Методы теории автоматического управления.

Для построения математических моделей деятельности оператора в системах непрерывного типа (транспортные средства: самолет, автомобиль, корабль; системы, в которых оператор выполняет функции слежения или наведения; системы регулирования параметров, работающие с участием человека, и т. п.) могут применяться методы теории автоматического управления.

С позиции теории автоматического управления человек-оператор рассматривается как элемент следящей системы, какой представляется в данном случае система «человек - машина». На работу системы влияют динамические связи элементов системы друг с другом и человеком.

Процесс анализа системы состоит из трех этапов:

· установление критерия поведения замкнутой системы и определение ее передаточной функции;

· нахождение такой передаточной функции оператора, которая позволила бы получить требуемую функцию всей системы;

· проведение системы мероприятий (отбор, тренировка операторов, соответствующее оформление технической части СЧМ), обеспечивающих требуемую функцию оператора.

Задачейметодов математической статистики является качественная оценка. С помощью методов математической статистики можно качественно оценить влияние, т. е. влияет или нет изменение исследуемого фактора (независимой переменной) на поведение оператора (зависимую переменную), но при этом нельзя получить функциональную зависимость между переменными.

10. Система «человек – машина»

Определение СЧМ. Структурная схема СЧМ и описание процесса ее функционирования. Понятие информационной и концептуальной модели. Виды СЧМ, выделяемые по целевому назначению (управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские), по характеристи-кам человека (моносистемы, полисистемы), по характеристикам машинного компонента (инструментальные, простые, сложные, системотехнические комплексы), по типу взаимодействия человека и машины (непрерывного взаимодействия, эпизодического взаимодействия). Специфические особенности СЧМ (динамичность, целеустремленность, адаптивность, самоорганизуемость). Показатели качества СЧМ.

Система «человек – машина» – это система, состоящая из человека-оператора ( или группы операторов) и машины (технических устройств), посредством которой оператор осуществляет трудовую деятельность.

Структурная схема СЧМ:

Рецепторы (органы чувств)

ЦНС человека

Эффекторы (органы движения)

Средства отображения информации

Информационно-логические и вычислительные устройства

Органы управления

Управляемый объект

Система функционирует следующим образом. Управляемый объект управления (УО) динамичен, он претерпевает постоянные изменения. Информация о его изменениях поступает в информационно-логические, вычислительные и др. устройства, обеспечивающие заданную степень автоматизации управления. После соответствующей обработки информация о состоянии УО предъявляется человеку-оператору на средствах отображения информации (индикаторах). Следовательно, оператор воспринимает не непосредственно состояние УО, а некоторый имитирующий его образ (отображение), называемое информационной моделью.

Информационная модель – это совокупность всех сигналов, несущих человеку-оператору информацию о состоянии объекта управления, организованная определенным образом.

На основе восприятия информационной модели в сознании оператора формируется образ состояния УО (представление о реальном объекте, созданное на основе информации, входящей в информационную модель), который называют концептуальной моделью.

Целевое назначение системы оказывает определяющее влияние на многие ее характеристики и поэтому является исходным признаком. По целевому назначению можно выделить следующие классы СЧМ:

· управляющие, основной задачей человека является управление машиной;

· обслуживающие, человек контролирует состояние системы, настройку, ремонт;

· обучающие, т.е. вырабатывающие у человека определенные навыки;

· информационные, обеспечивающие поиск, накопление или получение необходимой для человека информации;

· исследовательские, используемые при анализе тех или иных явлений, поиске новой информации, новых заданий.

По признаку характеристики человека СЧМ:

· моносистемы, в состав которых входит один человек и одно или несколько технических устройств;

· полисистемы, в состав которых входит некоторый коллектив людей и взаимодействующие с ним одно или комплекс технических устройств.

По характеристикам машинного компонента можно выделить:

· инструментальные СЧМ– инструменты и приборы. Отличительной особенностью, является требование высокой точности выполняемых человеком операций.

· простейшие человеко-машинные системы – включают стационарное или нестационарное техническое устройство и человека, использующего это устройство;

· сложные человеко-машинные системы – включают помимо использующего их человека некоторую совокупность технологически связанных, но различных по своему функциональному назначению аппаратов, устройств и машин, предназначенных для производства определенного продукта;

· системотехнические комплексы – представляют собой сложную техническую систему с не полностью детерминированными связями и коллектив людей, участвующих в ее использовании.

По типу взаимодействия человека и машины СЧМ:

· системы непрерывного взаимодействия («водитель - автомобиль»)

· эпизодического взаимодействия, которые могут быть регулярного (система «оператор – ЭВМ») и стохастического («наладчик – станок») типа.

