Экспериментальное оценивание интегральных показателей психофизиологического состояния операторов человеко-машинных систем управления

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММЫ ИНЖЕНЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 681.3.01

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПЕРАТОРОВ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ*

К.А. Пупков

Кафедра кибернетики и мехатроники Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, д. 6, Москва, Россия, 117923

Рассматриваются проблемы оценивания психофизиологического состояния человека-оператора, работающего в контуре управления динамическим объектом, по экспериментальным данным. В качестве интегральной оценки психофизиологического состояния предлагается использовать чистое запаздывание оператора, состоящее из времен зрительного восприятия, оценивания ситуационного изменения визуальной информации и принятия решения к действию, сумма которых называется длительностью латентного периода. Кроме того, рассматривается запаздывание, отражающее моторную деятельность оператора.

Делается вывод, что суммарное запаздывание может быть эффективной интегральной оценкой психофизиологических параметров и состояния человека-оператора.

Ключевые слова: человек-оператор, система «человек-машина», интегральная оценка, психофизиологическое состояние

Получение интегральных параметрических оценок, характеризующих психофизиологическое состояние операторов человеко-машинных систем управления, представляет собой актуальную проблему.

Актуальность решения проблем, связанных с необходимостью оценивания психофизиологического состояния человека-оператора, обусловлена тем, что качество и надежность функционирования человеко-машинных системы управления, т.е. систем, в контур управления которых входит в качестве управляющего функциональным компонентом человек-оператор, во многом зависят от его психофизиологического состояния.

* Отраженные в работе результаты исследований были выполнены при поддержке РФФИ, Проект № 15-08-00184.

Человеко-машинные системы управления предназначены в основном для управления сложными техническими объектами, техническими системами, транспортными средствами и технологическими процессами, нарушение процессов нормального функционирования которых может привести к человеческим жертвам, разрушению высокотехнологичного, дорогостоящего оборудования, техногенным, нарушающим экологию катастрофам и т.д.

Благодаря собственному естественному интеллекту, а также своим профессиональным навыкам, приобретенным в процессе обучения и работы в контуре управления системы, человек-оператор способен на основе предъявляемой ему в визуальной форме измерительной или иной информации оперативно оценивать текущую ситуацию и генерировать командные сигналы на исполнительную и другие подсистемы человеко-машинной системы управления.

Очевидно, что качество и эффективность функционирования человека-оператора во многом зависят от его индивидуальных особенностей, уровня его профессиональной подготовки для работы в системе, текущего психофизиологического состояния, характеристик используемых средств визуализации информационных сигналов, продолжительности и интенсивности его работы в непрерывном режиме [1] и т.д.

Таким образом, формирование и определение экспериментальными методами некоторых интегральных оценок, характеризующих потенциальные возможности человека-оператора выполнять свои профессиональные функции в составе человеко-машинной системы, представляет собой актуальную и достаточно сложную научно-техническую проблему.

В работе рассматриваются и анализируются методы, методологии и технические средства экспериментального определения значений параметрических интегральных оценок, отражающих как динамические особенности и характеристики человека-оператора, так и его текущее внутреннее психофизиологическое состояние.

Рассмотрим основные принципы организации динамических человеко-машинных систем управления, а также выявим особенности динамических свойств человека-оператора, оказывающие наиболее существенное влияние на динамические свойства всего замкнутого человеко-машинного контура управления в целом.

Блок-схема, отражающая обобщенную структуру динамической человеко-машинной системы управления, представлена на рис. 1.

Система работает следующим образом. Динамическое состояние объекта управления оценивается с помощью соответствующих измерителей.

Информационные сигналы с измерителей поступают на системные средства преобразования, визуализации и отображения информации. Человек-оператор наблюдает предъявляемую ему в визуальной форме информацию и генерирует с помощью органов «ручного» управления командные сигналы на исполнительную подсистему системы управления так, чтобы реализовать цель управления.

Динамические свойства динамических человеко-машинных систем управления существенно зависят от вносимого оператором запаздывания, на которое оказы-

вают влияние многие факторы, в частности степень его тренированности, психофизиологическое состояние, динамические свойства объекта управления, характеристики предъявляемого оператору визуального информационного сигнала и т.д.

Рис. 1. Блок-схема динамической человеко-машинной системы управления

Поэтому в качестве интегральных оценок психофизиологического состояния оператора и параметров предлагается использовать значения запаздывания тОП, вносимого оператором в динамический процесс реализации функций управления.

