НЕКОТОРЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ

Гримак Л. П., Василец В. М., Жернавков В. Ф.

Психологический журнал 1984, Том 5 № 6. С.62-68

   

 Развитие авиационной техники и значительное расширение круга решаемых задач с помощью нового поколения самолетов существенным образом изменили характер и в целом повысили требования к уровню подготовки пилотов. Последнее повлекло за собой необходимость разработки более эффективных средств обучения и объективного контроля уровня обученности.

Анализ практики применения тренажеров в настоящее время показывает, что методика обучения на них по своей структуре почти не отличается от таковой на реальном объекте. Однако простое перенесение на тренажеры методов, применяемых при обучении на самолетах, не позволяет в полной мере использовать все дидактические возможности современных тренировочных средств для эффективного обучения. 

Принципа максимального подобия реальному объекту управления, основными критериями которого являются критерии динамического и информационного подобия, еще недостаточно, так как методически неправильное использование тренажера даже с высокой степенью подобия реальному объекту превращает его лишь в наглядное пособие [2].

Объем, полнота и точность физического и психологического моделирования условий и содержания деятельности пилота на тренажере, методика и организация проведения тренировок, объективный контроль и оценка выполнения задач в процессе упражнения (тренажа) в совокупности определяют возможность обучения с помощью технических средств.

В связи с современными требованиями к построению учебного процесса оптимизация обучения, обеспечение эффективного усвоения знаний, формирование умений и навыков достигаются при использовании специальных технических средств, позволяющих управлять процессом обучения [2]. Управление обучением предусматривает определенную организацию действий обучаемого, обеспечивающую формирование навыков с желаемыми заданными свойствами и качествами.

Для эффективности упражнений с целью формирования навыков необходимы:

— наличие логической последовательности и методической обоснованности упражнений;

— сознательная направленность обучаемого на повышение качества деятельности (активность обучаемого);

— знание правил и приемов выполнения отдельных действий и задания в целом;

— учет достигнутых результатов;

— понимание причин допущенных ошибок и путей их преодоления;

— управление обучением со стороны инструктора или обучающего.

 

 


Стр.63 

 Безусловно, высокая надежность деятельности в реальных условиях со всеми возможными усложнениями ситуации, в том числе и аварийной, требует ряда профессионально значимых личностных качеств, многие из которых также целесообразно формировать и развивать в процессе специальной тренировки путем создания соответствующих ситуаций и обеспечения высокой активности в них обучаемых. Поэтому обучающая деятельность должна содержать специально подобранные, строго дозированные и контролируемые элементы. Установлено, что своевременная объективная оценка результатов упражнений является непременным условием успешности тренировки, сознательной регуляции и совершенствования отрабатываемых действий и навыков.

Чтобы регулировать скорость продвижения по программе подготовки каждого обучаемого в соответствии с индивидуальными способностями к обучению, требуется строгая система объективного контроля и оценки уровня обученности, включающая показатели качества деятельности и нервно-эмоционального напряжения обучаемых. Психофизиологические показатели достаточно полно и суммарно отражают степень информационной, энергетической и психической нагрузок, которые испытывает обучаемый при выполнении задания. Величина этой нагрузки меняется в процессе формирования навыков и умений. Установлено, что выход на плато психофизиологических реакций происходит несколько позже стабилизации показателей качества деятельности [8].

Степень активации физиологических резервов организма пилота как показатель нервно-эмоционального напряжения выступает в данном случае в качестве индикатора физиологической цены за достигнутые результаты деятельности [7].

Проблема совершенствования процесса профессионального обучения и создания эффективных средств подготовки пилотов-операторов выдвинула задачу автоматизации процесса тренировок. Объективный контроль особенно нужен на ранних стадиях тренировки, так как для получения желаемого (оптимального) согласования между человеком и машиной нельзя ограничиваться только интуицией инструктора, общими рекомендациями инженерной психологии и заложенными в систему техническими характеристиками.

Такой контроль и организация тренировок невозможны без применения, с одной стороны, высокоавтоматизированных средств, с другой — без представляемого в удобной форме экспресс-материала о качестве управления, психофизиологических и других характеристик процесса тренировки обучаемого.

