ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЦИВІЛЬСЬКИЙ ФЕДІР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 681.32

МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ КЕРУВАННЯ СИСТЕМОЮ „ОПЕРАТОР-АСУ” З УРАХУВАННЯМ ПСИХОФІЗІОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАТОРА

05.13.06 - автоматизовані системи управління і прогресивні

інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон — 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Шеховцов Анатолій Вікторович, доцент кафедри інформаційних технологій Херсонського національного технічного університету.

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор Бідюк Петро Іванович, професор кафедри математичних методів системного аналізу Інституту прикладного і системного аналізу Національного технічного університету України (КПІ), м. Київ;

доктор технічних наук, професор Шарко Олександр Володимирович, професор кафедри загальної та прикладної фізики Херсонського національного технічного університету.

Провідна установа: | Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, кафедра АСУ. Міністерство освіти і науки України,
м. Харків.

Захист відбудеться “03” Липня 2006р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті, за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 1, ауд. 223.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Херсонського національного технічного університету, за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24, корп. 1.

Автореферат розісланий “02” червня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.О. Костін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток інформаційних технологій, підвищення ступеня автоматизації і відповідний перерозподіл функцій між людиною і технікою поки не привели, а десь і загострили проблему взаємодії людини-оператора із системою управління. Потреба досліджень й розробки в області організації взаємодії операторів, диспетчерів і т.д. з технічними засобами, що автоматизують роботу об'єктів управління являється актуальними останнім часом. При цьому техніка в більшому ступені повинна впливати на оператора, диспетчера з погляду підтримки його адекватного робочого стану.

Разом з тим необхідно відзначити, що на характер і рівень реалізації діяльності оператора значною мірою впливають зовнішні і внутрішні умови, в яких вона протікає. Важливе місце в дослідженні діяльності операторів займає вивчення впливу різних об'єктивних і суб'єктивних явищ, що складають ці зовнішні і внутрішні умови.

Проблему взаємодії людини-оператора з технічними системами і керування такою біотехнічною системою в різні роки досліджували вітчизняні і закордонні вчені: Б.Ф.Ломов, В.Ф.Венд, В.М. Глушков, В.В.Павлов, В.І.Скурихин, П.К. Анохін, В.Є. Ходаков, Є.Г. Петров, J.I. Elkind., D.C. Miller, T.B. Sheridan та ін. Слід відзначити, що важливою частиною досліджень, що проводяться в даному напрямку, стали закінчені розробки з підтримки прийняття рішень у рамках АСУ, однак, у роботах не достатньо враховувався вплив усіх факторів: зовнішнього середовища, стан устаткування, людський фактор із усією гамою впливів на нього з навколишнього середовища. Необхідність урахування усіх факторів, що впливають на автоматизовану систему й оператора, і моделювання наступної роботи АСУТП із метою підвищення ефективності й визначило актуальність даного дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідних робіт, що проводяться на кафедрі “Інформаційних технологій” Херсонського національного технічного університету, відповідно до планів Міністерства освіти і науки України.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі інформаційних технологій Херсонського національного технічного університету в рамках держбюджетної теми, реєстр. №0105U000950 та “Договору про науково-технічне співробітництво” від 1.02.2004, Херсонского филиала Государственного предприятия Украинского научно-исследовательского института морской медицины. Автор брав участь у даній роботі як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження діяльності оператора в взаємодії з АСУ й АСУТП, як ланки автоматизованої системи.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: провести аналіз існуючих класифікацій факторів, що впливають на АС; розробити модель взаємодії елементів АС з урахуванням характеру їхнього впливу. Дослідити вплив характеристик автоматизованої системи на оператора; розробити спосіб контролю ПФС в умовах динамічної роботи автоматизованої системи; розробити модель управління ПФС оператора в умовах роботи динамічної автоматизованої системи; розробити алгоритми управління АС, що підвищують ефективність її функціонування.

Об'єкт дослідження – процес взаємодії оператора АСУ з інформаційним потоком виробничого процесу.

Предмет дослідження – оператор і його психофізіологічна характеристика як структурний елемент АСУ, інформаційний потік, що циркулює усередині АСУ, системна методологія проектування адаптивних систем керування.

Методи дослідження – методологія і теоретична основа дослідження є роботи по інженерної психології та теорії функціональних систем. При дослідженні інформаційно-аналітичної діяльності оператора був використаний апарат теорії множин. При побудові математичної моделі системи “Оператор-АСУ” використаний математичний апарат теорії графів та теорії імовірностей. При побудові психофізіологічних характеристик оператора був використаний кластерний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше проведена в повному обсязі класифікація факторів і виконано формалізація процесів взаємодії “Оператор-АСУ”, що дозволило побудувати математичну модель “Оператор-АСУ”.

2. Вперше побудована психофункціональна характеристика оператора щодо адаптації інформаційних характеристик системи “Оператор-АСУ”.

3. Уточнено класифікацію факторів, які впливають на АСУ в залежності від взаємозв'язку суб'єктивних і об'єктивних факторів.

4. Одержала подальший розвиток теорія функціональних систем для системи “Оператор-АСУ”.

