авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Алгоритмическое и аппаратное обеспечение автоматизированной системы тестирования операторов сложных технологических установок

На правах рукописи

Плотников Сергей Владимирович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

ОПЕРАТОРОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (образование)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010 Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогиче ский университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, ст. научный сотрудник Ларцов Сергей Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Федосеев Вадим Николаевич кандидат технических наук Прахов Илья Андреевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «14» мая 2010 г. в 1500 на заседании объеди ненного диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссерта ций ДМ.008.004.02 при Учреждении Российской академии образования «Институт информатизации образования» по адресу: 119121, г. Москва, ул. Погодинская, д. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии образования «Институт информатизации образования», автореферат размещен на сайте http://www.iiorao.ru.

Автореферат разослан «13» апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор педагогических наук, кандидат технических наук, профессор О.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Современный этап развития общества характеризуется интенсивным вне дрением средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) во все сферы жизни и деятельности человека, в том числе и в область профессиональной подготовки специалистов различного профиля. Теоретические и методологические основы использования средств ИКТ в образовании получили развитие в исследо ваниях Алексеева В.В., Безбогова А.А., Данилюка С.Г., Козлова О.А., Латыше ва В.Л., Павлова А.А., Роберт И.В., Сердюкова В.И., Сазонова Б.А., Соловье ва А.Я., Татура Ю.Г., Филатова О.К. и др.

Одним из решающих факторов повышения эффективности и надежности ра боты системы "человек-машина" является увеличение степени ее автоматизации.

Однако полная автоматизация процессов управления приводит к чрезмерному ус ложнению системы и снижению надежности ее работы, в связи с чем автоматизи рованные системы, представляющие собой сложные технологические комплексы, целесообразно создавать на основе оптимального распределения функций между человеком и машиной. Особенностями сложных технологических установок явля ются большое число элементов и выполняемых ими задач (которые относятся к системам "человек-машина"), высокая функциональная связность элементов, сложность управляющих воздействий в нестандартных ситуациях.

Деятельность оператора сложных технологических установок характеризу ется высокой напряженностью. Это обуславливает повышение требований к пси хофизиологическим и личностным качествам оператора. Операторы, не обладаю щие достаточными способностями для эффективного управления системой, до пускают большее число ошибочных действий, что может негативно сказаться на качестве решаемых задач, привести к нарушению технологического процесса и к значительным материальным потерям. Ввиду этого для повышения эффективно сти и надежности работы автоматизированных систем необходим профессиональ ный психофизиологический отбор и специальная подготовка операторов.

Техническое решение задачи психофизиологического тестирования опера торов специфично и связано, прежде всего, с разработкой алгоритмического и ап паратного обеспечения автоматизированной системы тестирования хронореак циометрического направления, ориентированного не только на качественную, но и точную количественную оценку поведенческих реакций человека, действующего в условиях дефицита времени. При этом под алгоритмическим обеспечением такой системы будем понимать совокупность алгоритмов, реализующих математические методы проведения мониторинга профессиональной готовности на основе ком плексной оценки профессионально важных качеств и психофизиологического со стояния оператора, а под аппаратным обеспечением – комплекс электронных и механических устройств, входящих в состав автоматизированной тестирующей системы.

Большие перспективы эксперты связывают с разработкой автоматизирован ных психофизиологических систем на основе методов теории функциональных биотехнических систем. Фундаментальный вклад в развитие математического и биофизического моделирования операторской деятельности внесен работами Аху тина В.М., Баевского Р.М., Блинова Н.Н., Василевского Н.Н., Гурфинкеля В.С., Зараковского Г.М., Киселёва В.Д., Кульбы В.В., Лищука В.А., Логвинова С.И., Ломова Б.Ф., Мамиконова А.Г., Сигитова В.В., Шибанова Г.П. и др.

Анализ проблемы автоматизации профессионального психофизиологическо го отбора операторов в аспекте техники хронореакциометрического направления выявил два основных подхода к ее решению: 1) разработка систем с биотехниче ской обратной связью для психофизиологического тестирования;

2) создание ав томатизированных систем для психофизиологического тестирования с оптималь ным вариантом комплексирования аппаратной и программной составляющих.



Несмотря на достигнутые успехи первого направления в области создания и использования психофизиологической техники (Бабский Е.Б., Баевский Р.М., Бой ко Е.И., Боксер О.Я., Горшков С.И., Золина З.М., Майкин Ю.В., Парин В.В. и др.), на пути интеграции этих двух направлений просматривается ряд нерешенных про блем, среди которых выделим: разработку автоматизированных систем, функцио нирующих на принципе биотехнической обратной связи, предназначенных для тестирования и коррекции психофизиологического состояния человека-оператора;

разработку моделей функциональной биотехнической системы "оператор - авто матизированная система управления технологической установкой";

разработку методов комплексной оценки профессионально важных качеств и психофизиоло гического состояния человека-оператора.

Таким образом, актуальной является научная задача создания автоматизи рованных тестирующих психофизиологических систем на основе использования принципа биотехнической обратной связи и разработки соответствующего алго ритмического и аппаратно-программного обеспечения.

Объект исследования – человеко-машинная система "оператор - автомати зированная система управления технологической установкой".

