Введение к работе
Актуальность темы исследования.
В 2005-2012 г. аварийность в авиации РФ достигла критического уровня - 82 авиационных происшествия, при налете на одно авиационное происшествие, в среднем 22,8 тыс. ч. Практически во всех авиационных происшествиях проявились такие опасные факторы как несвоевременное оказание квалифицированной помощи экипажам воздушных судов (ВС) при возникновении особых ситуаций в полете и слабый контроль воздушными судами со стороны специалистов группы руководства полетами (ГРП). Это во многом обусловлено снижением уровня профессиональной подготовки специалистов ГРП. Увеличению количества авиационных происшествий из-за ошибочных действий специалистов ГРП способствует ряд причин, среди которых:
- недостаточная укомплектованность тренажной аппаратурой для специалистов ГРП;
- стремление должностных лиц планировать максимальное количество полетов в летную смену без учета предельно допустимой загруженности специалистов ГРП в соответствии с имеющимся допуском;
- недостаточная эффективность средств информационной поддержки специалистов ГРП в сложной воздушной обстановке, а также при воздействии негативных факторов.
Современные условия управления воздушным движением (УВД) в районе аэродрома и особенности профессиональной деятельности специалистов ГРП характеризуются тем, что при производстве полетов руководство осуществляется в условиях высокой и средней интенсивности воздушного движения. Основным назначением ГРП является активное содействие выполнению плановой таблицы полетов (ПТП), а также соблюдение всех правил, регламентирующих их деятельность. Выполнение столь сложных функций организации полетов доступно лишь сложной высокоорганизованной системе, включающей, в качестве взаимодействующих, следующие подсистемы: группу руководства полетами, радиотехническое обеспечение полетов и средства связи, наземные и бортовые средства навигации и посадки, авиатехнические средства и др. Это позволило сделать вывод о том, что система управления воздушным движением является полиэргатической.
Основными особенностями системы УВД как полиэргатической системы являются:
- информационные процессы имеют различную физическую природу и высокую интенсивность;
- поведение специалистов ГРП (эргатических элементов (ЭЭ)), не определено жестким алгоритмом, что значительно усложняет прогнозирование процессов изменения параметров движения ВС и, как следствие, организацию эффективной информационной поддержки;
- специалисты ГРП зачастую принимают решение опосредованно, в условиях неопределенности знания воздушной обстановки, при использовании информации от радиотехнических и других средств, которая часто недостаточна или искажена;
- функционирование системы в условиях негативных воздействий, обусловленных: рельефом местности в районе аэродрома; характеристиками точности, надежности, загруженности наземных и бортовых радиотехнических средств связи, навигации и УВД; психофизиологическими данными и профессиональным мастерством ЭЭ;
- имеющиеся недостатки существующих систем УВД приводят к опасным сближениям ВС, нарушениям установленных режимов полета, появлению «перегрузок» специалистов ГРП.
Кроме того, разнородность форм представления информации о воздушной обстановке в районе аэродрома, не всегда позволяет интегрировать информацию в реальном масштабе времени для организации эффективной информационной поддержки ГРП при формировании потока ВС.
Как показал анализ литературы, проблема повышения эффективности профессиональной деятельности специалистов ГРП в течение уже нескольких десятилетий находится в центре внимания и остается предметом широких психофизиологических и эргономических исследований. Вместе с тем, несмотря на столь широкий подход к решению проблемы обеспечения эффективности профессиональной деятельности специалистов ГРП, количество авиационных инцидентов по их вине не уменьшается и достигает 15-25 %.
Наиболее значимые результаты, в данной предметной области, были получены учеными: Анодиной Т.Г., Безбоговым А.А., Задорожным А.И., Крыжановским Г.А., Мокшановым В.И., Унгурян С.А., Бауэном Э., Грэхемом У., Пирси Т., Уиллисом К. и др. Однако, в работах этих и других ученых недостаточно внимания было уделено созданию эффективных эргатических информационных систем (ЭИС) и систем информационной поддержки принятия решений (СИППР), как одному из наиболее эффективных путей обеспечения профессиональной деятельности специалистов ГРП. Недостаточная систематизация знаний и прикладных разработок в сфере совершенствования средств информационной поддержки в эргатических информационных системах УВД (ЭИС УВД), неоднородность концепций распределения и интеграции информационных потоков и ресурсов, их слабая интегрированность в теорию и практику построения ЭИС УВД определили актуальность темы, цель и задачи диссертационного исследования, обоснование объекта, предмета и методов исследования.