Практичне значення одержаних результатів. Елементи теоретичних результатів отриманих автором знайшли своє застосування при створення 1-ї черги автоматизованої системи розпізнавання патологій внутрішніх органів Херсонської філії Одеського науково-дослідного інституту морської медицини, при модернізації автоматизованих робочих місць операторів АСУ “Механічного заводу” м. Херсон, ВАТ “Феодосійський механічний завод” м. Феодосія, ВАТ “Херсонський суднобудівний завод” м. Херсон. Достовірність наукових результатів підтверджуються актами випробувань у виробничих умовах.

Розроблені програмне забезпечення і методика застосовуються в навчальному процесі, при виконанні курсових робіт, дипломних проектів студентів і кваліфікаційних робіт магістрів спеціальностей “Фізична і біомедична електроніка” (акт від 30.08.2005р.), “Комп'ютерні системи і мережі” (акт від 31.08.2005р.).

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертації, отримано здобувачем особисто. В працях, виконаних у співавторстві з співробітниками університету, особистий внесок автора становить: в працях [1, 2, 3, 8] запропонована концептуальна схема системи управління доступом и аутентифікації людини по антропологічним характеристикам; запропоновані методи захисту піроелектричного кристалу від енергетичних перевантажень та від впливу інших фізичних полів при дослідженні ПВХ оператора в [7, 10]; запропонована модель кількісної оцінки закономірності зміни екзогенних факторів у зв'язку зі зміною параметрів зовнішнього середовища в роботі [4]; в роботах [5, 6, 9] запропонований метод побудові психофізіологічної характеристики операторів; запропонував методи обробки розфарбованого зображення рентгенограм і ехограм для дослідження ПВХ оператора в роботі [11]; в роботі [12] запропонував методи аутентифікації суб’єктів и об’єктів, користувачів обчислювальних систем та протоколи аутентифікації; в роботі [13] приведений спосіб кластеризації характеристик психофункціонального стану користувача обчислювальною системою.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на:

Міжнародній науково-практичній конференції „Математичне моделювання (Херсон 1998); Міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень" (Дніпропетровськ 2002); Науково-практичній конференції „Інформаційні технології в освіті і науці”(Каховка 2005, 2006); IХ міжнародній науково-практичній конференції „Наука та освіта-2006” (Дніпропетровськ 2006р); XI міжнародній науково-практичній конференції ім. Академіка М. Кравчука (Київ 2006)

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 13 роботах, з яких 6 статей у наукових журналах, 4 статті в збірниках наукових праць, 2 свідоцтв Державної реєстрації авторських прав на програмний продукт, 1 патент Росії.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновок, список використаних джерел, додатки, викладена на 194 сторінках, містить 1 таблицю й 2 рисунка на 3 окремих сторінках, список використаних літературних джерел із 203 найменування на 13 окремих сторінках, 17 додатків на 21окремих сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність тематики, показано її наукове і прикладне значення, сформульовані мета і задачі дослідження. Викладено короткі характеристики по результатах дослідження, ступень їхньої апробації.

Виявлено нові характеристики, які потребують подальших досліджень.

У першому розділі показані основні етапи розвитку адаптивних автоматизованих систем (АС). Приведено їхні види й основні шляхи розвитку. У рамках адаптивних систем особливий інтерес представляють функціонально стабільні системи, запропоновані Анохіним П.К. та продовжена Крижанівський А.І., Сіманковим В.С.Сундеевим П.В.. У дисертаційній роботі як функціональну систему (ФС) було представлено психофункціональний стан (ПФС) оператора, системну реакцію оператора (від фізіологічного до індивідуально-психологічного рівня), що забезпечує необхідний рівень ресурсного забезпечення діяльності і компенсацію виникаючих ускладнень.

Пропонується оцінювати ФС із комплексу взаємозалежних фізіологічних реакцій. У даній роботі ФС визначається як динамічна рівновага в границях припустимих відхилень гомеокінетичного плато (рис. 1).

Рис.1. Гомеокінетичного плато системи “Оператор-АСУ”.

Досліджені й проведені розробки елементів теорії і конструктивних способів побудови моделі АСУ за психофункціональними характеристиками оператора.

В другому розділі при проектуванні ФС виділені наступні принципи: системність, гнучкість, стійкість, ефективність.

Перехід АСУ з одного функціонального стійкого стану в інший дозволяє розглядати здатність системи забезпечити найкращу якість перехідного процесу і підтримки нового стану при зміні ПФС оператора і різних факторів зовнішнього середовища, номенклатури виготовлених виробів або у випадках виходу з ладу якого-небудь функціонального елемента системи.

Результатом стійкості системи є, насамперед, істотне скорочення часу відгуку АС на нові запити зовнішнього середовища і підвищення продуктивності праці.

Досліджені параметри формування виробничої системи з вхідними в неї АС (рис.2).

АС як об'єкт моделювання AS може бути представлена у виді кортежу

AS=<X,H,O,Y,,S>,

де Х - безліч предметів керування; Н - безліч місць праці; O - безліч об'єктів керування; Y – безліч продуктів праці; Ш- зовнішнє середовище; S- процес функціонування АС, у ході якого здійснюється перетворення X у Y за допомогою H і O.

Задача АСУ складається в Iопт(AS(G))extr, G{R,Q}, де R - безліч відносин на E і Ф; E - безліч елементів системи; Ф - безліч виконуваних функцій;

Рис. 2. Параметри формування виробничої системи

Q - безліч показників якості системи, а також її елементів і функцій. Безліч альтернативних способів функціонування АС визначають як можливі (альтернативні) відношення R (RE, RФ, RЕФ), так і Q, на характеристики якого впливають значення керуючих параметрів (факторів).

