людини, досвіду його роботи та багатьох інших
факторів, і це збурення надалі будемо називати ремнантою. Тобто, моделі
динаміки „зорового каналу” людини представляємо передаточною функцією
каналу W(s) та ремнантою r(s), яка є центрованим випадковим процесом.
В даному розділі запропоновані технічні засоби та методика проведення
експериментального дослідження людини – оператора для подальшої побудови
квазілінійної моделі її ”зорового каналу” по даним ”вхід – вихід”.
Лабораторний експеримент щодо придатності випробуваного до операції
спостереження пропонується проводити на статичному тренажері, де є
можливість реєструвати вхідні та вихідні сигнали оператора.
Експериментальне дослідження ”зорового каналу” людини виконувалося за
допомогою спеціально розробленої програми на алгоритмічній мові С++.
Дослідження проводилося при роботі людини в замкнутому та розімкнутому
контурах при спостереженні за візуальним випадковим стаціонарним
сигналом та внесенні відповідної реакції в динамічну систему, в якій діє
оператор.
Після проведення експериментів з операторами проводилася обробка
отриманої інформації в два етапи – первинна обробки стохастичних
експериментальних даних зі складанням моделей динаміки лише фіксованих
сигналів та вторинна – безпосередньо структурна ідентифікація моделей
динаміки досліджуємого каналу, з використанням результатів первинної
обробки.
В роботі використано відомі метод і алгоритм структурної ідентифікації
моделі динаміки складного об’єкту, перероблені для задачі ідентифікації
„зорового каналу”. Суть адаптованого до мети дослідження алгоритму
структурної ідентифікації наступна. Нехай при експерименті визначаються
масиви вхідного u(t) і вихідного х(t) сигналів досліджуваного об’єкта
(рис.1), поводження якого описується звичайним диференціальним рівнянням
з постійними коефіцієнтами, перетвореними за Фур’є виду
(1)
. Задача полягає у знаходженні передаточної функції Р-1М „зорового
каналу” оператора та спектральної щільності збурення (ремнанти) S(((s).
Після проведення первинної обробки сигналів визначаються спектральні і
взаємні спектральні щільності сигналів, що вимірюються Suu(s), Sxx(s),
Sux(s), і Sxu(s).
– невідома передаточна функція.
Перепишемо рівняння (1) як
Введемо позначення:
, (3)
. (4)
Враховуючи вирази (3) і (4), перепишемо рівняння (2) у вигляді
, (5)
, які одержані за даними експерименту, то рівняння не буде суворо
виконуватися. У цьому випадку запишемо рівняння
, (6)
де ( –помилка, пов’язана з “неідеальністю” вимірювань і первинної
обробки виміряних сигналів (мається на увазі етап складання моделей
динамічних характеристик сигналів).
1 Блохин Л. Н. Оптимальные системы стабилизации. – К.: Техніка. 1982. –
144 с.
Рис. 1. Структурна схема ідентифікації динаміки об’єкта
, вибираємо блочну матрицю-рядок ( так, щоб доставити мінімум дисперсії
вектора (6) помилки ідентифікації (.
Функціонал якості має вигляд
. (7)
де R – вагова симетрична позитивно визначена поліноміальна функція і
(8)
Задачу пошуку функції (, яка доставляє мінімум функціонала, будемо
розв’язувати за методом Вінера-Колмогорова (перша варіація функціоналу
повинна дорівнювати нулю).
Першу варіацію функціонала запишемо як
, (9)
.
, (10)
де елементи матриці T0 – поліноми від s, елементи матриці T+ – правильні
дроби з полюсами тільки в лівій напівплощині, елементи матриці T– –
правильні дроби з полюсами в правій напівплощині комплексної змінної s.
Вважаючи виміри сигналів u і х “ідеальними”, тобто отриманими без завад
вимірювань, як частковий випадок алгоритму 1 складемо потрібний алгоритм
структурної ідентифікації так:
передаточна функція об’єкту ідентифікації
(11)
спектральна щільність збурення на об’єкт ( ремнанти) дорівнює
(12)
а шукана передаточна функція фільтра, що формує збурення,
(13)
тут символ „*” – знак ермітового спряження, індекс „+” угорі – знак
вінеровської операції факторизації.
