Содержание к диссертации
Введение 5
Глава І.Системньш анализ эргатических систем управления 12
§1.1. Классификация автоматизированных систем управления 12
§1.2. Роль человека-оператора в автоматизированных системах управле ния 22
§1.3. Математические модели работы человека-оператора в автоматизи рованных системах управления 30
§ 1.4. Характеристики человека-оператора как элемента автоматизиро ванной системы сбора и обработки стохастической информа ции 34
§1.5. Методы диагностирования состояния и работоспособности челове ка-оператора в автоматизированных системах управления 45
Выводы по главе 1 53
Глава И. Методическое обеспечение и технология эксперимента по оцени ванию состояния эргатических систем 54
§2.1. Структура деятельности и имитационная статистическая модель человека-оператора в автоматизированных системах сбора и обработки радиолокационной информации 54
§2.2. Технология экспериментов по оцениванию статистических и временных характеристик имитационной модели человека- оператора в решении стохастических задач 60
§2.3. Алгоритмическое содержание экспериментов по оценива нию пороговых характеристик человека-оператора в задаче вероятностного распознавания сигналов 68
§2.3.1. Методика экспериментов по оцениванию пороговых ха рактеристик человека-оператора при распознавании сигна лов в условиях воздействия шумов 72
§2.4. Алгоритмы интеллектуальных решений в автоматизирован ных системах обработки информации 80
§2.5. Определение пороговых и вероятностных характеристик человека- оператора при распознавании объектов, предъявляемых на телеви зионном экране 87
§2.6. Зрительное утомление и методы его измерения 95
§2.7. Объективный способ и устройство для оценки зрительного утомления человека-оператора 100
§2.8. Методы и устройство для исследования психофизиологиче ских характеристик человека-оператора 106
Выводы по главе II 112
Глава III. Анализ и синтез математических моделей и алгоритмов работы подсистемы "человек-оператор" в АСУ СОРЛИ при обнаружении сигналов 114
§3.1. Идентификация системы "индикатор-оператор" в задаче об наружения сигналов 114
§3.2. Непараметрическая модель работы человека-оператора при обнаружении сигналов 127
§3.3. Непараметрическая модель и алгоритмы работы человека- оператора при обнаружении яркостных сигналов 139
§3.4. Временные характеристики человека-оператора в задаче об наружения сигналов 150
§3.5 Оценка помехозащищенности и эффективности звена "инди катор-оператор" в АСУ СОРЛИ 157
§3.6. О пропускной способности человека-оператора при обнару жении сигналов на фоне помех ; 161
§3.7 Робастное управление в автоматизированной системе сбора и обра ботки стохастической информации 164
Выводы по главе III 168
Глава ^.Алгоритмизация принятия решений человеком-оператором в за дачах распознавания сигналов в автоматизированных системах . сбора и обработки стохастической информации 171
§4.1. Пороговые характеристики человека-оператора при распо знавании отметок цели 172
§4.2. Вероятностные характеристики моделей принятия решений челове ком-оператором при распознавании флуктуирующих сигналов в АСУ СОРЛИ 183
§4.3. Синтез алгоритмов интеллектуализации решений в задаче распознавания сигналов в автоматизированных системах управления 191
§4.4. Синтез алгоритмов принятия решений человеком- оператором, распознающим сигналы по равновероятным флуктуирующим параметрам 201
§4.5. Исследование алгоритмов принятия решений человеком оператором при обработке вероятностной информации в иг ровой ситуации 210
Выводы по главе IV 220
Глава V. Имитационное моделирование процесса распознавания изображе ний человеком-оператором 223
§5.1. Пороговые характеристики человека-оператора при распознавании зрительных образов 224
§5.2. Основные теоретические предпосылки и алгоритмы для построения имитационной модели '. 228
§5.3. Математическая модель работы человека-оператора при распознавании истинных зрительных образов при наличии ложных 238
§5.4. Математическая модель распознавания телевизионных изо бражений маскированных объектов человеком-оператором 249
§5.5. Математическая модель работы человека-оператора при много альтернативном распознавании зрительных образов 261
Выводы по главе V 268
Основные выводы по диссертации 271
Библиографический список использованной литературы 275
Приложение ; 296
Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе научно-технического прогресса создаются крупномасштабные технические комплексы и различные типы автоматизированных производств. Широкое развитие получают эргатические (человеко-машинные) системы управления процессами и производствами, построенные на основе взаимодействия автоматизированных систем управления различных уровней, использовании компьютеров, видеотерминалов, типизации программного и технического обеспечения, построения баз данных. При создании таких систем необходим учет человеческого фактора, который призван повысить эффективность работы, как человека, так и системы путем изменения взаимодействия между человеком и техническими средствами. Отсюда возникла актуальная проблема исследования взаимодействия человека с машиной в единой системе и возможностей человека-оператора не только как звена системы "человек-машина", а как активного субъекта деятельности. Развитие эргатических систем потребовало изучения проблемы отображения и обработки информации в условиях усложняющихся задач управления и интенсивности их решения. В настоящее время помимо использования уникальных психофизиологических свойств человека по визуальному восприятию информации ставится вопрос об эффективном использовании мыслительных способностей человека. Возникает задача автоматизации интеллектуальной поддержки принятия решений в системе управления.
