автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.20, диссертация на тему:Автоматизация эргономических исследований и разработок информационно-управляющих человеко-машинных систем

На правах рукописи

Падерно Павел Иосифович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭРГОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ИНФОРМАЦИОННО - УПРАВЛЯЮЩИХ ЧЕЛОВЕКО - МАШИННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.02.20 - эргономика (технические науки)

Автореферат диссертации На соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном электротехническом университете

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кобзев В.В. доктор технических наук, профессор Попечителев Е.П. доктор технических наук, профессор Шубинский И.Б.

Ведущая организация: Центр эргономических исследований и

разработок в военной технике "Эргоцентр"

Защита состоится " & " ^- пр^^х 1998 г. в ^^ часов на заседании диссертационного Совета Д 063.36.09 Санкт - Петербургского электротехнического университета по адресу: Санкт - Петербург, ул. Проф. Попова 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан "_"_;_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Юлдашев З.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Переход России на рыночную экономику обуславливает необходимость повышения качества и конкурентоспособности всех основных видов промышленной продукции. При этом решающая роль отводится всестороннему учету человеческого фактора, что должно обеспечить повышение эргономичности (эргофункциональности и эргокомфортности) как отдельных изделий, так и информационных процессов и технологий.

Современные информационно - управляющие человеко - машинные системы (ИУЧМС), несмотря на различия в целевом назначении, имеют общую особенность - взаимодействие человека или коллектива специалистов с комплексом технических и информационно - программных средств в процессе решения поставленной задачи. Таким образом эффективность ИУЧМС существенно зависит от комплекса факторов, влияние которых должно быть учтено при ее разработке и создании.

Всесторонний учет факторов, влияющих л а эффективность ИУЧМС в зависимости от ее специфических особенностей, может быть Обеспечен только за счет применения автоматизированной системы эргономических исследований и разработок (АСЭИР) ИУЧМС, базирующейся на решении проблемы создания теоретических и методологических основ автоматизации эргономического обеспечения.

В особенности это касается реализации общих принципов автоматизации на основе удовлетворения потребностей различных пользователей в эргономической информации путем рационального построения и эксплуатации информационного обеспечения (ИО) и разработки алгоритмов решения отдельных задач ЭО и создания программных модулей.

Таким образом центральным вопросом рассматриваемой проблемы-является разработка теоретических основ построения и развития ИО и создание комплекса математических моделей и алгоритмов, позво-

ляющих проводить оценку эффективности исследуемых и разрабатываемых ИУЧМС и выбирать наилучшие решения.

Поставленная в диссертационной работе проблема решалась в рамках ряда целевых комплексных программ "Авангард" (темы " Рубрикатор -МО" "Рандекс -АН", "Резольвента", "Регби", "Родео"), в рамках целевой комплексной совместной программы Минавиапрома и Минвуза РСФСР "Эрготехника - РВО", в работах по теме IV проблемы 1.37 "Разработка научных основ эргономических норм и требований" программы международного сотрудничества стран - членов СЭВ и ряда других программ.

Объектом исследования настоящей работы являются ИУЧМС с дискретным характером протекания информационных процессов, т.е. такие системы, в которых человек выполняет не только различные операторские действия, но и комплекс функций по принятию решений и т.п.

Предметом исследования служат основные вопросы автоматизации ЭО исследований и разработок ИУЧМС:

-"анализ потребностей пользователей в эргономической информации;

- обоснование состава и структуры ИО, исследование специфических особенностей его эксплуатации и развития;

- модели, методы и алгоритмы решения отдельных задач ЭО.

Целью работы является повышение эффективности решбния задач исследований, разработок й экспертизы ИУЧМС за счет автоматизации эргономического обеспечения.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Разработаны модели и методы анализа потребностей пользователей проблемной области "Эргономика" в информации, включающие: -формализованные модели предметной области и ее пользователя; методы оценки и методики анализа и сравнения различных пользователей по их информационным потребностям и объемам производимой эрго-

г

номической информации, а также методику обоснования состава и структуры автоматизированной системы эргономических исследований .

2. Разработан вероятностно - ресурсный подход к созданию и развитию ИО автоматизированной системы эргономических исследований и разработок (АСЭИР) в условиях неопределенности запросов и неполноты эргономической информации (ЭИ), основанный на методе определения состава ЭИ в условиях неопределенности запросов пользователей; правилах реорганизации состава ИО; модели пополнения ИО на ранних стадиях разработки и создания различных частей АСЭИР; метод анализа перспективных направлений развития ИО, основанный на обобщенной модели зависимости качества фактологической эргономической информации от ресурса, выделяемого на ее получение, а также предложена методика распределения ограниченных ресурсов при решении задачи развития ИО.

3. Разработан комплекс моделей, методов и алгоритмов, являющийся основой для автоматизации решения ряда основных задач эргономических исследований и разработок (проведение эргономической экспертизы, оценка численности и квалификации персонала, ускоренная оценка качества алгоритмов деятельности и др.) различных ИУЧМС.

Методы исследования. В работе предложены методы анализа информационных потребностей пользователей и их классификации, подходы к оптимальному построению и развитию ИО эргономических исследований и разработок ИУЧМС, а также модели, методы и алгоритмы решения конкретных задач автоматизации 30, основанные на комплексном учете и использовании: методов системного анализа, новейших информационных технологий, теории множеств, последних разработок в теории и практике человеко - машинных систем, методов теории надежности и массового обслуживания, теории алгоритмов и случайных процессов, методов теории оптимизации, инженерной психологии и эргономического обеспечения.

Научная новизна работы

Научная новизна исследования заключается в разработке и создании:

1. Комплекса моделей и методов анализа и сравнительной оценки пользователей по их потребностям и возможностям производить эргономическую информацию, а также критериев классификации пользователей различных уровней.

2. Вероятностно - ресурсного подхода к определению состава и структуры разделов предметной области "Эргономика", учитывающего ее специфические особенности, а также разнородные запросы пользователей и ограниченность ресурсов, который базируется на использовании новых моделей зависимостей эргономичности разработок от качества используемой фактологической эргономической информации и вложенных ресурсов.

3. Моделей зависимости пополнения объемов ИО от организационного обеспечения на ранних этапах эксплуатации.

4. Способа проверки непротиворечивости требований к порядку следования операций в дискретном алгоритме.

5. Метода оптимизации численности персонала и числа мест для ожидания, основанного на использовании моделей теории массового обслуживания с учетом стоимостных критериев.

6. Метода определения оптимального уровня квалификации ( безошибочности) оператора по стоимостному критерию (с учетом доходов от правильного выполнения функций и потерь от ошибок).

7. Метода оценки влияния проблемных задач на эргономические показатели, отличающегося от известных учегом ступенчатой ( иерархической) взаимосвязи единичных и комплексных показателей, и постановке задачи оптимального распределения ресурсов на ранних этапах эргономического проектирования.

8. Комплекса типовых алгоритмов подготовки и проведения эргономической экспертизы (ЭЭ).

9. Ускоренного метода оценки эффективности дискретных алгоритмов деятельности и оценки получающихся погрешностей.

Практическая значимость работы.

Сформулированные в работе основные положения оценки и классификации пользователей (потребителей и производителей ЭИ) позволяют проводить анализ необходимости автоматизации ЭО исследований и создания ИУЧМС и объективно оценивать перспективные направления создания и развития отдельных составляющих ИО. Использование разработанных подходов и методов для создания и оптимального развития ИО, в т.ч. программных модулей, позволяет обеспечивать информационно - программную совместимость и взаимодействие с различными прикладными программами и автоматизированными системами.

Метод определения непротиворечивости требований к порядку следования операций позволяет устранить противоречия в технологии выполнения алгоритма уже на стадии технического задания. Реализация разработанного подхода к оптимизации численности персонала дает возможность исследовать зависимость оптимального числа рабочих мест и максимального предусматриваемого числа мест в очереди ( проектируемой длины очереди) как от параметров потока требований, так и от квалификации персонала, оплаты труда, эксплуатационных расходов, убытков, связанных с потерей (необслуживанием) отдельных заявок, и т.п. ( в качестве критерия используется доход, получаемый от эксплуатации ЧМС). Метод определения оптимальной квалификации оператора позволяет выбрать такого оператора, который, с учетом приносимого им дохода и штрафов за неправильное и/или несвоевременное выполнение задания, обеспечивает максимальную эффективность ( доходность) функционирования ИУЧМС.

Разработанная модель учета зависимости эргономичности ( эрго-функциональности и эргокомфортности) от решения отдельных проблемных задач ЭО позволяет оценивать их влияние и на ранних стадиях разработки определять очередность ( приоритетность) их решения, а

также, при наличии различных ограничений, решать задачу оптимального распределения ресурсов между задачами.

