А.Д. Устюжанин, К.А. Пупков
ДИНАМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
И ОЦЕНИВАНИЕ СОСТОЯНИЯ
ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА
В СИСТЕМАХ «ЧЕЛОВЕК – МАШИНА»
Допущено
Учебно-методическим советом вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению 161100
«Системы управления движением и навигация»
Москва
Российский университет дружбы народов
2011
Стр.2
УДК 681.3.01
ББК 32.81
У 79
Рец ен з ен ты:
доктор технических наук, профессор А.И. Дивеев,
доктор технических наук, профессор Ю.Г. Оболенский
Устюжанин, А. Д., Пупков, К. А.
У 79 Динамическая идентификация и оценивание состояния человека-оператора
в системах «человек – машина» [Текст] :
учеб. пособие / А. Д. Устюжанин, К. А. Пупков. – М. :
РУДН, 2011. – 180 с. : ил.
ISBN 978-5-209-03604-3
В пособии рассматриваются научные основы динамической
идентификации нелинейных систем применительно к оценке состояния
человека-оператора, управляющего объектами различного типа. В качестве
математической модели для описания динамики человека-оператора
используется ряд из ортогональных G-функционалов Винера. Приводится
методика расчета ядер этих функционалов по экспериментальным данным.
Излагается проблема описания динамики человека-оператора при
вибрации и дается методика получения характеристик точности работы
системы «человек – машина» при одновременном получении человеком
сведений по информационному каналу и воздействии вибрации.
Приводится методика оценки степени обученности человекаоператора
по результатам испытаний.
Дается описание стенда и программного обеспечения, позволяющих
получить входную и выходную реализации случайного процесса,
необходимые для расчета ядер функционалов.
Для студентов, изучающих методы проектирования систем «человек
– машина». Пособие представляет интерес для специалистов, создающих
указанные системы.
ISBN 978-5-209-03604-3
ББК 32.81
© Устюжанин А.Д., Пупков К.А., 2011
© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2011
У т в е р ж д е н о
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Стр.3
ВВЕДЕНИЕ
Сложность объектов управления непрерывно возрастает.
Это связано с тем, что цели, которые ставятся перед
этими объектами, являются более многогранными и должны
достигаться при различных, порой экстремальных, воздействиях
окружающей среды. События последних лет показывают,
что для эффективного действия объектов, в управлении
которых участвует человек, необходимо уделять особое внимание
обучению и адаптации его к воздействию среды для
достижения цели, поставленной перед системой «человек –
машина». Особенно важно уметь построить при обучении
систему тестов, обладающих полнотой, и найти объективные
критерии оценки степени обученности оператора. Часть
функции управления в современных системах берет на «себя»
компьютер, однако это не исключает оператора из решения
задачи управления, а освобождает его лишь для решения
самых сложных проблем, не поддающихся автоматизации.
Поэтому обучение и адаптация человека-оператора в человеко-машинных
системах не упрощается, а наоборот, становится
более сложной.
В ранних работах [35], посвященных анализу функционирования
человека в системах «человек – машина», обращалось
в основном внимание на изучение его динамических
свойств, определению передаточной функции, то есть
решению задачи идентификации при задании некоторого
входного воздействия и получении реакции с дальнейшей
совместной обработкой вход-выходного сигналов. Поскольку,
как известно, человек как динамическая «система» является
нелинейной, то рассмотренные ранее методы не являются
адекватными как по полноте текста, предъявляемого человеку,
так и по способам построения его динамической модели.
С современных позиций, учитывая достижения в области
3
Стр.4
информационных технологий, нейрофизиологии и теории
управления, концептуальную модель системы человек – машина,
на примере управления динамическим объектом, можно
представить в виде, показанном на рРис. 1.