Рассмотренные проблемы особо важны для автоматизированных систем управления сбором и обработкой стохастической информации, в частности, радиолокационной информации (СОРЛИ), которые являются основным источником информации для систем управления военного назначения (управление войсками и оружием, АСУ ПВО), а также для систем управления воздушным движением. Одной из основных функций человека-оператора в этих системах является прием и обработка информации, предъявляемой на экране индикаторов различных типов, а также принятие решений. Несмотря на усиленное развитие методов автоматизации обработки информации, методов распознавания и классификации изображений, пока наиболее адаптивным опознающим устройством, способным принимать оптимальные решения при наличии помех является человек-оператор. Анализ и синтез систем, содержащих в качестве одного из элементов — человека, требует знания его свойств и особенностей, характеристик и ограничений, накладываемых его участием в работе системы. СОРЛИ является эргатической системой управления, при проектировании и эксплуатации которой возникают проблемы исследования взаимодействия человека и техники. В настоящее время для решения проблем проектирования автоматизированных систем используется более 30-40 методологических подходов к человеку и технике, в которых предлагаются разные варианты оптимизации взаимодействия человека-оператора и автоматизированной системы, организации процессов управления, выбора роли человека-оператора, распределения функций между ним и автоматикой. Это множество подходов можно разбить на два больших класса: машиноцентрический подход (используется разработчиками техники) и антропоцентрический подход (используется психологами труда и инженерными психологами). Первые исследования в 40-50-х годах базировались на машиноцентрическом подходе -"от машины (техники) к человеку." При этом человека рассматривали как простое звено системы, были получены некоторые его характеристики, например, параметры передаточной функции [42]. Развитие космонавтики, авиации, автоматизированных систем показало ограниченность машиноцентрического подхода, и возникла необходимость создания антропоцентрического подхода -"от человека к машине (технике)." Этот подход был разработан в 60-70-х годах [10,16,19,32,40]. Главной задачей данного подхода становится проектирование деятельности человека-оператора. В 80-90-х годах антропоцентрический подход стал одной из ведущих теоретических позиций в зарубежных исследованиях [22,25,38,51,52]. В них решение проблем проектирования и эксплуатации эргатических систем предлагается с учетом когнитивных процессов операторской деятельности.
Следовательно, возникает проблема формализованного описания деятельности человека-оператора, разработки математических моделей, структурных решений и алгоритмов, предназначенных для интеллектуализации принятия решений в автоматизированных системах управления сбором и обработкой стохастической информации, методов и устройств для оценки работоспособности человека с целью повышения . оперативности и эффективности управления. Решению этих важных задач посвящена данная работа.
Диссертационная работа выполнялась в ВГТУ по комплексной программе "Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы" и на кафедре технической кибернетики и автоматического регулирования ВГУ в рамках договоров с Федеральным государственным унитарным предприятием "Воронежский научно-исследовательский институт связи" по теме "Исследование методов оценки эффективности обработки информации в сложных системах" (номер гос. регистрации 01870056886).