Исследования особенностей ЭЭ позволили выявить типовые задачи, решаемые при ее подготовке и проведении, и предложить последовательность и алгоритмы их решения, что позволяет проводить ЭЭ на всех стадиях и этапах создания ИУЧМС и закладывает основу для создания автоматизированной системы обеспечения подготовки и проведения ЭЭ.

Ускоренный (приближенный) метод оценки безошибочности и быстродействия выполнения оператором дискретных алгоритмов деятельности позволяет значительно сократить объем вычислений и проводить соответствующие оценки практически вручную, не влияя на точность получаемых результатов, что представляет особенную ценность для ранних стадий разработки ИУЧМС, в связи с необходимостью многократной оценки и сравнения различных вариантов алгоритмов.

Реализация результатов работы.

Результаты проведенных теоретических и прикладных исследований отражают одно из основных направлений работ, связанных с автоматизацией эргономических исследований и разработок сложных ИУЧМС. Основные результаты первой части работы были внедрены при разработке ИО банка эргономических данных (БЭД), в рамках следующих работ по межотраслевой комплексной программе "Авангард": "Исследование и разработка банка эргономических данных для использования при проектировании человеко - машинных систем различного назначения" ("Резольвента-РВО" и "Регби-РВО"), и реализованы при проектировании и создании опытно - методического БЭД в Центре эргономических исследований и разработок в военной технике ( " Эрго-центр", г.Тверь); при разработке структур проблемных баз данных (Украинский заочный политехнический институт г.Харьков, Харьковский филиал НИИ ГТиПЗ), а также в рамках программы 1.37 международного сотрудничества стран членов-СЭВ (тема IV "Разработка общих принципов создания и функционирования банка эргономических дан-

ных). Подходы к анализу пользовательских потребностей и построению и развитию ИО (баз данных) были реализованы: в НИИ "Рубин", АОЗТ "Пролог - Центр" и ГНИИ "Центр-СУ" при создании прикладных информационных технологий, а также при разработке состава и структуры системы сбора эргономической информации (тема "Родео-МАП"). Оценка зависимости эргономической эффективности от степени решения отдельных проблемных задач проводилась в рамках НИР по теме " Эргономические исследования и разработки в интересах создания морских транспортных средств и средств управления движением" (Заказчик - Эр-гоцентр). Там же внедрены общие правила и алгоритмы подготовки и проведения ЭЭ ИУЧМС в работах по НИР: "Разработка технических заданий на разработку ГОСТов и первых редакций ГОСТов: "Морские транспортные средства и средства управления движением. Организация эргономической экспертизы" и "Морские транспортные средства и средства управления движением. Проведение эргономической экспертизы." и "Разработка окончательных редакций.ГОСТов: "Морские транспортные средства и средства управления движением. Организация эргономической экспертизы" и "Морские транспортные средства и средства управления движением. Проведение эргономической экспертизы", результатами которых явились следующие руководящие документы: РД МЭА 29.08. 001-97 "Морские транспортные средства и средства управления движением. Организация эргономической экспертизы" и РД МЭА 29.08. 002-97 "Морские транспортные средства и средства управления движением. Проведение эргономической экспертизы", разработанные Межрегиональной эргономической ассоциацией и Техническим комитетом по стандартизации " Эргономика" (ТК 201) Госстандарта России.

Модели и аналитические методы оценки и оптимизации были внедрены при проведении ряда комплексных НИР по темам: " Разработка методики априорной количественной оценки алгоритмов деятельности операторов узлов связи по показателям быстродействия и точности (безошибочности)", "Разработка методики приближенной оценки

показателей быстродействия и точности (безошибочности) деятельности операторов узла связи", "Разработка математических моделей типовых функциональных структур алгоритмов управления связью" и "Расчет надежности трактов связи" (Заказчик АО "Госрадиопроект"); " Разработка программного модуля по ориентировочной оценке численности специалистов в иерархических ЧМС" (Заказчик "Эргоцентр").

Практические вопросы анализа информационных потребностей отрабатывались при создании комплекса систем интеллектуальной поддержки деятельности руководителей различного уровня иерархии (предприятие (НПО), цех, участок) в рамках НИР - ОКР "Разработка системы интеллектуальной поддержки руководителей различного уровня" (Заказчик НПО "Ротор", г.Черкассы).

Теоретико - методологические, инструментальные и практические результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе 9 вузов России и Украины при проведении лекций, семинаров и лабора-торно - практических занятий по дисциплинам: " Надежность и эргономика АСУ", "Проектирование АСУ", " Проектирование информационных систем" и "Прикладные системы искусственного интеллекта" ( специальность "Автоматизированные системы обработки информации и управления"), "Методы моделирования", " Искусственный интеллект" (специальность "Прикладная математика"), "Информационные технологии" и " Информатика, программирование и компьютерная технология решения экономических задач" (специальность "Менеджмент в производственной сфере"), "Программирование и ВТ" (группы переподготовки), "Моделирование систем управления" (специальность "Роботы и робототехнические системы"), "Моделирование процессов и систем управления" (направление " Приборостроение", специальности " Технология приборостроения" и " Стандартизация и сертификация в приборостроении"), "Интерфейсы в АСУ" и "Проектирование интеллектуальных систем" (курсовое и дипломное проектирование), "Менеджмент" ( специальность "Менеджмент"), " Автоматизированные системы обработки

информации" и "Моделирование производственных систем" ( специальность "Аграрный менеджмент"), "Базы данных и экспертные системы" и "Эргономические вопросы построения человеко - машинных систем" (специальность "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем").

Внедрение результатов диссертации подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты работы докладывались на международной научной конференции "Эргономика в России, СНГ и мире" (Россия, С.-Петербург, ] 993г.), на пяти Всесоюзных симпозиумах " Эффективность, качество и надежность систем "человек - техника" (Ленинград, 1978г.; Новгород, 1981г. (с участием ученых социали-. стических стран), Таллин, 1984г., Тбилиси, 1987г., Воронеж, 1990г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация научных исследований, эргономического проектирования и испытаний сложных человеко - машинных систем" (Ленинград, 1983 и 1985г.), на Всесоюзном совещании "Оптимизация и проектирование человеко - машинных систем" (Воронеж, 1980г.), на Республиканских семинарах " Проектирование и оптимизация человеко - машинных систем" (Севастополь, 19801989гг.), на Республиканской научной конференции " Автоматизированные системы реального времени для эргономических исследований" (Тарту, 1988г.), на Межрегиональных семинарах "Эргономика и эффективность систем "человек - техника" (Литва, г.Игналина, 1980 - 1990 гг.), на постоянно действующем Всесоюзном семинаре "Эрготехнические системы" (Ленинград, 1980-1988г.), на краткосрочном семинаре " Надежность и диагностирование ЭВМ И микропроцессорных систем" ( Ленинград, 1989г.), на ежегодных научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ (ЛЭТИ) (1980-1997гг.) и ряде других конференций, семинаров и совещаний.

Публикации.

Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в 46 печатных работах, в том числе одна монография ( справочник), стандарт и два руководящих документа Госстандарта, один учебник и два учебных пособия (в соавторстве), статьи, доклады и тезисы докладов и т.п.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 223 наименования отечественной и зарубежной литературы и 14 приложений. Основная часть работы изложена на 232 страницах машинописного текста. Работа содержит 32 рисунка и 18 таблиц. В приложениях приведены результаты практической реализации разработанных методов и методик.

Данное исследование сформировалось как научное направление под влиянием доктора технических наук профессора А.И. Губинского.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность профессору Евграфову В.Г. за инициализацию написания работы и постоянные методические консультации, а также профессорам Кутузову О.И. и Яковлеву С. А. за критические замечания по работе.

Светлой памяти профессора Анатолия Ильича Губинского посвящает автор этот научный труд.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи проведенных исследований, отмечены полученные в работе новые научные результаты, выноси-

мые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены краткие сведения об их апробации и внедрении,

В первой главе проводится анализ состояния проблемы автоматизации эргономических исследований и разработок ИУЧМС. Проведенный комплекс исследований специфических особенностей ЭО ИУЧМС различных классов позволил выявить в качестве одной из основных тенденций развития ИУЧМС постоянное повышение значимости труда человека в ИУЧМС, что обусловлено возрастанием важности и общей доли интеллектуальных операций, выполняемых человеком. Проведенный анализ деятельности человека в ИУЧМС показал, что самую большую опасность для выполнения системой поставленных перед ней задач представляют ошибки оператора (исследователя, руководителя). Сформулирован комплекс основных задач ЭО, решаемых проектировщиком при создании и исследовании ИУЧМС. Проведенное исследование развития этого направления в нашей стране и за рубежом позволило указать на сокращение числа публикаций, содержащих конкретную эргономическую информацию, результаты проведенных инженерно - психологических исследований, в т.ч. фактологическую информацию, и одновременное увеличение числа работ общеметодического и методологического характера ( описательного плана). Этот факт указывает на то, что отдельные разработчики и исследователи, в т.ч. зарубежные, не желают снабжать возможных конкурентов бесплатной информацией.

