Содержание к диссертации
Введение
1 Системный анализ особенностей моделирования эргатического элемента в эрготехнических системах 19
1.1 Системное исследование принципов построения и анализа эрготехнических систем 19
1.1.1 Основные определения 19
1.1.2 Принципы системного подхода в анализе эрготехнических системах 26
1.2 Системный анализ функционирования эрготехнических систем 29
1.3 Анализ функциональных состояний эргатического элемента 32
1.4 Анализ моделей эргатического элемента в эрготехнических системах 36
1.5 Теоретические основы формирования информационного воздействия на эргатический элемент 42
1.6 Анализ методов информационного воздействия на эргатический элемент 44
1.6.1 Анализ традиционных методов воздействия на эргатический элемент 44
1.6.2 Автоматизированное обучение 48
1.6.3 Интеллектуальные системы автоматизированного обучения 50
1.7 Системное моделирование информационных технологий воздействия 54
1.7.1 Состав и классификация информационных технологий 54
1.7.2 Системный подход к синтезу воздействия на эргатический элемент 56
1.8 Проблемные вопросы синтеза информационного воздействия на эргатический элемент 60
1.9 Применение методов искусственного интеллекта и экспертных систем при моделировании информационных технологий 61
1.10 Выводы по разделу и постановка и задач исследования 64
2. Синтез моделей функционирования эргатического элемента и формирования воздействия на него 67
2.1 Методология научных исследований 67
2.2 Системная модель исследования 70
2.3 Разработка обобщенной модели профессиональной деятельности эргатического элемента 74
2.4 Разработка обобщенной математической модели эргатического элемента 83
2.5 Разработка методов синтеза инструментальных средств комплексного воздействия 87
2.5.1 Метод дифференциального куратора 87
2.5.2 Метод взвешенной выборки 93
2.6 Синтез структурно-функциональной модели инструментальных средств комплексного воздействия 97
2.7 Выводы по разделу 2 103
3. Синтез системной модели выбора и распределения ресурсов в инструментальных средствах комплексного воздействия 105
3.1 Два уровня решения задач выбора и распределения ресурсов 105
3.2 Методы выбора и распределения ресурсов 106
3.2.1 Методы выбора и распределения ресурсов на этапе синтеза информационной эрготехнической системы 106
3.2.2 Методы выбора и распределения ресурсов на этапе функционирования системы 112
3.3 Исследование ресурсного конфликта в рамках обобщенной ресурсной модели 115
3.3.1 Системное исследование конфликта в информационных эрготех-нических системах 115
3.3.2 Классификация конфликта 120
3.4 Синтез обобщенной модели системы выбора и распределения ресурсов 122
3.5 Модели выбора и распределения ресурсов в условиях замещения и конфликта 128
3.5.1 Модель выбора и распределения ресурсов в условиях замещения.. 128
3.5.2 Формирование ресурсного конфликта в инструментальных средствах комплексного воздействия 132
3.5.3 Модель выбора и распределения ресурсов инструментальных средств комплексного воздействия в условиях конфликта 136
3.6 Модель выбора и распределения ресурсов, обеспечивающая функционирование инструментальных средств комплексного воздействия 140
3.7 Выводы по разделу 3 145
4 Синтез моделей и методов автоматизированного извлечения и усвоения знаний 147
4.1 Знания в структуре инструментальных средств комплексного воздействия, их виды и формы представления 147
4.2 Методы и модели структуризации отношений и правил логического вывода 150
4.3 Формализация и разработка методов автоматического извлечения и усвоения знаний 159
4.3.1. Существующие методы извлечения и усвоения знаний 159
4.3.2 Моделирование процесса автоматического извлечения и усвоения знаний 162
4.4 Выводы по разделу 4 170
5 Разработка обобщенного алгоритма принятия решений 172
5.1 Классификация систем поддержки принятия решений 172
5.2 Классификация методов и моделей принятия решений 176
5.3 Синтез обобщенного алгоритма принятия решения 182
5.3.1 Определение отображения значений шкал метода анализа иерархий и метода принятия решений при нечеткой исходной информации 182
5.3.2 Разработка алгоритма многокритериального выбора альтернатив.. 190
5.3.3 Разработка алгоритма определения согласованности суждений экспертов 201
5.3.4 Разработка обобщенного алгоритма принятия решений 208
5.4 Выводы по разделу 5 211
6. Разработка предметно-ориентированного программного комплекса информационного воздействия 213
6.1 Сетевой программный комплекс для подготовки специалистов по эксплуатации РСП-6М2 213
6.1.1 Структура программного комплекса 213
6.1.2 Программа создания и изменения содержимого базы знаний 214
6.1.3 Программа формирования и проведения тестирования 216
6.1.4 Программа анализа результатов тестирования 219
6.1.5 Программа формирования информационного воздействия 220
6.1.6 Программа имитации системы отображения информации 221
6.2 Программное обеспечение 11111 IP «Альтернатива» 222
6.2.1 Структура ПППР «Альтернатива» 222
6.2.2 Инструкция по использованию программы обработки экспертных оценок «Альтернатива» 224
6.3 Программа формирования и реализации комплексного информационного воздействия на специалиста по эксплуатации РСП- 6М2 227
6.3.1 Модели деятельности оператора при настройке компенсирующего устройства 227
6.3.2 Подпрограмма информационного воздействия на специалиста при работе с компенсирующим устройством 233
6.4 Оценка эффективности применения программного комплекса 240
6.5 Методические рекомендации по созданию инструментальных средств комплексного воздействия для эксплуатационной подготовки специалистов 244
6.6 Выводы по разделу 6 253
Заключение 255
Список использованных источников 258
- Анализ моделей эргатического элемента в эрготехнических системах
- Разработка обобщенной модели профессиональной деятельности эргатического элемента
- Системное исследование конфликта в информационных эрготех-нических системах
- Моделирование процесса автоматического извлечения и усвоения знаний
Введение к работе
Современный уровень развития компьютерной техники, информационных технологий и методологии дистанционного обучения, в ряде случаев, позволяет моделировать человека, как элемент сложной системы, исследовать его свойства и обеспечить формирование воздействия на него для повышения эффективности функционирования системы в целом.
