Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

вательно). Основная функция оператора — контроль, наблюдение за

системой, измерение ее параметров.

В системе управления (см. рис. 8.1,а) оператор становится

непосредственным участником выполнения системой ее задач и

включен в работу«как бы последовательно» (по схеме рисунка —

параллельно) с техническими элементами системы. Основная

функция оператора — регулирование, слежение, стабилизация и

приведение координат выхода системы к их заданному значению. Эта

система замкнута через оператора. Системы управления могут быть

двух видов: система слежения с компенсацией и

система слежения с преследованием. В первом случае оператор

наблюдает только рассогласование между текущим выходным

показателем (координатой) системы и требуемым значением. Его

задача состоит в том, чтобы довести величину рассогласования до

нуля или до заданного уровня, т.е. скомпенсировать ошибку

рассогласования. Примерами таких систем

могут являться системы регулирования самих РЭС, системы

регулирования технологических процессов и т.п.

При слежении с преследованием оператор наблюдает величину

как входного, так и выходного сигналов, и его задача состоит в том,

чтобы,управляя машиной, изменять выход системы и тем самым как

бы «преследовать» вход системы. Примерами таких систем могут

служить система посадки самолета, работа бортовой РЛС в режиме

захвата и сопровождения цели и т.д.

Поисковая система, как правило, образуется при отказе

функционирующей радиоаппаратуры, когда требуется

вмешательство оператора для определения причин и места отказа.

Она включает в себя оператора, проверяемую машину и устройство

поиска.

Восстанавливающая система возникает после определения

причины отказа, и главная функция оператора в такой системе —

восстановить систему путем ремонта или демонтажа неисправного

блока.

Примерами обучающих систем являются различного рода

тренажеры, обучающие машины и т.п.

По типу информационной модели ЧМС делятся на системы с

дифференциальной информационной моделью и интегральной

информационной моделью.

Дифференциальная информационная модель включает в себя

подробные сведения об отдельных параметрах системы. Как

правило, информация от машины к оператору поступает первичная

без предварительной обработки. При этом оператор получает

точную количественную оценку состояния отдельных элементов

технической части системы, ее выходных параметров. Чтобы

получить общее представление о состоянии системы на основе

показаний детальной модели, оператору необходимо определенное

время для обработки всей разрозненной ин-

303

формации. При дефиците времени это может привести к принятию

неверных решений. Примером такой дифференцальной модели может

служить совокупность контрольных шкал приборов, устанавливаемых в

кабине летчика. Поэтому при современных скоростях самолетов стремятся

создать совмещенную (интегральную) индикаторную панель. На рис. 8.2, а

показана индикаторная панель самолета в режиме поиска цели. Однако назвать

это интегральной моделью пока что нельзя.

Рис. 8.2. Совмещенные индикаторы: а — самолетный (1 — шкала дальности до цели,

2 — строб цели, 3 — скорость полета самолета, 4 — высота полета самолета, 5 — цель,

6 — положение самолета относительно горизонта, 7 — горизонтальная ось самолета,

8 — положение антенны); б — коналог

304

вательно). Основная функция оператора — контроль, наблюдение за

системой, измерение ее параметров.

В системе управления (см. рис. 8.1,а) оператор становится непосредст-

венным участником выполнения системой ее задач и включен в работу

«как бы последовательно» (по схеме рисунка — параллельно) с техниче-

скими элементами системы. Основная функция оператора — регулирова-

ние, слежение, стабилизация и приведение координат выхода системы к

их заданному значению. Эта система замкнута через оператора. Системы

управления могут быть двух видов: система слежения с компенсацией и

система слежения с преследованием. В первом случае оператор наблюда-

ет только рассогласование между текущим выходным показателем (коор-

динатой) системы и требуемым значением. Его задача состоит в том, что-

бы довести величину рассогласования до нуля или до заданного уровня,

т.е. скомпенсировать ошибку рассогласования. Примерами таких систем

могут являться системы регулирования самих РЭС, системы регулирова-

ния технологических процессов и т.п.