Проведенный анализ особенностей эргономической информации, необходимой для исследований и разработок ИУЧМС показал, что они во многом обусловлены спецификой проблемной области, так как эргономика является одновременно научной, проектировочной и эксплуатационной дисциплиной, динамично связанной с развитием технических средств и появлением новых технологий. Исходя из проведенного анализа выделены основные особенности эргономической информации, которые необходимо учитывать при создании 110:

1. Недостаточную точность и достоверность ряда исходных данных по отдельным характеристикам (наличие пробелов в отдельных исходных данных, в т.ч. отсутствие Достоверной информации).

2. Необходимость хранения и использования эргономической информации процедурного характера (методов, моделей, способов и про-, цедур), а также реализаций в виде проблемных программных Модулей.

3. Использование методов (описаний, оценок, способов), основанных на моделях, полученных в результате исследований, но при этом не оговорены ни специфика контингента испытуемых, ни его объем и т.д., что указывает на неполную адекватность модели реальным условиям.

4. Недостаточную стыкованность различных подходов, моделей и методов, которые необходимо реализовывать совместно.

5. Необходимость объединения различной эргономической информации для разнородных пользователей в единые блоки.

6. Необходимость постоянного проведения дорогостоящих исследований взаимодействия человека с перспективными техническими средствами и технологиями.

7. Описательность процессов эргономической оценки отдельных и комплексных ИУЧМС, что вызывает необходимость разработки адекватного, четкого и однозначного описания.

Проведено обоснование целесообразности выбора ИУЧМС в качестве объекта исследований, обоснованы и сформулированы цели и задачи работы, решение которых является основой .для автоматизации исследований и разработок ИУЧМС.

Во второй главе разработан комплекс моделей и методов анализа информационных потребностей пользователей предметной области " Эргономика".

Разработанная формализованная модель предметной области, основана на описании всех информационных ресурсов (фактологической и процедурной ЭИ) в терминах теории множеств. На каждом из мно-

жеств фактологической и процедурной ЭИ (Оф, Пп) введены меры (p¡, рз) и таким образом, множество ЭИ описывается кортежем Е=< йф, Ü„, П0ф, Pon, pi, Ц2>, в состав которого входят также и множества имеющейся фактологической и процедурной ЭИ (Г2оф, fi™).

Разработана формализованная модель пользователя, описывающая его кортежем S¡ =<A¡, B¡, C¡> (i=l,2,...N), где Ai - имя пользователя; B¡ - множество его потребностей (B¡ = B«t> и B¡n); C¡ - множество ЭИ, производимой пользователем (C¡ = Сф uC¡n), А = U Ai - БД о пользователях; В = UBi - БД о совокупности потребностей всех пользователей в ЭИ (фактологической Вф и процедурной Вп). Введение меры p(B¡\B¡o) позволило определить степень неудовлетворенности потребностей i - го пользователя в ЭИ. Учет частотных характеристик решаемых задач, их обеспеченность фактологической и процедурной информацией позволили описать пользователей предметной области "Эргономика".

Разработан метод оценки информационных потребностей пользователей, базирующийся на одновременном получении следующих оценок (введении системы мер, в том числе относительных):

- объемов используемой (производимой) ЭИ (информационная оценка);

- объемов ЭИ, используемой (производимой) в единицу времени ( системотехническая оценка);

- оценки экономической эффективности от использования ( производства) ЭИ в единицу времени (оценка по экономическому критерию);

- оценки удовлетворения запросов пользователей ha ЭИ.

Разработана методика анализа и сравнения различных пользователей. Реализация оценочных процедур проведена для групповых пользователей на различных уровнях: отдельных предприятий (определяет целесообразность построения автоматизированной системы ЭО для предприятия), отраслевом и межотраслевом.

Разработаны принципы классификации пользователей На основе результатов формализации описания внутриотраслевых потребностей (предприятий и организации) предложены способы срав-

нения различных пользователей по объемам используемой фактологической и процедурной ЭИ (информационный подход), а также с учетом частоты обращения (системный подход) и дохода (экономический подход). Проведен анализ внутриотраслевых связей и предложен ряд способов оценки целесообразности включения ЭИ в БОЭД, основывающихся на оценках относительных объемов ЭИ, необходимой организации Fit, но отсутствующей в данной отрасли,, на оценке вероятностей того, что некоторые запросы предприятия Fit на ЭИ в БОЭД данной отрасли не смогут быть удовлетворены, а также на оценке убытков (снижения дохода) от решения задач ЭО с использованием неполной информации (критерий - максимальный доход с учетом всевозможных расходов). Разработана методика определения основного коллективного пользователя.

Разработан метод и методики сравнения организаций по производимой ЭИ, которые позволяют определить множества организаций {Рф} й {Fn}, в которых целесообразно создание ЛПБЭД.

Проведенная апробация при оценке потребностей в автоматизации, на примере построения систем интеллектуальной поддержки руководителей различных уровней, показала хорошую адекватность предложенных моделей, методов и методик.

Комплекс разработанных методов и методик анализа и сравнения пользователей проблемной области "Эргономика" позволил обосновать состав и структуру территориально - распределенной АСЭИР, а также сформулировать задачи ее отдельных частей, предложения по их структурам и функциям отдельных подразделений.

В третьей главе разработан вероятностно - ресурсный подход к созданию и развитию ИО АСЭИР, использующей предметную область "Эргономика", в условиях неопределенности запросов пользователей и неполноты ЭИ.

Разработан метод определения состава ЭИ в условиях неопределенности запросов пользователей, основанный на решении задачи ми-

нимизации общего объема ресурсов (С(У)), расходуемых на решение всей совокупности задач VI, Уг,..., V* (с учетом частоты их решения), необходимых для проведения эргономических исследований и разработок.

■■■ 0(У)=1ё(У1) ¡=1

Задача оптимизации разбиения множества £2 (Оф и О,,) на группу непересекающихся подмножеств, покрывающих соответствующую проблемную область, формулируется следующим образом: определить такое разбиение а множества О на подмножества Пфк, Оп) (к= 1,2,...; j=1,2,. )„ для которого 0(Уо) = тш О(У), (Офк е Пф, Офк е Оф). Такое разбиение а является оптимальным разбиением множества всей ЭИ, т.е. является основой для определения будущего состава баз эргономических данных.

Предложен подход к реорганизации состава ИО на основе уточнения характеристик потребностей (вероятностных, Стоимостных и т.д.) пользователей, основанный на нахождении разбиения р, являющегося оптимальным разбиением множества ЭИ по критерию среднего дохода, т.е. = шах Ъ ; (Ъ = £ р) 25, Пфк е Пф , Огу £ £2п) и обоснована целесообразность поэтапного решения этой задачи с учетом изменений задач У| (появления новых компонент, изменения информационного наполнения задач) и частоты запросов, а также информационной технологии. ПредЛожен подход к определению оптимальных сроков реорганизации ИО (изменения состава множеств (С2ф)} и {0П|}) проблемной области " Эр> гономика".

Использование предложеннного подхода к разбиению проблемной области гарантирует получение квазиоптимального, ввиду недостаточной точности исходной информации, результата на каждом из этапов.

Разработаны две модели пополнения ИО На ранних стадиях разработки и создания различных частей АСЭИР, основанные на решении дифференциальных уравнений с различными начальными условиями при достаточно общих предположениях о характере взаимосвязи между пополнением ИО и обеспечением работ по созданию ИО. Проведенный анализ результирующих зависимостей для случаев, когда заполнение со-

ответствующей части АСЭИР начинается после сдачи ее в эксплуатацию или производится параллельно с ее разработкой позволил обосновать: для БМЭД целесообразно параллельное наращивание объемов ЭИ (постепенное увеличение численности подразделения ИО); для БОЭД создание группы ИО в полном составе необходимо уже на ранних стадиях разработки.

Разработан метод анализа перспективности направлений развития ИО, основанный на иерархической модели взаимосвязей проблемных задач и фактологической ЭИ и решении задачи оптимального распределения ресурсов.

Предложена модель, описывающая качество обеспеченности решения 1 - й задачи ЭО различной ЭИ в виде К» = Ц Р; + (1 - ,

к|

где Р1 = А1 N1 = , Ы) = (пп, П2),..., пы) - вектор степени реализации

М

(проработанности) каждой из эргономических процедур (0< пт,<1 ), а определяется аналогичным образом для фактологической ЭИ.

