Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Проблема обеспечения надежности и безопасности эргатических систем управления (ЭСУ) в условиях современной техногенной концентрации является крайне значимой.
Анализ состояния аварийности в ЭСУ свидетельствует, что причины более 56 % аварий обусловлены человеческим фактором, при этом для ЭСУ подвижными объектами показатель аварийности увеличивается до 70 %, из которых 80 % приходится на действия оператора в режиме повышенной напряженности, во внештатных режимах и в условиях дефицита времени.
Таким образом, оператор ЭСУ определяет качество функционирования и ограничивает ее надежность и эффективность, поэтому проблема обеспечения надежности человека-оператора является важной и актуальной.
Одной из наиболее действенных мер по обеспечению надежности операторской деятельности является профилактика нарушений, возникающих при выполнении профессиональных обязанностей посредством профессионального отбора кандидатов на операторские должности.
Принято считать, что профотбор позволяет снизить отсев при профессиональном обучении на 30...40 %, уменьшить стоимость подготовки специалистов и сократить аварийность на производстве.
Вопросы, связанные с исследованием надёжности оператора и его профпригодности, рассмотрены в работах В. А. Бодрова, В. Ф. Венды, С. Г. Гел-лерштейна, Е. В. Глебовой, А. И. Губинского, В. В. Давыдова, Н. Д. Завало-вой, Е. А. Климова, А. А. Крылова, В. С. Лазарева, А. Н. Леонтьева, Б. Ф. Ломова, Р. С. Мансурова, В. Д. Небылицына, Г. С. Никифорова, В. Я. Орлова, А. А. Пископпеля, К. К. Платонова, К. А. Пупкова, Г. Г. Себря-кова, Г. В. Сухо дольского, Б. М. Теплова, К. Вю, X. Койво, Я. Лью, К. Терво, Р. Фаена, Д. Шпытко и многих других.
Установлено, что для успешного обучения и эффективной профессиональной деятельности оператор должен обладать профессионально-важными качествами (ПВК), необходимыми для решения его профессиональных задач.
При этом задача оценки профпригодности не тривиальна с силу недостаточно полной и нечеткой информации о структуре профпригодности оператора, сложности формализации процессов операторской деятельности, многочисленными перекрестными связями между ПВК и критериями их выбора.
Результаты анализа средств профотбора, учитывающих особенности операторского труда и его специализацию, свидетельствуют о необходимости использования интеллектуальной информационной поддержки принятия решений. Современные методы поддержки принятия решений в условиях неопределенности и реализация алгоритмов поддержки принятия решений рас-
смотрены в работах В. И. Васильева, М. Б. Гузаирова, Б. Г. Ильясова, А. В. Мельникова, В. В. Миронова, Н. Саймона, Б. Алена, Р. Бергмана и др.
В то же время наблюдается неполнота решения проблемы профотбора на основе достижений современных интеллектуальных технологий. Поэтому приходится констатировать отсутствие методологии оценки профпригодности операторов, учитывающей операторскую специализацию и многосвязную систему ПВК, единого методического подхода проведения исследований.
В связи с этим на основе интеграции системных принципов и общенаучных подходов к построению сложных многоуровневых систем требуется разработка методологических основ оценки профпригодности оператора ЭСУ, моделей и алгоритмов оценки ПВК, способов оценки профпригодности и системы поддержки принятия решений (СППР), обеспечивающих повышение точности и достоверности оценки.
Совокупность вопросов, связанных с комплексной разработкой методологии, моделей, алгоритмов и программно-технического обеспечения СППР при оценке профпригодности оператора ЭСУ, определяет цель и задачи диссертационной работы.
Объектом исследования являются системы поддержки принятия решений при оценке профпригодности оператора в структуре ЭСУ.
Предметом исследования является совокупность способов и алгоритмов оценки профпригодности оператора ЭСУ и интеллектуальной информационной поддержки на основе слабо формализованной разнородной информации.
Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-практической проблемы разработки методологических основ оценки профессиональной пригодности операторов ЭСУ, их реализации и автоматизации с использованием СППР и применением интеллектуальных технологий на основе иерархической модели профессиональной пригодности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методологию оценки профпригодности оператора ЭСУ на основе приобретения и обработки знаний об операторской деятельности.
-
Разработать модель профпригодности как модель взаимосвязи ПВК и использовать ее при формировании интегральной оценки профпригодности оператора ЭСУ.
-
Разработать модель взаимодействия оператора и технической системы при осуществлении операторской деятельности и решении задачи зрительно-моторного слежения за объектом управления.