Робоче місце оператора в рамках АС можна представити за допомогою кортежу H=<N,K,U,B>, де N– безліч рішень, прийнята людиною-оператором; S– безліч обмежень для здійснення керування; U– безліч правильних рішень в оперативному керуванні; B– безліч правильних рішень для здійснення стратегічного керування.

Виявлено й описано особливості функціональних задач. Було припущено, що діяльність оператора АСУ може бути представлена як інформаційно-аналітична діяльність. Виділені найбільш істотні риси, що характеризують клас інформаційно-аналітичних задач: ієрархічність, неможливість формалізації всіх задач, нетвердість обмежень на час рішення.

Показано, що між обсягом інформації, яку оператор здатний переробити в процесі керування, і його фізіологічними можливостями немає прямої залежності. На цю залежність впливають спосіб представлення інформації і психологічний стан самої людини. Проектуючи АС, варто витримувати раціональне співвідношення між пропускною здатністю людини з переробки інформації в конкретному виді діяльності і необхідної для ефективного керування швидкістю її переробки, а також враховувати характерні риси людини в процесі переробки інформації і наступних керуючих дій. Керуюча діяльність оператора в АСУ багато в чому залежить від умов, у яких вона здійснюється. Ці умови часто не можна вважати строго визначеними, вони мінливі і залежать від багатьох причин. Їх можна розбити на три групи: зовнішні причини, що залежать від прояву впливів зовнішнього середовища; умови, що характеризують технічну частину системи; особистісні фактори, насамперед психофункціональні.

Діяльність оператора АСУ проходить в умовах недостачі часу і високої відповідальності при прийнятті рішень. Незалежно від особливості робочого місця вся безліч інформаційних повідомлень DA(t), одержаних оператором до моменту часу t, можна розбити на дві складові D(1)A(t) - інформаційні повідомлення про стан системи, і D(2)A(t) - повідомлення, що не несуть інформацію про хід процесу, а виконуючу роль завад. У результаті взаємодії оператора з безліччю інформаційних повідомлень у нього формується образ реальної обстановки, ним виконується аналіз і оцінка сформованої ситуації, плануються керуючі впливи, приймаються рішення. У результаті взаємодії оператора з інформаційною безліччю відбуваються зміни ПФС. Можна виділити дві підсистеми ПФС: перша забезпечує сталість визначених констант внутрішнього середовища за рахунок системи саморегуляції, ланки якого не виходять за межі самого організму оператора, друга використовує зовнішню ланку саморегуляції, забезпечує пристосувальний ефект завдяки виходу за межі організму через зв'язок із зовнішнім світом, та зміни поведінки.

Формалізована робота оператора АСУ. Система керування за допомогою системи контролю спостерігає об'єкт керування AS. Система AS представляється набором параметрів L={L1,L2,…,Lk} приймаючі значення на безлічі A={A1,A2,…,Ak}. Кожному Ai можна записати Ai={ai,a2,…}/ajAj, j=1,2…. Стан системи в часі - це випадковий процес L(t)={L1(t),L(t)2,…,L(t)k}, tR, що визначається імовірнісним законом розвитку системи AS.

Кожному Аi задається імовірнісна міра мi така, що для будь-якого aA, мi(a)>0,мi(a)=1, i=1,2,… кожному Ai ставиться у відповідність вага wi>0, i=1,2… Тому (w1,w2,…) і (м1, м2,…) природним чином індуцирують на множині А імовірнісну міру P, таку, що для

A=(a1,a2,…)A, P(a)= W=wi

Можна ввести в розгляд функцію ч:A>R+ таку що,

Величина ч(). характеризує інформаційну значимість події {L(t)=a}. Задано безліч станів A*A, що визначає ті з можливих значень випадкового процесу L(t), яким відповідає найбільш важливий стан системи і яким відповідає найбільше значення функції ч(). Прогнозування таких станів і є основним змістом діяльності системи керування.

Пари (F(;ф,Дф),y, де 2A, ф і ДфR, a yN0, є інформаційним повідомленням. Трійка ф,Дф є змістом цього повідомлення. Величина Дф- його попередженням, у - символ інформаційного джерела, що виробило (F(ф, Дф),y).

Безліч V - інформаційний простір. Вона розбивається на елементарно непересічні підмножини: V=V1UV2U… Підмножини Vi(i=1,2,…) - безлічі однорідних сегментів інформаційного простору.

Нехай |Vi|=mi, елементи кожного з Vi пронумеровані числами від 1 до mi... Тоді, якщо VVi, то існує єдина пара чисел v1 та v2 така, що VV+1 і v2 - номер елемента V у безлічі VVi, v1N, v2= . Вектор =(v1,v2) визначає адресу сегмента Vі в інформаційному просторі V. Сегмент інформаційного простору, що має адресу , позначається символом .

може характеризуватися двома функціями; (t) - ціною інформаційного повідомлення і (t) часом збереження повідомлення.

Кожне інформаційне джерело I характеризується безліччю слів X (лексикон інформаційного джерела). Під впливом запитів Q1,Q2,…,Q3 у моменти часу інформаційне джерело I виробляє послідовність інформаційних повідомлень .