При предположении о том, что экономический эффект (доход) от решения каждой задачи ЭО является линейной функцией от И; (от составляющих) задача оптимального распределения ресурсов сформулирована как многоэтапная задача линейного программировайия (при этом влияние развитйя отдельных единиц ЭИ на изменение общего дохода учитывается в скрытом виде при определении коэффициентов влияния). Для последующих интервалов линейности (при изменении коэффициентов) зависимости от ресурса указаны начальные значения. Для векторных ресурсов и доходов задачи линейного программирования расписываются по каждой компоненте отдельно. Решение сформулированной задачи позволяет определить наиболее перспективные направления для вложения ресурсов и, тем самым, обеспечить оптимальное развитие ИО, необходимого для решения рассматриваемой ¡-й задачи ЭО.

Разработана модель зависимости качества фактологической ЭИ от ресурса, основанная на достаточно общих предположениях. Исследова-

ние ряда зависимостей уровня качества ЭИ от вложенных ресурсов = 1 — е М > Где р>1, показало, что оптимальное значение вкладываемого ресурса, максимизирующее относительный доход от достигнутого уровня качества S(x) = М *, не зависит от значения параметра X и может быть получено как решение трансцендентного уравнения..

Адекватность предложенного подхода и достоверность полученных результатов проверены при решении одной частной задачи.

В че+вертой главе разработан ряд моделей, методов и алгоритмов решения основных задач эргономического прбектирования ЙУЧМС.

Для ранних этапов разработай, на которых отсутствуют четкие представления о порядке следования отдельных операций и распределении функций, разработан подход к построению безубыточного алгоритма деятельности (АД) (дискретной), реализующий проверку возможности построения алгоритма на основе использования исходной информации типа "операция ак может выполняться до операции ai", причем термин "до" не означает непосредственного предшествования. На базе таких отношений, не являющихся транзитивными, но определенными для каждой пары рассматриваемых операций, построена математическая Модель, основанная на умножении специального вида, которая позволяет определить существование (возможность построенйя) алгоритма при заданных ограничениях на порядок следования отдельных операций. Предложен подход к распределению функций между оператором и программно-техническими средствами на ранних стадиях разработки и создания ИУЧМС, основанный на анализе множества типовых задач, определении относительной частоты их решения, выделении и минимизации множества типовых операций и получении обобщенного графа работ G. Поставлена задача оптимизации распределения функций и указан способ ее решения на основе оптимальной разметки вершин графа.

Формализована постановка задачи оптимизации численности, как задачи максимизации обобщенного показателя эффективности. Исследована одноуровневая ЧМС, предназначенная для решения задач, поступающих в случайные моменты времени, образующие простейший поток. При возникновении необходимости решения задачи в момент, когда все т специалистов заняты, задача встает в конец имеющейся очереди, если длина очереди меньше I или теряется (уходит к конкуренту), если длина очереди равна /. Функционирование такой ИУЧМС описывается системой массового обслуживания типа М/М/пг/ш+/. Разработан способ оптимизации численности, использующий в качестве критерия доход в единицу времени (Р(ш, 1)), при оценке которого учитываются расходы на содержание персонала, организацию очереди, штрафные функций (дополнительные расходы), связанные с ожиданием в очереди и (или) потерей задачи. Выбор такого критерия позволяет проводить сравнительные оценки различных ИУЧМС, что важно для оценки эффективности их ЭО. Ввиду сложности вида вероятностей Рк аналитическое решение задачи по максимизации функционала Р(т,'1) не представляется возможным. Разработан двухэтапный способ решения задачи оптимизации, основанный на последовательном уточнении результата, полученного для упрощенной модели без очереди (то), и позволяющий резко сократить объем вычислений. Оптимизация численности коллектива (т) и максимального числа мест в очереди (I) производится методом направленного перебора с использованием то как начального приближения, Для решения обобщенной задачи (различные требования) предложен подход, основанный на применении полученных результатов к ИУЧМС с усредненными характеристиками. Последовательное применение разработанного метода ко всем уровням иерархии ИУЧМС позволяет опт и м 1 пировать численность специалистов на каждом уровне.

Определение оптимального уровня квалификации операторов ( постановка п подходы к решению оптимальной задачи) рассмотрено для ИУЧМС, в которой человек может решать различные задачи. В качестве

критерия оптимизации использован доход в единицу времени (при этом учитываются расходы, штрафы за неправильное и несвоевременное решение задачи, их вероятностные характеристики и т.д.). Задача определения оптимального уровня квалификации оператора сформулирована как задача поиска некоторого 0*, максимизирующего функционал:.

к

/ .

F(0)=ZMa,p'ei -diO-p'eO-Ci (©)), i=l

где 0 - квалификация оператора, q (0) - расходы, связанные с выполнением оператором квалификации 0 i- го задания, <xi (di) - доходы ( убытки) от правильного (неправильного) выполнения i- го задания, p'©i.- вероятность правильного выполнения i- го задания (i = 1,2.....к). Необходимо заметить, что значения p'ei зависят не только от квалификации, но и от алгоритма работы оператора, связанного с его индивидуально -психологическими особенностями. Сформулирован комплекс различных (условных и безусловных) задач оптимизации. Для систем с однотипными заданиями исследована взаимосвязь квалификации ( безошибочнос-■ ти) и оплаты оператора р'(с) и с(Р'). Функция р'(с) монотонно возрастает и стремится к 1, (начиная с некоторого значения является выпуклой вверх). Функция с(Р') имеет вертикальную асимптоту Р1 = 1.

Для случаев, когда значения ущербов от неправильного или несвоевременного выполнения задачи одинаковы и соответствующие вероятности также равны между собой, получена зависимость среднего значения дохода от безошибочности (квалификации) оператора, которая, при имеющихся приближенных исходных данных, достаточно адекватно отражает реальную действительность D(pl)=ap1 - а(1 - Р1) - с(Р').

Проведены исследования и доказана теорема об услозиях существования экстремума критериальной функции

Рассмотрен ряд частных зависимостей с(Р'), иллюстрирующих нахождение значения Р'опт, максимизирующего D(p')

1. Логарифмический рост, с(р') = -М1п(1 - р1), (Р'(с) =1 - е с/м )

Р'опт = 1 - M/(ci+a) . Если М/(а+а) >1, то функция экстремума не имеет, что объясняется невыполнением условия теоремы dc/dp11 (р'=о) =0.

2. Степенной рост, с(р') = М/(1 - Р')к Р'(с) = 1 - "ч'М/с

Р'опт = 1 - WkM/(a+a). Если кМ/(а+а) > 1, то функция экстремума не имеет, что объясняется невыполнением условия теоремы с(0) =0.

3. Экспоненциальный рост. с(р')=Ме"0 -Pl>, (Р'(с) = 1 - 1/1п(с/М))

Если неравенство (а+а) - Me > 0 не выполняется, то функция D(P')

не имеет максимума, что связано с нарушением условия теоремы с(0) = 0.

Если зависимость с(Р') неизвестна, а известны отдельные значения с(Р'), то в качестве аппроксимирующей функции целесообразно выбрать либо любую из приведенных функций, либо их линейную комбинацию.

В пятой главе разработан комплекс методов и алгоритмов эргономических исследований ИУЧМС.

Анализ общей номенклатуры проблемных задач, разработанных в интересах повышения эргофункциональности и эргокомфортности, и процессов развития средств взаимодействия человека с ИУЧМС, удовлетворявших эргономическим требованиям и нормам, позволил (на примере морских транспортных средств и средств управления движением) получить дополнительный перечень проблемных задач.

Разработан метод оценки взаимосвязей эргономических показателей и проблемных задач, который реализуется через оценку влияния различных проблемных задач на эргономичность ИУЧМС в целом. Учитывая, что эргономические показатели (проблемные задачи) представляют собой иерархическую структуру, то разработанная математическая модель основана на перемножении матриц влияния, т.е. вектор влияния определяется соотношением

N = А|*А2*Аз,

где матрицы А, - отражают влияние 1-го уровня на Ж-й уровень. Эта модель позволяет производить оценку эффективности различных проблемных задач, решение которых обеспечивает необходимое значение

соответствующих эргономических показателей и может быть интерпретирована как передача единичного продукта по всем уровням иерархии.

