Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора в системах "человек-машина" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Устюжанин, Александр Дмитриевич

• Устюжанин, Александр Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Устюжанин, Александр Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Идентификация и моделирование систем человек-машина.

1.1. Задача идентификации и понятие «черного ящика».

1.2. Идентификация нелинейных систем методом Винера.

1.3. Оценка точности и сходимость ряда Винера.

1.4. Регуляризированные алгоритмы определения ядер Винера.

1.5. Выводы к главе 1.

Глава 2. Моделирование и идентификация динамики человека-оператора в следящих системах «человек-машина».

2.1. Постановка задачи слежения. Типы дисплеев и органов управления.

2.2. Описание динамических свойств человека-оператора с помощью ряда из функционалов Винера.

2.3. Исследование влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество работы системы человек-машина.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Воздействие вибрации, ее влияние на динамические свойства человека-оператора и эффективность его деятельности.

3.1. Способы измерения влияния вибрации на человека-оператора.

3.3. Выводы к главе 3.

Глава 4. Оптимизация взаимосвязи человека и техники в системах «человек-машина».

4.1. Синтез оптимальных систем «человек-машина».

4.2. Интегральное уравнение, определяющее условие минимума среднего значения квадрата ошибки и определение структуры и параметров передаточной функции человека-оператора.

4.3. Практическое решение задачи.

4.4. Выводы к главе 4.

Глава 5. Стенд для исследования и оценки динамических свойств человека-оператора, работающего в составе системы «человек-машина».

5.1. Структура и состав стенда.

5.2. Обучение и оценка обученности человека-оператора.

5.3. Выводы к главе 5.

Выводы к диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора в системах "человек-машина"»

Сложность объектов управления непрерывно возрастает. Это связано с тем, что цели, которые ставятся перед этими объектами, являются более многогранными и должны достигаться при различных, порой экстремальных, воздействиях окружающей среды. События последних лет показывают, что для эффективного действия объектов, в управлении которых участвует человек, необходимо уделять особое внимание обучению и адаптации его к воздействию среды для достижения цели, поставленной перед системой человек-машина. Особенно важно уметь построить при обучении систему тестов, обладающих полнотой и найти объективные критерии оценки степени обученности оператора. Часть функции управления в современных системах берет на «себя» компьютер, однако это не исключает оператора из решения задачи управления, а освобождает его лишь для решения самых сложных проблем, неподдающихся автоматизации. Поэтому обучение и адаптация человека-оператора в человеко-машинных системах не упрощается, а наоборот становится более сложной.

В ранних работах [35], посвященных анализу функционирования человека в системах человек-машина, обращалось в основном внимание на изучение его динамических свойств, определению передаточной функции, то есть решению задачи идентификации при задании некоторого входного воздействия и получении реакции с дальнейшей совместной обработкой вход-выходного сигналов. Поскольку, как известно, человек как динамическая «система» является нелинейной, то рассмотренные ранее методы не являются адекватными, как по полноте текста, предъявляемому человеку, так и по способам построения его динамической модели. С современных позиций, учитывая достижения в области информационных технологий, нейрофизиологии и теории управления концептуальную модель системы человек-машина, на примере управления динамическим объектом, можно представить в виде, показанном на рис. В.1.

Аэродинамические и д возмущения , климатические возмущения I Г

Органы реализации Управление Объект управления Интерфейс (СОИ) управления

Концептуальная модель управления (человек-оператор) II

Опыт управления

УМ

Эталонная модель

Опыт создания модели движения

Реализация управления — Выработка управления

Блок управления

Опыт восприятия информации

2(1)

Имитатор рабочего места оператора

Возмущения

Прогноз м- Оценка состояния

Блок образа движения х(1)

Восприятие информации у Блок сбора информации

Имитатор вибрационных воздействий

Рис. В.1. Концептуальная модель системы человек-машина

На рисунке видно два крупных блока: 1 - модель объекта управления (летательный аппарат или автомобиль и т.п.), в состав которого входят органы реализации управления, собственно динамика объекта управления и система отображения информации (СОИ), дающая возможность человеку-оператору наблюдать как показания приборов, так и внешнюю обстановку движения объекта управления в окружающей среде. Предполагается, естественно, что у системы человек-машина имеется цель и поэтому деятельность человека в данной системе является целенаправленной. II — модель человека-оператора, состоящая в свою очередь из трех блоков: 1 - блок сбора информации, в котором должна быть отображена модель восприятия информации человеком, и, естественно, он должен быть обучен, то есть должен иметь навыки в сборе информации и ее понимании; 2 — блок образа движения, модель которого должна отображать оценку состояния и прогноз движения на основе этой оценки.

