Комплекс проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля

Изобретение относится к средствам, обеспечивающим проведение объективных и субъективных эргономических оценок кабины пилотов и любых других объектов, имеющих информационно-управляющее поле (ИУП). Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности эргономической оценки ИУП. Технический результат обеспечивается благодаря тому, что изобретение содержит: модуль настройки эксперимента, выполненный с возможностью задания структуры экспериментов; зоны интереса для группы экспериментов, для которой при проведении эксперимента будет осуществляться видеозахват рабочего поля и захват параметров глазодвигательной активности (ГДА); параметров самолётных систем, которые будут записываться; начальных условий для группы экспериментов; критериев экспертной оценки для группы экспериментов; количества и имен пилотов, участвующих в экспериментах; условий начала и завершения экспериментальной ситуации (ЭС); условий возникновения и типа имитируемых событий во время проведение ЭС; модуль проведения эксперимента, позволяющий осуществлять последовательный запуск всех экспериментальных ситуаций выбранного эксперимента и содержащий: модуль записи ГДА, осуществляющий запись временных рядов координат саккад на плоскости и длительность фиксации взора; модуль фиксации времени выполнения задания; модуль записи видеоизображения; модуль записи параметров самолетных систем и модуль сбора экспертной оценки, осуществляющий сбор данных парной оценки предъявляемых пилоту вариантов индикации; модуль хранения данных, в котором сохраняются данные, полученные при настройке и проведении эксперимента; модуль анализа результатов эксперимента, включающий модуль оптимизации по зонам индикации, осуществляющий выявление вероятности перехода между заданными зонами индикации, представленными звеньями марковской цепи, и вычисление оптимальных координат центров заданных зон; модуль экспресс-оценки ГДА, выполненный с возможностью осуществления вычисления общей продолжительности фиксации взора, частоты горизонтальных и вертикальных саккад, энтропии распределения взора в области индикатора, на основе которых строится оценка вариантов кабинной индикации; модуль парных сравнений, осуществляющий систематизацию полученных при проведении эксперимента данных экспертной оценки, преобразование полученных данных в количественные оценки показателей качества индикации, контроль за корректностью вводимых данных; модуль оценки времени выполнения эксперимента, осуществляющий выдачу сравнительных значений между всеми экспериментальными ситуациями, объединенными в подгруппы, с возможностью ранжирования вариантов кабинной индикации по наименьшему времени выполнения задания; модуль отображения результатов эксперимента, включающий модуль отображения тепловых карт, осуществляющий отображение данных ГДА, поступающих от модуля записи ГДА в виде графических изображений, проецируемых на стимульный материал. 2 ил.

 

Изобретение относится к средствам, обеспечивающим проведение объективных и субъективных эргономических оценок кабины пилотов и любых других объектов, имеющих информационно-управляющее поле (ИУП).

На этапе разработки воздушных средств (ВС) прорабатывается прототип ИУП кабины экипажа для проведения объективных и субъективных оценок технических решений с целью выбора вариантов реализации, отработки стандартных рабочих процедур. Создается процедурный тренажер/стенд прототипирования для конкретного ВС.

Для проведения эргономической оценки ИУП кабин современных и перспективных ВС разрабатываются специальные программно-аппаратные комплексы, на которых применяются разнообразные критерии и методы оценки, а также используется продуманная методология проведения экспериментов, реализуемая с помощью программного обеспечения с интуитивно понятным и удобным человеко-машинным интерфейсом.

Наиболее распространённый вариант систематизированной субъективной (экспертной) оценки заключается в проведение анкетирования. Испытуемые (пилоты) оценивают варианты индикации с применением различных шкал в соответствии с заданными критериями оценки.

Подходы, применяемые для проведения объективной оценки более сложны и разнообразны, т.к. в этом случае используется измерительное оборудование и достаточно сложный математический аппарат для сбора и интерпретации результатов. Для проведения объективной оценки может применяться следующее оборудование: система отслеживания взора (айтрекер), измерители пульса, устройства для записи электроэнцефалограммы и т.д. Применение айтрекера по ряду исследований даёт наиболее информативный результат.