Предложенный способ легко применим для исследования взаимосвязи проблемных задач с эргономическими свойствами или с эргоно-мичнос1ъю. Проверка адекватности предложенного способа проведена путем сравнительного анализа. ■

Анализ матриц Аг и Аз показал, что они практически не зависят от назначения ИУЧМС, в то время как вектор Ai=(ai,a2,((X2=l-ai), отражающий относительную меру вклада эргофункциональности и эргоком-фортности в эргономичность, существенно зависит от ее назначения. Анализ зависимостей отдельных составляющих вектора N(ai,aj) от ai показал, что она является линейной на [0; 1], т.е. Ni(ai) = kiai + bi, что обусловлено суперпозицией линейных преобразований. Таким образом для нахождения соответствующих значений ki и bi достаточно вычисление лишь крайних значений, что позволяет существенно снизить объемы вычислений. Выведенное соотношение трактует вектор N(m,n2,..,. Пк), как вектор показателей влияния проблемных задач на показатель эргономичное™ всей исследуемой ИУЧМС. При условии соответствующего нормирования матриц At, \г, Аз вектор N(ni,n2,...,nt) является вероятностным, т.е. нормированным по сумме компонент. Данное соотношение следует трактовать следующим образом: если каждая из проблемных задач решена в полном объеме (уровень качества решения равен единице), то эффективность всей ИУЧМС также равна 1. Если же достигнутые уровни качества решения проблемных задач определяются вектором а(а[,а2,...,ак), то уровень эффективности ИУЧМС в целом будет

снижаться и, в данном случае, его следует определять по формуле |<

Эс = £ aim , или, в векторном виде Эс = а N i = i

Поставлена задача оптимального распределения ресурсов.

Пусть для выполнения i - й проблемной задачи необходим набор ресурсов Xi (хп,хи, ...,xmi) (i = I, 2, ... 1) и известна скалярная функция степени выполнения данной проблемной задачи f;(X). Таким образом к

иерархической структуре добавляется V - й уровень, связанный с ресурсным обеспечением. Возможна постановка следующей задачи оптимизации: определить тах Э при выполнении системы ограничений:

&<№)< 1 У1 = ],2,...,п

п

¡ = I

Хц^О

Первое ограничение, указывает на то, что каждая из проблемных задач должна быть решена с уровнем качества не менее р;, а второе указывает на естественную ограниченность ресурсов каждого вида. Если все £(Х) являются линейными функциями отдельных компонент, то задача максимизации эргономичности (определение тах Э) ИУЧМС сводится к решению задачи линейного программирования.

Исследован процесс ЭЭ и разработан обобщенный алгоритм подготовки и проведения ЭЭ ИУЧМС. Выделены основные стадии подготовки и проведения ЭЭ; подготовительная, оценочная и заключительная. Проведен анализ типовых задач, решаемых на этих стадиях и выявлены задачи, автоматизированная поддержка которых не требует учета специфических особенностей проблемной области (создание экспертной комиссии ,и др.), операции, нуждающиеся в автоматизации (комплексная оценка уровня эргономического продукции, разработка документов и т.п.), а также операции, нуждающиеся в интеллектуальной поддержке (эргономическая оценка и др.). Разрабоганы четыре типовых алгоритма проведения эргономической оценки с применением аналитических методов, с применением методов моделирования, с применением метода испытаний и с применением метода экспертных оценок, являющиеся основой для автоматизации процесса подготовки и проведения ЭЭ ИУЧМС,

Разработан ускоренный (приближенный) метод оценки безошибочности и быстродействия дискретных алгоритмов деятельности, основой которого является принцип соответствия точности исходных данных и эргономических методов. Разработана методика приближенного расчета показателей безошибочности и быстродействия дискретной дея-

тельности операторов, которая позволяет получать достаточно точные оценки, при резком уменьшении объемов вычислений и упрощении структуры оцениваемого алгоритма деятельности. Методика основана на использовании способов описания и оценки с помощью обобщенного структурного метода и позволяет значительно сократить объем, вычислений (в 2 и более раза) при оценке .характеристик быстродействия, ритмичности и безошибочности выполнения алгоритма за счет использования предложенных приближенных формул (использования упрощенных моделей типовых функциональных структур).

Исследования погрешностей оценки среднего времени и дисперсии выполнения алгоритма показали, что для высоконадежных алгоритмов они достаточно малы (дня реальных алгоритмов вероятность ошибки р° близко к 0, а вероятности распознавания ошибок и верного выполнения также достаточно близки к 1 й обычно равны между собой (К)).

В таблице' приведена зависимость относительной погрешности

оценки среднего времени выполнения алгоритма 5(Р°, К) (%).

___Таблица

0° V к 0.95 0.99 0.995 0.999

0 5.3 1 0.5 0.1

0.005 5.7 1.5 1 0.6

0.01 6.3 2 1.5 1.1

0.02 7.3 3 2.5 2.1

0.03 8.35 4.1 3.6 3.2

0.04 9.4 5.2 4.7 4.3

0.05 10.5 6.3 5.8 5.4

0.06 11.6 7.4 6.9 6.5

0.07 12.7 8.5 8 7.6

0.08 13.9 9.7 9.2 8.8

0.09 15.1 10.9 10.4 10

0.1 16.3 12.1 11.6 11.2

Применение разработанной методики целесообразно на ранних стадиях разработки, когда информация о деятельности операторов: структура алгоритма деятельности; безошибочность и время выполнения отдельных операций, связанные с квалификацией оператора, и др., является неточной

Основные результаты получены для типовых функциональных структур (ТФС), наиболее характерных и часто встречающихся в деятельности оператора. Для более сложных структур предлагается их аппроксимация, некоторыми идеальными моделями, получающимися за счет снятия числа ограничений на повторы, с одновременным использованием приближенных формул, которая дает характеристики, являющиеся верхними границами для реальных. Применение упрощенной методики для вычисления характеристик аппроксимирующей ТФС дает нижнюю оценку для безошибочности и быстродействия. Проведенные оценки показали, что вычисление вероятности безошибочного выполнения для идеальной ТФС, аппроксимирующей реальную, дает погрешность в сторону увеличения на (не более 0.0001), что вполне допустимо для ранних стадий проектирования. Исследованы оценки погрешностей при вычислении среднего времени и дисперсии при применении упрощенной методики.

Комплексное использование аппроксимации и упрощенной методики дают существенное уменьшение объемов расчетов. В приложении, путем экспериментальной проверки, это подтверждено на примере выполнения оператором узла связи алгоритма по формированию управляющей команды (сокращение времени расчетов в 12 раз).

В шестой главе изложены характеристики экспериментальных исследований и внедрения результатов. Экспериментальные исследования включали апробацию предложенных подходов и инженерных методик цля ИУЧМС с различными функциями, возлагаемыми на человека. Ряд конкретных исследований проводился для объектов по управлению связью, для которых характерна деятельность оператора по распознаванию ситуации и последующему принятию решений (оператор - исследователь). Другой комплекс исследований затрагивал деятельность оператора - руководителя (построение СИП деятельности руководителей).

Основные исследования были проведены в 1981 - 1997 гг. при выполнении ряда комплексных программ Минвуза РСФСР, Минавиапро-ма, Академии Наук СССР, ГКНТ и др.

4 Внедрения подтвердили практическую пригодность разработанных подходов, методов и моделей и их межотраслевой характер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Теоретико - методологические результаты.

1.1. Модели и методы анализа информационных потребностей пользователей проблемной области "Эргономика" и принципы их классификации по объемам используемой и производимой эргономической информации.

1.2. Вероятностно - ресурсный подход к созданию информационного обеспечения эргономических исследований и разработок и определению перспективных направлений его развития.

1.3. Комплекс методов и моделей, позволяющих формализовать решение различных задач эргономических исследований и разработок, типовые алгоритмы ЭЭ и эргономических оценок ИУЧМС различными методами.

2. Инструментальные результаты.

В работе поставлены и решены следующие основные задачи:

2.1. Разработаны формализованная модель проблемной области "Эргономика", позволяющая учитывать специфику эргономической информации (фактологической и процедурной), и формальное описание пользователей, учитывающее их основные особенности, такие как удовлетворенность (неудовлетворенность) в эргономической информации; множество решаемых задач; комплекс методов, моделей, алгоритмов и

процедур, реализующих решение каждой конкретной задачи; информацию, необходимую для решения задачи и множество результатов, получаемых при ее решении.

2.2. Разработан метод оценки информационных потребностей пользователей предметной области "Эргономика", основанный на использовании различных оценок: - информационных, учитывающих объемы используемой ЭИ; системотехнических, учитывающих интенсивность ее использования; экономических, учитывающих доходы от использования ЭИ и вероятностные характеристики запросов.

2.3. Формализован процесс определения состава ЭИ на ранней стадии создания АСЭИР, т.е. в условиях, когда запросы пользователей не полностью определены (формализовано описание разбиения проблемной области "Эргономика" и поставлена задача оптимального определения состава ИО).