Понятно, что человек должен быть обучен, то есть он должен иметь навыки4 в формировании образа движения. Сформированный и прогнозированный образ движения»сопоставляется с эталонным образом и на основе этого сопоставления в блоке 3 — блоке управления, вырабатывается и исполняется управление. Конечно, как и в 1 и 2 блоках для выработки и исполнения управления, человек должен быть обучен, то есть должен иметь навыки в управлении. Если известны математические модели блоков I и II, то при учете воздействий можно определить точность, управления, необходимого для достижения цели. Однако, если модель технической части системы человек-машина в определенной мере может быть описана адекватно, то описание модели человека-оператора до сих пор является проблематичным.

Современные методы описания динамики человека-оператора базируются в основном на использовании передаточной функции, которая, по определению, характеризует линейную динамику, хотя на самом деле человек-оператор является сложным нелинейным звеном с переменной структурой и с развитыми свойствами адаптации к воздействиям и прогнозирования результатов действия. Поэтому адекватное описание поведения человека-оператора в динамике представляет собой трудную задачу. К настоящему времени предложены пути ее решения в работах П. Мак Руера и Е. Крендела [35] для случаев, когда оператор осуществляет операцию слежения. Эти случаи соответствуют работе пилота с полуавтоматическими системами директорного (командного) управления и режимом стабилизации при ручном управлении. Структурная схема замкнутой системы управления самолетом представлена на рис. В.2.

ОД х(0 к, (') У(У км

1Ф-*

Рис. В.2.

Структурная схема замкнутой системы управления g(t) - входной сигнал системы, - выходной сигнал, — возмущающее воздействие

На этом рисунке Жчо(я) — передаточная функция человека-оператора, которая имеет следующий вид: чо (7> + 1)(7^ + 1) ХО)

В.1) где тп - время запаздывания, характеризующее формирование ответной реакции пилота на входной сигнал х(г); Т1 иТ2 — постоянные времени, характеризующие инерционность действий; Т/ — постоянная времени, характеризующая прогностическую способность, и ее величина зависит от опыта, тренированности, степени утомленности и т.п. пилота.

Значения параметров, входящих в (В.1), лежат обычно в следующих пределах:* тп=0,1-Ю,25с, Т) — определяющая интегрирующие свойства человека по экспериментальным данным) может достигать значений 10-ь20с, а постоянная времени Т2=0,1+0,2с отражает запаздывание двигательной (мышечной) системы человека. Наконец, постоянная времени дифференцирования Т/<7 характеризует способность человека реагировать на скорость входного сигнала. Величина коэффициента передачи пилота зависит от градиента отклонения управляемой величины на отклонение органа управления. Ориентировочные значения Кп могут лежать в диапазоне 10-100.

Структурная схема линейной модели человека представлена на рис. В.З. х(1) ь е " 1 1 ■ £ + 1 уа) „

-"—► р —р /', ■ 5 + 1 Т2 ■ 5 + 1 -►

Рис. В.З.

Структурная схема линейной модели человека-оператора

Передаточная функция летательного аппарата ¡¥ЛА (б) может быть представлена хотя бы в двух видах

ЛА (я) = —— - модель наиболее легкого для управления объекта и (В.2)

1 51

ЛА (¿0 =-^т— модель наиболее сложного для управления (В.З) объекта, так как при малейшем ослаблении внимания человека система может стать неустойчивой, здесь величины ^ могут принять значения от 0,5 до 1,5.

Самым простым режимом работы пилота является такой, когда отсутствуют интегрирование сигнала и дифференцирование, то есть, когда в формуле (В.1) Г/=Г/=0. При этом пилот реализует передаточную функцию усилительного звена с запаздыванием, а именно:

К е'1""

Гчо (*) = -?—. (В.4)

Необходимо учитывать способность человека-оператора изменять свои характеристики при управлении объектами с изменяющимися динамическими свойствами. Экспериментально установлено [35], что оператор осуществляет управление таким образом, чтобы в районе частоты среза передаточная функция разомкнутой системы, равная

1) К,

7> +1X7^ + 1) ¿(я-!/,)

В.5) могла быть приближенно аппроксимирована выражением

IV (я) = К 1,

В.6) где К=Кп -КЛА « (5-4-9)-. с

Как видно по логарифмическим амплитудной и фазовой характеристикам, приведенным на рис. В.4.

