Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов проектирования ПП ЭС 12
1.1. Системы регулирования и обеспечения безопасности движения 12
1.1.1. Технические средства обеспечения безопасности движения поездов 13
1.2. Методы конструирования ППЭС 18
1.2.1. Этапы компоновки ПП. 19
1.2.2. Методы компоновки ПП 21
1.2.3. Системы автоматизированного проектирования ПП 23
1.3. Формализация процесса функционирования человеко-машинных систем 28
1.3.1. Общие положения 28
1.2.1. Методы моделирования 30
1.4. Оптимизация процесса функционирования человеко-машинных систем 42
1.4.1. Обзор классификаций задач и методов оптимизации 42
1.4.2. Методы оценки качества компоновки ПП ЭС 46
1.5. Постановка цели и задач исследований 60
ГЛАВА 2. Моделирование функционирования системы "Оператор-ЭС" и определение критериев компоновки ПП ЭС 62
2.1. Многоуровневая система интервального регулирования и обеспечения безопасности 63
2.2. Разработка модели процесса функционирования системы "Оператор-ЭС" 72
2.2.1. Разработка модели функционирования ЭС 73
2.2.2. Разработка модели функционирования оператора 77
2.2.3. Разработка модели функционирования системы "оператор -ППЭС". 80
2.2.4. Разработка методики описания процесса взаимодействия оператора с ПП ЭС 81
2.3. Оценка качества компоновки ПП ЭС 82
2.3.1. Определение критерия оценки качества компоновочного решения 82
2.3.2. Алгоритм оценки степени неупорядоченности 83
2.4. Полученные результаты и выводы 102
ГЛАВА 3. Получение временных характеристик взаимодействия оператора с ЭС путем имитационного моделирования 103
3.1. Методика исследований и обработки результатов 104
3.2. Программно-аппаратный комплекс эксперимента 113
3.3. Результаты экспериментальных исследований 116
3.4. Полученные результаты и выводы 133
ГЛАВА 4. Разработка программно-методического комплекса проектирования ПП ЭС 135
4.1. Разработка алгоритма определения оптимального варианта компоновки 135
4.1.1. Разработка алгоритма выделения маршрутов обслуживания оператором ЭС 135
4.1.2. Разработка алгоритма генерации компоновочных решений... 136
4.1.3. Разработка алгоритма поиска компоновочных решений, удовлетворяющих критерию оптимизации 138
4.2. Разработка системы автоматизированного проектирования ПП 141
4.2.1. Структурная схема системы автоматизированного проектирования 141
4.2.2. Методика проектирования ПП с помощью разработанной системы автоматизированного проектирования 143
4.3. Разработка пп клуб 144
4.4. Разработка пп радиостанции 145
4.5. Полученные результаты и выводы 145
Заключение 149
Литература 151
Приложение 1. Видеограммы работы программы rcount. 161
Приложение 2. Результаты экспериментальных исследований 169
Приложение 3. Акты внедрения 199
- Системы автоматизированного проектирования ПП
- Разработка модели функционирования оператора
- Разработка алгоритма поиска компоновочных решений, удовлетворяющих критерию оптимизации
- Структурная схема системы автоматизированного проектирования
Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающий уровень сложности различных радиотехнических устройств неразрывно связан с ужесточением требований, предъявляемых к системе "оператор-ЭС". Повышение надежности работы системы "оператор-ЭС" становится главной задачей. Одним из методов достижения определенного уровня надежности системы является уравновешивание нагрузки (способности обработки информации и принятия решения), возлагаемой на каждую из подсистем, с возможностью подсистемы. Основную роль в системах "оператор-ЭС" систем управления и устройств телекоммуникаций играет элемент связи, без которого существование системы невозможно. Элементом связи, посредством которого оператор узнает о состоянии электронных систем (ЭС), а ЭС получает команды, является передняя панель (1111) ЭС. Таким образом, надежность системы "оператор-ЭС" в значительной мере определяется оптимальностью конструкций ПП. Оптимальность конструкции ПП может оцениваться минимальным временем регулирования или минимальным числом ошибок. Основным недостатком существующего подхода к проектированию ПП является нехватка информации о методах поиска наилучших компоновочных решений, оценки качества ПП на ранних стадиях проектирования. Размещение компонентов на ПП производится только с учетом общих рекомендаций и опыта проектировщика, при этом разрабатывается лишь несколько вариантов конструкции и из них, путем проведения натурного моделирования или экспертным методом определяется наиболее приемлемый. В случае усложнения проектных заданий количество конкурентно способных вариантов реализации резко возрастает и задача определения наиболее эффективного из них становиться наиболее острой проблемой проектировщика. В такой ситуации параллельное проектирование нескольких прототипов устройства с целью отбора наилучшего варианта по результатам комплексных испытаний конкурирующих образцов становиться экономически невыгодным, так как требует больших затрат времени и средств.