Рассмотрим и проанализируем на детализованном уровне общую структуру процесса восприятия оператором предъявляемых ему визуальных информационных сигналов и генерации необходимых сигналов управления. Этот процесс включает в себя следующие основные этапы:

1) восприятие факта ситуационного изменения визуального информационного сигнала;

2) осмысление вероятного причинно-следственного содержания факта изменения ситуационного информационного сигнала;

3) принятие решения о необходимости генерации эффективного управляющего командного воздействия на объект управления;

4) генерация управляющих биопотенциалов на соответствующие мышцы опорно-двигательной системы человека-оператора для создания механических воздействий на органы управления человеко-машинной системы;

5) изменение положения органов управления и формирование управляющего командного сигнала управления на элементы исполнительной подсистемы системы управления.

Этап восприятия факта ситуационного изменения визуального информационного сигнала имеет некоторую минимальную, но конечную продолжительность ДтЗР, которая может быть представлена в виде следующих компонент:

— временной интервал восприятия зрительными рецепторами изменения визуальной информации ДтЗР;

— временной интервал формирования интегрированного зрительного информационного образа Дт°Р;

— передача зрительного информационного образа в соответствующие отделы головного мозга ДхПЗР.

Таким образом, временной интервал зрительного восприятия оператором изменения визуального информационного сигнала может быть представлен в виде

Дтзр = ДТзр + Ат°р + ДтПр

Приведенный выше структурный анализ инерционных составляющих канала восприятия оператором зрительной информации подтверждаются экспериментальными данными, которые говорят о том, что человек-оператор перестает воспринимать изменяющуюся визуальную информацию в том случае, если частота ее изменения превышает частоту /ВИ = 10—15 Гц.

Очевидно, что составляющие временного интервала восприятия изменений визуальной информации ДтрР Дт°|>, ДтПР зависят от характеристик и особенностей используемых средств визуализации информации, от индивидуальных свойств зрительной системы человека-оператора, а также его психофизиологического состояния.

Определение оценок значений параметров ДтЗР ДтзР ЛтПР возможно экспериментальными методами с использованием специального высокотехнологичного оборудования, позволяющего выполнять измерения параметров сигналов на уровне биопотенциалов.

Экспериментальное определение значений оценок параметров ДтрР, Дт°Р Дт^ представляет собой сложный и тонкий процесс. Тем не менее эти оценки могут быть использованы для отбора операторов человеко-машинных систем, обладающих минимальным временем реакции на изменения зрительной информации, а также для обоснованного выбора средств визуализации информации с целью минимизации времени реакции оператора на ситуационное изменение визуальной информации ДтЗР

Этап осмысления вероятного причинно-следственного содержания факта изменения ситуационного информационного сигнала и принятия решения о необходимости генерации эффективного управляющего командного воздействия на объект управления имеет продолжительность, которая определяет длительность так называемого латентного периода Дтл, который равен временному интервалу от момента изменения внешнего воздействия на человека до момента окончания принятия решения и генерации управляющего сигнала.

Очевидно, что длительность латентного периода Дтл представляет собой более общую, интегральную оценку психофизиологических параметров и характеристик человека-оператора, поскольку

Дтл = ДтЗР + ДтПР

где ДтПР — временной интервал, необходимый для оценивания ситуационного изменения визуальной информации и принятия решения к действию.

Таким образом, оценка значения временного интервала латентного периода Дтл позволяет оценить интегрально как оценки такого важного психофизиологического показателя, как скорость восприятия оператором изменений визуальной информации, оценки, характеризующие интеллектуальные, умственные

способности оператора, а также оценки, отражающие степень его профессиональной подготовленности и тренированности.

Оценки длительности латентного периода Дтл могут быть получены достаточно просто экспериментальными методами. В частности, в [1] получение статистических оценок значений запаздывания Дт использовалось для исследования влияния продолжительности работы оператора в режиме непрерывного слежения за потоками информационных сигналов на электронных средствах визуализации информации на эффективность и качество выполнения оператором своих профессиональных функций.

Этапы генерации управляющих биопотенциалов на соответствующие мышцы опорно-двигательной системы человека-оператора для создания механических воздействий на органы управления человеко-машинной системы, изменение положения органов управления и формирование управляющих командных сигналов на элементы исполнительной подсистемы системы управления отражают моторную, двигательную деятельность человека оператора.

Процесс генерации управляющих сигналов на элементы исполнительной подсистемы человеко-машинной системы управления также является инерционным, и для оценивания его временных характеристик могут использоваться оценки различных параметров.

В частности, математические динамические модели человека оператора в одной из своих простых форм представления могут иметь вид

= ТоМп * +1 ,

где — моторная, механическая постоянная времени оператора.

В качестве другой оценки продолжительности двигательной, моторной фазы деятельности человека-оператора, имеющей интегральный характер, может быть использована некоторая эквивалентная постоянная моторного, двигательного запаздывания

ДтМ = МП,

которая отражает значение временного интервала между моментом генерации управляющих биопотенциалов на соответствующие мышцы опорно-двигательной системы человека-оператора до момента требуемого отклонения органов «ручного» управления человеко-машинной системы.