Данное обстоятельство обусловливает повышенный интерес к теме «человек в сложных системах» и проблеме поиска путей повышения качества функционирования сложных систем.
Но, в результате недостаточного изучения реальных эрратических систем, существует серьезный пробел в знаниях об их поведении, особенно при активном участии человека в процессе функционирования таких эрратических систем как эрготехнических системы (ЭТС). Анализ функционирования ЭТС позволяет сделать вывод о том, что эффективность ЭТС напрямую зависит от качества функционирования ее эрратического элемента (ЭЭ). Данный факт ставит перед исследователями проблему повышения качества функционирования ЭЭ, что, в свою очередь, требует развития теории и практики системного моделирования технологий, позволяющих осуществлять контроль уровня квалификации ЭЭ и формировать оптимальное воздействие на него с целью повышения его квалификации до уровня, обеспечивающего требуемое функционирование ЭТС.
При анализе и синтезе эргатических систем комплекс вопросов учета «человеческих факторов» рассматривается с различных точек зрения психологами, физиологами, инженерами, технологами, математиками, экономистами, социологами и т.д. Это порождает множество подходов к описанию и оценке деятельности человека и функционирования человеко-машинных систем, нужных для отражения различных специфических сторон трудовых процессов, но именно ввиду их различия не дающих единой теоретической основы. В силу этого, применение существующей теоретической базы в виде общей теории систем и теории множеств, теорий искусственного интеллекта, конфликта, системотехники, инженерной психологии, эргономики, нечетких множеств, принятия решений не позволяет исчерпывающе ответить на вопросы повышения эффективности функционирования ЭЭ в ЭТС, но может служить основой для разработки математического обеспечения функционирования ЭЭ в ЭТС, создания методов, моделей и инструментальных средств, обеспечивающих решение данной проблемы. Этим обстоятельством и объясняется тот факт, что в существующих ЭТС, при наличии мощных систем, позволяющих контролировать состояние технического элемента (ВСК, ИВК и т.п.), практически нет средств, контролирующих уровень квалификации эргатического элемента и формирующих информационное воздействие на него с целью повышения данного уровня до требуемого значения.
Анализ методов воздействия на ЭЭ с целью поиска эффективных путей повышения качества его функционирования в ЭТС показывает, что основными методами воздействия являются: дополнительная специальная теоретическая и тренажная подготовка. Симбиозом проанализированных методов является комплексная (теоретическая и практическая) подготовка, включающая как процесс усвоения знаний, так и процессы формирования умений и закрепления навыков. Особенностями метода комплексного информационного воздействия являются длительность, строгая последовательность, законченность каждого этапа подготовки. Основным видом повышения уровня квалификации специалиста, в настоящее время, является тренажная подготовка, главной задачей которой является привитие навыков работы с технической системой (ТС). Практическое отсутствие средств объективного оперативного контроля, при тренажной подготовке, профессионального уровня специалиста и оптимального управления процессом его обучения является главным недостатком тренажной подготовки. Анализ технических средств обучения (ТСО) показал, что в этой среде отсутствуют инструментальные средства, объединяющие функции контроля и комплексного информационного воздействия, что не позволяет оперативно и объективно, с учетом индивидуальных особенностей ЭЭ, оценить уровень его квалификации и, при необходимости, повысить этот уровень за заданное время.
При несомненных достоинствах современных инструментальных средств тренажной подготовки реализующих рассмотренные методы, применение их связано с рядом существенных недостатков, не позволяющих обобщить процесс повышения квалификации ЭЭ в ЭТС. Основными недостатками являются:
- отсутствие инвариантности к предметной области;
- недостаточная гибкость, управляемость;
- отсутствие адаптации к уровню подготовки обучаемых;
- субъективный подход к формированию воздействия и оценке уровня квалификации.
Таким образом, существует практическая проблема - недостаточное качество функционирования ЭЭ снижает эффективность ЭТС в целом.
Разрешение практической проблемы требует решения научной проблемы. Она заключается в недостаточной общности применяемых методов моделирования и, в силу этого, в необходимости разработки и внедрения в практику новых методов моделирования функционирования ЭЭ в ЭТС.
Решение этих проблем особенно важно в тех случаях, когда от правильного функционирования технического элемента (ТЭ) в составе ЭТС зависит безопасность человека, когда степень готовности ЭЭ к выполнению поставленных задач напрямую определяет уровень надежности и эффективности системы в целом.
Объектом исследования в диссертационной работе являются ЭТС, в которых повышение эффективности применения по назначению достигается за счет предварительного контроля готовности ЭЭ к работе в системе и повышения качества его функционирования путем формирования, при необходимости, оптимального комплексного информационного воздействия на него.
Предметом исследования является ЭЭ с его назначением, индивидуальными свойствами в структуре ЭТС.
Область исследований в диссертационной работе соответствует приоритетному направлению развития моделирования и разработки инструментальных средств управления и контроля функциональной деятельности специалистов по эксплуатации ТС, в том числе и военного назначения, а также в системе образования. В рамках исследований по повышению эффективности применения ТС, подготовки военных специалистов, а также разработки методов, алгоритмов и средств повышения эффективности АСУ ВВС это направление определено приказом Главнокомандующего ВВС РФ от 30 апреля 1996 г.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования ЭЭ в ЭТС на основе новых методов моделирования и применения разработанных инструментальных средств комплексного информационного воздействия (ИСКВ).
