Глава 9. плитудой отслеживаемого сигнала

плитудой отслеживаемого сигнала. Для поддержания согласования между ответом и отслеживаемой функцией оператор совершает коррекции по фазе. Это очень эффективная стратегия, поскольку она значительно уменьшает количество решений яо выбору ответа, которые должен принимать оператор.

Поултон [32] показал, что при низкочастотных сигналах (0,25 Гц) 10 из 11 обследованных операторов усваивали стратегию привязки в течение одного периода колебаний в канале синусоидальной функции. Как отмечает Поултон, при частоте 1 Гц операторы делали фазовые или амплитудные коррекции приблизительно один раз за 4 с. До того как оператор введет коррекцию в свой синусоидальный ответ, фазовая ошибка может достигнуть 90°.

Стратегия привязки, уменьшающая количество решений при выборе ответов, позволяет оператору отслеживать предсказуемые синусоидальные сигналы на частотах около 1 Гц. Натренированные операторы могут совершать привязку вплоть до частоты 2 Гц. Но обычно они уже не справляются с частотой 3 Гц. При таких высоких частотах ответы обычно имеют соответствующую амплитуду, но не совпадают по фазе. Операл-ору трудно Корректировать фазовые ошибки, так как он не может определить, низка или высока частота генерируемого синусоидального ответа. Аналогичные ограничения, характерные для слежения, основанного на стратегии привязки, свойственны и хорошо тренированным операторам [28].

Эффекты, обнаруживаемые в передаточной функции замкнутой системы. Передаточная функция замкнутого контура регулирования показывает, Какая часть входного сигнала каждой Частоты содержится в ответах оператора. Полезно рассмотреть эту функцию отдельно, поскольку в ней проявляются различные эффекты характеристик входного сигнала на деятельность опе^ ратора. Возрастание частоты входного сигнала вызывает три эффекта, обнаруживаемые в передаточной функций замкнутой системы:

1. При увеличении частоты входного сигнала средняя амплитуда Передаточной функции уменьшается [9J. Оператор склонен Давать меньшие по величине ответы при росте частоты на Входе. В этом факте отражается разумная стратегия: если оператор делает очень маленькие ответные движения, когда входной сигнал начинает Превышать полосу его пропускания, то существует по крайней мере уверенность в том, что ошибка слежения будет не больше; чем когда он вовсе прекратит реагирование. Если бы оператор реагировал беспорядочно, то это привело бы к увеличению ошибки слежения выше того уровня, который наблюдается при отсутствии ответа.

Ручное управление и слежение _____________________________11?

2. Задержка ответов оператора во времени увеличивается с ростом частоты на входе. Сигналы с очень низкими частотами высокопредсказуемы, так что оператор реагирует на ожидаемые изменения сигнала. При высоких частотах сигнал менее предсказуем, что приводит к перегрузке оператора от процесса переработки информации. Поэтому временная задержка ответа увеличивается. Передаточные функции для замкнутой системы, построенные Элкиндом [9], показывают что при частоте входных сигналов 0,5 Гц временные задержки равны около 100 мс, а при частоте 2,4 Гц— около 180 мс.

3. Та часть спектра ответов оператора, которая не представлена во входном сигнале, называется ремнантой. Величина рем-нанты растет с увеличением частоты входного сигнала. По данным Элкннда [9], мощность ремнанты в спектре слежения увеличивается от 10 до 60% при увеличении частоты иа входе от 0,5 до 2,4 Гц.

Влияние амплитуды синусоидального сигнала. Скорость и ускорение синусоидального колебания прямо пропорциональны амплитуде сигнала. Поэтому здесь следует ожидать тех же эффектов, что н при изменении скорости и ускорения линейно из-изменяющегося входного сигнала. Для синусоидальных колебаний установлено, что удвоение амплитуды приводит приблизительно к удвоению средней абсолютной ошибки слежения. (Это справедливо для случая, когда коэффициенты усиления органа управления и индикатора остаются неизменными.) В действительности ошибка не удваивается, а остается немного меньше. Таким образом, имеется некоторое преимущество для синусоид с большими амплитудами. Частично это обусловлено тем, что при предъявлении таких сигналов оператору обычно более эффективно используется площадь экрана дисплея: отслеживание синусоидальных сигналов оказывается наилучшим, когда максимальный диапазон изменения сигнала покрывает всю ширину экрана.

