CC BY
16
УДК 331.015.1
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАКЦИИ ОПЕРАТОРА СЛОЖНОЙ
ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОЙ СИСТЕМЫ НА ТЕКУЩУЮ СИТУАЦИЮ В УСЛОВИЯХ ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКИ
О.В. Есиков, В.В. Сигитов, А.И. Ковинько, А.Е. Романюта
Даны результаты экспериментальной оценки вероятностных и точностных характеристик действий операторов сложных технических систем. Определено влияние функционального состояния оператора на качество принимаемых им решений. Рассмотрены случаи традиционного и альтернативного способа решения задач слежения за объектами фоновой обстановки различной сложности.
Ключевые слова: человеко-машинная система, оценка действий оператора.
Эффективность сложных технических систем (комплексы воздушного, водного, наземного транспорта, комплексные системы контроля и управления технологическими процессами, комплексы высокоточных систем вооружения, системы контроля и охраны объектов и территорий), функционирование и эксплуатация которых осуществляется с участием человека, во много определяется качеством выполнения своих функций оператором этих систем.
Целью исследований была экспериментальная оценка вероятностных и точностных характеристик работы операторов сложных человеко-машинных систем в процессе выполнения практических задач. В качестве примера рассматривалось решение оператором задач обнаружения и сопровождения объектов на фоно-целевой обстановке с учетом сложных по-меховых условий.
При проведении экспериментов достаточно выявить зависимости Р(1/1) - вероятности правильного обнаружения объекта оператором и Р(0/0) - вероятности принятия решения об отсутствии объекта, как функций времени экспозиций и характера фоновой обстановки.
Неправильные действия оператора оцениваются вероятностями Р(1/0) - вероятность пропуска объекта слежения оператором и Р(0/1) - вероятность ложной тревоги, как функций времени экспозиций и характера фоновой обстановки. Кроме того, определялись статистические характеристики времени ответной моторной реакции ?мр (времени принятия решения) в зависимости от времени экспозиции ^ и ситуации правильных или неправильных ответов, а также вариантов фоновой обстановки.
В качестве характеристики обстановки был принят коэффициент сложности, определяемый для помеховых пятен из зависимости [1 - 3]:
т
X 3
К л = 1св2
3ц
где т - количество помеховых пятен в поле зрения; 8 - площадь помехо-вого пятна; 8ц - средняя видимая площадь, ограниченная контуром объекта.
На рис. 1 представлены полученные зависимости вероятностей обнаружения объектов оператором от времени экспозиции при различных ситуациях для двух вариантов фоновой обстановки.
Рис. 1. Зависимость вероятностей обнаружения объекта от времени экспозиции: а - простая фоновая обстановка (топ ~ 0,17 с при Ксл ~ 0); б - сложная фоновая обстановка (топ ~ 0,33 с при Ксл ~ 6);
1 - (1/1) ; 2 - (0/0)
Модель вероятностной характеристики оператора, работающего в условиях дефицита времени представлялась в виде [4]
Роб = Ро (Ксл )[1 - ехр(- tэ/t(Kсл))], (1)
где т(0) = 0,17 с и т(6) = 0,33 с, Р0 - вероятность успешной работы при начальном уровне подготовки оператора, топ - время работы оператора, т(Ксл) - зависимость времени работы оператора от сложности фоновой обстановки.
Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что вероятности правильных положительных ответов Р(1/1) и отрицательных Р(0/0) нарастают до определенной установившейся величины и далее практически не изменяются при увеличении времени экспозиции. Уровень Ро(Ксл), на который выходит функция Р^э), зависит от коэффициента сложности Ксл.
Из рисунков видно, что Ро(0) = 0,9 и Р0(6) ~ 0,6 - величины средне*
квадратических отклонений о* оценок вероятностей Р^э) в интервале 0,3 < и < 2,5 сохраняются практически постоянными и несколько увеличиваются при и < 0,3, причем при Ксл = 0 уровень ор ~ 0,18, а при
Ксл = 6 - о* ~ 0,22.