В связи с этим разработка математических моделей, алгоритмов и программно-методического комплекса (ПМК) для проектирования ПП является пер-
спективной. Одно из основных достоинств, которые открывает ПМК, заключается не только в автоматизации процесса проектирования, но и в создании системы "оператор-ЭС" с наперед заданными характеристиками системы.
Объектом исследования являются: 1111 (компоновочные решения, количество компонентов, размеры, компоненты индикации, управления и регулирования) системы управления безопасности железнодорожного движения, устройств телекоммуникаций, предназначенные для ввода, отображения и регистрации оперативной информации о параметрах движения локомотива и заданных параметрах движения на участке железной дороги, быстродействие системы "оператор-ЭС" процесса взаимодействия оператора с ПП, маршруты обслуживания оператором 1111 ЭС.
Предметом исследования является: модели функционирования ЭС, оператора, взаимодействия оператора с ПП ЭС, методы описания процесса функционирования системы "оператор-ЭС" с использованием графов, компоновки 1111 ЭС, алгоритмы анализа моделей функционирования систем "оператор-ЭС" на предмет выделения маршрутов обслуживания, генерации компоновочных решений, оценки компоновочных решений по временному критерию, поиска компоновочных решений удовлетворяющих критерию оптимизации, программно-аппаратные средства системы автоматизированного проектирования 1111 ЭС, экспериментальные исследования зависимости среднего времени поиска компонента на ПП от количества размещенных компонентов и показателя характери- ' зующего компоновочное решение.
Цель работы - разработка и научное обоснование технических, программных, алгоритмических, методических решений, направленных на решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС" с заданной надежностью и (или) быстродействием путем решения задачи автоматизированного синтеза конструкции ПП на основе результатов имитационного моделирования взаимодействия оператора с ЭС, внедрение которых имеет существенное значение в обеспечении согласованности частей системы "оператор - ЭС", и как следствие, увеличении надежности данной системы, а также снижении сроков
7 разработки 1111 ЭС.
Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:
провести анализ существующих систем регулирования и обеспечения безопасности движения, методов конструирования 1111 ЭС, положения по формализации процесса функционирования ЧМС;
разработать методику описания процесса взаимодействия оператора с ПП, позволяющую создавать модель процесса функционирования системы "оператор - ЭС";
определить критерии оценки компоновочных решений, одновременно характеризующих также и работу системы "оператор-ЭС";
исследовать зависимость среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по определенному алгоритму, на основании проведенных исследований создать модель зависимости среднего времени;
разработать алгоритмы анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС" на предмет выделения маршрутов обслуживания оператором 1111 ЭС, генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения, оценки компоновочных решений по временному критерию, определения оптимального варианта компоновки, методики проектирования 1111 ЭС;
создать программно-методический комплекс, который позволяет проводить автоматизированное проектирование 1111 ЭС, в т.ч.: описывать и анализировать на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания граф взаимодействия оператора с ЭС, проводить автоматическое размещение компонентов на 1111 с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на 1111 по определенному алгоритму обслуживания;
Методы исследования. В работе применялись экспериментальные и теоретические исследования. При разработке алгоритмов и программно-аппаратного комплекса для получения временных характеристик взаимодействия оператора с ЭС, для анализа вариантов компоновочных решений использовались
8 теоретические основы радиоэлектроники, основы вычислительной техники, информатики, имитационного моделирования.
Теоретические исследования базируются на теории множеств, математической логики, теории графов, комбинаторике.
Экспериментальные исследования осуществлялись на основе методов планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных данных.
Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами эксплуатации комплексных локомотивных устройств безопасности, коротковолновых радиостанций, практическим использованием программно-аппаратного комплекса, опубликованными научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на научных конференциях и симпозиумах. Достоверность и обоснованность полученных в работе научно-технических результатов и выводов подтверждена сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием современных средств, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.