Достижение поставленной цели осуществляется путем разработки моделей ЭЭ, методов и алгоритмов формирования комплексного информационного воздействия на него при временных ограничениях с инвариантными свойствами к предметной области, обеспечивающих построение инструментальных средств комплексного воздействия на ЭЭ, а также решением следующих задач:
- исследование принципов построения, методов анализа и моделирования ЭТС, позволяющих выявить задачи, при выполнении которых роль ЭЭ является доминирующей;
- анализ методов моделирования деятельности ЭЭ и способов воздействия на него для достижения заданной цели; - разработка обобщенной модели профессиональной деятельности, структурно-функциональной модели ЭЭ в конкретной предметной области и обобщенной математической модели ЭЭ;
- разработка метода дифференциального куратора (МДК), как теоретической основы математического моделирования функционирования элемента сложной системы (ЭСС) и формирования комплексного воздействия на него, и метода взвешенной выборки (МВВ), позволяющего осуществлять формирование комплексного воздействия на ЭСС в условиях дефицита времени;
- разработка структурно-функциональной модели ИСКВ на основе МДК и МВВ;
- построение обобщенной математической модели выбора и распределения информационных и технических ресурсов ИСКВ с целью оптимизации технологии моделирования процесса функционирования ИСКВ, в условиях замещения и ресурсного конфликта при решении комплексной задачи выбора и распределения ресурсов ИСКВ;
- разработка структурной модели представления знаний в базе знаний ИСКВ и математической модели выбора правил логического вывода информации;
- разработка обобщенного алгоритма принятия решения в условиях ограниченного количества исходной информации и многокритериальности с целью выбора рационального варианта комплексного информационного воздействия на ЭЭ;
- разработка и внедрение инструментальных средств в виде программно-ориентированного комплекса, обеспечивающего выработку рационального комплексного воздействия на специалиста.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы теорий: множеств, искусственного интеллекта, конфликта, нечетких множеств, принятия решений; системотехники, инженер ной психологии, эргономики. Общей методологической основой исследования являлся системный подход.
Научной новизной диссертационной работы является развитие теории системного моделирования, разработка основ математического моделирования функционирования ЭЭ в ЭТС, а именно: моделей ЭЭ, позволяющих отразить его функциональные особенности как элемента эрготехнической системы, а также методов формирования информационного воздействия на него, позволяющих учесть временные ограничения на процесс воздействия, особенности предметной области, в том числе, в разработке:
- обобщенной модели профессиональной деятельности ЭЭ, дающей наглядное представление об ЭЭ, компонентах его деятельности и взаимосвязях между ними;
- структурно-функциональной модели ЭЭ в конкретной предметной области, раскрывающей содержательную часть каждого из компонентов обобщенной модели профессиональной деятельности ЭЭ, позволяющей осуществить выбор показателей качества и критериев для формирования воздействия на ЭЭ;
- обобщенной математической модели ЭЭ, позволяющей моделировать процесс восприятия информации ЭЭ и его деятельность при функционировании ЭТС в целом;
- метода дифференциального куратора как теоретической основы моделирования воздействия на ЭЭ и построения ИСКВ;
- метода взвешенной выборки как теоретической основы моделирования воздействия на ЭЭ при временных ограничениях;
- структурно-функциональной модели ИСКВ, инвариантной к предметной области, позволяющей создавать ИСКВ предметного назначения осуществляющих формирование комплексного информационного воздействия на ЭЭ в условиях дефицита времени и априорной неопределенности. - обобщенной математической модели выбора и распределения информационных и технических ресурсов ИСКВ, в том числе, в условиях замещения и конфликта;
- математических моделей и алгоритмов поддержки принятия решения и выбора правил логического вывода информации базы знаний ИСКВ.
Практическая значимость работы состоит:
- в разработке предметно-ориентированных программных комплексов, включающих совокупность математических и процедурных моделей, алгоритмов реализующих в структуре ЭТС процедуры рационального информационного воздействия на специалиста и контроля уровня его квалификации для применения в составе экспертных систем, АСУ, СППР, АРМ различного предметного назначения;
- в разработке методических рекомендаций по созданию ИСКВ в конкретной предметной области.
Результаты работы могут быть использованы, как непосредственно в практике проектирования и эксплуатации ЭТС предметного назначения, так и в дальнейших теоретических исследованиях проблемы повышения эффективности функционирования ЭТС, в виде проблемно-ориентированных программ обеспечивающих функционирование ЭТС, систем принятия решения, АСУ предметного назначения и т. п.
Реализация и внедрение результатов работы.
Исследования проводились в рамках 12-ти НИР (1995-2003 гг.), основными из которых являются: «Сегмент-ПКУ», № 097166 (Исследование системотехнических вопросов создания автоматизированной подсистемы контроля и управления интегрированными радионавигационными полями радионавигационных систем наземного и космического базирования); «Репетитор», № 29945 (Методическое, алгоритмическое и аппаратное обеспечение для оценки адекватности результатов математического моделирования компьютерных технических систем практического обучения лиц ГРП по управлению воздушным движением в ближней зоне аэродрома при посадке ЛА); «Туман-2000», № 027508 (Разработка предложений по формированию облика алгоритмического и программного обеспечения решения боевой задачи РЭБ и оперативного контроля результатов учебного и боевого применения авиационных средств поражения в условиях преодоления ПВО); «Технология-ВУЗ», № 20143 (Исследование по разработке информационных технологий обучения и внедрения в образовательный процесс вузов ВВС).
