Экспериментальный компьютерный стенд исследования деятельности человека-оператора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пьявченко О Н. Проектирование локальных микрокомпьютерных систем. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 238 с,

2. Кругляк К. Промышленные сети: цели и средства// СТА, 2002. № 4. С.6-10.

3. Зьшь С.Н. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике. - 2-е изд. перераб. и доп. - Спб: БХВ. - Петербург, 2004. - 92 с.

4. Васильев В.В., Гоездов Г.И., СимакЛ.А. и др. Моделирование динамических систем: Аспекты мониторинга и обработки сигналов / Под ред. В.В.Васильева. - Киев: НАН Украины, 2002. - 344 с.

5. Дроф Р., Бишон Р. Современные системы./ Пер. с англ. Б.И.Копылова. -М.: Лаборатория базовых знаний, 2002,- 832 с.

6. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению "Системный анализ и управление". - 3-е изд., перераб. и доп. - Спб: Изд-во политех, ун-та, 2005. - 520 с.

7. Пьявченко О.Н. Интеллектуальные датчики физических величин - перспективные базовые компоненты распределенных микропроцессорных систем управления и наблюдения. Известия ТРТУ № 3(32). - 2003.

8. Пьявченко О.Н., Педошенко А.М., Пцарева М.М. Распределенные интеллектуальные микрокомпьютерные системы: Учебное пособие. Под ред. О.Н.Пьявченко. - Таг анрог: Изд-во ТРТУ, 2004. - 118 с.

9. Семейство микроконтроллеров MSP430// http://www.ti.com .

В.ГЛи, В.Н.Сапрунов, А.Н.Сидоров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ СТЕНД ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

Актуальность изучения психофизиологических состояний (ПФС) определяется их вкладом в обеспечение эффективности деятельности и надежности человека, а также увеличением количества профессий и изменением условий труда, когда психофизиологические возможности человека становятся определяющими. Данные психофизиологических исследований в сочетании с психологическими методами обусловили исследования ПФС, выделив их в отдельный предмет исследования.

Важность психофизиологического анализа деятельности специалисгов-операгоров в сложных управляющих системах - наиболее актуальное направление современного психоанализа. В связи с тем, что содержанием подобной деятельности является прием информации, ее переработка и принятие решения, функциональные изменения, происходящие в организме человека, отражаются преимущественно не в изменениях вегетативных процессов, а в динамике изменений характеристик центральной нервной системы.

Общие требования к программам тестирования ПФС человека-оператора

Человек-оператор рассматривается как совокупность взаимосвязанных подсистем, в качестве которых выступают физиологические и функциональноповеденческие подсистемы организма, которые кроме качественного выполнения своих функций обязаны поддерживать некоторый уровень общего ресурса системы, сохранение которого позволяет системе оставаться жизнеспособной. Взаимосвязь между подсистемами является динамически изменяющейся как следствие воздействия одной подсистемы на другую подсистему, так и вследствии необходимости принятия компромиссных соглашений относительно качества

выполнения отдельных функций в зависимости от уровня системного ресурса и важности функций в каждый текущий момент времени.

Основные понятия классической психофизиологии, которые являются базовыми при построении тестирующих сред экспериментальных исследований:

■ память - процесс сохранения прошлого опыта, делающий возможным его повторное использование в деятельности и возвращение в сферу сознания;

■ запоминание - обобщенное название процессов, обеспечивающих удержание материала в памяти;

■ забывание - процесс, характеризующийся постепенным уменьшением возможности припоминания и воспроизведения того, что только что или ранее запомнилось;

■ сохранение - психический процесс, противоположный забыванию;

■ воспроизведение - вид памяти, предполагающий восстановление и реконструкцию прошлого опыта и построения соответствующих ему представлений;

* объём кратковременной памяти - 5-9 цифр, букв или форма (название) 5-9 предметов.

■ внимание - это сосредоточенность и направленность активности человека на что-либо, имеющее то или иное значение для него.

Виды внимания:

* произвольное - носит отчетливо выраженный, сознательный, волевой характер и наблюдается при преднамеренном выполнении какой-либо деятельности;

■ непроизвольное - возникает непреднамеренно, без каких-либо специальных усилий.

