Алгоритмы и программы для экспериментальных исследований по оценке профессионально важных качеств оператора сложных технических систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 371.693

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНО ВАЖНЫХ КАЧЕСТВ ОПЕРАТОРА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

О.Н. Акиншин, С.И. Мельник

Разработана схема сценария процедур контроля и оценки качества деятельности и текущего функционального состояния оператора сложной технической системы (СТС). Предложен алгоритм и программы для экспериментальных исследований по оценке профессионально важных качеств оператора СТС.

Ключевые слова: оператор, аппаратно-программное средство, функциональное состояние, алгоритм, программа, автоматизированное рабочее место.

Использование контроля функционального состояния (ФС) оператора сложных технических систем (СТС) для решения задач профессионально-психологического отбора (ППО) требует формирование автоматизированной системы, позволяющей производить выбор аппаратно-программных средств, для регистрации и анализа физиологических, психологических, поведенческих и профессиональных параметров с учетом их взаимосвязи и чувствительности к динамике ФС конкретного индивида [1]. На выходе данной автоматизированной системы должен быть диагноз ФС и, если это необходимо, управляющие сигналы для включения соответствующих корректирующих влияний, основывающихся на текущем прогнозе изменения ФС.

Блок-схема эксперимента приведена на рис. 1. Как следует из приведенной схемы, в процессе эксперимента выполняются основные задачи, решаемые при моделировании деятельности оператора путем имитации типовых функциональных задач (ТФЗ) и выполнения дополнительных («вторичных») стандартных тестовых задач (СТЗ).

Схема сценария процедур контроля и оценки качества деятельности и текущего ФС испытуемого представлена на рис.2.

Программная реализация модели представляет собой комплекс программ.

Первая эмулирует процесс функциональной диагностики, позволяет задавать параметры изучаемого изделия и его особенностей, фиксировать все проводимые оператором действия. Вторая программа производит регистрацию и анализ текущих параметров оператора. Совместное использование этих двух программ обеспечивает контроль текущего ФС одновременно по психофизиологическим, поведенческим параметрам и параметрам качества деятельности.

В программе реализована возможность экспертной оценки качества деятельности в режиме просмотра всей последовательности событий. На видеомониторе лица, контролирующего ФС оператора, отражается динамика регистрируемых параметров.

Регистрация физиологических и поведенческих параметров осуществлялась по следующему алгоритму [2, 3].

Регистрировалось шесть основных параметров: электроэнцефалограмма -ЭЭГ, электроокулограмма -ЭОГ, электрокардиограмма-ЭКГ, пневмограмма-ПГ, треморограмма-ТГ и стабилограмма-СГ. Частота квантования алфавитно-цифрового преобразователя по каждому каналу - 200 Гц, за исключением СГ и ПГ, для которых эта величина составила 20 Гц. Измеренные значения выдавались на экран монитора АРМ руководителя и заносились в базу данных.

Объект исследования

Макет стенда имитационного моделирования деятельности оператора АРМ

Цель исследования

Оценка возможности применения методов контроля и оценки КД и ФС испытуемого в контуре БАУ СИП ОД

Основные задачи

1. Оценка пригодности модулей макета стенда для оценки КД и контроля ФС испытуемого при выполнении ТФЗ и «вторичных» стандартных тестовых задач (СТЗ);

2. Оценка влияния информационной нагрузки оператора АРМ (КРМ) в диалоговом взаимодействии с информационной моделью;

3. Оценка возможности применения технологии биоадаптивного управления в АРМ в качестве компоненты СИП ОДО.

Т~

с

Этапы эксперимента

3

л

=и

Этап 1 Моделирование деятельности и ФС испытуемого

а) моделирование состояния нервно-психической (психоэмоциональной) напряженности у испытуемого при выполнении ТФЗ в различных режимах отображения информации;

б) моделирование сенсорной монотонии у испытуемого.

Этап 2 Оценка показателей Реп при моделируемых состояниях

а) значения показателей КД при выполнении ТФЗ;

б) значения показателей КД при выполнении СТЗ:

- СТЗ-1 - смысловая регуляции;

- СТЗ-2 - логическая функция.

в) значения показателей ФС испытуемого при выполнении ТФЗ и СТЗ.