В настоящее время известно некоторое количество комплексов эргономических оценок, использующих различные виды приспособлений и датчиков, обеспечивающих регистрацию психофизиологического состояния человека – оператора ИУП. Данные устройства могут располагаться в различных местах, и крепиться как на человека, так и на исследуемые объекты или элементы их крепления.

Так из уровня техники известна «Система для облегчения внимания оператора» для выполнения задачи с помощью устройства отображения, содержащая: один или несколько компьютерных процессоров, сконфигурированных так, чтобы иметь множество электронных модулей, которые включают в себя: электронный модуль, сконфигурированный для определения состояния внимания оператора; электронный модуль, сконфигурированный для определения одной или нескольких задач, которые должны быть выполнены, и связанной с ней оперативной информации и управляющих активаций, необходимых для выполнения одной или нескольких задач; электронный модуль, сконфигурированный для определения одного или нескольких форматов индикации для отображения на устройстве индикации оперативной информации и / или управления активациями, относящимися к одной или нескольким задачам, при этом один или несколько форматов отображения определяются таким образом, чтобы улучшить визуальную задачу внимание взаимодействия оператора с устройством отображения при выполнении задачи, исходя из определенного состояния внимания оператора; а также электронный планировщик, сконфигурированный для определения последовательности отображения одного или нескольких определенных форматов отображения и активаций управления для выполнения одной или нескольких задач на основе определенного состояния внимания оператора с использованием модели внимания задачи (патент США № US9842511 от 12.12.2017).

Электронный модуль, сконфигурированный для определения состояния внимания оператора, сконфигурирован для обнаружения характеристик, таких как движений глаз и фиксации взора, физиологические атрибуты электрокардиограммы, а также физиологические характеристики измерений электроэнцефалограммы активности коры головного мозга. Электронный планировщик сконфигурирован для учета времени подзадач и рабочих нагрузок в качестве элементов стоимости задачи, чтобы минимизировать стоимость стратегии в соответствии со стратегией управления при определении последовательности.

Не смотря на общие принципы построения систем для оценки определённых параметров с помощью модуля регистрации движения взгляда, назначением аналога является в первую очередь оценка нагрузки оператора, а количество информации и соответствующий формат отображения на средства отображения регулируются в соответствии с текущей рабочей нагрузкой оператора.

К недостаткам указанной системы можно отнести:

- отсутствие возможности анализа комплексной субъективной и объективной оценки ИУП;

- отсутствие возможности видеозаписи эксперимента для оценки правильности действий, осуществляемых на комплексе;

- отсутствие возможности отображения результатов экспериментов по проведенному анализу данных.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эффективности эргономической оценки ИУП.

Ожидаемый технический результат достигается благодаря тому, что комплекс проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля содержит модуль настройки эксперимента, выполненный с возможностью задания структуры экспериментов; зоны интереса для группы экспериментов, для которой при проведении эксперимента будет осуществляться видеозахват рабочего поля и захват параметров глазодвигательной активности (ГДА); параметров самолётных систем, которые будут записываться; начальных условий для группы экспериментов; критериев экспертной оценки для группы экспериментов; количества и имен пилотов, участвующих в экспериментах; условий начала и завершения экспериментальной ситуации (ЭС); условий возникновения и типа имитируемых событий во время проведение ЭС; модуль проведения эксперимента, позволяющий осуществлять последовательный запуск всех экспериментальных ситуаций выбранного эксперимента и содержащий: модуль записи ГДА, осуществляющий запись временных рядов координат саккад на плоскости и длительность фиксации взора; модуль фиксации времени выполнения задания; модуль записи видеоизображения; модуль записи параметров самолетных систем и модуль сбора экспертной оценки, осуществляющий сбор данных парной оценки предъявляемых пилоту вариантов индикации. Также комплекс проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля содержит модуль хранения данных, в котором сохраняются данные, полученные при настройке и проведении эксперимента; модуль анализа результатов эксперимента, включающий модуль оптимизации по зонам индикации, осуществляющий выявление вероятности перехода между заданными зонами индикации, представленными звеньями марковской цепи и вычисление оптимальных координат центров заданных зон, модуль экспресс оценки ГДА, выполненный с возможностью осуществления вычисления общей продолжительности фиксации взора, частоты горизонтальных и вертикальных саккад, энтропии распределения взора в области индикатора, на основе которых строится оценка вариантов кабинной индикации; модуль парных сравнений, осуществляющий систематизацию полученных при проведении эксперимента данных экспертной оценки, преобразование полученных данных в количественные оценки показателей качества индикации, контроль за корректностью вводимых данных; модуль оценки времени выполнения эксперимента, осуществляющий выдачу сравнительных значений между всеми экспериментальными ситуациями, объединенными в подгруппы, с возможностью ранжирования вариантов кабинной индикации по наименьшему времени выполнения задания; при этом комплекс также содержит модуль отображения результатов эксперимента, включающий модуль отображения тепловых карт, осуществляющий отображение записанных модулем записей ГДА в виде графических изображений, проецируемых на стимульный материал.