Предмет исследования – автоматизированный процесс психофизиологиче ского тестирования оператора сложных технологических установок (на примере операторов технологических установок газовой промышленности) на этапе про фессионального отбора.

Цель исследования – разработка алгоритмического и аппаратного обеспе чения автоматизированной системы психофизиологического тестирования опера торов сложных технологических установок для повышения достоверности оценки готовности оператора к выполнению задач профессиональной деятельности.

Для достижения цели диссертационного исследования необходимо решить следующие подзадачи:

1. Провести анализ существующих подходов к проблеме автоматизирован ного профессионального психофизиологического отбора операторов сложных технологических установок и построить модель перспективной автоматизирован ной тестирующей психофизиологической системы.

2. Разработать метод автоматизированного психофизиологического тести рования операторов сложных технологических установок, обеспечивающий ком плексную оценку профессионально важных качеств и психофизиологического со стояния оператора.

3. Разработать алгоритм количественной оценки готовности оператора сложных технологических установок к выполнению задач профессиональной дея тельности.

4. Разработать устройство для измерения времени экстренной двигательной реакции оператора в составе автоматизированной тестирующей психофизиологи ческой системы.

5. Создать аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тести рующей психофизиологической системы для оценки готовности оператора слож ных технологических установок к выполнению задач профессиональной деятель ности.

Методологические основы и методы исследования.

Решение задач диссертационного исследования осуществлялось на основе комплексного применения теоретических и экспериментальных методов. Теорети ческие исследования основывались на использовании методов системотехники и теории управления, теории функциональных биотехнических систем, психофизио логии, энтропийной теории погрешностей. Экспериментальные исследования про водились с использованием стендового оборудования и опытно экспериментальных образцов тестирующих психофизиологических систем.

Экспериментальная проверка и оценка эффективности предложенных мето дов и устройств в составе автоматизированной тестирующей системы осуществля лись на основе психофизиологических исследований в условиях образовательного процесса.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключается в следующем:

1. Построена модель автоматизированной тестирующей психофизиологиче ской системы, в основе которой лежит принцип биотехнической обратной связи, который расширяет функциональные возможности системы в аспектах оценки профессиональной пригодности и подготовки операторов сложных технологиче ских установок.

2. Предложен метод оценки профессиональной пригодности операторов, реализующий алгоритмический подход к анализу деятельности оператора и учи тывающий качество выполнения им технологических операций предписанного ал горитма в процессе автоматизированного тестирования.

3. Разработан алгоритм количественной оценки функциональной надежно сти операторов сложных технологических установок, характеризующийся повы шенной прогностической способностью для оценки готовности оператора к вы полнению задач профессиональной деятельности.

Практическая значимость исследования.

Предложенный метод оценки профессиональной пригодности операторов технологических установок реализован в тестирующей психофизиологической системе в составе автоматизированной системы профессионального отбора.

Методика, алгоритмы и аппаратно-программное обеспечение автоматизиро ванного психофизиологического тестирования операторов использованы в науч ных исследованиях, проводимых в межкафедральной психофизиологической ла боратории ГОУ ВПО "Шуйский государственный педагогический университет".

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках темы диссертационной работы, сформулированы техниче ские и эргономические требования к характеристикам перспективных автоматизи рованных тестирующих систем. Создан демонстрационный образец тестирующей психофизиологической системы.

Апробация результатов исследования.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на сле дующих международных и всероссийских научных конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция "Психология и эргономика: единство теории и практики" (Тверь, 1999);

Международная научная конференция "Современные информационные технологии в образовательном процессе и научных исследова ниях" (Шуя, 2000);

Всероссийская научно-методическая конференция "VIII Столе товские чтения" (Владимир, 2000);

II Международная конференция "Актуальные проблемы современного естествознания" (Калуга, 2000);

Всероссийская научно техническая конференция "Медицинские информационные системы" (Таганрог, 2000);

Всероссийская конференция "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, 2001);

VIII Международная научно-техническая конференция "Перспек тивные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 2009);





Между народная научно-практическая конференция "Развитие отечественной системы информатизации образования в здоровьесберегающих условиях" (Москва, 2009).

Внедрение результатов исследования.

Основные результаты диссертационного исследования использованы в ЗАО "Объединение "Бинар", а также в научно-исследовательской деятельности ГОУ ВПО "Шуйский государственный педагогический университет".

На техническое решение "Устройство для измерения реакции на положение движущегося раздражителя", разработанное в рамках диссертационного исследо вания, получено свидетельство на полезную модель.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель автоматизированной тестирующей психофизиологической сис темы, которая основывается на принципе биотехнической обратной связи, расши ряющем функциональные возможности системы в аспектах оценки профессио нальной пригодности и подготовки операторов технологических установок.

2. Метод оценки функциональной надежности операторов технологических установок, обеспечивающий комплексную оценку профессионально важных ка честв и психофизиологического состояния операторов.

3. Аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тестирующей психофизиологической системы, построенное с использованием авторских моде лей и алгоритмов и характеризующееся повышенной прогностической способно стью для оценки надежности операторов сложных технологических установок.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа включает: введение, три главы, заключение, список литературы и четыре приложения.

Работа содержит 114 страниц, 9 рисунков, таблиц. Библиографический список – 138 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении определяется предметная область исследования, обосновыва ется актуальность проблематики, формулируются цели и задачи диссертационной работы, кратко излагаются полученные результаты.