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка научных основ формализованного описания работы человека-оператора в автоматизированных системах сбора и обработки стохастической информации, а также методов оценки работоспособности, как человека, так и системы.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
- разработать структуру деятельности и метод синтеза математических моделей человека-оператора, пригодных для исследования пороговых и временных характеристик в задачах обнаружения и распознавания сигналов, а также рабочего аппарата для проектирования и оценки эффективности автоматизированных систем;
- разработать алгоритмы и математические модели работы человека-оператора, как при дефиците времени, так и без дефицита времени на принятие решения в задачах обнаружения сигналов;
- разработать математические модели и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений в задачах радиолокационного распознавания сигналов;
- построить имитационную модель процесса распознавания зрительных образов, предъявляемых человеку-оператору на телевизионном экране;
- разработать методику и выполнить экспериментальные исследования математических моделей с целью оценки их эффективности и достоверности;
- создать методы и устройства для экспресс-анализа зрительного утомления, психофизиологического состояния и оценки работоспособности человека-оператора.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы теории вероятностей, математической статистики, теории статистических решений, теории информации, статистического моделирования, теории матриц, инженерной психологии, психофизики и физиологии зрения, имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
- вероятностно-временная непараметрическая модель работы человека- оператора при обнаружении сигналов, отличающаяся тем, что учитывает сенсорные шумы, утомляемость зрительного анализатора, психофизиологические особенности человека, и позволяющая оценить эффективность работы системы в условиях внешнего воздействия шумов и помех;
- законы распределения яркостного порога человека-оператора и времени принятия решения при обнаружении сигналов, отличающиеся тем, что параметры этих законов зависят от характеристик помех, и это позволило выявить ранее неизвестные критичные для работы человека-оператора параметры коррелированных помех;
- робастный алгоритм управления, отличающийся тем, что обеспечивает условную вероятность нахождения выходной переменной в установленном допуске и дает возможность оценить точность вероятностно-временной модели в условиях воздействия неконтролируемых возмущений;
- законы распределения дифференциальных порогов чувствительности по яркости и по размерам, отличающиеся тем, что они оценивают предельные возможности человека в задаче распознавания сигналов и используются для инженерных расчетов вероятностных характеристик среднестатистического оператора;
- математическая модель вероятностного распознавания сигналов, отличающаяся тем, что в сложном алгоритме работы человека учитывает оценку среднего значения наблюдаемого параметра, что дает возможность использовать её для формализованного описания работы человека-оператора в системах обработки стохастической информации;
- алгоритмы принятия решений человеком-оператором в задаче распознавания флуктуирующих сигналов по нескольким однородным наблюдениям, а также по нескольким равновероятным признакам, отличающиеся тем, что учитывают байесовскую процедуру обработки информации и консерватизм человека-оператора и используются для автоматизации интеллектуальной поддержки принятия решений;
- алгоритм распознавания флуктуирующих по яркости сигналов, отличающийся тем, что используется сравнение яркостей "по среднему," что и позволило реализовать его в виде электронного устройства;
- имитационная модель работы человека-оператора при распознавании зрительных образов, предъявляемых на телевизионном экране, отличающаяся тем, что обеспечивает двухальтернативное и многоальтернативное распознавание и выявляет наиболее информативные признаки изображений, и используется для построения классификаторов объектов;
- способ и устройство для измерения зрительного утомления человека-оператора, а также устройство для исследования психофизиологических характеристик, состояния нервной системы и скорости передачи информации в зрительно-двигательной системе, отличающиеся тем, что обладают высокой чувствительностью, достоверностью и точностью измерений, что позволяет использовать эти устройства на рабочем месте для экспресс-анализа работоспособности человека-оператора.
Практическая значимость и результаты внедрений. Разработанная методология формализованного описания работы человека-оператора позволяет проектировать и эффективно эксплуатировать автоматизированные системы управления с учетом ограничений, налагаемых участием человека.
Вероятностно-временная непараметрическая модель работы человека-оператора, разработанная в диссертации, используется для получения робастных алгоритмов управления, оценки помехозащищенности и пропускной способности систем, где информация предъявляется человеку на индикаторах различного типа, включая дисплеи компьютеров.
Методы составления алгоритмов работы человека-оператора и имитационных моделей распознавания и классификации сложных сигналов и объектов, разработанные в диссертации, могут быть использованы при проектировании систем связи, а также автоматизированных систем поддержки принятия решений и управления.
Способы и устройства для диагностирования зрительного утомления и психофизиологического состояния человека-оператора, разработанные в диссертации, находят широкое применение в автоматизированных системах управления технологическими процессами, в аэронавигации и на железнодорожном транспорте.
Результаты диссертации внедрены в: Федеральном государственном унитарном предприятии "Воронежский научно-исследовательский институт связи" использование вероятностно-временной непараметрической модели, классификатора сигналов, программного продукта по обеспечению поддержки принятия решений человеком-оператором, методов и устройств для измерения зрительного утомления и психофизического состояния человека-оператора позволило повысить надежность распознавания в каналах связи на 15%, увеличить пропускную способность системы "индикатор-оператор" на 10%, установить оптимальный режим работы операторов систем связи; Воронежском филиале ЦентрАэронавигации используют методы и устройства для оценки зрительного утомления и психофизиологического состояния авиадиспетчеров, что привело к повышению безопасности воздушного движения и дало экономический эффект 300000 рублей; некоммерческой организации "Маркетинговый центр Реформа" внедрены программы и алгоритмы для оценки объёма внимания, скорости передачи информации в зрительной системе человека при работе с персональным компьютером, а также программы и алгоритмы принятия решений человеком-оператором в системе обработки информации. Это привело к повышению производительности труда операторов на 15%. Экономический эффект от внедрения составляет 500000 рублей; рефрижераторном депо ст. Лиски Юго-Восточной железной дороги используют методы и устройства для измерения зрительного утомления; устройство для оценки состояния высшей нервной деятельности, внимания, скорости передачи информации в глазо-двигательной системе человека-оператора; электронное устройство для распознавания цветовых сигналов, что повысило производительность труда операторов на 20%; ОАО "Воронежсинтезкаучук" внедрены математические модели принятия решений человеком-оператором в системах обработки информации, устройство для распознавания сигналов, программный продукт по исследованию работоспособности и восприятию информации человеком-оператором, как с экрана дисплея, так и с индикаторов, отображающих текущую информацию. Внедрение результатов диссертационной работы привело к повышению производительности труда операторов на 20%, системы на 15%). Экономический эффект от внедрения составил 500 000 рублей.
Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие новые научно-обоснованные результаты:
- методы экспериментального исследования вероятностно-временной непараметрической модели работы человека-оператора при обнаружении сигналов, предъявляемых на экране индикаторов различного типа, с учетом пороговых характеристик, утомления зрительного анализатора и психофизиологических особенностей человека; закон распределения яркостного порога человека и времени обнаружения сигналов человеком- оператором; метод оценки эффективности работы человека-оператора при обработке стохастической информации, как при дефиците времени на принятие решения, так и без дефицита времени; результаты оценки помехозащищенности, робастности управления и пропускной способности человека-оператора, полученные на основании вероятностно-временной непараметрической модели;
- математические модели работы человека-оператора в задаче вероятностного распознавания сигналов; закон распределения дифференциальных порогов человека-оператора при различении отметок сигналов, как без шумов, так и при наличии шума; алгоритм принятия решения человеком-оператором при распознавании флуктуирующих по яркости и размерам сигналов; алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений при распознавании флуктуирующих сигналов по нескольким однородным наблюдениям и равновероятным признакам; алгоритмы принятия решения в игровой ситуации, а также электронное устройство, реализующее эти алгоритмы;
- байесовская модель распознавания зрительных образов (телевизионных изображений) человеком-оператором; закон распределения порогов чувствительности человека-оператора; математическая модель работы человека-оператора при распознавании телевизионных изображений истинных объектов при наличии ложных; математическая модель распознавания маскированных объектов; математическая модель работы человека-оператора при многоальтернативном распознавании зрительных образов;
- методы и устройства для диагностирования состояния и оценки работоспособности человека-оператора в эргатической системе: способ и устройство для экспресс-анализа и измерения зрительного утомления; устройство для исследования психофизиологических характеристик человека-оператора.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 26 научно-технических конференциях различного уровня, в том числе, на 7, 8 World Multi Conference on Systemic, Cybernetics and Informatics (SCI-2003) USA, (SCI-2004) USA, IV-IX Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1998-2003), I-V Международных конференциях "Кибернетика и технологии XXI века" (Воронеж, 2000-2004), научных семинарах кафедры кибернетики Московского государственного института электроники и математики (технический университет) (Москва, 1979-1986), научных сессиях Воронежского государственного университета (Воронеж, 1982-2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ, получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Личный вклад автора: в [242]-предложена непараметрическая модель и экспериментальные данные, подтверждающие непараметричность визуального обнаружения; в [246,258-260]-обоснован новый метод измерения зрительного утомления, предложены способы расширения функциональных возможностей устройств; в [249]- синтезирован статистический алгоритм распознавания изображений; в [253] разработана методика экспериментов, предложен алгоритм; в [256] синтезирована непараметрическая модель при импульсных помехах; в [257] получены характеристики модели; в [261,263]-разработаны методы получения шумовых напряжений с заданными законами распределения; в [262,264-267]- разработана методика и проведены эксперименты; в [268]-получена формула для расчета яркостного порога человека-оператора при воздействии помех и оценена помехоустойчивость системы; в [271]-получен закон распределения времени обнаружения сигналов человеком-оператором и предложен метод оценки эффективности работы человека-оператора при обработке стохастической информации, как при дефиците времени на принятие решения, так и без дефицита времени; в [275]-предложен закон распределения времени обнаружения и съема плоскостных координат цели человеком-оператором; в [276,277,279]-разработана методика экспериментов и получен закон распределения порогов человека-оператора; в [280]-осуществлена постановка задачи математического моделирования и разработаны методики экспериментов; в [283]-разработаны методы оптимизации системы "индикатор-оператор"; в [285]-синтезирована математическая модель работы человека-оператора при многоальтернативном распознавании изображений; в [289]-осуществлена постановка задачи и разработана математическая модель порогового визуального обнаружения; в [306]-разработана методика оценки помехозащищенности системы на основании вероятностно-временной модели человека-оператора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по диссертации, приложения и списка литературы из 307 наименований. Материал диссертации изложен на 320 страницах, содержит 97 рисунков и 59 таблиц.