В предпочтительном варианте осуществления комплекс дополнительно содержит модуль навигации по записанным экспериментам, выполненный с возможностью выбора перечня экспериментов для анализа и отображения.

Краткое описание графических материалов:

фиг. 1 иллюстрирует структуру группы экспериментов;

фиг. 2 иллюстрирует вариант настоящего изобретения.

На фиг. 2 представлены:

1 - модуль настройки эксперимента;

2 - модуль проведения эксперимента;

3 - модуль записи ГДА;

4 - модуль фиксации времени выполнения задания;

5 - модуль сбора экспертной оценки;

6 - модуль записи видеоизображения;

7 - модуль записи параметров самолётных систем;

8 - модуль хранения данных;

9 - модуль анализа результатов эксперимента;

10 - модуль оптимизации по зонам индикации;

11 - модуль экспресс оценки ГДА;

12 - модуль оценки времени выполнения задания;

13 - модуль метода парных сравнений;

14 - модуль навигации по записанным экспериментам;

15 - модуль отображения результатов эксперимента;

16 - модуль отображения тепловых карт;

17 - дисплеи отображения результатов эксперимента;

18 - стендовое оборудование;

19 - дисплеи;

20 - айтрекеры;

21 - видеокамеры;

22 - самолетные системы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения комплекс проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля включает:

- модуль настройки эксперимента 1, выполненный с возможностью задания структуры экспериментов; зоны интереса для группы экспериментов, для которой при проведении эксперимента будет осуществляться видеозахват рабочего поля и захват параметров глазодвигательной активности (ГДА); параметров самолётных систем, которые будут записываться; начальных условий для группы экспериментов; критериев экспертной оценки для группы экспериментов; количества и имен пилотов, участвующих в экспериментах; условий начала и завершения экспериментальной ситуации (ЭС); условий возникновения и типа имитируемых событий во время проведение ЭС;

- модуль проведения эксперимента 2, позволяющий осуществлять последовательный запуск всех экспериментальных ситуаций выбранного эксперимента и содержащий: модуль записи ГДА 3; модуль фиксации времени выполнения задания 4; модуль сбора экспертной оценки 5; модуль записи видеоизображения 6 и модуль записи параметров самолетных систем 7;

- модуль хранения данных 8, в котором сохраняются данные, полученные при настройке и проведении эксперимента;

- модуль анализа результатов эксперимента 9, включающий модуль оптимизации по зонам индикации 10; модуль экспресс оценки ГДА 11; модуль оценки времени выполнения эксперимента 12; модуль парных сравнений 13;

- модуль навигации по записанным экспериментам 14;

- модуль отображения результатов эксперимента 15, включающий модуль отображения тепловых карт 16, осуществляющий отображение данных ГДА, поступающих от модуля записи ГДА в виде графических изображений, проецируемых на стимульный материал.

Модуль настройки эксперимента 1 связан с модулем проведения эксперимента 2 и через модуль хранения данных 8 связан с модулем оптимизации по зонам индикации 10, модулем экспресс оценки ГДА 11, модулем оценки выполнения задания 12, модулем метода парных сравнений 13.

Модуль записи ГДА 3 через модуль хранения данных 8 связан с модулем оптимизации по зонам индикации 10, модулем экспресс оценки ГДА 11 и модулем отображения тепловых карт 16.