Комбинация синусоид. При сложении синусоид траектория входного сигнала становится менее регулярной и предсказуемой для оператора. Поэтому трудность слежения возрастает. В частности, значительно снижается ценность стратегии привязки к входному сигналу. Даже при сложении трех синусоид оператор еще может использовать некоторую предсказуемость в траектории сигнала. Прежде всего операторы могут усвоить некоторые повторяющиеся формы траекторий, состоящих из небольшого числа синусоид. Они могут также извлечь пользу из кратковременной избыточности сигнала. Поултон [34] обнаружил, что при верхней составляющей частоте 0,33 Гц операторы мог-

450 Глава 9

ли предсказывать движение входного сигнала на 0,5 периода верхней компоненты.

Наконец, даже при очень сложных сигналах, создаваемых, например, низкочастотной фильтрацией белого шума, оператор встг еще может выделять следующие особенности движения на входе: 1) среднюю и максимальную амплитуды; 2) среднее положение цели на индикаторе; 3) ^среднюю частоту смены направлений движения; 4) средние скорости и ускорения; 5) частотный спектр.

При сложении синусоид основное влияние на деятельность оператора оказывает компонента с наибольшей амплитудой. Например, наиболее высокочастотная компонента определяет число реверсов направления ответного движения, если она имеет наибольшую амплитуду [9J.

9.5. Отображение информации о поведении системы и его влияние на деятельность оператора¹'

Для решения задачи слежения или управления оператора необходимо обеспечить информацией одного вида: о рассогласовании между текущим и заданным состоянием системы. Без этого сигнала «ошибки» оператор не знает, когда необходимо произвести коррекцию. Однако обеспечение оператора дополнительной информацией обычно улучшает его деятельность. Виды дополнительной информации и характер ее отображения оказывает большое влияние иа деятельность оператора.

В реальных условиях решения задач по управлению или слежению могут отображаться четыре вида информации:

1. Информация об «ошибке».

2. Информация о положении цели. Она показывает, «куда» оператор должен переместить управляемую систему или курсор.

3. Положение управляемой системы или курсора.

4. «Инструкции по выполнению действий», дающие оператору конкретные указания в особо сложных ситуациях слежения.

9.5.1. Преследующие и компенсаторные индикаторы

К двум принципиально различным способам отображения информации относятся преследующий и компенсаторный. В случае преследования, или «абсолютного движения», отображается как

" Начальная часть этого раздела относится к визуальным индикаторам, иа которых состояния цели н управляемой системы кодируются положением иа экране. Некоторые рекомендации и обобщения применимы только к этому случаю (например, при слуховом предъявлении информации преследующее слежение ие всегда лучше, чем компенсаторное). Некоторые исключения из правил, упомянутых в первой части этой главы, приводятся в последующих параграфах, посвященных невизуальным индикаторам.

Ручное управление и слежение

положение цели, так и положение курсора, и оператор может непосредственно воспринимать сигнал ошибки в виде рассогласования между этими двумя положениями.

На компенсаторных индикаторах отображается только направление и величина сигнала ошибки — рассогласования между положениями цели и управляемой системы или курсора. В отличие от «абсолютного движения», которое представлено на преследующем индикаторе, на компенсаторных индикаторах предъявляется информация об «относительном движении».

В большинстве повседневных задач на слежение, которые решаются без электронных индикаторов, имеет место ситуация преследования. Простейший случай — движение пальца к кнопке, которую нужно нажать: положение цели (кнопки) и управляемой системы (пальца) одинаково видны. Другой пример — вождение автомобиля. Положение цели (края или середины дороги) и управляемой системы (автомобиля) воспринимаются оператором, который может судить о независимых изменениях каждого из них (например, о кривизне дороги и движении автомобиля).