В первой главе рассмотрены основные особенности автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), принципы профес сионального отбора операторов технологических установок газовой промышлен ности, проанализированы проблемы автоматизации профессионального психофи зиологического отбора операторов и современное состояние психодиагностиче ской техники хронореакциометрического направления.

АСУ ТП представляют собой комплекс технических средств, алгоритмов, организационных мероприятий, обеспечивающих работу системы и позволяющих оптимизировать режим работы технического объекта.

Профессиональный отбор – это научно обоснованный допуск людей к опре деленному виду профессионального обучения и последующей работе по специ альности. Система профессионального отбора состоит из следующих основных его видов: медицинского, социально-психологического, образовательного и пси хофизиологического. В системе профессионального отбора операторов психофи зиологический отбор занимает особое место. Это связано с тем, что психофизио логические исследования позволяют достаточно быстро и объективно измерять большое число психофизиологических свойств, выявлять глубокую и тонкую структуру индивидуальных особенностей личности. Ценно то, что психофизиоло гические свойства человека могут количественно выражать профессионально важ ные качества и для многих профессий обладают достаточно высокой прогностиче ской способностью.

В результате изучения литературы по теме исследования были выявлены и проранжированы профессионально важные качества специальностей операторско го типа, определены эффективные методики исследования данных качеств.

Анализ литературных и патентных источников показал, что тестирующие психофизиологические комплексы целесообразно создавать на основе психофи зиологических аппаратурных модулей (приставок), рассчитанных на специфиче скую стыковку с различными ЭВМ. При этом легко достигается комплексирова ние элементов хронореакциометрии с различными экспериментально психологическими и физиологическими методиками.

На фоне убедительных достижений в развитии элементной базы психодиаг ностической аппаратуры произошло существенное сокращение объёма исследова тельских работ, направленных на создание хронореакциометрических методик.

Анализ известных методик и имеющихся аппаратных средств в существующей системе профессионального отбора операторов позволил выявить их ограничен ные способности в задачах количественного оценивания психофизиологической составляющей деятельности человека-оператора. Необходимо дальнейшее разви тие теории и приложений психофизиологии в интересах анализа психофизиологи ческой составляющей профессиональной пригодности операторов сложных техно логический установок и разработки психофизиологической аппаратуры на базе средств ИКТ с расширенным программным обеспечением.

Во второй главе проведен структурный анализ деятельности человека оператора и описана методика расчета коэффициентов стереотипности (Z) и логи ческой сложности (L), характеризующих структуру алгоритма операторской дея тельности, предложен метод оценки готовности (функциональной надежности) оператора к выполнению задач профессиональной деятельности.

Профессиональная деятельность оператора – это процесс, осуществляемый человеком-оператором для достижения поставленных перед системой "человек машина" целей. Этот процесс представляет собой упорядоченную совокупность действий. Если раскрыта логическая организация этой совокупности, то сложное действие может быть описано как алгоритм решения определенной задачи дея тельности. Разные виды деятельности могут складываться из типовых действий.

Выделяют два уровня типовой деятельности человека-оператора: технологический и психофизиологический.

Работа человека-оператора подразделяется на три иерархических уровня:

деятельность, действия (типовые и ситуационные), операции. Деятельность конст руируется из действий. Действия человека-оператора направлены на реализацию определенной цели, достижение которой реализуется выполнением ряда операций.

Действия представляют собой организованный набор таких операций. Для опера ций всегда существует четкий критерий их выполнения или невыполнения. Дея тельность оператора осуществляется по заранее отработанному алгоритму, кото рый указывается в Инструкции по эксплуатации технологических установок.

Алгоритмом называют предписание о выполнении в определенном порядке некоторой совокупности операций, необходимых для достижения поставленной цели. Наиболее распространенной формой описания алгоритма деятельности опе ратора является символическая форма с использованием логической схемы. В ло гической схеме алгоритма его элементы записываются в виде последовательности управляющих воздействий Ai и логических условий Pi.

Для оценки структуры профессиональной деятельности оператора исполь зуются следующие количественные характеристики алгоритма:

1. Нормированный коэффициент стереотипности (Z):

1 m noj o Z, N j 1 M oj где mo – число непрерывных групп операторов (управляющих воздействий) в ал горитме, noj – длина j-ой непрерывной группы операторов, равная числу операто ров в группе, N – полное число операций в алгоритме, Moj – число операций в j-ой комплексной группе. Комплексная группа включает одну непрерывную группу операторов и следующую за ней одну непрерывную группу логических условий.

Разбиение алгоритма на комплексные группы осуществляется, начиная с первой группы операторов.

2. Нормированный коэффициент логической сложности (L):

1 m n лjл L *, N j 1 M лj где mл – число непрерывных групп логических условий в алгоритме, nлj – длина j ой непрерывной группы логических условий, равная числу логических условий в группе, N* – число операций в алгоритме, начиная с первого по счету логического условия, Mлj – число операций в j-ой комплексной группе алгоритма. Комплексная группа включает одну непрерывную группу логических условий и следующую за ней одну непрерывную группу операторов. Разбиение алгоритма на комплексные группы осуществляется, начиная с первой группы логических условий.

Ниже представлена логическая схема фрагмента алгоритма работы операто ра автоматизированной системы управления (АСУ).

