Содержание к диссертации
ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ОБЗОР МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ... 17
Свойства центральной нервной системы и методы их исследования 18
1. Взаимодействие и соотношение процессов возбуждения и торможения в нервной системе 20
2. Время реакции на движущийся объект как оценка соотношения процессов возбуждения и торможения 23
3. Время реакции на движущийся объект как критерий утомления, адаптации и профпригодности 24
Способы контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС методом определения РДО 27
Технические средства контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС 29
Постановка задачи исследований 33
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ СООТНОШЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ В НС 35
Модели контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО 35
Способ контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека 38
Способ обработки результатов измерений РДО 39
Статистический анализ результатов измерений РДО по известному способу с остановом
Статистический анализ результатов измерений РДО по предложенному способу без останова 49
Выводы 58
ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СООТНОШЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ В НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ ЧЕЛОВЕКА 60
Прибор «Измеритель реакции на движущийся объект» ИРДО 60
Автоматизированный микропроцессорный прибор для контроля соотношения процессов возбуждения и торможения 67
Аппаратно-программный комплекс для контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС 71
Выводы 79
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ТОРМОЖЕНИЯ 80
Методика оценки соотношения процессов возбуждения и торможения в НС 80
Результаты экспериментальных исследований контроля соотношения процессов возбуждения и торможения методом РДО... 83
Результаты экспериментальных исследований по сравнению оценок, полученных предложенным и известными способами 85
Результаты экспериментальных исследований по сравнению оценок, полученных предложенным способом оценки без останова
в сравнении с известным способом с остановом 85
Результаты экспериментальных исследований по сравнению оценок, полученных предложенным способом обработки результатов измерений РДО в сравнении с известными способами
обработки Н.М. Пейсахова и О.И. Масловой 88
4.4 Рекомендации по применению 93
4.5. Выводы 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 98
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Листинг программы аппаратно-программного комплекса «Программа оценки времени реакции на движущийся объект» ПО
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Таблицы числовых характеристик индивидуальных результатов оценки РДО 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет погрешностей измерения времени РДО... 1
Введение к работе
Изучение профессиональной деятельности человека является важной и сложной проблемой инженерной психологии, эргономики, психологии и физиологии труда. Несмотря на постоянное совершенствование техники, автоматизацию процесса деятельности, функции человека усложняются, а экономическая и социальная значимость результатов его труда и последствий возрастает.
Высокая аварийность на транспорте и производстве, большой экономический и профессиональный ущерб, возрастающая цена ошибок оператора определяют постоянную необходимость поиска путей и средств обеспечения эффективного функционирования человека в подобных системах в нормальных и экстремальных условиях деятельности.
Решение данной задачи может заключаться в профессиональном отборе персонала, основанном на индивидуальных особенностях человека, что является на сегодня одним из основных направлений в психологии труда. Все большую актуальность приобретают проблемы профориентации персонала на основе дифференциации свойств нервной системы (НС) человека и исследования интегральных показателей профессиональной деятельности [1].
Одной из основных характеристик НС человека является уровень соотношения процессов возбуждения и торможения, который определяет зрительно-моторные характеристики, функциональные возможности и характеризует своеобразие поведения каждого отдельного человека [2, 3].
Известным и широко используемым методом контроля этого соотношения является исследование его реакции на движущийся объект (РДО), выступающей индикатором точности восприятия временных и пространственных характеристик движения, а так же способности к саморегуляции и предвидению хода событий [4]. Данная способность является одной из важнейших характеристик человека, в том числе человека-оператора, как звена в человеко-машинных системах и позволяет предупреждать появление нежелательных ему ситуаций и заблаговременно адекватно реагировать на возникновение тех или иных обстоятельств, обеспечивая тем самым выполнение стоящих перед ним задач в сложной технической среде [4].