2.4. Разработана.методика оптимальной корректировки состава и структуры (реорганизации состава и реструктуризации) проблемной области " Эргономика" на основании пошагового уточнения характеристик потребностей пользователей в ЭИ (фактологической и процедурной) с учетом частоты обращения (вероятностных характеристик) и доходов от решения задач ЭО (на основе ведения системной статистики) и формализована постановка задачи оптимизации сроков такой корректировки по критерию максимизации дохода.

2.5. Исследованы особенности управления процессом создания ИО п разработаны модели развития ИО различных частей АСЭИР (БМЭД и БОЭД) (получены зависимости между объемами ЭИ и порядком формиро- ■ ватт служб И О) на ранних стадиях их создания.

2.6. Разработан метод определения оптимальных путей развития 110, базирующийся на использовании модели линейной зависимости степени решения задач ЭО от уровня проработанности проблемных процедур и качества (полноты, достоверности) используемой фактологической ЭИ и постановке, на базе этой модели, задачи оптимального

распределения ограниченных ресурсов, как задачи линейного программирования.

2.7. Предложены способы проверки на непротиворечивость базового алгоритма деятельности и распределения функций между оператором и техническими средствами на ранних этапах проектирования. •

2.8. Разработан метод оптимизации численности персонала по критерию максимального дохода (при условии ограниченной длины очереди и с учетом различного вида затрат и штрафов).

2.9. Разработан подход к определению оптимального уровня квалификации (безошибочности) оператора (с учетом приносимого дохода и штрафных санкций за ошибки) и получены значения оптимального уровня безошибочности оператора для трех частных зависимостей..

2.10. Разработаны модель и метод оценки взаимосвязей проблемных задач и показателей эргономического качества ИУЧМС, позволившие корректно сформулировать задачу оптимального распределения ограниченных ресурсов.

2.11. Разработана алгоритмическая модель процесса подготовки и / 'Ведения эргономической экспертизы ИУЧМС и комплекс алгорит-■ в эргономической оценки.

2.12. Разработан ускоренный (приближенный) метод оценки безошибочности и оыстродействия выполнения дискретных алгоритмов, позволяющий резко сократить объем вычислений,, и проведена оценка погрешности, получаемой при его применении.

3. Экспериментальные и прикладные результаты

На основе полученных теоретико - методологических и инструментальных результатов были решены следующие практические задачи:

3.1. По результатам комплексной оценки с помощью методик сравнительного анализа различных пользователей возможно определять целесообразность создания соответствующего БЭД на объектах различных уровней (отраслевом, межотраслевом, отдельного предприятия).

3.2. Реализация предложенных методов анализа и сравнения пользователей по их информационным потребностям и объемам производимой ЭИ, а также проведенный формализованный анализ внутриотраслевых взаимосвязей позволили обосновать состав и структуру территориально - распределенной АСЭИР, сформулировать требования к ее отдельным компонентам (БМЭД, БОЭД, ЛПБЭД), определить организации, в которых целесообразно их создание, а также обосновать их организационные структуры и основные решаемые задачи.

3.3. Проведен анализ потребностей конечных пользователей в информации на ранних этапах построения СИП деятельности руководителей различного уровня и исследована необходимость автоматизироран-ной поддержки принятия решений для каждого уровня иерархии.

3.4. Реализация разработанного многоступенчатого итеративного подхода к созданию информационного обеспечения эргономических исследований и разработок позволила определить состав и структуру разделов проблемной области " Эргономика" на предпроектной стадии, а также на основе анализа обобщенных пользовательских запросов провести уточнение состава и структуры ее разделов и подразделов.

3.5. На основе полученных зависимостей динамики роста объемов эргономической информации выработаны рекомендации по началу создания ИО для БМЭД и БОЭД (созданию служб, занимающихся создани-: ем и развитием ИО), а также сформулирован комплекс требований и предложений по созданию организационного обеспечения различных стадий разработки и создания АСЭИР.

3.6. Проанализированы типовые операции подготовки и проведения ЭЭ ИУЧМС и заложены основы для ее автоматизированной поддержки.

Достоверность полученных результатов подтверждается их широким внедрением в практику и результатами применения разработанных методов и методик к контрольным примерам

Список основных печатных работ по теме диссертации.

1. Информационно-управляющие человеке - машинные системы. Исследование, проектирование, испытания: Справочник/ Ашеров А.Т., ..., Падерно П.И., и др.; Под общ. ред. А.И.Губикского, В.Г. Евграфова. - М.: Машиностроение, 1993. - 528 с.

2. Эргономика: Учебник/ В.Д.Балин, ...,П.И.Падерно, и др.; Под редакцией Крылова A.A., Суходольского Г.В. Изд-во Ленинградского университета, 1988. - 182с.

3. Падерно П.И. (в составе коллектива авторов). Автоматизированные системы управления. Общие требования. ГОСТ 24-104-Ö5. Единая система стандартов автоматизированных систем управления.

4. РД МЭА 29.08.001 - 97. Система стандартов эргономических требований и эргономического обеспечения. Морские транспортные средства. Организация эргономической экспертизы. Межрегиональная эргономическая ассоциация и Технический комитет по стандартизации "Эргономика" (ТК - 201) Госстандарта России (совместно с В.Г. Евграфовым).

5. РД МЭА 29.08.002 - 97. Система стандартов эргономических требований и эргономического обеспечения. Морские транспортные средства. Проведение эрюномической экспертизы. Межрегиональная эргономическая ассоциация и Технический комитет по стандартизации "Эргономика" (ТК - 201) Госстандарта России (совместно с В.Г. Евграфовым).

6. Губинский А.И., Лаушкин Г.Д., Падерно П.И. Характеристики человека как звена систем управления: Учеб. пособие /МВ и ССО РСФСР, ЛЭТИ им. В.И.Ульянова /Ленина/. - Л., 1982.

7. Губинский А.И., Гусев A.A., Падерно П.И. Методы эргономической оценки АСУ: Учеб. пособие/МВ и ССО РСФСР. ЛЭТИ им. В.И Ульянова/Ленина/. - Л., 1984.

8. Падерно П.И., Пиевская Е.В. Построение непротиворечивого базового (безошибочного) алгоритма функционирования человеко - машинной системы // Эргономика в России, СНГ и мире: Материалы междунар. науч. конф. Россия, г. С.-Петербург, июнь 1993г. - СПб, 1993.

9. Падерно П.И. Определение численности персонала в человеко - машинных системах// Эргономика в России, СНГ и мире: Материалы междунар. науч. конф. Россия, г. С.-Петербург, июнь 1993г. - СПб, 1993.

Ю.Евграфов В.Г., Падерно П.И. Определение численности персонала в иерархических человеко-машинных системах // Изв. ГЭТУ. - СПб., 1993.-Вып.467.-С. 75-78.

11 .Евграфов В.Г., Падерно П.И., Шалабина Т.И. Оценка деятельности оператора в процессе принятия решений // Изв. ГЭТУ. - СПб., 1995.-Вып. 486. -С. 81-84.

12.Падерно П.И. Приближенная оценка показателей быстродействия и безошибочности деятельности операторов // Изв. ГЭТУ. - СПб., 1995.-Вып. 486. - С. 84-87.

13.А.И.Губинский, П.И.Падерно, Е.В.Пиевская. Разработка и создание банка эргономических данных II Пробл. теории биотехн. систем эргатического типа. Сб. М., 1989.-(Вопросы кибернетики; N153).

14.Падерно П.И. Эргономическое обеспечение автоматизации научных исследований и проектирования эрготехнических систем // Автоматизация научных исследований, эргономического проектирования и испытаний сложных человеко-машинных систем: Сб. тез. докл. Всесо-юз. науч.-техн. конф. - Л., 1983.

15.Падерно II.И., Пиевская Е.В. Особенности создания информационного обеспечения банка эргономических данных // Эргономическое обеспечение и автоматизация проектирования и испытаний человеко -машинных систем: Материалы Ленингр. науч.-техн. семинара, г. Ленинград. 1986г. - Л., 1986

16.И.Л.Бердников, П.И.Падерно. Банк эргономических данных: некоторые итоги и перспективы// Эргономика и эффективность систем "человек-техника": Тез. докл. ХУ Межрегион, семинара, Лит. ССР, г.Игналина, 1989 г. - Игналина, 1989.

П.Падерно П.И. Подход к модульному построению прикладного программного обеспечения банка эргономических данных // Теория и практика автоматизированных систем аналитических преобразований: Тез. докл. респ. науч. Конф. Лит.ССР, г. Игналина, 1989г. - Вильнюс, 1984.