Таким чином, поставлена задача структурної ідентифікації моделей
динаміки об’єкту управління та збурення, що діє на нього, вирішена.
(14)
Таким чином, після проведення обробки експериментальних даних за
алгоритмом (11) одержуємо передаточну функцію ”зорового каналу” кожного
досліджуємого, яка має свою структуру та параметри, а за формулою (13) –
спектральну щільність ремнанти. Отримані таким чином дані надалі будуть
використані для відбору, ранжирування та атестації кандидатів в
оператори на основі побудованих рейтингових таблиць.
В цьому розділі також були визначені фактори, які мають суттєвий вплив
на зміну динаміки „зорового каналу” людини, а саме: вік людини, „робоча”
рука людини (ліва чи права), час неперервної роботи людини, кількість
тренувань та динаміка об’єкту управління (при дослідженні роботи
оператора в замкнутому контурі управління). Вплив цих факторів на
структуру та параметри моделей динаміки „зорового каналу” людини
досліджувався в 3 та 4 розділах.
У третьому розділі приведені результати структурної ідентифікації
”зорових каналів” визначених груп операторів при роботі в розімкнутому
контурі управління – передаточні функції оператора та спектральні
щільності ремнанти у графічному та аналітичному виді.
Нижче показані всі етапи визначення динамічних характеристик
людини-оператора на прикладі оцінки властивостей одного з операторів.
Відповідно до запропонованої методики, на дисплеї комп’ютера в
спеціальному вікні операторові пред’являвся випадковий стаціонарний
сигнал. Оператор мав намагатися найбільш точно відтворити вхідний
сигнал, використовуючи маніпулятор типу “мишка”. Типові види вхідного та
вихідного сигналів, приведені відповідно на рисунках 2 і 3 (сигнали
вимірювалися у сантиметрах).
Після проведення експерименту проводиться первинна обробка отриманої
інформації. Спочатку знаходяться кореляційні функції вхідного, вихідного
(реакції оператора) сигналів і їх взаємні кореляційні функції.
Рис. 2. Фрагмент вхідного сигналу Рис. 3. Фрагмент реакції
оператора
Далі знаходяться спектральні щільності вхідного (рис. 4), вихідного
(рис. 5) сигналів і їхні взаємні спектральні щільності (рис. 6) і
проводиться апроксимація цих характеристик методом узагальнених
логарифмічних частотних характеристик.
Рис.4. Спектральна щільність вхідного Рис. 5. Спектральна щільність
вихідного
сигналу (___) і її редукований вид (–) сигналу (___) і її редукований
вид (–)
Рис. 6. Взаємна спектральна щільність вхідного й вихідного сигналів
(___) і її редукований вид (–)
Апроксимація графічних залежностей аналітичними виразами має наступний
вигляд:
для вхідного тестового сигналу
(15)
для реакції оператора
(16)
Аналітичний вираз для взаємної спектральної щільності вхідного й
вихідного сигналу, після деяких спрощень, представимо у виді
(17)
У даному разі після проведення етапу структурної ідентифікації були
отримані передаточна функція й спектральна щільність ремнанти „зорового
каналу” досліджуємої людини-оператора. Моделі динаміки сигналів (15),
(16) і (17) потім підставляються в формули (11) і (13), що є власно
етапом ідентифікації найліпших у визначеному змісті моделей динаміки
оператора. Амплітудно- й фазо-частотні характеристики передаточної
функції оператора наведені на рисунку 7.
Рис. 7. Передаточна функція „зорового каналу” випробуваного (___) і її
редукований вид (—)
Аналітичне вираження для передаточної функції оператора має вигляд
На рис. 8 наведена спектральна щільність ремнанти, яку даний
випробуваний вносить у систему, а її аналітичний вираз представимо у
вигляді:
Далі аналогічно було проведено дослідження визначених груп операторів
чисельністю 10-12 осіб. Потім на їх основі були побудовані рейтингові
таблиці основних параметрів, що кількісно характеризують якість роботи
кожного з операторів (оператори в кожній групі були ранжируванні по
дисперсії спектральної щільності ремнанти).