Группы операторов 1 2 3 4 5 6 P1 P2 A1 A2 P3 A3 P4 A4 P5 A5 P6 A6 P7 A7 S 1 2 3 4 5 6 Группы логических условий Рисунок 1 – Логическая схема фрагмента алгоритма работы оператора АСУ Расчет коэффициентов стереотипности (Z) и логической сложности (L) пока зывает, что логическая схема предложенного нами алгоритма характеризуется оп тимальными значениями количественных показателей структуры деятельности че ловека-оператора, удовлетворяющих условию 0,25 Z 0,85;

L 0,2, и предло женный алгоритм может рассматриваться как типовой для анализа психофизиоло гического состояния оператора.

В рамках проведенной опытно-экспериментальной работы разработан и ап робирован модифицированный метод оценки функциональной надежности через интегральный показатель психофизиологического состояния человека-оператора при работе на учебно-тренировочных средствах (УТС).

Функциональная надежность оператора оценивается по двум параметрам:

времени выполнения алгоритма t А (быстродействие оператора) и количеству до пущенных оператором ошибок NА (точность выполнения оператором предписан ных функций). Первый показатель (t А) определяется инструктором по данным ручного хронометража – фиксируется начало и окончание работы оператора. Вто рой показатель (NА) определяется инструктором по данным визуального контроля (наблюдения) за порядком отработки оператором алгоритма на УТС. Оценка функциональной надежности оператора при работе на УТС выставляется инструк тором по правилам, приведенным в таблице 1. Оценка выставляется путем сравне ния полученных результатов (tА, NА) с нормативными показателями (tН, N Н).

Таблица Количество допущенных ошибок NА Время выполнения алгоритма tА 0 1 2 и более отлично хорошо неуд.

tА tН хорошо удовл. неуд.

tН1 tА tН удовл. неуд. неуд.

tН2 tА tН tА tН3 неуд. неуд. неуд.

В основе базовой методики оценки функциональной надежности оператора лежит эмпирический подход к оценке качества деятельности оператора.

При ряде достоинств (простота реализации, наглядность представления ко нечного результата деятельности оператора) базовый метод оценки функциональ ной надежности оператора обладает рядом недостатков, в частности: не обеспечи вается возможность установления причин различия реализованных и предписан ных алгоритмов деятельности, что формально проявляется в динамике быстродей ствия (tА) оператора;

алгоритм деятельности оператора оценивается в целом по итоговому интегральному показателю его выполнения без текущего контроля за нарушением последовательности регламентированных операций, что формально проявляется в количестве допущенных оператором ошибок (NА);

не обеспечивает ся контроль динамики изменения психофизиологического состояния оператора и оценка ее влияния на показатели (tА, N А);

отсутствует возможность установления основных причин получения оператором низкой оценки функциональной надеж ности при работе на УТС.

Для устранения вышеуказанных недочетов базового метода нами был разра ботан и апробирован его модифицированный вариант.

Сущность нашей модификации состоит в возможности организовать на уровне аппаратно-программных средств УТС учет двух основных составляющих функциональной надежности оператора: структурных особенностей процесса опе раторской деятельности и динамики изменения функционального состояния опе ратора в процессе деятельности.

Оператор Аппаратно-программные средства УТС Эргономические характеристики Оценка t A(Z, L), N A функциональной Нормативы АЛГОРИТМ надежности t H, NH Временные оператора характеристики ti Результаты оценки Рисунок 2 – Структурная схема модифицированного метода оценки функциональной надежности оператора Структурные особенности процесса операторской деятельности характери зуются коэффициентами стереотипности (Z) и логической сложности (L) алгорит ма (эргономическая составляющая деятельности оператора);

динамика изменения функционального состояния оператора в процессе деятельности характеризуется временными параметрами (ti) типологических действий оператора при работе на УТС (психофизиологическая составляющая деятельности оператора).

Несмотря на то, что структура предписанного алгоритма деятельности чело века-оператора жестко детерминирована нормативным набором операций (логиче ских условий и управляющих воздействий), оператор может выполнять одну и ту же задачу управления действиями разными как по технологическому (внешнему), так и психофизиологическому (внутреннему) содержанию, что обусловливает ва риативность внешних и внутренних показателей деятельности оператора (Z, L, ti).

Характер этих действий зависит от многих факторов: уровня обученности (подго товленности), установки на скорость или точность (или на то и другое), эмоцио нального состояния, индивидуальных свойств памяти и мышления человека оператора и т.п. Например, на технологическом уровне профессионально подго товленный человек-оператор может в ходе выполнения алгоритма изменять его структуру, а, следовательно, и ее характеристики (Z, L), оперируя последовательно не нормативными информационными технологическими единицами (логическими условиями), а используя оперативные единицы информации, не содержащие в полном объеме нормативный набор логических условий, т.е. человек-оператор, отрабатывая в полном объеме нормативный набор управляющих воздействий (Ai), избирательно ориентируется на нормативный набор предъявляемых ему логиче ских условий (Pi), пропуская некоторые из них (не реагируя на них).

