Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Идентификация и моделирование систем человек-машина 26
1.1. Задача идентификации и понятие «черного ящика» 29
1.2. Идентификация нелинейных систем методом Винера 34
1.3. Оценка точности и сходимость ряда Винера 44
1.4. Регуляризированные алгоритмы определения ядер Винера 50
1.5. Выводы к главе 1 59
Глава 2. Моделирование и идентификация динамики человека-оператора в следящих системах «человек-машина» 60
2.1. Постановка задачи слежения. Типы дисплеев и органов управления 60
2.2. Описание динамических свойств человека-оператора с помощью ряда из функционалов Винера 69
2.3. Исследование влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество работы системы человек-машина 79
2.4. Выводы к главе 2 91
Глава 3. Воздействие вибрации, ее влияние на динамические свойства человека-оператора и эффективность его деятельности 93
3.1. Способы измерения влияния вибрации на человека-оператора 94
3.3. Выводы к главе 3 111
Глава 4. Оптимизация взаимосвязи человека и техники в системах «человек-машина» 112
4.1. Синтез оптимальных систем «человек-машина» 113
4.2. Интегральное уравнение, определяющее условие минимума среднего значения квадрата ошибки и определение структуры и параметров передаточной функции человека-оператора 119
4.3. Практическое решение задачи 123
4.4. Выводы к главе 4 127
Глава 5. Стенд для исследования и оценки динамических свойств человека-оператора, работающего в составе системы «человек-машина» 128
5.1. Структура и состав стенда 129
5.2. Обучение и оценка обученности человека-оператора 137
5.3. Выводы к главе 5 144
Выводы к диссертации 145
Заключение 147
Приложение. Результаты исследования динамических особенностей человеко-машинных систем 148
Литература 154
- Задача идентификации и понятие «черного ящика»
- Постановка задачи слежения. Типы дисплеев и органов управления
- Способы измерения влияния вибрации на человека-оператора
- Интегральное уравнение, определяющее условие минимума среднего значения квадрата ошибки и определение структуры и параметров передаточной функции человека-оператора
Введение к работе
Актуальность темы. Сложность объектов управления непрерывно растет. Это связано с тем, что цели, которые ставятся перед этими объектами, являются более многогранными и должны достигаться при различных, порой экстремальных воздействиях окружающей среды. В огромном числе случаев в управлении объектами участвует человек. Будем называть его «человек-оператор». События последних лет показывают, что для эффективного действия объектов в этих случаях необходимо уделять особое внимание изучению динамических свойств человека-оператора, обучению и адаптации его к воздействию окружающей среды для достижения цели, поставленной перед системой «человек-машина».
Часть функций управления в современных системах берет на «себя» компьютер, однако, это не исключает человека из решения задачи управления, а освобождает его для решения самых сложных проблем, неподдающихся автоматизации. Поэтому задачи исследования динамики человека-оператора в человеко-машинных системах, его обучение и адаптация не упрощаются, а наоборот, становятся более сложными. В связи с этим разработка методов динамической идентификации характеристик человека-оператора и оценки его состояния с целью определения допустимых параметров при управлении объектами различного типа, разработка методов синтеза желаемых характеристик человека-оператора, методов оценки степени его обученности, обеспечивающей достижение цели, поставленной перед системой человек-машина, является весьма актуальной. Кроме того, важно уметь оценивать влияние внешних воздействий на эффективность работы человека-оператора, таких как вибрация. Важное значение имеет также разработка и создание инструментальных средств и программного обеспечения, позволяющих реализовать указанные методы.
Именно рассмотрению указанных задач посвящена данная диссертация. Интерес к исследованию динамических характеристик человека-оператора существует с давних пор:
В отечественной практике определенные результаты получены в работах
Л.Н. Преснухина по описанию операторской деятельности при управлении
артиллерийским зенитным огнем, СМ. Фёдорова по автоматизированному
управлению самолетами и вертолетами,
Г.Г. Берегового, А.И. Яковлева, В.М. Васильца, А.В. Туманова, Э.Д. Суханова, посвященных моделированию систем полуавтоматического управления космических кораблей и других авторов.