Рис. 8. Спектральна щільність ремнанти випробуваного (___) і її
редукований вид (—)
Далі проводилась статистична обробка результатів досліджень по групах та
аналіз впливу факторів, визначених в розділі 2, на структуру та
параметри досліджуємого каналу людини – оператора.
Звернемо увагу на те, що всі експериментальні дослідження проводилися в
середині робочого дня при денному світлі, кожна група досліджуємих
містила приблизно однакову кількість осіб чоловічої та жіночої статі.
Вплив вікового фактору. Досліджуємі віком від 20 до 60 років були
розділені на 4 вікові групи.
Узагальнені передаточна функція та спектральна щільність ремнанти для
всіх груп відповідно мають вид
?
Oe
°?ooe(
,
0
x
|
Ae
E
$
?
?
¬
®
°
?
?
¶
?
?
O
Oe
O
?o.
z
„
/^„
z
AE
E
E
„U
„Co^„U
„
/^„
\
„
/^„
\
„
/^„
&
&
&
F
$
$
?†?e?A?‹X?o?u?u?aN???–„?xj
??
¤^„a$
$
– відносні коефіцієнти демпфірування, ( – час запізнювання в зоровому
каналі людини-оператора, fпр. – смуга пропускання частот у зоровому
каналі оператора (визначається по ЛАЧХ);
,
Рис. 9. Зіставлення спектральних щільностей ремнанти ”зорових каналів”
операторів досліджуваних вікових груп
де (r – інтенсивність сигналу ремнанти, Тr1 і Тr2 – постійні часу
апроксимуючих ланок, (r1 – відносний коефіцієнт демпфірування, Dr(, –
дисперсія сигналу ремнанти кожного оператора.
Для наочності змін динамічних характеристик „зорових каналів” операторів
досліджуваних вікових груп наведені рисунки (рис. 9 і 10) зіставлення
графічних зображень спектральних щільностей ремнанти й логарифмічних
амплітудо-частотних та фазо-частотних характеристик (ЛАЧХ і ЛФЧХ)
передаточної функції операторів з кожної вікової групи. Кожний з обраних
операторів має середні динамічні характеристики „зорового каналу” для
своєї вікової групи.
а б
Рис. 10. Зіставлення передаточних функцій ”зорових каналів” операторів
досліджуваних вікових груп: а – ЛАЧХ; б- ЛФЧХ
В таблицях 1 і 2, як приклад, наведені відповідно статистичні оцінки
параметрів передаточної функції та спектральної щільності ремнанти
„зорових каналів” операторів вікової групи 20-30 років
Таблиця 1
Статистичні оцінки
досліджуваних параметрів Параметри
K T1, с T2, с fпр, Гц (, с
Середнє арифметичне значення 0.42 0.089 0.04 2.24 0.227
Середнє квадратичне відхилення 0.19 0.015 0.01 0.47 0.02
Таблиця 2
Статистичні оцінки
досліджуваних параметрів Параметри
(r, см Tr1, с Tr2, с Dr(, см2
Середнє арифметичне значення 0.87 0.099 0.04 0.47
Середнє квадратичне відхилення 0.147 0.031 0.01 0.12
Провівши аналіз отриманих даних можна зробити наступні висновки про
вплив віку людини на зміну структури й параметрів моделі динаміки
„зорового каналу” оператора: вік оператора не суттєво впливає на
структуру передаточної функції „зорового каналу” людини-оператора.
Найбільша смуга пропускання вхідного сигналу, виявлена в досліджених
операторів, що працюють у розімкнутому контурі управління, не перевищує
2,5 Гц. Найкращі динамічні характеристики „зорового каналу” відмічені в
операторів у віці від 20 до 40 років, а істотна зміна (погіршення)
динаміки „зорового каналу” оператора спостерігається в людей після 50
років (найбільше це проявляється на часі запізнювання реакції оператора,
що зростає майже в 3 рази, та на дисперсії спектральної щільності
ремнанти, що зростає в 1,5-2 рази).
Вплив деяких особливостей фізіології людини на зміну динаміки її
„зорового каналу”. Для оцінки впливу цього фактору був проведений ряд
експериментальних досліджень. Всі випробувані особи були розділені на 2
групи залежно від властивості людини виконувати основну роботу правою
рукою (перша група) або лівою рукою (друга група).