На защиту выносятся результаты исследований по разработке технических, программных, методических решений, направленных на решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС" с заданной надежностью и (или) быстродействием путем решения задачи автоматизированного синтеза конструкции ПП на основе результатов имитационного моделирования взаимодействия оператора с ЭС, внедрение которых имеет существенное значение в обеспечении согласованности частей системы "оператор - ЭС", а также увеличении надежности данной системы и снижения сроков разработки 1111 ЭС, в том числе:
- теоретические исследования существующих систем регулирования и обеспечения безопасности движения, методов конструирования ПП ЭС, положе-
ния по формализации процесса функционирования ЧМС;
математические модели функционирования оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с ПП ЭС;
алгоритмы выделения маршрутов обслуживания оператором 1111 ЭС на основе анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС";
экспериментальные исследования зависимости среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по определенному алгоритму;
алгоритм генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения, взаимосвязь (зависимости) размещения;
алгоритмы оценки компоновочных решений по временному критерию, определения оптимального варианта компоновки;
программно-методический комплекс, проводящий автоматизированное проектирование ПП ЭС, в т.ч.: создание и анализ на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания графа взаимодействия оператора с 1111 ЭС, проведение автоматического размещения компонентов на ПП с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на 1111 по определенному алгоритму обслуживания.
Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых разработаны модели и методы анализа и описания процесса взаимодействия оператора с 1111 ЭС, учитывающих влияние таких факторов как компоновочное решение и количество компонентов, а также создан программно-методический комплекс для автоматизированного проектирования 1111 ЭС, что вносит существенный вклад в решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС", в ходе которых:
определена адекватная модель среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по заданному маршруту обслуживания;
созданы модели функционирования оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с 1111 ЭС, отличающиеся большей функциональностью и
10 простотой;
разработаны алгоритмы выделения маршрутов обслуживания оператором ПП ЭС на основе анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС", генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения и взаимосвязи (зависимости) размещения, оценки компоновочных решений по временному критерию;
разработан критерий определения оптимального варианта компоновки;
предложена методика проектирования 1111 ЭС с помощью программно-методического комплекса, проводящего автоматизированное проектирование 1111 ЭС, в т.ч.: создание и анализ на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания графа взаимодействия оператора с 1111 ЭС, проведение автоматического размещения компонентов на 1111 с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на ПП по определенному алгоритму обслуживания.
Практическая ценность. Разработка моделей оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с ППЭС, алгоритмов генерации компоновочных решений с учетом заданных ограничений на размещение компонентов, анализа моделей, определения степени отклонения маршрута обслуживания от рационального, поиска компоновочных решений удовлетворяющих критерию оптимизации позволили создать программно-методический комплекс проектирования 1111, который решает проблему оптимизации процесса взаимодействия оператора с 1111 ЭС на ранних стадиях проектирования, не требующего проведения натурного моделирования, что приводит к снижению материальных и временных затрат.
Проведенные экспериментальные исследования позволили определить зависимость между средним временем поиска компонента на ПП от таких факторов как количество компонентов и компоновочного решения, их совместного влияния, а также установить характер зависимости указанного времени от количества проведения цикличного обслуживания (обучения оператора).
Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при разработке комплексного локомотивного уст-
ройства безопасности на ДООО ПСЖА "Локомотив". Результаты моделирования использованы в опытно-конструкторских работах "Маковка 1" при проектировании пульта управления радиостанции КВ-диапазона на ОАО "Сарапульский радиозавод".
Результаты работы могут быть использованы в практике работы различных организаций, занимающихся проектированием технических систем с участием человека.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II международной конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 2000г.); электронной заочной конференции "Молодые ученые - первые шаги третьего тысячелетия" (Ижевск, 2000г.); научно-технической конференции "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (Ижевск, 2001г.); III международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2001г.); II международном симпозиуме "Аэрокосмические приборные технологии" Санкт-Петербург, 2002г.); электронной заочной конференции с международным участием "Молодежь, студенчество и наука XXI века" (Ижевск, 2002); IV международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2001г.).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе: 1 статья в научно-техническом журнале, 1 работа в материалах международного симпозиума, 6 в материалах международных научно-технических конференциях, 1 в материалах научно-технической конференции; 2 в материалах электронных заочных конференциях с международным участием.
Структура и объем диссертации Работа изложена на 160 страницах основного текста, иллюстрируется 40 рисунками, 25 таблицами и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и приложени-ий, в которых представлены акты об использовании результатов работы.