Несмотря на то что приборный состав автоматизированного тренажера значительно шире, чем у обычных тренажеров, а соответственно его обслуживание более трудоемко и требует значительных затрат, использование его особенно эффективно при ускоренной подготовке пилотов-операторов и при переучивании на более сложные типы летательных аппаратов.

Тренажеры с возможностью изменения структуры и направленности процесса тренировки в период обучения (т. е. адаптивные) позволяют обеспечивать оптимизацию управления процессом подготовки с учетом скорости и качества выполнения учебных задач, нервно-эмоционального напряжения обучаемого, зависящих от типологических особенностей личности и индивидуальных способностей к обучению. С их помощью можно более полно изучить особенности человека-оператора и характеристики его взаимодействия с системами летательного аппарата, осуществить поиск оптимальных областей и условий функционирования систем человек — летательный аппарат и т. д.

Автоматизированный тренажер для подготовки пилота-оператора состоит из физических моделей систем представления информации оператору и органов управления, моделей объекта управления, внешних

 

 


Стр.64 

возмущений, систем автоматики. Инструктор-специалист по анализу систем «летчик — самолет» и применению летательных аппаратов проводит тренировку, оперативно вмешиваясь в процесс обучения.

Входящие в состав тренажера вычислительные средства должны позволять проводить обучение в автоматическом, диалоговом режимах и при комбинации этих режимов: представлять информацию при помощи графических и алфавитно-цифровых дисплеев на любом этапе процесса управления; оперативно вмешиваться в ход обучения вплоть до изменения темпа, алгоритма и т. д.; легко переводить ЭВМ из режима «управления» в режим «консультации» или в режим «перестройки» структуры тренажера для изменения моделируемого режима полета.

Таким образом, тренировки становятся возможными как с участием инструктора, так и без него, когда управление процессом тренировки полностью автоматизировано и задается определенным алгоритмом в ЦВМ.

Перечислим основные проблемы, возникающие при рассмотрении возможности реализации адаптивной системы подготовки летчиков-операторов:

— идентификация объекта управления и возмущающих действий;

— выделение психофизиологических и технических параметров, подлежащих контролю в процессе тренировки;

— выбор возможных математических методов определения значимости представляемой информации на процесс оптимизации обучения;

— определение облика адаптивной системы перестройки характеристик и структуры тренажера в процессе функционирования;

— выбор вида критериев оценки качества управления в процессе обучения.

Кратко рассмотрим некоторые пути решения вышеперечисленных проблем.

Качество решения задачи идентификации в значительной степени зависит от имеющейся у экспериментатора информации о виде уравнений связи и характере возмущающих воздействий.

Когда вид уравнений связи известен, вопрос идентификации и планирования тренировки и обучения сводится к использованию таблиц или алгоритмов, описывающих характеристики оптимальных планов обучения для различных критериев [1, 3, 4].

В общем же случае вид функции (зависимости параметров) в уравнениях связи неизвестен. Однако можно допустить, что эта функция в интересующей нас области может быть аппроксимирована конечным рядом. Тогда задача определения наилучшего представления этой функции сводится к последовательной процедуре, например, как на рис. 1.

Если функция удовлетворяет с заданной точностью экспериментальным данным, тренировку либо прекращают, либо продолжают с целью уточнения всей совокупности параметров. Если функция не удовлетворяет экспериментальным данным, возникает необходимость в проведении дополнительной уточняющей тренировки с выдвижением конкурирующей модели (облегченный режим управления, ограничение используемой информации или ее централизация и т. д.).

Задача выделения психофизиологической информации и технических параметров для регистрации, управления и анализа тренажерной подготовки требует, с одной стороны, выбора комплекса показателей, с другой — выбора метода их обработки.

Практика показала, что задачи такого класса наиболее успешно решаются методами регрессионного анализа [6].

В процессе тренажерной подготовки летчиков-операторов важно по совокупности показателей найти количественный критерий тренированности и его динамику при последовательном выполнении упражнений.

 

 


Стр.65 

 
 
 
 
 
 Рис. 1. Последовательный процесс поиска математической модели зависимости параметров

Для этих целей достаточно широкое применение нашла теория распознавания образов, в частности дискриминантный анализ. В результате применения дискриминантного анализа может быть получено решающее правило, разделяющее группу испытуемых на классы или разряды в зависимости от степени их тренированности. Очевидно, что адаптивная система подготовки летчиков-операторов должна содержать соответствующее программное обеспечение определения различных критериев тренированности как для разных этапов тренировки, так и для разных систем управления, видов работ и т. д.

