Die Voranzeigen als anthropotechnisches Hilfsmittel bei der Führung von Fahrzeugen

80 Pages·1968·6.365 MB·German

by  Rainer Bernotat

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1893
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 656.7.052.4
Privatdozent Dr.-Ing. Rainer ßernotat
Dipl.-Ing. Dieter Dry
Dipl.-Math. Hannelore Widlok
Institut für Flugführung und Luftverkehr der Technischen Universität Berlin
Direktor: Professor Dr.-Ing. Edgar Rößger
Die Voranzeigen als anthropotechnisches Hilfsmittel
bei der Führung von Fahrzeugen
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1968
ISBN 978-3-663-20092-5 ISBN 978-3-663-20452-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-20452-7
Verlags-Nr.011893
© 196 8 b Y Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 196B
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag
Vorwort
In den frühen fünfziger Jahren wurde in den USA ein Verfahren publiziert, bei dem
mit Hilfe eines »Modells« eine Vorhersage des Verlaufes einer Regelgröße gewonnen
wurde. Diese Vorhersage erleichtert dem Menschen seine Aufgaben als Regler in einem
System und erbringt eine höhere Gesamtleistungsfähigkeit.
In der Abteilung Anthropotechnik des Instituts für Flugführung und Luftverkehr
wurden Vorversuche zu einem neuartigen Vorhersageverfahren nach dem »Extra
polationsprinzip« durchgeführt, deren Ergebnisse zur Erteilung eines Forschungs
auftrages durch das Landesamt für Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen führte.
Der vorliegende Bericht stellt das Ergebnis der einjährigen Studie dar. Fräulein
Dipl.-Math. H. WIDLOK wirkte vor allem im ersten Teil der Untersuchungen mit.
Ihre Aufgaben wurden später von Herrn Dipl.-Ing. D. DEY wahrgenommen.
Dem Lande Nordrhein-Westfalen als Auftraggeber und der Deutschen Gesellschaft
für Ortung und Navigation als vermittelndem Gremium sei an dieser Stelle noch ein
mal besonderer Dank ausgesprochen. Weiterhin möchten wir den Herren Wissen
schaftlichen Räten Dr. rer. nato habil. RÄNIKE und Dr.-Ing. habil. ZEHLE für ihre
Mitwirkung danken sowie den zahlreichen Versuchspersonen, die sich oft außerhalb
der normalen Arbeitszeit zur Verfügung stellten.
Der Bericht enthält weiterhin einen Ausschnitt einer Arbeit von Herrn Dr. W. HOLLISTER
vom Massachusetts Institute of Technology, der im Rahmen eines Austauschprogramms
von Juli bis Oktober 1966 am Institut für Flugführung und Luftverkehr tätig war und
an einem diese Forschungsarbeit berührenden Thema arbeitete.
Die Verfasser
Im Januar 1967
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Zusammenfassung
In der Flugführung wird die größte Wirksamkeit durch eine möglichst enge Zusam
menarbeit zwischen dem Menschen und der Maschine erreicht. Ihre Eigenschaften
sollen sich ergänzen. Das Leistungsvermögen des Menschen (seine Vielseitigkeit,
Anpassungsfähigkeit, Kombinationsfähigkeit und Entscheidungsfähigkeit) wird von
einem automatischen Regler bisher nicht erreicht und gewährleistet eine hohe Flexi
bilität des Gesamtsystems.
Befindet sich der Mensch als Übertragungsglied im Regelkreis, so versucht er stets
durch Bildung eines Vorhaltes sein verzögerndes Übertragungsverhalten zu kompen
sieren und die Regelgüte des Systems zu verbessern.
Zu dieser Vorhersage benutzt er seine aus der Vergangenheit gewonnenen Erfahrungen
über das Verhalten der Regelstrecke, über die möglichen äußeren Störeinflüsse und
über den Zeitverlauf des Leitwertes.
Die Vorhersage des Istwertes erfordert besonders bei schwierigen Regelstrecken eine
starke Konzentration des Menschen auf seine Aufgabe. Durch eine errechnete V or
anzeige kann ihm durch Entlastung von der Vorhaltbildung die Regelung stark er
leichtert (unter Umständen sogar erst ermöglicht) und die Regelgüte entschieden
verbessert werden.
Die verschiedenen Voranzeigeverfahren werden betrachtet und das Extrapolations
verfahren eingehend beschrieben.
Die Brauchbarkeit einer Voranzeige nach dem Extrapolationsverfahren zur Stabili
sierung von Regelstrecken höherer Ordnung wird experimentell untersucht. Versuchs
aufbau, Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung werden eingehend beschrie
ben und dabei die Problematik bei der Messung an Mensch-Maschine-Systemen
aufgezeigt.
