Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами

Рассматривается актуальный вопрос применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами. Показана возможность определения противодействия пилота негативным факторным накладкам по параметрам полета современных самолетов. Это обусловлено качественн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Грищенко, Ю.В., Соломенцев, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України 2009
Теми:	Эргатические системы управления
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7627
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами / Ю.В. Грищенко, А.В. Соломенцев // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 71-76. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7627
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76272025-02-09T22:25:10Z Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами Грищенко, Ю.В. Соломенцев, А.В. Эргатические системы управления Рассматривается актуальный вопрос применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами. Показана возможность определения противодействия пилота негативным факторным накладкам по параметрам полета современных самолетов. Это обусловлено качественным сохранением структуры движения пилота при взаимодействии с системой управления. 2009 Article Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами / Ю.В. Грищенко, А.В. Соломенцев // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 71-76. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0452-9910 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7627 629.735.017 ru application/pdf Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Эргатические системы управления Эргатические системы управления
spellingShingle	Эргатические системы управления Эргатические системы управления Грищенко, Ю.В. Соломенцев, А.В. Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
description	Рассматривается актуальный вопрос применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами. Показана возможность определения противодействия пилота негативным факторным накладкам по параметрам полета современных самолетов. Это обусловлено качественным сохранением структуры движения пилота при взаимодействии с системой управления.
format	Article
author	Грищенко, Ю.В. Соломенцев, А.В.
author_facet	Грищенко, Ю.В. Соломенцев, А.В.
author_sort	Грищенко, Ю.В.
title	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
title_short	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
title_full	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
title_fullStr	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
title_full_unstemmed	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
title_sort	обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами
publisher	Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та МОН України
publishDate	2009
topic_facet	Эргатические системы управления
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7627
citation_txt	Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами / Ю.В. Грищенко, А.В. Соломенцев // Кибернетика и вычисл. техника. — 2009. — Вип. 156. — С. 71-76. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT griŝenkoûv obosnovanieprimeneniâprincipainvariantnostiprianalizeprocessovvsistemahčelovekmašinaneklassičeskimimetodami AT solomencevav obosnovanieprimeneniâprincipainvariantnostiprianalizeprocessovvsistemahčelovekmašinaneklassičeskimimetodami
first_indexed	2025-12-01T10:33:14Z
last_indexed	2025-12-01T10:33:14Z
_version_	1850301689297371136
fulltext	71 УДК 629.735.017 Ю.В. Грищенко, А.В. Соломенцев ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПА ИНВАРИАНТНОСТИ ПРИ АНАЛИЗЕ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ЧЕЛОВЕК–МАШИНА НЕКЛАССИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ Рассматривается актуальный вопрос применения принципа инвариантно- сти при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами. По- казана возможность определения противодействия пилота негативным факторным на- кладкам по параметрам полета современных самолетов. Это обусловлено качественным сохранением структуры движения пилота при взаимодействии с системой управления. Введение Топологические инварианты могут рассматривать структуры преобра- зований более широко. Например, преобразование квадрата в круг можно назвать топологическим инвариантом. В нашем примере — преобразование внутренних и внешних процессов человека-оператора (ЧО, в данном слу- чае — пилота) в полетные данные бортовых самописцев воздушного судна (ВС). Очень важен вопрос: «Инвариантны подобные преобразования или не- инвариантны?» (рис. 1), поскольку практическая задача — освобождение ЧО от системы датчиков определения психофизиологических параметров. Оператор Внешние процессы Аппаратура измерений напряженности Датчики на теле оператора а Машинный выход Оценка техники пилоти- рования (неинва- риантная) Контроль систем ВС Оценка уровня противо- действия факторным накладкам (инвариантная) Выход по рабо- тоспособности человека Машина Оператор Внутренние процессы Среда Аппаратура измерений Сигнализатор амплитудного усиления динамического стереотипа Рис. 1. Схемы сравнения методов определения характеристик пилота по датчикам и машинному выходу: а — классические методы — преобразование характеристик ЧО в выходы аппаратуры; б — неклассические методы — преобразование характеристик ЧО в машинные выходы ВС © Ю.В. Грищенко, А.В. Соломенцев, 2009 ISSN 0452-9910. Кибернетика и вычисл. техника. 