Этап 3 Экстраполяция экспериментальных данных

а) с учетом особенностей индивидуальных реакций испытуемых;

б) с учетом закономерности динамики показателей качества деятельности и ФС испытуемых в эксперименте;

в) оценка адекватности моделируемых состояний.

Рис. 1. Блок схема эксперимента

В базе данных физиологические и поведенческие параметры представлены следующими значениями: ЭЭГ - массив мгновенных значений амплитуд; Квп - средняя величина 30 реализаций ЭЭГ относительно зри-

21

тельного стимула, представлявшего собой изменения яркости (длительность 100 мс) изображения эхосигнала на экране сэмулированного дефектоскопа; ЭОГ - последовательность интервалов между реакциями моргания (РМ) Трмй ЭКГ - последовательность кардиоинтервалов Тш (интервал между соседними Я-зубцами ЭКГ); время вдоха Твд, время выдоха Твыд, длительность цикла дыхания Тц = Твд+Твыд; последовательность интервалов между позными реакциями ТСги давление на электрод Рп.

Для оценки качества деятельности регистрировались три группы параметров: площадь 5 просканированной поверхности; время ти последовательность воздействий на ОУ сэмулированного дефектоскопа; точность определения параметров дефекта.

Рис. 2. Схема сценария процедур контроля и оценки качества деятельности и текущего ФС испытуемого

К текущим показателям площади просканированной поверхности относятся следующие: общая площадь просканированной поверхности площадь, просканированная электродом ¿>эг; непросканированная площадь повторно просканированная площадь 5Ш; площадь, просканированная некачественно прижатым электродом

22

Последовательность воздействия на ОУ оценивалась путем считывания текущих координат курсора "мыши" и сравнения их с координатами органов управления сэмулированного дефектоскопа, одновременно вычислялся путь курсора Би и интервалы времени между воздействиями на органы управления Тв,. В последующем по данным Би и Тв1 можно было судить об уровне профессиональной подготовки оператора и его психическом состоянии на момент проведения измерения. Оценка качества деятельности производилась на основании обследованной оператором общей площади 5,, точности определения характеристик дефекта (координаты (ХиУ1), форма, амплитуды эхосигналов (М)).

Т - т

напряжение ССС Н,г = —^, (1)

Тж0

где ТШо - индивидуальная фоновая характеристика среднего кардиоинтер-вала;

т - т т 40 ,1/_-< 0,55

напряжение ДС H 2i =

T ~ T

цо ц

T — T T

выдг выдо .р выд ^ 0 55

T ' J - T ~ '

выдо ц.

где Тцо - индивидуальная характеристика цикла дыхания в фоне; Твыдо - индивидуальная характеристика выдоха в фоне;

^ -

напряжение ЦНС H

а0 ai

3i rr

a (2)

Su — Sh

H ='

'M Sb

00

где Sao, Sbo - индивидуальный фоновый спектр мощности альфа- и бетта-ритма; Sai, Sbi - текущий спектр мощности;

S — S

напряжение мышечной системы по Тр H5i =—Ti-(3)

S

To

где Бто - индивидуальный фоновый спектр мощности треморограммы; 8т -текущий спектр мощности.

напряжение психических процессов по скорости перемещения электрода

н „ = ^, (4)

о

где Уо - индивидуальная максимальная скорость движения электрода по исследуемой поверхности; V, - текущая скорость;

23

напряжение психических процессов по давлению на электрод

P - P

H, = , (5)

где Рго - индивидуальное минимальное давление на электрод, при котором не ухудшается эффективность дефектоскопии; Pri - текущее давление на электрод;

7

I AjHji

текущее напряжение н, =—, (6)

где j - номер контролируемого фактора; А- индивидуальный весовой коэффициент фактора.

Текущая эффективность деятельности при сканировании диагностируемой поверхности 31i оценивалась следующим образом. Вводится понятие диагностируемой площади Si, которая определяется как площадь плоской фигуры, в которую вписана траектория движения электрода. Текущая просканированная площадь оценивается как dSi=Si+1-Si.

Аналогично вычисляются dSu - непросканированная площадь; dSn -несколько раз просканированная площадь; dSd - с плохим качеством прижатия электрода.

Текущая эффективность 31i оценивается как

3 = dSt - dSн - dSп - dSd (7)

3 = dSt ' (7)

Второй параметр связан со скоростными показателями:

S - S

3 = S0-3L, (8)

э0

где S3a - индивидуальная оптимальная площадь просканированная электродом при оптимальной работоспособности.