Суть метода РДО заключается в определении точки встречи движущегося на экране символьного изображения объекта с неподвижной точкой (меткой), заранее указанной в словесной инструкции. Задача испытуемого, пытающегося точно остановить движущееся изображение объекта в указанной ему точке, состоит в нахождении некоторой величины упреждения с учетом скорости движения объекта, оставшегося расстояния и своих зрительно-моторных возможностей [4], осуществляя коррекцию пути движения объекта, т.е. выполняя корректирующие воздействия.
Исследованию РДО посвящены работы В.М. Захарова, Н.И. Карауловой, А.П. Лаптева, В.П. Лисенковой, О.И. Масловой, Н.М. Пейсахова, А.В. Петровского, И.В. Петухова, В.В. Роженцова, О.Е. Сурниной, Ю.А. Цагарелли и других ученых, используется широкий спектр методических и технических средств оценки РДО, что свидетельствует об интересе к этой проблеме.
Анализ методов и средств контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС, в том числе методом РДО, по отечественным и зарубежным литературным источникам, представлен в главе 1 диссертационной работы.
В то же время при выполнении теста РДО испытуемые, осуществляя коррекцию пути движения объекта на основе анализа результатов предыдущих измерений, вносят существенную зависимость полученных значений РДО от индивидуальной способности к коррекции, адаптации и научения. Очевидно, что известный способ позволяет, прежде всего, оценить способность к корректировке своих действий и не позволяет достоверно определить истинный уровень взаимоотношения процессов возбуждения и торможения в НС.
Кроме того, анализ литературных источников показал, что разные исследователи используют различные способы обработки результатов измерений РДО. При этом экспериментально установлено, что результаты контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека, полученные по разным способам обработки результатов измерений, в ряде случаев существенно отличаются друг от друга.
Поэтому разработка эффективных методов и средств контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека, особенно при отсутствии корректирующих воздействий на движущийся объект, является актуальной задачей.
Объектом исследования являются метод и средства контроля времени реакции человека на движущийся объект.
Предметом исследования являются способы, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека при исследовании его зрительно-моторных и других характеристик.
Целью работы является обеспечение достоверности контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека при исследовании его зрительно-моторных характеристик и других функциональных возможностей на основе измерения времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий.
Научная задача работы заключается в разработке эффективных способов, алгоритмического и программно-технического обеспечения контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека и их обработки при исследовании его зрительно-моторных характеристик и других функциональных возможностей.
Для достижения поставленной цели и решения научной задачи необходимо решить следующие вопросы: - выполнить анализ существующих методов контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека;
- предложить способ контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека на основе измерения времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий;
- предложить способ обработки результатов измерений РДО при оценке зрительно-моторных характеристик конкретного человека;
- разработать алгоритмическое и программно-техническое обеспечение контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО;
- провести экспериментальные исследования по контролю соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека.
Методы исследований. Для решения поставленной задачи в диссертационной работе использовались: аппарат теории автоматического управления, теории вероятностей и математической статистики, методы алгоритмизации и экспериментального исследования.
Обоснованность и достоверность полученных результатов определяются применением известных теоретических положений фундаментальных наук, корректностью используемых моделей и их адекватностью реальным физическим процессам, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, признанием разработанных способов (патенты №2326595 и №2322187 РФ) и устройства (патент №78057 РФ) изобретениями экспертами ФИПС.
Новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Впервые предложен способ контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека на основе измерения времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий.
2. Предложен способ обработки результатов измерений РДО при исследовании зрительно-моторных характеристик человека. 3. Разработаны алгоритмическое и программно-техническое обеспечение контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС на основе метода РДО при отсутствии корректирующих воздействий.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии метода РДО, в нахождении количественных значений времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий, позволяющих оценить зрительно-моторные способности человека, а также в разработке на его основе способов и алгоритмического обеспечения контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека и обработки результатов измерений РДО, являющихся основой для разработки новых эффективных технических средств.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-разработаны структурные схемы технических средств контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО;
- разработан и внедрен аппаратно-программный комплекс для контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО;
- проведены экспериментальные исследования по измерению времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий и контролю соотношения процессов возбуждения и торможения в НС, позволившие выработать рекомендации по применению разработанных способов.