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в компьютерной телекоммуникационной информационной среде мониторинга и ситуационного моделирования Тамбовского военного авиационного инженерного института, что подтверждено 11-ю Свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ №№ 2003610008 - 2003610010; 2003610896 - 2003610898; 2002612050 -2002612054. Отдельные компоненты методологии построения и применения ИСКВ, методов и моделей внедрены в: Военно-научном комитете ВВС, Военно-воздушной академии им. Ю. А. Гагарина (пгт. Монино, Московской обл.), Военном университете ПВО (г. Тверь), Воронежском ВИРЭ и других учебных заведениях Министерств обороны, 2-м Центральном научно-исследовательском институте МО РФ, ВНИИРА-УВД (г. Санкт-Петербург), Институте информатизации образования РАО (г. Москва), Управлении связи, радиотехнического обеспечения и автоматизированных систем управления ВВС, научно-производственном предприятии «Топаз» (г. Москва) и т. д., что подтверждено актами о внедрении результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования обсуждались на: Межреспубликанской конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования» (Тамбов, 1993 г.); V Всероссийской НТК «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 1997 г.); Всероссийской НПК «Состояние и перспективы развития дистанционного образования в России» (Москва: ВЦИТ, 1999); Всеармейской НМК «Проблемы внедрения новых ИТ в жизнедеятельность военного ВУЗа» (Тамбов, 1999 г.); VI Всероссийской НТК «Повышение эффективности методов и средств обработки информации» (Тамбов, 2000 г.); II Всеармейской НМК «Проблемы внедрения новых информационных технологий в жизнедеятельность военного вуза» (Тамбов, 2000 г.); Всеармейской ВНК «Актуальные вопросы практической подготовки военных специалистов и пути повышения эффективности боевого применения средств связи, РТО и АСУ ВВС» (Тамбов, февраля 2000 г.); Межвузовской НПК «Творчество: сущность и пути формирования у обучаемых в современных условиях» (Тамбов, 2001 г.); НМК «Мониторинг профессиональной деятельности преподавательского состава - основа повышения педагогического мастерства» (Тамбов, 2001г.); II Всероссийской НТК «Теория конфликта и ее приложения» (Воронеж, 2002 г.); X симпозиуме «Квалиметрия в образовании: методология и практика» (Москва, 2002 г.); III Международной конференции «Кибернетика и технологии 21 века (Воронеж, 2002 г.); Межвузовской НМК «Современные педагогические технологии в военном вузе» (Новочеркасск, 2002 г.).
Кроме того, результаты исследований обсуждались на Межрегиональном совещании по проблемам организации развития единой образовательной информационной среды «Инфосреда - 2002», проведенном Министерством образования РФ 9, 10 июля 2002 г. в г. Тамбове.
Разработанные инструментальные средства демонстрировались на выставках: «Передовые информационные технологии в образовании и повседневной жизни», Выставочно-деловой центр информационных технологий (Москва, ВВЦ 1999 г.); Международном авиасалоне «МАКС 2001» (г. Жуковский, Московской обл.); V Международном салоне промышленной собственности «Архимед-2002» (Москва, Роспатент, 2002 г.); VI Международном салон промышленной собственности «Архимед-2003» (Москва, Роспатент,
2003 г.) и награждены медалями и дипломами. Диссертационная работа выполнена в Тамбовском военном авиационном инженерном институте при тесном сотрудничестве с кафедрой математического моделирования информационных и технологических систем Воронежской государственной технологической академии в рамках совершенствования системы управления войсками, подготовки специалистов по эксплуатации ТС, а также разработки методов, алгоритмов и инструментальных средств повышения эффективности применения ТС по назначению.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 69 печатных работ, из них 1 монография, 11 свидетельств об официальной регистрации программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка используемых источников и приложений.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, дана краткая аннотация диссертации по разделам.
В первом разделе проведено системное исследование принципов построения ЭТС. Выявлены основные элементы ЭТС, сформулированы задачи, решаемые ЭТС. На основании результатов исследования сделаны выводы о структуре ЭТС и задачах, в которых влияние ЭЭ на функционирование ЭТС является наибольшим. Рассмотрены методы анализа ЭТС как сложных систем. Проведен анализ методов воздействия на ЭЭ с целью повышения его квалификации. При несомненных достоинствах этих методов, применение их связано с рядом существенных недостатков, не позволяющих обобщить процесс повышения квалификации ЭЭ в ЭТС. Проведенные исследования позволили обосновать вывод о необходимости совершенствования теоретической основы для создания алгоритмов и инструментальных средств, осуществляющих процесс контроля уровня квалификации ЭЭ и формирования оптимального воздействия на него, инвариантных к предметной области. Во втором разделе на основе анализа функционирования ЭТС, роли и месте ЭЭ в ней разработана обобщенная модель профессиональной деятельности ЭЭ. На ее основе разработана структурно-функциональная модель деятельности ЭЭ в конкретной предметной области. На их основе разработана обобщенная математическая модель ЭЭ, наиболее полно отражающая функциональные процессы по переводу технической системы из текущего состояния в требуемое и позволяющая моделировать процесс восприятия информации ЭЭ и его деятельность при функционировании ЭТС в целом. Результаты проведенных исследований и разработанные модели создали условия для синтеза ИСКВ.
На основе МДК разработана структурно-функциональная модель ИСКВ. Для реализации моделирования функционирования базы знаний в ИСКВ и формирования воздействия на ЭЭ в условиях дефицита времени, разработан метод взвешенной выборки.
Структурно-функциональный анализ модели ИСКВ показал, что для реализации ИСКВ необходимо решить комплексную задачу распределения информационных и технических ресурсов, задачу разработки модели правил логического вывода информации, а также задачу выбора «лучших» сценариев информационного воздействия на эргатический элемент в условиях мно-гокритериальности.
В третьем разделе решена комплексная задача распределения информационных и технических ресурсов ИСКВ. Сделан анализ различных моделей выбора и распределения ресурсов в ИСКВ на основе учета содержательных механизмов их ресурсного взаимодействия. Это определило в рамках общей ресурсной задачи (РЗ) выделение ряда самостоятельных действий, определяемых условиями ресурсного взаимодействия в ИСКВ, таких как условие замещения ресурсов или ресурсный конфликт. На основе анализа ресурсных моделей разработана обобщенная модель выбора и распределения информационных и технических ресурсов ИСКВ. Рассмотрение задачи вы бора и распределения ресурсов с системных позиций позволило определить роль решения РЗ, определяемую необходимостью выделения для формирования воздействия на ЭЭ некоторых видов и объемов ресурсов, которые потребуются для достижения поставленных целей.