Повседневные задачи на слежение, в которых встречается компенсаторный способ, обычно связаны с прицеливанием. Представьте себе самолет, летящий в безоблачном голубом небе. Для снимающего самолет на кинопленку стоит задача удерживать его в центре поля зрения камеры. Это и есть задача компенсаторного слежения: когда цель (самолет) удаляется от центра поля зрения камеры, оператор знает, что имеется ошибка наведения, но на основе только отображаемой информации он не может сказать, вызвана ли ошибка движением самолета илн движением камеры. При компенсаторном способе движение цели и движение управляемой системы полностью смешиваются.

Ввиду того что при компенсаторном способе движения цели и управляемой системы неразличимы, компенсаторные показания иногда более трудно интерпретировать. Поултон [35] приводил примеры противоречий, обусловленных характером отображения информации на радиолокационном экране. На кг раблях используются диаграммные индикаторы положения (ДИП), которые показывают положение других кораблей относительно положения «управляемого корабля». Последний всегда располагается в центре ДИП. На ДИП'е легко можно увидеть пеленг и удаление других кораблей, но нельзя различить независимые движения управляемого и других кораблей. Поэтому капитану управляемого корабля легко определить опасность столкновения, но он ие располагает четкой информацией о том, что нужно предпринять для того, чтобы „избежать столкновения. Более того, ДИП может создать у оператора

452 Глава 9

ложное представление, что два корабля движутся навстречу друг другу, тогда как на самом деле их движения взаимно перпендикулярны. Изменения вектора ошибки могут быть истолкованы как изменения положения того или иного корабля (рис. 9.7).

Преследующие индикаторы почти всегда обеспечивают более качественное слежение, чем ксхмпеисаториые. Однако улучшение дятельности может достигаться здесь за счет удорожания или усложнения системы отображения (например, стрелоч-

Рис. 9.7. Реальное и видимое движения на индикаторе относительного движения ДИП.

ный прибор по сравнению с ЭЛТ). Преследующие индикаторы должны отображать два независимых положения (управляемой системы или курсора и цели, к которой оператор пытается переместить курсор). Поскольку вариаций положения может быть гораздо больше по сравнению с варациями ошибки (т. е. разницы между двумя положениями), может возникнуть необходимость в большей площади экрана в случае преследующего слежения, чем в случае компенсаторного, чтобы обеспечить достаточную разрешающую способность для сигнала ошибки. Разработчик должен придерживаться компромиссного решения относительно разрешающей способности сигнала ошибки, площади экрана (стоимость которого может оказаться выше допустимой), преимуществ преследующего способа и ожидаемых изменений в деятельности оператора в конкретных ситуациях слежения. Разработчик системы отображения имеет широкий выбор (помимо изменения размера экрана), который позволяет применять преследующий способ даже в условиях ограниченного пространства.

Ручное управление и слежение

Промежуточные способы отображения. В случае преследующего способа оператор располагает информацией о положениях цели и курсора. При компенсаторном способе предъявляется только информация об ошибке. Возможны промежуточные варианты, обеспечивающие информацию об ошибке и положении цели, ошибке и положении курсора, только о положениях курсора и цели. Поултон [34] сравнивал условия, при которых положение цели, положение курсора и сигналы ошибки давали пять возможных комбинаций. Результаты показали, что наихудшим было компенсаторное условие (отображается только ошибка). Добавление информации о положении курсора не привело к статистически значимому улучшению. Однако если к информации об ошибке добавлялась информация о положении цели, то наступало значительное улучшение деятельности оператора. Согласно Поултону, наилучшей была деятельность в условиях чистого преследования (дается только информация о положениях цели и курсора).

