CC BY
17
Транспорт
12.Анисимов Вл.А., Нечипорук М.В. Модель взаимодействия железнодорожного и морского транспорта для повышения эффективности мультимодальных перевозок // Известия ПГУПС. 2014. № 3(40). С. 9-15.
13.Нестерова Н.С. Исследование основных элементов мультимодальной транспортной сети // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 2 (50). С. 173-179.
УДК 629.423 Марюхненко Виктор Сергеевич,
д. т. н., профессор, кафедра «Автоматика и телемеханика», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89149373090, e-mail: maryuhnenko_v@irgups.ru Антипин Евгений Игоревич, инженер ОАО «Иркутстанкосервис», тел. +79246037782, e-mail: e_volume@rambler.ru Трускова Татьяна Валерьевна,
врач высшей категории, медико-санитарная часть ОАО «Международный аэропорт Иркутск»,
тел. 89501290085, e-mail: ttv2011ttv@yandex.ru
СИНТЕЗ СУБОПТИМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ УСТАНОВКИ ПРИБОРОВ СИСТЕМЫ ЕДИНОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ ИНДИКАЦИИ
V. S. Maryukhnenko, E. I. Antipin, T. V. Truskova
DESIGN OF SUBOPTIMAL DISTRIBUTION MODEL SURFACE FOR INSTALLATION OF THE DEVICE UNIFIED SYSTEM DISPLAY LOCOMOTIVE
Аннотация. В статье на основе анализа особенностей зрительного восприятия человеком окружающего мир, рассмотрены вопросы формирования контрольной панели человеко-машинной автоматической системы управления (САУ) транспортным объектом. Считывание оператором САУ (машинистом локомотива) данных с контрольных приборов подчиняется определенным закономерностям. При проектировании рабочих мест операторов САУ важно учитывать такие особенности зрительного восприятия как четкость, цветность, объемность (глубина), а также возможности периферийного зрения и время реакции на световой сигнал.
Сформулированы задачи оптимизации расположения и распределения приборов контроля САУ на базе свойств зрения человека, а именно требования к форме и размещению пульта индикации и алгоритму квазиоптимального размещения приборов контроля и управления на пульте индикации. В соответствии с этими закономерностями и задачами сформулированы постулаты размещения приборов контроля САУ и рассмотрены особенности синтеза моделей обзора и считывания оператором САУ данных с контрольных приборов. Показан трехэтапный процесс создания контрольной панели: выделение поля индикации, преобразование его в панель индикации и преобразование последней в контрольную панель. Рассмотрены возможные формы и расположение поля индикации и подходы к его оптимизации. Субоптимальным является прямоугольное поле индикации с отношением сторон r &4:3. Показан порядок выделения подполей на поле индикации и его преобразование в панель индикации.
Для математического описания преобразования поля индикации в панель индикации синтезированы статическая и динамическая модели панели индикации. Они построены на основе рефлекторного зрительного восприятия человеком поля индикации как чистого листа. Результат применения моделей - заполнение поля индикации элементарными квадратами или подпо-лями целостного обозрения и образование панели индикации. Динамическая модель, как более полная, позволяет определить значения (веса) каждого из элементарных квадратов (подполей) с учетом перемещения взгляда в процессе считывания, обосновать выделение места под конкретный прибор или группу приборов и оптимизировать размещение приборов в соответствии с их значениями для управления САУ.
Показано, что контрольная панель (приборная доска) представляет собой панель индикации с установленными на ней контрольными приборами. Размещение контрольных приборов производится на основе сочетания веса подполей (элементарных квадратов) на поле индикации и иерархии приборов по важности индицируемых на них сигналов и параметров. Сформулирована задача синтеза алгоритма формирования контрольной панели и предложены пути её решения. Разработан порядок ранжирования приборов, выделены группы важности параметров и приборов, их измеряющих. Предложено распределение на контрольной панели приборов основной группы с учетом аварийных сигнализаторов.
Ключевые слова: автоматизированная система управления, оператор САУ, прибор, индикатор, зрение, зрительное восприятие, синтез, математическая модель, статика, динамика, оптимальный, контрольная панель.
Abstract. The article, based on analysis of the characteristics of human visual perception of the surrounding world, considers the issues of forming a control panel, man-machine automatic control system (ACS) of the transport object. Control-measuring devices data reading by an ACS operator (locomotive engineer) is subject to certain laws. When designing of operator workstations, ACS, it is important to consider such features of visual perception as clarity, chroma, depth, as well as the possibility of peripheral vision, and reaction time to the light signal. The article formulates the problem of optimizing the location and distribution of the ACS control devices on the base ofproperties of human vision: requirements as to the form and placement of the display panel and to the algorithm of quasioptimal placement of control devices and control on the display panel. ACS control devices placement postulates are formulated. The features of the ACS operator control devices review and read models synthesis are described. A three-step process of creating a control panel is shown: display field selection, converting it into display panel, and converting the latter in the control panel. Possible shape and location of display zones and the approaches to its improvement are also considered.
Suboptimal zone is a rectangular zone with a ratio of r & 4:3. Allocation of subfields to display zone and its transformation in the display panel are shown. For mathematical description of the display field convertion into display panel, the panel's static and dynamical models are synthesized. The models are developed on the basis of a human's reflectory visual percepyion of a display field as a blank sheet. The result of applying the models are the display field filling with subsquares or perceptual unity subfields and a display panel formation. The dynamic model, as a more complete, allows to determine the importance (weight) of each of the subsquares (sub-fields) basing on the eye movement in the reading process.