К результатам, полученным зарубежными авторами, следует отнести работы П.Т. Мак-Руэра, Е.С. Крендела, Т.Б. Шеридана, В.Р. Феррела и других авторов. Следует заметить, что во всех этих исследованиях человек-оператор рассматривался как линейное динамическое звено системы «человек-машина», параметры которого определялись экспериментально на отдельных конкретных
системах. Лишь передаточная функция с переменными параметрами человека-
оператора была получена
Т.Б. Шериданом на специальном стенде.
Тем не менее, результаты исследований динамических свойств человека-оператора показывают, что при больших уровнях возбуждения как по информационному каналу, так и по каналу восприятия вибрации проявляются его нелинейные свойства. Поэтому в данной работе рассмотрен другой подход к исследованию динамических свойств человека-оператора как нелинейного звена системы «человек-машина». Он основан на применении в качестве математической модели динамики человека-оператора ряда из ортогональных G-функционалов Винера. Этот подход предложен и разработан К.А. Пупковым. Именно на применении такого подхода развивалось исследование в данной работе.
К числу других работ, посвященных исследованию динамики человека-оператора и систем «человек-машина» следует отнести работы В.И. Капалина, С.Н. Музыкина, Г.Г. Себрякова, А.С. Ющенко, проблемам создания учебно-тренировочных комплексов и разработке методик обучения посвящены результаты А.В. Пономаренко, В.М. Васильца, В.В. Михайлова, А.И. Наумова, Ю.Г. Оболенского, О.А. Пащенко, В.М. Холтобина, дающие научно-методическое и инженерно-психологическое обоснование структуры и обучающих характеристик интеллектуального интерактивного учебно-тренировочного комплекса.
Целью работы является создание теоретических основ динамической идентификации характеристик человека-оператора и методов, позволяющих определить предельные значения параметров этих характеристик для обеспечения устойчивости и желаемого качества систем «человек-машина» при управлении объектами различного типа.
Задачами работы являются:
Анализ и обобщение методов идентификации линейных и нелинейных систем на основе функционального ряда Винера при статистических воздействиях.
Разработка регуляризованных алгоритмов определения ядер G-функционалов Винера.
Разработка методики определения ядер G-функционалов Винера человека-оператора по экспериментальным данным.
Исследование влияния параметров передаточной функции человека-оператора на устойчивость и качество работы системы «человек-машина» при управлении объектами различного типа.
Исследование влияния вибрации на динамические свойства и эффективность деятельности человека-оператора.
Оптимизация взаимодействия человека и техники в системах «человек-машина».
Разработка методики оценки степени обученности человека-оператора.
Создание макета стенда для динамической идентификации и оценки состояния человека-оператора.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Получены регуляризованные алгоритмы определения ядер G-функционалов Винера по экспериментальным данным.
Решена задача определения предельных значений параметров динамических характеристик человека-оператора, обеспечивающих устойчивость и желаемое качество при управлении объектами различного типа в системах «человек-машина».
Получена амплитудно-частотная характеристика человека-оператора по отношению к вибрации и, соответственно, передаточная функция.
Разработана методика оценки эффективности работы человека-оператора при одновременном получении сведений по информационному каналу и воздействии вибрации. Показано, что при одинаковых уровнях спектральной плотности воздействия по информационному каналу и по вибрации средний квадрат отклонения регулируемой величины по вибрации выше, чем средний квадрат ошибки слежения.
Разработана методика синтеза желаемой передаточной функции человека-оператора в системе человек-машина при заданном времени переходного процесса, коэффициентах ошибки воспроизведения регулярного сигнала и спектральных плотностей полезного сигнала и помех.
Разработана методика оценки степени обученности человека-оператора.
актическая ценность работы.
Результаты работы позволяют:
Осуществлять динамическую идентификацию и оценивание состояния человека-оператора в человеко-машинных системах;
Судить о готовности работы человека-оператора для реализации управления тем или иным динамическим объектом;
Синтезировать желаемые динамические характеристики человека-оператора при сложных воздействиях окружающей среды на систему «человек-машина»;
Оценивать степень обученности человека-оператора;
Разработать техническое задание на проектирование образца стенда динамической идентификации и моделирования систем «человек-машина».
