Биотехническая система для одновременного группового исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки зрительной информации операторов

Успехи в развитии вычислительной техники, систем отображения информации коллективного пользования, появление интегрированных систем и сетей стали причиной бурного развития в последнее десятилетие сложных информационно-управляющих систем, основанных на совместной деятельности группы операторов. В таких системах каждый оператор группы, взаимодействуя с другими членами коллектива, решает поставленные перед ним конкретные задачи, и деятельность всего коллектива направлена на достижение определенной целевой функции. В этой связи эффективность работы информационно-управляющей системы будет определяться не только профессиональными качествами каждого оператора, но и их умением работать совместно в группе, и проблема комплектования групп становится одной из актуальных проблем разработки биотехнических систем групповой деятельности (БТС-ГД).

Оптимизация состава группы операторов в целях обеспечения высокой эффективности функционирования БТС-ГД предполагает исследование индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов, изучение возможности оптимально взаимодействовать между собой, определение обобщенных показателей деятельности всего коллектива. Под оптимальным взаимодействием операторов обычно понимают такую их деятельность, при которой характеристики восприятия, обработки и принятия решений операторов будут сопоставимы. Это позволит избежать появления слабых звеньев в системе и обеспечить равномерность передачи потоков информации в контурах управления, что, несомненно, отразится и на надежности работы всей системы.

К сожалению, проблема совместной деятельности операторов с сложных информационно-управляющих системах изучалась недостаточно, что обусловлено целым рядом причин. Основной причиной является необходимость исследования психофизиологических, психофизических и психологических характеристик одновременно у группы операторов, что представляет собой достаточно сложную медико-биологическую задачу. Среди причин следует выделить также отсутствие технологии исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов в групповом эксперименте и технических средств для его реализации, технологии исследования взаимодействия операторов в процессе совместной деятельности. В тоже время проблема оптимального комплектования БТС-ГД остается актуальной, от ее решения во многом зависит дальнейшее развитие подобных эргатических систем. Это явилось причиной проведения исследований в рамках данной диссертационной работы.

Цель работы является разработка методик и технических средств оценки индивидуальных и обобщенных характеристик восприятия и обработки информации группы операторов для выявления целесообразности их включения в совместную работу в единой системе управления.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

— разработка математических моделей группового эксперимента по исследованию восприятия и обработки информации операторов сложных информационных систем;

— разработка принципов построения биотехнических систем для одновременного исследования индивидуальных характеристик операторов;

— разработка информационно-структурных моделей процессов восприятия и обработки зрительной информации;

— выбор алфавита тестовых изображений и разработка методов исследования индивидуальных характеристик операторов в групповом эксперименте;

— исследование структуры погрешностей оценки характеристик восприятия и обработки зрительной информации;

— разработка структурной схемы биотехнической измерительно-вычислительной системы для исследования характеристик операторов;

— экспериментальные исследования разработанных методов и биотехнической системы.

Объектом исследования являются биотехническая измерительно-вычислительная система и методики исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов в групповом эксперименте.

Предметом исследования является информационно-методическое и инструментальное обеспечение БТИВС.

Методы исследования. Теоретические и практические разделы диссертации разработаны с применением теории синтеза биотехнических систем, теории функционального анализа, метрологии, методов электронного синтеза изображений, математического анализа и статистики, обработки медико-биологической информации.

Экспериментальные исследования проводились в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» и базировались на применении разработанной системы для оценки индивидуальных психофизических и психологических характеристик операторов в групповом эксперименте.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель группового эксперимента, информационно-структурные модели процессов исследования и обобщенная структура БТС ГД, позволяющие исследовать структуру взаимодействия операторов, этапы информационных преобразований, реализуемых при проведении исследований, и разработать конкретные структуры биотехнической системы.

2. Методы одновременной оценки индивидуальных характеристик восприятия и обработки зрительной информации группы операторов, основанные на использовании тестовых воздействий с заданными цветовыми и пространственными параметрами, тестовых заданий обнаружение, различение и идентификация и тестовых реакций фиксация и позиционирование.