С одной стороны, показатель стереотипности и показатель логической сложности количественно обосновывают системную взаимосвязь и взаимовлияние технологического и психофизиологического подходов к оценке функциональной надежности оператора, констатируют определяющую роль оператора в изменении структуры его деятельности. С другой стороны, они указывают на возможность взять под контроль временную организацию пошагового (пооперационного) вы полнения оператором алгоритма, тем самым предоставляя возможность количест венно охарактеризовать методом рефлексометрии рефлекторные процессы, сопро вождающие деятельность оператора на технологическом уровне.

Сопоставим оба метода оценки функциональной надежности оператора.

В базовом методе за основу берется нормативный принцип операторской деятельности, которому соответствует неизменная структура предписанного алго ритма (Z = const, L = const). Фактор функционального (психофизиологического) состояния не учитывается. Функциональная надежность оператора определяется эмпирически как функция двух параметров (tА, NА). Пошаговый (пооперационный) контроль за действиями оператора отсутствует.

В модифицированном методе свойство функциональной надежности опера тора рассматривается как сложная функция от многих параметров реализованного алгоритма (tА(Z, L, ti), N А), определяемых аппаратно-программными средствами УТС в режиме пошагового контроля за действиями оператора.

Модифицированный метод, во-первых, учитывает возможность изменения оператором хода (структуры) выполнения предписанного алгоритма, т.е. учитыва ется изменчивость коэффициентов Z и L алгоритма, что проявляется в количестве (H) преобразуемой оператором информации;

во-вторых, учитывается динамика изменения временных параметров (ti) психофизиологического состояния операто ра по данным рефлексометрии.

Оба эти фактора проявляются в динамике быстродействия (tА) оператора, что можно проиллюстрировать, пользуясь критерием быстродействия оператора:

t i bH t ож T k, где ti – временная составляющая быстродействия, отражающая время реакций оператора в i-ом шаге алгоритма;

H – количество преобразуемой оператором ин формации (логических условий);

b – величина, обратная скорости переработки информации оператором;

tож – время, затрачиваемое на ожидание сигналов обслу живания (при наличии очереди сигналов на обслуживание);

T – продолжитель ность управления системой, задаваемая инструкцией по эксплуатации;

k – время задержки сигнала в k-ом звене системы (задается паспортными данными на УТС).

Левая часть критерия быстродействия характеризует фактическое время вы полнения оператором алгоритма (t А), а правая часть характеризует быстродейст вие, задаваемое инструкцией по эксплуатации (tН).

Внедрение предложенного подхода к оценке функциональной надежности оператора позволяет решить ряд существенных практических задач операторской деятельности: автоматизировать процесс выставления комплексной оценки функ циональной надежности оператора по результатам его реальной работы в пошаго вом режиме, что позволяет повысить достоверность оценки;

освободить инструк тора и сократить время на профессиональную подготовку оператора;

разработать единую систему объективных требований для выставления оценки при проведе нии подготовки оператора к работе на УТС;

разработать единую систему конкрет ных рекомендаций по совершенствованию практических навыков работы операто ра на УТС;

получить объективные данные по изменению психофизиологического состояния оператора при работе на УТС в различных условиях подготовки.

В третьей главе рассмотрены вопросы построения автоматизированной тестирующей психофизиологической системы (ТПФС) хронореакциометрического направления для обследования человека-оператора.

Предлагаемая автоматизированная ТПФС рассчитана на хронореакциомет рию человека-оператора при работе на УТС в реальном масштабе времени. Она имеет структуру общую для построения психофизиологических систем на базе ЭВМ, но отличается методикой тестирования и функционально иным содержани ем периферийной части системы.

Автоматизированная ТПФС состоит из трех основных блоков: ЭВМ, выпол няющей функции управляющего вычислительно-информационного комплекса;

УТС, играющего роль хронореакциометрической приставки, и устройства сопря жения (УС) между ЭВМ и УТС.

УТС УС ЭВМ Рисунок 3 – Функциональная схема автоматизированной ТПФС С позиции психофизиологической техники хронореакциометрического на правления УТС рассматривается нами как панель исследования сенсомоторных реакций и психомоторики, формирователя стимулов и приема ответных реакций человека-оператора. Конструктивными элементами УТС являются различные ор ганы управления (кнопки, ручки управления, тумблеры и т.п.), выполняющие роль датчиков двигательных реакций оператора. При таком подходе к функциональной роли УТС в составе автоматизированной ТПФС, во-первых, обеспечивается об следование человека-оператора в процессе его текущей деятельности в производ ственных условиях;

во-вторых, устраняется "негативное" воздействие специаль ных тестирующих сигналов на процесс тестирования, что свойственно обследова нию оператора в лабораторных условиях, имитирующих его деятельность.

В автоматизированной ТПФС, наряду с авторским методом тестирования, обеспечивается и разносторонняя классическая хронореакциометрия и количест венный анализ тремора, координации движения, точности воспроизведения задан ной амплитуды движения человека-оператора, работоспособности его двигатель ного анализатора (теппинг-тест) и т.д.

Программное обеспечение автоматизированной ТПФС включает, помимо программной реализации авторского метода, пакет прикладных программ для психодиагностики по методам бланковых тестов-опросников. Кроме того, реали зуется статистическая обработка результатов исследования, их идентификация и документирование.

Автоматизированная ТПФС обеспечивает возможность получения объек тивных данных как констатирующего характера (проверка готовности оператора к выполнению заданного вида деятельности), так и прогнозирующего характера (предсказание возникновения нежелательных состояний как причин снижения эф фективности его деятельности), при этом возможно получение данных для теку щего контроля функциональной надежности оператора.