В четвертом разделе разработана структура и модель представления знаний в базе знаний ИСКВ. Показано, что для наиболее рационального размещения знаний в базе знаний необходимо представлять их в виде фреймов. Здесь же отмечено, что основной проблемой при решении такой задачи является разработка правил логического вывода информации. Для ее решения разработана модель правил логического вывода информации, позволяющая реализовать алгоритм ввода-вывода знаний, т.е. их выборки и усвоения базой знаний ИСКВ.
В пятом разделе проведен синтез обобщенного алгоритма принятия решений в условиях ограниченного количества исходных данных на основе МВВ, разработанного в разделе 2. Разработанный алгоритм позволит производить выбор наиболее рациональных вариантов информационного воздействия на эргатический элемент для перевода его в целевое состояние. В нем предусмотрены процедуры выявления несогласованности в суждениях экспертов при формировании отношения предпочтения альтернатив и многокритериальной оптимизации.
В шестом разделе показаны возможности практической реализации разработанных методов, моделей и алгоритмов в виде сетевого программного комплекса «Дискуссия» для подготовки специалистов по эксплуатации радиотехнических средств. Разработаны предметно-ориентированные программы, включающие совокупность математических и процедурных моделей, алгоритмов реализующих в структуре СПК процедуры информационного воздействия на специалиста для применения в составе экспертных систем, АСУ, СППР, АРМ различного предметного назначения. В заключении кратко изложены основные результаты диссертационных исследований в виде выводов и дана оценка полученного эффекта.
В приложениях приведены: классификация принципов системного подхода, характеристики наиболее типичных для исследования инструментальных средств, применяемых при тренажнои подготовке, структурно-функциональная модель ЭЭ, а также акты внедрения результатов исследований.
Общий объем диссертации - 329 страниц, из них: список используемых источников на 23 страницах, приложения на 49 страницах. Основной текст диссертации содержит 56 рисунков и 11 таблиц.
Анализ моделей эргатического элемента в эрготехнических системах
При разработке модели ЭЭ и его взаимодействия с ЭТС можно воспользоваться самыми различными подходами. Можно начать, например, с выбора некоторого аналога человека (как сервомеханизма, как устройства обслуживания очереди события, как мультипроцессора и т.п.) и затем построить соответствующее описание [240]. С другой стороны, можно постулировать набор примитивов или аксиом и попытаться обосновать корректность предположений о поведении ЭТС. Можно также начать с некоторого целостного абстрактного представления о свойствах таких систем и, попытаться методами редукции или расчленения выявить компоненты, вносящие основной вклад в поведение системы. Последний подход представляется особенно привлекательным и детально разработан Вулфом, Дженсоном, Ол-деном и Леонардом в 1986 г. Он затрагивает самую суть анализа задач и моделирования с помощью сетей задач. Кроме того, как отмечалось выше, он не препятствует использованию других подходов на стадиях формирования и машинной реализации детализированной модели конкретной системы. Таким образом, результат декомпозиции системы можно рассматривать как некоторую глобальную структуру, указывающую разработчику, пути построения модели. Декомпозиция позволяет подробно обрисовать целое посредством выделения элементарных частей и описания их связей. Однако кроме концептуальной основы аналитику требуется также какая-то имитационная основа или система представления и программной реализации функционального описания модели и взаимосвязи ее частей.
Концептуальная основа может много дать аналитику при разработке имитационной модели. Прежде всего она указывает, какие элементы могут быть учтены в модели, не диктуя при этом, что именно должно быть включено в модель.
В соответствии с ГОСТ 21033—75 концептуальная модель представляет собой «совокупность представлений человека-оператора о целях и задачах трудовой деятельности и состояниях предмета труда, системы человек - машина, внешней среды и способах воздействия на них» [219]. Как следует из этого определения, концептуальная модель содержит относительно постоянную часть, образуемую знаниями, умениями, полученными в предшествующем обучении, профессиональной деятельности. Эта часть концептуальной модели содержит и цель, мотивацию решаемой задачи. Другая часть концептуальной модели - оперативная, быстро меняющаяся. Это представление о текущем состоянии и ближайшем развитии событий, образуемое как за счет информационной модели, органов чувств, так и за счет постоянной концептуальной модели, то есть знаний, опыта, существа решаемой задачи. Согласно ГОСТ 21033—75 под информационной моделью понимается «организованное в соответствии с определенной системой правил отображение предмета труда, системы «человек - машина», внешней среды и способов воздействия на них». В любом случае информационная модель образуется посредством реальных технических устройств, программных средств, физи ческих полей, то есть является объективной реальностью, отражающей текущее состояние системы [219]. Основываясь на вышесказанном, проведем анализ различных подходов к моделированию ЭЭ. По функциональному назначению модели деятельности ЭЭ делят на следующие [56, 81, 82, 96, 109, 128, 142, 218, 225, 246, 247]: информационного поиска и восприятия информации; слежение за процессом; принятие решений; контроля и технической диагностики аппаратуры; групповой операторской деятельности и т.п. По применяемому математическому аппарату известные к настоящему времени модели разделим на четыре группы. К первой группе отнесем модели, учитывающие недетерминированный, случайный характер процессов, протекающих в человеко-машинных системах, и основанных на математических аппаратах: теории вероятностей и случайных процессов [81, 82, 149, 166, 246]; теории информации [109, 166, 204, 246]; теории массового обслуживания [81, 246]; математической статистики [105, 149, 246, 247]. К этой же группе целесообразно отнести модели, основанные на методах теории графов и сетей [246], а также структурно-алгоритмические [218] и системно-структурные [225, 246] модели. Независимо от применяемого математического аппарата перечисленные модели имеют следующие общие черты: - одинаковая целевая направленность - они ориентированны в основном на применение в процессах проектирования и поэтому являются эвристическими; - результаты применения этих моделей, обусловленные их целевой направленностью, носят вероятностный характер; - деятельность человека-оператора