3. Структуры тестовых изображений, позволяющие оценить одновременно у группы операторов характеристики восприятия и обработки зрительной информации путем предъявления тестовых изображений и регистрации индивидуальных реакций в условиях группового эксперимента.

Научная новизна работы заключается в разработке компонентов информационного и методического обеспечений биотехнической системы, позволяющей исследовать одновременно у группы операторов индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации. При решении задач диссертации получены следующие научные результаты:

— математическая модель группового эксперимента, раскрывающая структуру тестовых реакций операторов на тестовое воздействие и позволяющую оценить индивидуальные и обобщенные показатели совместной деятельности операторов;

— принципы построения биотехнических систем для одновременной оценки индивидуальных характеристик операторов и обобщенных характеристик группы;

— информационно-структурные модели процессов исследования восприятия и обработки зрительной информации, раскрывающие этапы преобразования информации, реализуемые при проведении исследований;

— алфавит тестовых изображений для оценки характеристик зрения, внимания, мышления и памяти операторов и методы исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки зрительной информации группы операторов;

— структуры погрешностей оценки характеристик восприятия и обработки зрительной информации и биотехнической измерительно-вычислительной системы для исследования характеристик операторов.

Достоверность научных результатов обеспечивается корректным использованием методов математического анализа и статистики, функционального анализа при решении задач диссертации, результатами экспериментальных исследований, полученных с помощью разработанной БТС-ГД, согласующихся с известными результатами.

Практические значение имеют следующие результаты диссертации:

— аналитические соотношения для синтеза зрительных тестов и оценки характеристик зрения операторов по параметрам изображения;

— аналитические соотношения для синтеза психодиагностических тестов и оценки характеристик внимания, мышления и памяти по параметрам тестов;

— алгоритмы, программные средства и биотехническая система для исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов;

— результаты экспериментальных исследований.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII международной конференции «Современные технологии обучения» (Санкт-Петербург, 2001 г.), международной конференции «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании», (Тверь, 2002), втором международном конгрессе «Новые медицинские технологии» (Санкт-Петербург, 2001 г.), Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы (Биомедсистемы — 2000)» (Рязань, 2000 г.) и ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТЭТУ (Санкт-Петербург, 1999;2001 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы по 4 докладам на международных и российских научно-технических конференциях и симпозиумах.

В первой главе диссертации проведен обзор методов и средств исследования групповой деятельности операторов информационных систем и сформулированы принципы изучения групповой деятельности. Приведен анализ современного состояния разработок комплексов для групповых исследований и выявлены технические проблемы, требующие решений. На основе проведенного обзора сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрена структура взаимодействия операторов в процессе совместной деятельности. Предложена математическая модель группового эксперимента с использованием тестовых воздействий, позволяющая оценить результат как индивидуальной деятельности операторов с учетом их собственных ресурсов и влиянием деятельности остальных членов группы, так и интегральный показатель совместной деятельности всей группы с учетом веса вклада каждого члена коллектива. Для обеспечения объективности и достоверности проведения таких исследований сформулирована система требований, выполнение которых необходимо на этапах синтеза тестовых воздействий и управления его параметрами" одновременного тестирования группы операторов и регистрации их ответных реакций при выполнении тестовых заданий, обработки результатов исследований. Эти требования названы принципами построения БТИВС-ГД. Рассмотрены основные этапы предложены информационно-структурные модели, описывающие преобразования информации в БТС при оценке характеристик зрительного восприятия и обработки зрительной информации. На основе этих моделей разработана обобщенная структурная схема БТС ГД.