2009. Вып. 156 72 И это центральный вопрос неклассических методов измерения процес- сов человека: на рис. 1 представлено два подхода к определению характери- стик ЧО. Первый — классический, предполагает размещение датчиков пси- хофизических параметров (пульс, дыхание, давление, сердечный ритм и т.д.) на поверхности тела в контактной и неконтактной формах. На прак- тике этот способ анализа характеристик ЧО широко используется и доведен до совершенства в комплексных полиэффекторных подходах с технически- ми средствами на основе электронной и компьютерной обработки данных, в том числе в простом или телеметрическом виде. Такой подход не вызыва- ет научных дискуссий, но на практике его применение ограничено динами- кой операционной деятельности ЧО или возникающей проблемой доступно- сти (например, ограниченности размеров кабины пилота современных ВС). Второй подход — измерение характеристик ЧО и оценка его эффектив- ности работы по машинным выходам, например по параметрам полета — крену, курсу, углу атаки и т.д., научно менее обоснован. Поэтому и возника- ет необходимость еще раз с позиции общей теории инвариантности рас- смотреть границы и область применения такого подхода как более перспек- тивного, чем первый. Постановка задачи: измерение характеристики процессов человека по машинному выходу. Такая постановка возможна тогда и только тогда, когда машина произ- водит инвариантное преобразование характеристик двигательных процессов человека. Особенно это важно в задачах слежения (работа штурвалами, ры- чагами управления, кнопками, клавишами и т.д.). Рассмотрим некоторые важные посылки развития неклассического под- хода. 1. Общая теория инвариантности Впервые понятие инварианта возникло в линейной алгебре. Исследова- тель круговых, кольцевых, матричных и других преобразований всегда встречался с процедурой, полностью вариативной (изменяющейся), и про- цедурой, которая сохраняла математические свойства, знаки, символы, фор- мулы. Простейшим инвариантом были так называемые постоянные коэффи- циенты, которые имели буквенное, а не чисто цифровое значение. Сохранение постоянных коэффициентов в процессе математических преобразований (например, в матричных уравнениях) и привело к обобщен- ному понятию инварианта. В самом широком смысле под инвариантом по- нимается сохраняемая, неизменная часть (величина, цифра, число, формула, алгоритм и т.д.) любого математического преобразования. Математические преобразования — это, как правило, односторонний процесс. Поэтому инварианты в простейшем виде возникают по цепочке: • начало преобразования конец преобразования; • число то же число; • символ тот же символ; • круг тот же круг и т.д. 73 Так было на начальной стадии развития теории инвариантности до по- явления математической топологии. 2. Инвариантность в теории случайных процессов (ТСП), стационарность и эргодичность как виды инвариантности Основные понятия в ТСП — это вероятность и законы ее распределе- ния. Однако на практике такой способ определения характеристик случай- ных процессов очень ограничен и имеет четко выраженные границы приме- нения. Например, для построения простейших законов распределения нужно не меньше 500–600 измерений в однородном вероятностном пространстве. Это вызвано тем, что инвариантом любого распределения является опреде- ленное число интервалов квантования в законе. На практике оно, как прави- ло, для всех видов законов одинаково (для дискретных и непрерывных) и равно 6–8 (10–12). Это очень хорошо видно на основном законе распределения непрерыв- ных случайных величин и процессов — нормальном законе распределения (законе Гаусса), который строится на основе «колоколообразной» экспонен- циальной функции . 2xl Но тогда достоверность измерения каждого интерва- ла закона требует: число интервалов квантования × 10 = 6 × 100 = 600; 8 × 100 = 800 и т.д. (рис. 2). 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Интервал квантования (для любого закона распределения) Рис. 2. Пример квантования при нормальном законе распределения Безусловно, 300, 400, 500–800 измерений одного процесса (для величи- ны — значений, для процесса — реализаций) — очень серьезное ограниче- ние, так как на практике такие методы можно применить только к явлениям, которые в статистике называются массовыми. Массовые явления в произ- водственных процессах — это обычно простейшие производственные опе- рации, например, изготовление модульных деталей, узлов, конструкций, элементов микроплат и т.д. Однако для практических сложных процессов, которые охватывают управление, контроль, ремонт и поиск неисправностей, техническое обслу- живание машин в целом (когда в конструкторской спецификации до сотен тысяч элементов), условие построения вероятностного закона, а значит, 74 и статистической достоверности, трудно достижимо. На рис. 3 приведен при- мер случайного процесса c дискретной компонентой ti (полет ВС, где tв — взлет, а tп — посадка), поэтому возникают методы моделирования (напри- мер, методы Монте-Карло и др.), но они не решают эту проблему. t tп ti tв Рис. 3. Пример случайного процесса c дискретной компонентой ti в производственных процессах Из рис. 3 видно, что процессы управления, как правило, во времени не- однородны, состоят из разных по качеству участков (этапов) tв, ti, tп, кото- рые в целом не описываются в рамках классической теории нестационар- ных, чистых стационарных процессов [1]. Проблема инвариантности в теории случайных процессов решается че- рез понятия стационарность и эргодичность, но этого также недостаточно. Инвариантами при этом