Эффективность деятельности 33i при работе с ОУ дефектоскопа определяется как

33i = ^Гг, (9)

o

где То - индивидуальное оптимальное время выполнения соответствующего алгоритма; Ti - затраченное время.

Общая оценка текущей эффективности 3i вычисляется по формуле

3

I Bj3ji

3, = (10)

где Bj - соответствующие индивидуальные весовые коэффициенты.

Соотношение текущей эффективности 3, и напряжения Hi оценива-

н

ется по двум параметрам: по продуктивности - П, =—'-, по оценке принад-

3,

лежности события (Эь Н} к множеству, ограниченному диапазонами оптимальной эффективности [Этп, Этах\ и оптимального напряжения [Нтп, Нтах], индивидуальными для каждого оператора.

Оценка эффективности деятельности Э и психофизиологической цены деятельности Н, за определенный отрезок времени определялась как

N N

Э = IЭг , Н = . (11)

г=1 1=1

Отношение данных величин к индивидуальным характеристикам максимально возможных трудовых Эо и психофизиологических Но затрат характеризует степень использования психофизиологических ресурсов и соответствует развитию утомления оператора и

и = с1 Э+с2 Н, (12)

1 Э„ Н,

о о

где С\ и С2 - индивидуальные весовые коэффициенты.

Представленное описание текущих алгоритмов контроля ФС позволяет решить две основных задачи:

1. По параметрам продуктивности деятельности П и соотношению Э{ и Н оценить текущий уровень эффективности выполнения предписанных алгоритмов и тем самым прогнозировать возможное отрицательное их влияния на конечный результат операторской деятельности.

2. По результатам оценки текущих трудозатрат прогнозировать развитие процесса утомления, а по значению психофизиологической цены деятельности - текущее состояние здоровья.

Основная нагрузка на оператора определяется зрительно-моторной координацией [2,3], позволяющей соотносить скорость действий со скоростью восприятия информации с экрана, а также мыслительной деятельностью в процессе мысленной реконструкции образа объекта в трехмерном представлении. Для формирования такого образа необходимы высокие требования к уровню внимания, пространственному мышлению, оперативной и долговременной памяти.

Напряженность работы оператора определяется ответственностью за процесс деятельности и сложностью алгоритмов. Длительная работа (6...12 часов) приводит к развитию монотонии и (или) перенапряжению, проявляющемуся в снижении чувствительности ведущих анализаторов и нарушению зрительно-моторной координации. Монотония вызывается проведением однотипных операций. И наоборот, большое количество дефектов или их сложность приводит к быстрому утомлению анализаторов, снижению уровня внимания.

Эффективность работы оператора ультразвуковой диагностики зависит от ряда факторов. В таблице приведены типичные его операции и соответствующие им психологические характеристики.

Для обследования привлекались курсанты и специалисты Пензенского артиллерийского инженерного института. В ходе эксперимента регистрировались психофизиологические и профессиональные параметры деятельности.

Для контроля состояний центральной нервной системы (ЦНС) осуществлялась запись ЭЭГ монополярно со скальпа по двум каналам. Активные электроды располагались над симметричными пунктами зрительной коры мозга.

Сигналы ЭЭГ и ЭОГ усиливались биоусилителями при полосе пропускания 0,5...60 Гц.

Для контроля состояния вегетативной нервной системы регистрировались:

кривая внешнего дыхания - при помощи емкостного преобразователя, оценивающего изменение периметра грудной клетки или живота;

ЭКГ с усилением в 10000 раз при полосе пропускания 0,5...60 Гц.

Типичные операции оператора диагностики и соответствующие им психологические характеристики

№ п/п Рабочие операции Перечень основных психологических характеристик

1 Подготовка дефектоскопа к работе Долговременная память. Внимание.

2 Режим поиска дефектов Объем и концентрация внимания, распределение внимания между зрительным и двигательным анализаторами. Помехоустойчивость зрительного анализатора. Пространственно-двигательная ориентация. Устойчивость к психоэмоциональному напряжению, утомлению, мо-нотонии.

3 Режим исследования дефекта Чувствительность и помехоустойчивость зрительного анализатора. Объем и концентрация внимания. Зрительно-моторная координация. Оперативная память. Образное и логическое мышление.