а б
Рис. 11. Зіставлення передаточних функцій ”зорових каналів” операторів,
що працюють правою й лівою рукою: а – ЛАЧХ; б- ЛФЧХ
Для наочності зміни динамічних характеристик ”зорових каналів”
операторів залежно від їхньої основної „робочої” руки наведені рисунки
11 і 12 зіставлення графічних зображень логарифмічних АЧХ та ФЧХ й
спектральної щільності ремнанти операторів з кожної групи. Кожний з
обраних операторів має середні динамічні характеристики ”зорового
каналу” для своєї групи (правша або лівша).
Рис. 12. Зіставлення спектральних щільностей ремнанти ”зорових каналів”
операторів, що працюють правою й лівою рукою
Провівши аналіз отриманих даних можна зробити наступні висновки про
вплив такої фізіологічної властивості людини, як його здатність
виконувати основну роботу правою або лівою рукою: „робоча” рука
оператора не впливає на структуру передаточної функції й спектральної
щільності ремнанти людини-оператора. Смуга пропускання вхідного сигналу
в оператора-лівші несуттєво менша, у порівнянні з людиною, що працює
правою рукою. У своїй більшості оператори, що працюють правою рукою,
мають кращі характеристики (у середньому по групі оператор-лівша має
дисперсію спектральної щільності ремнанти більшу у 2,2 рази та
запізнювання реакції людини більше у 2 рази) для сприйняття й
відтворення візуального сигналу в порівнянні з операторами-лівшами.
Для дослідження впливу кількості тренувань на зміну динаміки „зорового
каналу” людини-оператора був проведений ряд експериментальних досліджень
серед випробуваних вікової категорії від 20 до 30 років, що працюють
тільки правою рукою.
Для наочного зображення характеру зміни динаміки ”зорового каналу”
оператора в залежності від кількості тренувань були побудовані графіки
зміни коефіцієнта підсилення, смуги пропускання, часу затримки реакції й
дисперсії спектральної щільності ремнанти. Ці залежності для 5 різних
операторів представлені на рис. 13- 16.
Рис. 13. Вплив тренувань на коефіцієнт Рис. 14. Вплив тренувань
на
підсилення передаточної функції оператора дисперсію ремнанти
оператора
Після аналізу отриманих даних можна зробити наступні висновки про вплив
кількості тренувань на зміну структури й параметрів моделі динаміки
”зорового каналу” людини-оператора: кількість тренувань у досліджуваному
часовому діапазоні не впливає на структури передаточної функції й
спектральної щільності ремнанти оператора, а їхні основні параметри
поліпшуються із тренуваннями (у середньому коефіцієнт підсилення
збільшився, а дисперсія ремнанти зменшилась майже в 2 рази, смуга
пропускання вхідного сигналу збільшилась на 20-30(, запізнювання реакції
оператора залишилося майже незмінним).
Рис. 15. Вплив тренувань на Рис. 16. Вплив тренувань на час
смугу пропускання оператора запізнювання реакції оператора
Для дослідження впливу тривалості безперервної роботи на зміну динаміки
”зорового каналу” людини був проведений ряд експериментальних досліджень
серед випробуваних вікової категорії від 20 до 30 років, що працюють
тільки правою рукою. Задачею операторів було найбільш точне відтворення
візуального стохастичного сигналу при безперервній роботі протягом 80
хвилин. Вхідний і вихідний сигнали записувалися кожні 10 хвилин роботи
людини. Для наочного зображення характеру зміни динаміки ”зорового
каналу” оператора при тривалій роботі були побудовані графіки зміни
коефіцієнта підсилення передаточної функції оператора, смуги
пропускання, часу запізнення реакції та дисперсії спектральної щільності
ремнанти. Ці залежності представлені на рис. 17 – 20.
