книги из ГПНТБ / Хачатрян Х.А. Стабильность работы почвообрабатывающих агрегатов

Чистое запаздывание реакции человека-оператора в формуле

(26)описывается членом e~'s. Работа нервно-мускульной системы

вупрощенном виде выражается инерционным звеном (7„s + 1)- Остальные члены воспроизводят процессы приспособленности че­ ловека к внешним условиям. Верхний предел для постоянного времени Т1 = 10 с, для TL = 1 с. Нижняя граница Тп = 0,1 с.

Передаточная функция человека-оператора и входящие в нее параметры уточняются. Передаточные функции человека-опера­ тора, предлагаемые различными исследователями, по структуре мало отличаются от приведенной. Однако все они не являются уни­ версальными и поэтому не могут быть использованы во всех си­ туациях. Объясняется это тем, что поведение человека не поддается точному математическому описанию, особенно при решении слож­ ных задач. Большая трудность при математическом описании по­ ведения человека, определении его передаточной функции объ­ ясняется нестационарностью его поведения. Этот же признак делает желательным включение человека-оператора системы, в которых преобразование и выборку соответствующих оптималь­ ных сигналов машина произвести не может. Некоторые данные о том, что в определенных условиях при выполнении управляю­ щих действий человек реагирует почти стационарно, все же имеются. Однако этого недостаточно для того, чтобы применять математически описываемые передаточные функции человека в раз­ личных схемах управления.

Способность человека к индивидуальному образу мышления и предвидению приводит к творческим действиям в маловероят­ ных ситуациях. Это позволяет ему превосходить автоматические системы управления по таким важным показателям как чувстви­ тельность к широкому диапазону стимулов, способность найти удовлетворительное решение задачи при неполной информации, способность реагировать на маловероятные события. Человек может управлять агрегатами в условиях, в которых нельзя пред­ видеть все действия и четко определить необходимые реакции.

Процессы сельскохозяйственного производства отличаются от технологических процессов, происходящих в промышленности, изобилием случайных факторов, непредвиденных обстоятельств и сложной взаимосвязью'. При выполнении таких процессов перво­ степенную важность приобретают способности человека обобщать образы, хранить информацию в течение длительного времени и использовать ее в нужный момент, а также учитывать опыт, ре­ шать задачи различными методами. Все это гарантирует надеж­ ность работы сельскохозяйственных агрегатов в сложных усло­ виях при управлении их человеком.

При выполнении некоторых процессов производства (особенно сельскохозяйственного) преимущество человека перед автоматами очевидно. В настоящее время, когда ручной труд еще применяется (например, в полеводстве), участие человека в управлении мо­ бильными агрегатами необходимо. Это не исключает возможности

30

автоматизации высокомеханизированных процессов зернового хо­ зяйства и некоторых стационарных процессов.

Важным фактором, повышающим эффективность работы сель­ скохозяйственной техники, является правильное конструирова­ ние органов управления и рабочего места водителя. В этом направ­ лении ведутся широкие исследования.

7.ПОЛУЧЕНИЕ ВНЕШНЕЙ И Н Ф О Р М А Ц И И

Взависимости от вида операции и внешних условий водители получают информацию и действуют согласно ей. Действия води­ теля носят разнообразный характер. Например, водители пахот­ ных агрегатов, работающих в поперечном направлении склона, наблюдают за местностью, регулируют направление движения аг­ регата, управляют скоростью, контролируют качество техноло­ гического процесса, намечают места поворота агрегата, регули­ руют рабочий режим двигателя трактора. Более разносторонние действия у водителей комбайнов при уборке зерновых. Для пра­ вильного выполнения управляющих действий водителя сельско­ хозяйственных агрегатов должны располагать определенной ин­ формацией, часть которой требует немедленной ответной реакции, другая же носит предупредительный характер, или же характер косвенной информации и т. п.

Способность водителя принимать информацию ограничена. При превышении определенного количества информации водитель принимает и использует только часть ее, другую часть в процессе приема он теряет или искажает.