Для системи AS характерна безліч її інформаційних джерел, що описують {Ii,I2,…,IM}. Інформаційні джерела спільно виробляють послідовність повідомлень (x1,y1), (x2,y2),… (xN,yN).

Даний інформаційний потік служить єдиним джерелом даних для оператора, інформаційно-аналітична діяльність якого складається з інформаційного пошуку й інформаційного аналізу.

Нехай DA(0)={((xi,yi), |}, містить всі інформаційні повідомлення з послідовності (1), вироблені до моменту часу t=0 включно. Безліч DA(0) є вихідними даними оператора. Безліч VОП(t) адрес сегментів інформаційного простору, доступних операторові в момент часу t[0,T]. Для будь-якого t[0,T] |VОП(t)|?L, a VA(0)=?. Оператор може замінити кожний v?VA(t) на будь-який v? VA(t) або додати до VОП(t) кожною v? VA(t), якщо |VОП(t)|<L.

У ході інформаційного пошуку виконуються наступні дії: класифікація повідомлень по ознаках приналежності до одного джерела, визначення безлічі діючих інформаційних джерел; класифікація представників цієї безлічі за значеннями параметрів, точності і конкретності; виділення перспективних інформаційних джерел; визначення траєкторій інформаційних джерел в інформаційному просторі; оптимізація власної траєкторії в інформаційному просторі.

Інформаційним аналізом на проміжку часу t[0,T] є процес обробки оператором повідомлень DA(i) і видача регулярних і термінових рішень .

Регулярні рішення - це рішення, вироблювані відповідно до розкладу .

Термінові рішення виробляються оператором за власною ініціативою . АСУ прагне, як можна точніше прогнозувати критичні стани об'єкта AS.

Основними підсумками аналізу інформаційно-аналітичної роботи є повідомлення, отримані в результаті інформаційного пошуку, і рішення, вироблені за підсумками інформаційного аналізу.

Природно, що інформаційне повідомлення (x,y) буде інформативним стосовно події , якщо P(1)ajT/P(0)ajT>1, неінформативним, якщо P(1)ajT/P(0)ajT=1, і, дезінформативним, якщо P(1)ajT/P(0)ajT<1.

Цінність C(x,y)aiT(t) інформаційного повідомлення (x,y) визначається змістом , а стосовно (x,y) події {L(Tij)=} прямо пропорційна інформаційній значимості ?() цієї події. На рис.3 представлений графік зміни цінності інформаційного повідомлення, тут k(ДT) - функція старіння інформації за еталонний проміжок часу ДT, що характеризує втрати цінності інформації в процесі її прийняття, переробки і видачі рішення. k(ДT)={g1,g2,g3} - коефіцієнт старіння інформації: g1 - обумовлений особливістю функціонування АСУ; g2 - обумовлений організацією збереження і подачі інформації операторові (поліпшується в основному за рахунок оптимізації інтерфейсу); g3 - обумовлений здатністю оператора сприймати інформацію, що надходить, (поліпшується за рахунок навчання, режиму праці і відпочинку).

Рис. 3. Графік зміни цінності інформаційного повідомлення.

Для опису алгоритму роботи оператора АСУ з заданою метою G будемо вважати, що в деякий момент t, оператор може зробити одну з дій Aj, j=. Блок афферентного синтезу здійснює прогноз результатів кожної дії оцінюючи вірогідність правил S виду: x1•x2•…•xk•AjG, де p - умовна імовірність досягнення мети G при наявному вході x1,х2,…,xk і дії Aj. Блок прийняття рішень вибирає правило Sj з максимальним значенням p. Таким чином вибирається і реалізується відповідна дія Aj Результат Rj дії Aj оцінюється в блоці оцінки результатів у виді |G-Rj|. У випадку збігу мети G і результату Rj або їхньої близькості |G-Rj|?е, акцептор результатів дій збільшує вірогідність обраного правила Sj. У противному випадку вірогідність правила або зменшується, або не змінюється.

Одночасно з прийняттям рішень акцептор результатів дій здійснює прогноз майбутнього стану X(t+1) в залежності від обраної дії Aj. На основі прогнозу майбутнього стану акцептор результатів дій може змінювати параметри вищестоящої і нижчестоящої системи, “набудовуючи” їх на виконання нових дій із реалізації мети . У випадку якщо різниця |G-Rj| значно більше е, акцептор результатів дій може сформувати нову функціональну систему.

У третьому розділі показано знаходження психофункціонального коефіцієнта i-ого оператора АСУ з виразу

де - пропускна здатність каналу сприйняття оператора; - час подачі операторові інформаційного повідомлення; c(hj) - вплив інформаційного потоку на оператора на -ому етапі роботи; Fi(X,A,Y,Z) - можна характеризувати як, складність інформаційного потоку на -ому етапі спілкування; - функція напруженості, характеризує ступінь стомлення оператора.

Отримана залежність складається з двох складових: 1) - показник індивідуальних особливостей людини; 2) - характеризує безпосередньо технічну сторону системи, вплив якої робить як суб'єктивний, так і об'єктивний вплив на зміну ПФС оператора, при цьому tпод - може бути одним з регуляторів неузгодженості. Аналіз даного вираження показує можливість деякої корекції ПФС оператора за допомогою оптимізації календарних планів виробництва з аналізом і прогнозуванням результатів планування на основі розроблених моделей. Оптимізація вироблятися шляхом варіацій часу виконання окремих процедур і всього процесу в цілому за рахунок перерозподілу послідовності виконання робіт між АРМ з операторами, що мають різні психофункціональні характеристики.

