Экспериментальные исследования деятельности человека-оператора в динамическом контуре слежения

Введение

Среди задач проектирования полуавтоматических систем управления и наведения летательных аппаратов (ЛА) важное место занимают вопросы формального описания поведения человека-оператора.

Чем глубже изучены возможности человека и его ограничения, характеристики ошибок слежения и их зависимость от конкретных условий деятельности оператора, тем больше возможностей получить описание поведения, обладающее достаточной адекватностью и общностью, тем более обоснованно может быть решена задача согласования характеристик машинной части системы с человеком-оператором.

Описанные в настоящей статье эксперименты, выполнены в продолжение работы [1], но реализованы с учётом современного уровня развития технологий регистрации и обработки экспериментальной информации.

1. Постановка задачи

Были проведены две серии экспериментов. В первой группе тестов участвовали 6 необученных операторов, в возрасте от 25 до 28 лет, во второй – 5. Ставилась задача максимально точно отслеживать предъявляемый символ, совмещая с его изображением символ прицельной метки, посредством задания управляющего воздействия через орган управления. Структурная схема контура слежения представлена на рис. 1.


На рис.1: БГШ – генератор псевдослучайного белого гауссовского шума, ФФ – формирующий фильтр, М – монитор, ОУ – орган управления.

Входной сигнал (который отслеживает оператор) формировался следующим образом. Последовательность с генератора псевдослучайных чисел преобразовывалась в нормально распределённый шум и пропускалась через формирующий фильтр. В первой серии экспериментов, в качестве фильтра использовалось апериодическое звено
, во второй – звено второго порядка
, где Т_ф = 1 с.

Динамика объекта управления описывалась звеном второго порядка:
параметры которого принимают значения: T = 1;0.5;0.25, ξ = 0.1;0.5;0.25;0.75;1;1.33;1.66;2;3;5. Таким образом, всего рассматривается 30 разных колебательных звеньев.

Из дифференциального уравнения, описывающего движение объекта:
, легко видеть, что управление, позволяющее идеально (без фазовых и амплитудных искажений) отслеживать такой сигнал (обозначим его g(t)), соответствует сигналу u(t):
.

То есть, идеальное управление (реализующее точное отслеживание задающего сигнала) является линейной комбинацией задающего сигнала и двух его первых производных. Таким образом, чтобы управлять колебательным звеном, человек-оператор должен в процессе слежения оценивать производные сигнала g(t) до второго порядка, это без учета упреждений, необходимых для компенсации собственных запаздываний человека. Весовой коэффициент каждой из составляющих идеального управления зависит от сочетания параметров колебательного звена: постоянной времени Т и коэффициента демпфирования ξ. Варьируя эти параметры, можно изменять потребную долю производных в идеальном управлении, что должно сказываться на сложности осуществления слежения и на значениях показателей точности слежения. На рис. 2 изображены отслеживаемый символ и прицельная метка, а на рис. 3 – типовые результаты выполнения эксперимента.



Для исключения влияния адаптации оператора и иных побочных эффектов (перенос опыта и прочее), эксперименты выполняются в произвольном порядке. Каждый оператор ежедневно (для исключения утомления) проходил по 5 экспериментов, подобранных таким образом, чтобы машинные части были максимально отличны друг от друга. Время одного эксперимента – 100 секунд.

2. Обработка результатов

Для оценки характеристик деятельности человека-оператора использовались следующие показатели. Для каждой реализации вычислялось отношение D_ε/D_g, где D_ε – дисперсия ошибки слежения ε(t)=g(t)-x(t) и D_g – дисперсия задающего сигнала g(t). Дисперсии вычислялись согласно формуле
где t_сл – длительность одной реализации процесса слежения (100 с).

Кроме того, после каждого эксперимента оператор субъективно оценивал систему по 5-бальной шкале (допускались дробные оценки): 5 – отличная система, работается с удовольствием; 4 – работать легко; 3 – работать трудно; 2 – задачу выполнить невозможно; 1 – хуже трудно вообразить.

В случае если эксперимент был пройден оператором неоднократно, характеристики усреднялись (рассчитывалось мат. ожидание). Аналогично характеристики операторов усреднялись по экспериментам. Визуализация результатов представлена на рис. 4, 5.