Интересно, что добавление явной информации об ошибке в случае преследующего способа фактически ухудшало деятельность оператора. Обеспечение оператора дополнительной информацией не всегда приводит к выигрышу, особенно если это связано с отвлечением внимания от необходимой информации, вынуждает оператора применять неэффективные стратегии управления или влияет на уровень его стресса или мотивации.

«Промежуточные» способы отображения получаются не только путем качественных, но и путем количественных изменений. Зендерс [36] применял индикатор, на котором были явно представлены положения цели и курсора и ошибка. Однако изменения положения умножались на константу Р (Р=* = 1,0, 0,75, 0,50, 0,25), а сигнал ошибки — на константу 1— Р. Для чистого преследования Я=1, а для компенсаторного Я = = 0. Зендерс обнаружил, что деятельность оператора была наилучшей при чистом преследовании н наихудшей при чисто компенсаторном отображении. Но прн добавлении только 25% информации о положении (т. е. Р —0,25) к компенсаторной индикации привело почти к таким же результатам, как в случае чистого преследования. Таким образом, значительно ослабленная информация о положениях цели и курсора дает существенное улучшение деятельности оператора. В этом заключается один из вариантов удовлетворения требований к размерам экрана для преследующего слежения.

Ситуация с «промежуточным» способом отображения может возникнуть и в реальных условиях управления автомобилем. При полном обзоре водитель видит, насколько изменяется ошибка (отклонение автомобиля от центральной линии) в зависимости от кривизны дороги. В условиях ограниченной види-

454 Глава 9

мости (например, тумана) водитель может видеть только на несколько метров вперед. Тогда не всегда ясно, что привело к отклонению автомобиля от края дороги — движение руля или изменение кривизны дороги.

Поултон [35] охарактеризовал ситуацию вождения с ограниченным обзором как «чистое преследование», а вождение с широким обзором — как «преследование с предвидением». Бывает не всегда ясно, к чему следует отнести ту или иную ситуацию— к преследующему или компенсаторному слежению. Случай с «ограниченным обзором» характеризуется здесь как компенсаторное слежение, потому что водитель не может распознать источник ошибки (т. е. кривизну дороги или рулевое управление). Это критический пункт, по которому компенсаторное слежение отличается от преследующего. Выделение составляющих ошибки становится гораздо более легким, когда и управляемая система, и цель движутся на постоянном фоне. Тогда оператор может видеть, как движется цель, как движется управляемая система н как каждое движение вносит свой вклад в текущую ошибку.

Общая рекомендация, следовательно, состоит в том, чтобы создавать структурированный фон, на котором движутся и цель, и курсор. Такой фон облегчает обнаружение движения и оценку расстояния [17].

Источники превосходства преследующего слежения. Существует несколько причин, по которым адекватно сконструированный преследующий индикатор обычно превосходит (и- всегда оказывается по крайней мере не хуже) компенсаторный индикатор. Во-первых, исполнение улучшается, когда оператор формирует точные внутренние модели траектории цели и динамики управляемой системы. Сигнал ошибки в компенсаторном'слежении представляет собой смесь ответных реакций оператора и движений цели. Поэтому ему труднее формировать модели тех и других, позволяющие делать прогноз. Во многих случаях динамика управляемой системы оказывается настолько сложной, что оператор не может усвоить ее до тех пор, пока она не будет «изучена» отдельно от изменений, вносимых движением цели.

Во-вторых, преследующий способ часто обеспечивает более высокую совместимость стимула и ответной реакции, чем компенсаторный: в случае преследования оператор двигает рукояткой джойстика (например) по направлению к цели, тогда как при компенсаторном слежении он двигает рукояткой в направлении от «цели» (т. е. маркера ошибки).

В-третьих, двойственность компенсаторных индикаторов может вносить дополнительные нагрузки в процессе принятия ре-

_______ Ручное управление и слежеййе __________________________466

шений оператором. Компенсаторные индикаторы сравнительно легко вводят в заблуждение. (Пример с противоречием, обусловленным радарным индикатором, показывает, что изменение вектора ошибки может быть истолковано как изменение вектора положения цели.) Неверные интерпретации такого рода становятся более вероятными в условиях стресса.