Характеристика оператора може бути представлена за інформаційним потоком контрольованого АСУ.

Весь інформаційний потік можна розбити на: а) керовані фактори, що характеризують умови, у яких здійснюється вибір і на які оператор впливає в рамках АСУ; б) некеровані фактори, що характеризують умови, у яких здійснюється вибір і на які оператор впливати не може: в) некеровані фактори в залежності від інформативності яких підрозділяють на три підгрупи: детерміновані неконтрольовані фактори – невипадкові фіксовані величини, значення яких цілком відомі; стохастичні неконтрольовані фактори – випадкові величини і процеси з відомими законами розподілу; невизначені неконтрольовані фактори, для кожного з яких відома тільки область, усередині якої знаходиться закон розподілу, значення невизначених факторів невідомі в момент ухвалення рішення.

Як узагальнену модель “Оператор – АСУ” може бути розглянутий функціонал виду:

F = F(Xi(t), X2(t),…, Xg(t), A1, A2, …, Ap, Y1, Y2, …, Yd, Z1, Z2, …, Zr)

Безліч показників, що описують оператора, представлено за допомогою двох підмножин:

V = { N1, N2, …, Nn, M1, M2, …, Mn } де N1, N2, …, Nn - підмножина-набір інформаційних характеристик оператора; M1, M2, …, Mn - підмножина-набір інформаційних потоків у діалоговій системі. Кожна Nn-а інформаційна характеристика може бути представлена функцією виду: Nj = F(U, S, W, O, B), де - уміння оператора (фізичні, моторні, лінгвістичні) і його методи керування; S - характеристики особистості (творчі, уважність, стійкість до стресів); W - рівень підготовки для роботи з АС; ОБ - причини взаємодії з даної АС (мети, мотивації, плани); - знання в даній галузі роботи.

М - може задаватися функцією виду: M = f (M1, M2, M3, M4) де М1 - інформаційний потік до об'єктів, що споживають інформацію; М2 - інформаційний потік від об'єктів, що поставляють інформацію; М3 - інформаційний потік від об'єктів контролю і керування; М4 - інформаційний потік як результат рішення задачі контролю і керування.

Модель АС, складена на об'єднанні “Оператор-АСУ”, що забезпечує ефективне керування АС з мінімізацією виробничих ризиків доцільно розглянути як граф функціонування (рис. 4). Графом фіксовані наступні стани моделі:

Рис.4. Граф функціонування об'єкта дослідження.

1 збір інформації, що надходить, і визначення міри її важливості, здійснювані інтегрованою системою керування процесом; 2 - сприйняття оператором інформаційної моделі виробничого процесу з простору SK знань ; 3 (прийняття рішень і реалізація дій, визначених у просторі SR рішень і спрямованих на ефективне керування процесом виробництва; 4 - виконання коригувальних дій; 5 - виконання контрольних заходів, що підвищують ефективність експлуатації апаратури і які реалізуються у просторі контролю SC; P24 – характеризується здатністю оператора до попередження дій; P31 – характеризується ступенем стомлення оператора, для осмислення інформації приходиться повторно звертатися до системи її відображення P51 - характеризується надходження інформації на інтерфейс оператора; P52 - характеризується особистим сприйняттям керованого процесу.

Факт перебування системи в стані 4 характеризує погодженість простору рішення {1, 2, 3} із простором знання {1, 2} у часі. Таке узгодження можна одержати, якщо розробити і впровадити інтелектуальні моделі взаємодій оператора з апаратурою, об'єднані в єдиний організаційний проект.

За час перебування в просторі знання здійснюється власне сприйняття моделі виробничого процесу і визначення міри важливості інформації, за час перебування в просторі рішення ці процеси завершуються ухваленням рішення по керуванню системою і реалізації цього рішення за допомогою визначеної дії. Варто підкреслити, що стан 1 у графі функціонування є для обох просторів початковим. При погодженості простору знання і рішення зворотні переходи в моделі АС можливі тільки зі стану 3.

Автоматичним контролем здійснюється погодженість просторів рішення і можливість реалізації дії, вона еквівалентно завданню вимог до апостеріорного часу безвідмовної роботи об'єкта P(tk + и/tk) ? Pд, де Pд - деякий заданий рівень мінімально припустимої імовірності безвідмовної роботи під час виконання задачі оператором.

На рис. 5 представлений граф станів АС при наявності автоматизованого контролю ПФС оператора (1-працездатний стан; 2 і 3 – стани, відповідно, виявлення і не виявлення негативної психофункціональної зміни стану оператора). На графі виділений стан 4, у який переходить система після того, як починається тестування (тому перехід зі стану 3 у 4 навантажений інтенсивністю лд = 1/ Тт), µт - інтенсивність відновлення після контролю. У цьому стані виявляються непередбачені передумови негативного стану оператора і приймаються заходи для їх усунення.

Рис.5. Граф стану АС при наявності автоматизованого контролю ПФС оператора.

У силу того, що 1/µв.о >> 1/µт(t), після закінчення контролю система переходить стан 5 - усунення негативних психофункціональних змін.