Очевидно, что оценка значения постоянной моторного запаздывания ДтМ позволяет интегрально оценить оценки психофизиологических параметров, характеризующих инерционные свойства опорно-двигательной системы человека-оператора с учетом эргономических и инерционных характеристик органов ручного управления, а также оценки, отражающие степень его профессиональной подготовленности и тренированности.

Оценки параметра ДтМ могут быть получены путем обработки экспериментальных данных, полученных с помощью достаточно «тонких» измерений на

уровне биопотенциалов с помощью измерительного высокотехнологичного оборудования.

Вместе с тем экспериментальное исследование и оценивание значений параметра ДтМ может позволить отбирать в качестве операторов человеко-машинных систем операторов с минимальным временем моторной составляющей запаздывания.

Кроме того, детальный анализ значений оценок психофизиологического параметра ДтМ может позволить найти наиболее оптимальные эргономические и конструктивные решения органов ручного управления с целью минимизации моторной составляющей вносимого оператором в контур управления динамического запаздывания.

Полная интегральная составляющая оценки психофизиологических параметров человека оператора, характеризующих его временные характеристики, может быть представлена величиной эквивалентного запаздывания оператора тОП, которая выражается через значения его психофизиологических параметров:

топ = Дтл + Дтм.

Таким образом, величина эквивалентного запаздывания тОП действительно может быть использована в качестве высокоэффективной интегральной параметрической оценки психофизиологических параметров и внутреннего психофизиологического состояние человека-оператора.

Рассмотрим теперь некоторые методологические проблемы, связанные с получением оценок значений параметра тОП экспериментальным методами.

Экспериментальное определение величины эквивалентного запаздывания человека-оператора тОП возможно как с помощью прямых измерений значений тОП, так и с помощью косвенных методов оценивания, путем обработки результатов прямых измерений физических переменных, связанных с параметром тОП. Рассмотрим некоторые из этих методов более подробно.

Один из возможных прямых методов экспериментального получения оценок значений тОП предполагает подачу на средства визуализации последовательности прямоугольных импульсов со случайными периодом и длительностью.

Оператор, работая в режиме слежения, наблюдет скачкообразные изменения внешнего информационного сигнала и отклоняет органы ручного управления так, чтобы отследить изменение информационного сигнала во времени специальным маркером. Таким образом, величина вносимого человеком-оператором запаздывания тОП может быть оценена непосредственно. Графики на рис. 2, а иллюстрируют реализацию данного метода.

Возможны и другие методы получения оценок величины запаздывания тОП с использованием прямых измерений.

Необходимо отметить, однако, что прямые методы получения оценок параметров, характеризующих психофизиологическое состояние человека-оператора, обладают существенным недостатком, который состоит в том, что оператору предъявляются тестовые информационные сигналы, являющиеся детерминированными процессами.

Рис. 2. Экспериментальное оценивание величины запаздывания оператора

Вместе с тем в реальных условиях при работе человека-оператора в динамическом режиме в контуре управления человеко-машинных систем управления предъявляемый оператору визуальный информационный сигнал может изменяться случайным образом.

В этом случае наиболее точными и эффективными методами получения оценок величины запаздывания оператора тОП являются методы, основанные на получении косвенных оценок величины запаздывания по результатам статистического оценивания параметров и моделей операторов.

Одним из возможных статистических методов экспериментального оценивания величины запаздывания оператора тОП является метод, предполагающий предъявление оператору некоторого случайно изменяющегося во времени визуального с ограниченным частотным спектром сигнала и определением статистической корреляционной взаимосвязи между входным информационным сигналом и реакцией оператора на входное воздействие, которая представляет собой сигнал, считываемый с органов ручного управления.

Структура исследовательского комплекса для экспериментального определения интегральных оценок параметров психофизиологического состояния человека-оператора статистическими методами может быть представлен в виде блок-схемы вида (рис. 3).

Рис. 3. Структура исследовательского комплекса

Оценка величины запаздывания оператора тОП может быть определена через значения функции взаимной корреляции. Функция взаимной корреляции вы-

числяется на основе результатов статистической обработки массивов полученных в ходе эксперимента входных-выходных выборок

1 N N

Ruy (т j ) = NЕ - mu )(( - my )•

N j=1 i=1

Графики на рис. 2, б иллюстрируют реализацию данного статистического метода экспериментального оценивания параметра тОП.

Необходимо отметить, что многие характеристики и параметры человека-оператора имеют нелинейный характер. Это значит, что реализация экспериментальных методов определения интегральных параметрических оценок психофизиологического состояния оператора может позволить получить наиболее адекватные значения искомых оценок в том случае, если используемые для решения этой проблемы методы оценивания ориентированы на получение значений параметров динамических систем в классе их нелинейных моделей.