здесь представляют четырехзвен-ной структурой (информационный поиск, восприятие информации, принятие решения, реализация решения), в которой не учитываются интенциональные компоненты операторской деятельности [106, 239]; - учет человеческого фактора в этих моделях происходит на уровне изменения переменных, описывающих лишь внешние проявления активности оператора (например, скорость реакции, структура сбора информации, структура управляющих движений, длительность выполнения действия и пр.). Перечисленные свойства моделей данной группы делают практически невозможным их применение для оценивания влияния ЭЭ на эффективность функционирования ЭТС по назначению. Ко второй группе можно отнести модели, основанные на результатах психологического [98, 107, 131, 134, 157, 186, 244], инженерно-психологического [57, 81, 107, 149], психофизического [103, 142, 241] и психофизиологического [103, 197, 233] исследований. Главная целевая направленность этой группы моделей - разработка рекомендаций по инженерно-психологическому проектированию деятельности человека в системах управления, разработка и аттестация рабочих мест, обеспечение проведения профессионального отбора. Результаты применения этих моделей носят, как правило, статистический характер, поскольку основным методическим приемом исследований здесь является эксперимент. Объектом исследований данной группы моделей являются психические (память, восприятие, ощущения и т.п.) и физиологические (работа сердечно-сосудистой системы, реакции центральной нервной системы, легочная вентиляция и т.п.) процессы в различных условиях трудовой деятельности человека (штатных и экстремальных, при одиночном или групповом выполнении и т.д.). Получаемые эмпирические данные являются хорошей основой для разработки в дальнейшем соответствующих моделей интенциональных компонентов операторской деятельности человека в ЭТС. Вместе с тем следует отметить, что модели данной группы описывают внутренние (интенциональные) компоненты обеспечения деятельности человека-оператора и могут быть применены только в сочетании с моделями других групп.
Разработка обобщенной модели профессиональной деятельности эргатического элемента
Одной из главных целей информационного воздействия на ЭЭ (специалиста) является повышение способности эффективно исполнять должностные обязанности по назначению. Формирование необходимых первичных профессиональных навыков у специалистов, осуществляется в образовательных учреждениях на основе реализации квалификационных требований, учебных планов и программ [7].
Профессиональное соответствие специалиста проявляется в том, что он успешно осваивает комплекс знаний, умений и навыков по специальности, творчески выполняет свои должностные функции, проявляя при этом самостоятельность и испытывая чувство удовлетворения от своей деятельности.
Формируется профессиональное соответствие специалистов требованиям профессиональной деятельности (ПД), в учебных заведениях. Но в процессе выполнения специалистом своих обязанностей (взаимодействия ЭЭ с ЭТС) существует необходимость формирования на него информационного воздействия для повышения эффективности ЭТС в целом. Эти процессы (обучения и подготовки) организуются на основе «Квалификационных требований к профессиональной подготовке выпускников» по той или иной специальности. Этот руководящий документ, наряду с характеристикой специальности и общими требованиями к профессиональной подготовленности (Ш1) специалиста, объектами и видами профессиональной деятельности, предназначением выпускника, определяет требования к уровню его квалификации. Под термином профессиональная подготовка будем понимать степень владения специалистом необходимыми знаниями, умениями и навыками для работы в системе [27, 30]. Основной целью профессиональной подготовки является обеспечение требуемого уровня квалификации в соответствии с его специальностью или специализацией. Следовательно эффективность информационного воздействия определяется степенью соответствия структуры и содержания 1111 требованиям, предъявляемым к профессиональной деятельности специалиста.
В целях обоснования требований к уровню профессиональной подготовки специалистов необходимо, прежде всего, определить требования к деятельности специалиста в конкретной предметной области (например: эксплуатация систем связи, посадки и т.д.).
Эти требования, в настоящее время, формулируются на основе анализа должностных инструкций и перечней функциональных обязанностей, приведенных в руководящих документах; данных наблюдений за деятельностью специалистов во всех формах ее проявления; результатов экспертных и анкетных опросов руководящего состава организаций, в которых протекает профессиональная деятельность специалистов одного направления; преподавателей вузов, в которых осуществляется базовая подготовка специалистов; личного опыта работы; социально-психологических и медицинских исследо-ваний деятельности специалиста в различных условиях обстановки и деятельности специалистов непосредственно на производстве.
Однако такая методика не позволяет исчерпывающе определить степень соответствия качества подготовленности специалиста к непосредственному выполнению обязанностей по предназначению. Для разрешения этой проблемы целесообразно разработать метод, позволяющий определять степень адекватности качества подготовленности специалиста к выполнению обязанностей по предназначению в соответствие с требованиями профессиональной деятельности. Основой для разработки такого метода должна служить модель профессиональной деятельности специалиста, разработанная для конкретной предметной области [27, 151].
Для разработки модели профессиональной деятельности ЭЭ в конкретной предметной области необходимо, в первую очередь, провести исследования его профессиональной деятельности в этой области. Источниками исходных данных для построения модели профессиональной деятельности конкретного специалиста являются: - должностные инструкции; - перечень функциональных обязанностей, приведенных в руководящих документах; данные наблюдений за деятельностью специалистов во всех формах ее проявления; результаты экспертных и анкетных опросов руководящего состава организаций, в которых протекает профессиональная деятельность специалистов одного направления и преподавателей вузов, в которых осуществляется базовая подготовка; личный опыт выполнения функциональных обязанностей по предназначению; - социально-психологические и медицинские исследования деятель ности специалистов в различных условиях обстановки. На основе системного анализа результатов исследований разработана обобщенная модель профессиональной деятельности ЭЭ [22, 27].