Внедрение результатов.
Результаты работы использованы в курсе «Моделирование и испытание
систем автоматического управления», будут использованы при проектировании
систем управления летательных аппаратов МКБ им.
А.И. Микояна, П.О. Сухого и другими организациями. А также при оценке степени обученности при подготовке летного состава на тренажерах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод динамической идентификации и оценивания состояния человека-оператора в системах «человек-машина».
Решение задачи определения предельных значений динамических характеристик человека-оператора при управлении объектами различного типа.
Результаты исследования влияния вибрации и определение амплитудно-частотной характеристики и передаточной функции человека-оператора по отношению к вибрации.
Результаты исследования совместного воздействия на человека-оператора по информационному каналу и по вибрации на точность работы системы «человек-машина».
Метод оценки степени обученности человека-оператора по результатам испытаний.
Стенд для испытаний деятельности человека-оператора и математического моделирования систем «человек-машина».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались:
V Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Калуга, 2002г.
VI Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Саратов, 2004г.
European Conference for Aerospace Sciences, г.Москва, 2005г.
VII Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Краснодар, 2006г.
VIII Международный симпозиум «Интеллектуальные системы», г. Нижний Новгород, 2008г.
XXVIII-XXXIV Академические чтения по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики», г. Москва, 2004-2010гг.
VI Международная конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI век», г. Воронеж, 2005г.
VII Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008», г. Москва, 2008г.
«Инженерные системы - 2010», г. Москва, 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, среди них 6 научных статей в изданиях, включенных в список ВАК и 13 публикаций в научных трудах и материалах международных и всероссийских конференции, симпозиумов и чтений; научно-исследовательские отчеты:
По проекту «Комплексирование робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления в интеллектуальных системах высокой точности и надежности» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», Гос. Per. темы №01200611718, отчет №02200606722 и др.
По проекту «Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора в человеко-машинных системах» Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 07-08-00262, 2008г., Гос. Регистрация темы № 01200802509, отчет №02200801715.
Задача идентификации и понятие «черного ящика»
Основной идеей, выдвинутой Н.Винером в его книге «Кибернетика», как известно, была идея о том, что биологические организмы функционируют на основе принципа отрицательной обратной связи точно также, как функционируют системы автоматического управления, теория которых к моменту выхода книги была уже хорошо сформировавшейся наукой. Определив термин «кибернетика» как «науку об управлении и связи в живых организмах и машинах», Н.Винер предложил единую основу для изучения широкого класса систем, к которому относятся, в частности, системы «человек-машина», являющиеся предметом исследования данной диссертации. Здесь рассмотрена теория идентификации и моделирования одного из видов таких систем - следящих систем «человек-машина».
Задачей человека-оператора, входящего в состав системы слежения, является как можно более точное воспроизведение на выходе объекта управления изменяющихся во времени координат цели, то есть входного сигнала системы. К следящим системам «человек-машина» относятся-системы ручного или полуавтоматического управления движущимися-объектами (космический корабль, самолет, судно, автомобиль). Кромеэтого, задачи слежения характерны для некоторых видов медицинских исследований, направленных на изучение моторных реакций человека и того влияния, которое оказывают на них различного вида факторы (тренировка, стресс, усталость, наркотики).