The dynamic model allows to justify the space allocated for a specific device or group of devices, and to optimize placement of devices in accordance with their values for the management of ACS. Control panel (dashboard) is a display panel with mounted control devices. The location of the control devices is produced in combination of the weight of subfields (subsquares) on the display zone and the hierarchy of importance represented by these signals and parameters.
Keywords: automated control system, automatic control system operator, instrument, indicator, sight, visual perception, synthesis, mathematical model, statics, dynamics, optimal, control panel.
Введение
В автоматизированных человеко-машинных системах (АСУ), предназначенных для управления подвижными транспортными объектами, в частности локомотивами, оператор представляет собой звено управления, которое решает задачи восприятия и обработки информации, осуществляет контроль исправности элементов системы и принимает решение для формирования управляющих воздействий [1]. В этом контексте существенным является адекватное восприятие оператором визуальной и акустической информации, выводимой на пульт управления локомотивом. Правильное расположение приборов в системе единой локомотивной индикации (СЕЛИ) оказывает порой значительное влияние не только на удобство работы, но и на безопасность движения поездов.
Науки, изучающие человека в труде, характеризуются выделением новых научных дисциплин. Это сыграло и продолжает играть положительную роль в накоплении информации в этой области знаний. Но в то же время цеховая обособленность научных дисциплин привела к утрате представления о целостности человека в трудовой деятельности [2]. Поэтому исследования, направленные на решение задач эргономического проектирования машин для достижения максимальной эффективности функционирования оператора АСУ, всегда актуальны.
Было показано, что в АСУ подвижным транспортным средством [1, 3]:
1) размещение средств индикации для машиниста должно учитывать общие закономерности визуального восприятия информации;
2) информативность средств индикации должна соответствовать количеству форм, выводимых для восприятия оператором;
3) акустические (речевые и тональные) сообщения должны формироваться с учетом наиболее комфортного и правильного их восприятия.
При этом следует учитывать, что режим считывания показаний в СЕЛИ определяется не
только общими закономерностями восприятия информации человеком, но и конструктивными особенностями индикаторов.
s¿ ад
О
Правый зрительный канал
>ОС *
Пр
ЗН
ЗА
Левый зрительный канал
<ъ а
О
Рис. 1. Структурная схема кибернетической модели зрительного восприятия
Цель статьи - синтез контрольной панели на основе математической модели панели индикации - поверхности установки индикаторных приборов СЕЛИ с учетом рефлекторных направлений обзора оператором САУ поля индикации, а также значимости параметров, индицируемых контрольными приборами.
Физико-биологические основы
восприятия человеком зрительной
информации
Зрение человека бинокулярное. Поэтому структура кибернетической модели зрительного восприятия (рис. 1) включает два канала. Каждый канал состоит из оптической системы (ОС), преобразователя светового потока (Пр), линии передачи зрительной информации (ЗН), зрительного анализатора (ЗА).
Оптическая система (хрусталик), и преобразователь (сетчатка), - это биологическая реализация функции глаза.
Оптическая система:
а) фокусирует изображение объекта на центральной ямке диаметром приблизительно 1,0 мм, нечувствительной к слабо освещённым предметам, так что главный луч зрения всегда соединяет три точки: центральная ямка - центр хрусталика -рассматриваемый предмет;
б) формирует в пределах области дневного цветового видения - желтого пятна квазиэллиптической формы с соотношением осей г « 3:4 цветное перевернутое изображение объекта; в) создает общее поле зрения (рис. 2).
Рис. 2. Зоны восприятия на сетчатке. Угловые размеры даны относительно центра хрусталика
За слепым пятном (не участвующем в непосредственном зрительном восприятии) находится периферия ясного зрения. Периферия дает только общее зрительное восприятие (сумеречное зрение). Одновременно оно очень чувствительно к световым сигналам от движущихся предметов [4]. В фоторецепторных клетках сетчатки (преобразователя) световым изображением воспринимаемого объекта запускается группа фотохимических реакций. Они создают на случайных пикселях диаметром ~1 мкм электрические импульсы, которые снимаются параллельно посредством зрительного нейрона.
Механизм электрической возбудимости зрительного нейрона (нейрон - нервная клетка, основная структурная и функциональная единица нервной системы, обладающая способностью принимать сигналы, перерабатывать их в нервные импульсы и проводить к нервным окончаниям, контактирующим с другими нейронами или эф-фекторными органами) создает последовательность импульсов амплитудой до 20 мВ, длительностью 0,1 мс и распространяющихся по аксону со скоростью 20...70 м/с. Амплитуда и скважность импульсов нелинейно, по закону, близкому к логарифмическому, зависят от освещенности пикселя на сетчатке. Зрительные нейроны дифференцируются по преобразованию освещенности и за-темненности. Аксоны нейронов сетчатки правого и левого глаза образуют зрительные нервы (ЗН) длиной около 5 см. По ЗН каждого глаза на зрительный анализатор мозга человека (ЗА) поступа-
ют сигналы, пропорциональные освещенности, а также её первой и второй производным, от каждого случайного пикселя сетчатки.
Аксоны переплетаются, обмениваются импульсами друг с другом, получают помеховые импульсы от близлежащих мозговых структур. Аксоны заканчиваются в затылочной области головного мозга, образующей зрительный анализатор.
В зрительном анализаторе на основе предыдущего опыта формируется результат зрительного восприятия объекта - визуальное восприятие.
Визуальное восприятие при отсутствии патологии глаз отличается яркостью, цветностью и глубиной (объемностью).