4 Принятие решения Долговременная и оперативная память. Логическое и образное мышление. Уверенность в себе. Решительность.

5 Составление отчетных документов Долговременная память. Словесно-логическое мышление.

Для оценки двигательных реакций снимались: кривая изменения позы (СГ центра тяжести сидящего) - с помощью стабилографа, расположенного на сидении кресла под испытуемым;

кривая давления на электрод и тремора кистей рук - с помощью соответствующих датчиков, располагающихся на устройстве, имитирующем электрод дефектоскопа.

Физиологические параметры фиксировались и обрабатывались при помощи программы (рис. 3 - 4).

Логически Система состоит из независимых друг от друга программ, запускаемых на компьютерах Системы во многих экземплярах и предназначенных для четырех основных целей:

Интерактивного взаимодействия с оператором для моделирования его деятельности путем аудиовизуальной стимуляции и считывания действий оператора с помощью периферийных устройств (компьютерные мышь, клавиатура и другие устройства ввода информации). Такие программы назовем моделями стимуляции.

Обработки данных, полученных от других программ. Такие программы назовем процессорами. Данные могут быть получены от моделей стимуляции или от других процессоров.

Организации запуска, настройки и взаимодействия остальных программ для проведения эксперимента по определенной методике, включая получение выбранных экспериментатором параметров, сбор, обработку и хранение данных, визуализацию данных. Такие программы назовем экспериментами.

Организации передачи данных, такую программу назовем шиной данных.

Рис. 3. Принципиальная схема работы программ в составе системы

27

Перечисленные программы запускаются для проведения каждого эксперимента заново, причем программы «эксперимент» и «шина данных» запускается для этого в единственном экземпляре и эксперимент управляет запуском моделей стимуляции и процессоров. Одновременно может быть запущено несколько экспериментов, которые не взаимодействуют между собой.

Шина данных служит общим каналом связи между всеми программами, запущенными для одного эксперимента и она выполняет только 2 функции: сбор данных в виде последовательности сообщений от всех участвующих программ; передачу собранных данных в порядке поступления обратно всем программам, подключенным к шине.

Взаимодействие между программами осуществляется через передачу данных по шине данных или через механизм удаленного вызова процедур. Первый способ используется для собственно передачи данных для обработки и хранения, второй способ используется для управления: запуска, настройки, остановки программ.

Кроме перечисленных трех типов программ в составе Системы находятся сервер управления и обработки, сервер контроля и визуализации. Также на каждом компьютере в составе Системы запускается менеджер программ, позволяющий запускать другие программы по командам от эксперимента.

На рис. 3 показано взаимодействие программ в составе одного эксперимента и в составе Системы в целом. Видно, что запись данных организована отдельной программой-процессором, управляемой экспериментом.

Математический анализ результатов измерений включал в себя следующие процедуры.

1) Цифровая фильтрация входных данных методом скользящей средней по трем соседним точкам, либо полосовой фильтрацией при помощи БПФ.

2) Суммация единичных реализаций ЭЭГ и получение суммарных ВП. Эпоха анализа составляла 1000 мс после стимула и 100 мс до предъявления стимула.

3) Скользящая суммация вегетативных параметров по 10 реализациям.

4) Оценка сходства конфигураций вегетативных параметров в симметричных пунктах коры мозга по величине коэффициента корреляции.

5) Для анализа ритмических характеристик использовался спектральный анализ.

6) Для сравнения динамики величин исследуемых параметров строились гистограммы, вычислялись их средние значения и дисперсии.

Оценка текущих психических процессов проводилась по соотношению рабочей и конкурирующей мотивации (рис. 4).

Рис. 4. Общая схема работы программы-процессора

Оценка интегральных показателей уровня напряженности по конкретным параметрам за продолжительные интервалы времени, проводилась спектральным и гистограммным анализом соответствующих данных (ЯЯ-интервал, кривая внешнего дыхания, текущие величины спектров альфа- и бетта-диапазонов ЭЭГ и т.д.).

При интегральной оценке текущего ФС производилась проверка принадлежности интервала изменений величин Нь Эь и определенным заранее интервалам персонально для каждого оператора. Если они не выходили за данные границы, то текущее ФС рассматривается как нормальное.