Die Versuche ergaben, daß die Stabilisierung schwieriger Regelstrecken bei Zuhilfe
nahme einer Voranzeige von den Versuchspersonen bedeutend schneller erlernt wird.
Im ausgelernten Zustand konnten die Versuchspersonen durch die Voranzeige eine
starke Erhöhung der Regelgüte (größere Dämpfung, höhere Einstellgeschwindigkeit)
gegenüber der Regelung ohne Voranzeige erreichen.
Theoretisch erlangt die Voranzeige ihre größte Bedeutung bei Systemen höherer
Ordnung, die durch den Menschen stabilisiert und gleichzeitig gelenkt werden müssen.
Hier sollen zukünftige Experimente Klarheit verschaffen.
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Inhalt
1. Einführung .................................................... . . . . . . 7
1.1 Das Mensch-Maschine-System .................................... 7
1.2 Der Mensch als Regler ........................................... 8
1.3 Die Bedeutung der Voranzeige .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Die Problemformulierung ........................................ 11
2. Die Voranzeige ...................................................... 11
2.1 Wählbare Parameter der Voranzeige ............................... 11
2.2 Voranzeigeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
2.2.1 Das Modellverfahren ............................................ 13
2.2.2 Das statistische Verfahren ........................................ 14
2.2.3 Die Tendenzanzeige (Quickened Display) ........................... 16
2.2.4 Das Extrapolationsverfahren ...................................... 17
2.3 Die Auslegung einer Voranzeige nach dem Extrapolationsverfahren .. .. 18
2.3.1 Ergebnisse der Voruntersuchungen ................................ 18
2.3.2 Offene Fragen zur Auslegung ..................................... 20
2.3.3 Ansatz zur Berechnung der optimalen Vorhersagezeit ................ 22
2.3.4 Das Versuchsprogramm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
3. Experimente zur Voranzeige ........................................... 27
3.1 Der Versuchs aufbau ............................................. 27
3.1.1 Simulation der Regelstrecke und der Voranzeige .................... 27
3.1.2 Das Anzeigegerät ............................................... 27
3.1.3 Das Bedienelement .............................................. 28
3.1.4 Die Stärung .................................................... 28
3.1.5 Die Bewertung der Regelung ..................................... 29
3.1.6 Der Schreiber .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... 30
3.2 Die Versuchs durchführung ....................................... 30
3.2.1 Die Messungen ................................................. 30
3.2.2 Problematik der Messungen ...................................... 31
3.3 Die Versuchsauswertung ......................................... 33
3.3.1 Die Nulldurchgänge und Richtungsänderungen des Knüppelsignals .... 33
3.3.2 Der Regelfehler als Funktion der Vorhersagezeit .................... 33
3.3.3 Die Knüppelauslenkung als Funktion der Vorhersagezeit ............. 36
3.3.4 Der Regelfehler als Funktion der Knüppelauslenkung ................ 36
3.3.5 Prüfung des Ansatzes zur Berechnung der optimalen Vorhersagezeit ... , 37
5
4. Ergebnisse der Experimente ........................................... 38
4.1 Die Voranzeige und das Lernverhalten ............................. 38
4.2 Die Voranzeige bei der Stabilisierung instabiler Regelstrecken .. , . . . . .. 38
4.3 Die Voranzeige bei der Lenkung von Regelstrecken höherer Ordnung 39
5. Schlußbemerkung .................................................... 40
Verzeichnis der Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
Verzeichnis der Abbildungen .......................................... '" 41
Verzeichnis der Tabellen ................................................. 42
Literaturverzeichnis ..................................................... 43
Anhang ................................................................ 45
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1. Einführung
1.1 Das Mensch-Maschine-System
Jedes System, welches in der sinnvollen Zusammenwirkung von Mensch und Maschine
zur Erreichung eines bestimmten Zieles besteht, bezeichnet man als Mensch-Maschine
System. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Führung von Fahrzeugen durch den
Menschen (Abb. 1).
Istwert
Abb. 1 Mensch-Maschine-System
Das Anzeigegerät (A), der Mensch, das Bedienelement (B) und das Fahrzeug bilden
hier einen Regelkreis. Es wird angenommen, daß der Mensch nur in diesem einen Kreis
arbeitet. Diese Annahme ist besonders im Hinblick auf die vielfältigen Fähigkeiten des
Menschen eine notwendige Voraussetzung für die Untersuchung einer Anzeige.