Результаты проведенных исследований использованы: при выполнении НИР по гранту РФФИ №06-08-00988-а «Методы и технические средства исследования аспектов переработки зрительной информации человека», госбюджетной НИР «Методы и средства исследования функционального состояния зрительной системы и организма человека» и хоздоговорной НИР №НЧ401018 (2818) «Разработка методического и программно-алгоритмического обеспечения тестирования зрительно-моторных характеристик водителей автотранспорта» для управления ГИБДД МВД РТ. Результаты проведенных исследований внедрены и используются в ОАО «Биомашприбор» (г.Йошкар-Ола), в управлении ГИБДД МВД Республики Татарстан и учебном процессе Марийского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами.
Публикации и апробация результатов. Основное содержание диссертационной работы отражено в 14 печатных работах, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 статьи, 5 работ в материалах и трудах конференций.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и научно-практических конференциях «Современная техника и технологии в медицине, биологии и экологии», г. Новочеркасск, 2003 г.; «Современные проблемы информатизации», г. Воронеж, 2007 г.; Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики, г. Тольятти, 2008 г.; 8-м интернациональном конгрессе "Health & education millennium", г. Москва, 2007 г.; Всероссийской конференции с международным участием «Вавиловские чтения», г. Йошкар-Ола, 2007 г.; Всероссийских научно практических конференциях «Методы и устройства в психофизиологических исследованиях человека», г. Йошкар-Ола, 2004 г.; «Наука и профессиональная деятельность», г. Нижнекамск, 2008г. региональных научно-практических конференциях «Методы и устройства психофизиологических исследований человека», г. Йошкар-Ола, 2003 г.; «Физическая культура, спорт, здоровье», г. Йошкар-Ола, 2007 г.
Пути дальнейшей реализации результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы также в области инженерной и экспериментальной психологии, эргономики, психологии, физиологии труда и спорта, психологии, при исследовании функционального состояния человека. На защиту выносятся:
- способ контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека на основе измерения времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий;
- способ обработки результатов измерений РДО при исследовании зрительно-моторных характеристик и возможностей человека;
- алгоритмы работы и структура технических средств контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО.
Личный вклад автора состоит в следующем:
- выполнен анализ существующих методов контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека;
- предложены способы контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека при отсутствии корректирующих воздействий и обработки результатов измерения времени РДО, которые позволяют исследовать зрительно-моторные и другие характеристики человека;
- проведен статистический анализ результатов измерений времени РДО по известному и предложенному способам контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека;
- разработаны алгоритмы работы и структурные схемы технических средств контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека при исследовании зрительно-моторных и других возможностей человека;
- проведены экспериментальные исследования по измерению времени РДО при отсутствии корректирующих воздействий и контролю соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека, позволившие дать рекомендации по применению разработанных способов, сделаны выводы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 27 рисунков и 13 таблиц, состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, список литературы из 108 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются объект, предмет, цель и задача исследования, отмечены методы исследования, достоверность и новизна полученных результатов, их теоретическая значимость и практическая ценность, приведены данные о публикациях, апробации и реализации результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Приведены данные о структуре и объеме диссертации, дается краткий обзор диссертации по главам.
В первой главе содержится анализ проблемы, связанной с контролем соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека, дан обзор существующих технических средств для его осуществления. На основе анализа существующих способов контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО и обработки результатов измерений сформулирована цель работы и задача научного исследования.
Установлено, что наиболее распространенным является метод РДО, основанный на предъявлении испытуемому символьного изображения движущегося объекта, движение которого испытуемый останавливает в момент предполагаемого его совпадения с заданной меткой (способ с остановом), различные модификации которого описаны Н.М. Пейсаховым и О.И. Масловой.