Усиление индикатора. Одно из безусловных преимуществ компенсаторной индикации в том, что здесь нет масштабных ограничений при отображении ошибки, которые приходится учитывать, когда нужно показывать все положения цели и курсора. Отсюда можно было бы заключить, что имеет смысл усиливать сигнал ошибки на компенсаторном индикаторе до максимума, который позволяет физический размер индикатора. Однако Поултон [35] считает, что увеличение сигнала ошибки сверх той величины, которая установлена для соответствующего преследующего индикатора, не будет способствовать улучшению деятельности оператора. Действительно, при большом усилении экрана деятельность в начале тренировки может ухудшаться: ошибка, вносимая нетренированным оператором, может складываться с ошибкой, вызванной движениями цели. В результате большого усиления сигнал суммарной ошибки может оказаться за пределами экрана. Более того, повышенная скорость движения вектора ошибки может отрицательно повлиять на способность оператора отслеживать его.

Экспериментальные данные почти всегда свидетельствуют о преимуществах индикаторов с большим усилением. Однако Поултон [35] считает, что эти результаты, вероятнее всего, отражают эффекты диапазона или переноса, свидетельствующие в пользу более высокого усиления. Можно привести следующие общие рекомендации:

1. Для преследующих индикаторов усиление должно быть таким, чтобы движение цели и курсора покрывало всю площадь экрана, не выходя за его пределы.

2. Для компенсаторных индикаторов ошибка должна индицироваться в том же диапазоне, который устанавливается для соответствующей преследующей индикации, причем большее усиление, вероятно, будет бесполезным.

Влияния способа индикации на ступенчатое и линейное слежение. Когда движение цели очень простое, тот факт, что оно смешивается с ответными действиями оператора, существенно не скажется на качестве слежения. Такая ситуация имеет место при ступенчатых и линейных входных сигналах и в меньшей степени при подаче на вход одиночной синусоиды.

456 Глава 9

При ступенчатом сигнале ошибка изменяется настолько быстро, что движение на индикаторе выглядит так же, как движение цели в преследующем слежении. Единственное существенное отличие преследующей индикации от компенсаторной — совместимость стимула и ответной реакции: в случае преследующей индикации оператор перемещает орган управления по направлению к цели, тогда как при компенсаторной индикации необходимо, чтобы орган управления двигался от индикатора ошибки. Эта ситуация несовместимости, вероятно, ухудшает деятельность, особенно в начальном периоде тренировки.

Влияние способа индикации на синусоидальное слежение.

Даже при отслеживании одиночной синусоиды (по крайней мере в начале тренировки) компенсаторное слежение оказывается почти вдвое менее эффективным, чем преследующее [33J. Однако Пью н др. [31] сообщают, что после длительной тренировки с преследующей и компенсаторной индикациями отслеживание одиночной синусоиды в обоих случаях становится близким по эффективности.

Задача усложняется, когда оператор должен отслеживать ггомбинации из нескольких синусоид. Опять ошибка компенсаторного слежения оказывается почти в два раза больше ошибки преследующего слежения (складывались четыре синусоиды с верхней частотой около 1 Гц [33]). В ходе тренировки улучшение компенсаторного слежения было менее значительным, чем в случае с одиночной синусоидой. Представляется маловероятным, что после длительной тренировки компенсаторное слежение уравняется с преследующим. При компенсаторном способе отображения информации оператору труднее сформировать адекватную внутреннюю модель статистических свойств (например, среднего положения) сложной траектории.

Упомянутые выше данные были получены при относительно высокочастотных входных сигналах и системах управления нулевого порядка (разд. 9.6). Если слежение ведется за очень низкочастотными сигналами, то оно становится похожим па слежение за линейным сигналом и, как указывалось выше, преимущество преследующего способа индикации будет незначительным. Кроме того, если применяются органы управления более высокого порядка, то относительное преимущество преследующей индикации также может исчезнуть. Однако для визуальных индикаторов, основанных на отображении положения, компенсаторное слежение не будет лучше преследующего, если деятельность оператора оценивается адекватными критериями.