Результаты регистрации времени ответной моторной реакции при определенном времени экспозиции в двух разных по сложности ситуациях представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость времени ответной моторной реакции от времени экспозиции (кривые зеленого цвета относятся к сложной фоновой обстановке Ксл = 6, кривые черного цвета соответствуют Ксл = 0): а - зависимость оценки математического ожидания времени ответной реакции !мр (1э); б - зависимость оценки среднеквадратического отклонения времени ответной реакции ог (1э);
1 - (1/1); 2 - (0/0); 3 - (1/0); 4 - (0/1)
Из рис. 1 и 2 следует:
1) время tмp для всех ситуаций при разной помеховой обстановке зрительного поля возрастает от времени экспозиции и;
2) начальные уровни tмp зависят от коэффициента Ксл;
3) время для правильных отрицательных ответов на 16-18% в среднем больше, чем для правильных положительных;
4) среднеквадратические отклонения м можно принять, как постоянные и независящие от tэ, для Ксл = 0 уровень ot ~ 0,3 с, а при Ксл = 6 - ot ~ 0,6 с.
Анализ полученных результатов экспериментальной оценки вероятностных характеристик действий оператора позволил сделать следующие выводы.
1. Вероятность обнаружения объектов увеличивается с увеличением времени экспозиции до некоторого постоянного уровня Р0, величина которого определяется сложностью фоновой обстановки, которая количественно может быть охарактеризована введенным в работе коэффициентом сложности.
2. Зависимость вероятности обнаружения хорошо аппроксимируется выражением (1), причем постоянные т зависят от сложности фоновой обстановки и составляют соответственно 0,17 с для простой обстановки (Ксл ~ 0) и 0,33 с (Ксл ~ 6).
3. Время принятия решения об обнаружении объекта аппроксимируется выражением (2) и зависит от времени экспозиции и коэффициента сложности фона.
4. Время, затраченное на верные отрицательные ответы на 16-18% больше, чем время, которое требуется испытуемым на верные положительные ответы при одном и том же времени экспозиции.
151
5. Время принятия ошибочных решений в среднем превышает время на формирование правильных решений об обнаружении в условиях дефицита времени.
Результаты исследования точности работы операторов в зависимости от значения коэффициента передачи привода кпр (£пр е [0.01,0.1] с ) в
условиях воспроизведения утомления и психологического стресса приведены в табл. 1.
Таблица 1
Изменение точностных показателей выполнения задания группы испытуемых в зависимости от условий работы и величины кпр_
Значение кпр Условия деятельности Значение с™ /осл о
По курсу По тангажу
0,01 Стресс 1,432 1,611
Утомление 1,694 1,823
0,05 Стресс 1,276 1,244
Утомление 1,378 1,469
0,01 Стресс 1,137 1,160
Утомление 1,191 1,249
Характеристики точности выражены отношением среднеквадрати-ческого значения ошибки совмещения индикаторной метки с объектом при фиксированном значении кпр в условиях загрузки, к среднеквадратическо-му значению ошибки слежения осл 0 в нормальных (отсутствие утомления и стресса) условиях. Значения осл в конкретных условиях работы получены посредством осреднения реализации задания по всей группе испытуемых
[4].
На рис. 3 представлена зависимость изменения точности слежения за объектом о^ по курсу и тангажу в условиях стресса и утомления относительно точности при нормальных условиях работы (осл 0) в зависимости от значения к
пр
ч
X —._
0,00 0.02 0.04 0.06 0,08 0.10 0.12 0.14
- в условиях психологического стресса (ошибки по курсу);
- - в условиях психологического стресса (ошибки по тангажу);
- - в условиях утомления при сдвиге режимов работы (ошибки по курсу);
- - в условиях утомления при сдвиге режимов работы (ошибки по тангажу)
Рис. 3. Зависимость ошибок слежения (осл*/осл о) по курсу и тангажу от значения кпр
152
На рис. 4 показана графическая зависимость относительного изменения точности слежения Аосл для различных кпр (Аосл = осл (0,01 < кпр
< 0,1)/ осл при кпр = 0,01) в условиях стресса и утомления (осл) и при нормальных условиях работы (осл 0) в зависимости от значения кпр.