В ходе исследований уточнены основные направления деятельности специалиста, перечень задач (проблем) которые он решает при выполнении функциональных обязанностей, типы деятельности, обобщены данные о содержании основных обязанностей, выполняемых в соответствии с требованиями профессии, знания, умения и навыки, с помощью которых достигаются требуемые результаты, личные качества - индивидуально-типические параметры личности, которые обеспечивают успешность деятельности в избранной области. Обобщенная модель профессиональной деятельности ЭЭ представлена на рисунке 2.4. Она дает наглядное представление о специалисте, о компонентах деятельности и взаимосвязях между ними. Однако она не раскрывает содержательную часть каждого из компонентов модели деятельности и модели ЭЭ, что не позволяет применить для ее подробного анализа метод декомпозиции. Для получения этих данных на основе результатов исследований профессиональной деятельности выпускников базового, для специальности «Эксплуатация и ремонт радиотехнических средств обеспечения полетов авиации» (направление 654200 - Радиотехника и специальности 201600 - Радиоэлектронные системы) [ПО], Тамбовского военного авиационного инженерного института в частях войск связи, РТО и АСУ ВВС, а также специалистов гражданской авиации, разработана структурно-функциональная модель профессиональной деятельности ЭЭ (приложение В).
Системное исследование конфликта в информационных эрготех-нических системах
При решении ЗВРР в условиях функционирования ИЭТС может возникнуть ситуация, когда некоторые элементы ИЭТС в процессе достижения своих локальных целей, взаимодействуя друг с другом и с внешней средой в рамках единой ИЭТС с общей целью, вступают между собой в конфликт из-за ресурса.
На сегодняшний день теория конфликта, связанная единством методологических подходов к синтезу процедур решения подобных проблем, отсутствует. Это связано прежде всего с тем, что каждый конфликт уникален и специфичен. Исследование конфликта требует математического аппарата, учитывающего многоаспектность, многомерность, неоднозначность и неопределенность анализируемого процесса. Отсюда следует, что подобные задачи следует отнести к классу, трудноформализуемых, для которых, как правило, не удается применить точные алгоритмы их решения, если только не ослабить требования и рассматривать ее решение в другом контексте.
В [94] конфликт рассматривается как способ взаимодействия сложных систем. Можно определить два пути системного исследования конфликта: - описание взаимодействия систем, в достаточно общем виде, с учетом всех существенных факторов, обнаружение и исследование конфликтующих сторон, возможного характера их взаимодействия, причин и механизмов конфликтов; - в предположении, что стороны, причина и характер конфликта известны, выделить главный с точки зрения исследователя фактор (в крайнем случае 2-3 фактора) и построить простейшую расчетную модель для оценки значимости априорного фактора и результатов конфликта, естественно, что рамки применения такой модели достаточно узки; Выбор того или иного пути зависит от целей и наличия вычислительных ресурсов исследователя. К настоящему времени общепринятого определения конфликта не существует. По Булдингу [208] конфликт - это состояние, в котором стороны стремятся достичь несовместных положений. Этому противоречит концепция о возможности разрешения конфликта посредством соглашения [201,208]. В ряде работ конфликт исследовался на основе математической теории игр, искался путь к достижению «оптимального» решения [113, 132, 196]. Действительно, теория игр позволяет: - структурировать задачу, представить ее в обозримом виде, найти область количественных оценок, упорядочений, предпочтений и неопределенности, выявить доминирующие стратегии; - решить задачи, которые описываются стохастическими моделями; - выявить возможность достижения соглашения и исследовать поведение систем, способных к соглашению (кооперации), то есть области взаимодействия внутри седловой точки. Методологические, теоретические и прикладные аспекты теории игр обстоятельно рассмотрены в работах Дж. Неймана и О. Моргенштерна [156], Ю. Б. Гермейера [76], Н.Н. Воробьева [71, 72], и других ученых [68, 99, 125, 140, 182, 183-185, 234]. Общие вопросы построения теоретико-игровых мо 116 делей и многие принципы оптимальности подробно обсуждаются в книге Р.Д. Льюиса и X. Райфа [137]. Для исследования реальных конфликтов такого аппарата недостаточно, так как теория игр «страдает» концептуальной неполнотой в том смысле, что она ищет решение, оптимальное или рациональное, в среднем, в то время как каждый конфликт уникален и специфичен. Исследование конфликта требует аппарата, учитывающего многомерность, неоднозначность и неопределенность анализируемого процесса. Эта проблема может быть решена в результате применения при наличии соответственной неопределенности лингвистического подхода [18, 61, 58, 59, 62, 102, 61, 165] к построению моделей принятия решения (МПР) в условиях конфликта. Лингвистические МПР в конфликтной ситуации имеют некоторые преимущества по сравнению с решениями, получаемыми в теории игр [211]. Формализация конфликтной ситуации неизбежно порождает систему ограничений, допущений, без которых решение математической модели невозможно, т. е. модель как таковая недостаточно адекватно отражает сущность конфликта. В то же время, несмотря на субъективность, лингвистические МПР дают определенную информацию и рекомендации по рациональному поведению в конфликте, тогда как игровой подход прелагает результаты, которые еще надо анализировать. В [94] сделана попытка системного исследования проблем конфликта, выявления формально разрешимых ситуаций и обоснования решения исходя из концепции системотехники. Область ее применения определяется адекватностью модели, в конечном итоге - полнотой информации, которой располагает исследователь, и включением этой информации в модель. Для того чтобы построить системную модель конфликта, необходимо: - ввести множество показателей качества; - сформировать функциональное пространство системы, определить метрику; - определить зависимость между показателями качества в функцио нальном пространстве системы. Конфликтные зависимости имеют важные общие свойства: - многоаспектность оценки; - возможность скачка (математической катастрофы) [112]: при некоторых условиях интенсивность взаимодействия изменяется скачком, хотя эффективности по своей природе такого изменения не допускают; - многоэкстремальность: в области изменения эффективности конфликтующих систем интенсивность взаимодействия может иметь несколько максимумов и минимумов; - неоднозначность: интенсивность взаимодействия может иметь различную зависимость от эффективностей конфликтующих систем; - неопределенность: в области изменения эффективностей конфликтующих систем интенсивность взаимодействия может принимать множество значений, которые неопределимы.