201§К со [рад/с]

-180° со [рад/с]

Рис. В.4. ЛАХ разомкнутой системы при этом обеспечивается достаточный запас устойчивости по фазе (р3=60-80

Естественно, что пределы адаптации пилота к самолету ограничены из-за нелинейности его динамических свойств. Это объясняется, в том числе, невозможностью получения значений т/>7 в формуле (В.1). Иными словами, пилот может управлять самолетом с достаточно хорошими динамическими и статическими свойствами управляемости. Улучшение этих свойств обычно достигается при помощи специальных автоматических устройств. Линейная непрерывная модель не учитывает способности человека-оператора осуществить управление при временном исчезновении входного сигнала, а также дискретного характера управления, который проявляется при слежении за более высокочастотными сигналами. В действительности работа оператора больше соответствует функционированию импульсной (дискретной) цепи, чем непрерывной. Исследования показывают, что человек-оператор при выполнении задачи управления производит выборку визуальной входной информации с интервалом дискретности То=0,3-Ю,5с и на основании восстановленного непрерывного сигнала вырабатывает управляющее воздействие. Структурная схема дискретной модели имеет вид, показанный на рис. В.5.

Оператор здесь представлен в виде импульсного элемента (ключа), замыкающегося с периодом Т0, так называемой схемы восстановления (экстраполяции) сигнала, осуществляющей преобразование импульсного сигнала в непрерывный, и линейной непрерывной модели, воспроизводящей чистое запаздывание и инерционность оператора (В.5). вход

Рис. В.5.

Структурная схема дискретной модели человека-оператора

Передаточная функция восстановления сигнала имеет вид

1-е

В-7) если экстраполятор нулевого порядка или

Щя) =-—-, (В.8) если экстраполятор первого порядка.

Соответственно, дискретная передаточная функция всей модели оператора для (В.7) имеет вид

В. 9)

Для передаточной функции (В.4) получим

КЛг)кЛь^м^], (ВЛ0) г{г-е /Тг) где с1 = е 2 ; т = —; г = е *т° и Ъ — ъ — преобразование. Т

1о

В пределе с уменьшением интервала дискретности дискретная модель будет стремиться к непрерывной модели

При управлении наземным движущимся объектом (например, автомобилем), появляются две ошибки: ошибка положения и ошибка в направлении движения. Структурная схема системы управления представлена на рис. В.6.

Аэродинамические

Рис. В.6.

Структурная схема системы управления автомобилем

Оказывается, что при управлении автомобилем [33] с принятой его динамикой ¡Уа(з), передаточная функция человека-оператора (водителя) по положению имеет вид:

РУч.о.п/я) = 0,57 при частоте среза сос= 0,9рад/с, а передаточная функция по направлению <рс имеет вид:

УУЧ 0Н (5) = 0,56 ■ е~0,4; га при частоте среза сос= 23 рад/с.

На рис. В.6: 5- угол поворота руля, а у/с — угол, характеризующий направление движения.

В заключение следует отметить, что математическое описание динамических свойств человека-оператора базируется на использовании передаточной функции (В.1), описывающей человека-оператора как линейную динамическую систему. На основании экспериментальных данных определение требований к динамическим характеристикам человека-оператора определяется из соотношения

1¥(х) = ]¥чо(8)1¥лл(8)=1 (В. 11) на частоте среза юс.

Как уже отмечалось, человек-оператор представляет собой нелинейную с переменными параметрами динамическую «систему», поэтому его описание рассмотренными выше способами вряд ли является адекватным. Кроме того, полученное описание характеризует лишь восприятие, обработку информации и выработку управления по информационным каналам, показанным на рис. В.1. Представляет интерес изучение динамических свойств человека-оператора как нелинейной системы с переменными параметрами, работающей в условиях вибрации. Здесь уже имеется другой канал восприятия физических воздействий на человека-оператора, также показанный на структурной схеме концептуальной модели системы человек-машина (рис. В.1).

Задачей исследования человека-оператора является адекватное описание в форме математических моделей динамики его поведения. Математическую модель человека-оператора можно получить лишь на основе использования экспериментальных данных, представив его структурно в виде «черного ящика» и, соответственно, изучив реакцию реального человека на то или иное тестовое воздействие.