Результаты для первой и второй серии экспериментов демонстрируют кривые подобного характера, детальное рассмотрение которых приводится ниже. Оценки находятся в хорошем соответствии с отношением дисперсий: минимумы оценок и максимумы D_ε/D_g, так же как и максимумы оценок и минимумы D_ε/D_g, приходятся на близкие значения ξ при фиксированном Т. Уменьшению отношения дисперсий соответствует увеличение оценки. Таким образом, можно утверждать, что субъективная оценка оператора соответствует объективной характеристике его работы. Характер задающего сигнала (определяемый формирующим фильтром) влияет, в основном, на абсолютные значения величины D_ε/D_g.

Рассмотрим закономерности изменения отношения дисперсий более подробно. При фиксированном Т и увеличении ξ от 0 до 1 происходит резкое возрастание роли второго слагаемого в идеальном управлении, одновременно уменьшается относительная доля слагаемого, пропорционального второй производной отслеживаемого сигнала g(t). Как видно из графиков этот процесс сопровождается интенсивным падением значений относительной дисперсии ошибки слежения.

При фиксированном ξ увеличение Т приводит к росту относительной доли компоненты управления, пропорциональной второй производной, соответственно возрастает и относительная дисперсия ошибки слежения. При значениях ξ ≥ 1 колебательное звено вырождается в последовательное соединение двух апериодических, причем, по мере увеличения ξ одно из звеньев начинает резко доминировать так, что роль составляющей управления по второй производной отслеживаемого сигнала падает, слежение становится близким к слежению инерциальным звеном первого порядка. Этот процесс происходит тем интенсивнее, чем меньше постоянная времени Т. Поэтому минимумы кривых по мере уменьшения Т имеют тенденцию смещаться влево.

В дальнейшем увеличение параметра ξ сопровождается возрастанием ошибок слежения. Это связано с тем, что почти пропорционально ξ растет постоянная времени доминирующего звена (причем коэффициент пропорциональности равен Т). Значит по мере роста ξ оператору приходится все интенсивнее форсировать управления, вырабатывая команды, пропорциональные первой производной отслеживаемого сигнала.

Поскольку человек-оператор скорости изменения сигналов оценивает с большими погрешностями, чем сами сигналы, возрастание роли форсирующей составляющей в идеальном управлении неизбежно должно приводить к увеличению ошибок слежения.

Выводы

Таким образом, результаты эксперимента находятся в полном соответствии с утверждением о том, что сложность осуществления слежения и значения показателей точности зависят от соотношения потребных долей производных в идеальном управлении.

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

• сложность управления колебательным звеном в основном связана с необходимостью формировать в управляющем сигнале составляющую, пропорциональную
  
  
  (второй производной отслеживаемого сигнала);
  
• субъективная оценка оператора соответствует объективной характеристике его работы.
  

Опираясь на полученные результаты экспериментов, целесообразно провести исследования с более широким контингентом операторов, обратив особое внимание на вопросы адаптации операторов к широкому спектру динамических структур машинной части.

Литература

• Себряков Г.Г. Экспериментальное исследование характеристик деятельности человека-оператора в динамических системах слежения и наведения летательных аппаратов // Характеристики деятельности оператора; под ред. Б.Ф. Ломова. – М.: ВНИИТЭ, 1983.
  
• Огинский А.А., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Экспериментальные исследования работы человека-оператора в режиме слежения при установке на максимальное быстродействие // Труды ГосНИИАС. ВОПРОСЫ АВИОНИКИ. – М.: ГосНИИАС, 2010. – №19. – с.22-32.
  
• Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Результаты проведения экспериментов по изучению характеристик деятельности человека-оператора в системах слежения // 59 научно-техническая конференция МИРЭА, Сб. тр. ч. 3 Технические науки, 2010 г. – с.84-89.
  
• Огинский А.А., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Аппаратно-программный комплекс для проведения экспериментов по изучению работы человека-оператора в системах слежения // 60 научно-техническая конференция МИРЭА, Сб. тр. ч. 1, 2011 г. – с.87-91