Таким образом, решение задач оптимизации тренировок основано на совместной оценке качества управления тренажером (или выполнении отдельных операций и упражнений) и той физиологической цены, с которой это качество достигается.

Анализ работ, посвященных исследованию информации, получаемой в ходе стендовых исследований [3, 5, 9], позволяет выделить основные группы регистрируемых параметров, по которым возможна организация адаптивного алгоритма работы тренажера. Сюда относятся показатели качества деятельности, функционального состояния обучаемого, психофизиологической структуры деятельности, факторов и условий деятельности.

Задача создания автоматизированного комплекса, учитывающего недостаточность априорной информации и позволяющего оптимизировать обучение с учетом конкурирующих алгоритмов управления, основывается на концепциях теории адаптации и теории игр.

В связи с этим возможно рассмотреть задачу оптимизации конкурирующих систем процесса обучения с учетом адаптации как структуры тренажера, так и алгоритма обучения в предположении, что необходимо выбрать такую структуру или алгоритм обучения, которые обеспечили бы гарантированное значение качества тренировки в неопределенных условиях.

Основными особенностями создания адаптивных тренажеров для тренировки летчиков-операторов являются:

— необходимость учитывать при определении показателя качества управления не только технические характеристики системы управления, но и оценки операторской деятельности летчика-оператора;

 

 


Стр.66 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Структурная схема АСП управления. 1 — оптическая система; 2 — человек-оператор; 3 — ручка управления; 4 — полуавтоматическая система управления; 5 — чувствительный элемент; 6 — вычислительное устройство; 7 — исполнительный орган

— потребность учитывать воздействие факторов полета на операторскую деятельность летчика-оператора;

— необходимость учитывать стохастичность операторской деятельности.

Поскольку применяемые в настоящее время [3] векторные или комплексные показатели качества управления включают неопределенные параметры, то для оптимизации управления необходимо, во-первых, в качестве критерия оптимизации использовать гарантированные значения показателей (например, вероятность того, что качество управления удовлетворяет заданным техническим, психофизиологическим и т. д. требованиям к системе); во-вторых, строить тренажер как адаптивно-игровую систему (АИС).

Обычно в АИС для достижения цели управления исключается или значительно уменьшается влияние вариабельности операторской деятельности от нервно-психического напряжения, факторов полета, его тренированности и т. д.

В случае же организации (синтеза) адаптивного тренажера цель адаптивно-игрового контура состоит в выделении факторов операторской деятельности, влияющих на качество управления, и организации алгоритмов тренировок и контуров управления, способствующих оптимальному управлению заданным объектом с наименьшими затратами.

Комбинированные стратегии раскрытия неопределенности АИС управления, основанные на концепции теории игр и теории адаптации, позволяют с помощью более простой технической реализации регулятора по сравнению с полностью адаптивной системой добиваться качества управления, равного ей.

Адаптивный и игровой пути учета неопределенностей систем управления дополняют друг друга, что служит обоснованием постановки задачи проектирования комбинированных систем, когда часть параметров системы определяется на основании решения игровой задачи, а часть — с использованием адаптивной. Наличие неопределенностей в АИС и рассмотрение их с позиции теории игр позволяет считать адаптивно-игровые системы управления примером конкурирующих систем [3, 4].

 

 


Стр.67 

                             

 

 

 

 

 

 

 

        Рис. 3                                                                                                                                                   Рис. 4
 
Рис. 3. Индивидуальные различия для групп операторов при управлении. Ось ординат— ошибка управления (параметр I) в относительных единицах; ось абсцисс — количество реализаций тренировок; I, II, III — группы испытуемых
Рис. 4. Время управления в зависимости от количества тренировок для групп операторов. Ось ординат — время управления (параметр II) в относительных единицах; ось абсцисс — количество реализаций тренировок, отметка 10 — зона допустимых значений параметра; I, II, III — группы испытуемых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5                                                                                  Рис. 6
 
Рис. 5. Зависимость ошибки управления математического ожидания от характеристик оптической системы для тренированных групп операторов. Ось ординат—математическое ожидание ошибки управления в относительных единицах; ось абсцисс — характеристики оптической системы; I, II, III — группы испытуемых
Рис. 6. Статистические характеристики процесса управления для выбранных характеристик оптической системы (для характеристик с адаптивной настройкой). Ось ординат— параметры управления I и II в относительных единицах, ось абсцисс — характеристики оптической системы

 

Адаптивно-игровые системы могут быть реализованы в виде систем с решающими устройствами, самонастраивающихся систем и их комбинаций. При исследовании таких систем используется математический аппарат теории игр.

