Библиотечный каталог авторефератов Украины

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)

де х и u – відповідно вихідний і вхідний сигнали об'єкта,  ψ(r) – випадковий сигнал збурення, Р і М - поліноми аргументу . Задача полягає у знаходженні передаточної функції Р-1М „зорового каналу” оператора та спектральної  щільності збурення (ремнанти) SΨΨ(s).

Після проведення первинної обробки сигналів визначаються спектральні і взаємні спектральні щільності сигналів, що вимірюються Suu(s), Sxx(s), Sux(s), і Sxu(s).

Враховуючи введені позначення , де - невідома передаточна функція.

Перепишемо рівняння (1) як

Введемо позначення:

,                         (3)

.                                                          (4)

Враховуючи вирази (3) і (4), перепишемо рівняння (2) у вигляді

,                                                   (5)

Якщо в рівнянні (5) використані лише оцінки динамічних характеристик векторів і , які одержані за даними експерименту, то рівняння не буде суворо виконуватися. У цьому випадку запишемо рівняння        

               ,                                        (6)

де ε –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

Задача формулюється таким чином. Використовуючи оцінки динамічних характеристик сигналів і , вибираємо блочну матрицю-рядок Φ так, щоб доставити мінімум дисперсії вектора (6) помилки ідентифікації ε.

Функціонал якості має вигляд

.               (7)

де R – вагова симетрична позитивно визначена поліноміальна функція і         

               ;                                            (8)

Задачу пошуку функції Φ, яка доставляє мінімум функціонала, будемо розв’язувати за методом Вінера-Колмогорова (перша варіація функціоналу повинна дорівнювати нулю).

Першу варіацію функціонала запишемо як

, (9)

де R0 – результат факторизації функції R; D – результат факторизації матриці ; ; .

Відповідно до процедури методу запишемо вираз як суму трьох матриць, тобто                                ,                           (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.

Далі знаходимо дисперсію ремнанти для кожної конкретної ситуації по формулі                                                                                       (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).