Присутствие человека-оператора в системах слежения порождает проблему инженерного изучения ее свойств. G одной стороны, человек-оператор является ценным элементом системы из-за своих адаптационных способностей при неожиданных ситуациях, умения выполнять несколько задач одновременно и тонкости органов восприятия. Однако, такие свойства как усталость, медленность реакции, необходимость создания специальных условий для поддержания нормального биологического существования, делают человека-оператора нежелательным элементом системы. Автопилоты летательных аппаратов и авторулевые морских судов, получившие широкое распространение, освобождают человека от тяжелой и рутинной работы ручного управления. Однако усложнение техники ставит вопрос о предельных возможностях управления для человека-оператора и о наилучшем сочетании человека и техники в системе «человек-машина». Как уже отмечалось выше, Н.Винер, изучая механизмы выполнения человеком двигательных актов, пришел к выводу, что как и автоматические следящие системы, системы слежения «человек-машина» являются системами с отрицательными обратными связями. Поэтому выбор в качестве математического аппарата для изучения следящих систем «человек-машина» теории автоматического управления явился вполне естественным. Применение такого подхода, однако, требует большой осторожности и подтверждения выдвигаемых гипотез экспериментальными данными. Человека-оператора нельзя рассматривать только как звено автоматического управления — линейное или нелинейное. Математическая модель эргатической следящей системы человек-машина, полученная методами теории систем автоматического управления для заданных условий эксперимента, может оказаться неадекватной количественно и качественно в других условиях эксперимента. Каждая конкретная модель оказывается соотнесенной вполне определенному набору ситуаций в операторской деятельности человека и не применимой в других ситуациях. Как следствие этого, является невозможность разомкнуть петлю обратной связи, выделить из эргатической системы «человеческое звено» само по себе и дать для него адекватное математическое описание независимо от технической части системы. Указанное обстоятельство сделало невозможным прямой перенос методов анализа и синтеза автоматических следящих систем на класс следящих систем «человек-машина» и стимулировало появление значительного числа исследований по проблеме, исследующих ее с различных сторон. Настоящая диссертация, точнее, ее вторая глава, трактует эту проблему только с позиции теории управления и не затрагивает возникающие при исследовании систем слежения проблемы инженерной психологии и эргономики. Рассматриваемые здесь модели не предназначены также и для исследования сложных сенсомоторных процессов человеческого организма, хотя такое их применение априори не исключено.
Применение математических методов для исследования и проектирования систем «человек-машина» требует, прежде всего, разработки методов построения математических моделей человека-оператора или всей системы «человек-машина», то есть методов идентификации. Этой проблеме посвящена первая глава диссертации. Ее особенностью является ориентация на непараметрические методы идентификации и их связь с методами решения некорректных задач.
Под идентификацией понимают построение математических объектов по их реакциям на заданные воздействия. Первоначально проблема идентификации возникла в теории систем автоматического управления [3]. В самом деле, управлять можно только таким объектом управления, поведение которого можно предсказать с помощью некоторой математической модели, то есть который можно идентифицировать.
Постановка задачи слежения. Типы дисплеев и органов управления
.Человек-оператор в режиме слежения выполняет функции детерминированного устройства автоматического управления и потому идентификация, анализ и синтез указанных систем можно проводить с использованием соответствующих методов теории управления.
Человек неодинаково реагирует на одно и то же воздействие в условиях одного и того же эксперимента и потому детерминированная модель оператора характеризует деятельность человека для данной задачи только «в среднем». Человек-оператор меняет свое поведение в зависимости от условий решаемой задачи, то есть в зависимости от характера окружающей среды, внутренней мотивировки (интерес к задаче), степени обученности, вида объекта управления и характера входного сигнала. Поэтому параметры и даже структура его математической модели меняется в зависимости от условий задачи. Если оператор не обучен или не заинтересован, или требования к нему превышают его нейрофизиологические возможности, то наблюдается срыв слежения и детерминированная связь воздействий и реакций нарушается. В этих случаях детерминированная модель не применима. В визуальных дисплеях наиболее изученном типе дисплеев информация о положении цели представляется либо в образной форме, то есть как изображение цели на экране дисплея, либо в символической, абстрактной форме — индикаторов (меткой, курсором). Вне зависимости от формы представления информации различают два основных типа визуальных дисплеев - компенсаторный и преследовательный и, соответственно, компенсаторное или преследовательное слежение. При компенсаторном слежении оператор имеет информацию только о рассогласовании сигналов х и у. Экран одномерного компенсаторного дисплея схематически показан на рис. 2.2. В задачу оператора, работающего с таким дисплеем, входит