Системы автоматизированного проектирования ПП
В системе АЛСН на DB обмен данными между локомотивным напольными устройствами осуществляется через уложенный между рельсами индуктивный шлейф на частотах 36 и 50 кГц.
Во Франции линии Национального общества железных дорог Франции (SNCF) оборудованы системами АЛСТ контактного индуктивного действия. На-польно устройство размещено в середине между рельсами на расстоянии около 15м перед каждым сигналом.
Система сигнализации на линиях SNCF предусматривает подтверждение бдительности машиниста в течение 2,5с после приема сигнала от напольного индуктора, в противном случае начинается принудительное торможение. Максимальная допустимая скорость составляет 200 км/ч. На части локомотивов установлены устройства контроля скорости, которые при превышении максимально допустимого значения включают автоматическое торможение. До 1986 года они обеспечивали только точечный контроль скорости, в настоящее время эти устройства строят на базе микроЭВМ, которая контролирует скорость непрерывно. В индуктивной АЛСТ используются частоты 64, 67.5, 78, 81,5, 92 и 98 кГц. Путевые приемоответчики бывают двух видов: с постоянной и переменной информацией, зависящей от показаний напольного светофора. Программа эксплуатации высокоскоростных линий TGV (скорость движения ограничена 270 или 300 км/ч) предусматривает движение только специализированных пассажирских электропоездов с минимальным интервалом попутного следования 4 мин. На линиях TGV напольные сигналы отсутствуют. Блок-участки оборудованы бесстыковыми кодовыми рельсовыми цепями, через которые можно непрерывно передавать на поезд до 18 кодовых комбинаций. Еще 14 видов информации могут передаваться точечным способом. Средства сигнализации на линиях Национального общества железных дорог Бельгии (SNCB) в значительной степени идентичны применяемой во Франции. Для передачи сигнальных показаний используется АЛСТ контактного типа. Отличие заключается в порядке использования и отображения информации. На линии Государственной железной дороги Италии (FS) система сигнализации основана на интервальном регулировании движения поездов блок-участками, свободность которых определяется с помощью рельсовых цепей и точечной или непрерывной передаче на локомотив показаний напольных светофоров. При скорости до 150 км/ч машинист руководствуется показаниями напольных светофоров, при скорости до 180 км/ч безопасность движения обеспечивается четырехзначной точечной или непрерывной АЛС, при скорости до 200 км/ч-пятизначной АЛСН. На высокоскоростных линиях Италии с максимальной допустимой скоростью более 180 км/ч была модернизирована существующая система сигнализации. На каждом блок-участке (средняя длина — 5500 м) организовано от одной до шести рельсовых цепей с изолирующими стыками, тормозной путь при торможении охватывает 3-4 рельсовые цепи, каждый блок-участок огражден основным и предупредительными сигналами. Для передачи информации с пути на локомотив используют несущие частоты 178 и 50 Гц. Федеральные железные дороги Швейцарии (SBB) располагают лишь точечной АЛС, по принципу похожей на Indusi DB. Проект развития SBB Bahn 200 предусматривает увеличение скорости движения до 200 км/ч путем дополнения имеющегося локомотивного оборудования АЛС электронными устройствами непрерывного контроля скорости и внедрения новой поездной радиосвязи.
На линии Государственной железной дороги Нидерландов (NS) эксплуатируется система АЛСН с передачей информации на поезд индуктивным способом через рельсовые цепи, непрерывным контролем скорости, контролем бдительности машиниста и автоматическим включением принудительного торможения при неправильных его действиях.
При совместной разработке системы АЛС в 1987 году для высокоскоростной линии Париж - Восточная Франция - Юго-Запад Германии наиболее перспективной признана АЛСН с использованием радиосвязи для передачи информации и определения координаты поезда.