Простейшим способом описания динамики может быть изучение реакции оператора на единичное воздействие. Следует отметить [33], что реакция человека на такое воздействие является различной не только по параметрам реакции, но и по ее структуре для различных моделей.

Виды реакции могут быть следующими (рис. В.7):

Рис. В.7.

Виды реакций на единичное воздействие

Из рисунка видно, что реакция человека на единичное воздействие может быть различной, и ее характер можно объяснить, с одной стороны, различными динамическими свойствами человека, с другой — возможностью его приспособиться или предугадать детерминированный характер воздействия. Например, на рис. В.7<1 человек, ожидая воздействия, «стартовал» раньше, чем появилось воздействие, то есть возникло опережение (-г). На рис. В.7Ь реакция такова, что ее трудно, описать решением линейного дифференциального уравнения или передаточной функцией линейного звена. Лишь реакция на рис. В.7а может быть описана с помощью передаточной функции линейного колебательного звена с чистым- запаздыванием е"ят. Исследование реакции человека на периодический сигнал показывает, что при начальном отставании по фазе от входного сигнала он быстро приспосабливается и практически ликвидирует это отставание, конечно, если частота не слишком велика. Поэтому, учитывая также, что динамические характеристики человека нелинейные и являются переменными по времени, целесообразно применять методы, дающие возможность получить более адекватные описания. Кроме того, представляет значительный интерес исследование влияния вибрации на восприятие информации человеком, принятие решения, выработку и исполнение управления. В связи с этим целесообразно рассмотреть различные подходы (методы), позволяющие в достаточной мере адекватно описывать динамические характеристики человека-оператора.

Рассматривается метод экспериментального исследования линейной динамической системы с переменными во времени параметрами. Особое применение находит этот метод при исследовании передаточной функции человека-оператора, управляющего объектом в процессе его приспособления к изменениям условий окружающей среды. Одним из проявлений этих условий может быть достаточно длительное воздействие вибрации. Действительно, многочисленные производственные операции, так же как и различные средства передвижения (по земле, воде и воздуху) требуют непрерывной настройки или управления со стороны человека. Хотя в некоторых системах и лучше иметь полностью автоматическое управление, но возможно и такое положение; когда требуется присутствие человека-оператора, так как он может приспосабливать управление к изменению условий, в которых работает система. При разработке таких систем, управляемых человеком, необходимо охарактеризовать элемент человеческого участия в ней. каким-либо уравнением динамики, связывающим визуальные стимулы оператора (например, смещение выброса на экране дисплея с его реакцией; поворот штурвала на некоторый угол).

Удобно получить описание динамики, человека-оператора с помощью передаточной функции.

П. Мак Руэр и Е. Крэндэл [35] провели критический обзор литературы, посвященной экспериментальному исследованию передаточной функции оператора. Показано; что- для описания динамики человека-оператора часто используется «квазилинейная, модель с постоянными параметрами». Однако, такая модель неадекватно описывает действия оператора в случае, когда он изменяет свою передаточную функцию во времени, чтобы лучше управлять системой. Такая модель так же неадекватно описывает изменения в передаточной функции, вызванные «усталостью», свойственной' человеку-оператору, в том числе и при воздействии вибраций.

Теперь рассмотрим, каким образом можно определить передаточную функцию человека на основе экспериментальных данных, если его динамические свойства изменяются во времени. Исследование передаточных функций человека-оператора, как было показано выше, не может быть основано на опытах с отдельным синусоидальным колебанием или с другими входными сигналами, так как оператор быстро приспосабливается к детерминированному сигналу, предсказывая его дальнейшие значения. В [10] показано, что реакция человека на сумму синусоид существенно отличается от суперпозиции его реакций на отдельные синусоидальные сигналы.

Для исследований целесообразно использовать установку, блок-схема которой приведена на рис. В.8.

Внешнее изменение спектра эталонного входного сигнала

Внешнее изменение характера задачи "Сигна/гсмешениятзчка/лг~! згрхне стилшуафа

С(Л

1хран есиилло- Рычаг гдвта улргШнив . а©

ЗЕ

Ш>

Сигнал смещения линии на экране

Рис. В.8.