сведение к нулю ошибки рассогласования е=х-у, то есть совмещение, с помощью управления системой, движущейся по вертикали точки (метки) с неподвижным кружком (визиром) в центре дисплея. При слежении с преследованием оператор имеет информацию о текущих значениях обоих сигналов х и у. Одномерный дисплей этого типа схематически показан на рис. 2.3. Точка (метка), означающая положение цели, и кружок (визир), обозначающий положение оператора, движутся по вертикали, задача оператора состоит в их совмещении. Ошибка слежения для задачи преследования, ввиду наличия дополнительной информации о сигналах х и у, обычно меньше, чем в задаче компенсации. Исключение составляют случаи, когда входной сигнал является существенно низкочастотным (не содержит частот выше 0,1 Гц), а объект управления «легко управляем» (как интегрирующее звено [35]). В этих простых случаях информация о сигналах х и у оказывается мешающей. Основной недостаток преследовательных дисплеев — их размеры. На экране компенсаторного дисплея ошибка слежения представляется независимо от сигналов х и у и может быть показана в увеличенном масштабе. На экране же преследовательного дисплея сигналы х , у и ошибка е представляются в одинаковом масштабе и для увеличения точности представления ошибки требуется увеличение размеров экрана. Развитием простых компенсаторных и преследовательных дисплеев являются дисплеи с прогнозированием, позволяющие оператору осуществлять слежение с предвидением. При слежении с предвидением (прекогнитивном слежении) оператор помимо информации о текущих значениях сигналов х , у, имеет также информацию о будущих значениях входного сигнала х. Использование этой информации позволяет снизить ошибку слежения. Значения входного сигнала могут прогнозироваться с помощью винеровской теории экстраполяции. В экспериментах с дисплеями этого типа было показано, что далекое будущее входных сигналов операторами при решении задачи слежения во внимание не принимается. Другой тип прогнозирования - это прогнозирование будущих значений выходного сигнала с помощью быстрого решения уравнений динамики объекта управления. При этом используется информация о текущем выходном сигнале системы, его производных и предполагаемых значениях сигнала управления. Этот тип прогнозирующих дисплеев оказался весьма эффективным в задачах управления объектами с высокой инерционностью при низкочастотных входных сигналах. Возможно также объединение обоих типов прогноза - входного и выходного сигналов в одном дисплее. Наконец, возможный четвертый тип слежения — с предсказанием (регенеративное) - представляет собой слежение с предвидением при дополнительном условии, что оператор производит отслеживание сигналов ритмического типа. В этом случае он по прошлым значениям сигнала полностью экстраполирует его будущее. Человек-оператор работает при этом как генератор ритмических сигналов и следит только за тем, чтобы генерируемые сигналы попадали в такт со входными. К этому случаю относится задача отслеживания периодических воздействий после осознания оператором типа входного сигнала. Среди разработанных типов дисплеев наиболее совершенными являются контактно-аналоговые дисплеи, которые дают человеку-оператору полное (контактное) представление об окружающей обстановке, а также количественную информацию об аналоговой форме текущих и будущих значений существенных переменных задачи. .
Способы измерения влияния вибрации на человека-оператора
В большинстве случаев человеку приходится длительное время испытывать воздействия вибрации (человек-оператор, пассажир транспортного средства и др.). Как правило, вибрация оказывает вредное влияние на человека. Уменьшению интенсивности вибрационного воздействия на человека способствует снижение виброактивности источника вибрации, применение систем виброизоляции и регламентирование допустимых уровней вибрации на рабочем месте оператора. Для расчета систем виброзащиты человека используются данные о механических свойствах и частотных характеристиках тела человека [32]. Не отрицая важности сказанного, здесь будет рассмотрено каким образом можно оценить воздействие вибрации на динамические свойства человека-оператора и на эффективность его деятельности при получении сведений по информационным каналам, выработку и исполнение управления тем или иным объектом или процессом [20].
Концептуальная модель системы «человек-машина», где показано воздействие вибрации на человека-оператора приведена на рис. 3.1. Из литературы [32] известно, что проведены обширные исследования по оценке влияния вибрации на тело человека-оператора. Показано, что при малых колебаниях и достаточно малых частотах возбуждения (до 100 гц) тело человека можно рассматривать как линейную вязкоупругую механическую систему. Тогда динамические свойства тела человека можно описать с помощью частотных характеристик: передаточной функции G(jco), как отношение преобразования Фурье вынужденных колебаний точки наблюдения на теле человека к преобразованию Фурье источника возбуждения вибрации; входного механического импеданса Z(jco) для описания связи между силой, передаваемой телу и виброскоростью точки приложения силы, то есть отношения преобразования Фурье силы и преобразования Фурье процесса изменения силы. Приведенный в [32] обширный материал по определению передаточной функции и импеданса тела человека для различных его поз не позволяет, однако, оценить работоспособность и эффективность выполнения работы человеком-оператором.
