Статья: Методика автоматизированной обработки управляющих движений оператора в прикладных исследованиях надежности эргатических систем

Методика автоматизированной обработки управляющих движений оператора в прикладных исследованиях надежности эргатических систем

Кукушкин Юрий Александрович

доктор технических наук

Центральный научно-исследовательский

институт ВВС Минобороны России,

Айвазян Сергей Альбертович

кандидат технических наук

Научно-испытательный институт эргатических систем

Аннотация

Предметом исследования является оптимизация законов управления эргатическими системами с учетом психофизиологических возможностей оператора. Сложность анализа управляющих движений оператора определяется тем, что процессы манипулирования органом управления эргатической системой являются нестационарными, поэтому необходимо методами цифровой фильтрации исключить из анализируемого процесса низкочастотный тренд и перейти к анализу стационарного случайного процесса. Изложена методика автоматизированной обработки управляющих движений оператора в прикладных исследованиях надежности эргатических систем, апробированная при проведении эргономических исследований на полунатурном моделирующем комплексе. Методология исследования объединяет методы инженерной психологии, теории надежности, эргономики, спектрального анализа, математической кибернетики и вычислительной математики. Основным выводом проведенного исследования является то, что анализ управляющих движений оператора должен быть неотъемлемой частью полунатурных эргономических исследований, поскольку его результаты позволяют обеспечить адекватный учет психофизиологического состояния и резервных возможностей оператора эргатической системы при управлении ее функционированием. Это позволяет разработать и реализовать комплекс мероприятий, направленных на обеспечение должной функциональной надежности профессиональной деятельности оператора эргатической системы для обеспечения безопасности ее эксплуатации.

Ключевые слова: управление эргатической системой, функциональная надежность оператора, управляющее движение оператора, спектральный анализ сигналов, цифровая низкочастотная фильтрация, обработка нестационарного сигнала, психофизиологическая надежность, эргономические исследования, программная инженерия, инженерная психология

Abstract

The subject of the study is to optimize systems management ergatic laws based psychophysiological operator capabilities. The complexity of the analysis of control movements of the operator is determined by the fact that the processes of manipulating the body ergatic control system are non-stationary, so you need a digital filtering techniques to eliminate the process of being analyzed low-frequency trend and move on to the analysis of a stationary random process. The technique of the automated processing control operator movements in applied research the reliability of ergonomics systems, test during ergonomic research on HIL simulator complex. The research methodology combines the techniques of engineering psychology, theory of reliability, ergonomics, spectral analysis, mathematical cybernetics and computational mathematics. The main conclusion of the study is that the analysis of the motions of the control operator must be an integral part of HIL ergonomic research because its results allow for adequate consideration of psychophysiological state and the reserve capacity of the system operator ergatic in managing its operation. This allows you to develop and implement a set of measures aimed at ensuring the proper functional reliability of professional activity ergatic system operator to ensure the safety of its operation.

Keywords: ergatic system control, operator functional reliability, operator control movement, spectral analysis of signals, digital low frequency filtering, non-stationary signal processing, psycho-physiological reliability, ergonomic research, software engineering, engineering psychology

Введение

Оптимизация законов управления эргатическими системами с точки зрения психофизиологических возможностей оператора является важным аспектом инженерно-психологических и эргономических исследований ^[1-7]. Комплекс показателей, наиболее полно характеризующих функциональную надежность оператора, характеристики управляющих воздействий (УВ) оператора на органы управления эргатической системы при решении задач профессиональной деятельности ^[8-15]. Анализ моторного компонента деятельности - УВ - на органы управления важен по следующим причинам:

во-первых, УВ характеризуют функциональную надежность профессиональной деятельности оператора и эффективность выполнения ее задач,

во-вторых, УВ непосредственно связаны с процессами восприятия, анализа, переработки информации, существенно влияющими на структуру деятельности оператора.

Если восприятие приборной и неинструментальной информации является основой для формирования психического образа профессиональной деятельности, то УВ отражают характер и качество реализации программы действий (рабочих операций) и направлены на выдерживание заданных значений показателей функицонирования эргатической системы и устранение (адаптивную компенсацию) отклонений от них.