а)
D-►
21
б)
Рис. 3. Зоны (а) и очередность преобладающих направлений (б) обора чистого листа
Визуальное восприятие определяется значимостью зон полей зрения оператора при обзоре чистого листа и направлениями активного восприятия [5, 6].
Для правшей зонами значимого восприятия преимущественно являются зоны верхней левой четверти и центр. Причем верхняя часть плоскости более активно изучается, чем нижняя (рис. 3, а). Наименее активно воспринимается правый угол. Его изучение требует дополнительных усилий. Для этого необходимо специально направить взгляд в требуемую зону. В связи с этим наряду с зонами значимости выделяются преобладающие направления осмотра. Активные - верхняя горизонталь, левая вертикаль, диагональ из верхнего левого угла в нижний правый (рис. 3, б).
Глубина (объемность) достигается анализом изображений на сетчатке в мозге человека при сохранении, как правило, бинокулярного (двумя глазами) зрения. На рис. 4, построенном на основе характеристик глаза как оптического прибора (рис. 2) и характеристик зрения, приведенных в [7], показаны зоны и секторы характеристик зрения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Зрительное восприятие - это идеальный образ во всем богатстве наблюдаемых человеком подробностей внешнего мира: объемность, сочетание
четкости и общих контуров, множество цветовых оттенков, селекция движущихся объектов. Для формирования результата такого сложного анализа требуется время порядка 0,1 с [8, 9].
Выводы. Зрительная информация, требующая точного считывания, должна восприниматься центральной ямкой.
Цветное четкое изображение обозреваемого объекта может быть сформировано в пределах желтого пятна примерно эллиптической формы с отношением полуосей эллипса г.
При обозрении одним глазом объектов с весомым значением они должны находиться в пределах конуса ясного зрения с вершиной в центре зрачка и углом при вершине ~240, ось которого соединяет центр зрачка с центральной ямкой. Бинокулярный неподвижный обзор таких объектов включает часть пространства, ограниченную конусной поверхностью с вершиной посредине между глазами оператора и углом при вершине ~60о.
Периферия ясного зрения служит для привлечения внимания и формирования грубого представления об изменении состояния индикаторов.
Время реакции человека на световой сигнал, появляющийся после предыдущего, больше, чем время реакции на него при отсутствии первого.
Математическая модель восприятия
и размещения индикаторных приборов
Множество дублирующих визуальных источников информации, размещенных без учета возможностей их своевременного и правильного считывания, ослабляет функции внимания оператора и приводит к излишней его утомляемости.
Облегчению восприятия композиции отдельных изображений способствуют их целостность, компактность, связность.
Целостность предполагает наличие формата и ограниченность, т. е. отделение объекта от среды. Формированию целостности визуального восприятия способствует применение отработанных приемов: введение общей рамки, заполнение поверхности общим фоном, одинаковое оформление всех форм.
Компактность - это правильный, желательно близкий к оптимальному выбор количества элементов, воспринимаемых одновременно. По правилу Миллера, взрослый может воспринимать одновременно N1 = 5 -г 9 объектов. Иначе воспринимаемые элементы вызывают ощущение хаотичности.
При большем количестве элементов рекомендуется объединять их в группы. Каждая из групп должна характеризоваться целостностью, отличающейся от других групп.
Под связностью понимается связь объектов,
выделяемых в группы, по различным признакам.
Всегда следует исходить из того, что психофизиологические особенности восприятия визуальной информации общие для большей части людей:
а) простые формы быстрее считываются;
б) сложные формы требуют больших усилий считывания, что приводит к утомлению зрения и к неосознанному (но небезопасному для управления АСУ) упрощению сложной формы до более простой и лаконичной.
Решение задачи оптимизации расположения и распределения приборов контроля АСУ на базе свойств зрения человека (см. п. 1) включает:
1) формулировку требований для определения формы и размещения пульта индикации;
2) синтез алгоритм квазиоптимального размещения приборов контроля и управления на пульте индикации.
Постулаты размещения приборов
контроля АСУ
Приборы контроля АСУ, на которых воспроизводятся физические величины, необходимые для управления, размещены на панели индикации по определённым правилам и образуют пульт индикации (приборную доску).
Панель индикации - это определенным образом размеченное под установку приборов контроля поле индикации.
Поле индикации - подстилающая поверхность для панели индикации. Форма поля индикации определяется вектором размерности
R = Щг), i = 2, 3, ..., к, (1)
где k - количество координат, определяющих размеры и форму поля индикации.
Требования к полю индикации:
а) поле индикации должно находиться в зоне ясного цветного зрения в бинокулярном секторе и должно охватываться, как правило, без поворота головы;
б) параллакс при обозрении приборов на поле индикации должен быть сведен к минимуму.
Эти требования удовлетворяются, если:
а) поле индикации (рис. 5) лежит в пределах прямого кругового конуса с вершиной в точке посередине между зрачками глаз оператора, углом при вершине ~60° и осью симметрии (луч SA на рис. 4), наклоненной к горизонту под углом (-10°);
б) проекция поля индикации попадает на желтое пятно глаза;
в) поверхность поля индикации сферическая или цилиндрическая радиусом L = SA (рис. 5), где точка S - середина расстояния между глазами смотрящего вперед оператора.