Представляет интерес в этом смысле исследование влияния вибрации на выполнение двухкоординатной задачи слежения за точечной целью. Показано, что при отсутствии вибрационного воздействия распределение ошибок оператора близко к нормальному закону. С увеличением уровня вибрации дисперсия ошибок оператора возрастает, а характер распределения становится бимодальным, что обусловлено появлением регулярной составляющей (периодической) в функции ошибки слежения, частота которой совпадает с основной частотой вибрационного воздействия.
Результаты проведенных исследований получены, когда вибрационные воздействия задавались в виде последовательности синусоидальных сигналов, либо случайного сигнала с определенной полосой частот, которые представляли собой некоторый тест. Однако, судить о полноте этого теста для «диагностирования» динамики тела человека весьма сложно, а использование результатов для оценки эффективности работы человека-оператора — невозможно. Здесь на основе использования методов исследования динамики человека-оператора, приведенных в главе 2, рассмотрим решение двух задач: определение динамических характеристик человека-оператора при восприятии им сведений по информационному каналу и при одновременном воздействии вибрации; определение динамических свойств человека-оператора при воздействии на него вибрации и оценка степени влияния вибрации на результаты его работы.
Интегральное уравнение, определяющее условие минимума среднего значения квадрата ошибки и определение структуры и параметров передаточной функции человека-оператора
В настоящее время задача допуска человека-оператора к управлению тем или иным объектом решается на основе подготовки к этому процессу управления с помощью различного рода тренажеров в связи с возросшей сложностью объектов управления и заданий, которые должны выполнять интеллектуальные интерактивные учебно-тренировочные комплексы [11].
Непосредственный допуск к управлению осуществляется на основе получения медицинских показаний, которые определяют лишь некоторые показатели состояния человека-оператора в статике, что, «на наш взгляд», является недостаточным, так как не вскрывает его динамические свойства, которые в основном и влияют на успех решения задачи управления.
Конечно, подготовка человека-оператора на тренажерах и оценка медицинских показателей вовсе не исключаются, но они недостаточны. Необходима объективная оценка динамических характеристик человека-оператора независимо от типа объекта управления, и затем оценка возможности выполнения задач управления конкретным объектом на основе моделирования системы управления в целом именно с этими динамическими характеристиками человека-оператора.
Теория и метод идентификации динамических характеристик человека-оператора изложены в первых главах работы. Здесь будет рассмотрена структура стенда с её механическим и программным обеспечением и показан макет стенда, который позволяет решить поставленную задачу. Общая структура стенда приведена на рис. 3.4 главы 3. В настоящей главе будет рассмотрена его конкретная реализация.
В стенде должна быть предусмотрена возможность имитации на экране СОИ белого гауссова процесса, отображение результатов слежения за развитием этого процесса человеком-оператором, который реализует это слежение с помощью той или иной рукоятки (ручки управления), также должна быть возможность одновременной регистрации как тестового сигнала так и сигнала слежения и возможность обработки результатов с помощью компьютера. В стенде должна быть предусмотрена также возможность математического моделирования процессов управления различными объектами с использованием идентифицированных динамических характеристик человека-оператора при сложном воздействии окружающей среды и разных видах требуемых движений объекта управления.
На рис. 5.1 показаны: система отображения информации (СОИ), на которую выводятся тестовый сигнал, формируемый с помощью программы «белого шума» на компьютере и процесс слежения за этим сигналом человеком-оператором, который осуществляется с помощью ручки управления. Сигнал слежения поступает в компьютер благодаря системе сбора данных №16220. В компьютере происходит обработка в соответствии с алгоритмами, приведенными в главе 4. Результаты обработки могут быть выведены на дисплей компьютера или документированы с помощью системы вывода данных.