В работах [211, 221, 223] вводится понятие конфликта функционирующих систем Si и S2. Было введено отношение К - конфликта между S2 и Si в рамках общей системы S в процессе достижения общей цели W (S2 К Si). Показано, что при наличии количественно измеримой цели (q (S) - вещественная функция полезности) система S2 конфликтует с системой Si, если q (Si , S2) q (Si , S2 ), где запись S2 означает отсутствие в окружении S системы S2- Определение означает, что присутствие S2 уменьшает общую полезность достижения цели W системы S в смысле критерия q. Аналогично были введены отношения коалиции и нейтральности [220].
Моделирование процесса автоматического извлечения и усвоения знаний
Для устранения недостатков диалогового извлечения знаний и обеспечения непрерывности развития конкретных баз знаний предприняты многочисленные попытки автоматизировать генерацию новых знаний. Системы искусственного интеллекта и экспертные системы, имеющие функцию автоматической генерации новых знаний, основаны на моделировании механизма приобретения новых знаний ЭЭ, моделировании обнаружения причин получения ошибочных решений задач и корректировки правил логического вывода, на сборе и обобщении фактов и применении результатов обобщения как новых знаний [251]. Получает развитие метод генетических алгоритмов [249], которые основаны на моделировании наследственности и эволюции в понимании популяционной генетики. Системы, реализующие данный метод самообучения показывают высокие результаты генерации новых знаний. Однако в своей работе они требуют обширной базы первоначальных знаний и сложных алгоритмов их обработки. В связи с этим, в технической литературе [8, 249, 251] отмечается, что на сегодняшний день всего несколько систем (например, EURISKO, AM, LS-1) отвечают условиям автоматической генерации знаний, но эти системы не имеют широкого применения, а рассматриваются как лабораторные образцы.
Целенаправленное исследование предметной области на основе ее модели, построенной экспертом, представляет собой метод извлечения и усвоения знаний, который должен сочетать в себе достоинства первых двух методов. Данный метод предназначен для организации целенаправленного диалога эксперта и системы с целью построения необходимой базы знаний [251]. Теоретической основой этого метода служит теория конструктов [212], которая для моделирования предметной области предусматривает построения репертуарных решеток. При этом столбцы репертуарных решеток соответствуют элементам, объектам и понятиям моделируемой предметной области. Строки решетки являются конструктами, каждая из которых представляет собой оценочную шкалу (ось) элементов, объектов и понятий предметной области. Задача заполнения репертуарной решетки сводится к взаимной оценке каждого объекта по всем конструктам и статистической обработке полученных результатов заполнения. Такой подход позволяет выявить связи и иерархию отношений между конструктами и получить от эксперта знания, выражаемые им в неявном виде. При заполнении репертуарных решеток выявление конструктов производится методом диад и триад, который, по сути, является определением бинарных и тернарных отношений на множестве элементов исследуемой предметной области. При этом процесс заполнения репертуарных решеток происходит под управлением системы, а результатом их статистической обработки служит граф импликаций исследуемой предметной области. Системы, построенные на основе теории конструктов (например, ETS, AQUINAS, KELLY) показали свою высокую эффективность в области извлечения экспертных знаний. Однако лучшие образцы систем подобного типа реализованы на специальной технической базе [91, 158, 249], они наиболее эффективны при структуризации предметных областей, но трудно применимы к выявлению процедурных знаний и стратегий, т.е. правил принятия решений и правил применения этих правил.
На основании выполненного анализа можно заключить: - на современном этапе развития средств искусственного интеллекта и экспертных систем для создания промышленных образцов экспертных систем процесс извлечения и усвоения знаний целесообразно организовать на основе разделения функций между экспертом и системой, в этом случае, на систему следует возложить функции инженера по знаниям, т.е. организацию целенаправленного извлечения новых знаний, обеспечение управления процессом и оценку полученных знаний на полноту и непротиворечивость; - структуризация предметной области экспертной системы, выполненная на основе построения морфологического пространства решений не противоречит теории конструктов, так как позволяет получить репертуарную решетку, граф импликаций и набор отношений Н; на множестве решений, которые можно выразить комбинацией бинарных отношений; - целенаправленность извлечения новых знаний типа правил принятия решений и организацию управления этим процессом следует обеспечить на основе модели целевого исследования, которая выражает также структуру конкретной задачи выбора (4.3) и содержит признаки искомых правил логического вывода. В результате исследований было установлено, что модель целевого на учного исследования выражается набором (2.3) и позволяет определить не обходимый и достаточный объем знаний для решения каждой конкретной за дачи выбора (4.9). Следует считать, что если известна цель решения за дачи W, образ предполагаемого или искомого результата R, исходные дан ные для решения задачи U и правило или совокупность правил F преобразо вания исходных данных в результат R, то имеющийся объем знаний достато чен для решения поставленной задачи. Отсутствие (неизвестность) любого компонента модели целевого исследования определяет невозможность реше ния задачи и предполагает необходимость выполнения процесса извлечения и усвоения соответствующих знаний. В современной теории экспертных систем [214] различают два метода поиска решения: обратный поиск и пря мой поиск. Обратный поиск предусматривает движение от цели к данным. Этот метод характерен для задач контроля, построения и доказательства тео рем, а также для других задач, связанных с нахождением и проверкой раз личных гипотез. Прямой поиск основан на движении от данных к цели и применяется при решении задач на хорошо структурированных предметных областях с четкой иерархией целей. Как правило, создаваемые базы знаний ориентируются на обратное или прямое решение задач. Это, в свою очередь, определяет модель извлечения и усвоения новых знаний.