Рис. 17. Вплив часу роботи на Рис. 18. Вплив часу роботи на
коефіцієнт підсилення передаточної смугу пропускання оператора
функції оператора
Рис. 19. Вплив часу роботи Рис. 20. Вплив часу роботи на
на час запізнювання оператора дисперсію ремнанти оператора
Провівши аналіз даних графіків можна зробити наступні висновки про зміну
динаміки „зорового каналу” оператора при тривалій роботі: час
безперервної роботи людини-оператора в досліджуваному часовому діапазоні
не впливає на структуру передаточної функції й спектральної щільності
ремнанти оператора, а також на його час запізнювання. На початку роботи
відзначене погіршення динамічних характеристик ”зорового каналу”
оператора, при 20-40 хвилинах – хороша робота, а через 50-60 хвилин
безперервної роботи дані характеристики помітно погіршуються (коефіцієнт
підсилення зменшується на 30-40(, смуга пропускання зменшується на
10-15(, а дисперсія ремнанти збільшується у 1,5-2 рази) під впливом
фактора стомлення. Міра зміни параметрів, що характеризують динаміку
„зорового каналу” людини-оператора визначається індивідуальними
особливостями кожної людини.
У четвертому розділі приведені результати структурної ідентифікації
”зорових каналів” групи операторів віком від 20 до 30 років, що працюють
виключно правою рукою, при їх роботі в замкнутому контурі управління.
Структурна схема замкнутого контуру управління, що включає в себе
оператора як його ланку, пояснюється за допомогою блок-схеми, що
зображена на рисунку 21.
Рис. 21. Блок-схема системи сприйняття людиною зорової інформації в
замкнутому контурі управління
У напівавтоматичному режимі управління літаком робота пілота – оператора
(Л-О) полягає в тому, щоб звести до мінімуму сигнал ((t) – різницю між
необхідним програмним g(t) і реальним вихідними сигналами x(t). Головною
вимогою до роботи оператора в цьому випадку є забезпечення найбільшої
точності відтворення сигналу й внесення в систему найменшої ремнанти
r(t). Сигнал розбалансування ( (t) пред’являється людині – операторові
на дисплеї комп’ютера (ВП), а вихідним сигналом x(t) служить переміщення
маніпулятора комп’ютера.
У якості об’єкту управління були використані моделі динаміки одного з
каналів управління літака з різними сталими часу („важкий”, „середній”
та „легкий” літак). Їх передаточні функції зображені на рис. 22.
а. б.
Рис. 22. Зіставлення передаточних функцій каналів „легкого” (light),
„середнього” (medium) і „важкого” (heavy) літаків: а – ЛАЧХ об’єкту
управління; б – ЛФЧХ об’єкту управління
Після проведення експерименту побудовані передаточні функції та
спектральні щільності у графічному та аналітичному виді. На їх основі
були побудовані рейтингові таблиці основних параметрів, що кількісно
характеризують якість роботи оператора (оператори в кожній групі були
ранжируванні по дисперсії спектральної щільності ремнанти). Далі була
проведена статистична обробка результатів дослідження та аналіз впливу
зміни динаміки об’єкту управління на зміну структури та параметрів
досліджуємого каналу людини – оператора.
Узагальнені передаточна функція та спектральна щільність ремнанти для
всіх груп відповідно мають вид
Рис. 23. Зіставлення спектральних щільностей ремнанти ”зорових каналів”
оператора при управлінні „легким” (light), „середнім” (medium) і
„важким” (heavy) літаками
Для наочності зміни динамічних характеристик ”зорових каналів”
операторів залежно від зміни динаміки об’єкта управління наведені
графічні залежності (рис. 23 і 24) для зіставлення спектральних
щільностей ремнанти і передаточних функцій операторів кожної із груп.
Обраний оператор має середні динамічні характеристики „зорового каналу”
для своєї групи.
а б
Рис. 24. Зіставлення передаточних функцій ”зорових каналів” оператора
при управлінні „легким” (light), „середнім” (medium) і „важким” (heavy)
літаками: а – ЛАЧХ; б- ЛФЧХ
Після аналізу зміни параметрів спектральної щільності ремнанти та її
дисперсії від властивостей об’єкту, встановлено, що зміна динаміки
обраних об’єктів не впливає на структуру передаточної функції „зорового
каналу” людини-оператора, а тільки на її параметри; найменшу ремнанту
оператор вносить у контур при управлінні „важким” літаком (у середньому
по групі 0,32 см2), а найбільшу – при управлінні „легким” літаком (у
середньому по групі 0,45 см2).
