Введение к работе
Актуальность проблемы. Описание, оценка, оптимизация -данная триада концепций является той нитью Ариадны, которой подчиняется все многообразие проблем, связанных с исследованием, проектированием, созданием, испытанием и эксплуатацией человеко-машинных систем (ЧМС).
В Советском Союзе в 1960-1990 гг. была разработана функционально-структурная теория описания, анализа и проектирования ЧМС (А.И. Губинский, В.Г. Евграфов, П.Р. Попович, Г.М.Колесников и др.), ядром которой является обобщенный структурный метод А. И. Гусинского (1977).
В основу обобщенного структурного метода положены антропоцентрический подход к роли и месту человека в человеко-машинной системе: идеи алгоритмизации профессиональной деятельности и идеи вероятностно-статистического моделирования. Формализованное описание ЧМС, необходимое для вычисления вероятности безошибочного выполнения системой задачи и затрат времени (стоимости), строится в виде так называемой функциональной сети. Она представляет собой изображение логико-временной последовательности событий, с которыми связаны возникновение, обнаружение и устранение ошибок в выполняемых операциях, а также обнаружение и устранение отказов в используемых технических средствах.
Следует отметить, что структурный метод не единственный метод формализации данных в дискретном процессе функционирования ЧМС. Среди других можно отметить: операционно-психологический (Зараковскйй, 1966), структурно-алгоритмический (Суходольский, 1976), логико-комбинаторный (Анкудинов, 1986), вероятностно-алгоритмический (Ротштейн, 1989).
В работах [1, 6, 24, 25, 30] отмечается, что основными проблемами обобщенного структурного метода, затрудняющими его непосредственное использование при проектировании ЧМС и требующими его дальнейшего развития, являются:
1. Отсутствие моделей и методов оптимального проектирования ЧМС непосредственно на функциональных сетях. Большинство разработанных моделей и алгоритмов оптимизации посвящено решению единственной задачи: выбору способов выполнения элементов ФС (например, рабочих и контрольных операций). Такая постановка задачи, являясь наиболее общей в теоретическом отношении, оказывается не всегда удобной в практических приложениях.
2. Отсутствие статистических моделей, методов планирования и обработки результатов испытаний ЧМС, методик и специализирован ного программного обеспечения, учитывающих специфические структуры наблюдаемых и обрабатываемых данных.
В целом при статистической обработке результатов экспериментальных исследований человеко-машинных систем необходимо выделить две главные задачи:
- оценивание неизвестных параметров распределений;
- оценивание неизвестных параметров регрессионных уравнений.
Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что она вы полнялась а соответствии с координационным планом АН СССР "Системный анализ, исследование операций и имитационное моделирование" на 1981 - 1985гг., раздел 1.12.8.4 Методы и задачи исследования операций", п.З "Разработка человеко-машинных систем принятия решении", утвержденным 24.09.1981 г.; координационным планом НИР вузов страны в области технической кибернетики на 1982 - 1985 гг. - по.проблеме "Исследование и разработка методологии повышении эффективности процессов принятия решений при автоматизации объектов планирования и управления народного хозяйства", раздел 3.1. "Исследование путей и методов повышения качества принимаемых решений", утвержденным приказом Минвуза СССР №1309 от 30.12.1982 г.; комплексной программой повышения надежности ДВК на 1986-1990 гг. "Программы ДВК-90", утвержденной приказом МЭП СССР от 13.09.85г.; комплексной программой МЭП СССР "О дальнейшем повышении качества и надежности микропро цессорных средств вычислительной техники МСВТ и видеомагнитофонов и о введении отраслевой системы экспертной оценки качества и надежности МСВТ" на 1988-1990 гг., утвержденной приказом МЭП СССР № 63 от 02.02.1988 г., НИР "РАЛЛИ-88" "Организация и внедрение систем технологических тренировок и отбраковочных испытаний МСВТ и входящих в них составных частей и блоков на предприятиях отрасли".