Блок-схема установки для исследования динамики человека- оператора

На блок-схеме экспериментальной установки показано (рис.В.8), что возмущающим воздействием (эталонным сигналом) может быть сумма синусоид с некратными частотами. Входным сигналом для* элемента системы (человека-оператора) служат в одном случае сигнал ошибки, преобразованный в горизонтальное смещение вертикальной линии (рис. В.9а) на экране осциллографа (дисплея) относительно точки на этом же экране.

Рис. В.9.

Задача компенсации (а) и задача преследования (б)

В другом, - эталонный входной сигнал и выходной сигнал системы, преобразованные в горизонтальное смещение точки х(г) и линии соответственно (случай преследования) является входным сигналом для человека-оператора (рис. В.96). Реакции оператора соответствовали ручному перемещению рычага управления 1 на рис. В.8, которое преобразуется в электрический сигнал. Моделирование процесса и все вычислительные операции должны проводиться с помощью вычислительной машины. Это первый способ.

Теперь рассмотрим определение частотных характеристик, изменяющихся во времени. Схема вычислительного устройства для определения таких характеристик имеет вид, показанный на рис. В. 10.

Шеридан Т.Б. и Феррелл В.Р. [33] предложили определять передаточную функцию человека-оператора на основе экспериментальных данных, если его динамические свойства изменяются во времени. Исследование передаточных функций человека-оператора не может быть основано на исследовании систем отдельными синусоидальными колебаниями или другими детерминированными входными сигналами, так как он быстро приспосабливается к таким сигналам, предсказывая их дальнейшие значения. В [33] показано, что реакция человека на сумму синусоид существенно отличается от суперпозиции его реакций на отдельные синусоидальные сигналы. На дисплее стенда отображалась сумма синусоид, которая предъявлялась человеку-оператору. Результат отслеживания оператором этого суммарного сигнала обрабатывался с помощью вычислительного устройства, структурная схема которого приведена на рис. В.10.

Рис. В. 10.

Блок-схема вычислительного устройства для непрерывного измерения действительной и мнимой частей передаточной функции

Для определения изменяющихся во времени передаточных функций неизвестной системы (понимается под системой человек, работающий на установке на некоторой частоте ¿у, выходной сигнал порознь умножается на синусоиды, синфазную с /-компонентом входного сигнала представляющего собой сумму синусоид (здесь взяты 5 синусоид) и на косинусоиду, сдвинутую по фазе на тс/2 относительно этого компонента. Для примера рассмотрим вычисление амплитуды и фазы на частоте С0[.

В этом случае произведения Л/^иУ/^ имеют вид: , „ 2зтал , ч 2зтсоЛ

ЗД) =-7-^ЯО =-—1-X

А А N 1 ^^ сое <рх (0 - ^^ СОБ [2© + <рх (01 + (В .12)

А а, 5 (Л

2 А

N д и\

- 2 соек®, +©,)/ + (0] •

1=2 А г,. 2соз(ол , ч 2созю/. . г,

СО =-Г^У(0 =-(ОяшК©,? + =

А А 1=1 г)]-уМ)81П[(й,1й,), (в.13) А А А лг 5 (Л

- <Р, (01 + + О, > + <Р, (/)]•

1=2 А

Чтобы определить амплитуду и фазу на всех частотах, присутствующих во входном сигнале (в нашем случае N=5), необходимо произвести 2И операций умножения.

Когда входной сигнал состоит из N синусоидальных компонентов, в выражениях (В. 12) и (В. 13) содержится N членов с суммарной частотой (сО]+со^) и N членов с частотами (согбо¡). Если параметры системы не изменяются со

ВЛ 0 временем, то член —-—в уравнении (В. 12) и соответственно, член А в (?)

-вт^) в уравнении (В. 13) постоянны. Если же происходит медленное по А отношению к изменению входного сигнала х(0 и выходного сигнала изменение параметров системы (динамических свойств человека-оператора), эти члены будут характеризоваться более низкой частотой, чем остальные 214-1 членов каждого уравнения. Обозначим их следующим образом: в, (О

В.14)

В, (О

Ли =—7—8111 (0 , А причем в приведенных формулах (В. 12) и (В. 13) 1=1.

Интересующая нас информация как раз и содержится в первых членах уравнений (В. 12) и (В. 13), так как является мгновенным значением действительной части вектора частотной характеристики на частоте ¿У;, 3т1 — мнимой частью. Естественно, непрерывное определение действительной и мнимой частей вектора эквивалентно непрерывному определению амплитуды и фазы на частоте со1.