Анализировать УВ целесообразно с позиций концепции физиологии активности Н.А.Бернштейна в той её части, которая утверждает, что «…формирование навыка есть активная психомоторная деятельность» ^[16]. В результате этой деятельности формируется иерархия уровней регуляции - ведущего и фонового. По мнению Н.А.Бернштейна, ведущий уровень обеспечивает смысловую коррекцию действий, а фоновый - элементарные движения. Исходя из этих положений, УВ подразделяют на действия и движения.

Управляющее действие определяется как манипуляция оператором органом управления эргатической системой (руля, штурвала и т.п.) в интервале времени от момента его отклонения от нейтрального положения более чем на величину порога абсолютной чувствительности по отклонению, до момента, когда это отклонение достигает исходного положения. Например, исследования показывают, что величина порога абсолютной чувствительности летчика по отклонению ручки управления самолета (РУ) составляет 2,5 - 3,5 мм, а по усилиям на РУ составляет 1,96 - 5,88 Н ^{[3, 6, 17, 18]}.

К управляющим движениям относятся реализации процесса отклонения оператором органа управления, заключенные между смежными точками, в которых значения скорости отклонения равны нулю, а амплитуда перемещения между ними превышает абсолютной чувствительности оператора по управлению.

В зависимости от своего назначения выделяют 3 группы управляющих действий: рабочие движения (РД), коррегирующие движения (КД) и гностические движения (ГД).

Движения, связанные с перемещением органа управления, начинающиеся с его нейтрального положения или пересекающие его и выходящие за границу ±1,5 величины абсолютной чувствительности оператора по управлению, относятся к рабочим. В частности, рабочими являются высокоамплитудные движения летчика по манипулированию РУ, влияющие на динамику полета.

Движения, связанные с перемещением органа управления, начальное и конечное значение отклонения которых превышают ±1,5 абсолютной чувствительности оператора по управлению при условии непересечения нейтрального положения, относятся к коррегирующим. Коррегирующие движения регистрируются, как правило, в процессе выполнения рабочего движения и направлены на исправление ошибки или неточности их выполнения.

Движения, связанные с перемещением органа управления, с отклонениями от нейтрального положения, не выходящими за границу ±1,5 абсолютной чувствительности оператора по управлению, относятся к гностическим. Это малоамплитудные движения, не влияющие на динамику состояния управляемой эргатической системы.

Исходя из сказанного, рабочие и коррегирующие движения относятся к ведущему уровню, а все остальные малоамплитудные движения, не влияющие на динамику состояния управляемой эргатической системы - к фоновому.

Анализ управляющих воздействий оператора проводится структурными, статистическими и спектральными и методами. Для летчика самолета обычно анализируются отклонения РУ в боковом (X _э) и продольном (X _в) каналах управления.

Ввиду того, что процессы манипулирования органом управления эргатической системой являются нестационарными, необходимо методами цифровой фильтрации исключить из анализируемого процесса низкочастотный тренд и перейти к анализу стационарного случайного процесса.

Методика обработки информации об управляющих войздействиях

Исключение низкочастотных составляющих - низкочастотного тренда, обусловливающих нестационарность (по математическому ожиданию) процесса отклонения РУ, осуществляется цифровым фильтром верхних частот. Этот фильтр реализуется путем применения к исходному процессу отклонения органа управления эргатической системой (Х_t) фильтра низких частот (вычисление низкочастотного тренда) (X_f) и затем вычитанием результата низкочастотной фильтрации из исходного процесса ^[19-22].

Таким образом, цифровую фильтрацию исходного ряда дискретных отсчетов процесса Х _t целесообразно проводить согласно преобразованиям

Y_t = X_t - X_f,

управляющее движение оператор эргатический

где t, Y_t - отсчеты отфильтрованного процесса.

Цифровая низкочастотная фильтрация - это преобразование входного временного ряда в выходной с помощью взвешенной линейной свертки, коэффициенты которой задают так, чтобы обеспечивалась симметричная фильтрация. Наиболее часто используются косинусоидальный фильтр и фильтр скользящего среднего ^[23]. Эти фильтры просто реализуются на компьютере, обладают экономичностью, т.е. требуют небольшого числа членов фильтра для реализации заданных характеристик.