Das Anzeigegerät informiert den Menschen über den Istwert der Regelgröße (Ausgangs
größe) und meistens auch über ihren Leitwert (Sollwert, Führungsgröße, Eingangs
größe).
Das Bedienelement gibt dem Menschen die Möglichkeit, den Istwert über die Über
tragungsfunktion des Fahrzeuges so zu beeinflussen, daß die Differenz zwischen
Leitwert und Istwert (die Regelabweichung) möglichst minimal ist. Die Regelabwei
chungen können infolge äußerer Störungen, durch die Instabilität der Regelstrecke
oder durch beide Ursachen auftreten.
In dem vorliegenden Regelkreis wurde die Funktion des Menschen so weit einge
schränkt und vereinfacht, daß er in den meisten Fällen durch einen automatischen
Regler ersetzt werden könnte. Diese Vereinfachungen müssen aber gemacht werden,
um die Wirkung einer speziellen Einflußgröße auf den Menschen und das Gesamtsystem
untersuchen zu können. Aus ihnen darf nicht zwangsläufig die grundsätzliche Ersetz
barkeit des Menschen gefolgert werden. Insbesondere bei komplexen Fahrzeugen sind
solche menschlichen Eigenschaften, wie »Mehrkanalregelungsfähigkeit«, Anpassungs
fähigkeit, Kombinationsvermögen und Entscheidungsfähigkeit durch Einsicht in die
Zusammenhänge von Bedeutung. Durch sie ist es in vielen Fällen möglich, eine ein
geleitete Mission des Mensch-Maschine-Systems auch beim Auftreten unvorhergese
hener Situationen positiv zu Ende zu führen.
Mensch-Maschine-Systeme sollen so konstruiert sein, daß die Intelligenz des Menschen
mit den Fähigkeiten der Maschine (Leistung, Schnelligkeit) möglichst optimal verknüpft
werden [1, 2].
Maßzahlen für die Güte eines solchen Systems sind zum Beispiel der Regelfehler
(infolge Störungen), die Einstellgeschwindigkeit, die Einstellgenauigkeit und die
Lenkfähigkeit (das Führungsverhalten).
Für die Beurteilung müssen aber neben der Regelgüte die Anforderungen an den
Menschen beachtet werden. Hier sind besonders die Erlernbarkeit der Aufgabe, ihre
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Schwierigkeit für den Menschen und die damit verbundene physische und psychische
Beanspruchung zu nennen.
Der Mensch ist das am wenigsten bekannte Glied des betrachteten Regelkreises. Die
Bestimmung seines Übertragungsverhaltens mit den zu berücksichtigenden Einflüssen
ist gegenwärtig Forschungsziel in zahlreichen Ländern.
1.2 Der Mensch als Regler
Die Übertragungsmöglichkeiten des Menschen sind äußerst komplex. Das ist der
große Vorteil des Menschen gegenüber der Automatik, aber gleichzeitig die große
Schwierigkeit bei seiner theoretischen Erfassung. Für das Gesamtproblem ist kein
Lösungsweg in Sicht [3]. Um Teillösungen zu erhalten, beschränkt man sich auf ein
Eingangs- und ein Ausgangssignal.
Bei der Beschreibung des menschlichen Übertragungsverhaltens wird vorausgesetzt,
daß der Mensch wirklich nur eine regelnde Funktion übernimmt, in der seine Hand
lungen in einem ursächlichen Zusammenhang mit dem auf ihn wirkenden Reiz stehen
und Änderungen des Regelverhaltens durch Denkprozesse ausgenommen sind. Der
artige Einschränkungen sind für zahlreiche Aufgaben zulässig.
Umfassende Untersuchungen, vorwiegend in amerikanischen Forschungslaboratorien
(NASA, MIT), haben den Nachweis erbracht, daß das menschliche Übertragungs
verhalten dann durch folgende Charakteristika weitgehend bestimmt ist:
1. Endliche Reaktionszeit
2. Tiefpaßverhalten
3. Abhängigkeit von der Aufgabe
4. Abhängigkeit von der Regelstrecke
5. Abhängigkeit von der Umgebung
6. Abhängigkeit von der angebotenen und gespeicherten Information
7. Abhängigkeit von physiologischen und psychologischen Größen
8. Abhängigkeit von den wirkenden Störungen
9. Zeitabhängigkeit
10 . Vorhersagefähigkeit
11. Lernfähigkeit
12. Nichtlineares Verhalten
13. Zufällige Komponenten im Übertragungsverhalten
Unter gewissen Einschränkungen, zum Beispiel Einkanalregelung einfacher Regel
strecken nach optischer Anzeige bei niederfrequenten Störungen, kann der menschliche
Operator durch eine quasi-lineare Übertragungsfunktion der Form
und eine Zufallsfunktion beschrieben werden [4].