являются: при стационарности — вероятностный процесс, в котором ее характе- ристика, например математическое ожидание, не изменяется во времени; при эргодичности — характеристики по совокупности равны времен- нÏм характеристикам. Рассмотрим основные понятия в общей теории инвариантности по дан- ным современной математики (они достаточно широки, но, к сожалению, содержат элементы неопределенности): — инвариант; — интегральный инвариант динамической системы (по Биркгофу); — ковариантность; — корреляция; — теория инвариантов в линейной алгебре; — линейный и нелинейный оператор; — преобразование; — полигармоническая функция; — случайный процесс; — квазипериодические функции; — класс специальных функций; — соизмеримые и несоизмеримые периоды: типа xx 2coscos + ; — формула Эйлера: ; 2 sin; 2 cos i eex ixeex ixixix −− = −+ = связь с экспонентами: ;sincos xixeix += 75 — преобразование через произведения: ∏ ∞ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π −= 1 22 2 1sin n n xxx (беско- нечные произведения). Согласно [2] в теории инвариантности в системах автоматического рас- познавания рассматриваются общие вопросы теории инвариантности и ее применения, которые включают в себя следующие системы: — комбинированные; — многосвязные; — импульсные и цифровые; — самонастраиваемые и пр. Основные математические теории, на которых должна строиться общая теория инвариантности, рассматривающая связь процессов человека и про- цессов машины: — общая теория инвариантности и ее локальные (местные) основания; — общая теория колебаний, дефиниции и классификации колебаний; — теория инвариантов в линейной алгебре; — теория интегральных и дифференциальных инвариантов в общей теории динамических систем; — общая теория действий и противодействий человека (теория И. Се- ченова); — общая теория функционального математического анализа и теория множеств; — общая теория постоянных величин (абстрактная и современная арифметика). Интересным представляется переход от принципа максимального прав- доподобия к принципу инвариантности от внешних способов внешнего вы- деления сигнала к внутренним (рис. 4). Это дает возможность рассмотреть основные функции радиолокационных станций, где участвует ЧО: • измерение угловых координат; • измерение дальности, как инвариантные. Переход к принципу инвариантности в радиолокации Принцип инвариантности Определение сигнала в структуре шума Принцип максимального правдоподобия Учет и определение сигнала на фоне шума Сигнал — инвариант (всегда должен иметь инвариантные свойства) Внутренние способы выделения сигнала Учет инвариантных свойств сигнала Внешние способы выделения сигнала Отделение сигнала от шума Основная формула Рис. 4. Схема перехода от внешних способов внешнего выделения сигнала к внутренним 76 На основе анализа этих теорий можно разработать дефиниции и клас- сификации по инвариантности всех явлений (например [3–5]), в том числе явления усиления динамического стереотипа [6]. Следует отметить, что в системе «глаз–рука» у ЧО в процессе слежения наблюдается колебательность «выходного» канала [7]. На выходе машины также наблюдаются колебательные движения, а не ступенчатые. Таким об- разом, напрашивается вывод об инвариантности человеческого и машинно- го выходов при оценке степени усиления динамического стереотипа пилота [6]. Заключение Психофизиологические датчики о характеристиках человека-оператора несут в основном информацию по выходным сигналам, которая математиче- ски описывается общей теорией колебаний. Колебательный характер выходных характеристик ЧО позволяет сде- лать вывод для систем слежения о том, что машинные выходы систем инва- риантны по отношению к входным характеристикам системы, если на входе такой системы работает ЧО. Из общей теории автоматики и автоматических систем управления из- вестно, что по отношению ко всем видам колебаний (синусоидальные, мо- дулированные, со случайным спектром и т.д.) существующие системы инва- риантны по схеме «вход–процесс–выход». В практическом плане инвариантность системы «человек–машина» по- зволяет по машинным выходам определить инвариантные свойства и харак- теристики ЧО без размещения контактных и бесконтактных психофизиоло- гических датчиков. 1. Анисимов В.В. Случайные процессы с дискретной компонентой. Предельные теоремы. — Киев: Вища шк., 1988. — 184 с. 2. Теория инвариантности в системах автоматического управления // Тр. второго Всесоюз. сов., Киев, 1962. — М.: Наука, 1964. — 512 с. 3. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Принцип инвариантности в из- мерительной технике. — М.: Наука, 1976. — 242 с. 4. Карташов Г.Д. Исследование проблемы инвариантности в теории надежности. Спец. 01.01.09. — Мат. кибернетика: Автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. — М., 1975. — 32 с. 5. Хенман Э. Представления групп и прикладная теория вероятностей. — М.: Мир, 1970. — 117 с. 6. Грищенко Ю.В. Явление усиления динамического стереотипа пилота при действии ком- плексных отказов // Эргономические вопросы безопасности полетов. — К.: КИИГА, 1987. — С. 87–91. 7. Суходольский Г.В. О колебаниях системы «глаза–рука» человека при слежении // Теоре- тическая и прикладная психология в Ленинградском университете: Тез. докл. — Л.: Ле- нинград. отд. общества психологов СССР и факультет психологии Ленинград. ун-та, 1969. — С. 187–189. Национальный авиационный университет, Киев Получено 24.12.2007

Обоснование применения принципа инвариантности при анализе процессов в системах человек–машина неклассическими методами

Репозитарії

Схожі ресурси