Это обстоятельство иллюстрируется на рис. В.11. т в2{ о д созр2(0

СО8^(0=Кт1(г) т ып<р2(0

Определение коэффициента усиления-и фазового сдвига по А действительному и мнимому компонентам

Таким образом, при наличии тестового воздействия в виде суммы синусоид, используя схему синхронного детектирования, можно по экспериментальным данным построить вектор частотной характеристики

0'(о) = ^-(со5бЛ + ]8тбЛ) (В.15) А

Фактически, для описания динамики человека-оператора будем иметь следующий вектор частотной характеристики (рис. В. 12).

Рис. В.12.

Вектор частотной характеристики человека-оператора для различных моментов времени (мгновенных значений Хи . -Л)

Для того, чтобы получить вектор частотной характеристики, необходимо устранить влияние N-1 компонентов (обозначим их через Я51(!) и З^), соответственно в формулах (В. 12) и (В. 13). Для этого в блок-схеме (рис. В. 10) предусмотрен фильтр низких частот. Его параметры можно определить из следующих соображений. В связи с этим возвратимся к формулам (В. 12) и (В. 13) и построим график спектрального состава для /К\/, как это показано на рис. В. 13.

Рис. В.13.

Влияние фильтра на различные компоненты

Из рисунка видно, что действие составляющих выходного сигнала после первого фильтра на разностных, удвоенной частоте 2а>1 и суммарных частотах в значительной мере ослаблено. Так, для минимальной частоты входного сигнала со 1=0,1 Гц из условий компромисса выбран фильтр низкой частоты с передаточной функцией

Естественно, при других частотах составляющих входной сигнал, постоянные времени фильтра низких частот должны иметь иные значения.

Таким образом, при длительном наблюдении входного сигнала x(t) на экране и при непрерывном измерении Rt и Jt для различных частот cot можно получить передаточную функцию человека-оператора как функцию времени, а именно:

ВЛ6)

Передаточную функцию (В. 16) можно получить путем аппроксимации вектор-функции W(jco) для каждого текущего момента времени. Такой способ описания может быть удобен в случае длительного воздействия на человека-оператора вибрациии других внешних возмущений.

В отечественной практике исследование деятельности человека-оператора при управлении различного рода динамическими объектами получены также значительные результаты. Важно отметить работы JliH. Преснухина по описанию операторской деятельности при управлении артиллерийским зенитным огнем, работы С.М. Федорова по автоматизированному управлению самолетами и вертолетами [31], работы Г.Г. Берегового, А.И. Яковлева, В.М. Васильца, A.B. Тумакова, Э.Д. Суханова, посвященным моделированию систем полуавтоматического управления космического корабля [2]. Естественно, результаты исследований динамических свойств человека-оператора должны учитываться- при создании учебно-тренировочных комплексов, разработке методик обучения и оценке итогов« обучения. Здесь следует отметить работы A.B. Пономаренко, В.М. Васильца, В.В. Михайлова, А.И. Наумова, Ю.Г. Оболенского, О.Б. Пащенко, В.М. Холтобина, посвященных научно-методическому и инженерно-психологическому обоснованию структуры и обучающих характеристик интеллектуального интерактивного учебно-тренировочного» комплекса [11]. Представляет интерес структурная схема действия человека-оператора летчика) в задаче позиционирования рычага управления, приведенная в монографии Ю.Г. Оболенского [10].

Работа по исследованию динамики систем человек-машина проводились также В.И. Капалиным, С.Н. Музыкиным, Г.Г. Себряковым, A.C. Ющенко и другимиучеными.

Тем не менее, результаты исследований динамических свойств человека-оператора [33] и [35] показывают, что при больших уровнях возбуждения как по информационному каналу, так и по каналу восприятия вибраций проявляются его нелинейные свойства.

Поэтому в данной работе рассмотрим другой подход к определению динамических свойств человека-оператора, основанный на предположении, что он (как звено системы) является нелинейным.

Этот подход основан на применении в качестве математической модели динамики человека оператора ряда1 из ортогональных G-функционалов Винера [3], предложен и разработан К.А. Пупковым [36].

Отличием данного подхода от всех известных способов описания динамики систем «человек-машина» является то, что при экспериментальном исследовании человеку-оператору предъявляется тест-реализация белого гауссова процесса, который по определению обладает полнотой.