Рішення цієї системи дає наступне значення КГ

При виборі періодичності проведення тестування ПФС оператора в умові діючого виробництва слід прагнути, щоб коефіцієнт готовності АС був максимально можливим при заданих значеннях л0(t), мТ(t), мв.о.(t), g, що, як правило, беруться постійними.

Оптимальне лТ знаходиться з виразу, де л0, мТ, мв.про> const

Для скорочення часу простою АС частина контрольних тестів рекомендується виконувати в мультипрограмному режимі паралельно з виконанням задачі поставленої АС.

У четвертому розділі. Весь інформаційний потік, що надходить до оператора, позначимо через Mz, тоді лише незначна частина Mz векторів з безлічі, які визначають вплив на ПФС оператора. Назвемо ці вектори - векторами симптомів оператора АСУ, що позначимо .

де - характеристика i-го оператора; - сума векторів симптомів -го користувача. Різні вектори симптомів узятих у різні моменти часу ПФС оператора може бути віднесене в той самий клас. Вектори симптомів розбиваються на групи, що відповідають характеристиками того самого класу, тобто однаковими впливами на ПФС оператора. Групу, що відповідає k-тому класові, позначимо через dk Введемо еталонні вектори симптомів , тоді кожній групі dk буде відповідати еталонний вектор симптомів . Безліч усіх діагнозів, поставлених операторові АСУ з безлічі Mz, позначимо через Md = {d1, d2,…, dn,}.

Задача контролю психофункціональної характеристики оператора складається в зіставленні кожному припустимому векторові симптомів відповідної групи. У найпростішому випадку на безлічі Md, досить визначити лише підмножину , що відповідає відсутності необхідності керування якістю об'єкта, і відповідній наявності такої необхідності. Задачею ж контролю є однозначне віднесення кожної елементарної події, що спостерігається , де , до одного з двох зазначених підмножин.

A0 - деяка підмножина безлічі А значень випадкової величини Z, що не залежить від dk, і таке, що гіпотеза Н0 приймається, коли z € A0, , і відкидається в протилежному випадку. Реалізація вирішального правила утворює повну групу:

Події H1, і H2, відповідають правильним висновкам про стан об'єкту контролю (ОК), а події H3, і H4, - помилковим. У правила визначення станів, що розрізняються, на часовому інтервалі [tk, tk + и], що охоплює як сьогодення, так і майбутнє стану ОК, одержують вид:

, , .

Уведемо контроль із показника якості (ефективності). Кожній елементарній події ставиться у відповідність відрізок реалізації , СП зміни ефективності ОК у часі. Це приводить до однозначного перетворення , де E(tk,и) - безліч відрізків реалізацій , , СП Е(t).

Працездатний стан ОК для контролю із показника якості відповідає виконанню умови , tk,? s ? tk + и, де Eд - мінімально припустиме значення показника якості ОК, що передбачається заданим.

Основної перевагою контролю із показника якості є узагальнюючий характер використовуваної ознаки. Однак складність одержання кількісних оцінок показників ефективності привела до того, що в реальних умовах широке поширення одержав контроль із більш простої ознаки стану - контроль із параметрів. При його використанні ознакою стану ОК є сукупність значень його фізичних параметрів.

Запропоновано спосіб побудови трьохрівневої ієрархічної оцінки стану “Оператор – АСУ”, що містить у собі оцінку ПФС оператора, оцінку спільно функціонуючих на одному рівні ієрархії підсистем СЧМ, тобто оцінку ієрархічного рівня, і оцінку підсистем СЧМ, взаємозалежно працюючих на різних рівнях ієрархії АСУ, тобто оцінку – взаємодії рівнів ієрархії Md1.

,

де , , - вагові показники, kj ( = 1, 2, ...) - показники функціонування АСУ.

Вагові коефіцієнти вибираються після опитування експертів і працюючих операторів АСУ. Перевірка надійності групової оцінки експертів проводиться обчисленням коефіцієнта якісної варіації для кожної ознаки за формулою:

де - коефіцієнт якісної варіації j-ї ознаки, 0?µj?1; k - число градацій j-ї ознаки; fij - число відповідей про присвоєння i-го місця j-ій ознаці.

Визначення значимості оцінки кожного з включених в опитувальний лист питань виробляється за формулою: aj = (1 - n1j + 2n2j + 3n3j + 4n4j + 5n5j)/N, де бj - коефіцієнт, що характеризує значимість j-ї якості, j= ; n1j, n2j,…, n5j, - число експертів, що присвоїли j-ій якості відповідно-1, 2, 3, 4, 5 балів; N - число експертів, що приймають участь в опитуванні.

Для оптимізації календарних планів виробництва при зміні наданих користувачеві потоку інформації, не змінюючи кількості робочих місць, необхідно змінити такт n-m конвеєрів. Можна знайти з

Для автоматичного регулювання тактом протягом робочої зміни варто змінювати . Інші коефіцієнти змінюються керуючими відповідних служб.

Система контролю вбудовується в АС, у якій оператор виконує керування об'єктом у виробничому середовищі. При цьому результат його діяльності розглядається як системоутворюючий фактор, що поєднує поведінкові і психофункціональні підсистеми в єдину систему, спрямовану на досягнення поставлених перед оператором результатів. Основна мета контролю складається у визначенні даних підсистем, виділенні механізмів взаємодії підсистем і побудові концепції керування оператором на цій основі.

