Лекция 13п. Особенности эргономических решений при проектировании следящих систем.

Опыт создания и исследования динамических объектов, управляемых человеком, привел к выводу, что для их оптимизации необходимо рассматривать СЧМ и недопустимо создавать машинную часть вне связи с характеристиками человека в расчете на то, что человек приспособится к машине. Адаптивные способности человека не безграничны, и, не зная законов адаптации, невозможно оптимизировать систему.

Для особо ответственных СЧМ проводится специальный отбор и подготовка операторов. Исследованиями динамических свойств человека занимаются представители технических и психологических наук.

В первом случае результаты излагаются на языке ТАУ, в втором в центре внимания исследователей находятся закономерности двигательной деятельноти человека и выводы часто носят качественный характер. В настоящей лекции сделана попытка обобщить и осмыслить материалы исследований динамических процессов (в первую очередь в следящих системах, включающих ЧО и элементарные звенья автоматического управления – усилительное, инерционное, интегрирующее и двойное интегрирующее). В инженерной психологии эти системы известны под названиями систем слежения соответственно по положению, скорости и ускорению.

Задачи исследования операции слежения. Эту операцию сотни миллионов людей выполняют изо дня в день в трудовой и обыденной жизни. Задачи изучения операции – повысить эффективность ее выполнения и изучить динамические свойства самого человека как звена системы управления.

Входная и выходная величины ЧО. Все примеры слежения укладываются в одну структурную схему. Она представляет собой обычную замкнутую систему, в которой человек выполняет функцию измерителя рассогласования и усилителя, а иногда и силового привода.

В случае, когда масса и сила сопротивления рукоятки пренебрежимо малы, выходной величиной человека является перемещение его руки. В другом крайнем случае, когда управляющим воздействием служит сила, а рукоятка практически неподвижна, выходной величиной является развиваемая рукой сила или (если рукоятка поворотного типа) момент. Объекты управления с рукоятками первого вида ниже называются объектами с кинематическим входом, а второго – с силовым.

Все возможные разновидности операции слежения принято разделять на два типа, разделяющихся содержанием предъявляемой оператором информации:

- сопровождающее слежение, когда оператор видит и входной сигнал, и сигнал о текущем состоянии объекта. Задача его в том, чтобы удерживать разницу вблизи нулевого значения. При моделировании этого типа слежения на ЭЛТ имеются два подвижных индекса, один из которых представляет цель, перемещающаяся в соответствии с законом входного сигнала, а движением второго управляет оператор (на него поступает выходной сигнал управления);

- при компенсирующем слежении оператор видит только разницу между сигналами (ошибку). При его моделировании на экране создаются два индекса, но один из них неподвижен, а на второй поступает ошибка слежения.

В исследованиях процесса слежения так называемое слежение с предвидением, под которым понимается процесс, при котором оператор видит не только текущее положение цели или текущее значение входного сигнала, но и закон изменения этого сигнала на некоторый отрезок времени вперед (водитель видит отрезок шоссе перед собой).

Типы систем слежения:

- по положению – простое усилительное звено. Его выходная величина равна произведению входной величины, введенной при помощи рукоятки, на коэффициент усиления. Это сочетание ЧО с усилительным звеном. Оно имеет широкое распространение в технике;

- по скорости содержит интегрирующее звено;

- по ускорению – ЧО регулирует угловое ускорение на выходе системы, изменяя положение рукоятки управления;

- комбинированная появилась как средство повышения точности слежения. Она представляет собой сочетание систем слежения по положению и скорости.

Существует ряд объектов управления, не укладывающихся в рамки рассмотренных четырех простейших типов. Сюда относятся объекты, в свойствах которых присутствует инерционность. Она в значительной мере изменяет характер управляющих действий ЧО.

Особенности эргономических решений при проектировании следящих систем. АУ приводит к необходимости разработки и создания сложных систем, включающих в себя вычислительные машины, автоматические регуляторы, исполнительные устройства и др. В системах управления летательными аппаратами и другими транспортными средствами широкое применение получили исполнительные устройств а с механическим выходом (автоматизированные приводы), у которых в подавляющем большинстве случаем перемещение выходного звена пропорционально входной управляющей координате. Автоматизированные приводы с указанными свойствами относятся к классу следящих систем.