Говоря о количестве информации, нельзя забывать о ее слож­ ности. Действия человека при выполнении различных процессов в значительной мере характеризуются количеством располагаемой информации. Использование последней носит чисто субъективный характер и зависит от психофизиологических особенностей инди­ видуумов. Однако логически необходимые действия людей в каж­ дой ситуации в большинстве случаев носят общий характер, что

Информация — способ описания взаимодействия между сооб­ щением и его потребителем. Она не материальна и поэтому при от­ сутствии потребителя становится бессмысленной. Информация — понятие отвлеченное. Для ее оценки применимы методы и единицы измерения, принятые в теории информации. В качестве меры не­ определенности физической системы, принимающей дискретные состояния, используют сумму произведений вероятностей различ­ ных состояний системы р,- на логарифмы этих вероятностей, взя­ тых с обратным знаком, т. е.

31

Энтропия физической системы Н [X) характеризует степень неопределенности системы. Она отличается важными свойствами: обращается в нуль, когда состояние системы известно; при задан­ ном числе состояний системы достигает максимума, если все со^ стояния равновероятны; возрастает при увеличении числа состоя­ ний; при объединении независимых систем суммируется.

В качестве основания логарифмов в выражении (27) можно использовать положительное число больше единицы. Выбор осно­ вания по существу представляет собой выбор масштаба. Чаще всего за основание логарифмов принимают число 2, при этом энтропию измеряют в двоичных единицах. Такую единицу измере­ ния часто называют битом. Бит представляет собой энтропию системы X, которая имеет два равновероятных состояния.

Допустим, состояние физической системы для данного наблю­ дателя неопределенно. Очевидно, что в результате получения све­ дений неопределенность состояния системы для данного наблюда­ теля уменьшиться. Причем, чем больше и содержательнее объем полученной информации, тем меньше становится неопределенность системы. Поэтому количество полученной информации о физиче­ ской системе можно измерить уменьшением энтропии этой системы. Если состояние системы известно, то ее энтропия для данного наблюдения становится равной нулю. Таким образом, отвлечен­ ное понятие информация становится физически измеряемой вели­ чиной.

При такой взаимосвязи энтропии системы и информации о со­ стоянии физической системы для измерения количества инфор­ мации можно использовать биты (двоичные единицы). Один бит информации соответствует сообщению о том, что произошло одно из двух равновероятных событий.

Получаемая информация

у _ , вероятность события после приема сообщения

^вероятность события до приема сообщения

Выбор логарифма приведенного отношения обеспечивает ад­ дитивность информации, содержащейся в независимых ситуациях.

Вероятность события после приема сообщения, если оно при­ нято безошибочно, равна единице. Но в теории информации рас­ сматриваются и случаи, когда сообщение принимается при раз­ личных помехах. Тогда числитель в выражении, написанном для информации, отличается от единицы.

Информацию о состоянии системы в простых случаях можно передать одной дискретной случайной величиной. В более сложных случаях состояние физической системы определяется несколькими величинами и информация о системе передается несколькими случайными величинами. Различают равновероятные и неравно­ вероятные состояния системы. Для определения сложной системы, имеющей неравновероятные состояния, необходимо располагать

32

информацией в объеме многих бит. Один ответ может содержать информацию больше одного бита.

Для сельскохозяйственного производства характерны системы с непрерывным множеством состояний, которые описываются одним или несколькими непрерывными случайными величинами. Непрерывные случайные величины изменяются по времени или по пройденному агрегатом пути. Однако нередко при обработке экспериментальных данных непрерывные случайные величины берут с небольшими интервалами, что превращает их в дискрет­ ные случайные величины и значительно облегчает обработку ре­ зультатов.

Определение энтропии систем с непрерывным множеством состояний осложняется следующим. Чтобы определить энтропию системы непрерывного распределения как предельный случай энтропии дискретных распределений, нужно промежуток от—оо

непрерывной случайной величины стремится к отрицательной бесконечности, что естественно, так как чем точнее задается со­ стояние системы, тем большую неопределенность нужно устра­ нить. Это обстоятельство несколько ограничивает область приме­ нения энтропии непрерывной случайной величины. Однако часто одно и то же слагаемое Ах энтропии используется во всех выраже­ ниях рассматриваемого процесса и при вычислении информации, как разности двух энтропии, оно уничтожается.

Попытаемся применить понятие энтропии физической системы для выяснения неопределенности движения сельскохозяйствен­ ных агрегатов по поверхности поля. При работе агрегатов на гори­ зонтальной местности математическое ожидание траектории рас­ сматриваемой определенной точки обычно представляет собой прямую (или приводится к ней). В дальнейшем эту прямую будем называть осью движения. В таком случае конкретные реализации траектории можно характеризовать положением оси движения и отклонениями точек траектории относительно оси движения.