Примером адаптивной системы может служить система полуавтоматического управления летательным аппаратом, представленная на рис. 2. Экспериментальные исследования, проведенные на модели такой системы управления, без контура адаптации, показали существенное отличие точности управления для различных операторов. По точности управления 12 испытуемых разделились на три группы (рис. 3): I — три человека, II — четыре, III — пять. Результаты временных характеристик процесса управления для этих групп представлены на рис. 4.

Изменение характеристик оптической системы показало, что параметры управления существенно зависят и от оптического канала (рис. 5). Но в связи со сложностью процесса управления (управление на различных дальностях) выбрать постоянными оптимальные характеристики оптического канала для всех трех групп испытуемых (рис. 5,

 


Стр.68

точка 2) не представляется возможным. Естественно, возникает предложение изменять эти характеристики в процессе управления, т. е. организовать адаптивный контур управления. Результаты экспериментов на модели системы управления с контуром адаптации для рассмотренных выше групп операторов представлены на рис. 6. Статистические характеристики параметров управления, показывают, что адаптивный контур обеспечивает приемлемое качество управления вне зависимости от индивидуальных характеристик операторов. В случае же применения игрового подхода возможно дальнейшее улучшение качества системы.

Исследование эффективности контура адаптации на группе операторов в процессе формирования у них навыков управления достаточно сложной сенсомоторной деятельности показало, что сокращение времени обучения достигается при условии оптимальной для каждого индивидуума нагрузки, которая регулировалась автоматически в зависимости от результатов управления. По сравнению с контрольной (без контура адаптации) в экспериментальной группе применение адаптивного контура управления способствовало сокращению времени формирования устойчивых навыков управления в среднем примерно на 40% (с 27 до 16 тренировок). Эти данные свидетельствуют о том, что адаптивная система управления позволяет не только повысить качество управления, но и существенно сократить обучение этому виду деятельности путем учета индивидуальных способностей к обучению. Последнее обстоятельство особенно важно для летной профессии, для которой проблема сокращения сроков и затрат на подготовку весьма актуальна в настоящее время.

Таким образом, разработка АИС управления при оптимизации процесса обучения и управления является перспективным направлением исследований, позволяющим создать новые эффективные системы подготовки.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Адлер Ю. П. Введение в теорию планирования эксперимента. М., 1969.

2. Боднер В. А., Закиров Р. А., Смирнова И. И. Авиационные тренажеры. М., 1978.

3. Василец В. И., Суханов Э. Д., Яковлев А. И. Особенности оптимизации систем полуавтоматического управления космических кораблей (КК) и орбитальных станций (ОС).— Доклад на Всесоюзной конференции по авиакосмической медицине. М., 1980.

4. Климов В. А., Блудов Б. В., Василец В. М. и др. Проектирование систем ручного управления космических кораблей. М., 1978.

5. Круг Е. К., Легович Ю. С., Фатеева Е. А. Автоматизация экспериментального исследования человеко-машинных систем.— Автоматика и телемеханика, № 6, 1979, с. 181—192.

6. Налимов В. В. Теория эксперимента. М., 1971.

7. Симонов П. В. Эмоциональный мозг. М., 1981.

8. Фролов Н. И. и др. Физиологическая оценка формирования летных навыков при изменении структуры деятельности летчика.— Авиакосмическая медицина. VI Всесоюзная конференция по космической биологии и авиакосмической медицине. Калуга, 5— 7 июня 1979 г. Москва — Калуга, 1979.

9. Яковлев А. И. Оптимизация конкурирующих систем полуавтоматического слежения.— В кн.: Статистический анализ и оптимизация следящих систем/Под ред. Поцелуева А. В. М., 1977, с. 262—281.

Поступила в редакцию 18.11.1983