"ел
3
0 0,04 0,08 0,12 1-пр
--в условиях психологического стресса (ошибки по курсу);
- в условиях психологического стресса (ошибки по тангажу);
--в условиях утомления при сдвиге режимов работы (ошибки по курсу);
-- в условиях утомления при сдвиге режимов работы (ошибки по тангажу);
— ■ - в нормальных условиях работы (ошибки по курсу); ---- в нормальных условиях работы (ошибки по тангажу)
Рис. 4. Зависимость относительного изменения точности слежения Аасл от значения кпр для различных условий работы оператора
В табл. 2 представлены данные об изменении относительных показателей функционального состояния (ФС) операторов при работе в нормальных условиях, условиях утомления и стресса при фиксированном значении кпр. Показатели ФС оператора в процессе деятельности выражены изменением осредненных по всей группе испытуемых показателей частоты пульса (ЧП) и частоты дыхания (ЧД) относительно замеров на уровне общего физиологического фона (ЧПф, ЧДф) [4,5].
Таблица 2
Изменение показателей ФС оператора при работе в нормальных _ условиях, условиях стресса и утомления_
Относительные показатели ФС Обнаружение объекта Слежение за объектом Окончание работы
Норма Утомление Стресс Норма Утомление Стресс Норма Утомление Стресс
ЧП/ЧПф 1,108 1,112 1,186 1,263 1,298 1,368 1,124 1,252 1,296
ЧД/ЧДф 1,073 1,076 1,133 1,192 1,245 1,340 1,068 1,080 1,071
Из рис. 3, 4 и табл. 1, 2 видно следующее.
1. В условиях высокой психофизиологической загрузки операторов, обусловленной предварительно вызванной усталостью вследствие лишения сна, сдвигом режимов труда и отдыха в зону пессимума работоспособности, работой в условиях стресса, точность работы существенно снижает-
153
ся. Среднеквадратическое значение ошибки совмещения индикаторной метки с объектом в этом случае возрастает в 1,5-2 раза по сравнению с нормальными (работа в зоне оптимума работоспособности, без воздействия стресс-факторов) условиями работы.
2. Снижение точности слежения за объектом в условиях имитации реальной психофизиологической загрузки операторов наблюдается в широком диапазоне изменения динамических характеристик управляемой системы. Так, десятикратное изменение коэффициента кпр (от 0,01 с-1 до 0,1 с-1) в обычных условиях влечет за собой изменение среднеквадратического значения ошибки слежения в среднем в 3 раза, в то время как в условиях повышенной нагрузки она изменяется в среднем в 2 раза.
3. Зависимость ошибок слежения от коэффициента передачи привода наиболее ярко выражена в случае работы оператора в состоянии утомления, чем в состоянии стресса, и имеет более высокую составляющую скорости их появления.
4. Точность слежения за объектом по курсу и тангажу несколько различается (положение кривых на рис. 3-4), причем различия более существенны с уменьшением значения кпр. Действия оператора наиболее скоординированы в курсовой плоскости.
5. ФС операторов отражает их текущую профессиональную работоспособность. Оценка ФС операторов на определенных стадиях работы по результатам регистрации частоты пульса имеет остаточную инертность по отношению к изменениям частоты дыхания.
Для оценки результатов деятельности операторов при выполнении задач обнаружения и слежения за движущимися объектами были выделены две фазы: дискретного слежения (действия до первого точного совмещения индикаторной метки с объектом) и непрерывного слежения (дальнейшие действия по удержанию метки на объекте). Эти этапы деятельности представлены на пространственно-временной развертке управления индикаторной меткой объекта относительно контура объекта операторами 1-й и 2-й подгрупп (рис. 5).