Особенность эргономических решений в том, что при проектировании необходимо учитывать ЧО. Особое внимание при этом должно быть уделено не только вопросам устойчивости и автоколебаний нелинейных систем и методов расчета линейных следящих систем, но и психофизиологических характеристик ЧО.

Основные характеристики задачи слежения:

- задающий, программируемый извне входной или управляющий сигнал определяет двигательную ответную реакцию оператора, которая выполняется путем манипулирования органом управления;

- орган управления генерирует выходной сигнал;

- разница между входным и выходным сигналами образует ошибку слежения. Задача оператора в том, чтобы свести ее к нулю.

Выводы:

- ограничения в деятельности ЧО возникают из-за его невысокой пропускной способности при переработке информации и присущих ему задержек ПРФ: психологическая рефракторная фаза, фиксированная задержка около 300мс, которая должна разделить последовательные выходы из блока выработки решения. Если информация поступает в блок выработки решения ранее 300мс, занятых предыдущим решением, то до тех пор, пока не закончится ПРФ, новое решение будет задерживаться. Эта рефракторная задержка не уменьшается с тренировкой. Именно поэтому при анализе деятельности слежения как замкнутого контура регулирования ЧО представляется как сервомеханизмы прерывистого действия. Такие механизмы производят выборку информации и реагировать на изменения состояния системы не непрерывно, а в течение дискретных интервалов времени. Максимальная величина пропускной способности человека, который оценивается по ответам на дискретные стимулы, составляет 10мс. В исследованиях ручных слежений, где оператор должен был отслеживать непрерывно изменяющийся входной сигнал, полоса пропускания составляла около 1Гц: человек не очень хорошо отслеживает составляющие входного сигнала, имеющие частоту выше;

- квалифицированное управление и слежение основано на эффективных моделях предвидения динамики целевой и управляемой систем;

- характеристики задачи, которые помогают оператору предвосхищать будущее и этим минимизировать присущие ему ограничения, улучшают деятельность;

- обычно к характеристикам задачи, улучшающим деятельность ЧО, относятся преследующее слежение, предваряющий обзор траектории, низкий порядок регулирования, незашумленная индикация, низкие частоты входных сигналов, непрерывное (не дискретное) отображение информации на СОИ, минимальные задержки, индикаторы с точным отображением текущих состояний, органы управления с ускорением.

Типы роботов:

Тип робота	Достоинства	Недостатки
Без сервоуправления;	Высокая надежность, программируемость, повторяемость, относительно высокая скорость	Необходимость мер безопасности. Ограниченность движений. Могут останавливаться в концевых точках.
С сервоуправлением;	Перемещаются и останавливаются в любой точке рабочей области. Ускоряются и тормозятся по любой оси. Большой объем памяти. Высокая точность. Реализуемы плавные движения. Более одной программы.	Дороже и менее надежны.
С позиционным управлением;	Более высокая гибкость. Могут транспортировать тяжелые объекты. Имеют широкий рабочий диапазон.	Могут выполнять задачи только типа "запись-воспроизведение". Различные элементы контура, по которому перемещается манипулятор, не программируются. Могут быть сложны в программировании.
С контурной системой управления.	Плавные непрерывные движения. Большой объем памяти. Скорость работы манипулятора может изменяться. Малые габариты и масса.

При определении преимуществ и недостатков роботов рассматриваются следующие факторы:

- стоимость;

- надежность;

- скорость;

- гибкость;

- между людьми существуют различия, между роботами – нет.

Руководством при распределении функций между человеком и машиной традиционно служат таблицы, отражающие их сильные и слабые стороны. Например, люди обладают гибкостью, но полагаться на них в надежде, что они всегда будут функционировать оптимально, нельзя; в то же время на машины можно положиться в смысле оптимальности функционирования, однако при этом они лишены гибкости.