Разработанная автоматизированная ТПФС использовалась для оценки по ре зультатам тестирования времени экстренной двигательной реакции (ЭДР).

Известные устройства для измерения ЭДР имеют следующий недостаток, ограничивающий их метрологические возможности: не учитывается влияние мы шечного усилия, с которым испытуемый воздействует на датчик реакции при ра боте на размыкание, вследствие чего не учитывается время торможения мышечной реакции. Погрешность имеет место в любых типах датчиков двигательных реак ций (контактных, сенсорных), т.к. обусловлена влиянием не инструментального (аппаратного), а биологического фактора на процесс измерения времени реакции.

Достоверность влияния указанного недостатка на процесс измерения двига тельной реакции подтверждена статистически. Полученные нами эксперименталь ные данные (табл. 2), показали, что время реакции с дозированным мышечным усилием отличается от аналогичного показателя простой сенсомоторной реакции, что указывает на необходимость учета погрешности измерения времени двига тельной реакции, связанной с мышечным воздействием испытуемого на датчик.

Установлено, что данная погрешность прямо пропорциональна величине мышеч ного усилия оператора.

Таблица Латентный период двигательной реакции, мс Достоверность Скрытый период торможения Скрытый период простой различия двигательной реакции сенсомоторной реакции Р Н1 – Н (Х1 m) (Х2 m) 236 23 190 26 0, Целью эксперимента было исключение погрешности измерения латентного периода ЭДР, связанной с неравномерностью воздействия испытуемым на кон тактную пару, работающую на размыкание.

Указанная цель достигается тем, что датчик двигательной реакции устрой ства для измерения ЭДР дополнительно оснащен пружинным динамометром (Д), задающим регулируемое высотой его прикрепления на штативе усилие для удер жания испытуемым через полый цилиндр подвижного контакта (К1), закрепленно го на подвижном штоке динамометра, в соприкосновении с неподвижным (К2), ус тановленным в основании штатива.

Дискретные сигналы от датчика испытуемого через устройство сопряжения поступают в ЭВМ. Программа ЭВМ обеспечивает обработку и вывод на экран ре зультатов испытаний.

При этом учет погрешности измерения ЭДР, связанной с неравномерностью воздействия испытуемого на датчик двигательной реакции, обеспечивается про граммно путем исключения из результатов испытаний статистических параметров указанной погрешности, которые устанавливаются экспериментатором в соответ ствии с заданным дозированным мышечным воздействием испытуемого на датчик двигательной реакции.

Д УС ЭВМ К К Рисунок 4 – Схема устройства для измерения ЭДР Далее в процессе исследований рассмотрена функциональная биотехниче ская подсистема "оператор - орган управления УТС" как тренажерная хронореак циометрическая система с биотехнической обратной связью (БТОС).

В работе изучены системы, основанные на БТОС от результата действия. В них реализован принцип, согласно которому отклонение от заданного параметра действия автоматически вызывает пропорциональное сопротивление реализации этого действия (санкционирующее воздействие). Такие системы обладают высо кими тренажерными возможностями.

В разработанной нами автоматизированной хронореакциометрической сис теме реализован вышеуказанный принцип для обеспечения саморегуляции (кор рекции) времени ЭДР. В процессе саморегуляции времени ЭДР в режиме БТОС решаются две задачи: минимизация отклонения (t) текущих (ty) значений времени реакции от заданных (t x) с индикацией знака отклонения и реализация заданного закона функционирования санкционирующего воздействия (z) по каналу обратной связи:

min t y t x, z f ( ).

t t Система работает следующим образом:

В блоке программирования (БП) канала БТОС формируется заданное (tx) значение времени ЭДР, которое преобразуется в первом преобразователе (П1) в аналоговый сигнал (Ux), поступающий на первый вход элемента сравнения (ЭС).

Аналоговый сигнал усиливается по мощности усилителем (УМ) и тормозной ме ханизм (ТМ) развивает тормозное (санкционирующее) воздействие (z), пропор циональное сигналу с выхода усилителя. В результате сигналом задания (Ux) осу ществляется "блокировка" датчика двигательной реакции (ДР) испытуемого (И), который кинематически сочленен с тормозным механизмом.

Экспериментатор запускает генератор сигналов раздражения (ГСР), который синхронно осуществляет включение времяизмерительного устройства (ВИУ) и предъявление испытуемому определенного сигнала раздражения (зрительного, звукового, тактильного или ситуационного). При включении ВИУ на его выходе начинается формирование текущего (ty) значения времени ЭДР, а на выходе второ го преобразователя (П2) его аналоговый эквивалент. В результате в ЭС возникает нарастающий процесс вычитания из аналогового сигнала задания (Ux) текущего аналогового значения (Uy) времени ЭДР, что приводит к уменьшению сигнала на входе усилителя и, соответственно, к уменьшению тормозного (санкционирующе го) воздействия на ДР.