У додатках до дисертаційної роботи наведені результати досліджень
„зорових каналів” різних груп операторів у графічному вигляді.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі розроблено сучасний підхід до оптимальної
кількісної оцінки та ранжирування динамічних властивостей „зорового
каналу” людини – оператора при роботі в замкнутому та розімкнутому
контурах. У результаті проведення досліджень отримані наступні наукові
результати:
Розроблена методика досліджень та контролю динамічних характеристик
кандидатів в оператори щодо процесів сприйняття з моніторів та
відтворення стохастичної візуальної інформації. Встановлено, що важливим
моментом у запропонованій методиці ідентифікації моделей „зорового
каналу” оператора є те, що по величіні дисперсії спектральної щільності
ремнанти можна кількісно та оперативно оцінити міру ефективності дій
конкретного оператора при роботі в замкнутому та розімкнутому контурах
управління. Вперше проведена кількісна оцінка роботи „зорового каналу”
оператора в розімкнутому контурі управління з визначенням характеристик
ремнанти. Експериментальні дослідження кандидатів в оператори при знятті
з моніторів та відтворенні стохастичної візуальної інформації в
замкнутому та розімкнутому контурах управління проводились за спеціально
розробленим програмним продуктом.
У роботі запропоновано використовувати структуру і параметри
передаточної функції „зорового каналу” оператора та спектральної
щільності ремнанти для адекватної кількісної характеристики динамічних
властивостей „зорового каналу” людини при знятті з моніторів та
відтворенні стохастичної візуальної інформації. Побудовані моделі
динаміки „зорових каналів” операторів дають змогу проводити кількісну
атестацію дій оператора в системі управління.
Досліджено зміну структури й параметрів передаточної функції й
спектральної щільності ремнанти оператора при роботі в розімкнутому
контурі управління залежно від деяких факторів. Як основні фактори, що
суттєво впливають на динаміку „зорових каналів” людини, були обрані вік
оператора, особливості його фізіології (працює людина в основному правою
або лівою рукою), час безперервної роботи оператора й кількість
тренувань. За результатами обробки експериментальної інформації й
аналізу побудованих рейтингових таблиць моделей динаміки кандидатів в
оператори зроблені наступні висновки про вплив обраних факторів на зміну
структури й параметрів моделей „зорових каналів” операторів.
Вік оператора сильно впливає на параметри моделі динаміки „зорового
каналу” людини-оператора, і має незначний вплив на їхні структури.
Найкращі динамічні характеристики (менші час запізнювання реакції
оператора та дисперсія ремнанти) „зорового каналу” відзначені в
операторів у віці від 20 до 40 років і помітне їхнє погіршення після 50
років (час запізнювання реакції оператора та дисперсія ремнанти різко
зростають).
Робоча рука оператора впливає тільки на параметри моделей динаміки
„зорового каналу” людини-оператора без зміни їхніх структур. У своїй
більшості оператори, що працюють правою рукою, мають кращі
характеристики (час запізнювання реакції оператора та дисперсія ремнанти
менші у середньому в 2 рази) для сприйняття й відтворення візуального
сигналу в порівнянні з операторами, у яких робочою рукою є ліва
(лівшею).
Кількість тренувань у досліджуваному часовому діапазоні (протягом 5
днів) не впливає на структури передатної функції та спектральної
щільності ремнанти оператора, а їхні основні параметри поліпшуються з
кількістю тренувань (крім часу запізнювання реакції оператора). (Якщо
порівняти перший та останній експеримент, то у середньому коефіцієнт
підсилення збільшується, а дисперсія ремнанти зменшується майже в 2
рази, смуга пропускання вхідного сигналу збільшується на 20-30()
Час безперервної роботи людини-оператора в досліджуваному часовому
діапазоні не впливає на структуру передаточної функції й спектральної
щільності ремнанти оператора, і так само на час запізнювання його
реакції. Відзначено зміну ефективності роботи людини при тривалій
безперервній операторській діяльності. Ступінь зміни параметрів, що
характеризують динаміку „зорового каналу” людини-оператора, визначається
індивідуальними особливостями кожної людини.