При слежении с преследованием оператор наблюдает величину как

входного, так и выходного сигналов, и его задача состоит в том, чтобы,

управляя машиной, изменять выход системы и тем самым как бы «пре-

следовать» вход системы. Примерами таких систем могут служить сис-

тема посадки самолета, работа бортовой РЛС в режиме захвата и сопро-

вождения цели и т.д.

Поисковая система, как правило, образуется при отказе функциони-

рующей радиоаппаратуры, когда требуется вмешательство оператора

для определения причин и места отказа. Она включает в себя операто-

ра, проверяемую машину и устройство поиска.

Восстанавливающая система возникает после определения причины

отказа, и главная функция оператора в такой системе — восстановить

систему путем ремонта или демонтажа неисправного блока.

Примерами обучающих систем являются различного рода тренаже-

ры, обучающие машины и т.п.

По типу информационной модели ЧМС делятся на системы с диф-

ференциальной информационной моделью и интегральной информа-

ционной моделью.

Дифференциальная информационная модель включает в себя под-

робные сведения об отдельных параметрах системы. Как правило, ин-

формация от машины к оператору поступает первичная без предвари-

тельной обработки. При этом оператор получает точную количествен-

ную оценку состояния отдельных элементов технической части систе-

мы, ее выходных параметров. Чтобы получить общее представление о

состоянии системы на основе показаний детальной модели, оператору

необходимо определенное время для обработки всей разрозненной ин-

303

формации. При дефиците времени это может привести к принятию не-

верных решений. Примером такой дифференцальной модели может

служить совокупность контрольных шкал приборов, устанавливаемых в

кабине летчика. Поэтому при современных скоростях самолетов стре-

мятся создать совмещенную (интегральную) индикаторную панель. На

рис. 8.2, а показана индикаторная панель самолета в режиме поиска це-

ли. Однако назвать это интегральной моделью пока что нельзя.

Рис. 8.2. Совмещенные индикаторы: а — самолетный (1 — шкала дальности до цели,

2 — строб цели, 3 — скорость полета самолета, 4 — высота полета самолета, 5 — цель,

6 — положение самолета относительно горизонта, 7 — горизонтальная ось самолета,

8 — положение антенны); б — коналог

304

Интегральная информационная модель дает общее представление о

функционировании. Для этого в системе используют дополнительные

блоки обработки первичной информации. Например, разработаны ин-

дикаторы — «коналоги» (рис. 8.2, б), дающие условные изображения

взлетно-посадочной полосы или «дороги» при движении объекта. Хотя

изображение проецируется на электронно-лучевой индикатор, оно не

является телевизионным. Основное преимущество коналогов состоит в

том, что они позволяют использовать основное свойство восприятия —

предметность. Кроме этого, рассмотренный тип коналога позволяет ос-

вободиться от восьми отдельных индикаторов. Другой особенностью

коналогов является также то, что они предусматривают получение точ-

ной количественной информации либо «по вызову», либо с помощью

дополнительных периферийных индикаторов, обрамляющих коналог.

Свойства ЧМС определяются свойствами основных ее звеньев, а

именно: оператора и «машины». Отметим те из них, по которым опера-

тор или машина превосходят друг друга при выполнении определенных

функций [38].

Оператор превосходит «машину» в следующих функциях:

обнаружении слабых световых и звуковых сигналов;

восприятии, интерпретации и организации сигнальных образов раз-

личных модальностей;

осуществлении гибких операций управления;

хранении большого количества информации в течение длительного

времени и ее использовании в нужный момент;

образовании интуитивных умозаключений;

изменении показателей в результате обучения;

формировании понятий и выработке методов;

организации и объединении показателей входов, различных по пара-

метрам, по модальности.

«Машина» превосходит человека-оператора по следующим показа-

телям:

быстроте ответов на сигналы;

способности применить плавно и точно большую силу;

возможности выполнять повторные стереотипные действия и зада-

чи;

способности хранить информацию в сжатой форме и полностью ос-

вобождаться от ненужных составляющих;

скорости расчетов;

способности выполнять одновременно несколько различных функ-

ций.