Испытуемый, восприняв сигнал раздражения от ГСР, реагирует на него воз действием на ДР, выключая тем самым ВИУ и ощущая при этом определенное со противление перемещению подвижной части ДР из-за возникающей разности ана логовых сигналов Ux и Uy. При нулевом уровне образующейся разности аналого вых сигналов тормозное (санкционирующее) воздействие (z) имеет минимальное значение. В случае опережения или запаздывания при воспроизведении заданного значения времени ЭДР тормозной механизм развивает тормозное (санкциони рующее) воздействие (z), пропорциональное абсолютной разности (t) между за данным (tx) и текущим (ty) значениями времени экстренной двигательной реакции.

И ДР ГСР z БТОС ТМ ВИУ УМ ty t tx БП П1 ЭС П Рисунок 5 – Структурная схема хронореакциометрической системы с БТОС Таким образом, испытуемый в результате поиска наименьшего сопротивле ния перемещению подвижной части ДР в процессе предъявления ему случайной последовательности сигналов раздражения от ГСР воспроизводит заданное значе ние времени экстренной двигательной реакции.

Экспериментальные исследования хронореакциометрической системы с БТОС показали, что уровень саморегуляции времени экстренной двигательной ре акции, соответствующий заданному, устанавливается в течение 1-5 минут в зави симости от наличия соответствующих навыков и продолжительности тренинга. В процессе обучения испытуемого с помощью данной системы вырабатывается ус тойчивая реакция на условный сигнал.

Для метрологического анализа автоматизированной ТПФС нами использо ван метод, получивший развитие в работах П.В. Новицкого, базирующийся на оценке энтропийного значения погрешности. Энтропийный подход к анализу ре зультирующей погрешности (P) в автоматизированной ТПФС позволяет рассмат ривать каждую ее составляющую с позиции теории информации как центрирован ную случайную величину. С учетом энтропийных коэффициентов (К) и система тических погрешностей ():

2 2 2 2 2 2 Р К СИН, ДИ ПС ИР ВИУ УПР ИО ОТ К К К К К К К К ИР СИН ВИУ ПС УПР ИО ОТ ДИ где СИН – погрешность синхронизации времяизмерительного устройства и источ ника сигнала раздражения;

ИР – погрешность источника сигнала раздражения;

ВИУ – погрешность ВИУ;

ДИ – погрешность датчика оператора УТС;

ПС – по грешность преобразователя сигнала оператора;

УПР – погрешность управления (включения) ВИУ;

ИО – погрешность, вносимая оператором УТС по каналу фото рецепции;

ОТ – погрешность отсчета показаний ВИУ.

С учетом инструментальных погрешностей и погрешностей, вносимых опе ратором УТС, текущее значение результирующей относительной погрешности () измерения времени ЭДР определяется уравнением вида:

, S t где t – время реакции, 0 – погрешность нуля, S – относительная погрешность чувствительности измерительной аппаратуры к дестабилизирующему воздейст вию различных факторов.

При измерении времени ЭДР с помощью автоматизированной ТПФС обес печиваются высокие метрологические характеристики (S = 0,05 и 0 = 0,30 мс).

Расчет погрешности измерения времени ЭДР приведен в таблице 3.

Таблица,% tp, мс S, %, % tр 10 3,00 0,05 3, 30 1,00 0,05 1, 50 0,60 0,05 0, 80 0,38 0,05 0, 100 0,30 0,05 0, 200 0,15 0,05 0, Во всем диапазоне значений времени ЭДР (от 10 до 300 мс) автоматизиро ванная ТПФС обеспечивает весьма малую относительную погрешность, не пре вышающую 3 %. Это достигается за счет высокой разрешающей способности ав томатизированной ТПФС к измерению экстренных двигательных реакций.

Таким образом, выполненные исследования позволили определить метроло гические характеристики предлагаемой автоматизированной ТПФС для измерения времени экстренной двигательной реакции. Полученные результаты подтвержда ют высокую точность оценки времени реакции человека-оператора.

В заключении подведены итоги диссертационного исследования, изложены основные результаты и выводы, обозначены перспективы практического исполь зования результатов исследования и направления дальнейшей работы.

В приложении даны описания фрагмента алгоритма работы оператора в словесной и символической форме, а также его программная реализация на языке программирования Turbo Pascal 7.0.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 1. В результате анализа существующих подходов к проблеме автоматизации профессионального психофизиологического отбора операторов изучено современ ное состояние психодиагностической техники хронореакциометрического направ ления, построена модель тестирующей психофизиологической системы, в основу которой положен принцип биотехнической обратной связи, что обеспечивает рас ширение функциональных возможностей системы в аспектах оценки профессио нальной пригодности и подготовки операторов технологических установок.

2. Разработан метод автоматизированного психофизиологического тестиро вания оператора, учитывающий качество выполнения оператором технологиче ских операций предписанного алгоритма и обеспечивающий комплексную оценку профессионально важных качеств и психофизиологического состояния человека оператора. Данный метод позволяет автоматизировать процесс выставления оцен ки функциональной надежности оператора по результатам его реальной работы в пошаговом режиме, что повышает достоверность этой оценки.

3. Разработан алгоритм количественной оценки готовности оператора слож ных технологических установок к выполнению задач профессиональной деятель ности, характеризующийся повышенной прогностической способностью для оценки функциональной надежности оператора. Предложенный алгоритм позво ляет организовать учет двух основных составляющих функциональной надежно сти оператора: структурные особенности процесса операторской деятельности (по нормированным коэффициентам стереотипности и логической сложности) и ди намику изменения функционального состояния оператора в процессе деятельности (по временным параметрами типологических действий оператора). Данный алго ритм программно реализован на языке программирования Turbo Pascal 7.0.