Модуль фиксации времени выполнения задания 4 через модуль хранения данных 8 связан с модулем оценки времени выполнения задания 12. Модуль сбора экспертной оценки 5 через модуль хранения данных связан с модулем метода парных сравнений 13. Модули записи видеоизображения 6 и параметров самолетных систем 7 связаны через модуль хранения данных 8 с модулем отображения тепловых карт 16.

Модуль отображения результатов эксперимента 16 связан с модулем оптимизации по зонам индикации 10, модулем экспресс оценки ГДА 11, модулем оценки времени выполнения задания 12 и модулем метода парных сравнений 13.

Модуль навигации по записанным экспериментам 14 связан с модулем оптимизации по зонам индикации 10, модулем экспресс оценки ГДА 11, модулем оценки времени выполнения задания 12 и модулем метода парных сравнений 13 и модулем отображения результатов эксперимента.

Используемый в описании настоящего технического решения термин «модуль» используется для обозначения компьютерных сущностей, которые могут являться аппаратным обеспечением/оборудованием (например, устройством, инструментом, аппаратом, аппаратурой, составной частью устройства, например, процессором, микропроцессором, интегральной схемой, печатной платой, в том числе электронной печатной платой, макетной платой, материнской платой, микрокомпьютером и так далее), программным обеспечением (например, исполняемым программным кодом, скомпилированным приложением, программным модулем, частью программного обеспечения или программного кода и так далее) и/или микропрограммой (в частности, прошивкой).

Для проведения эксперимента на комплексе проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля в первую очередь определяется перечень вариантов индикации для оценивания и, исходя из данного перечня, при помощи модуля настройки эксперимента составляется структура и сценарии экспериментов (фиг. 1).

Группа экспериментов – это набор экспериментов, проводящихся с целью сравнения эргономического качества различных вариантов индикации.

Подгруппа экспериментов – это набор экспериментов, проводящихся с целью получения эргономической оценки одного из вариантов индикации.

Эксперимент – это набор экспериментальных ситуаций, сгруппированных по какому-либо признаку (пилот, условия полёта, добавление дополнительных слоёв или элементов в исследуемом варианте индикации относящемуся к подгруппе).

Экспериментальная ситуация (ЭС) – наименьшая структурная единица, начинается и заканчивается по команде оператора или на основе условий, прописанных в скрипте. С ЭС связан скрипт описывающий ряд параметров таких как условие начала и конца ЭС, события, возникающие во время проведения ЭС и т.д.

Далее при помощи модуля настройки эксперимента 1 (фиг. 2) задаются:

- структура экспериментов: группы, подгруппы, эксперименты, экспериментальные ситуации;

- зона интереса для группы экспериментов, для которой при проведении эксперимента будет осуществляться видеозахват рабочего поля и захват параметров ГДА;

- параметры самолётных систем, которые будут записываться;

- начальные условия для группы экспериментов;

- критерии экспертной оценки для группы экспериментов;

- количество и имена пилотов, участвующих в экспериментах;

- условия начала и завершения ЭС;

- условия возникновения и тип имитируемых событий во время проведение ЭС.

На следующем шаге выполняется настройка и калибровка стендового оборудования 18: айтрекера 20 и видеокамер 21, информация с которых поступает соответственно на модуль записи ГДА 3 и модуль записи видеоизображения 6, входящих в состав модуля настройки эксперимента 1.

Далее при помощи модуля проведения эксперимента 2 осуществляется запуск выбранного эксперимента. При этом осуществляется последовательный запуск всех ЭС с возможностью визуального контроля посредством устройств отображения информации (дисплеев 17).

Модуль записи ГДА 3 осуществляет запись первичных показателей ГДА пилотов, таких как: временные ряды координат саккад на плоскости и длительность фиксаций взора для дальнейшего анализа.

Модуль фиксации времени выполнения задания 4 осуществляет запись начала, конца и общего времени выполнения экспериментальной ситуации.

Модуль записи видеоизображения 6 осуществляет запись видеоизображения при помощи видеокамер 21 в количестве, достаточном для покрытия всей области ИУП кабины пилотов. Запись видеоизображения служит дополнительным источником информации для оценки правильности выполнения эксперимента.