Транспорт
бинокулярное зрение с поВоротом
V
а)
Спецификация зон и секторов зрения
1 - зона наибольшей остроты зрения;
2 - зона цветного зрения;
3 - зона ясного зрения (только с
поворотом глаз);
4 - зона ясного зрения (с поворотом
головы и глаз);
5 - периферийного зрения с поворотом головы и глаз:
6 - линия горизонта;
7 - ось наибольшей остроты зрения
б)
Рис. 4. Зоны остроты и секторы бинокулярного зрения в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях
Охват поля индикации зоной ясного зрения без поворота головы может быть обеспечен выбором либо его характерного размера, либо расстояния L от глаза (рис. 4, 5).
Размещение пульта на поле индикации зависит от назначения объекта управления и особенностей функционирования его АСУ. По этим признакам управление объектом подразделяется на внекабинное, кабинное и комбинированное.
1. Внекабинное управление предполагает, что информация об объекте поставляется оператору только обработкой сигналов его собственных органов чувств, прежде всего зрения. Это характерно для управления такими средствами, как велосипед и, в некоторой степени, мотоцикл, автомобиль, башенный строительный кран.
2. Кабинное - такое управление, при котором информация об объекте поставляется оператору только посредством измерительных приборов, без внешнего обзора. Кабинное управление характерно для операторов АСУ ряда производств систем химической, энергетической, нефте-, газовой и др. промышленности, а также некоторых подвижных транспортных средств в особых условиях.
При организации управления объектами без внешнего обзора поле индикации Pф выделяется на сферической или цилиндрической поверхности V (рис. 5) радиуса L в конусе пространственного угла поля ясного зрения. Поле индикации Pф (рис. 6) представляет собой часть поверхности V, симметричную относительно сечения её плоскостью ^ ограниченную линиями BC и ED её пере-
сечения плоскостями SBC и БЕВ соответственно (рис. 6) c отношением сторон
q = BC / BE » a / b .
Поверхность Рф является основной для размещения приборов управления АСУ, то есть практическим полем индикации.
Для уменьшения вертикального параллакса при отсчете показаний приборов поверхность Рф (рис. 5) наклоняется относительно вертикали на угол а « -10°.
Боковыми поверхностями Рб, сопряженными с поверхностью Рф, поле индикации быть расширено. Это выполняется так, чтобы при повороте головы на ±70° левый (правый) обрез панели оставался в пределах периферийного зрения. Боковые поверхности Рб используются для установки индикаторных приборов и второстепенных элементов контроля управления объектами.
3. Комбинированное управление - это управление, при котором сочетается обзор внешнего, закабинного пространства с обзором приборов контроля на пульте индикации. Комбинированное управление характерно для АСУ большинства подвижных транспортных средств.
При комбинированном управлении необходимо создание таких условий работы оператора, при которых он мог бы с рабочего места обозревать и внешнее пространство, и панель с приборами индикации (рис. 7). Пространственный угол поля ясного зрения W прямо, по линии SA (рис. 5, рис. 7), смотрящего оператора, разделяется плоскостью H на две части: верхнюю We, функционально необходимую для наружного обзора, и нижнюю Wи для обзора поля индикации [10, 11].
Поле индикации - это прямоугольник BCDE области Рф на поверхности V ниже плоскости H с горизонтальным основанием BC = a и высотой DE = b (рис. 7).
Для уменьшения параллакса поле индикации Рф выполняется цилиндрической формы радиусом L и отклоняется от поверхности V на угол Р.
Модель поля индикации
Изображение поля индикации прибора (при прямом взгляде) должно проецироваться в поле желтого пятна глаза оператора, а непосредственно считываемые показания - на центральную ямку (рис. 2). Так как параметры органов зрения индивидуальны, то наилучшего обозрения панели индикации можно достичь при её эллиптической форме с регулируемым соотношением осей.
Конструктивно и технологически в кабину локомотива, как и большинства иных транспортных средств, наиболее просто встраивается панель с прямоугольным (или близким к нему) полем ин-
дикации. Размеры такой панели определяются необходимым количеством устанавливаемых на ней приборов и индикаторов. Тогда размер проекции прямоугольника поля индикации на сетчатку глаза Лир может по различному соотноситься с областью желтого пятна Л.
1) Область желтого пятна Л полностью перекрывается проекцией Лпр = Лоп
Л с Лоп.
Часть области Лоп остается вне желтого пятна. В результате либо происходит пропуск зрительной информации, либо, из-за необходимости дополнительного нерефлекторного перемещение оси зрения «для уточнения» той части поля индикации, которая находится вне желтого пятна, наблюдается повышенная усталость зрения. Искажения зрительной информации, вызванные этой причиной, оцениваются коэффициентом потерь
кп = 5л./5л .оп , (2)
где 5л. - площадь эллипса с полуосями (^2^4)/2 = а и (№)/2 = Ь:
5л = 5эл = %аЬ; (3)
5л.оп - площади области Лоп.
Минимальными потери будут при условии, что область Лоп = Лоп.мин является областью внутри описанного вокруг эллипса прямоугольника В\С\В\Е\, криволинейные треугольники которого F1.B1.F4, FlClF2, F2DlFз, FзElF4 не попадают в область Л (рис. 8). Тогда с учетом (2) и (3)
кп.мин = %аЬ/4аЬ = % /4. (4)
В результате при выборе проекции поля индикации в область Лоп оптимальной следует принять проекцию Лоп.мин с коэффициентом потерь (4).
2) Проекция вписанной области Лвп не полностью покрывает область желтого пятна Л:
Лвп с Л.
1 - эллипс, граница обратной проекции желтого пятна на поле индикации у
Лв
Ло
1
Л
B -'C
' Е А D
S
Рис. 8. Вписанное и описанное поля индикации
+У
C
F3
y
Ei
D
Транспорт
Такое взаимное положение областей Л и Лвп обеспечивает высокое качество восприятия поля индикации, но:
а) требует уменьшения площади (размеров) поля индикации;
б) может привести к ухудшению восприятия поля индикации Лвп, если в пределы желтого пятна Л попадают также иные, не относящиеся к индикации параметров САУ изображения объектов.