Цель работы - разработка научных основ идентификации и оптимального проектирования человеко-машинных систем на основе вероятностных моделей по группированным данным.
Основными задачами являются:
- разработка и исследование методов построения вероятностных моделей по группированным данным в приложении к оцениванию надежности процессов функционирования ЧМС;
- разработка методов оптимального планирования испытаний для регрессионных уравнений по группированным откликам;
- разработка методов оптимального проектирования человеко-машинных систем, описываемых функциональными сетями; - разработка алгоритмического и программного обеспечения и его применение для решения конкретных прикладных задач исследования, проектирования и экспертизы человеко-машинных систем.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался аппарат теории вероятностей, математической статистики, надежности, функциональных сетей, математического программирования. Перечисленный аппарат применялся в рамках методов имитационного моделирования, планирования экспериментов. Результаты исследований получены путем теоретических и машинных расчетов, базируются на системном подходе, охватывающем теоретические и практические предложения, и целевом принципе.
Научная новизна. В диссертации разработаны исходные элементы нового научного направления - идентификация и оптимальное проектирование эргатических систем на базе вероятностных моделей по группированным данным. А именно, в работе:
1) дана классификация и типизация структур экспериментальных данных, имеющих место в практике испытаний, а также моделей и методов оптимизации в задачах проектирования ЧМС;
2) предложены, исследованы и доведены до практической реализации методы:
- оценивания неизвестных параметров непрерывных законов распределений вероятностей и регрессионных моделей по группиро ванным данным, в частности, впервые поставлены и решены задачи построения рекуррентных и байесовских оценок параметров распре делений, получены необходимые и достаточные условия оптимальности планов эксперимента для линейных и нелинейных регрессионных моделей при группированном отклике;
- решения оптимизационных задач проектирования ЧМС, опи сываемых функциональными сетями, в частности, метод последова тельно-укрупняемых эквивалентных структур, не требующий перехода к полумарковским процессам принятия решений;
3) получены вероятностные модели пригодные для идентификации различных реальных ЧМС, в частности, модели распределения количества отказов для планов типа [N, В, 7] испытаний на надежность с использованием группированных данных об отказах, обобщенная регрессионная модель надежности ЧМС.
Реализация результатов исследования. Теоретические результаты работы доведены до удобных для практического применения формул, алгоритмов, методик, применены для разработки прикладного математического обеспечения, которое использовано:
при выборе рациональной системы ведения и хранения баз дан ных и распределении средств повышения вероятности безошибочного выполнения алгоритмов деятельности в технологических процессах обработки информации (НПО "Ленэлектронмаш", г. С.-Петербург, 1982);
- при проведении комплексных испытаний на надежность диалоговых вычислительных комплексов и входящих в них устройств (ВНИИ "Электронстандарт", г. С.-Петербург, 1990);
- при исследовании деятельности оператора дисплея в режимах ввода и редактирования информации и оптимизации параметров видеомониторов и дисплеев (ЦКБИТ, г. Винница, 1989), а также вошло составной частью в специализированные программные комплексы:
1. Автоматизированная информационная система "Бездефектность производства" (ЦНИИ ИНФРАКОН, г. Винница, 1989);
2. Автоматизированная система планирования и обработки результатов технопрогона электронных дисплеев (ЦКБИТ, г. Винница, .1990);
3. Программная система экспрессного термического анализа стали СОУТ-7285. (ОПКБ "Черметавтоматика", г. Караганда, 1991),
4. Программная система интеллектуальной поддержки исследования, проектирования и испытания человеко-машинных систем "ИНТЕЛЛЕКТ" (СПбГЭТУ, г. С.-Петербург, 1992).
Разработанные алгоритмы и программы использовались и при решении задач из области электромеханики (НИИКЭ), металловедения (каф. МРС НГТУ), медицины (ИКЭМ), биологии (СИБНИИЗХИМ), строительства (НГАС), горного дела (ИГД) и т.д.