Положение агрегата при работе на горизонтальной местности определяется скоростью движения по заданному направлению и боковыми отклонениями (в каждый момент времени) от задан­ ного направления. При исследовании движения агрегата восполь-

зуемся траекторией движения кинематического центра агрегата. (Для гусеничных тракторов кинематический центр агрегата на­ ходится в точке пересечения продольной и поперечной осей сим­ метрии, для колесного — в точке пересечения продольной оси симметрии с задней осью трактора). Отклонения агрегатов от оси движения можно представить как непрерывную случайную ве­ личину X с нормальным распределением и нулевым математиче­ ским ожиданием. Обычно скорость движения агрегата в задан­ ном направлении изменяется незначительно и ее можно принять постоянной. Для определения энтропии случайной величины X

можно выбрать конкретное значение, однако этот выбор не всегда будет обоснован.

Энтропия сельскохозяйственного агрегата при заданном на­ правлении и постоянной скорости движения на горизонтальной

Видно, что неопределенность положения агрегата на поверх­ ности поля прямо пропорциональна логарифму среднеквадратич­ ного отклонения ах.

Пусть при обработке почвы.отклонения траектории кинемати­ ческого центра агрегата от оси движения характеризуются ах = 0,3 м. Допустим, местоположение кинематического центра агрегата на поверхности поля при известном заранее заданном направлении движения определяется с точностью Ах = 0,1 м. Тогда из выражения (31) Я 0 (X) = 1,09 бит. Если же измерения проводятся через каждые 0,15 м, то Я 0 (X) = 0,92 бит.

34

Практическая польза от выяснения неопределенности поло­ жения кинематического центра агрегата небольшая, тем более, что это связано с выбором значений Ад:. Использование понятия энтропии позволяет получить более ощутимые результаты в зада­ чах, где определяется приращение энтропии.

Положение кинематического центра агрегата на склонах в каж­ дый момент времени характеризуется углом Р а г отклонения оси движения агрегата от горизонталей местности (этот угол имеет равномерную плотность распределения на участке о, я / 2 ) , случай­ ной величиной X (отклонением от оси движения), имеющей ну­ левое математическое ожидание, и модулем скорости.

При работе в поперечном направлении склона скорость агре­ гата переменная. Причем, на склонах большой крутизны пере­ менность скорости агрегата возрастает. Объясняется это следую­ щим. При движении в поперечном направлении склона агрегат имеет извилистую траекторию. Это значит, что в различные мо­ менты времени он движется по разным направлениям относительно уклона. Но так как при движении в сторону подъема его скорость постепенно уменьшается, а при движении вниз по уклону возра­ стает, то скорость движения агрегата при работе в поперечном направлении склона всегда переменная с нормальным распреде­

Ha склонах увеличиваются значения ах и а0. Полная (средняя) энтропия положения кинематического центра сельскохозяйствен­ ного агрегата при работе его в поперечном направлении склона

яж,.*.») = Ч7"£Гд°Л-

Определим возрастание энтропии процесса на каждый градус увеличения крутизны склона. При этом за исходную нужно брать

Естественно, для конкретного применения такой очевидной зависимости надо располагать данными о способности принятия и переработки информации человеком. Такие исследования поз­ волят определить возможности водителей при работе в сложных условиях и наметить границы допускаемого увеличения рабочих скоростей агрегатов. Подобные вопросы рассматриваются в даль­ нейшем. Отметим, что возрастание неопределенности движения агрегата на склонах обусловлено главным образом техническими причинами и внешними условиями. Определенную роль при этом играет поведение водителя. Речь идет о движении агрегата при первом проходе, когда нет определенных ориентиров и водитель направляет агрегат вдоль горизонталей местности или по заранее заданному направлению.

Следовательно, увеличение неопределенности движения агре­ гата на склонах в какой-то степени обусловлено поведением води­ телей, но и поведение последних в значительной мере опреде­ ляется возросшей энтропией процесса. Трудно сказать, какой из этих факторов первопричина, какой следствие. Взаимовлияние поведения водителя и изменения условий движения агрегата осложняют анализ.

