Плотников Сергей Владимирович. Алгоритмическое и аппаратное обеспечение автоматизированной системы тестирования операторов сложных технологических установок

brief description

Плотников Сергей Владимирович. Алгоритмическое и аппаратное обеспечение автоматизированной системы тестирования операторов сложных технологических установок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 / Плотников Сергей Владимирович; [Место защиты: Ин-т информатизации образования Рос. акад. образования].- Шуя, 2010.- 114 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/1984

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ШУЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
РУЭиО/ООУХ 11
Плотников Сергей Владимирович
АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕСТИРОВАНИЯ
ОПЕРАТОРОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами (образование)
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, ст. научный сотрудник С.В. Ларцов
Шуя-2010 
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ОТ-БОРА ОПЕРАТОРОВ 11
1.1 Особенности автоматизированных систем управления техноло-гическими процессами 11
1.2 Основные принципы профессионального отбора 17
1.3 Психодиагностическая техника хронореакциометрического на-правления в области исследования операторской деятельности 24
1.4 Выводы по первой главе 33
ГЛАВА 2. СТРУКТУРНО-ЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕСТИРУЮ¬ЩЕЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБСЛЕ-ДОВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА 35
2.1 Типология действий человека-оператора при работе на учебно-тренировочных средствах (УТС) 35
2.2 Структурный анализ деятельности человека-оператора при ра¬боте на УТС с позиции алгоритмического подхода 45
2.3 Метод оценки функциональной надежности как интегрального
показателя психофизиологического состояния человека-оператора при работе на УТС 52
2.4 Выводы по второй главе 61
ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕСТИ-РУЮЩЕЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХРОНО-РЕАКЦИОМЕТРИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБСЛЕДО-ВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА 63
3.1 Общие вопросы построения автоматизированной тестирующей психофизиологической системы (ТПФС) 63
з
3.2 Аппаратное обеспечение тестирования времени торможения
экстренной двигательной реакции и реакции на положение движу¬щегося раздражителя 68
3.3 Функциональная биотехническая подсистема "оператор-УТС"
как тренажерная хронореакциометрическая система с биологиче¬ской обратной связью 73
3.4 Метрологический анализ автоматизированной ТПФС 77
3.5 Выводы по третьей главе 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86
ЛИТЕРАТУРА 88
ПРИЛОЖЕНИЯ 101
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Современный этап развития общества характеризуется интенсивным внедрением средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) во все сферы жизни и деятельности человека, в том числе и в область профес-сиональной подготовки специалистов различного профиля. Теоретические и методологические основы использования средств ИКТ в образовании получили развитие в исследованиях Алексеева В.В., Безбогова А.А., Данилюка С.Г., Коз-лова О.А., Латышева В.Л., Павлова А.А., Роберт И.В., Сердюкова В.И., Сазо-нова Б.А., Соловьева А.Я., Татура Ю.Г., Филатова О.К. и др.
Одним из решающих факторов повышения эффективности и надежности работы системы "человек-машина" является увеличение степени ее автомати-зации. Однако полная автоматизация процессов управления приводит к чрез-мерному усложнению системы и снижению надежности ее работы, в связи с чем автоматизированные системы, представляющие собой сложные техноло¬гические комплексы, целесообразно создавать на основе оптимального распре¬деления функций между человеком и машиной. Особенностями сложных тех-нологических установок являются большое число элементов и выполняемых ими задач (которые относятся к системам "человек-машина"), высокая функ-циональная связность элементов, сложность управляющих воздействий в не-стандартных ситуациях.
Деятельность оператора сложных технологических установок характери-зуется высокой напряженностью. Это обуславливает повышение требований к психофизиологическим и личностным качествам оператора. Операторы, не об-ладающие, достаточными способностями для эффективного управления систе-мой, допускают большее число ошибочных действий, что может негативно сказаться на качестве решаемых задач, привести к нарушению технологическо¬го процесса и к значительным материальным потерям. Ввиду этого для повы¬шения эффективности и надежности работы автоматизированных систем необ¬ходим профессиональный психофизиологический отбор и специальная подго¬товка операторов.