18.Лебедев В.А., Падерно П.И., Юхтенко В.А. Об одном подходе к распределению функций в ЭТС // Эффективность, качество и надежность эрготехнических систем: Тез. докл. VI Всесоюз. симп. (с участием ученых соц. стран), г.Новгород, 1981г. - М: Науч. совет по комплексной проблеме "Кибернетика" АН СССР, 1981

19.Падерно П.И. Алгоритм проектирования последовательной деятельности II Автоматизация научных исследований, эргономического проектирования и испытаний сложных человеко-машинных систем: Тез. докл. Всесоюз. науч. - техн. конф. г. Ленинград, 1983г. - Л., 1983.

20.Падерно П.И. Алгоритмизация построения последовательного алгоритма прй нечетких приоритетах следования операций II Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника": Тез. докл. VI1 Всесоюз. симп. - М.: АН СССР, 1984.

21. А.А.Зинченко, П.И.Падерно. Автоматизация определения численности коллектива // Автоматизированные системы реального времени для эргономических исследований: Тез. докл. Респ. науч. конф. - Тарту, 1988г.

22.Падерно П.И. Подход к определению оптимальной надежности систем: II Машин, методы оптимизации, моделирования и планирования эксперимента: Межвуз. сб. науч. тр. - Новосибирск, 1988.

23. Падерно П.И., Ревяков М.И. Подход к оптимизации распределения комплексных ресурсов между локальными эрготехническими система-

ми : // Эргономика и эффективность систем "человек-техника": Тез. докл. XVI1 Межрегион, семинара, Литва, г.Игналина, 1991г. - Игна-лина, 1991.

24.Падерно П.И. Определение оптимального уровня квалификации оператора // Эргономика и эффективность систем "человек-техника": Тез. докл. XV Межрегион, сем., Лит. ССР, г.Игналина, 1989г. - Вильнюс, 1989.

25.Гриценко А.И., Евграфов В.Г., Иванова А.П., Падерно П.И. Особенности построения системы интеллектуальной поддержки деятельности руководителя организации (экономический уровень управления) // Эргономика и эффективность систем "человек-техника": Тез. докл. XVI1 Межрегион, семинара, Литва, г.Игналина,1991г. т Игна-лина, 1991.

26.Падерно П.И. Влияние эргатического элемента на надежность системы управления //Эргономика, эффективность качество и надежность систем "человек-техника": Материалы межрегион, семинара, Литва, г.Игналина, 1980г. - Вильнюс, 1980.

27.Бестужева А.Н., Падерно П.И. Эффективность, качество и надежность эрготехнических систем // Материалы науч. совещ. / Науч. совет по комплекс, пробл. "Кибернетика" АН СССР. - М., 1982.- № 2 (123).

28.Адаменко А.Н., Падерно П.И. Принципы автоматизации экономической оценки эргономического обеспечения / / Эргономика и эффективность систем "человек-техника": Тез. докл. XVI Межрегион, сем. Литва, г. Игналина, 1990г. - Вильнюс, 1990.

29.Борщева Т.Н., Падерно П.И. Повышение эффективности организационно-технических систем руководителя //Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника": Тез. докл. IX Всесоюз. симп., г.Воронеж, 1990г. - Воронеж, 1990.

Подписано к печати 25.02.1998 Формат60+84 1/16

Печать офсетная . Усл.печ.л.2.. Уч.-изд. л.2 Тираж 100 экз. Зак. М,

Издательско - полиграфический центр ТЭТУ 197376, Санкт - Петербург, ул.Проф.Попова 5.



Санкт - Петербургский государственный

электротехнический университет

На правах рукописи

к.т.н. Падерно Павел Иосифович

УДК 658.012.011.56:681.5.001.2:007.51

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭРГОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ИНФОРМАЦИОННО - УПРАВЛЯЮЩИХ ЧЕЛОВЕКО - МАШИННЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.02.20 - эргономика (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург

Оглавление

Перечень условных обозначений................................................................ 6

Введение................................................................................................. 7

Глава 1. Анализ состояния проблемы автоматизации эргономических исследований и разработок информационно - управляющих человеко - машинных си стем..........................................................................................................21

1.1. Специфические особенности эргономического обеспечения информационно -управляющих человеко - машинных систем различных классов ..................... 21

1.2. Автоматизация эргономического обеспечения в России и странах СНГ.......30

1.3. Автоматизация эргономического обеспечения за рубежом..........................43

1.4. Особенности эргономической информации, необходимой для исследований

и разработок информационно - управляющих человеко - машинных систем.......54

1.5. Формулировка проблемы и задач исследования.......................................57

Выводы.....................................................................................................60

Глава 2. Модели и методы анализа информационных потребностей пользователей проблемной области "Эргономика".........................................................63

2.1. Формализованная модель предметной области "Эргономика"...................63

2.2. Формализованная модель пользователя предметной области "Эргономика"66

2.3. Метод оценки информационных потребностей пользователей предметной области "Эргономика", методика их анализа и сравнения..................................71

2.4. Метод анализа и сравнения пользователей по объемам производимой эрго-н о м и ческой инф ормации.............................................................................86

2.5. Оценка потребностей в автоматизации на примере систем интеллектуальной поддержки руководителей различных уровней...............................................93

2.6. Методика обоснования состава и структуры АСЭИР и перечня выполняемых функций..................................................................................................100

Результаты и выводы

106

Глава 3. Вероятностно - ресурсный подход к созданию и развитию информационного обеспечения АСЭИР, использующей предметную область "Эргономика", в условиях неопределенности запросови неполноты эргономической информации.........................................................................................................108

3.1. Метод определения состава эргономической информации в условиях неопределенности запросов пользователей.............................................................108

3.2. Реорганизация состава информационного обеспечения.............................113

3.3. Модели пополнения информационного обеспечения на ранних стадиях разработки и создания различных частей АСЭИР................................................118

3.4. Анализ перспективных направлений развития информационного обеспечения..........................................................................................................125

3.5. Модель зависимости качества фактологической эргономической информации от ресурса............................................................................................... 134

3.6. Методика распределения ограниченных ресурсов при решении задачи развития И О....................................................................................................138

Результаты и выводы................................................................................143

Глава 4. Алгоритмизация решения основных задач эргономического проектирования информационно - управляющих человеко - машинных систем ..................146

•4.1. Способы построения базовых безубыточных алгоритмов деятельности и распределения функций между оператором и техническими средствами...............146

4.2. Оптимизация численности персонала.....................................................151

4.3. Определение оптимального уровня квалификации оператора....................163

Результаты и выводы ...............................................................................171

Глава 5. Методы и алгоритмы эргономической оценки информационно - управляющих человеко - машинных систем..........................................................172

5.1.Метод оценки взаимосвязей эргономических показателей и проблемных

задач .....................................................................................................172

5.2. Алгоритмы проведения эргономической экспертизы информационно - управляющих человеко - машинных систем ........................................................182

5.3. Приближенный метод оценки безошибочности и быстродействия выполнения

дискретных алгоритмов деятельности..........................................................198

Результаты и выводы ...............................................................................214

Глава 6. Внедрение и практические результаты работы..................................216

6.1. Общий характер внедрения..................................................................216

6.2. Характеристика апробации и внедрения результатов...............................223

Заключение..............................................................................................234

Список использованных источников............................................................240

Публикации по теме диссертации................................................................261

Приложение 1. Классификация пользователей АСЭИР на основе качественного

анализа их информационных потребностей...................................................268

Приложение 2. Структура отдельных компонент АСЭИР и задачи подразделений..........................................................................................................273

Приложение 3. Состав и содержание разделов предметной области "Эргономика" (первоначальный вариант).........................................................................289

Приложение 7. Перспективы развития АСЭИР

310 316

Приложение 8. Специфические требования к программному обеспечению АСЭИР

и принципы построения программных модулей.............................................318

Приложение 9. Перечень проблемных задач по совершенствованию эргономических характеристик...................................................................................326

Приложение 10. Оценка эффективности проблемных задач............................329

Приложение 11. Исходные данные и результаты расчетов влияния отдельных

проблемных задач на эргономичность ИУЧМС в целом.................................333

Приложение 12. Ранжирование проблемных задач по эффективности (степени

приоритетности)........................................................................................335

Приложение 13. Показатели приоритетности проблемных задач.....................338

Приложение 14. Оценка уменьшения времени (сокращения объемов) расчета на примере деятельности оператора узла связи.................................................345

Перечень условных обозначений

АД - алгоритм деятельности АС - автоматизированная система АСИ - автоматизированная система испытаний АСНИ - автоматизированная система научных исследований АСЭИР - автоматизированная система эргономических исследований и разработок БД - база данных БМЭД - банк межотраслевых эргономических данных БОЭД - банк отраслевых эргономических данных БЭД - банк эргономических данных ИУЧМС - информационно - управляющая человеко - машинная система

И О - информационное обеспечение ЛПБЭД - локальный проблемный банк эргономических данных ОМ БЭД - опытно - методический банк эргономических данных ОО - организационное обеспечение ПО - программное обеспечение САПР - система автоматизированного проектирования

СИП - система интеллектуальной поддержки СУБД - система управления базами данных ЧМС - человеко - машинная система ЭО - эргономическое обеспечение ЭС . экспертные системы ЭЭ - эргономическая экспертиза

ВВЕДЕНИЕ

Переход России на рыночную экономику обуславливает, в качестве одной из первоочередных задач, необходимость повышения качества и конкурентоспособности всех основных видов промышленной продукции [52, 65, 170]. При этом решающая роль отводится всестороннему учету человеческого фактора, что должно обеспечить повышение эргономичности (эргофункциональности и эрго-комфортности) как отдельных изделий, так и информационных процессов и технологий.