Прямоугольная область Лвп (прямоугольник BCDE) может быть расположена в пределах желтого пятна Л различным образом. Отличия проявляются в величине суммарной площади области, на которую не попадает проекция области Лвп, т. е. криволинейных треугольников ВЕС, CFD, DFE, ЕКВ.
Степень взаимного перекрытия областей Л и Лвп (рис. 8) характеризуется коэффициентом использования желтого пятна
Ли = $Л.вп/ Sл., где ^Л.вп - площадь области Лвп.
(5)
SH
7(с) = съ41 - с2/ a2 .
Экстремум (6) и максимум функции Sdcde(c) сов-
падают при значении c решением уравнения
которое является
dSBCDE (с) d W1 - с 2/ a 2)
BCDE
dc
dc
= 0,
а именно
= a/42 и dnTTT = ъ/42.
(8)
На основании формул (8) отношение сторон оптимального, вписанного в эллипс желтого пятна, прямоугольника сохраняется таким же, как и отношение полуосей эллипса:
^опт/сопт = Ь/а = г »3.4.
Коэффициентом использования желтого пятна (5) изменяется в пределах k < Л < k
Ли.мин < < Ли
^и — л-и.макс,
к„
Рис. 7. Размещение приборов при кабинном управлении. Верхняя часть круга V и конусной поверхности свободны от приборов
Оптимизация размеров прямоугольника BCDE сводится к минимизации суммарной площади не охватываемой его проекцией на желтое пятно:
4
т1П{£ ^ } = ^эл - таХ^^} , (6)
г=1
где Sэл - площадь эллипса (см. (5) и (3); SвcDE -площадь прямоугольника BCDE со сторонами (ВС)/2 = с и (ВЕ)/2 = й:
SвcDE = 4сй, (7)
где числа с и й определяют вектор размерности поля индикации R(c, й).
Из уравнения эллипса (рис. 8) 2 2
Х У ! --ь — = 1
22 а Ь
и формулы (7) следует:
где (см. формулы (3), (7))
_ 4аЪ /(42) _ 2 паЪ п '
¿а.мин - минимальное значение коэффициента использования, которое не может быть меньше проекции поля индикации на центральную ямку сетчатки, и, исходя из характерных размеров зон восприятия (рис. 2):
_ (a/4)(Ъ/3)_ 1
и.мин т л .
л»Ъ 12п
Следовательно, при выборе проекции поля индикации в область Лвп оптимальной следует принять проекцию Лопт со сторонами (8).
Минимальный размер обозреваемого поля должен соответствовать размеру элементарного квадрата (ЭК), то есть квадрата со стороной
(а/4) = (6/3) = /эк (9)
и площадью
SэK = t = (a/4)(Ъ/3) = Ob.
С одной стороны, величина /эк обусловлена размером центральной ямки сетчатки глаза, изображение на которой воспринимается с наивысшей по сравнению с другими областями желтого пятна четкостью.
С другой стороны, ЭК - места для установки контрольных приборов при конструктивном оформлении панели индикации.
Таким образом, поле индикации путем разбивки области Л на N^ элементарных квадратов размером /ж (9) преобразуется в панель индикации.
Исходя из базисного отношения r = 3:4 осей эллипса l (рис. 2) количество ЭК Ыж = 12. Это противоречит правилу Миллера. Разрешить про-
c
тиворечие предлагается с учетом исходных условий функционирования и контроля САУ.
1. Если САУ, для которой создается система индикации, требует приборов Жш < 9, то поле индикации преобразуется в панель индикации разбивкой на Жэк = 3x3 = 9 элементарных квадратов (рис. 8).
При этом происходит некоторое отступление от оптимальности в сторону улучшения качества визуального восприятия. Оно достигается за счет «освободившихся» участков желтого пятна ВВ\Е\Е и С\СВВ\, а также уменьшения количества воспринимаемых ЭК.
1
В ,.'В\
Проекция ЭК на центральную ямку
"С, С
Е
0А
■Е1 / 3 Пу \
4
<-
Рис. 8. Пример компоновки панели индикации при Щ3,3) и Лэк = 9
К 71
Рис. 9. Пример разбивки поля индикации Ли размерностью Щ3, 3) на подполя целостного обозрения Лик размерностью Ш(3, 4)
2. Другой крайний вариант: САУ сложная и предполагается контроль множества её параметров. Для этого на поле индикации Ли необходима установка большого количества приборов (несколько десятков). В этом случае вводится понятие подполя целостного обозрения (ПЦО). По
форме и положению на желтом пятне ПЦО Ликд, к = 1, т , ^ = 1, п , аналогично прямоугольнику ВСПЕ на рис. 8, но занимает лишь часть поля индикации (рис. 9) и имеет вектор размерности п) (см. (2)), в общем случае отличающийся от вектора размерности поля.
Для компенсации нарушения правила Миллера разбивка на подполя Ликд производится с соблюдением требований целостности и связности путем группировки. Группировка также позволяет увеличить количество ЭК в поле Ликд до двенадцати.
Таким образом:
а) проекция поля индикации должна оптимальным образом накладываться на область Л;
б) целесообразной формой поля индикации является прямоугольник с соотношением сторон г ~4:3;
в) минимальная проекция поля индикации -элементарный квадрат со стороной Iэк (9).