Один из возможных способов оценивания нелинейных моделей человека-оператора основывается на использовании моделей в форме б-функционалов Винера [2].

В результате цифровой обработки экспериментальных данных можно получать значения ядер б-функционалов Винера, которые будут отражать динамические свойства человека-оператора с учетом присущих ему нелинейностей.

Выражения для первых трех б-функционалов Винера можно представить в виде

G0[h0, u(t)] = h0 = const; б1 [h1,u(t)]= J h1 (t1 )u(t-t1 )dт1;

б2 [[ u(t)] = J J h2 (T1 )h (T2 )u(t -T1 )u(t-T2)dT1dT2 -С2 J h2 (T2 )dT2.

Графики на рис. 2, в иллюстрируют реализацию статистического метода экспериментального оценивания параметра тОП на основе вычисления б-функционалов Винера и анализа сечения его ядра h2(x1, т2).

Очевидно, что для решения проблем получения интегральных оценок психофизиологического состояния человека-оператора прямыми или косвенными статистическими методами необходима специальная материальная техническая база, основу которой составляют средства цифровой вычислительной техники, средства визуализации информационных сигналов, органы ручного управления, измерительные и информационно-преобразующие устройства.

Рассмотренная выше методология решения проблем получения интегральных оценок запаздывания оператора тОП ориентирована на реализацию с использованием специального исследовательского комплекса.

Были предложены архитектуры вариантов исследовательского комплексов [3; 4], предназначенных как для тренинга операторов человеко-машинных систем управления, проведения исследований их динамических характеристик, так и для оценивания параметров, характеризующих их психофизиологическое состояние.

ЛИТЕРАТУРА

[1] ЧаусовД.Н., ПетуховИ.В., БеляевВ.В., БогачевК.А., КурасовП.А. Программно-аппаратный комплекс для оценки эффективности деятельности операторов // Вестник МГОУ. Серия «Физика-математика». 2014. № 2.

[2] Основы кибернетики. Теория кибернетических систем / под ред. К.А. Пупкова. М.: Высшая школа, 1976.

[3] Пупков К.А. Гибридный тренажерно-диагностический исследовательский комплекс // Труды научно-практической конференции «Инженерные системы». М.: РУДН, 2013.

[4] Пупков К.А. Применение интеллектуальных технологий для диагностировании психофизиологического состояния человека-оператора // Труды VIII Международной научно-практической конференции «Инженерные системы 2015». М.: РУДН, 2015.

ELEMENTAL ESTIMATION OF OPERATORS' PSYCHOPHYSIOLOGICAL STATE IN MAN-MACHINE CONTROLE SYSTEMS

K.A. Pupkov

Cybernetics and mechatronics department Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

A problems of operators' psychophysiological parameters estimation in man-machine systems is considered. To estimate the psychophysiological parameters it is proposed to use a pure time delay of operator and motor activity delay. It is show that integral delay may be effective integral estimation for man — operator state and its psychophysiological parameters.

Key words: man-operator, man-machine system, integral estimation, psychophysiological state

REFERENCE

[1] Chausov D.N., Petukhov I.V, Belyaev VV, Bogachev K.A., Kurasov P.A. The hardware-software system for evaluating the performance of the operators // Bulletin MGOU. Series "Physics and mathematics", 2014. № 2. [Chausov D.N., Petukhov I.V, Belyaev VV., Bogachev K.A., Kurasov P.A. Programmno-apparatny kompleks dlya otsenki effektivnosti deyatelnosti operatorov // Vestnik MGOU. Seriya «Fizika-matematika». 2014. № 2.]

[2] The basics of cybernetics. The theory of cybernetic systems / Ed. K.A. Pupkova. M.: Higher School, 1976. [Osnovy kibernetiki. Teoriya kiberneticheskikh system / pod red. K.A. Pupkova. M.: Vysshaya shkola, 1976.]

[3] Pupkov K.A. Hybrid research complex for training and diagnostics. Proceedings of the scientific-practical conference "Engineering Systems". People's Friendship University of Russia, 2013. [Pupkov K.A. Gibridny trenazherno-diagnostichesky issledovatelsky kompleks. Trudy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Inzhenernye sistemy». M.: RUDN, 2013.]

[4] Pupkov K.A. The use of intelligent technologies for the diagnosis of psycho-physiological state of the human operator. Proceedings of the VIII International scientific-practical conference "Engineering Systems 2015". M.: Peoples' Friendship University of Russia, 2015. [Pupkov K.A. Primeneniye intellektualnykh tekhnology dlya diagnostirovanii psikhofiziologicheskogo sostoyaniya cheloveka—operatora. Trudy VIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Inzhenernye sistemy 2015». M.: RUDN, 2015.]