Современные информационно - управляющие человеко - машинные системы (ИУЧМС) (автоматизированные системы управления (АСУ) различных уровней, системы передачи информации, системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и т.д.), несмотря на различия в целевом назначении, имеют общую особенность - взаимодействие человека (оператора или лица, принимающего решение (ЛПР)) или коллектива специалистов с комплексом технических и информационно - программных средств в процессе решения поставленной задачи.

Таким образом эффективность ИУЧМС существенным образом зависит от комплекса факторов, влияние которых должно было быть учтено при разработке и создании данной системы.

Обеспечение всестороннего учета факторов, влияющих на эффективность ИУЧМС в зависимости от ее специфических особенностей, может быть реализовано только на основе автоматизированной системы эргономического обеспечения исследований и проектирования ИУЧМС, базирующейся на использовании структурированной эргономической информации и применении новейших информационных технологий. В особенности это касается как создания общих подходов

и методов автоматизации эргономического обеспечения и их реализации на основе всемерного удовлетворения потребностей различных пользователей в эргономической информации (банка эргономических данных) путем рационального построения и эксплуатации информационного обеспечения, так и разработки моделей, методов и алгоритмов решения отдельных (частных) задач эргономического обеспечения (ЭО).

Актуальность проблемы создания теоретических и методологических основ автоматизации эргономического обеспечения, исследуемой в настоящей работе, обусловлена необходимостью научно - обоснованного решения следующих практически важных задач:

а) разработка моделей и методов анализа потребностей конечных пользователей в эргономической информации, их классификация и определение необходимого уровня автоматизации ЭО исследований и проектирования ИУЧМС для каждого из пользователей;

б) разработка подходов и методов определения состава и структуры информационного обеспечения (ИО), являющегося основой для автоматизированного решения задач ЭО, а также его оптимальных изменений (реструктуризации) и развития в процессе эксплуатации АСЭИР;

в) разработка общих алгоритмов решения задач ЭО при исследовании и проектировании ИУЧМС;

г) разработка подходов, методов, способов, моделей и алгоритмов для решения комплекса частных задач ЭО.

Центральным вопросом рассматриваемой проблемы является построение оптимального ИО и создание комплекса математических моделей и алгоритмов, которые позволяют оценивать эффективность исследуемых и разрабатываемых ИУЧМС и выбирать наилучшие решения.

Научно - обоснованное решение проблемы создания теоретических и методологических основ автоматизации эргономического обеспечения исследований и разработок высокоэффективных ИУЧМС носит комплексный характер и требует использования методов и результатов исследований, полученных специалистами:

- в области теории надежности технических объектов (работы Б.В.Гнеденко, В.С.Королюка, А.М.Половко, Ю.К.Беляева, И.А.Рябинина, А. Д.Соловьева, А.Ф.Турбина, Г.Н.Черкесова, И.А.Ушакова и др.);

- в области моделирования и оптимизации процессов функционирования ЧМС (работы А.И.Губинского, В.Г.Евграфова, А.Т.Ашерова, А.П.Ротштейна, И.В.Сафонова, Г.В.Дружинина, Е.А.Лаврова и др.)

- в области эргономического и инженерно - психологического обеспечения (работы П.Я.Шлаена, В.М.Мунипова, В.П.Зинченко, Г.М.Зараковского, Г.В.Су-ходольского, Ю.М.Забродина, А.И.Галактионова, В.М.Львова, В.В.Павлова, Ю.Г.Фокина, Г.Л.Смоляна, А.П.Пятибратова, В.В.Малоземова и др.);

- в области использования новых информационных технологий (работы Б.Я.Советова, А.Г.Мамиконова, С.А.Яковлева и др.).

Непосредственная автоматизация решения ряда существующих задач ЭО на практике значительно затруднена следующими обстоятельствами:

а) метод (описания, оценки, оптимизации) основывается на математической модели, полученной на основе исследований реальных ЧМС, но при этом не оговорены ни специфика контингента испытуемых, ни его объем и т.д., что указывает на неполную адекватность исходных данных (модели) реальным условиям:

б) метод основан на адекватной математической модели, но достаточно сложен для автоматизации, в то время, как точность исходных данных очень низка;

в) процесс эргономической оценки отдельных и комплексных свойств носит описательный характер и его необходимо достаточно адекватно, четко и однозначно описать для последующей автоматизации;

г) для эргономической оценки необходимо использовать комплекс разнородных данных, некоторые из которых могут отсутствовать;

д) отсутствует адекватная математическая модель функционирования ИУЧМС и необходимо разработать и довольствоваться приближенной моделью.

Цель работы состоит в повышении эффективности решения задач исследований, разработок и экспертизы ИУЧМС за счет автоматизации эргономического обеспечения.

Объект исследования. В работе рассматриваются ИУЧМС с дискретным характером протекания информационных процессов. Типичными представителями таких систем служат объекты, обеспечивающие связь, т.е. системы, в которых человек выполняет не только различные операторские действия, но и комплекс функций по принятию решений и т.п.

Предметом исследования служат основные вопросы автоматизации решения задач эргономического обеспечения исследований и разработок ИУЧМС:

- анализ потребностей пользователей в эргономической информации;

- обоснование состава и структуры ИО, исследование специфических особенностей его эксплуатации и развития;

- модели, методы и алгоритмы решения отдельных задач ЭО.

Методы исследования. В работе предложены методы анализа информационных потребностей пользователей и их классификации, подходы к оптимальному построению и развитию ИО эргономических исследований и разработок ИУЧМС, а также модели, методы и алгоритмы решения конкретных задач автоматизации ЭО, основанные на методах системного анализа, комплексном исполь-

зовании новейших информационных технологий, последних разработок в теории и практике человеко - машинных систем, методов теории надежности и массового обслуживания, теории алгоритмов, теории случайных процессов, методов теории оптимизации, инженерной психологии и эргономического обеспечения.

На научные концепции автора и методы исследований, примененные при решении основных задач автоматизации эргономического обеспечения исследований и разработок ИУЧМС наиболее существенное влияние оказали работы и выступления П.Я.Шлаена в области перспективных направлений эргономических исследований и разработок (задачи автоматизации ЭО и оптимизации ЧМС); работы А.И.Губинского в области создания БЭД и моделирования функционирования различных ЧМС (задачи разработки состава и структуры ИО АСЭИР ИУЧМС и приближенной оценки алгоритмов дискретной деятельности); работы В.Г.Евграфова в области эргономического проектирования (анализ потребностей пользователей в эргономической информации и подходы к определению состава и развитию ИО, а также задачи оптимизации численности персонала ИУЧМС); работы Б.Я.Советова в области перспективных информационных технологий (задачи разработки информационного обеспечения (отбора и группирования фактологической и процедурной эргономической информации).

В частности, использованы и усовершенствованы применительно к автоматизации исследований и разработок ИУЧМС:

- способы анализа информационных потребностей пользователей, определения состава ИО и подход к оптимизации его развития;

- аппарат описания и оценки эффективности функционирования систем с дискретными алгоритмами деятельности;

- методы и алгоритмы оценки и оптимизации численности и квалификации персонала ИУЧМС.

Результаты, выносимые на защиту:

Модели и методы анализа потребностей пользователей в эргономической информации, базирующиеся на формальном описании поьзователей и предметной области, методы сравнения и классификации пользователей различных уровней по объемам потребляемой и производимой эргономической информации, оценка их потребностей в автоматизации и обоснование состава и структуры АСЭИР и перечня выполняемых функций.

Вероятностно - ресурсный подход к оптимальному определению и развитию состава и структуры ИО АСЭИР, учитывающий специфические особенности эргономической информации (неполноту), и ограниченность ресурсов, включающий:

- методы определения состава эргономической информации при неполной определенности запросов различных пользователей и его реорганизации на основе уточнения запросов;

- модель взаимосвязи пополнения ИО и организационного обеспечения на ранних стадиях эксплуатации АСЭИР, позволяющуя оптимизировать стратегию пополнения ИО;

- �