Модель обзора панели индикации
Синтез модели обзора модели панели индикации осуществляется на основе предположений:
а) проекция поля индикации на область желтого пятна Л — это прямоугольник ВСПЕ (область Ли), вписанный в эллипс 1 (рис. 8);
б) поле индикации по любому из вариантов заполнения (рис. 8, рис. 9) представляет собой чистый лист, разбитый на элементарные квадраты или на подполя целостного обозрения;
в) каждое подполе целостного обозрения (например, прямоугольник ВСПЕ на рис. 10) представляет собой чистый лист и разбивается на элементарные квадраты;
г) зоны 01, 02, 63, 64 чистого листа различаются по весу в соответствии с последовательностью обзора (рис. 3, а);
д) рефлекторное считывание поля индикации как чистого листа происходит последовательно по преобладающим направлениям переноса взгляда в соответствии с рис. 3, б;
е) элементарные квадраты являются наименьшими целостно воспринимаемыми объектами чистого листа.
Исходными данными для синтеза модели панели индикации являются:
а) отношение сторон поля индикации (области Ли);
б) разбивка области Ли на элементарные кадры или подполя индикации Лик;
в) веса зон обзора чистого листа (рис. 3, а).
Иерархия восприятия зон определяется очередностью обзора зон (в статике) на ЭК (подпо-
Транспорт
лях) и частотой фиксации взгляда на них (в динамике) с учётом переходов между ними.
Статика обзора учитывает только зависимость весов (значимости) каждой из зон 81, 82, 83, 64 (рис. 3).
0, с Л; и (0г и 0j) = Ли; П (в, П ) = 0;
г. 1
г = 13
г.з
j = 2.4 ; г * j ,
поля индикации Ли или его подполей
Она не учитывает возврата взгляда оператора в первоначальную точку в процессе обзора для продолжения его по следующему направлению.
Статическая модель панели индикации представляется вектором размерности R(m, п) (2) и прямоугольной матрицей
о,.
( тхп) |Гу|| (тх„)'
где элементы щ - веса элементов (элементарных квадратов, или подполей ЛиЛд, к = 1. т, д = 1. п) в обозрении поля индикации как чистого листа.
Иерархия элементов статической модели численно подчеркивается весами элементарных кадров (здесь и далее, если нет иных замечаний, под элементарными кадрами подразумеваются также подполя целостного обозрения) и визуализацией - различной плотностью заливки.
Веса щ ЭК (подполей) ЛиЛд определяются очередностью обзора в соответствии с приоритетами обзора чистого листа и формируются последовательно согласно следующим правилам:
а) элементам, обозреваемым в последнюю
очередь (нижняя строка - Литд , д = 1. п , и элемент Ли(т-1)п), присваивается далее неизменяемый вес
Я = 1;
б) элементу первой строки Ли1п присваивается далее неизменяемый вес Я = 2;
в) веса элементов строки Ли1д, д = 2. (п — 1) повышаются на единицу с уменьшением индекса д на единицу;
г) веса элементов столбца Лии,
к = 2. (т — 1) повышаются на единицу с уменьшением индекса д на единицу;
д) вычисляется вес элемента Ли11
011 = тах{(а12+1), (а21+1)}+1;
е) выделяется (для неквадратных полей, например методом экспертной оценки) группа диагональных элементов, для которых устанавливается вес от Я = ац - 1 со снижением на единицу при движении по диагонали вниз;
ж) остальным ЛиЛд присваиваются веса от диагональных элементов таким образом, чтобы
вес элементарного кадра (подполя) непротиворечиво понижался на 1 при увеличении индексов Л и д на единицу.
Для примера построена модель панели индикации на прямоугольном поле Ли, состоящей из
подполей ЛиЛд, к = 1.3 , д = 1.4 (рис. 10) с векторами размерности соответственно
Rли(m, п) = V Rлиkq(m, п) = R(3, 4).
В соответствии с правилами а) г ж) матрица статики с выделенными диагональными элементами Ли22 и Ли23
(10)
номера элементов которой соответствуют номерам элементарных квадратов.
5 4 3 2
°(тхп) = °(3х4) = 2 4 4 1
1 1 1 1
С т о л б ц ы 2 3
к и
° 2
л н О
□ □ □ □
Н • К
- зоны обзора чистого листа 81, 62, 83, 64 с весами, пропорциональными плотности заливки уз= (4 01);
- начало рефлекторного обзора чистого листа;
- окончание обзора чистого листа;
- точки рефлекторного считывания ЭК;
- направление обзора чистого листа;
- направление возврата при обзоре;
- вес элементарного кадра;
- вес перехода между кадрами;
Рис. 10. Значимость зон (заливка) и преобладающих направлений (стрелки) обзора чистого листа при построении статической модели
В результате построена матрица весов, элементы которой дают численное представление важности того или иного ЭК.
Динамическая модель строится на основе гипотезы, что информативным является не только непосредственное считывание ЭК, но также и беглый перенос взгляда извне в кадр вызывает реакцию на его содержание.
Эта гипотеза базируется на утверждении,
1
4
1
3
что любой внешний раздражитель вызывает в мозгу реакцию на изменение обстановки в виде более или менее долговременной памяти [12]. Неизбежное различие зрительного образа каждого из ЭК приводит к увеличению веса последующего кадра по сравнению с предыдущим.
Динамическая модель включает веса ЭК статической модели, а также их изменения при переходах между ЭК. При этом одинаково учитывается как прямое, так и обратное перемещение обзора.