В сельскохозяйственном производстве нередко два процесса взаимосвязаны и выполнение одного из них осуществляется на основании информации, полученной от другого. В таких случаях состояние физической системы X определяется по состоянию дру­ гой системы Y, связанной с нею. Обычно эти состояния не совпа­ дают. Различие между системами X и Y обусловлено грубым описанием состояния системы X системой Y, неточностью измере­ ния параметров состояния системы X, искажением сигналов при передаче информации. Количество переданной информации от

где 1ху — полная взаимная информация, содержащаяся в систе­ мах X и Y; Я (X, Y) — энтропия объединенной системы X, У.

Полная взаимная информация системы

где f (X, У) — плотность распределения объединенной системы (X, У); f, (X) — плотность распределения системы X; / 2 (Y) — плот­ ность распределения системы Y,

37:

При работе сельскохозяйственные агрегаты движутся, ориенти­ руясь по заранее заданным кривым. Обычно базисной линией служит след, оставленный агрегатом при предыдущем проходе или же рядки растений. Базисная линия чаще всего представляет собой кривую. Например, при заданном прямолинейном направ­ лении движения траектория первого прохода агрегата получается извилистой. Расстояния точек траектории кинематического центра агрегата от оси движения являются непрерывной случайной вели­ чиной X с нормальной плотностью распределения.

При последующих проходах агрегата вдоль рядков растений или параллельно траектории предыдущего прохода характер дви­

ХУ

При выводе выражения (35) не говорится о способе передачи' информации. Формула (35) позволяет в зависимости от взаимо­ связи между предыдущей.и последующей траекториями агрегатов в каждый момент времени определить количество использован­ ной информации, независимо от того, передана она человеком или механизмами. Речь идет только об использованном количестве информации независимо от причин, препятствующих ее полному использованию.

Для исследования поведения человека при управлении раз­ личными процессами, а также для решения других задач инженер­ ной психологии в последние годы широко применяется теория информации, несмотря на то, что она не в состоянии объяснить все действия человека в совокупности, обусловленные его особен­ ностями. При этом теория информации не выделяет ценность со-

88"

бытия (сообщения). Ценность сообщения, будучи элементом субъективным, одновременно является характерной особенностью при общении между людьми. Однако именно исключение такой оценки позволяет использовать информацию в качестве измеряемой величины и широко применять ее в инженерных расчетах.

Большой интерес представляет определение возможностей человека в принятии информации при управлении мобильными агрегатами.

Исследования показывают [6], что при решении простейших задач человеку может быть передана информация об определен­ ном событии одномерным стимулом в количестве 1,6—3,9 бит. При этом очень важно, каким воспринимающим аппаратом поль­ зуется человек. Наиболее высокие возможности в приеме инфор­ мации имеют зрение, слух, а также кожно-механический анали­ затор и вкус.

В сложных cлyчaяxi когда информация передается при помощи многомерных стимулов, количество принимаемой человеком информации возрастает. Информация, которую человек может принять при многомерных стимулах, не превышает 10 бит.

При работе сельскохозяйственных агрегатов на горизонталь­ ной местности количество информации редко может превышать возможности водителя принимать и обрабатывать ее. В таких случаях наблюдаются пропуски или искажение сигналов, за­ держки в передаче и т. д. В особо трудных условиях происходит отказ человека от переработки информации.

При работе в поперечном направлении склона количество информации увеличивается и она передается несколькими сти­ мулами.

Человеку доставляют информацию и органы внутреннего уха. Они ощущают угловые ускорения во всех направлениях и реаги­ руют на прямолинейное движение и на действие силы тяжести. Так, по данным Б. Ф. Ломова, порог ощущения наклона тела вправо—влево составляет 1—1,5°. Чувствительность к ускорению прямолинейного движения на горизонтальной местности 0,1 м/с2 , при вращении вокруг вертикальной оси 0,8—2,4 градуса/с2 . Все это увеличивает способности человека принимать информацию при работе на склонах. Несмотря на это, энтропия движения сельско­ хозяйственных агрегатов иногда превышает возможности человека в приеме и нормальной переработке соответствующей информации. Поэтому на склонах человек работает в весьма напряженном со­ стоянии и быстро устает не только из-за тяжелых условий труда, но и в результате большого количества перерабатываемой им информации. Часто причиной сильного утомления человека является прием информации в течение длительного времени.

В зависимости от психофизиологических особенностей води­ телей сигналы, принятые при работе управляемых агрегатов, мо­ гут искажаться. Например, параллельность траектории агрега­ тов при прочих равных условиях получается неодинаковой у раз-

39