Свойства внимания:

■ устойчивость -степень и длительность сосредоточенности сознания;

■ переключаемость - преднамеренный переход от одного объекта внимания к другому, который в данный момент оказывается теснее связанным с потребностями, привычками человека, с требованиями, предъявляемыми ему условиями общественной жизни;

■ распределяемость - возможность одновременно выполнять два или несколько видов деятельности;

■ объем - количество объектов, воспринимаемых одновременно;

* концентрация - это степень сосредоточенности сознания на определенном объекте, интенсивность связи с ним;

■ мышление -социально обусловленный, неразрывно связанный с речью психический процесс поиска и открытия существенно нового, процесс опосредствованного и обобщенного отражения действительности в ходе её анализа и синтеза.

Ригидность мышления - неспособность самостоятельно находить выход из неожиданных ситуаций и принимать оригинальные решения.

■ мотив - это побуждение к совершению поведенческого акта, порожденное системой потребностей человека и с разной степенью осознаваемое либо неосознаваемое им вообще;

■ профессия - основной род занятий, трудовой деятельности;

■ труд - целесообразная деятельность человека, направленная на создание с помощью орудий производств материальных и духовных ценностей.

Объект труда - явление, предмет, на который направлена чья-нибудь деятельность, чьё-нибудь внимание. Предмет труда - то, на что направлена мысль, какое-нибудь действие, объект.

Архитектура компьютерного стенда моделирования деятельности человека-оператора

На рис. 1 представлена структурная схема стенда, обеспечивающего измерение эффективности деятельности и параметров ПФС человека-оператора в процессе исполнения профессиональной деятельности. Стенд представляет собой человекомашинный комплекс с элементами искусственного и гибридного интеллекта.

ПРО/ -РЛММІІЛЯ СРРДА ТЕСТИРОВАНИЯ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ «ИДЕАЛЬНЫЙ ОПЕРАТОР*

ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

|ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА|

Среда искусственного интеллекта

Сигналы обратной связи

Биологическая обратила связь Индуктивная обратная саяэь

Подсистема сбора и обработки статистических данных экспериментов

К подсистеме формирования моделей деятельности оператора человеко-машинных

Рис. /. Структурная схема экспериментального компьютерного стенда для исследования функционального состояния человека-оператора

Основные функциональные параметры программы.

Ненастраиваемые (предусмотрены для отладки программы):

• количество цветов (по умолчанию - 7 цветов радуги);

• количество форм фигур (по умолчанию - 4: пирамида, сфера, цилиндр,

куб);

• подложка (например, звездное небо; небо/земля с линией горизонта);

• частота порождения целей в сеансе (от 5 до 30 в секунду);

• координаты точек на граничной сфере (порождения) целей задаются случайным образом;

• координаты точек на граничной сфере исчезновения целей задаются случайным образом на противоположной (относительно точки порождения) половине граничной сферы сцены;

• звуковое сопровождение каждой из целей, начиная с момента порождения и заканчивая моментом ее исчезновения (или уничтожения), различное по частоте для каждой из 28 типов целей. Сила звука зависит от дистанции наблюдения;

• звук факта уничтожения цели - уникальный, единый для всех целей;

• размеры прицела - масштабируемые.

Настраиваемые инструктором перед сеансом испытаний (условия испытания):

• цвета: очень низкая сложность - все 7; низкая сложность - 1 любой или 6 последовательных; средняя сложность - 2,3 последовательных; высокая сложность - 4, 5 последовательных из 7 возможных;

• форма: очень низкая сложность - все 4; низкая сложность-1 из 4-х; высокая сложность - 2 из 4-х; средняя сложность - 3 из 4-х;

• скорость движения целей: низкая - (515 м/с); средняя - 15-35 м/с); высокая - (35-50 м/с);

• частота порождения целей (в секундах): низкая - до 5; средняя - до 15; высокая - до 30;

• время сеанса: короткое - 1-2 мин. - 1 тестирующий цикл; среднее - (8-10 мин - до 4-5 тестирующих циклов с условными переходами на другие уровни сложности и мотивации; большое - свыше 5 тестирующих циклов с условными переходами на другие уровни сложности и мотивации; заведомо неограниченное с наивысшей степенью текущей и отложенной мотивации;

• указатель задаваемого диапазона испытания по цвету;

• указатель задаваемого диапазона испытания по форме;

• маркер текущего состояния испытания по цвету (включен/выключен);

• маркер текущего состояния испытания по форме (включен/выключен);

• помехи: визуальные; звуковые; функциональные.