Совместная обработка входного сигнала и< сигнала реакции человека-оператора на основе многомерной взаимной корреляции позволяет определить ядра G-функционалов Винера, которые и представляют собой его динамические характеристики, причем ядро первого порядка описывает линейные динамический свойства человека-оператора как нелинейной системы.

В связи1 с этим целью данной работы является дальнейшая разработка метода исследования динамических свойств человека-оператора как нелинейной системы, оценка точности и сходимости ряда Винера и рассмотрение регуляризованных алгоритмов определения ядер рядов Винера.

На основе идентифицированных моделей человека-оператора провести исследования области устойчивости и дать оценку качества процессов управления динамическими объектами различного типа и определить предельные значения параметров динамической характеристики человека-оператора при управлении этими объектами, дать оценку влияния вибрации на эффективность управления объектом при одновременном получении человеком-оператором сведений по информационному каналу восприятия.

Кроме того в работе будет рассмотрена проблема обучения и адаптации человека-оператора в человеко-машинных системах и даны рекомендации по созданию динамического стенда, позволяющего оценивать динамические свойства человека-оператора.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Устюжанин, Александр Дмитриевич

5.3. Выводы к главе 5

1. Создан исследовательский стенд, позволяющий осуществить динамическую идентификацию и оценку характеристик человека-оператора по экспериментальным данным.

2. Разработана методика, позволяющая оценивать степень обученности человека-оператора по вероятности успешной работы при выполнении заданий на тренажерах.

1. Разработана концептуальная модель системы «человек-машина», описывающая восприятие человеком-оператором сведений по информационному каналу и учитывающую воздействие на него вибрации, что соответствует реальным условиям его работы.

2. Рассмотрен и исследован метод Винера непараметрической идентификации нелинейных динамических систем. Дана обобщенная теория построения ортогональных функционалов ряда Винера, исследована сходимость ряда, дана оценка точности. Получены регуляризованные алгоритмы определения ядер Винера.

3. Разработана методика определения ядер Винера для человека-оператора по экспериментальным данным. Показано, что ядра первого порядка определяют линейные динамические свойства человека-оператора.

4. Для класса объектов управления определены требования к параметрам передаточной функции человека-оператора, при которых обеспечивается устойчивость системы «человек-машина» и желаемое качество системы.

5. Впервые получена передаточная функция человека-оператора по вибрации, причем резонансный пик на частоте 4Гц характеризует динамику тела человека, как вязкоупругой механической системы, а на частоте 16Гц — резонансные свойства его позвоночника.

6. Разработана схема стенда для исследования динамических свойств человека-оператора при воздействии вибрации, включая имитатор сигнала по информационному каналу и имитатор воздействия вибровозбудителя.

7. Получены соотношения, позволяющие оценить погрешность работы оператора по информационному каналу и оценить также влияние вибрации на эффективность его работы. Показано, что вес ошибки системы при одинаковом уровне .спектральной плотности воздействий по вибрации и по информационному каналу восприятия сведений выше из-за воздействия вибрации.

8. Исследована проблема оптимизации взаимосвязи человека и техники в человеко-машинных системах. На основе теории оптимальной фильтрации решена задача определения желаемых динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа.

9. Разработана методика, позволяющая оценивать степень обученности человека-оператора по вероятности успешной работы при выполнении заданий на тренажерах.

10. Создан исследовательский стенд, позволяющий осуществлять динамическую идентификацию и оценку характеристик человека-оператора по экспериментальным данным.

Полученные в работе результаты теоретических исследований динамики систем человек-машина, реализация стенда проведения динамической идентификации и оценки характеристик человека-оператора позволяют:

• Оценивать на основе экспериментальных данных динамические характеристики человека-оператора.

• Формировать требования к параметрам динамических характеристик человека-оператора, при которых обеспечивается устойчивая работа системы «человек-машина».

• Оценивать эффективность работы человека-оператора в системе «человек-машина» при воздействии вибрации и при одновременном получении информации по зрительному каналу.

• Синтезировать желаемые динамические характеристики человека-оператора, обеспечивающие минимум среднего квадрата ошибки, заданные коэффициенты ошибок воспроизведения регулярного сигнала и время переходного процесса в системе «человек-машина».

• Разработать техническое задание и исходные данные для проектирования опытного образца исследовательского стенда широкого применения, обеспечивающего получение динамических характеристик человека-оператора и моделирование процессов в системе «человек-машина».