Результати обробки експериментальної інформації й аналіз рейтингових
таблиць динамічних властивостей кандидатів в пілоти показали, що зміна
динаміки об’єкта управління (різних типів літака) впливає на параметри
моделей динаміки „зорового каналу” людини, і має незначний вплив на
зміну їхніх структур. Аналізуючи зміни параметрів спектральної щільності
ремнанти та її дисперсії, було встановлено, що найменшу ремнанту
оператор вносить у контур при управлінні „важким” літаком (у середньому
по групі – 0,32 см2), а найбільшу – при управлінні „легким” літаком(у
середньому по групі – 0,45 см2).
Розроблений підхід до отримання кількісних оптимальних оцінок
результатів атестації та ранжирування динамічних властивостей „зорового
каналу” людини – оператора при управлінні динамічним об’єктом
випробувано на підприємствах Національної академії наук (акти наведені у
дисертації). Вважаємо, що він може бути рекомендований для атестації
операторської діяльності працівників різних галузей промисловості .
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Блохін Л.М., Держак С. В., Петрова Ю.В. Аналіз і оптимізація точності
вимірювальних систем зі збурюючими джерелами первинної інформації. //
Вісник НАУ. – 2002. – № 2 (13). – С. 10-14.
Блохин Л.Н., Петрова Ю.В. Методологические основы обеспечения и
аттестации качества (точности) стационарных стохастических информационно
– измерительных систем. // Технічна електродинаміка. – 2002. –
Частина 9. – С. 53-57.
Блохін Л.М., Петрова Ю.В. „Обнулення” функціоналу вимірювальної системи
як алгоритм її синтезу. // Вісник ЦНЦ ТАУ № 4 . Київ, 2001. – С. 50-52.
Петрова Ю. В. Структурна ідентифікація зорового каналу оператора. //
Вісник НАУ. – 2004. – №3. – С. 78-81.
Петрова Ю. В. Методика атестації динамічних властивостей зорового каналу
оператора. // Проблеми інформатизації та управління. – 2004. – Випуск
11. -С. 173-176.
Петрова Ю. В. Методика і результати новітньої обробки кардіосигналів. //
Вісник НАУ. – 2001. – № 4 (11). – С. 126-129.
Петрова Ю. В. Некоторые результаты идентификации зрительного канала
оператора. // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції
АВІА-2004. -К.: НАУ. – 2004. – С. 26.20-26.23.
Петрова Ю. В. Идентификация модели динамики зрительного канала оператора
в контуре управления полетом. // Матеріали 11-ої наукової конференції по
автоматичному управлінню. – К.: НАУ. – 2004. – С. 89.
Петрова Ю. В. Деякі методичні моменти оцінювання властивостей оператора.
// Збірник наукових праць МНК студентів та молодих вчених „Політ-2003”.
– К.: НАУ. – 2003. – С. 314-317.
Петрова Ю. В. Методика і деякі результати первинної обробки даних каналу
сприйняття інформації оператором. // Матеріали міжнародної
науково-технічної конференції „Авіа-2003”. – К.: НАУ. – 2003. – С.
33-37.
Петрова Ю. В., Вітте Є.П. Методика ідентифікації „зорового каналу”
сприйняття інформації пілотом-оператором. // Матеріали міжнародної
науково-технічної конференції „Авіа-2002”. – К.: НАУ. – 2002. – С.
23.33-23.34.
АНОТАЦІЯ
Петрова Ю. В. Методологія початкового відбору операторів при зніманні
візуальної стохастичної інформації (по моделям динаміки „зорового
каналу” та критеріальним параметрам людини при її роботі на статичному
тренажері). – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.07.14 – авіаційно–космічні тренажери – Національний
авіаційний університет, Київ, 2006.
Дисертація присвячена атестації здібності людини до операторської
діяльності на підставі структурної ідентифікації моделей динаміки
”зорового каналу” оператора в комплексах напівнатурного моделювання.
В роботі розроблена методика контролю та дослідження динамічних
характеристик ”зорових каналів” кандидатів в оператори щодо процесів
сприйняття з моніторів та відтворення стохастичної візуальної
інформації. Визначено фактори, що суттєво впливають на динамічні
характеристики людини-оператора та проведено аналіз впливу цих факторів
на зміну структури та параметрів „зорових каналів” груп операторів.
Побудовані рейтингові таблиці груп операторів.