Структура рабочего окна программы (интерфейс оператора) представлена на рис. 2.________________________________________________________________

Рис. 2. Компоновочная схема рабочего поля тестирующей программы

Функция подсчета текущего результата в баллах осуществляется в автоматическом режиме на основе интегральной оценки, соответствующей внешней оценке деятельности оператора.

При старте программы на экране отображается диалог (рис. 3). Типовой сценарий пошагового выполнения упражнения:

Выбор цвета

выбор формы--------

Э @ # _1 Г" Г~ _1

Задание ормэни(сек)

X]

Параметры сцены

] 2 Размер фигур (метры)

I* 3^ Копиестоа новых (тт/евк)

~"| Скорость движения (и/с)

50

Помехи

-200

-~j Граница тукана (и)

|3 -jj Амплитуда помехи (и)

1100 -^-J Затемнение (%)

Г Помеха random Г” Помеха $ш

<Ж

Cancel

Рис.З. Окно «Диалог» для ввода исходных данных

1) в блоке выбора цвета задается диапазон цветов;

2) в блоке выбора фигур задается диапазон фигур;

3) задание времени выполнения упражнения (в двухминутных циклах);

4) в параметрах сцены задаются общие параметры, такие, как размер объектов, количество новых объектов, появляющихся в секунду, скорость движения объектов;

5) в блоке помех задаются параметры помех (если они существуют);

6) при нажатии на кнопку «Сапсе!» программа завершает свою работу без выполнения упражнения;

7) при нажатии на кнопку «ОК» начинается выполнение упражнения с заданными характеристиками.

Стратегия деятельности оператора в среде предложенной тестирующей программы определяется главной целью - к моменту запланированного окончания сеанса добиться наименьшего отклонения верхних маркеров на обоих табло от срединных линий заданных в сеансе на этих табло интервалов.

Итоговая интегральная оценка деятельности (ИОД) определяется в баллах - и вычисляется нарастающим итогом по формуле

ИОД = 5ЧП{РЦ(0Ц) • РФ(0Ф)},

где РЦ - результат деятельности на табло цветов целей (в баллах);

ОЦ - индекс отклонения маркера от срединной линии табло цветов (показатель степени). Индекс - положительное число в интервале от 0,0 до 1,0;

РФ - результат деятельности на табло форм целей (в баллах);

ОФ - индекс отклонения маркера от срединной линии табло форм (показатель степени). Индекс - положительное число в интервале от 0,0 до 1,0.

Результаты РЦ и РФ определяются по формулам РЦ = (ККД1 • ККш-10-Ы,+ ККда-ККнгЗ^г-О-ККда) • (1-ККш) -5 Ы3+

+ККД4- ККШ100 Ы4) ККц ККс-ККп,

РФ = (ККд,- ККНг10-Ы,+ ККдг ККнгЗ-М2-(1-ККдз). (1-ККщ) -5 Ы3+

+ККД4- ККНг100-Ы4) ККф ККс ККц, где ККД| ~(Т0| - Ту()/То! - корректирующие коэффициенты, отражающие скорость

реакции оператора при уничтожении каждой из целей (действительные числа в интервале от 0,0 до 1,0). Чем раньше сбивается цель, тем больше величина коэффициента; Т0 - общее время возможного наблюдения цели в рабочем окне оператором; Ту - интервал времени от начала наблюдения до момента уничтожения цели;

ККНі =(М0і - - корректирующие коэффициенты, отражающие насы-

щенность текущей сцены (действительные число в интервале от 0,0 до 1,0); Ы0 -общее количество наблюдаемых целей; 1ЧП - суммарное количество целей, подлежащих уничтожению по заданным признакам цвета и формы;

10 Ы| - «цена» правильно сбитых целей, т.е. если они относятся к обоим заданным интервалам и по цвету, и по форме (N1 - количество таких целей);

3 N2 - «цена» частично правильно сбитых целей, т.е. если они относятся только к одному заданному интервалу (Л^ - количество таких целей);

5 Ы3 - «цена» неправильно сбитых целей, т.е. если они не относятся ни к одному из заданных интервалов и по цвету, и по форме (N3 - количество таких целей);