На рис. 1 видно два крупных блока: I – модель объекта
управления (летательный аппарат или автомобиль и т.п.),
в состав которого входят органы реализации управления,
собственно динамика объекта управления и система отображения
информации (СОИ), дающая возможность человекуоператору
наблюдать как показания приборов, так и внешнюю
обстановку движения объекта управления в окружающей
среде. Предполагается, естественно, что у системы «человек
– машина» имеется цель и поэтому деятельность человека
в данной системе является целенаправленной; II – модель
человека-оператора, состоящая в свою очередь из трех блоков
на рис. 1: 1 – блок сбора информации, в котором должна быть
отображена модель восприятия информации человеком, и, естественно,
он должен быть обучен, то есть должен иметь навыки
в сборе информации и ее понимании; 2 – блок образа
движения, модель которого должна отображать оценку состояния
и прогноз движения на основе этой оценки.
Понятно, что человек должен быть обучен, то есть он
должен иметь навыки в формировании образа движения.
Сформированный и прогнозированный образ движения сопоставляется
с эталонным образом и на основе этого сопоставления
в блоке 3 – блоке управления – вырабатывается и
исполняется управление. Конечно, как в 1 и 2 блоках, для
выработки и исполнения управления человек должен быть
обучен, то есть должен иметь навыки в управлении. Если известны
математические модели блоков I и II, то при учете
воздействий можно определить точность управления, необходимого
для достижения цели. Однако если модель технической
части системы «человек – машина» в определенной
мере может быть описана адекватно, то описание модели человека-оператора
до сих пор является проблематичным.
4
Стр.5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ……………………………………………………. 3
Глава I. Идентификация и моделирование систем
«человек – машина»……………………………………….. 28
§ 1. Задача идентификации и понятие
«черного ящика» ……………………………………….... 32
§ 2. Идентификация нелинейных систем
методом Винера ………………………………………….. 37
§ 3. Оценка точности и сходимость ряда Винера ……… 48
§ 4. Регуляризованные алгоритмы определения
ядер Винера ………………………………………………. 54
Выводы к главе I ………………………………………..... 65
Глава II. Моделирование и идентификация
динамики человека-оператора в следящих системах
«человек – машина» ……………………………………..... 66
§ 1. Постановка задачи слежения. Типы дисплеев
и органов управления ……………………………………. 66
§ 2. Описание динамических свойств
человека-оператора с помощью ряда
из функционалов Винера ………………………………... 75
§ 3. Исследование влияния параметров передаточной
функции человека-оператора на устойчивость
и качество работы системы «человек – машина» ……… 87
Выводы к главе II ………………………………………… 98
Глава III. Воздействие вибрации, ее влияние
на динамические свойства человека-оператора
и эффективность его деятельности ……………………... 100
§ 1. Способы измерения влияния вибрации
на человека-оператора …………………………………… 102
§ 2. Оценка влияния воздействия вибрации
на точность работы системы «человек – машина» …….. 112
Выводы к главе III ……………………………………….. 120
179
Стр.180
Глава IV. Оптимизация взаимосвязи человека
и техники в системах «человек – машина» …………..... 121
§ 1. Синтез оптимальных систем
«человек – машина» ……………………………………... 123
§ 2. Интегральное уравнение, определяющее условие
минимума среднего значения квадрата ошибки,
структуру и параметры передаточной функции
человека-оператора …………………………………….... 129
§ 3. Практическое решение задачи ……………………... 133
Выводы к главе IV ……………………………………….. 137
Глава V. Стенд для исследования и оценки
динамических свойств человека-оператора,
работающего в составе системы
«человек – машина» ……………………………………..... 138
§ 1. Структура и состав стенда ………………………….. 139
§ 2. Обучение и оценка обученности
человека-оператора ……………………………………….147
Выводы к главе V ………………………………………... 155
Выводы ……………………………………………………... 156
Литература …………………………………………………. 158
Приложение. Результаты исследования динамических
особенностей человеко-машинных систем …………….. 162
Описание и программа курса
«Современные методы, модели
и алгоритмы интеллектуальных систем» ……………… 170
Стр.181