Модуль записи параметров самолётных систем 7 осуществляет запись параметров самолётных систем 22, указанных при настройке эксперимента.

После завершения группы экспериментов запускается модуль сбора экспертной оценки 5, через графический интерфейс которого осуществляется сбор данных для последующей оценки вариантов индикации с использованием вероятностного подхода метода парных сравнений. Устройством отображения графического интерфейса является дисплей 19, на который выводятся варианты индикации.

Полученные при настройке и проведении эксперимента данные от модуля настройки эксперимента 1 и модуля проведения эксперимента 2 передаются в модуль хранения данных 8, который осуществляет хранение и передачу сохраненных данных в модуль анализа результатов эксперимента 9.

Для анализа результатов эксперимента в модуле анализа результатов эксперимента 9 запускаются соответствующие модули.

Модуль оптимизации по зонам индикации 10 позволяет выявить вероятности перехода между данными зонами представленными звеньями марковской цепи и, представляя полученные вероятности как расстояния, вычислить оптимальные координаты центров данных зон.

В цепях Маркова указанным зонам соответствуют определенные состояния, образующие полную систему (т.е. данные состояния охватывают все допустимые области, куда может быть направлен взор). Пребывание в состоянии определяется нахождением взора в соответствующей ему зоне внимания.

Такт дискретного времени – в зависимости от объема накопленных эмпирических данных – либо задается определенным интервалом времени, либо соответствует интервалу времени, определяющему переход от одной фиксации взора к другой. Вероятности переходов между состояниями являются параметрами модели.

Перемещения взора характеризуются последовательностями пройденных зон внимания, которые в терминах данной модели интерпретируются как последовательности состояний.

Динамика распределения вероятностей пребывания в состояниях модели как функции дискретного времени определяется следующим матричным уравнением:

где t - дискретное время; T - конечный момент времени; N - множество натуральных чисел; вектор - представляет вероятности пребывания в состояниях модели в момент времени t; n – число состояний марковского процесса, равное числу исследуемых зон внимания; - стохастическая матрица вероятностей переходов между состояниями цепи Маркова порядка n, в которой - вероятность перехода из состояния j в состояние i для рассматриваемого репрезентативного набора лётных упражнений. Эта матрица рассматривается как интегральная характеристика, представляющая частоты взаимных переходов между зонами внимания. Идентификация матриц M для рассматриваемого репрезентативного набора лётных упражнений выполняется, используя экспериментальные данные о частотах переходов из одной зоны внимания в другую.

В качестве характеристики, представляющей относительные времена пребывания в зонах внимания для рассматриваемого репрезентативного набора лётных упражнений, используется стационарное распределение вероятностей пребывания в указанных зонах, определяемое решением следующего уравнения:

Очевидно, что является собственным вектором матрицы M, соответствующим собственному значению 1. Как известно, стохастические матрицы всегда имеют собственное число, равное 1, причём это число является спектральным радиусом этих матриц. В общем случае, матрицы M являются несимметричными, а их собственные значения – комплексными числами.

Модуль экспресс оценки ГДА 11 на основе первичных показателей ГДА вычисляет вторичные показатели такие как: общая продолжительность фиксаций взора, частоты горизонтальных и вертикальных саккад, энтропия распределения пребывания взора в области индикатора. На основе данных показателей строится оценка вариантов кабинной индикации, используя корреляцию между данными показателями и когнитивной нагрузкой, установленную экспериментальными психологами.

Модуль метода парных сравнений 13 систематизирует записанные на этапе проведения эксперимента экспертные данные и преобразовывает их в количественные оценки показателей качества индикации. Также данный модуль позволяет производить контроль за корректностью вводимых пилотами данных, и в случае обнаружения выбросов и кольцевых зависимостей выдавать соответствующие сообщения.

В данном подходе варианты индикации оцениваются бинарными оценками, позволяя по полученным значениям с помощью модели Терстоуна разместить варианты индикации на шкале интервалов, что позволяет определить на сколько один объект оценки лучше другого. Так же сами варианты индикации являются сложным комплексом индикаторных изображений и оцениваются они несколько раз по разным критериям.