100 N4 - «цена» сбитых целей-«убийц», независимо от того, относятся ли они к заданным интервалам (Л^ - количество таких целей). Количество таких целей не учитывается ни в одной из величин N3)',

ККц (по цвету) и ККф (по форме) - корректирующие коэффициенты, отражающие сложность сценария в зависимости от длины задаваемых интервалов на табло цветов и форм целей. Значения принимаются эвриотически (по аналогии с законом нормального распределения) в табличной форме:

Табло цветов Табло форм

Кол-во. цветов Значение ККц Ко-во. форм Значение ККф

1 0,4 1 0,4

2 0,6 2 0,9

3 0,8 3 0,7

4 0,9 » 4 0,3

5 0,8

6 0,6

7 0,3

ККС - отражающие сложность сценария в зависимости от задаваемой скорости движения целей - положительные относительные числа (отношение заданной скорости к максимально возможной) в интервале от 0,0 до 1,0. В настоящей версии программы скорость может задаваться на интервале от 2 до 30 м/с);

ККП - коэффициенты, отражающие сложность сценария в зависимости от наличия помех (целое положительное число, соответствующее количеству задействованных в текущем сценарии помех).

На основе ИОД может быть определена относительная оценка (ООД) (в процентах) деятельности оператора по формуле

ООД = (ИОД/ОДИО) • 100%,

где ОДИО - максимально возможное (теоретически) количество баллов, которое могло быть получено, если бы деятельность оператора выполняла математическая модель «идеального оператора».

Помимо основной оценки в виде ИОД, может быть количественно определена косвенная оценка эффективности деятельности (ОЭД), которая также вычисляется в процентах нарастающим итогом по формуле

ОЭЦ - вс|11{ {1 [(^всегч» ^заШ1ан)/НВССГ0]} • {1 -[(МИШШ1 ^с6ить1Х)/НШ1лаи]}} 100%,

где Мксго - общее количество наблюдаемых целей, порожденных программой к текущему моменту оценки;

Нашш,- количество порожденных программой целей, которые должны быть уничтожены в соответствие с заданием на сеанс (включая цели-«убийцы»);

Кбитых - количество правильно «сбитых» оператором целей (включая цели-«убийцы»),

К примеру, пусть »кего = 200 целей; >1М11Л,Н = 50 целей; 1^с6итых = 20 целей, тогда ОЭД = *1Л((1 - ((200-50)/200) • (1- ((50 - 20)/50)) 100% ■= 32%. При тех же параметрах сценария, но при Мс6иты1 = 40 целей, имеем эффективность 45%.

Бхли бы эти же результаты были показаны оператором при N„^0 = 100 целей, то результаты соответственно имели оценки 45% и 63%.

Н.В. Камышанченко, И.Н. Кузьменко, М.Н. Роганин, И.А. Беленко,

В.А. Беленко

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ

Прочность и надежность механических изделий при их эксплуатации требуют знания механических свойств металлов и сплавов. Механические свойства металлов и сплавов оцениваются при помощи характеристик - временного сопротивления, предела текучести, удлинения после разрыва, твердости, ударной вязкости и др.

Способность металла к деформированию и сопротивление деформированию, а также способность металла выдерживать нафузку, деформируясь под её влиянием, изучают методами механических испытаний. Наибольшее количество информации о механических свойствах металлов дает испытание на растяжение. При этом не существует «основной» характеристики механических свойств металлов, из которой остальные были бы найдены как производные. Каждое из указанных свойств металла и условий испытания имеет свою характеристику, получаемую из других видов механических испытаний. То есть для получения достаточно полного представления об эксплуатационных характеристиках материала зачастую необходимо исследовать несколько характеристик материала [1]. Это требует большого количества времени как для измерения механических характеристик, так и для обработки результатов.

Современные компьютерные технологии позволяют оптимизировать временные затраты на проведение научных исследований. Для автоматизации измерений и обработки результатов широко используют измерительновычислительные комплексы на базе ПК [2,3].

Разработанный нами измерительно-вычислительный комплекс для механических испытаний материалов представляет собой функционально объединенную совокупность средств измерений (разрывная установка) [4], ПК и вспомогательных устройств, что позволяет проводить измерение прочностных характеристик и