4. Предложены технические решения для измерения времени экстренной двигательной реакции оператора, предусматривающие метрологический анализ и индивидуальную настройку измерительных звеньев тестирующей психофизиоло гической системы. Данное устройство позволяет исключить погрешность измере ния времени торможения экстренной двигательной реакции, связанную с нерав номерностью воздействия испытуемым на датчик двигательной реакции. Учет по грешности измерения времени двигательной реакции обеспечивается программно путем исключения из результатов испытаний статистических параметров указан ной погрешности, которые устанавливаются экспериментатором в соответствии с заданным мышечным воздействием испытуемого на датчик.

5. Разработано аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тестирующей психофизиологической системы для оценки профессиональной при годности и подготовки операторов сложных технологических установок. В данной системе для обеспечения саморегуляции (коррекции) времени экстренной двига тельной реакции реализован принцип биотехнической обратной связи, согласно которому отклонение от заданного параметра действия автоматически вызывает пропорциональное сопротивление реализации этого действия. Данная система обеспечивает возможность получения объективных данных как констатирующего характера (проверка функциональной надежности оператора), так и прогнозирую щего характера (предсказание возникновения нежелательных состояний как при чин снижения эффективности его деятельности).

Результаты диссертационного исследования (метод и аппаратно программное обеспечение) в аспектах психофизиологического обследования опе раторов могут быть использованы при создании автоматизированных тестирую щих и обучающих систем для центров подготовки операторов сложных техноло гических установок и комплексов специального назначения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК 1. Плотников С.В. Оценка функциональной надежности человека-оператора при работе на учебно-тренировочных средствах // Виртуальное и дистанционное обучение. 2010. № 5. C. 105-109.

2. Ларцов С.В., Плотников С.В. Алгоритм оценки функциональной надеж ности операторов сложных технических систем // Информатизация образования и науки. 2010. № 2. C. 114-126.

3. Аксюта Е.Ф., Плотников С.В., Аксюта В.Е. Хронореакциометрическая система с биотехнической обратной связью // Медицинская техника. 2001. № 6. C.

27-28.

Статьи в сборниках научных трудов 4. Плотников С.В. Системы психофизиологического тестирования человека оператора // Ученые записки. Вып. 29. Развитие отечественной системы информа тизации образования в здоровьесберегающих условиях: Тезисы докладов Между народной научно-практической конференции. М.: ИИО РАО, 2009. C. 54-56.

5. Плотников С.В. Хронореакциометрическая система с биотехнической об ратной связью // Перспективные технологии в средствах передачи информации:

Материалы VIII Международной научно-технической конференции. Владимир:

ВГУ, 2009. С. 53-54.

6. Аксюта Е.Ф., Депутатов В.П., Плотников С.В., Аксюта В.Е. Способ и уст ройство для исследования торможения статической реакции // Необратимые про цессы в природе и технике: Тезисы докладов Всероссийской конференции. М.:

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. C. 168.

7. Аксюта Е.Ф., Депутатов В.П., Плотников С.В., Аксюта В.Е. Устройство для исследования влияния мышечного усилия на время двигательной реакции // Медицинские информационные системы: Материалы научно-технической конфе ренции. Таганрог: ТРТУ, 2000. С. 90-91.

8. Аксюта Е.Ф., Плотников С.В., Васильченко А.Г., Аксюта В.Е., Джишка риани Г.Д. Метод оценки уровня коррекции параметров двигательных действий человека-оператора функциональных биотехнических систем // Актуальные про блемы современного естествознания: Тезисы докладов II Международной конфе ренции. Калуга: КГПУ, 2000. С. 166-167.

9. Аксюта Е.Ф., Депутатов В.П., Плотников С.В., Аксюта В.Е., Джишкариа ни Г.Д. Применение ЭВМ в исследованиях экстренных взаимосвязанных реакций // Современные информационные технологии в образовательном процессе и науч ных исследованиях: Сборник статей к конференции. Шуя: ШГПУ, 2000. C. 11-12.

10. Аксюта Е.Ф., Плотников С.В., Аксюта В.Е., Джишкариани Г.Д. Оценка функциональной готовности оператора при работе на учебно-тренировочных средствах. Шуя, 2000. Деп. в ВИНИТИ 31.05.2000, № 1583-В2000. 24 с.

11. Аксюта Е.Ф., Плотников С.В., Аксюта В.Е., Джишкариани Г.Д. Типоло гия действий человека-оператора в моноэргатических системах. Шуя, 2000. Деп. в ВИНИТИ 12.04.2000, № 1005-В2000. 24 с.

12. Аксюта Е.Ф., Депутатов В.П., Аксюта В.Е., Плотников С.В. Динамиче ское тестирование психофизиологического состояния человека-оператора в авто матизированных системах с позиции алгоритмического подхода. Шуя, 1999. Деп. в ВИНИТИ 10.03.1999, № 719-В1999. 32 с.

Авторские свидетельства, патенты, информационные карты 13. Устройство для измерения реакции на положение движущегося раздра жителя Заявка 21337 Российская Федерация. № 2000127933/20;

заявл. 08.11.00;

опубл. 20.01.02. 2 с.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.