Обзор, перемещение взгляда от одного ЭК к другому, пересечение границы между двумя ЭК, например между Ликд и Лик(д+1) по направлению извне внутрь, приводят к появлению динамической составляющей (приращения) веса Д0у = 1 (рис. 11). Учет в динамической модели изменения веса ЭК записывется в виде
Qдtg = Qстkq+ДQkq. (11)
Тогда изменения весов ЭК для всей области Ли записывается матрицей приращений
"(тхп) = |Ы|(тхп) , (12)
где элементы матрицы щ численно равны приращениям весов подполей ДQij (11), а матрица обзора суммой
V = о + п. (13)
Для поля индикации с вектором размерности (10) (см. рис. 11) матрица приращений весов ЭК, построенная с учетом (12):
2 3 3 1
к
(тхп)
■
(3x4)
12 2 1 , 1111
а матрица динамической модели (см. (10) и (13)):
7 7 6 3
V = V
(3x4)
3 6 6 2 2 2 2 2
(\4),
Как следует из результата (14), динамическая модель больше выделяет основные направления обзора: верхнюю строку и диагональ прямоугольного поля индикации.
Таким образом, как общий подход к построению динамической модели поля индикации, так и пример (14) показывают, что её использование позволяет формализовать закономерности различий обзора различных ЭК или ПЦО.
Методика целиком применима и при необходимости использования ПЦО. Особенность её применения в этом случае - это повторение процедуры определения веса в статике и динамике для каждого подполя.
Формирование контрольной панели.
Пути решения задачи
Для комфортного, а следовательно, безопасного управления САУ важно решить задачу оптимального преобразования панели индикации в панель приборов (контрольная панель) (для САУ авиационных транспортных средств контрольная панель называется приборной доской [11]).
Панель приборов - это панель индикации, преобразованная установкой контрольно-измерительных приборов, визуальных сигнальных устройств и органов оперативного управления (далее - приборов) САУ конкретного назначения.
Оптимальным следует считать такое размещение приборов на контрольной панели, при котором решается триединая задача: снятие показаний приборов за минимальное время, при минимальном параллаксе и минимуме физиологических энергетических затрат.
Решение этой задачи достигается установкой соответствия между значимостью приборов контроля состояния САУ и весом подполей панели индикации. Критерием значимости прибора служит частота обращения оператора САУ к его показаниям.
Алгоритм размещения приборов включает следующие шаги:
1. Выделение групп важности приборов.
2. Анализ приборов основной группы.
3. Распределение приборов основной группы по значимости.
Выделение групп важности приборов
Считаем априори установленным, что для эффективного управления САУ существует необходимость контроля ^ параметров и сигналов.
Для индикации ^ параметров и сигналов (при известном уровне развития измерительной техники) требуется N приборов, составляющих одномерное дискретное множество Ол. Установим, что для считывания показаний каждого т-го прибора из множество Ол требуется время Дт Тогда
N
ЕД'т = Т ,
где Т - временной интервал считывания показаний приборов.
Пусть группа приборов в количестве N составляет подмножество Оо и на считывание каждого j-го прибора из подмножества Оо требуется время Дtоj. Тогда время считывания То всех приборов из подмножества Оо:
т
Транспорт
Мо
То = КТ = X /у До
у=1
(\5)
где 0 < К < \, teT , - коэффициент (критерий) отбора приборов в подмножество Оо с Ол; /о и Дtоj - соответственно количество (частота) считываний и время, требуемое для считывания каждого у-го прибора из множества Оо на промежутке времени Т.
Подмножество приборов Ои, определяемое уравнениями
Ои еОл ; Ол = Оо и Ои , Оо П Ои=0, (\6) отнесем к приборам индикаторной группы.
Время считывания Ти всех приборов из подмножества Ои (см. (15)):
Ми
Ти = (\- К)Т = X /у Д^иу, У=1
/ои и Дtоj - соответственно количество (частота) считываний и время, требуемое для считывания каждого у-го прибора из множества Ои на промежутке времени Т.
Если критерий К выбран таким, что это соответствует неравенству
То >Ти,
то подмножество приборов Оо можно назвать группой основных приборов.
В целом показания группы основных приборов считываются дольше и обращение к каждому из них более частое, чем к приборам индикаторной группы. Поэтому все Ыо приборов из подмножества Оо должны располагаться непосредственно перед взглядом оператора - в общем случае на поверхности V (рис. 5), или, например, на поверхности Рф (рис. 6, 7).
Для расположения приборов индикаторной группы требования не столь жесткие, как к приборам. Для них допустимо использовать поверхности Рб (рис. 6).
Следовательно, всё множество приборов Ол по критерию частоты и времени обращения к ним К оказалось разбитым на два подмножества Оо и Ои. Для приборов каждого подмножества показано целесообразное место (поле индикации) - фронтальные или боковые поверхности поля индикации.
Замечание. Следует учесть, что приборы индикации особых режимов, например аварийных, не требуют постоянного считывания данных. Они формируют аварийные сигналы только при наступлении такого режима. Но время считывания этих сигналов должно быть минимально возможным, а это достижимо при положении индикаторов на фронтальном поле индикации. Такие приборы целесообразно выделить из подмножества Ои
в особое подмножество Оа в количестве Ыа, и включить в подмножество Оо. С учетом этого замечания соотношение между подмножествами (см. (16)) изменится:
Оо =Оо и Оа; О и Ои\Оа; Оо П ои =0 ; Ол =(Оо и Оа) и (Ои\Оа), где Оо и Ои - приведенные множества основной и индикаторной групп.