Общее преимущество преследующего слежения сохраняется только для визуальных индикаторов, отображающих позици-

Ручное управление и слежений

онную (аналоговую) информацию. Слежение при других способах кодирования и с участием других сенсорных систем рассматривается ниже.

9.5.2. Усложненные индикаторы

До сих пор говорилось о предъявлении трех основных единиц информации о слежении — положении цели, положении курсора и ошибки. На усложненных индикаторах предъявляется дополнительная информация о других аспектах деятельности оператора. Она может объединяться с тремя основными единицами (как в индикаторах с ускорением) или предъявляется отдельно (как с «линиями переключения» на индикаторах фазовой плоскости). Ниже рассмотрены два основных вида усложненных индикаторов: индикаторы с ускорением и индикаторы с предсказанием.

Индикаторы с ускорением. На индикаторах с ускорением к отображению движений управляемой системы прибавляются низкопорядковые компоненты регулирования. [О порядке регулирования см. разд. 9.6. По существу он связан с количеством интеграторов (по времени), включаемых между регулирующими движениями оператора и движениями управляемой системы.]

Рис. 9.8. Блок-схема системы управления второго порядка и индикатора с ускорением.

Индикатор с ускорением и система управления второго порядка показаны на рис. 9.8. Здесь видно, что «позиционная» компонента добавляется к отображению реальных движений управляемой системы. Важно отметить, что результирующее движение на экране точно не отражает действительное движение или положение управляемой системы. Добавочная «позиционная» компонента изменяет только картину на экране, а

458 Глава 4

не состояние управляемой системы. В этом заключается разница между индикатором с ускорением и органом управления с ускорением. В первом случае низкопорядковые компоненты прибавляются к отображаемой информации; во втором случае они прибавляются к движениям управляемой системы.

Индикация с ускорением имеет то преимущество, что она улучшает способность оператора к реакции. Это усиливает совместимость стимула и ответной реакции. Но более важно то, что индикация с ускорением обеспечивает оператора дополнительной информацией, указывающей ему, когда нужно производить управляющие движения. Это лучше, чем если бы оператору пришлось решать, когда произвести ответные действия.

Например, для того чтобы в системе управления второго порядка (с регулированием по ускорению) отследить «скачок», нужно применить оптимальную стратегию, которая заключается в максимально ускоренном движении к цели. Затем, когда курсор пройдет половину пути, необходимо включить максимальное замедление. В случае индикации без ускорения оператор должен заметить, когда курсор находится на половине пути к цели. Если же на индикатор подается информация о позиционной и скоростной составляющих, то на нем будет видно, что управляемая система достигает цели (в действительности ее достигает только курсор, а не управляемая система) как раз в тот момент, когда оператор должен включить максимальное замедление. Для оператора такая информация лучше, чем суждение о том, находится ли курсор на полпути к цели.

Проблемы применения индикатора с ускорением. Хотя индикаторы с ускорением могут облегчить деятельность оператора в системах управления высоких порядков, это преимущество ие универсально. (Отметим, что орган управления с ускорением почти всегда дает выигрыш.) Перечислим некоторые ограничения и проблемы, относящиеся к индикаторам с ускорением:

1. Индикация с ускорением маскирует истинные эффекты управляющих движений оператора. Ему труднее сформировать точную внутреннюю модель динамики управляемой системы. При компенсаторной индикации индикатор с ускорением маскирует также истинное движение цели, затрудняя для оператора формирование внутренней модели движения цели с достаточной прогнозирующей способностью.

2. Оператор располагает неточной, а иногда и вводящей в заблуждение информацией о движении и положении управляемой системы. Оператор не знает об истинной ошибке, возникшей в результате его деятельности. Это может вызвать у него ложное чувство безопасности, и он уже не будет обращать должного внимания на индикатор или прекратит реагирование,