Техническое решение задачи психофизиологического тестирования опе-раторов специфично и связано, прежде всего, с разработкой алгоритмического и аппаратного обеспечения автоматизированной системы тестирования хроно- реакциометрического направления, ориентированного не только на качествен-ную, но и точную количественную оценку поведенческих реакций человека, действующего в условиях дефицита времени. При этом под алгоритмическим обеспечением такой системы будем понимать совокупность алгоритмов, реали-зующих математические методы проведения мониторинга профессиональной готовности на основе комплексной оценки профессионально важных качеств и психофизиологического состояния оператора, а под аппаратным обеспечением - комплекс электронных и механических устройств, входящих в состав автома-тизированной тестирующей системы.
Большие перспективы эксперты связывают с разработкой автоматизиро-ванных психофизиологических систем на основе методов теории функцио-нальных биотехнических систем. Фундаментальный вклад в развитие матема-тического и биофизического моделирования операторской деятельности внесен работами АхутинаВ.М., Баевского Р.М., Блинова Н.Н., Василевского Н.Н., Гурфинкеля В.С., Зараковского Г.М., Киселёва В.Д., КульбыВ.В., Лшцу- ка В.А., Логвинова С.И., Ломова Б.Ф., Мамиконова А.Г., Сигитова В.В., Шиба¬нова Г.П. и др. •
Анализ проблемы автоматизации профессионального психофизиологиче-ского отбора операторов в аспекте техники хронореакциометрического на-правления выявил два основных подхода к ее решению: 1) разработка систем с биотехнической обратной связью для психофизиологического тестирования; 2) создание автоматизированных систем для психофизиологического тестирова¬ния с оптимальным вариантом комплексирования аппаратной и программной составляющих.
Несмотря на достигнутые успехи первого направления в области созда¬ния и использования психофизиологической техники (Бабский Е.Б., Баев¬ский Р.М., Бойко Е.И., Боксер О .Я., Горшков С.И., Золина З.М., Майкин Ю.В., Ларин В.В. и др.), на пути интеграции этих двух направлений просматривается ряд нерешенных проблем, среди которых выделим: разработку автоматизиро-ванных систем, функционирующих на принципе биотехнической обратной связи, предназначенных для тестирования и коррекции психофизиологического состояния человека-оператора; разработку моделей функциональной биотех-нической системы "оператор - автоматизированная система управления техно-логической установкой"; разработку методов комплексной оценки профессио-нально важных качеств и психофизиологического состояния человека- оператора.
Таким образом, актуальной является научная задача создания автомати-зированных тестирующих психофизиологических систем на основе использо-вания принципа биотехнической обратной связи и разработки соответствую¬щего алгоритмического и аппаратно-программного обеспечения.
Объект исследования - человеко-машинная система "оператор - автома-тизированная система управления технологической установкой".
Предмет, исследования - автоматизированный процесс психофизиоло-гического тестирования оператора сложных технологических установок (на примере операторов технологических установок газовой промышленности) на этапе профессионального отбора.
Цель исследования - разработка алгоритмического и аппаратного обес-печения автоматизированной системы психофизиологического тестирования операторов сложных технологических установок для повышения достоверно¬сти оценки готовности оператора к выполнению задач профессиональной дея-тельности.
Для достижения цели диссертационного исследования необходимо ре¬шить следующие подзадачи:
1. Провести анализ существующих подходов к проблеме автоматизиро-ванного профессионального психофизиологического отбора операторов слож-ных технологических установок и построить модель перспективной автомати-зированной тестирующей психофизиологической системы.
2. Разработать метод автоматизированного психофизиологического тес-тирования операторов сложных технологических установок, обеспечивающий комплексную оценку профессионально важных качеств и психофизиологиче-ского состояния оператора.