Как видно из рис. 5, временное распределение фаз дискретного и непрерывного слежения для исследуемых способов решения задачи имеет существенное различие. Если в исполнительных действиях оператора «традиционным» способом слежения (подгруппа 1) фаза непрерывного слежения занимает большую ее часть (80 ... 90 % от продолжительности движения объекта), то при «альтернативном» способе решения задачи (подгруппа 2) эта фаза приходится на последние 2-3 секунды движения объекта, а фаза дискретного слежения длится большую часть времени.
При более детальном рассмотрении фазы дискретного слежения в ней можно выделить несколько временных стадий, характеризуемых следующими основными параметрами [2, 3]:
Тлат - латентный период (от начала движения объекта до начала движения руки оператора);
Тразг - время разгона по скоростной кривой (от начала движения руки до набора ею максимальной скорости);
Тторм - время торможения по скоростной кривой (от момента, когда скорость максимальна, до момента первого совпадения скорости руки и объекта).
I - фаза дискретного слежения; II - фаза непрерывного слежения;
— - решение задачи слежения за объектом «традиционным» способом (ошибка по курсу);
- решение задачи слежения за объектом «традиционным» способом (ошибка по тангажу);
— - решение задачи слежения за объектом «альтернативным» способом (ошибка по курсу); ..... - решение задачи слежения за объектом «альтернативным» способом (ошибка по тангажу)
Рис. 5. Пространственно-временная развертка управляющих действий оператора по совмещению метки с контуром объекта
Проведенный анализ исполнительных действий испытуемых операторов в ходе эксперимента показал следующее.
1. При слежении за высокоскоростным (и2) объектом у всех испытуемых подгруппы были зарегистрированы незначительные изменения значений Тразг, уменьшение времени Тлат и значительное снижение Тторм. Величина ошибки в конце стадии торможения при малой скорости объекта и1 в 1,5 раза больше, чем при скорости и2. Отмеченная динамика позволяет констатировать, что параметры управляющих движений руки оператора наиболее эффективны на большей скорости движения объекта.
2. Анализ значений параметра «среднее положение» и знака ошибки осл показал, что на большей скорости и2 движения объекта перемещаемая оператором индикаторная метка «не обгоняя, преследует» объект. На малой скорости и1 метка несколько «обгоняет» объект, упреждая его положение.
3. Абсолютная величина параметра «среднее положение» и среднее значение знака ошибки осл позволяют судить о точности работы оператора в процессе непрерывного слежения. Обобщенную оценку точности слежения оператором за объектом можно выразить через коэффициент управления
Т
К у = Тц ,
у т
где Тц - время, в течение которого индикаторная метка находится на объекте; Т -общее время наведения и удержания метки на объекте.
При уменьшении скорости движения объекта наблюдалось увеличение коэффициента управления Ку (на низких скоростях движения объекта точность удержания оператором метки на объекте будет выше, что повышает вероятность решения задачи).
При реализации операторами «Альтернативного» способа решения задачи (подгруппа 2) выявлены следующие особенности.
1. В действиях испытуемых предложенным способом фаза дискретного слежения может быть так названа лишь условно, поскольку она существенно отличается от дискретного слежения. Волновой характер управляющих движений руки у большей части испытуемых зарегистрирован не был. Оператор отводит себе достаточно времени Т', чтобы плавным движением руки привести индикаторную метку в прогнозируемую им точку встречи объекта управления в нужный конечный момент времени. На фазу непрерывного слежения отводится время Т^2-3с) = Т - Т, значение которого будет оптимальным при Т^2-3с) = 2.3 с до окончания общего времени наведения Т метки на объект (завершения времени решения задачи).
2. Оценки операторов подгруппы 2 по результатам выполнения задач, выраженные в критериях «коэффициент управления», «среднеквадратичная ошибка слежения», значительно ниже оценок операторов подгруппы 1. Однако, оценка деятельности на основе отмеченных критериев не может гарантировать конечного факта решения задачи. Более прогностич-ной будет оценка на основе дополнительного критерия Ку(2с) - «коэффициент управления в последние 2 секунды» [5].