Таким образом, актуальность темы определяется: необходимостью повышения эффективности функционирования ЭИС УВД на основе оптимизации информационных процессов и ресурсов для сокращения времени принятия решения, повышения достоверности и оперативности принимаемых решений в условиях воздействия негативных факторов и повышения интенсивности информационных потоков; развитием средств специального математического обеспечения, позволяющих оптимизировать процессы информационной поддержки с целью повышения эффективности принимаемых решений; развитием теоретических основ анализа и синтеза средств поддержки принятия решений.
Степень разработанности темы исследования.
Деятельность лиц, участвующих в УВД, характеризуется весьма сложным набором внешних и внутренних условий их работы, состоянием воздушной обстановки, алгоритмами, процедурами, инструкциями, правилами и т.д. Тем не менее, все еще остаются нерешенными вопросы концептуального, методологического и технологического характера организации информационной поддержки деятельности эргатических элементов, основанной на информационных технологиях. Среди основных задач, требующих дополнительного изучения, необходимо назвать следующие: роль и место эргатического элемента в системе УВД; механизмы и инструменты реализации этой роли; научные основы формирования информационных процессов и функционирования ЭИС, ее особенности и характерные черты. Объективные предпосылки развития концепции обеспечения безопасности полетов авиации на основе организации информационной поддержки ЭЭ заложены в трудах как отечественных, так и зарубежных ученых, рассматривающих систему УВД как полиэргатическую информационную систему.
Практическая проблема: в эргатических информационных системах, при повышении интенсивности поступления информации о воздушных судах возрастает информационная нагрузка на эргатический элемент, что приводит к увеличению ошибочных действий, особенно в условиях негативных воздействий.
Научная проблема определяется необходимостью снижения информационной нагрузки на эргатические элементы ЭИС и заключается в построении методов и моделей организации информационной поддержки деятельности эргатических элементов ЭИС, позволяющих улучшать качество принимаемых решений по формированию бесконфликтного потока ВС.
Объектом исследования являются информационные системы, ориентированные на человекомашинное взаимодействие (ЭИС).
Предметом исследования являются методы и модели организации информационной поддержки эргатического элемента в ЭИС для формирования бесконфликтного потока ВС в условиях высокой интенсивности информационных процессов и негативных воздействий.
Цель диссертационного исследования состоит в повышении эффективности функционирования эргатической информационной системы, обеспечивающей формирование бесконфликтного потока воздушных судов на основе новых методов и моделей организации информационной поддержки эргатического элемента.
Цель исследования обусловила постановку и решение следующих научных задач:
- проведение анализа состояния проблемы моделирования процесса функционирования ЭИС УВД;
- разработка классификации средств информационной поддержки в составе ЭИС УВД;
- синтез теоретико-множественной модели информационного взаимодействия элементов ЭИС УВД;
- разработка логико-лингвистической модели выбора аналитической модели парирования негативных воздействий для ЭЭ, адекватной сложившейся воздушной обстановке;
- разработка метода синтеза моделей представления ЭЭ в ЭИС;
- синтез методов и аналитических моделей организации информационной поддержки специалистов ГРП ЭИС УВД в районе аэродрома:
- организации информационной поддержки руководителя полетами;
- организации информационной поддержки руководителя ближней зоны при обнаружении и разрешении потенциальных конфликтных ситуаций для формирования потока ВС;
- организации информационной поддержки руководителя зоны посадки при выводе воздушного судна на линию посадочного курса;
- разработка структуры средств организации информационной поддержки специалистов ГРП при формировании бесконфликтного потока ВС, реализующей разработанные методы и модели.
Методологию и методы исследования составили теоретические положения информатики и общей теории систем, представленные в классических и современных исследованиях отечественных и зарубежных авторов. Теоретической базой исследования послужили фундаментальные положения теории принятия решений, математический аппарат теорий: нечетких множеств, сетей Петри, вероятности, математической статистики и математического моделирования.
Положения выносимые на защиту:
-
Расширены существующие представления о взаимодействии эргатических элементов эргатической информационной системы управления воздушным движением, выявлены закономерности организации информационной поддержки в условиях повышения интенсивности информационных процессов, их трансформирования под действием как внешних, так и внутренних факторов, в результате постановки и решения проблемы моделирования функционирования эргатической информационной системы управления воздушным движением.
-
Теоретико-множественная модель информационного взаимодействия элементов эргатической информационной системы управления воздушным движением, основанная на представлении гетерогенной системы в виде множеств элементов и информационных функций между ними, отражающая иерархическую структуру эргатической информационной системы управления воздушным движением и отличающаяся строгим разграничением выполняемых задач в условиях повышения интенсивности информационных потоков и влиянии негативных воздействий, дефиците времени на принятие решения специалистами группы руководства полетами.