-
Разработать способы оценки ПВК оператора ЭСУ, реализующие единый методический подход к проведению исследований.
-
Разработать структуру СППР при оценке профпригодности, элементы которой позволяют обеспечить оценку ПВК, информационную поддержку
принятия решений при обработке слабо формализованной информации, формирование программы тренировки для подготовки оперативного персонала, реализовав единство методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения.
-
Разработать методику проведения тестирования и оценки профпригодности оператора ЭСУ, адаптированную под управление транспортно-технологическими машинами.
-
Разработать алгоритмическое обеспечение и комплекс программных средств реализации предложенной методологии оценки профпригодности, а также информационной поддержки принятия решений с использованием интеллектуальных технологий.
-
Реализовать полученные результаты теоретического и экспериментального исследования в виде СППР при оценке профпригодности операторов транспортно-технологических машин и исследовать ее эффективность.
Методы исследований используют методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа, аппарат теории нечетких множеств, методы экспертных оценок, теории случайных процессов, методы интеллектуального анализа данных, теории рассуждений в условиях неопределенности.
Достоверность полученных результатов основана на том, что в теоретических построениях использовались законы и подходы, справедливость которых общепризнанна, а также известный и корректный математический аппарат; вводимые допущения мотивировались фактами, известными из практики. Достоверность и обоснованность научных положений подтверждена также тем, что полученные в работе теоретические результаты согласуются с данными, полученными в ходе имитационного и натурного эксперимента, и подтверждаются опытом внедрения СППР при оценке профпригодности операторов транспортно-технологических машин. Разработанные способы и устройства защищены патентами РФ.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Методология оценки профпригодности оператора ЭСУ на основе приобретения, обработки и представления знаний об операторской деятельности, основанная на интеграции системных принципов и общенаучных подходов к построению сложных многоуровневых систем управления.
-
Модель профпригодности, описывающая зависимость интегрального показателя профпригодности от профессионально-важных качеств.
-
Модель взаимодействия оператора и технической системы при зрительно-моторном слежении за объектом управления, представляющая собой следящую систему.
-
Способы оценки ПВК посредством определения характеризующих их психофизиологических (ПФ) параметров, реализующие единый методиче-
ский подход к приобретению, обработке и интерпретации измерительной информации.
-
Структура системы поддержки принятия решений, реализующая единство методического, алгоритмического и программно-технического обеспечения, что позволяет осуществлять эффективное приобретение, обработку и представление знаний при оценке профпригодности оператора ЭСУ.
-
Методика проведения тестирования и оценки профпригодности операторов транспортно-технологических машин.
-
Алгоритмическое обеспечение и комплекс программных средств реализации предложенной методологии оценки профпригодности и информационной поддержки принятия решений с использованием интеллектуальных технологий.
-
Результаты экспериментальной проверки эффективности предложенной методологии, способов оценки ПВК, системы поддержки принятия решений при оценке профпригодности операторов транспортно-технологических машин и алгоритмов ее функционирования.
Научная новизна результатов:
-
Разработанная методология основана на интеграции общенаучных подходов, системных принципов и общих закономерностей построения, функционирования и развития сложных систем и отличается тем, что позволяет рассматривать профпригодность как единую многосвязную систему ПВК, формирование которых осуществляется путем анализа операторских действий и характеристик профессиограммы.
-
Новизна разработанной модели профпригодности состоит в построении интегральной оценки профпригодности в классе иерархических систем, что позволяет учесть систему взаимных связей между ПВК и результатами ПФ тестирования, повысить полноту и точность принятия решений, сформулировать функционал качества для тренировки оперативного персонала.
-
Новизна модели взаимодействия оператора и технической системы при зрительно-моторном слежении заключается во введении контура регулирования по принципу обратной связи, состоящего из ветви «объективного регулирования», ветви «субъективного регулирования» и ветви обратной связи по оператору, реализующую функцию памяти предыдущего состояния. Разработанная модель позволяет объяснить эффект когнитивного диссонанса при вынесении решений оператором.
-
Новизна способов оценки ПВК оператора посредством ПФ тестирования, реализованных в трех подходах, обеспечивающих единство методики измерений, заключается в использовании перцептивно простого тестового материала, варьировании условий задачи зрительно-моторного слежения, потенциала одного теста для оценки нескольких ПВК.
-
Разработанная структура СППР отличается применением схемы иерархического нечеткого вывода и наличием измерительной, информационной и тренажерной подсистем, обеспечивающих соответственно получение результатов ПФ тестирования, вынесение оценки профпригодности и формирование индивидуальной программы тренировки для подготовки операторов.
