CC BY
15
Savin Ilya Vadimovich, master, ne@ilyasavin. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mikhalchenko Sergey Nikolaevich, master, magistr_tsu@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.3; 57.024
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА В ТРЕНАЖЕРЕ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
Н.Л. Коржук, А.Ф. Индюхин, Ю.В. Грачикова, Р.П. Лазуткин
Рассмотрена подсистема психофизиологического тренажера для работы оператора со сложным динамическим объектом, обеспечивающая случайные начальные условия и моделирование движения объекта в реальном времени.
Ключевые слова: электроэнцефалограмма, время реакции, сенсомоторная реакция.
Современные комплексы вооружения, предназначенные для борьбы со средствами нападения противника, как правило, имеют в своем составе автоматические системы, выполняющие задачи обнаружения, селекции, сопровождения и поражения целей. Вмешательство человека-оператора сведено к минимуму, однако от принятого им решения зависит очень многое. Современные технологии не снимают проблемы человеческого фактора, и даже более того - повышают риски и усугубляют последствия ошибок оператора. Формальное выполнение инструкций, предусматривающих все возможные ситуации, может привести к фатальным результатам из-за неготовности оператора к принятию адекватного решения. Примером принятия «формально правильного» решения может служить сброс управляющих стержней перед взрывом на Чернобыльской АЭС, вследствие чего произошло ускорение неуправляемой цепной реакции. Действия были своевременными, однако они не учитывали динамику прохождения стержня через активную зону. При отборе операторов совершенно необходимо всестороннее тестирование их профессиональной пригодности. Кроме времени реакции требуется оценить «чутье» ситуации, умение предвидеть развитие событий. Средства объективного контроля психологических и психофизиологических параметров работника [1, 2] дороги и требуют обслуживания и сопровождения квалифицированным специалистом. Имитация сложных систем на тренажерах требует значительных затрат и решает узкоспециализированные задачи [2, 3].
542
Предлагается психофизиологический комплекс (ПФК), сочетающий в себе диагностику психомоторной сферы оператора с оценкой степени его выносливости и предоставляющий ему возможность тренировки способности прогнозирования поведения динамической системы [4].
ПФК содержит стимулятор, формирующий визуальные воздействия на оператора, компьютерный электроэнцефалограф - регистратор электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и программное обеспечение, осуществлющее обработку поступающих сигналов.
В состав комплекса входит подсистема, моделирующая движение подвижного объекта (ПО), которым должен управлять оператор при помощи манипулятора «мышь».
Аппаратный состав комплекса может иметь два варианта:
1. Независимое исполнение стимулятора и энцефалографа.
2. Реализация программного обеспечения стимулятора, энцефалографа и математической обработки сигналов в едином программном блоке.
В первом случае необходимо согласующее устройство для синхронизации работы двух компьютеров. Минимально необходимо передавать на вход усилителя ЭЭГ момент появления визуального стимула.
Начало процесса задает оператор щелчком левой клавиши «мыши» (ЛКМ) по виртуальной кнопке «Старт» на экране.
По этому сигналу на экране в случайном месте появляется изображение ПО, при этом первоначальная его скорость имеет также случайную величину и направление.
Оператор перемещает курсор «мыши» (КМ) таким образом, чтобы изображение ПО переместилось в центр заданной зоны, которая выполнена в виде абриса танка условного противника.
До сведения оператора доводится, что команда, подаваемая на ПО, пропорциональна отклонению КМ от центра заданной зоны, причем выход за пределы линейной зоны (границы зеленой рамки) команду уже не увеличивает, она остается постоянной.
На рис. 1 показано положение оператора в процессе тренировки.
Рис. 1. Работа оператора с подсистемой тренажера
543
На рис. 1 показан вариант работы ПФК при независимом исполнении стимулятора, который может использоваться в качестве тренажера без подключения к ПФК.
Математическая модель ПО содержит уравнения летательного аппарата, управляемого аэродинамическими рулями [5]. Особенности динамики такой системы состоят в том, что отклонение рулей (управляющая команда) не приводит сразу к перемещению ПО. Возникающая на рулях подъемная сила благодаря их смещению относительно центра тяжести начинает разворачивать корпус относительно набегающего потока. Поскольку корпус чаще всего аэродинамически устойчив, разворот постепенно прекращается при наборе определенного угла, именуемого балансировочным. Пропорционально величине этого угла возникает подъемная сила корпуса, которая приложена к центру тяжести ПО. Под действием силы ПО приобретает ускорение, направленное к центру заданной зоны, при этом скорость нарастает пропорционально времени действия команды, а перемещение - пропорционально квадрату времени. С учетом случайных начальных условий оператор не сразу видит результат действия поданной им команды. Приобретенная ПО скорость может оказаться слишком велика, и даже при максимальной тормозящей команде он выходит за пределы заданной зоны. Процесс выведения приходится повторять вновь, но уже в более сложных условиях.