-
Логико-лингвистическая модель выбора аналитической модели парирования негативных воздействий для эргатических элементов, отличающаяся использованием правила выбора соответствующей аналитической модели решения задачи специалистом группы руководства полетами, адекватной сложившейся воздушной обстановке, на основе использования соответствующих терм-множеств, которые определяются функциональными зависимостями.
-
Метод синтеза моделей представления эргатических элементов в эргатической информационной системе, отличающийся учетом параметрических требований к взаимосвязям между элементами эргатической информационной системы в зависимости от интенсивности информационных потоков и негативных воздействий.
-
Аналитическая модель организации информационной поддержки руководителя полетами, отличающаяся использованием временных характеристик взаимодействия элементов системы в условиях дефицита времени, вызванного повышением интенсивности информационных потоков и влиянием негативных воздействий.
-
Метод организации информационной поддержки руководителя ближней зоны при обнаружении и разрешении потенциальных конфликтных ситуаций, отличающийся одновременным точным определением места воздушного судна в очереди, динамически изменяемой под влиянием негативных факторов, и времени его задержки для их разрешения.
-
Метод организации информационной поддержки руководителя зоны посадки при выводе воздушного судна на линию посадочного курса, отличающийся использованием модели двойного разворота воздушного судна и точным определением момента перекладывания крена.
Теоретическая и практическая значимость.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в развитии математического аппарата теории принятия решений, в виде упорядоченной совокупности теоретико-множественной, логико-лингвистической и аналитических моделей разрешения конфликтов при взаимодействии элементов ЭИС УВД, для организации информационной поддержки ЭЭ в условиях повышения интенсивности информационных потоков и негативных воздействий.
Практическая значимость результатов, полученных в работе, заключается в применении комплекса проблемно-ориентированных программ, реализующих СИППР специалистов ГРП, на основе разработанной архитектуры средств организации информационной поддержки ЭЭ для эффективного формировании бесконфликтного потока ВС.
Публикации. Все приводимые в работе материалы основаны на обобщении результатов, содержащихся в 70 публикациях, из которых 16 печатных работ опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК к публикации научных результатов диссертационных исследований.
Выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В публикациях, написанных в соавторстве личный вклад автора заключается в: анализе концептуальных положений предметной области (1, 2, 5-9, 10, 13, 14, 26, 29); формулировке проблемы; разработке и исследовании теоретико-множественной (8-10, 13, 14, 23, 30), логико-лингвистической (1, 14, 15) и аналитических (13, 14, 23, 24) моделей и методов информационной поддержки ЭЭ в ЭИС УВД; разработке: метода синтеза моделей представления ЭЭ в ЭИС (3, 9); аналитической модели организации информационной поддержки руководителя полетами (3, 5, 8, 9, 12), метода организации информационной поддержки руководителя ближней зоны при обнаружении и разрешении потенциальных конфликтных ситуаций для формирования потока ВС (3, 6, 23, 24, 31, 32), метода организации информационной поддержки руководителя зоны посадки при выводе воздушного судна на линию посадочного курса (2, 3, 4, 11, 15, 23, 24).
Степень достоверности и апробация результатов. Определяется: корректным применением научных методов и методического аппарата теорий множеств и принятия решений, современных концепций распределения информационных потоков и ресурсов; совпадением полученных теоретических результатов с результатами проведенных экспериментов, согласованностью с результатами, полученными другими авторами; адекватностью предложенных методов и моделей реальным процессам.
Результаты диссертационной работы докладывались на: 1-й Международной заочной научно-практической конференции «Наука и бизнес: пути развития», Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов – 2009; 2-й Международной заочной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства», Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов – 2010; XII Международной научно-технической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» 9-10 февраля 2012 г., г. Воронеж; IX Всероссийской научно-технической конференция «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования», г. Тамбов, 2009 г., а также на семинарах кафедр вычислительной техники и автоматики, эксплуатации средств радиотехнического обеспечения (полетов авиации) Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ), заседаниях военно-научного совета 4 ГЦ ПАП и ВИ МО РФ и кафедры «Информационных систем и защиты информации» ТГТУ (2000-2012 гг.).
Исследования проводились в рамках выполнения ОКР «Рейс-2000» (Автоматизированная система управления полетами, навигации, посадки и связи для аэродромов военной авиации), научно-исследовательских работ, проведенных под руководством автора в 4 ГЦ ПАП и ВИ МО РФ. В диссертации использован опыт автора по сопровождению исследований в сфере разработки, внедрения и применения информационных систем в составе системы УВД, преодоления проблем интегрирования системы информационной поддержки эргатических элементов в общую систему организации воздушного движения.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Основной материал изложен на 330 страницах, содержит 26 таблиц, 75 рисунков.