Специфические особенности СЧМ:

· динамичность – способность изменять во времени состав, структуру и (или) взаимосвязи между компонентами;

· целеустремленность – способность преследовать одну и ту же цель, изменяя свое поведение при изменении внешних условий;

· адаптивность – способность приспосабливаться к изменяющимся условиям работы за счет изменения режима функционирования в соответствии с новыми условиями;

· самоорганизуемость - способность систем уменьшать энтропию (неопределенность) после вывода их из устойчивого, равновесного состояния под действием различного рода возмущений;

Показатели качества СЧМ:

· быстродействие СЧМ– определяется временем прохождения информации по замкнутому контуру «человек-машина».

· точность работы оператора - определяется степенью отклонения некоторого параметра, измеряемого, устанавливаемого или регулируемого оператором, от своего истинного, заданного или номинального значения.

· надежность СЧМ – характеризует безошибочность (правильность) решения стоящих перед СЧМ задач.

· степень автоматизации СЧМ – характеризует относительное количество информации, перерабатываемой автоматическими устройствами.

· безопасность труда человека в СЧМ – оценивается вероятностью безопасной работы.

· экономический показатель – характеризует полные затраты на систему «человек – машина».

· эргономические показатели – учитывают совокупность свойств системы «человек – машина», обеспечивающих возможность осуществления в ней деятельности человека (группы людей).

· эффективность СЧМ – степень приспособленности системы к выполнению возложенных на нее функций.

11. Оператор в системе «человек – машина»

Сущность понятия «человек-оператор». Деятельность оператора, как исходный пункт анализа и проектирования систем «человек – машина». Особенности деятельности оператора. Структура деятельности оператора и содержание ее основных этапов. Факторы, влияющие на деятельность оператора. Виды операторской деятельности. Сравнительная характеристика возможностей человека и машины.

«Человек-оператор» – человек, трудовая деятельность которого заключается во взаимодействии с органами управления каким-либо процессом на основе его информационной модели.

Деятельность оператора имеет ряд особенностей, определяемых следующими тенденциями развития современного производства:

1. С развитием техники увеличивается число объектов (и их параметров), которыми необходимо управлять. Это усложняет и повышает роль операций по планированию и организации труда, по контролю и управлению производственными процессами.

2. Развиваются системы дистанционного управления. Человек все более удаляется от управляемых объектов, о динамике их состояния он судит не по данным непосредственного наблюдения, а на основании восприятия сигналов от устройств отображения информации.

Осуществляя дистанционное управление, человек получает необходимую информацию в закодированном виде (т. е. в виде показаний счетчиков, индикаторов, измерительных приборов и т. д.), что обусловливает необходимость декодирования и мысленного сопоставления полученной информации с состоянием реального управляемого объекта.

3. Увеличение сложности и скорости течения производственных процессов выдвигает повышенные требования к точности действий операторов, быстроте принятия решений, осуществлении управленческих функций.

В значительной мере возрастает степень ответственности за совершаемые действия, поскольку ошибка оператора может привести к нарушению работы всей системы «человек – машина», создать аварийную ситуацию с угрозой для жизни работающих людей.

Поэтому работа оператора в современных человеко-машинных комплексах характеризуется значительными увеличениями нагрузки на нервно-психическую деятельность человека, а основным критерием тяжести труда становится не физическая тяжесть труда, а его нервно-психическая напряженность.

4. В условиях современного производства изменяются условия работы человека. Для некоторых видов деятельности оператора характерно ограничение двигательной активности, которое не только проявляется в общем уменьшении количества мышечной работы, но и связано с преимущественным использованием малых групп мышц.

Иногда оператор должен выполнять работу в условиях изоляции от привычной социальной среды, в окружении бездушных технических устройств. И если эти устройства спроектированы без учета психофизиологических особенностей оператора, то возникает ситуация, которую образно называют «конфликтом» человека с приборами.

5. Повышение степени автоматизации производственных процессов требует от оператора высокой готовности к экстренным действиям. При нормальном протекании процесса основной функцией оператора является контроль и наблюдение за его ходом. При возникновении нарушений оператор должен осуществить резкий переход от монотонной работы в условиях «оперативного покоя» к активным, энергичным действиям по ликвидации возникших отклонений. Это приводит к возникновению сенсорных, эмоциональных и интеллектуальных перегрузок.

Рассмотренные особенности операторского труда позволяют выделить его в специфический вид профессиональной деятельности, в связи с чем для его изучения, анализа и оценки недостаточно классических методов, разработанных психологией и физиологией труда и используемых для оптимизации различных видов работ, не связанных с дистанционным управлением по приборам.

Деятельность оператора в системе «человек — машина» может носить самый разнообразный характер. Несмотря на это, в общем виде она может быть представлена в виде четырех основных этапов:

1. Прием информации

2. Оценка и переработка информации

3. Принятие решения

4. Реализация принятого решения

Прием информации. На этом этапе осуществляется восприятие поступающей информации об объектах управления и тех свойствах окружающей среды и СЧМ в целом, которые важны для решения задачи, поставленной перед системой «человек – машина».