Число членов фильтра m, определяющее частоту среза f _ср, на которой частотная характеристика фильтра H (f)=0,707, выбирается из условия стационарности: плотность вероятности процесса не должна зависеть от времени. Выполнимость гипотезы о стационарности ряда можно проверить с помощью построения отдельных гистограмм для каждой из половин ряда: еЕсли эти гистограммы находятся в согласии, то предположение о независимости плотности вероятности от времени оправдано.

Проведенные исследования показали, что при выполнении летчиком пилотирования и прицеливания условию стационарности удовлетворяют фильтры с частотой среза f_ср<0,1 Гц. Число членов таких фильтров выбирается из неравенства:

- для косинусоидальных фильтров Т_ф = m D> 6;

- для фильтров скользящего среднего Т_ф = m D> 3,5,

где «окно» фильтра.

Для интервала квантования D= 0.2 с получаем, что потребное число членов косинусоидального фильтра m > 30, а для фильтра скользящего среднего m> 18.

Применительно к управлению летательными аппаратами получено, что для этапов полета с небольшими эволюциями (заход на посадку, установившийся вираж и др.) условию стационарности удовлетворяют фильтры с частотой среза f _ср<0,075 Гц. Выполнение этого условия обеспечивается при:

- для косинусоидальных фильтров: T _ф = m D ?8;

- для фильтров «скользящего среднего»: T _ф = m D ?4,5.

Приведенные данные показывают, что одну и ту же частоту среза фильтры скользящего среднего обеспечивают при меньшем числе членов фильтра (m), но частотная характеристика этого фильтра имеет перерегулирование с дальнейшим затуханием колебаний характеристики к значению, равному единице.

Исходя из вышесказанного, предпочтение в использовании следует отдавать косинусоидальному фильтру, но, в случае ограничений по длительности реализаций (реализации малой длительности), можно использовать фильтр скользящего среднего. Если длина реализации получаемого экспериментального материала имеет малую продолжительность (менее 60 с), выбирается фильтр скользящего среднего. При продолжительности экспериментальной выборки более 60 с выбирается косинусоидальный фильтр. После этого проводится анализ УВ.

Структурный анализ УВ направлен на выделение их составляющих (рабочих, коррегирующих или гностических движений), вычисление их амплитудных, частотных и временных характеристик. Пример представления результатов структурного анализа показателей УВ летчика приведен в таблице 1.

В результате статистического анализа УВ летчика получают оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения для следующих величин: отклонения РУ, скорости перемещения РУ, а также мощности, расходуемой летчиком на перемещение ручки управления самолета. Величина мощности, затрачиваемой на перемещение РУ, определяется по формуле:

W = FV = kXV,

где F - усилие, прилагаемое для перемещения РУ, V - скорость перемещения РУ, k -коэффициент пропорциональности, X - отклонение РУ.

Спектральные показатели и индексы описывают волновую структуру динамического ряда значений характеристики состояния. Анализ спектральной плотности процесса отклонения РУ позволяет получить информацию о распределении мощности процесса в зависимости от их частоты.

В результате спектрального анализа получается сглаженная выборочная нормированная спектральная плотность УВ летчика ^{[3, 4, 24]}.

Таблица 1 - Характеритика УВ летчика

Примечание. f_РУ - частота движений РУ; А_РУ - амплитуда движений РУ; Т - время движений и действий, с; O - Отношение отдельных видов УВ летчика в общем их количестве, %

При вычислении C(f) целесообразно использовать корреляционное окно Тьюки, поскольку оно обеспечивает небольшие боковые лепестки на зависимости w (k) и дает возможность получить заданную ширину полосы частот при минимуме вычислений. Ширину полосы частот окна Тьюки следует выбирать на основании рекомендаций, изложенных в ^{[3, 11, 25]}. Для сигнала УВ летчика она должна быть равна 0,11 Гц. Тогда число точек отсечения s можно найти из неравенства 1,33/s D t < 0,11.