-
Новизна методики оценки профпригодности оператора заключается в формировании программы тестирования, учитывающей специфику операторской специализации, на основе анализа матрицы семантической связанности ПВК, что позволило сократить время приобретения информации, повысить ее точность и достоверность, обеспечить повторяемость и воспроизводимость эксперимента с учетом явлений обучения и адаптации испытуемого, удовлетворение требований неизбыточности данных.
-
Разработанное алгоритмическое обеспечение отличается тем, что оно позволяет в комплексе с моделями профпригодности и процесса принятия решения реализовать информационную поддержку принятия решений о профпригодности оператора ЭСУ с использованием интеллектуальных технологий, обеспечить эффективное накопление знаний и возможность развития СППР. Разработанные программные средства характеризуются новизной предложенных алгоритмов и включением соответствующих программных модулей в общую структуру СППР, что позволило обеспечить выполнение всех функций приобретения, обработки и использования психофизиологической информации в реальном масштабе времени. Алгоритмическое и программное обеспечение интерфейсного модуля СППР отличается реализацией многопользовательского режима работы, что обеспечило масштабируемость и увеличило пропускную способность системы.
-
Результаты экспериментальных исследований позволяют оценить эффективность СППР при оценке профпригодности, исследовать и установить зависимость ПФ параметров от внешних и внутренних факторов, выявить взаимосвязь между отдельными ПВК.
Практическая ценность
Научные результаты работы явились основой создания СППР при оценке профпригодности операторов транспортно-технологических машин, учитывающей взаимосвязанность методического, алгоритмического обеспечения и программно-технического обеспечения.
Практическую ценность диссертационного исследования представляют разработанные способы оценки ПВК оператора посредством ПФ тестирования, которые позволили повысить точность измерения инерционности зрительного восприятия на 14,2 ...75,4 %, лабильности на 16,7 ... 37,4 %, времени реакции на движущийся объект на 14,3 ... 42,5 %.
Полученные экспериментальные оценки психофизиологических показателей, характеризующих ПВК, позволили определить точностные характе-
ристики оценок, дать рекомендации по применению способов их измерения и обеспечили информационное наполнение базы знаний, в результате чего повышена точность оценки и снижена ее вычислительная сложность.
Результаты использования СППР при оценке профпригодности операторов при формировании групп обучающихся по специальности «Оператор транспортно-технологических машин» показали повышение эффективности в 1,5-2 раза за счет уменьшения отсева при профессиональном обучении.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использовались при выполнении НИР, в которых автор являлся научным руководителем: ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» госконтракт № 02.442.11.7329 от 06.03.06; РФФИ № 06-08-00988-а; АВЦП Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» № 2.1.2/4841 и №2.1.2/11610; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. госконтракт № 1005П от 20 августа 2009 г.; грант Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МК-913.2009.8; РФФИ 10-08-97019-Поволжье_а.
Результаты проведенных исследований внедрены и используются при организации проектной и производственной деятельности ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт механизации и энергетики лесной промышленности «ЦНИИМЭ», ООО «Фирма «Лестехком», ЗАО «Йошкар-Олинский инструментальный завод», ООО «Гласстрейд», ООО научно-производственный центр «Поиск МарГТУ», Межрегионального отраслевого ресурсного центра в области лесного хозяйства ПГТУ.
Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедре проектирования и производства электронно-вычислительных средств ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет» при преподавании дисциплин по направлению «Управление в технических системах» и ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева-КАИ» при преподавании дисциплин по направлению «Информатика и вычислительная техника».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 всероссийских и 26 международных НПК, наиболее значимые из которых: международная конференция «Eurodisplay-2009: International Display Research Conference» (Италия) (при поддержке гранта РФФИ 09-08-09313-моб_з); международная конференция «Junior Scientist Conference 2010» (Австрия); международный симпозиум «Ecology&Safety-2010» (Болгария) (при поддержке гранта РФФИ 10-08-09271-мобз); международные конференции «Advances in Computer-Human
Interactions» ACHI-2011 (Франция) и ACHI-2012 (Испания, 2012), IX Всероссийская школа-конференция «Управление большими системами» УБС-2012 (Липецк); 5-я Российская мультиконференция по проблемам управления МКПУ-2012 (СПб).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 печатных работ, в том числе 28 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 монография и 32 патента РФ на изобретение и 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, включающего 380 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 411 страницах машинописного текста. Работа содержит 130 рисунков и 41 таблицу.