Діяльність оператора зв'язана з керуванням технічним об'єктом у динамічно змінюваному середовищі. Автоматизований контроль ПФС оператора складається з двох етапів: підготовчого і прогнозуючого (рис.6). Основною метою першого етапу є виявлення індивідуальних стратегій поведінки оператора і формування бази даних інформативних параметрів діяльності і поведінки оператора.

Другий етап пов'язаний із психофункціональною оцінкою ціни діяльності. Тут оператор виконує таку ж багатокрокову задачу прийняття рішень, як і на першому етапі. При цьому, паралельно з виміром параметрів діяльності і поведінки знімаються психофункціональні параметри, що надалі обробляються для одержання інтегральних показників. Основна мета даного етапу складається з пошуку закономірностей між параметрами діяльності і психофункціональними і поведінковими показниками. Цю задачу виконує модуль індуктивного висновку, що у процесі обробки бази знань виділяє інтервали психофункціональних шкал, а також причинно-наслідкові відносини між психофункціональними показниками, параметрами поведінки оператора і параметрами діяльності.

Рис. 6. Структурна схема автоматизованого контролю ПФС оператора

ВИСНОВКИ

Робота присвячена дослідженню і розробці математичних моделей, алгоритмів, інформаційних технологій рішення задач моделювання адаптивних систем управління з урахуванням психофункціональних характеристик оператора.

1. Виконано аналіз методів та моделей адаптивної керованої системи і задач, що розв'язуються оператором в АСУ. Узагальнено робота оператора в АСУ представлена як інформаційно-аналітична діяльність. Виділені найбільш істотні риси, що характеризують інформаційно-аналітичну діяльність: ієрархічність, слабка формалізація задач, розмитий регламент на на час прийняття рішення.

2. Приведена загальна структура функціонально-стабільної АСУ. Вирішено задачу перебування можливих траєкторій інформаційного процесу, здатних вивести систему з небезпечних станів.

3. Одержала подальший розвиток формалізація моделі АС і виконана оптимізація роботи оператора в АСУ. Досліджувана система АУС є складною структурою, для якої розроблені алгоритми обробки отриманої інформації і видачу керуючих впливів.

4. Будь-який вплив: інформаційний, психологічний, фізичний є впливом на людину інформаційним потоком з відповідною мірою складності. Показано, що контролюючий інформаційний вплив на користувача цілком визначається його ПФХ, який можна регулювати змінюючи міру складності або інтенсивність надходження інформації.

5. Побудовано модель взаємодії „Оператор-АСУ” і доведено, що функціональна стабільність системи досягається узгодженням простору знань і простору рішень, обумовлене, інтервалом часу необхідного для ухвалення рішення при керуванні процесом.

6. Розроблено метод формалізації взаємодії ПФХ оператора й інформаційного потоку, що циркулює в системі АСУ.

7. Побудовано зважену комплексну оцінку ПФХ оператора, що отримана за допомогою опитування експертів і операторів АСУ.

8. Запропоновано структурну схему автоматизованого контролю ПФХ оператора і варіант програмно–апаратного комплексу зняття і первинної обробки електрофізіологічних сигналів.

Результати досліджень та математичні моделі використовуються як в навчальному процесі при проведенні лекційних і практичних занять, так і в курсовому і дипломному проектуванні.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Н.В.Пилипенко, Г.Г.Дощенко, Ф.Н.Цивильский. Оптическая система для идентификации антропологических характеристик субъектов//Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002.- № 3(16) - C. 239-241.

2. Н.В.Пилипенко, Г.Г.Дощенко, Ф.Н.Цивильский Система управления доступом и аутентификации по антропологическим характеристикам персонала//Вестник Херсонского государственного технического университета. - 2002.- № 3(16) - C. 242-245.

3. Пилипенко Н.В., Цивильский Ф.Н., Дощенко Г.Г., Бараненко Р.В., Граб М.В., Глухова В.И., Натарова Н.Г. Комплексное решение задачи получения четких границ распределенных температурных полей исследуемых объектов. //Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2004. - № 2(14) - С. 123-130.

Внесок співавторів:

Пилипенко М.В. - побудував математичну модель, розробив метод дослідження і запропонував: ешелет, імерсійне середовище, як компоненти оптичної системи і піроелектричний кристал як приймач випромінювання;

Дощенко Г.Г. - запропонувала структурні компоненти геометричної оптики;

Бараненко Р.В., Граб М.В. - запропонували практичне використання та кількісні і якісні параметри при побудові математичної моделі;

Глухова В.І., Натарова Н.Г. - запропонували розрахунки фізичних явищ при перетворенні неелектричних величин в електричні.

4. Шеховцов А.В., Пилипенко Н.В., Цивильский Ф.Н. Вероятностные оценки интервалов времени между их последовательным возникновением//Вестник Херсонського національного технічного університету – 2005. - №1(21) - С.180-184.

5. Шеховцов А.В., Цивильский Ф.Н., Пилипенко Н.В., Полетаева А.Н. Управление производственным конвейером с учетом психофизиологических характеристик операторов//Вестник Херсонського національного технічного університету - 2005 - №1(21)– С.403-407.

Внесок співавторів:

Шеховцов А.В., Пилипенко М.В. – запропонували способи управління конвеєром при зміні ПФХ операторів;

Полетаева А.Н. - запропонувала програму по управлінню конвеєром.