Подобную задачу приходилось решать операторам противотанковых комплексов первого поколения [6], и профессиональный отбор был очень жестким. Кандидат должен был уметь «предвидеть» поведение объекта управления и подавать дозированную тормозящую команду еще до того, как будет достигнуто заданное положение. В условиях действия автоматики чувство предвидения становится не таким актуальным, однако можно утверждать, что оператор с такими качествами покажет большую эффективность и в других экстремальных ситуациях.
В соответствии с положениями теории автоматического управления (ТАУ) [7], если оператор будет удерживать КМ точно на изображении ПО, устойчивое движение ПО не может быть обеспечено. В ТАУ такие системы называются структурно неустойчивыми. Оператор в данном случае выступает как звено с коэффициентом передачи, равным единице. Чтобы обеспечить «предвидение» (в терминах теории - фазовое опережение) и точность совмещения с заданной зоной, передаточная функция (ПФ) оператора Жо(р) должна иметь вид:
р) = (т р + 1)(г2 р +1) (1 + (Г3р + 1)(74р +1)' Т5р
где р - оператор преобразования Лапласа; Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 - постоянные времени.
Минимально необходимой для обеспечения устойчивости будет ПФ
Щ (р)
_ (Т р +1)
(1)
(Т2 р +1)
В формуле (1) значение Т1 определяется характеристиками ПО, вследствие чего оператор, возможности которого небезграничны, не сможет контролировать слишком подвижный объект. Важным является соотношение
Т1
п _ —,
Т2
именуемое разносом дифференцирующего фильтра. Максимальное фазовое опережение фт фильтра (1) будет определяться по формуле:
п -1
Рш _ =. 2л/ п
В соответствии с [7] приемлемые результаты по точности управления могут быть получены при п = 6. Траектории ПО с фильтром (1) вместо оператора приведены на рис. 2.
Рис. 2. Графики траекторий ПО в вертикальной (У) и горизонтальной плоскостях в зависимости от условного времени * при автоматическом управлении с разносом фильтра п = 6
Приведенная на рис. 2 траектория в процессе работы оператора с тренажером запоминается, причем сразу в двух вариантах - результат работы оператора и результат работы автоматической системы с фильтром (1). По окончании тренировочного сеанса рассчитываются характеристики работы оператора: точность (среднеквадратическое отклонение), время переходного процесса, величина перерегулирования и т.п. Сравнение двух траекторий позволит оценить ПФ оператора (обеспечиваемый разнос п и фазовое опережение фт).
В процессе работы оператор видит на экране не траекторию как функцию времени (рис. 2), а положение ПО в картинной плоскости У07 на фоне заданной зоны - рис. 3. Картина может представлена в режиме
545
воспроизведения всей предыдущей траектории, так и с отображением только мгновенного положения ПО. В первом случае наглядно оценивается точность управления (по завершении сеанса), во втором процесс ближе к реальной картине и облегчает оператору формирование команд управления.
Программное обеспечение тренажера представляет собой модуль, запускаемый оператором. Он содержит стационарную и циклическую часть. В момент запуска модуля подается сигнал на согласующее устройство, подающее синхронизирующий импульс на вход усилителя ЭЭГ. На энцефалограмме он отображается в лобном отведении и используется в дальнейшем как точка отсчета для определения параметров сенсорного и когнитивного ответа головного мозга на появившееся в поле зрения оператора изображения ПО. Время начала моторной реакции также фиксируется в моторной зоне коры. Время моторной реакции определяется также в программе тренажера - по изменению положения КМ.
Стационарная часть программы выполняется практически мгновенно - она содержит синтаксические операции - описание переменных и массивов, присвоение значений констант и переменных, рандомизация начальных условий для ПО, вывод на экран границ заданной зоны. В этой же части программы проводятся предварительные расчеты для повышения быстродействия циклической части и открытие файлов для вывода результатов сеанса.
Циклическая часть программного модуля выполняет численное решение дифференциальных уравнений динамики ПО и других динамических звеньев (электронной аппаратуры и электромеханического привода) и графическое отображение результатов их интегрирования.