Пакеты программ переданы для эксплуатации на предприятия различных министерств, в том числе МАЛ, МЭП, МХП.
Ряд разработанных в диссертации вопросов используется в учебном процессе студентов факультета прикладной математики и информатики НГТУ в дисциплинах "Методы оптимизации", "Программное моделирование систем" и др.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: II Всесоюзном семинаре "Численные методы нелинейного программирования" (Харьков, 1976), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Оптимизация технических систем" (Новосибирск, 1976), Всесоюзном семинаре "Математическая теория эксперимента" (Москва, 1977), Всесоюзной конференции "Автоматизация экспериментальных исследований" (Куйбышев, 1978), V-VII1 Всесоюзных симпозиумах "Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника" (Ленинград, 1978; Новгород, 1981; Таллин, 1984; Тбилиси, 1987), Всесоюзном семинаре "Эрготехнические системы" (Ленинград, 1979), VI, VHl, IX Всесоюзных конференциях по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1980; Ленинград, 1986; Москва, 1989), VI, XIV-XV1I Межрегиональных семинарах "Эргономика и эффективность систем "чсловек техника" (Игналина, 1980, 1988-1991), научно-техническом семинаре "Проектирование, оценка и оптимизация функционирования систем "человек-техника" (Севастополь, 1980, 1983, 1984, 1990, 1991), Всесоюзном совещании "Оптимизационные задачи в автоматизированных системах управления" (Нальчик, 1981), Всесоюзных конференциях "Автоматизация научных исследований, эргономического проектирования и испытаний сложных человеко-машинных систем" (Ленинград, 1983, 1986, 1988), научно-техническом семинаре "Методы экспериментальной оценки надежности технических систем" (Новороссийск, 1983), Всесоюзном симпозиуме "Математическое обеспечение для автоматизации исследований, идентификации и планирования эксперимента" (Харьков, 1984), IV Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (Новосибирск, 1985), Республиканской межотраслевой научно-технической конференции "Автоматизация производственных процессов в отраслях тяжелой промышленности Казахстана" (Караганда, 1986), III Всесоюзной конференции "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП" (Тула, 1987), VI Всесоюзном семинаре "Прикладные задачи теории надежности и контроля качества" (Москва, 1987), VI Всесоюзной научно-технической конференции "Опыт создания специального программного обеспечения АСУ ТП" (Черновцы, 1988), научно-техническом семинаре "Методы исследования и обеспечения надежности сложных технических систем" (Ростов-на-Дону, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции "Человеко-машинные системы и комплексы принятия решений" (Таганрог, 1989).
Результаты работы также обсуждались на международных конференциях и семинарах: XI Arbeitstagung "Statistische Versuchsplaning" (DDR, Pfaffroda, 1982); Computer-Aided Control Systems Design IFAC/IMACS (USSR, Alma-Ata, 1989); Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (Россия, Новосибирск, 1994); System Modelling and Optimization (Czech Rupublic, Prague, 1995); Fifth Conference of International Federation of Classification Societies, IFCS-96 "Data Science, Classification and Related Methods" (Japan, Kobe, 1996).
Практические разработки в виде пакетов прикладных программ демонстрировались на ВДНХ СССР (Москва, 1986). Публикации. В диссертации обобщены результаты научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора в качестве соисполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя в период с 1976 по 1996 гг. в области создания алгоритмических и программных средств планирования эксперимента, анализа и оптимизации, в том число и для целей исследования, проектирования и испытаний ЧМС.
Всего по теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 67 работ, из которых 15 в центральных и международных изданиях. В конце автореферата доклада приведен список 44 публикаций, в которых отражено основное содержание работы
Автор приносит слова благодарности своему учителю и коллеге проф. Денисову В.И. за поддержку и внимание к работе.
Светлой памяти профессора Анатолия Ильича Губннского посвящает автор этот научный труд.