3. Разработать алгоритм количественной оценки готовности оператора сложных технологических установок к выполнению задач профессиональной деятельности.
4. Разработать устройство для измерения времени экстренной двигатель-ной реакции оператора в составе автоматизированной тестирующей психофи-зиологической системы.
5. Создать аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тестирующей психофизиологической системы для оценки готовности операто¬ра сложных технологических установок к выполнению задач профессиональ¬ной деятельности.
Методологические основы и методы исследования
Решение задач диссертационного исследования осуществлялось на осно¬ве комплексного применения теоретических и экспериментальных методов. Теоретические исследования основывались на использовании методов систе-мотехники и теории управления, теории функциональных биотехнических сис-тем, психофизиологии, энтропийной теории погрешностей. Эксперименталь¬ные исследования проводились с использованием стендового оборудования и опытно-экспериментальных образцов тестирующих психофизиологических систем.
Экспериментальная проверка и оценка эффективности предложенных методов и устройств в составе автоматизированной тестирующей системы осуществлялись на основе психофизиологических исследований в условиях образовательного процесса.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключа-ется в следующем:
1. Построена модель автоматизированной тестирующей психофизиоло-гической системы, в основе которой лежит принцип биотехнической обратной связи, который расширяет функциональные возможности системы в аспектах оценки профессиональной пригодности и подготовки операторов сложных технологических установок.
2. Предложен метод оценки профессиональной пригодности операторов, реализующий алгоритмический подход к анализу деятельности оператора и учитывающий качество выполнения им технологических операций предписан-ного алгоритма в процессе автоматизированного тестирования.
3. Разработан алгоритм количественной оценки функциональной надеж-ности операторов сложных технологических установок, характеризующийся повышенной прогностической способностью для оценки готовности оператора к выполнению задач профессиональной деятельности.
Практическая значимость исследования
Предложенный метод оценки профессиональной пригодности операто¬ров технологических установок реализован в автоматизированной тестирую¬щей психофизиологической системе.
Методика, алгоритмы и аппаратно-программное обеспечение автомати-зированного психофизиологического тестирования операторов использованы в научных исследованиях, проводимых в межкафедральной психофизиологиче-ской лаборатории ГОУ ВПО "Шуйский государственный педагогический уни-верситет".
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследова¬ний, выполненных в рамках темы диссертационной работы, сформулированы технические и эргономические требования к характеристикам перспективных автоматизированных тестирующих систем. Создан демонстрационный образец тестирующей психофизиологической системы.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспе-чивалась исходными методологическими и теоретическими позициями, сис-темным подходом к описанию и изучению объекта исследования, совокупно¬стью адекватных цели и задачам исследования методов, реализацией в иссле¬довании фундаментальных принципов психофизиологии, апробацией результа¬тов исследования.
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на сле-дующих международных и всероссийских научных конференциях:
— Всероссийская научно-практическая конференция "Психология и эр-гономика: единство теории и практики" (Тверь, 1999);
- Международная научная конференция "Современные информацион¬ные технологии в образовательном процессе и научных исследованиях" (Шуя, 2000);
- Всероссийская научно-методическая конференция "VIII Столетовские чтения" (Владимир, 2000);
- II Международная конференция "Актуальные проблемы современного естествознания" (Калуга, 2000);
— Всероссийская научно-техническая конференция "Медицинские ин-формационные системы" (Таганрог, 2000);
- Всероссийская конференция "Необратимые процессы в природе и тех-нике" (Москва, 2001);
— VIII Международная научно-техническая конференция "Перспектив-ные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 2009);
— Международная научно-практическая конференция "Развитие отечест¬венной системы информатизации образования в здоровьесберегающих услови¬ях" (Москва, 2009).
Внедрение результатов исследования
Основные результаты диссертационного исследования использованы в ООО "Научно-аналитический центр "Газэксперт", в ЗАО "Объединение "Би- нар", а также в научно-исследовательской деятельности ГОУ ВПО "Шуйский государственный педагогический университет".