На рис. 6 представлены графики результатов выполнения операторами обеих подгрупп пространственно-временной задачи.
р 0.9 -
'-ч Г-1 Ч ч ч. у
0.7 -0.6 -0,5 -0.4 -0.3 -0,2 - 1 гН А И г- 1 с— 1 —1 1 « г"'
> 9 Г-*
1 У / I-! ,---- н с—1
И И 5 10 15 20 25 Л 1--при слежении за малоскоростным объектом «традиционным» способом; к--при слежении за высокоскоростным объектом «традиционным» способом; |--при слежении за малоскоростным объектом «альтернативным» способом; к--при слежении за высокоскоростным объектом «альтернативным» способом
Рис. 6. Графики результатов выполнения пространственно-временной задачи
156
Использование в алгоритме работы «альтернативной» стратегии слежения за объектами требует от оператора развитого «чувства времени» [4]. Развить это качество при выполнении пространственно-временных задач «традиционными» методами удержания индикаторной метки на объекте (первым способом) довольно сложно.
В подгруппе 1 рост количества промахов незначителен, и может быть связан с возникновением монотонии в действиях испытуемых [4].
В подгруппе 2 рост количества промахов возможно объяснить трудностями, вызванными совмещением фактическых и расчетных параметров движения объектов.
При переходе от простой фоно-целевой обстановки (задачи 1-15) к сложной (задачи 16-25) выявлено значительное падение качества деятельности операторов по решению задачи в подгруппе 1. В подгруппе 2 падение качества деятельности незначительно. Такие изменения связаны со спецификой способов обнаружения и сопровождения объектов, эффективность применения которых определяет степень сложности фоно-целевой обстановки.
Выводы. Вероятность обнаружения операторами объектов в поле зрения увеличивается с ростом времени экспозиции и определяется сложностью фоновой обстановки, которая количественно может быть охарактеризована введенным в работе коэффициентом сложности фона.
В условиях высокой психофизиологической загрузки оператора, обусловленной предварительно вызванной усталостью вследствие лишения сна, сдвигом режимов труда и отдыха в зону пессимума работоспособности, работой в условиях стресса, точность его работы существенно снижается.
Снижение точности слежения оператором за объектами в условиях психофизиологической загрузки наблюдается в широком диапазоне изменения динамических характеристик управляемой системы. Различия в точности слежения за объектом по курсу и тангажу более существенны при меньших значениях коэффициента передачи привода слежения. Действия оператора наиболее скоординированы в курсовой плоскости.
Эффективность каждого из выбранных оператором способов выполнения пространственно-временной задачи зависит от ряда факторов. Так, на вероятность выполнения пространственно-временной задачи «альтернативным» способом существенное влияние оказывает общее времени наведения метки на объект, в то время как для решаемой «традиционным» способом задачи слежения это влияние относительно менее существенно.
При решении задачи слежения «альтернативным» способом имеются очевидные преимущества, наиболее ярко проявляющиеся в затрудненных условиях слежения.
Список литературы
1. Гордеева Н.Д., Девишвили В.М., Зинченко В.П. Микроструктурный анализ исполнительной деятельности. М.: ВНИИТЭ, 1975. 205 с.
157
2. Коротеев Г. Л. Исследование сенсомоторной деятельности оператора в ситуации преследующего слежения // Проблемы психологии и эргономики. 1999. Вып. 1. С. 46-51.
3. Багрова Н.Д. Фактор времени в восприятии человека. Л: Наука, 1980. 96 с.
4. Брандт З. Анализ данных. Статистические вычислительные методы для научных работников и инженеров. М.: Мир, 2003. 687 с.
5. Сигитов В.В. Автоматизированные обучающие системы для профессиональной подготовки операторов управляемого вооружения. Тула: ТулГУ, 2009. 256 с.