Показано, что действие испытуемого, пытающегося точно остановить движущийся объект в указанной точке, соответствует управлению в следящих системах, основанному на непрерывных коррекциях, которые осуществляются после каждого очередного акта и базируются на текущей информации. Во второй главе рассмотрены способы контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека методом РДО, способ обработки и статистический анализ результатов измерений РДО.
Предложено модифицировать способ контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека путем устранения текущей информации об ошибке совмещения точечного объекта и метки за счет того, что движение точечного объекта по окружности в момент фиксации его положения продолжается без остановки (способ без останова). Разработанный способ защищен патентом № 2322187 РФ на изобретение.
Предложен способ обработки результатов измерений времени РДО, в котором время реакции человека определяется как среднеарифметическое полученных значений. Разработанный способ защищен патентом № 2326595 РФ на изобретение.
На основе анализа известного и предложенного способов сформулировано положение: результаты измерения РДО с использованием предложенного способа должны отличаться меньшей статистической зависимостью в сравнении с результатами измерения РДО, полученными с помощью известного способа.
Проведен статистический анализ результатов измерений РДО. Построены гистограммы и статистические функции распределения, определены числовые характеристики и автокорреляционные функции. Анализ автокорреляционных функций свидетельствует о том, что результаты измеренных значений времени РДО, полученные с использованием предложенного способа, характеризуются меньшей статистической зависимостью в сравнении с результатами, полученными с использованием известного способа.
В третьей главе разработано алгоритмическое и программно-техническое обеспечение контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека на основе предложенного способа. Разработан прибор измерения времени РДО, обеспечивающий работу в двух режимах: «Режим 1» — с индикацией текущих результатов измерений времени РДО и «Режим 2» - с индикацией оценки времени РДО.
Для автоматизации тестирования по контролю соотношения процессов возбуждения и торможения в НС разработан микропроцессорный прибор (МПП). Прибор МПП позволяет автоматизировать процесс проведения измерений времени РДО и обработки результатов измерений, программно изменять методику измерений, в том числе скорость и направление движения объекта, и защищен патентом № 78057 РФ на полезную модель.
Для расширения функциональных возможностей при проведении исследований соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека (создания общей базы данных и статистической обработки результатов измерений), разработан аппаратно-программный комплекс (АПК). В состав АПК входит ПЭВМ, монитор с малым временем отклика и пульт испытуемого. На программное обеспечение получено свидетельство № 2008615339 о государственной регистрации программы для ЭВМ.
В четвертой главе представлены методика контроля соотношения процессов возбуждения и торможения в НС человека, результаты экспериментальных исследований и сравнительный анализ оценок, полученных с использованием разработанных и известных способов.
Сравнительный анализ значений времени РДО, полученных с использованием предложенного и известного способов по предложенному способу обработки результатов показал, что совпадение оценок соотношения процессов возбуждения и торможения наблюдается только в 37% случаев.
Установлено, что индивидуальное значение времени РДО, полученное с использованием предложенного способа, по обследованной группе из 30 испытуемых находится в пределах от - 31,3 до 30,2 мс, а по известному способу - от - 9,3 до 18,6 мс. Сравнительный анализ оценок соотношения процессов возбуждения и торможения по группе из 30 испытуемых показал, что оценки по предложенному способу обработки результатов измерений во всех случаях совпадают с оценками, полученными на основе анализа диаграмм. Совпадение оценок по способам Н.М. Пейсахова И О.И. Масловой с оценками, полученными на основе анализа диаграмм, наблюдается только в 70% случаев.
В заключении формулируются выводы и приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.
В приложении приведен листинг программы для ЭВМ, используемой для проведения исследований в составе АПК и защищенной свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ, таблица числовых характеристик индивидуальных результатов оценки РДО, расчет инструментальной составляющей погрешности измерений.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту И.В. Петухову и доктору технических наук, доценту В.В. Роженцову за внимательное отношение и ценные консультации и рекомендации.