Третья глава диссертации посвящена уточнению состава характеристик зрительного восприятия и обработки информации, значимых для деятельности операторов сложных информационно-управляющих систем. Для их оценки в качестве тестовых воздействий предложено использовать тестовые изображения. Проведена систематизация тестовых изображений в зависимости от задач, которые решаются с их использованием. Предложены соотношения для оценки интегральных показателей внимания, мышления и памяти с учетом заданной структуры тестов, правильности и скорости выполнения тестовых заданий операторами. Предложены обобщенные методы и алгоритмы оценки характеристик зрения и обработки информации операторов в групповом эксперименте. Показано, что для оценки характеристик зрения операторов этап многократного предъявления тестовых воздействий должен следовать после функционального изменения параметров тестовых воздействий. Затем при оценке интегральных показателей внимания, мышления и памяти операторов в групповом эксперименте для определения частоты правильных ответов этап многократного предъявления должен следовать до изменения параметров тестового воздействия. Анализ структуры погрешностей позволил выделить наиболее значимые источники.

В четвертой главе диссертации в соответствии с разработанными моделями группового эксперимента предложены структуры автоматизированной системы и разработаны ее элементы, программного комплекса и методики оценки характеристик зрения и психодиагностических показателей. Обсуждены результаты экспериментальных исследований, полученных с помощью разработанного комплекса.

Основные результаты работы.

1. Разработана математическая модель группового эксперимента, позволяющая оценить результат деятельности каждого оператора с учетом его собственных ресурсов и взаимодействия операторов, а также эффективность деятельности всей группы с учетом взвешенного суммирования показателей эффективности деятельности операторов.

2. Одновременная оценка индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов в групповом эксперименте может быть осуществлена с применением тестовых воздействий и путем изучения тестовых реакций операторов, обусловленных выполнением ими тестовых заданий. Определены виды тестовых заданий и способы регистрации тестовых реакций, пригодные для исследования характеристик операторов в групповом эксперименте.

3. Сформулированы принципы построения БТС-ГД, выполнение которых необходимо для обеспечения объективности и достоверности результатов исследований характеристик восприятия и обработки. Они определяют требования к синтезу тестовых воздействий, функциональному изменению их параметров в процессе тестирования, регистрации ответной реакции операторов в групповом эксперименте.

4. Разработаны информационно-структурные модели процессов исследования, описывающие структуру информационных преобразований и этапы их реализации, при проведении одновременных исследований характеристик зрительного восприятия и обработки информации.

5. Предложена обобщенная структура БТС-ГД, обеспечивающая одновременную оценку индивидуальных характеристик восприятия и обработки операторов в групповом эксперименте.

6. Уточнен алфавит характеристик восприятия и обработки информации операторов, значимых для деятельности операторов сложных информационно-управляющих систем. Это порог цветового зрения, частотно-контрастная чувствительность, острота зрения, интегральные показатели внимания, мышления и памяти, учитывающие скорость и частоту правильных ответов при выполнении тестовых заданий.

7. Разработаны тестовые изображения и получено математическое описание их структуры, позволяющие оценить индивидуальные характеристики зрения и обработки информации операторов по параметрам тестовых изображений.

8. Разработаны обобщенные методы и алгоритмы одновременного исследования индивидуальных характеристик операторов, определяющие последовательность этапов синтеза тестовых воздействий, тестирования, регистрации тестовой реакции, функционального изменения параметров воздействия и обработки результатов исследования при проведении офтальмои психодиагностических исследований.

9. Исследована структура источников погрешности оценки индивидуальных характеристик операторов в групповом эксперименте и выделены источники с наиболее значимым влиянием, которым следует уделять внимание при разработке БТИВС-ГД.

10. Разработана автоматизированная система для одновременной оценки индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов в групповом эксперименте, ее программно-алгоритмическое обеспечение, методики исследования индивидуальных характеристик операторов, использование которых в экспериментальных исследованиях операторов подтвердили достоверность научных результатов диссертации.

Заключение

.

Решение задач, сформулированных в диссертационной работе, направлено на разработку биотехнической измерительно-вычислительной системы для исследования индивидуальных характеристик восприятия и обработки информации операторов в групповом эксперименте. Ниже приведены основные результаты работы.