На практике обычно следуют правилам:

- чем больше похожи задачи, тем проще переключить с одного на другое робота или человека;

- люди обладают совокупностью знаний и опыта, поэтому для описания их работы требуется меньшее число деталей. Робот же всегда учится с нуля;

- работы не имеют существенных индивидуальных различий.

- возможности органов чувств робота, его способность к манипуляции и умение принимать решения могут быть подогнаны под данную задачу в гораздо большей степени, чем человек;

- роботы не подвержены влиянию социальных/психологических эффектов.

Можно заключить:

- задание должен выполнять человек, если оно слишком сложно для робота;

- задание должен выполнять робот, если существенны требования безопасности, пространственные ограничения или предъявляются особые требования точности.

- робот в состоянии заменить человека в выполнении существующего задания, причем замена человека роботом может привести к повышению работоспособности, улучшению качества и повышению производительности труда, а в отдельных видах работ - к сокращении персонала.

Влияние применение роботов на операторов. Существуют как позиции за них, так и против. Рассмотрим последние:

- роботы – причина безработицы;

- увеличение критичности функций оператора при работе с роботом (уменьшение физических нагрузок и возрастание психологического стресса);

- поляризация квалификации (эксплуатация против обслуживания и программирования) .

Вопросы обеспечения безопасности. Операторы должны физически находиться вне зоны действия робота. В германии у производителей роботов треть времени, затрачиваемого на их программирование, уходит на обеспечение техники безопасности. Однако даже в таких тщательно проработанных ситуаций имеют место реальные несчастные случаи и травмы операторов. Поэтому для человека эффективнее и безопаснее всего было осуществлять диспетчерское (супервизорное) управление с помощью автоматизированных информационных сетей. Однако остается потенциальная опасность получения травм обслуживающим персоналом и наладчиками во время выполнения профилактических мероприятий и ремонтных работ.

Супервизор (надсмотрщик) – управляющая программа, предназначенная для организации многопрограммного режима работы ЭВМ. Человек может следить за работой следующими способами:

- может работать рядом с ним (опасно);

- роботы могут быть частью гибкой производственной системы (ГПС).

При определении функций людей в рамках ГПС необходимо учитывать, что содержательные задания предполагают и больший объем ответственности за принятие решений, тогда как простые задания подразумевают низкий уровень интеллектуальной активности и минимальную деятельность по принятию решения. На начальных стадиях распределение оператору необходимо отдавать наиболее логически осмысленные операции. Если выполнение задачи требует низкого уровня мотивации, то от человека требуется лишь небольшое внимание, причем производительность труда уменьшается. Высокие уровни мотивации приводят к умственной перегрузке и снижению производительности труда.

Квалификационные вопросы. Требования определяются видом программирования робота. Виды программирования:

- клавишное – все команды управления промышленным роботом вводятся с помощью клавиш (переключателей). Задание маршрута движения робота производится вручную с помощью ручного программатора. Оператор должен помнить обозначения клавиш;

- клавишное с технологией меню предполагает, что лишь несколько основных клавиш на пульте управления или программаторе имеют фиксированное значение, большинство же команд являются присваиваемыми – незанятым клавишам присваивается значение путем изменения текста на дисплее. Не требуется запоминать все клавиши. Дисплей отображает большинство необходимой информации;

- текстовое программирование. В простых системах точки задаются с помощью ручного программатора, который может содержать клавиши задания движения и его направления, функциональные клавиши установки скорости и аналоговых выходных сигналов, дисплей для индикации требуемого программного сегмента и переключатели типа движения. Безопасная эксплуатация возможна только после длительной практической тренировки. Метод проще в изучении. Во многих случаях проблема – знание команд на английском языке.

Социальные вопросы. Широкое использование промышленных роботов имеет по крайней мере два серьезных последствие – увольнение персонала и его переподготовку. В начальной фазе новая технология приводит обычно к повышению уровня занятости. В завершающей фазе проявляется тенденция к сокращению рабочих мест. Использование роботов ужесточает требования к качеству рабочей силы.