Используемая модель Терстоуна (под редакцией Торгерсона) была модифицирована таким образом, чтобы можно было оценить согласованность оценок экспертов, а также оценить неопределенность ответов каждого эксперта персонифицировано.

Предложенный метод позволяет по результатам проведения эксперимента ранжировать варианты индикаций таким образом, чтобы шкальные значения оси критерия, на которых находятся варианты индикаций, были подобраны максимально правдоподобно

где n – это общее количество вариантов. Пилот выбирает из двух представленных вариантов тот, который ему кажется предпочтительным относительно критерия выбора.

Модуль оценки времени выполнения задания 12 выдаёт сравнительные значения между всеми экспериментальными ситуациями, объединёнными в подгруппы, позволяя ранжировать варианты кабинной индикации (связанные с подгруппой) по наименьшему времени выполнения задания. Вариант кабинной индикации с наименьшим временем выполнения заданий считается наиболее оптимальным.

Для постобработки данных запускается модуль отображения результатов эксперимента 15. Данный модуль позволяет вывести на дисплеи 17 всю записанную и проанализированную при проведении эксперимента информацию в удобном для считывания и сравнения виде.

Модуль отображения тепловых карт 16 позволяет отображать на устройствах отображения записанные модулем записи ГДА 3 данные ГДА в виде графических изображений проецируемых на стимульный материал.

Для выбора перечня экспериментов для анализа и отображения используется модуль навигации по записанным экспериментам 14.

Применение предлагаемого в качестве изобретения комплекса позволяет проводить эффективную эргономическую оценку ИУП кабины пилотов без жёсткой необходимости привлечения специалистов в области эргономической оценки за счёт высокой степени автоматизации процесса эргономической оценки.

Данный комплекс был апробирован при выполнении ряда научно-исследовательских работ по поиску оптимальных вариантов ИУП и получил высокую оценку летных экспертов.

Комплекс проведения эргономических оценок информационно-управляющего поля, который включает:

- модуль настройки эксперимента, выполненный с возможностью задания структуры экспериментов; зоны интереса для группы экспериментов, для которой при проведении эксперимента будет осуществляться видеозахват рабочего поля и захват параметров глазодвигательной активности (ГДА); параметров самолётных систем, которые будут записываться; начальных условий для группы экспериментов; критериев экспертной оценки для группы экспериментов; количества и имен пилотов, участвующих в экспериментах; условий начала и завершения экспериментальной ситуации (ЭС); условий возникновения и типа имитируемых событий во время проведение ЭС;

- модуль проведения эксперимента, позволяющий осуществлять последовательный запуск всех экспериментальных ситуаций выбранного эксперимента и содержащий: модуль записи ГДА, осуществляющий запись временных рядов координат саккад на плоскости и длительность фиксации взора; модуль фиксации времени выполнения задания; модуль записи видеоизображения; модуль записи параметров самолетных систем и модуль сбора экспертной оценки, осуществляющий сбор данных парной оценки предъявляемых пилоту вариантов индикации;

- модуль хранения данных, в котором сохраняются данные, полученные при настройке и проведении эксперимента;

- модуль анализа результатов эксперимента, включающий модуль оптимизации по зонам индикации, осуществляющий выявление вероятности перехода между заданными зонами индикации, представленными звеньями марковской цепи, и вычисление оптимальных координат центров заданных зон; модуль экспресс-оценки ГДА, выполненный с возможностью осуществления вычисления общей продолжительности фиксации взора, частоты горизонтальных и вертикальных саккад, энтропии распределения взора в области индикатора, на основе которых строится оценка вариантов кабинной индикации; модуль парных сравнений, осуществляющий систематизацию полученных при проведении эксперимента данных экспертной оценки, преобразование полученных данных в количественные оценки показателей качества индикации, контроль за корректностью вводимых данных; модуль оценки времени выполнения эксперимента, осуществляющий выдачу сравнительных значений между всеми экспериментальными ситуациями, объединенными в подгруппы, с возможностью ранжирования вариантов кабинной индикации по наименьшему времени выполнения задания;

- модуль отображения результатов эксперимента, включающий модуль отображения тепловых карт, осуществляющий отображение данных ГДА, поступающих от модуля записи ГДА в виде графических изображений, проецируемых на стимульный материал.