Ключові слова: людина-оператор, відбір та атестація динамічних
властивостей, структурна ідентифікація, передаточна функція, спектральна
щільність, ремнанта, групи операторів, фактори впливу.
Петрова Ю. В. Методология начального отбора операторов при съеме
визуальной стохастической информации (по моделям динамики „зрительного
канала” и критериальным параметрам человека при его работе на
статическом тренажере). Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по
специальности 05.07.14 – авиационно–космические тренажеры – Национальный
авиационный университет, Киев, 2006.
В связи с развитием автоматизации производства и человеко-машинных
систем возникает проблема отбора, аттестации и повышения
профессиональной подготовки операторов в системах управления. Задачей в
решении данной проблемы является проведение отбора, ранжирования и
аттестации „зрительных каналов” кандидатов в операторы на основании
четких количественных показателей, характеризующих качество съема с
монитора и дальнейшего воспроизведения человеком визуальной
стохастической информации.
Для решения указанной задачи сформулирована цель и составляющие задачи
диссертационного исследования, а именно: разработка методики оптимальных
оценок динамических свойств ”зрительного канала” человека – оператора
при работе в разомкнутом и замкнутом контурах управления динамическим
объектом; разработка программного и материального обеспечения
исследований и контроля динамических характеристик кандидатов в
операторы; построение рейтинговых таблиц исследуемых групп операторов;
исследование изменения динамических характеристик человека в зависимости
от ряда факторов (возраст оператора, некоторые особенности физиологии
человека, время непрерывной работы и количество тренировок, динамики
объекта управления); назначение критериальных параметров для рейтинга.
Результаты решения задач позволили произвести комплексную оценку
динамических характеристик ”зрительного канала” исследуемого человека, а
также оценить изменение его характеристик в зависимости от характера
влияющих факторов (возраста оператора, некоторых особенностей физиологии
оператора, времени непрерывной работы или количества тренировок
(качество обучения), характеристик моделей динамики объекта управления)
при выполнении операторской деятельности, связанной с восприятием
визуальной стохастической информации на основании четких количественных
показателей.
Используя метод структурной идентификации и спектральный алгоритм
обработки экспериментальной информации определены динамические
характеристики ”зрительных каналов” (структура и параметры моделей)
различных групп операторов.
В результате проведенных исследований установлено изменение моделей
динамики ”зрительного канала” при влиянии вышеперечисленных факторов.
Предложена процедура ранжирования кандидатов в операторы, а также
количественной оценки качества их обучения.
Ключевые слова: человек-оператор, отбор и аттестация динамических
свойств, структурная идентификация, передаточная функция, спектральная
плотность, ремнанта, группы операторов, факторы влияния.
Petrova Y.V. Methodology of initial operators selection according to
the reading of visual stochastic information (by the dynamics models of
the “visual channel” and the human’s criterion parameters during his
work with a static simulator). The manuscript.
The thesis is represented for a candidate of technical science degree in
speciality 05.07.14 -aerospace simulators – National aviation
university, Kiev, 2006.
The thesis is devoted to the human ability attestation of operator’s
activity on the basis of structural identification of the human’s
dynamics models in scaled-down modeling complexes.
The control and research methodic of operator candidates’ dynamic
characteristics of “the visual channel” according to visual perception
processes from display and reproduction of visual stochastic information
has been developed in the thesis. Considerably influence factors on the
dynamic characteristics of person – operator have been determined and
the analysis of these influence factors on structure and parameters
changes of operators’ groups “visual channels” has been carried out.
Rating tables of these operators groups were made.
Key words: the human-operator, selection and certification of dynamic
properties, structural identification, the transfer function, the
spectral density, the remnant, group of operators, influence factors.
Підп. до друку 10.05.06 . Формат 60(84/16. Папір офс.
Офс. друк. Ум. друк. арк.. 1,16. Обл. – вид. арк. 1,25.
Тираж 100 пр. Замовлення № -1. Вид. №
Видавництво НАУ
03680. Київ-680, проспект Космонавта Комарова, 1.
Свідоцтво про внесення до Державного реєстру ДК № 977 від 05.07.2002
PAGE 1
r(t)
u(t)
ВП
Л-О
ОУ
x(t)
g(t)
((t)
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