305

Прежде чем подробно остановиться на параметрах оператора и тех-

нических средств и их согласовании, отметим некоторые общие прави-

ла разработки ЧМС.

1. При разработке необходимо применять системный подход, а

именно:

а) выяснить взаимосвязи и свойства совокупности объектов, входя-

щих в систему, в том числе и оператора;

б) создавать и применять такие системы, которые давали бы комп-

ромиссы между «машиной» — оператором — средой для оптимизации

основной целевой функции всей системы (получить оптимальную сис-

тему для всех оптимальных звеньев невозможно).

2. Несмотря на совместное выполнение функций оператором и «ма-

шиной», каждая из таких составляющих ЧМС подчиняется в своей ра-

боте собственным, свойственным ей принципам и закономерностям.

3. Необходимо помнить, что оператор «не любит крайностей»: ему

плохо работается как при дефиците, так и при избытке времени (предъ-

явления информации), как при ярком освещении, так и в темноте и т.д.

4. Система должна быть сконструирована так, чтобы оператор мог

непрерывно принимать участие в ее функционировании на уровне, со-

ответствующем его возможностям (низкий уровень интереса к работе и

моральное состояние оператора могут быть связаны с двумя обстоя-

тельствами: оператор имеет низкую квалификацию, а управление аппа-

ратурой требует высокой квалификации и, наоборот, требуется низкая

квалификация от высококвалифицированного оператора).

5. Максимальная автоматизация не всегда полезна: .думающий опе-

ратор занимает центральное место в системе, поэтому задача состоит

не в том, чтобы показать высокую автоматизацию системы, а в том, что-

бы доказать необходимость автоматизации; машина служит не для вы-

теснения и замены оператора, а для умножения его мощи и способно-

стей.

В заключение рассмотрим вопросы распределения функций в ЧМС.

При проектировании любойградиоэлектронной системы, будь то радио-

локационная станция, система ближней навигации, контрольно-испы-

тательная аппаратура или просто электронные часы, мы, по существу,

решаем задачу распределения функций между человеком и РЭС. Обос-

нование рационального или оптимального варианта распределения

этих функций опирается на результаты количественных оценок каче-

ства выполнения задач оператором и РЭС и методы оценок влияния

этого качества на эффективность системы в целом. В результате рас-

пределения функций между оператором и РЭС могут быть получены

исходные данные для обоснования объема информации, вида ее предъ-

явления, скорости и способа ее обработки.

306

Функции человека в системе «оператор-РЭС» достаточно разнооб-

разны и определяются особенностями РЭС. В системах обнаружения

сигналов (например, локационный обзор участка пространства) чело-

век осуществляет обнаружение, наблюдение, классификацию сигналов

с помощью тех признаков, которые учтены автоматизированным уст-

ройством системы, распределением каналов получения информации, а

также обобщением информации и ее согласованием с пропускной спо-

собностью каналов связи. Диспетчерские системы обусловливают сле-

дующие функции человека: выдачу и редактирование исходных дан-

ных; выдачу команд и пуск системы; принятие решений в неопределен-

ных ситуациях; прогнозирование обстановки при ее изменении; выбор

целей в зависимости от обстановки; операции контроля за работой сис-

темы.

Системы слежения позволяют опознать «свой-чужой» объект, сле-

дить за сигналами с помощью признаков, не учтенных в каналах автома-

тической обработки информации, принимать решения в аварийных си-

туациях.

Функции человека в системах связи (связные радиостанции) можно

определить следующим образом: выбор каналов связи в зависимости от

обстановки, выделение значимой информации и ее классификация по

приоритету, обеспечение слуховой радиосвязи, передача информации.

В контрольно-испытательных системах (стенды, пульты) оператор

должен определять виды программ автоматической проверки системы

и выдавать команды на их пуск, оценивать результаты проверки систе-

мы, выборочно проверять состояние и функционирование узлов и час-

тей системы при отсутствии информации о неисправностях, диагности-

ровать вид неисправности и ее причины, принимать решение о мерах по

восстановлению системы.