Указанные в пункте - процессоры оформлены в виде двух программ: процессор интенсивности деятельности и процессор эффективности деятельности. Эти два процессора могут отличаться для разных видов деятельности оператора, но для многих экспериментов можно использовать один и тот же процессор. Основная задача этих процессоров - вычисление ключевых характеристик состояния оператора, их нормирование с учетом его психофизиологического портрета и пересчет полученных нормированных характеристик в интегральное значение интенсивности или эффективности.

Структура такого процессора показана на рис. 4 на примере процессора, рассчитывающего интенсивность работы оператора по физиологическим параметрам: частоте сердцебиения и дыхания.

•е-

А

С)

.........М-_______ : :

•

• • • > •

• « ■ %

-1 1 1

I

I

э.и 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Напряжение, у.е

оЧ

•е-

Г)

¿3

!

Э.О 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

Напряжение, у.е

Рис. 5. Варианты представления диаграммы распределения данных: слева - облако точек, справа - интерполяция

При контроле текущего функционального состояния (ТФС) в реальном времени при автоматическом обновлении текущего контекста на диаграмме с помощью черной стрелки отображается прогнозируемое перемещение ТФС (рис. 5).

Список литературы

¡.Гутянский Г.С., Мурашов A.A. Методика оценки функционального состояния операторов компьютеризированных рабочих мест образцов ВВТ ПВО (ВКО). В сборнике научно-методических материалов НИЦ ВКО (г. Тверь) ЦНИИ ВКО МО РФ, 2013.

2. Абрамов П.И., Есиков О.В., Мельник С.И., Филипченков В.И. Особенности модели автоматизированного рабочего места информацион-но-разведывательных средств// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 72 - 80.

3.Акиншин Р.Н., Анкудинов К.А., Мельник С.И. Исследование зрительно-двигательных возможностей человека на основе синтеза микроконтроллерных систем // Ж. Стратегическая стабильность №1(74), 2016. С. 34 - 40.

Акиншин Олег Николаевич, канд. техн. наук, нач. отдела, rts(cpcdbae.ru, Россия, Тула, Центральное конструкторское бюро агтаратостроения,

Мельник Сергей Иванович, старший преподаватель, rtsGpcdbae.ru. Россия, Тюмень, Тюменское высшее военно-инженерное командное училище

30

ALGORITHMS AND SOFTWARE FOR EXPERIMENTAL RESEARCH

ON THE EVALUA TION OF PROFESSIONALLY IMPORTANT QUALITIES OF THE OPERATOR OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS

O.N. Akinshin, S.I. Melnik

A scheme script control procedures and quality assessment activities and the current functional state of the operator of a complex technical system. The algorithm and software for experimental research on the evaluation of professionally important qualities of the operator of the STS.

Key words: operator, hardware and software, functional status, algorithm, program, computer workstation.

Akinshin Oleg Nikolayevich, candidate of technicale science, head of department, rts a cdhae.ru, Russia, Tula, JSC Central Design Bureau of Apparatus Engineering,

Melnik Sergey Ivanovich, senior lecturer, rts@,cdbae.ru, Russia, Tyumen, Tyumen higher military school

УДК 681.883

ОЦЕНКА ЭВРИСТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

О.Н. Акиншин, Ю.И. Вареница, К.А. Хомяков

Предложен эвристический алгоритм цифровой обработки сигналов на основе модификации медианного фильтра. Разработана схема скользящего интегрирующего фильтра, реализующего этот алгоритм с оценкой её эффективности и аппаратурных затрат применительно к радиокомандной линии.

Ключевые слова: алгоритм, фильтрация, сигнал, обнаружение.

Эвристические алгоритмы можно разделить на три класса: алгоритмы фильтрации, обнаружения и параметрической оценки сигналов. Алгоритмы фильтрации в свою очередь делятся на последовательные, под унитарный код, медианные (ранговые) и другие. Анализ эвристических алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) показывает, что в большинстве случаев эффективность их применения неочевидна, а нелинейность таких алгоритмов усложняет математический анализ [1 - 3].

Медианная фильтрация осуществляется посредством движения некоторой апертуры вдоль последовательности дискретных отсчетов и замены значения в центре апертуры медианой исходных значений отсчетов внутри апертуры. Медианой последовательности х\, х2, ..., хм, где N = (2к -1) - длина апертуры; к - натуральное число, большее единицы,

31