На железных дорогах Индии система поездной радиосвязи установлена на участках Дели -Мухалсарай и Бхусавал - Итарси -Нагпур - Дург и работает в диапазоне 314 - 322 кГц. Разрабатывается проект универсальной системы радиосвязи в диапазоне ОВЧ (УКВ), испытания которой пройдут на участках Дели -Амбала, Мумбай -Вадодара и Ченнай - Гудур. Рассмотренные примеры дают представление о разнообразии национальных средств сигнализации и, вместе с тем, можно сделать некоторые выводы и обобщения [105]: - наличие многоуровневого построения систем обеспечения безопасности в зависимости от требуемой интенсивности и скорости движения; - введение непрерывного канала связи при скоростях движения более 160 км/ч; - неэффективность путевой сигнализации и введение дополнительной информации на борту локомотива при скорости движения свыше 160 км/ч; - измерение скорости движения локомотива производится в основном от осевых датчиков; - контроль бдительности осуществляется машинистом с помощью нажатия кнопок. Сравнивая отечественные и зарубежные технические средства обеспечения безопасности движения поездов, используемые в настоящее время, следует отметить, что по реализуемым функциям их уровень примерно одинаков, однако за рубежом более широко используется регистрация информации в электронную память, альтернативные рельсовым цепям каналы передачи информации и гораздо меньше проработаны вопросы контроля уровня бодрствования и бдительности машиниста. Перечень применяющихся в последнее время технических средств обеспечения безопасности движения поездов с основными техническими характеристиками приведен в таблице (Таблица 1).
Разработка модели функционирования оператора
При решении большинства задач исследований, проектирования и испытаний ЧМС возникает необходимость построения модели процесса функционирования (ПФ) ЧМС [102].
При человеко-системном (антропоцентрическом) подходе к рассмотрению ЧМС модели ПФ ЧМС представляют собой функционально поведенческие модели, отображающие процесс функционирования ЧМС [40]. Под этим процессом понимается совокупность действий эргатических элементов и операций, выполняемых неэргатическими элементами. Совокупность действий объединена в единую целенаправленную последовательность благодаря управляющей и обеспечивающей деятельности эргатических элементов, образующей из разрозненной номенклатуры отдельных функций их связную логико-временную последовательность, устойчивую к возмущениям и ведущую к достижению поставленной цели (или целей) функционирования.
На основании этого достаточно общего определения ПФ ЧМС сформулированы основные требования к математической модели ПФ. Первое требование: модель должна охватывать как основные, так и вспомогательные процессы функционирования ЧМС. К основным процессам относится совокупность операций, которые необходимо выполнить в соответствии со сформированным в процессе управления планом функционирования или способом действий, правильное и безотказное выполнение которых должно привести к поставленной или сформулированной в процессе управления цели. Процесс управления - это совокупность операций, в результате выполнения которых формируются планы функционирования и обеспечения или способы действий элементов ЧМС и (или) формируются управляющие воздействия, выполнение которых может привести к достижению поставленной цели. Процесс обеспечения - совокупность операций, которые необходимо выполнить в соответствии со сформулированным в процессе управления планом обеспечения, или совокупность операций, в результате реализации которых восстанавливается устойчивость основного процесса, который может прерываться вследствие отказов элементов или расходования ресурсов, необходимых для реализации основного процесса и процесса управления.
Второе требование: выбор уровня языка описания ПФ ЧМС должен соответствовать семантическому уровню моделируемых процессов. Реально вследствие того, что процессы управления по семантическому уровню находятся, как правило, выше по иерархии, чем основной процесс и процесс обеспечения, возникает необходимость описывать их на языках моделирования разных уровней.