Таким образом, при размещении приборов контроля САУ в кабине следует учесть особые условия для обозрения трех групп приборов: аварийной, основной и индикаторной.
Целесообразно:
а) на фронтальном поле Рф множеству аварийных приборов Оа отвести зоны рефлекторного обзора панели индикации с наибольшим весом, а именно элементарные кадры Э\\ и Э\2 (см. рис. 11 и формулу (14));
б) множеству основных приборов Оо поставить в соответствие центральные диагональные ЭК панели индикации на области Рф;
в) для индикаторных приборов множества Ои отвести боковые панели Рб.
Распределение на панели индикации
приборов основной группы
Исходя из опыта эксплуатации прототипов, либо по результатам испытаний, либо методом экспертных оценок элементы множества
О
необходимо ранжировать по значимости индицируемых параметров, чтобы получить такую упорядоченную последовательность их весов:
Оо = [Ю\, Ю2, Юм], (\7)
где
N = Ыо- Ыа,
что с уменьшением важности, для эффективного управления АСУ параметра (прибора) увеличивается его номер.
Заполнение приборами панели индикации производится начиная с номера Ы (17) в сторону уменьшения номеров согласно следующим правилам:
а) заполняются диагональные элементарные кадры;
б) последовательно заполняются оставшиеся элементарные кадры: уменьшение веса ЭК соответствует уменьшению значения прибора;
в) подгруппы приборов, измеряющих родственные параметры (родственными называем параметры, относящиеся к одному узлу, блоку, агрегату САУ), размещаются рядом;
г) если число Ы меньше, чем количество элементарных кадров, то на свободные места
устанавливаются приборы из группы индикаторных приборов.
Выводы
Формирование контрольной панели проходит в три этапа: выделение поля индикации, преобразование его панель индикации, преобразование последней в контрольную панель.
Поле индикации является прямоугольной, с соотношением сторон г » 4:3 подобластью круга - основания конуса вершиной посередине между глазами оператора, углом при вершине ~60° и осью, лежащей плоскости симметрии человека, наклоненной вниз от горизонта на угол -10°.
Форма, размеры и место размещения поля индикации определяется конструкцией рабочего места оператора САУ, априорно известными условиями его работы, и физико-биологическими особенностями восприятия человеком зрительной информации.
Поле индикации с выделенными подполями составляет панель индикации.
Считывание оператором САУ (машинистом локомотива) данных с контрольных приборов подчиняется определенным закономерностям. Эти закономерности устанавливают особенности различных частей (подполей) поля индикации.
Математическое описание преобразования поля индикации в панель индикации обосновано статической и динамической моделями. Динамическая модель, как более полная, позволяет определить значения (веса) каждого из подполей, обосновать выделение места под конкретный прибор или группу приборов, и оптимизировать размещение приборов в соответствии с их значениями для управления САУ.
Контрольная панель (приборная доска) представляет собой панель индикации с установленными на ней контрольными приборами. Размещение контрольных приборов производится в сочетании веса подполей (элементарных квадратов) на поле индикации и иерархии приборов по важности индицируемых на них сигналов и параметров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Марюхненко В.С., Дудин С.А., Трускова Т.В. Системный анализ состояния человека-оператора в автоматизированной системе управления // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. № 2 (42). С. 143-150.
2. Мунипов В.М., Зинченко В.П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды. [Электронный ресурс]. М. : Логос 2001. URL: http://psychlib.ru/mgppu/MZE-2001/MEC-001 .HTM (дата обращения: 15.03.2016).
3. Марюхненко В.С., Комогорцев М.Г., Трускова Т.В. Пути предотвращения критических состояний на транспорте // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. № 2 (15). С. 96-102.
4. Луизов А.В. Глаз и свет, физиологическая оптика [Электронный ресурс]. Л. : Энерго-атомиздат. Ленингр. отд-ние. 2012. 144 С. URL: http://zreni.ru/180-glaz-i-svet-luizov-av.html (дата обращения: 15.03.2016).
5. Марюхненко В.С. Антипин Е.И. Трускова Т. В. Особенности восприятия машинистом информации о параметрах движения локомотива серии ЭП1(П) по системам индикации комплекса автоматизированного управления и обеспечения безопасности движения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. № 4 (44). С. 147-154.
6. Зараковский Г.М., Медведев В.И. Психолого-физиологическое содержание деятельности оператора // Инженерная психология: теория, методология, практическое применение. М. : Наука, 1977. С. 101-118.
7. Лекции по эргономике и дизайну. Часть 2. Studmed.ru : сайт. URL: http://www.studmed.ru/ docs/document632? view=2 (дата обращения: 15.03.2016).
8. Основы психофизиологии [Электронный ресурс] : учебник / отв. ред. Ю.И. Александров. М. : ИНФРА-М, 1997 URL: http://coollib.net /b/240090/read. (дата обращения: 18.03.2016).
9. Прокопенко В.Т., Трофимов В.А., Шарок Л.П.. Психология зрительного восприятия. СПб. : СПбГУИТМО, 2006. -73 с.
10.ГОСТ 23000-78 Система «Человек-Машина». Пульты Управления. Общие Эргономические Требования. Введ. 1979-01-01. М. : Издательство стандартов, 1987.
11.ГОСТ 19186-81. Доски приборные кабин самолетов с двумя летчиками. Требования к компоновке и установке приборных досок летчиков. Взамен ГОСТ 19186-73; введ. 198201-07. М. : Издательство стандартов, 1981.
12.Савельев С.В. Изменчивость и гениальность. М. : ВЕДИ, 2012. 128 с.