8.2. Сенсорный вход оператора и его параметры

Человек воспринимает поступающую из окружающей среды инфор-

мацию с помощью органов зрения, слуха, осязания, вкуса, обоняния, бо-

левых ощущений, степень реакции которых отражена в табл. 8.1.

Каждый из этих органов имеет свой «порог чувствительности»,

«пропускную способность», «область применения» в ЧМС. Различают

«сенсорный вход» человека-оператора (зрение, слух, осязание, обоня-

ние и т.п.) и «моторный выход» — рабочие движения рук, ног,

тулови-

ща, характеризующие пространство, временные и силовые показатели.

Отметим некоторые общие свойства сенсорного входа человека-опера-

тора [38].

307

Таблица 8.1

Способы получения информации Время реакции, мс

Тактильный (прикосновение) 105 ± 10%

Слуховой (звук) 150 + 20%

Зрительный (свет) 185 + 19%

Обонятельный (запах) 350 ± 11,4%

Температурный (тепло — холод) 940 ± 70%

Вкусовой (кислое, сладкое, горькое) 695 ± 55%

Движение (действие на вестибулярный аппарат) 600 ± 33%

Болевой 510+ 75%

Первое свойство. Человек не может решать простую задачу на раз-

личение одиночных моносигналов, если их число превышает 7 («маги-

ческое число 7 ± 2 »).

В одном из опытов испытуемым предлагали различать по частоте

тона в диапазоне от 100 Гц до 8 кГц. Ошибки не было при двух-трех

тонах, предъявляемых отдельно. При четырех тонах начали появляться

случайные ошибки. При пяти тонах число ошибок возросло, а при 14

тонах была сплошная путаница. Аналогичные результаты дали опыты

со зрением, с кожной и вкусовой чувствительностью.

Второе свойство. При усложнении информации (увеличение чис-

ла признаков сигналов, например оттенка и насыщенности цветовых то-

нов раздражителей) количество воспринимаемой информации увели-

чивается (с 7 до 11...15 цветов).

Третье свойство. Наибольшей пропускной способностью инфор-

мации обладает зрительный аппарат (5 бит/с), затем слуховой (0,3

бит/с), которые чаще применяются в ЧМС.

Четвертое свойство. Перекодирование информации резко изме-

няет пропускную способность сенсорного входа оператора.

Пример. Дана последовательность знаков в двоичных выражениях:

1010001001 1 1001 1 10, которую запомнить и воспроизвести

весьма трудно. Если обозначит: 00 — 0, 01 — 1, 10 — 2, 11 — 3, то по-

лучим 220213032, что запоминается, но все-таки с трудом. Если же

ввести обозначения: 000 — 0, 001 — 1, 010 — 2, 011 — 3, 100 —4, 101 —

5, 110 — 6, 111 — 7, то получим 504716, запомнить которое весьма про-

сто.

Пятое свойство. Перегрузка информацией и дефицит времени

снижают пропускную способность оператора. В одной из лабораторий

американских космических исследований изучали работу операторов в

308

кабине космического тренажера. Испытуемым подавали световые сиг-

налы, на которые они должны были отвечать определенным образом.

Если сигналы подавались один раз за 9...10 с, то операторы работали

нормально, когда же темп подачи информации возрос в 10 раз (количе-

ство сигналов в секунду), то наблюдалась перегрузка информацией

(пропуск и неверные ответы). Интересно отметить, что когда темп

уменьшился в 10 раз по сравнению с нормальным, то пропуски инфор-

мации и ошибки вновь участились.

Отсюда следует, что наибольшая чувствительность и пропускная

способность сенсорного входа человека зависят от частоты предъявле-

ния информации. Основным источником получения информации в сис-

теме «оператор — РЭС» является зрительный аппарат оператора, свой-

ства которого рассмотрим более подробно.