Третье требование: язык модели должен быть доступен как человеку, так и ЭВМ, т. е. он должен быть достаточно формализованным для однозначного воспроизведения на ЭВМ. Четвертое требование: алфавит языка описания ПФ должен быть минимально необходимым, но обеспечивать все специфические особенности составляющих ПФ. Пятое требование: модель должна сочетать в себе свойства описательности и оцениваемости ПФ. Новый подход к моделированию ЧМС, разработанный в функционально-структурной теории [24, 42, 68], приводит к необходимости учета следующих особенностей при моделировании ПФ ЧМС: - целенаправленность поведения ЧМС; - разнородность элементов, участвующих в выполнении каждой технологической операции (человек и используемые им средства); - наличие прерываний в ПФ ЧМС вследствие отказов и ошибок человека при выполнении технологических операций; - наличие как интериоризованных (мыслительно-планировочных), так и экстериоризованных (исполнительных) действий человека; - возможности перестройки поведения человека (выбора другого алгоритма действий) при изменении ситуативных условий (появления дефицита времени, эмоциональных факторов и т. п.); - наличие изменчивости в характеристиках действий человека (колебания затрат времени, утомления и др.). Хотя для моделирования процессов функционирования сложных систем, в том числе и ЧМС, в настоящее время существует огромное число математических моделей, почти все они не удовлетворяют совокупности перечисленных требований (многие удовлетворяют им частично), что следует из нижеприведенного сравнительного анализа методов моделирования ПФ. Модели, используемые для исследования ПФ ЧМС, могут быть разделены на следующие основные классы: - алгебраические формальные системы: марковские и полумарковские процессы [45, 47], регрессионные модели, алгебраические системы [50], модели теории массового обслуживания; - языковые формальные системы: формальные грамматики [23, 90], логические автоматы [54], сети Петри [48], логико-лингвистические модели ситуационного управления [69], схемы Янова, граф - схемы и логические схемы алгоритмов Ляпунова; - языково-алгебраические системы: сети предшествования, сети PERT, GERT, сети метода критического пути [8], сочетание Е-сетей с оценочным способом метода кусочно-линейных автоматов [70], функциональные и функционально-семантические сети [24, 68], вероятностно-алгоритмические функциональные сети. Алгебраические системы предназначены, в первую очередь, для количественной оценки ПФ, но для отражения логики структуры ПФ данные модели практически не пригодны. Так, например, в полумарковских процессах исходная информация в виде матриц переходных вероятностей -Р = 1/),] и законов распределения F(x) = [Fy (х)\ позволяет учесть как элемент случайности в выборе поведения (при принятии решения, вследствие ошибок исполнения и т. д.) за счет вероятностей Ру, так и элемент случайности в длительности выполнения операций за счет законов распределения Ftj (х). Однако аппарат полумарковских процессов не позволяет моделировать выполняемые операции, конечное число повторений операций; операции, выходящие из вершины по логическим функциям «И» и «ИЛИ». Таким образом, из всех требований, перечисленных выше, алгебраические системы удовлетворяют только требованиям оцениваемости процесса, но основной их недостаток заключается в неадекватности логике процессов функционирования.
Разработка алгоритма поиска компоновочных решений, удовлетворяющих критерию оптимизации
В качестве возможных критериев оценки качества компоновочного решения 1111 ЭС многие авторы, как уже отмечалось, рассматривают три: время поиска компонента на 1111, количество ошибок совершаемых оператором и стоимость действия. Время работы системы человек-оператор характеризуется временем приема информации, ее переработки, принятия решения, выполнения физических действий на основе принятых решений, проверки результатов путем принятия новой информации. Времена приема информации, ее переработки, принятия решения зависят от квалификации оператора и ее подачи [46]. Время на выполнение физических действий на основе принятых решений делится на два: собственно осуществление физических действий и поиск компонента воздействия. Очевидно, что при жестко регламентированном времени работы системы время на принятие верного решения должно составлять большую часть, т.к. от этого зависит количество ошибок, совершаемых оператором, и стоимость действия. Поэтому сокращение времени поиска компонента на ПП является первоочередной задачей. Как известно [13], данный критерий зависит как минимум от двух аргументов: количества компонентов на 1111 и компоновочного решения, однако характер данной зависимости установлен только для компонентов, содержащих только один отличительный признак. Если количество компонентов легко определяется с помощью элементарного подсчета, то для оценки компоновочного решения используется эргономический показатель, характеризующий степень отклонения маршрута обслуживания от рационального маршрута. Более подробно суть данного показателя описана в следующем подразделе.