Решение уравнений осуществляется в предположении, что шаг получения результата равен 1 мс. Производительность компьютера позволяет выполнить эти расчеты быстрее, поэтому обращение к циклической части программы происходит по таймеру, отсчитывающему заданное время шага.
У
г
Рис. 3. Траектория ПО в картинной плоскости У01
Для управления ПО на каждом шаге решения определяются координаты КМ, которые, после масштабирования и упомянутого ранее ограничения, подаются на модель ПО.
Для определения «динамических» характеристик оператора (сравнения с характеристиками фильтра (1)) параллельно решается дублирующая модель ПО. Разность между двумя траекториями может служить количественной оценкой профессиональной пригодности оператора. В случае отрицательного результата регистрация ЭЭГ позволит выявить основную причину - сниженная скорость когнитивных процессов, нарушенные параметры мышечного ответа или снижение скорости прохождения импульса по мышечным нервам. Для уточнения двух последних параметров обычный электроэнцефалографический шлем должен быть оснащен дополнительными электродами - рис. 4.
Рис. 4. Электроэнцефалографический шлем с передачей информации по радиоканалу и датчиками сокращения лицевых и глазных мышц
Таким образом, динамическая подсистема в психофизиологическом комплексе позволяет осуществлять первичный отбор человека-оператора по количественным параметрам отличия результата от требуемых характеристик.
Динамическая модель подвижного объекта требует от оператора предвидения его траектории при случайных начальных условиях, что позволяет сделать заключение о действиях тестируемого человека в других экстремальных ситуациях.
В независимом исполнении динамическая подсистема может быть использована в качестве тренажера для отработки тонкой моторики человека, если проверка его когнитивных процессов показала удовлетворительные результаты.
Список литературы
1. Комплекс для психофизиологических исследований компьютерный КПФК-99 «Психомат»: Руководство по эксплуатации - Российская Академия Медицинских Наук ВНИИ Медицинского Приборостроения, ЗАО «ВНИИМП-ВИТА», 2006. 100 с.
2. Дорохов В.Б. Арсеньев Г.Н. Захарченко Д.В. Лаврова Т.П. Тка-ченко О.Н. Дементиенко В.В. Психомоторный тест для исследования зрительно-моторной координации при выполнении монотонной деятельности по прослеживанию цели // Журнал Высшей Нервной Деятельности, 2011. Т. 6. № 14. С. 1 - 9.
3. Комплекс, компьютеризированный МБН-БОС1. Руководство пользователя. М.: Научно-медицинская фирма МБН, 2002. 21 с.
4. Коржук Н.Л., Поляков А.В., Индюхин А.Ф. Системный подход к диагностике и тренировке человека-оператора // Реальность - сумма информационных технологий: сборник научных статей Международной молодежной научно-практической конференции (8 - 10 сентября 2016 года / отв. ред. Разумов М.С.; Юго-Западный ун-т, Курск, 2016. С. 191 -195.
5. Афонин П.М. и др. Беспилотные летательные аппараты / Под ред. Л.С. Чернобровкина. М.: Машиностроение, 1967. 440 с.
6. Ангельский Р.Д. Отечественные противотанковые комплексы: Иллюстрированный справочник. М.: Издательский дом Астрель, 2002. 192 с.
7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. М.: Профессия, 2007. 752 с.
Коржук Николай Львович, канд. техн. наук, доцент, nikolaikorzhuk@,mail. т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Индюхин Алексей Федорович, канд. биол. наук, доцент, ind_a_f@mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Грачикова Юлия Вячеславовна, преподаватель, lemonic@mail.т, Россия, Тула, Тульское суворовское военное училище МО РФ,
Лазуткин Роман Петрович, магистрант, ind_a_f@mail.т, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DYNAMIC SUBSYSTEM IN A HUMAN OPERATOR SIMULATOR N.L .Korzhuk, A.F .Indyukhin, Y. V. Grachikova, R.P. Lasutkin
The article describes the subsystem of the psycho-physiological simulator for the operator to work with a complex dynamic object, providing random initial conditions and modeling the movement of the object in real time.
Key words: electroencephalogram, reaction time, sensorimotor reaction.
Korzhuk Nikolay Lvovith, candidate of technical science, docent, nikolaikor-zhuk@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Indyukhin Alexey Fedorovith, candidate of biological science, docent, ind_a_f@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Grathikova Yulia Vyatheslavovna, teacher, lemonic@,mail. ru, Russia, Tula, Tula Su-vorov military school,
Lasutkin Roman Petrovith, master, ind_a_f@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