Глаз человека обладает рядом свойств, которые необходимо учиты-

вать при конструировании средств отображения информации в РЭС.

Различают абсолютный и дифференциальный (контрастный) пороги

чувствительности глаза [39]. Абсолютным порогом световой чувстви-

тельности глаза называют минимально обнаруживаемую величину яр-

кости светового пятна на черном фоне в условиях отсутствия какого-

либо освещения. Он лежит в диапазоне 10

-6

... 10

-9

кд/м

. Это озна-

чает, что световые ощущения в условиях абсолютной темноты могут

быть вызваны лучистой энергией всего в несколько квантов.

Диапазон яркостей, которые воспринимает глаз, имеет порядок

. Вполне естественно, что при таком изменении яркости глаз дол-

жен обладать известной адаптацией. Изменение чувствительности гла-

за по мере пребывания оператора в темноте называется темновой адап-

тацией. Причем увеличение световой чувствительности происходит в

первые моменты времени непрерывно и устанавливается на постоянном

уровне лишь спустя 60...80 мин. Под световой адаптацией глаза пони-

мают изменение чувствительности при увеличении яркости поля адап-

тации от нулевого до некоторого заданного. При этом происходит по-

нижение световой чувствительности, и постоянный уровень устанавли-

вается примерно через 5...10 мин в зависимости от яркости.

Различают по величине яркости В поля адаптации: дневное освеще-

ние (В≥ 10 кд/м

), сумеречное (0,01 кд/м

≤В≤ 10 кд/м ) и ночное

(В ≤ 0,01 кд/м

). Операторы РЛС обычно работают при ночном и суме-

речном освещении, а операторы устройств отображения информации

— при сумеречном или дневном.

Если оператор работает в условиях, далеких от абсолютного порога

чувствительности, то возможность раздельного видения предметов оп-

ределяется не абсолютной чувствительностью глаза, а его способно-

309

стью различать локализованные в отдельных местах контрасты ярко-

сти. Чаще всего для определения контраста используют соотношение

−

где В

, В

— яркость объекта и яркость фона соответственно.

Если В

> В

, то контраст называется прямым; если В

< В

, то —

обратным. Применительно к задачам обнаружения сигналов целей на

индикаторах с лучевым экраном более удобно пользоваться выраже-

нием

−

так как яркость отдельных точек экрана, образующих фон, является

случайной величиной, и при решении задач обнаружения оценке под-

лежит лишь сам факт обнаружения сигнала (наличия контраста). Сиг-

нал в одной из двух сравниваемых точек обнаруживается оператором

при условии, если | К ]\ ≥ К

, где K

— порог контрастной чувствитель-

ности глаза при заданных условиях наблюдения.

Порог контрастной чувствительности глаза изменяется с изменени-

ем яркости поля адаптации и оказывается неразрывно связанным с та-

кими характеристиками зрения, как инерция и острота зрения. Порог

видимости зависит от следующих величин: контраста, углового разме-

ра цели, яркости поля адаптации и времени наличия цели. В каждом

конкретном случае мы говорим лишь о какой-то одной пороговой вели-

чине, потому что остальные три при проведении опыта фиксируются

заранее. Как увеличение яркости поля адаптации, так и увеличение

площади отметки ведут к уменьшению порога контрастной чувстви-

тельности глаза.

Временной порог чувствительности глаза оператора — это мини-

мально необходимое время существования отметки для ее зрительного

восприятия. Эта величина колеблется в пределах тысячных и сотых до-

лей секунды. Она зависит от инерции зрения, которая, в свою очередь,

определяется яркостью фона. Отметим, что с увеличением освещенно-

сти уменьшается время инерции глаза и порог контрастной чувстви-

тельности. При этом острота зрения увеличивается. Остроту зрения

или разрешающую способность глаза характеризуют порогом разреше-

ния — минимальным угловым промежутком между равноудаленными

точками, при котором они воспринимаются глазом еще раздельно. Пре-

дельный угол разрешения L' имеет порядок несколько десятых угло-

310