Таким образом, в качестве главного критерия оценки качества компоновочного решения предлагается использовать среднее время поиска компонента на ПП ОСР_ПОИСК_ФАКТ)- Сравнение данного критерия с отведенным временем (tcp_noHCK_ruiAH) показывает: 1. если tcp_noHCK_« AKT 1СР_ПОИСК_ПЛАН , система не жизнеспособна, тре буется поиск нового компоновочного решения; 2. если 1СР_ПОИСК_ФАКТ = tcpjioHCKjuiAH , система жизнеспособна. tcp_noHCK_ruiAH определяется исходя из планируемого времени сенсомо торной реакции путем вычитания из последнего времен, отведенных на принятие информации, ее обработку, принятие решения и физических действий. При проведении эргономического анализа рабочих мест операторов оптимальность того или иного варианта размещения элементов индикации и органов управления оценивается, главным образом, по величине временных затрат оператора на их поиск в процессе основной деятельности [37]. При эргономической оценке возникает необходимость оценить степень неупорядоченности [13] того или иного варианта размещения элементов, индикации и органов управления, т. е. определить, какова степень отклонения маршрута обслуживания от рационального маршрута. Алгоритм оценки основывается на методике оценки степени неупорядоченности, суть которой заключается в следующем: 1. На экране компьютера в определенном масштабе вычерчивается развернутая фронтальная проекция ПП пульта, и на ней отмечаются точки размещения элементов индикации и органов управления. 2. С учетом антропометрических характеристик «среднего» оператора в соответствии с его рабочей позой определяется точка на пульте, через которую проходит линия центрального визирования при установке наиболее оптимального угла наклона головы (0 - 5) и фиксации глаз в «нулевом» положении. Через эту точку проводятся вертикальная (у) и горизонтальная (х) оси, на которых откладываются отрезки, соответствующие следующим угловым размерам: по оси у вверх 23, вниз 33; по оси х ± 31. Через концы отложенных отрезков проводятся прямые, образующие прямоугольник. В прямоугольник вписывается эллипс. Область, ограниченная данным эллипсом, считается комфортной зоной с точки зрения информационного поиска и обозначается римской цифрой I. Все остальные элементы индикации и органы управления, находящиеся вне указанной области, относятся к некомфортной зоне II (элементы, находящиеся на границе зон I и II, относятся к зоне I). 3. Для каждого элемента индикации и органа управления замеряется их минимальные расстояния от осей х и у (х( и у,), которые затем откладываются с учетом знака на специальных графиках х(п) и у(п). В последовательности, предопределяемой алгоритмом работы оператора п (t). 4. На построенных графиках х(п) и у(п) через точку с максимальным значением ординаты л:, (или_у,) проводится прямая, параллельная оси «.Затем, аналогичным образом, проводятся линии через все последующие элементы. Если на ту или иную прямую к попадает два или более элементов, то независимо от значения п эти элементы считаются сгруппированными по уровню к. 5. На графиках х(п) пу(п) наносятся линии, определяющие границы зон I и II. Чтобы оценить степень отклонения маршрута обслуживания элементов индикации и органов управления от типовых закономерностей («горизонтальный ряд», «вертикальный ряд» и «наклонный ряд»), в каждой зоне необходимо произвести операции группирования - горизонтального (вертикального и наклонного. При горизонтальном (вертикальном) группировании объединяются элементы, составляющие на графиках х(п) и у(п) непрерывный ряд, в составе которого каждый последующий элемент должен иметь ординату fy или у J, отличную ОТ Предыдущего НЄ более ЧЄМ На ВеЛИЧИНу йф (Xi+j - Xj йф и yi+1 - у І Сіф). Величина йф выбирается из условия относительной стабильности воеприятия зрительных стимулов в области трехкратного значения угла фовеаль-ного зрения (аф=3), выраженного в линейных единицах с учетом удаления глаз оператора относительно плоскости пульта. Одиночные элементы, не вошедшие в состав групп, условно принимаются за отдельную группу.
Для проведения наклонного группирования на проекции пульта каждый элемент последовательно, начиная с первого, соединяется прямой с очередным третьим элементом. Если при этом второй по очереди элемент будет находиться от указанной прямой на расстоянии не более величины а р, то все три элемента объединяются в наклонную группу. В данную группу должны войти также последующие элементы, составляющие непрерывный ряд и имеющие отклонение менее аф от продолжения прямой, соединяющей первый и третий элементы. Дальнейшее наклонное группирование проводится аналогичным образом, начиная с первого элемента, вышедшего за пределы йф. Если в самом начале группирования второй последующий элемент выходит за пределы а р, то он становится исходным для проведения очередного шага наклонного группирования и т. д.
Наклонное группирование элементов производится только в пределах каждой зоны. Это означает, что наклонная группа не может содержать элементы зоны I и II одновременно. Если в «зачетную» наклонную группу попадают элементы, входящие и в горизонтальную (вертикальную) группу, то они должны учитываться только в одной группе.
Структурная схема системы автоматизированного проектирования
Разработан алгоритм определения компоновочных решений, удовлетворяющих критерию оптимизации.
Создана и внедрена САПР для проектирования 1111 ЭС, позволяющая оценивать качество компоновочных решений по критерию среднего времени поиска. Она включает монитор, базу данных, расчетные модули, модули графического ввода - вывода информации, модули подготовки исходных данных, модули связи с иными CAD/CAE.
Модуль, описывающий процесс функционирования системы "оператор -ЭС", позволяет отражать все возможные состояния системы в процессе работы оператора с ЭС посредством составления модели. Основу модели составляет граф взаимосвязи, описанный в п.2.1.1. главы 2.