Есиков Олег Витальевич, д-р техн. наук, профессор, главный специалист, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппарато-строения»,
Сигитов Виктор Валентинович, д-р техн. наук, советник генерального директора, cdhaea cdhae.ru, Россия, Тула, АО ««Центральное конструкторское бюро аппа-ратостроения»,
Ковинько Андрей Иванович, заместитель начальника отдела, cdhaeacdhae.ru, Россия, Москва, Главное управление вооружения Министерства Обороны РФ,
Романюта Александр Евгеньевич, начальник, cdhaeacdhae.ru, Россия, Москва, 46-й Центральный научно-исследовательский институт Министерства Обороны РФ
ANALYSIS OF THE RESULTS OF EXPERIMENTAL STUDIES OF THE REACTION OF THE OPERATOR OF A COMPLEX HUMAN-MACHINE SYSTEM TO THE CURRENT SITUATION IN A JAMMING ENVIRONMENT
O.V. Yesikov, V.V. Sigitov, A.I. Kovinko, A.E. Romanyuta
The results of experimental evaluation of prohahilistic and precision characteristics of actions of operators of complex technical systems are given. The influence of the operator's functional state on the quality of its decisions is determined. Cases of traditional and alternative methods of solving prohlems of tracking ohjects of hackground environment of various complexity are considered.
Key words: human-machine system, evaluation of operator actions.
Esikov Oleg Vitalievich, doctor of technical sciences, professor, chief specialist, cdhaeacdhae.ru, Russia, Tula, JSC «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»,
Sigitov Viktor Valentinovich, doctor of technical sciences, advisor to the general director, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tula, JSC «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»,
Kovinko Andrey Ivanovich, deputy head of department, cdhaeacdhae. ru, Russia, Moscow, Main Armament Directorate of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Romanyuta Aleksandr Evgenievich, head, cdhaeacdhae.ru, Russia, Moscow, 46th Central Scientific Research Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation
УДК 621.396.4
НОВЫЕ ВИДЫ ЗАЩИЩЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИГРАНИЧНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ АНТЕНН ДЕКАМЕТРОВОГО И МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН ДВОЙНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Д.А. Антропов, О.Ю. Перфилов, В.Е. Фидельман
Обоснована актуальность разработки новых конструкций широкополосных пластинчатых антенн декаметрового и метрового диапазона длин волн, размещенных у границы раздела разнородных сред. Предложены технические решения, позволяющие улучшить электрические характеристики и защищенность перспективных пластинчатых антенн, размещенных в районах (зонах) с экстремальными условиями эксплуатации.
Ключевые слова: приграничные пластинчатые антенны, дублет-антенны, коэффициент усиления, коэффициент бегущей волны, диапазонные свойства, радиоэлектронные средств, электромагнитная совместимость.
В настоящее время в нашей стране уделяется значительное внимание развитию труднодоступных районов в целях разведки и освоения полезных ископаемых, нефти, газа и биоресурсов, освоения новых транспортных путей и решения других важнейших народнохозяйственных задач. Для обеспечения решения этих задач развивают информационно-телекоммуникационные системы для управления удаленными объектами специального и гражданского назначения. Очевидно, что в сложных природно-климатических условиях удаленных регионов значительная часть каналов связи систем управления объектами, размещенных на этих территориях, будет реализована на каналах радиосвязи различных диапазонов длин волн [1-3].
Актуальными становятся задачи обеспечения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) множества радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения, эффективного использования, выделенного ограниченного радиочастотного ресурса и высокой степени физической защиты применяемых антенно-фидерных устройств [4, 5]. Основной целью проведенного исследования является разработка защищенных конструкций коротковолновых широкополосных пластинчатых дублет - антенн (ДА), размещенных у границы материальных сред «воздух - земля».
Общая задача синтеза новых видов антенн заключается во взаимоувязанном решении двух частных задач:
разработка перспективных конструкций антенн У, обеспечивающих максимальное значение коэффициента усиления антенны Ga в требуемом интервале частотного диапазона ЛЕ, антенны;
разработка перспективных конструкций антенн У, обеспечивающих максимальное значение коэффициента бегущей волны антенны Ка в требуемом интервале частотного диапазона антенны.