При этом осуществляются такие действия, как обнаружение сигналов, выделение из их совокупности наиболее значимых, их расшифровка и декодирование; в результате у оператора складывается предварительное представление о состоянии управляемого объекта: информация приводится к виду, пригодному для оценки и принятия решения.

Оценка и переработка информации. На этом этапе производится сопоставление заданных и текущих (реальных) режимов работы СЧМ, производится анализ и обобщение информации, выделяются критичные объекты и ситуации и на основании заранее известных критериев важности и срочности определяется очередность обработки информации. На данном этапе оператором могут выполняться такие действия, как запоминание информации, извлечение ее из памяти, декодирование и т. п.

Принятие решения. Решение о необходимых действиях принимается на основе проведенного анализа и оценки информации, а также на основе других известных сведений о целях и условиях работы системы, возможных способах действия, последствиях правильных и ошибочных решений и т. д.

Время принятия решения существенным образом зависит от количества информации, которую должен переработать оператор для принятия решения.

Реализация принятого решения.На этом этапе осуществляется приведение принятого решения в исполнение путем выполнения определенных действий или отдачи соответствующих распоряжений. Отдельными действиями на этом этапе являются: перекодирование принятого решения в машинный код, поиск нужного органа управления, движение руки к органу управления и манипуляция с ним (нажатие кнопки, включение тумблера, поворот рычага и т. п.).

На качество и эффективность выполнения каждого из рассмотренных этапов оказывает влияние целый ряд факторов.

Так, например, качество приема информации зависит от вида и количества индикаторов, организации информационного поля, психофизических характеристик предъявляемой информации (размеров изображений, их светотехнических характеристик, цветового тона и цветового контраста).

На оценку и переработку информации влияют такие факторы, как способ кодирования информации, объем ее отображения, динамика смены информации, соответствие ее возможностям памяти и мышления оператора.

Виды операторской деятельности выделяют в зависимости от основной функции, выполняемой человеком-оператором, и удельного веса образного, понятийного и сенсомоторного компонентов, включенных в операторскую деятельность.

1. Оператор-технолог непосредственно включен в технологический процесс. Он работает в основном в режиме немедленного обслуживания. Преобладающими в его деятельности являются управляющие действия. Выполнение действий регламентируется обычно инструкциями, которые содержат, как правило, почти полный набор ситуаций и решений.

К этому виду относятся операторы технологических процессов, автоматических линий, операторы по приему и переработке информации и т. п.

2. Оператор-наблюдатель является классическим типом оператора, с изучения деятельности которого и началась инженерная психология. Важное значение для деятельности такого оператора имеют информационные и концептуальные модели, а также процессы принятия решения, его управляющие действия (по сравнению с оператором первого типа) несколько упрощены (операторы радиолокационной станции, диспетчеры на различных видах транспорта и т.д.).

3. Оператор-исследователь в значительно большей степени использует аппарат понятийного мышления и опыт, заложенные в концептуальную модель. Органы управления играют для него еще меньшую роль, а «удельный вес» информационных моделей, наоборот, существенно увеличивается (пользователи вычислительных систем, дешифровщики различных объектов, образов и т. д.).

4. Оператор-руководитель в принципе мало отличается от предыдущего типа, но для него механизмы интеллектуальной деятельности играют главенствующую роль, поэтому велики требования к его знаниям, опыту, воле, такту, интуиции (организаторы, руководители различных уровней, лица, принимающие ответственные решения в человеко-машинных комплексах и обладающие интуицией, знанием и опытом).

5. Оператор-манипулятор, для деятельности которого большое значение имеет сенсомоторная координация (например, непрерывное слежение за движущимся объектом) и моторные (двигательные) навыки (операторы управляющие роботами, манипуляторами, машинами-усилителями мышечной энергии человека (станками, экскаваторами, транспортными средствами и т. п.)).

Эффективность работы систем «человек-машина» во многом зависит от того, как в ней распределены функции между человеком и машиной. Для решения этой задачи необходимо знать сравнительные возможности человека и машины.

Машина превосходит человека:

• по точности и скорости вычислений,

• по стабильности реакции» стимул-ответ»,

• по числу одновременно воспринимаемых и перерабатываемых сигналов,

• по продолжительности непрерывной работы,

• по способности к проверке выполненных действий.

Однако способы приема информации машиной ограничены, а методы переработки фиксированы, и их разнообразие значительно уступает тем, которые использует человек.

Человек также способен объединять отдельные сигналы в целостные структуры и тем самым находить экономные способы переработки информации.

Человек обладает рядом способностей, которые отсутствуют у машины, в их числе:

· способность к предвидению событий внешнего мира;

· способность решения нечетко сформулированных задач;

· способность к распознаванию ситуаций внешнего мира;

· способность ориентироваться во времени и пространстве;

· способность генерировать идеи;

· способность к повышению своих возможностей;

· способность работать в непредвиденных ситуациях;

· способность использовать избыточную информацию;

· способность к обобщению;

· способность создания “абстрактных образов внешнего мира”.