Модуль задания параметров графической модели 1111 и свойств ее элементов определяет соотношение сторон 1111, шаг координатной сетки (модуль), номенклатуру устанавливаемых компонентов. 5. База данных содержит информацию, структурированную по признакам: компоненты 1111 (графические изображения, свойства); органы управления, органы индикации, иные; модули 1111, стандартные и оригинальные; промежуточные результаты; результаты проектирования. 6. Модуль поиска компоновочного решения, удовлетворяющего критерию оптимизации, производит генерацию всех возможных вариантов компоновки 1111, расчитывает степень неупорядоченности каждого и на основании количества компонентов, определенной степени неупорядоченности, заданной квалификации оператора определяет среднее время поиска для каждого варианта компоновки, отбирает варианты компоновок, удовлетворяющие заданному значению критерия. 7. Модуль визуализации результатов отображает варианты компоновок 1111 в виде 3D модели, позволяющей проектировщику оценить эстетические характеристики изделия. Для этого примитивы элементов панели заменяются их графическими (фотореалистическими) изображениями, загружаемыми из базы данных. 8. Графический редактор позволяет выполнить окончательную конструкторскую доработку ПП и создать сборочный чертеж, чертежи деталей в соответствии с действующими нормативами. 9. Интерфейс с внешними CAD/CAE служит для передачи спроектированной 1111 в программы подготовки конструкторской документации. 1. В работе получены научно-обоснованные технические и методические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в создание интеллектуальной информационно-измерительной технологии и современных программно-аппаратных средств для автоматизации процессов проектирования ПП измерительных и управляющих систем с заданными характеристиками. 2. Создан и внедрен автоматизированный программно-методический комплекс (ПМК) для осуществления автоматизированного проектирования 1111 измерительных и управляющих систем, представляющий собой совокупность методик, программ, подпрограмм и процедур, написанных на языках различного уровня. Программы и процедуры комплекса условно можно разделить на пять групп согласно выполняемым функциям: монитор, служащий для управления процессом работы подсистем, обмена и обработки данных, получаемых в процессе работы программы; базу данных, содержащую справочные материалы, промежуточные и конечные результаты работы различных модулей; расчетные модули, реализующие процедуры процесса функционирования оператора с 1111 ЭС, поиска компоновочного решения, удовлетворяющего критерию оптимизации; модули графического ввода - вывода информации; модули подготовки исходных данных, а также связь с иными CAD/CAE. 3. Технический и экономический эффект от внедрения ПМК заключается в резком сокращении трудоемкости процесса разработки за счет сокращения числа вариантов конструкции панелей измерительных и управляющих систем на ранних стадиях проектирования. 4. Созданный ПМК позволяет повысить качество разрабатываемых 1111 и, как следствие, повысить надежность процесса функционирования систем "опера-тор-ЭС" за счет оптимизации времени для принятия решения опратором. 5. Разработана модель ПП на основе процесса функционирования ЭС, представляющая собой ориентированный граф, вершинами которого являются компоненты ПП, анализ которого с помощью предложенного алгоритма позво 150 ляет составить все возможные маршруты обслуживания. 6. Разработана методика описания процесса взаимодействия оператора с ПП, позволяющая формализовать процесс управления ЭС для создания модели ПП. 7. Разработан алгоритм оценки качества компоновки компонентов на ПП по критерию среднего времени поиска компонента на ПП. 8. Проведены экспериментальные исследования среднего времени поиска компонента на основе планирования эксперимента, в результате которого было определено следующее: - критерием качества компоновки является степень неупорядоченности как наиболее влияющий фактор на среднее время поиска компонента; - влияние степени неупорядоченности на среднее время поиска компонента изменяется по нелинейному закону; - влияние количества компонентов на среднее время поиска компонента описывается линейной зависимостью; - на среднее время поиска оказывает влияние в меньшей степени совместное влияние степени неупорядоченности и количество компонентов. 9. В качестве дополнительного критерия качества компоновочного реше ния предложена степень отклонения реального маршрута обслуживания от ра ционального. 10. Полученные в работе результаты использованы при разработке ком плексного локомотивного устройства безопасности на ДООО ПСЖА "Локомо тив". Результаты моделирования использованы в опытно-конструкторских рабо тах "Маковка 1" при проектировании пульта управления радиостанции КВ диапазона на ОАО "Сарапульский радиозавод".