6. Цивильский Ф. Н., Славич В.П. Тестирование психофункционального состояния оператора АСУ//Вестник Херсонського національного технічного університету – 2006. - №1(24)– С.237-239

7. Н.В.Пилипенко, Г.Г.Дощенко, Ф.Н.Цивильский “Оптическое устройство тепловизионной сканирующей системы” Патент Российской Федерации № 2239215 C2, МПК-7 G02B26/12, опубл. 27.10.2004, Бюл.№30.

8. Н.В.Пилипенко, Р.В.Бараненко, Г.Г. Дощенко, Ф.Н.Цивильський, С.Н.Шаганян, О.А.Акінін „Проектирование систем защиты информации в компьютерных системах и сетях” для стедентів вузів, що навчаються за спеціальністью „Компьютерні системи та мережі”/Електронний навчальний посібник - Авторское право. Государственный департамент интеллектуальной собственности при МОН Украины № 12627 от 06.04.2005.

9. Н.В.Пилипенко, Р.В.Бараненко, Шеховцов А.В., Ф.Н.Цивильський, Г.Г.Дощенко „Основы построения телекоммуникационных” для стедентів вузів, що навчаються за спеціальністью „Компьютерні системи та мережі” ”/Електронний навчальний посібник - Авторское право. Государственный департамент интеллектуальной собственности при МОН Украины № 14905 от 02.12.2005. Зарегистрировано в Государственном департаменте интеллектуальной собственности при Министерстве образования и науки Украины.

10. Н.В.Пилипенко, Г.Г.Дощенко, Ф.Н.Цивильский Иммерсионные компоненты тепловизионных сканирующих систем//Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції "Динаміка наукових досліджень" (28 жовтня — 4 листопада 2002 р.) - Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, Черкаси. - Том 6: Медицина та охорона здоров'я. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. — С. 45-46.

11. Пилипенко Н.В., Безрукавый А.С., Дощенко Г.Г., Соколова Н.А., Цивильский Ф.Н., Кошевой А.А. Программный метод колорографического анализа рентгенограмм //Матеріали Міжнар. науково-практичної конф. "Наука і освіта '2003" (20 січня - 24 січня 2003 р.) - Дніпропетровськ, Мелітополь. - Том 30: Сучасні інформаційні технології. - Дніпропетровськ: Наука і освіта,2003. - С. 32-34.

Внесок співавторів:

Пилипенко М.В. - виконав постановку проблеми, розробив алгоритми перетворення рівнів сірого у контрастне забарвлення;

Безрукавий О.С., Кошовий А.А. - запропонували практичне використання;

Дощенко Г.Г., Соколова Н.А. - запропонували впровадження у різні категорії зображень.

12. Цивильский Ф.Н. Представление психофункциональной характеристики человека через его информационную загруженность// Матеріали IХ міжнародної Науково-практичної конференції “Наука та освіта-2006”” (23-31 січня 2006 р.) – Том 17: Технічні науки - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006г — С. 124-127.

13. Цивильский Ф.Н., Везумский А.К. Кластеризация характеристик психофункционального состояния пользователя вычислительной системой//Матеріали XI міжнародна науково-практичной конференції им. Академіка М.Кравчука (18-20 травня 2006р.). –Київ,2006 – с.642

АНОТАЦІЯ

Цивільський Ф.М. Методи та моделі керування системою „Оператор- АСУ” з урахуванням психофізіологічних характеристик оператора. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 — автоматизовані системи управління і прогресивні інформаційні технології. — Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2006.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню і розробці в області організації взаємодії операторів, диспетчерів і т.д. з технічними засобами, що автоматизують роботу об'єктів керування. Особливий інтерес представляє взаємодії оператора й автоматизованої системи і можливостей керування системою “Оператор-АСУ”. Будь-які взаємодії усередині системи: інформаційна, психологічна, фізична є впливом на людину інформаційним потоком з відповідною мірою складності. Контролюючи інформаційні статичні і динамічні потоки оператора можна з достатньою вірогідністю визначити його психофізіологічну характеристику, яку можна регулювати, змінюючи міру складності або інтенсивність надходження інформації. Запропонована і впроваджена схема автоматизованого контролю психофізіологічної характеристики оператора. Запропонована програмно –апаратна реалізація модуля зняття і первинної обробки електрофізіологічних сигналів.

Ключові слова: АСУ, психофізіологічна характеристика оператора, засіб взаємодії, адаптація, інтерфейс, управління.

АННОТАЦИЯ

Цивильский Ф.Н. Методы и модели управления системой “Оператор-АСУ” с учетом психофизиологических характеристик оператора. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 — автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2006.

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке в области организации взаимодействия операторов, диспетчеров и т.д. с техническими средствами, автоматизирующими работу объектов управления. Особый интерес представляет построение математических моделей и методов управления системой “Оператор–АСУ”. Выполнен анализ взаимодействия оператора и автоматизированной системы и возможностей управления системой “Оператор-АСУ” для удержания функциональной стабильности. Оператор в такой системе представляется как элемент функционально стабильной системы, расположенный на верхнем уровне иерархии.

Любые взаимодействия внутри системы: информационное, психологическое, физическое является воздействием на человека информационным потоком с соответствующей мерой сложностью. Контролируя информационные статические и