Hierin ist Ts die Reaktionszeit des Menschen und T N die neuromuskuläre Verzögerung.
Beide Größen sind verhältnismäßig konstant (0,2 und 0,1 sec) [5].
Kp ist der Verstärkungsfaktor des Menschen.
TL ist eine Vorhaltzeitkonstante und TI eine Verzögerungskonstante.
Der Verstärkungsfaktor und das Korrekturglied mit TL und TI stellen sich so ein, daß
die Regelaufgabe möglichst gut erfüllt wird [5]. Ihre direkte Abhängigkeit von der
Übertragungsfunktion der Regelstrecke ist meßbar [13].
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Der zufällige Anteil der menschlichen Ausgangsgröße hängt von verschiedenen
Einflüssen ab, zum Beispiel von der Konzentration und der Anspannung des Menschen,
von der Regelaufgabe und der Informationsgüte.
Besteht die Möglichkeit großer Störungen und muß der Mensch schnell reagieren, um
große Regelabweichungen zu verhindern, so ist er geneigt, auch ohne Eingangssignal
ständig ein Ausgangssignal zu erzeugen, weil er aus der Bewegung heraus schneller
reagieren kann. Ein ähnliches Verhalten zeigt er, wenn ein Leitwert genau einzuhalten
ist [6].
Bei kontinuierlicher Regelung (andauernder Störung) hat die Reaktionszeit keine
Bedeutung für das Übertragungsverhalten mehr [7]. Es liegt die Annahme nahe, daß
sie durch den gebildeten Vorhalt kompensiert wird [8, 9].
Bei der Durchführung von Regelaufgaben versucht der Mensch stets den zukünftigen
Wert (Vorwert) der Regelgröße (Istwert) vorherzusagen [31]. Diese Extrapolation der
Bewegung in die Zukunft ist für ihn wichtig, um rechtzeitig und planvoll reagieren zu
können. Für dieses Verhalten gibt es viele Beispiele (Autofahrer, Ballspieler). Aller
dings handelt es sich dabei meistens nicht um instabile Regelstrecken. Instabil soll eine
Regelstrecke genannt werden, wenn für
XE(t1) = 0 mit XE(t< t1) =1= 0 lim XA(t) =? 00
t --;. 00
gilt. Danach sind Strecken mit mehr als einer Integrationsstufe oder mit Polen in der
rechten Halbebene instabil.
Zur Vorhersage der Ausgangsgröße braucht der Mensch Angaben über
1. den Istwert,
2. die Änderung des Istwertes,
3. die Übertragungsfunktion der Strecke,
4. die zukünftigen Störungen.
Der konstante Leitwert oder sein zeitlicher Verlauf müssen ihm bekannt sein. Die Art
der auftretenden Störungen kennt er meistens durch seine Erfahrung mit dem System.
Die Übertragungsfunktion der Strecke lernt der Mensch durch Übung kennen. Ist die
Strecke instabil, so bereitet die zur Stabilisierung notwendige Vorhaltbildung dem
Menschen Schwierigkeiten. Enthält die Strecke zwei Integrationsstufen (Beschleu
nigungssystem), so ist die Schwierigkeit schon recht beachtlich. Die Stabilisierung
einer mehr als dreifach integrierenden Strecke durch den Menschen mittels einer ein
dimensionalen Anzeige ist bisher nicht bekannt geworden.
Den Istwert und die Änderung des Istwertes muß der Mensch aus der Anzeige ent
nehmen. Sie soll seine einzige Informationsquelle sein. Die Art der Informations
darstellung ist deshalb von besonderer Bedeutung.
1.3 Die Bedeutung der Voranzeige
Die Anzeige ist eine Decodierungseinrichtung zur Darstellung von Information in vom
Menschen erfaßbaren Symbolen. Sie ist ein Bindeglied zwischen dem Menschen und
der Maschine.
Informiert eine Anzeige über den augenblicklichen Zustand einer Regelgröße, so heißt
der angezeigte Wert Istwert (Xi) und die Anzeige Istwert-Anzeige. Informiert sie über
einen zukünftigen Zustand, so spricht man von Vorwert (xv) und Voranzeige.
Bei der Auslegung einer Anzeige müssen der Inhalt, der Übermittlungsweg, die Form,
der Ort und die Zeit der Anzeige beachtet und geeignet festgelegt werden [31].
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