Исследование стратегии выработки управляющих команд человеком-оператором при многомерном слежении

Аннотация

В статье рассматриваются особенности принятия решений человеком-оператором при выборе стратегии управления при слежении в многомерном пространстве. Представлено описание стенда и методики экспериментов. Показаны результаты исследования алгоритмов выработки управляющих команд для различных операторов.


В человеко-машинных системах управления значительную роль играет супервизорное управление [1], при котором основой деятельности оператора является принятие решения. Данное управление используется, например, в различных комплексах моделирования, с визуализацией виртуальных сцен, используемых для обучения, тренажа и ситуационного анализа [2]. Выбор стратегии управления является при этом важным фактором, определяющим человеко-машинное взаимодействие [3]. Настоящее исследование проводится в рамках изучения алгоритмов выработки управляющих команд при слежении по трем координатам в трехмерном виртуальном пространстве.

Эксперименты проводились на разработанном авторами аппаратно-программном комплексе для проведения исследований по изучению работы человека-оператора в системах слежения [4]. Оператор, посредством так называемого HOTAS: Hands on Throttle and Stick – комплект органов управления: имитаторы РУС и РУД, то есть ручки управления самолётом и ручки управления двигателем (рис. 1), управлял положением прицельной метки в виртуальной трёхмерной сцене (рис. 2).



Так как, посредством типового компьютерного монитора оператору можно визуализировать лишь проекцию сцены на картинную плоскость, дополнительную информацию о глубине, испытуемый получал при помощи технологии стереозрения, основанной на анаглифном принципе. Управляющая программа комплекса рассчитывала изображение для левого и правого глаза, после чего смешивала их на экране монитора, внося в цветовую составляющую искажения, имитирующие цветовой фильтр. Полученная стереопара воспринималась оператором при помощи очков с красным и циановым светофильтрами (рис. 3). Так как сформированные части изображения обладают параллаксом, испытуемый ощущает дополнительный эффект глубины в процессе работы. Данное техническое решение оправдано условиями эксперимента: в виртуальной сцене практически отсутствует цветовое кодирование, а сам эксперимент длится незначительное время (не более 13 с). Указанные обстоятельства позволяют использовать цвет для формирования у оператора чувства глубины сцены, при этом избегая дискомфорта, вызванного длительной работой в анаглифических очках.


Виртуальная сцена представляет собой куб, с нанесённой текстурой сетки. Наблюдатель находится внутри куба, у одной из его граней, просматривая практически полностью внутреннюю поверхность куба за исключением грани, расположенной «за спиной». В центре куба находится неподвижная цель. Прицельная метка перемещается в картинной плоскости при помощи джойстика с двумя степенями свободы (при отсутствии воздействия, ручка возвращается в исходно положение), позиция по глубине задаётся положением рычага (удерживающего последнее положение). Позиция цели определяется как:


где R – половина расстояния, доступного для перемещения по выбранной оси (иными словами – масштабный коэффициент виртуальной сцены), J – сигнал канала управления, соответствующего данной оси, изменяющийся в пределах [-1;1], в начальный момент времени равен 0, D – аддитивная помеха, образующая изначальное рассогласование цели и прицельной метки.

Величина D определяется следующим образом:


где M – массив допустимых значений, rnd – псевдослучайное целое число (используется равномерное распределение), принимающее значение [1; N], N – количество элементов в массиве M.

В рассматриваемых экспериментах, массив M равен [-0.25; 0.25].

Величины Dx, Dy, Dz – не коррелируют. Таким образом, существует K=N³ возможных начальных условий. При данном M, количество различных начальных условий K=2³=8.

Видимая оператором виртуальная сцена (куб) составляет 2×R условных единиц измерения виртуального мира в глубину, высоту и ширину. Величина R равняется 2,25 единиц виртуального мира. Размеры цели и прицела – 1×1×1 единиц виртуального мира. Ось абсцисс направлена горизонтально слева направо, ось ординат имеет вертикальную ориентацию и возрастает снизу-вверх, ось аппликат характеризует глубину, увеличиваясь в направлении «от наблюдателя».

Задача оператора, используя выбранную им стратегию, совместить цель и прицельную метку, после чего нажать на гашетку, останавливая этим эксперимент.

В эксперименте принимали участие два оператора в возрасте 28 лет, имеющие разный опыт работы с динамическими объектами. Каждый испытуемый выполнил 25 реализаций. Примеры типовых реализаций представлены на рисунках 4,5.



Исходя из анализа полученных экспериментальных результатов, можно сделать следующие выводы:

• У опытного оператора преобладает стратегия управления сразу по трем координатам (рис. 4).
  
• У опытного оператора, в ходе совмещения прицельной мети и цели, рассогласование по разным осям уменьшается практически с одинаковой скоростью. У менее опытного оператора скорости существенно отличаются (рис. 5).
  
• В большинстве случаев, неопытный оператор почти полностью совмещал прицельную метку с целью по двум осям, устраняя рассогласование по третьей оси на заключительном этапе (рис. 5).
  
• Если оператор использовал приведение по двум осям одновременно, то выбирал горизонтальную и вертикальную оси, оставляя рассогласование по глубине на заключительный этап совмещения прицельной метки и цели (рис. 4,5).
  
• Совмещение по глубине, как правило, сопряжено с перерегулированием и бóльшими, чем по другим осям, ошибками (рис. 5).
  
• Для неопытного оператора характерно «ступенчатое сближение»: рассогласование изменяется дискретно. На траектории движения прицельной метки можно выделить участки времени, в которые оператор анализирует внесённые им изменения в положение управляемого объекта и принимает решение о величине и направлении дальнейшего воздействия.
  

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 15-08-06767-а.

Список литературы

• Себряков Г.Г. Характеристики деятельности человека-оператора в динамических системах слежения и наведения летательных аппаратов. // Вестник компьютерных и информационных технологий, № 11, 2007, с. 2-9.
  
• Г.Г. Себряков, И.Б. Татарников, Ю.С. Тюфлин, С.В. Скрябин, А.В. Тарновский. Принципы создания универсальных систем визуализации комплексов моделирования для задач обнаружения, ситуационного анализа и тренажа // Вестник компьютерных и информационных технологий. №3 (21), 2006.
  
• Фишберн П. Теория полезности для принятия решений. – М.: Наука, 1978.
  
• Бурлак Е. А., Набатчиков А. М. Полунатурный исследовательский стенд для оценивания характеристик деятельности человека-оператора при управлении дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом // Электронный журнал «Труды МАИ», ISSN: 1727-6942. Выпуск № 68 от 03 сентября 2013. Режим доступа: http://mai.ru/science/trudy/published.php?ID=41725 (дата обращения 09.01.2014)