На техническое решение "Устройство для измерения реакции на положе¬ние движущегося раздражителя", разработанное в рамках диссертационного исследования, получено свидетельство на полезную модель.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Модель автоматизированной тестирующей психофизиологической системы, которая основывается на принципе биотехнической обратной связи, расширяющем функциональные возможности системы в аспектах оценки про-фессиональной пригодности и подготовки операторов технологических уста-новок.
2. Метод оценки функциональной надежности операторов технологиче-ских установок, обеспечивающий комплексную оценку профессионально важ¬ных качеств и психофизиологического состояния операторов.
3. Аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тести-рующей психофизиологической системы, построенное с использованием ав-торских моделей и алгоритмов и характеризующееся повышенной прогности-ческой способностью для оценки надежности операторов сложных технологи-ческих установок.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В результате анализа существующих подходов к проблеме автомати-зации профессионального психофизиологического отбора операторов изучено современное состояние психодиагностической техники хронореакциометриче- ского направления, построена модель тестирующей психофизиологической системы, в основу которой положен принцип биотехнической обратной связи, что обеспечивает расширение функциональных возможностей системы в ас¬пектах оценки профессиональной пригодности и подготовки операторов тех¬нологических установок.
2. Разработан метод автоматизированного психофизиологического тес-тирования оператора, учитывающий качество выполнения оператором техно-логических операций предписанного алгоритма и обеспечивающий комплекс-ную оценку профессионально важных качеств и психофизиологического со-стояния человека-оператора. Данный метод позволяет автоматизировать про-цесс выставления оценки функциональной надежности оператора по результа¬там его реальной работы в пошаговом режиме, что повышает достоверность этой оценки.
3. Разработан алгоритм количественной оценки готовности оператора сложных технологических установок к выполнению задач профессиональной деятельности, характеризующийся повышенной прогностической способно-стью для оценки функциональной надежности человека-оператора. Предло-женный алгоритм позволяет организовать учет двух основных составляющих функциональной надежности оператора: структурные особенности процесса операторской деятельности (по нормированным коэффициентам стереотипно-сти и логической сложности) и динамику изменения функционального состоя-ния оператора в процессе деятельности (по временным параметрами типологи¬ческих действий оператора). Данный алгоритм программно реализован на язы¬ке программирования Turbo Pascal 7.0.
4. Предложены технические решения для измерения времени торможе-ния экстренной двигательной реакции человека-оператора, предусматриваю-щие метрологический анализ и индивидуальную настройку измерительных звеньев тестирующей психофизиологической системы. Данное устройство по-зволяет исключить погрешность измерения времени экстренной двигательной реакции, связанную с неравномерностью воздействия испытуемым на датчик двигательной реакции. Учет погрешности измерения времени двигательной ре¬акции обеспечивается программно путем исключения из результатов испыта¬ний статистических параметров указанной погрешности, которые устанавли¬ваются экспериментатором в соответствии с заданным мышечным воздействи¬ем испытуемого на датчик.
5. Разработано аппаратно-программное обеспечение автоматизированной тестирующей психофизиологической системы для оценки профессиональной пригодности и подготовки операторов сложных технологических установок. В данной системе для обеспечения саморегуляции (коррекции) времени экстрен¬ной двигательной реакции реализован принцип биотехнической обратной свя¬зи, согласно которому отклонение от заданного параметра действия автомати¬чески вызывает пропорциональное сопротивление реализации этого действия. Данная система обеспечивает возможность получения объективных данных как констатирующего характера (проверка функциональной надежности опера-тора), так и прогнозирующего характера (предсказание возникновения нежела¬тельных состояний как причин снижения эффективности его деятельности).
Результаты диссертационного исследования (методика и аппаратно-программное обеспечение) в аспектах психофизиологического обследования кандидатов в операторы могут быть использованы при создании автоматизиро¬ванных тестирующих и обучающих систем для центров подготовки операторов сложных технологических установок и комплексов специального назначения.