автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методология построения, моделирования и комплексной оценки качества человеко-машинных систем управления

$ /( H. . .

;: <&глънйк управлёг. . ■я . л

уСи^и^шс^К

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

На правах рукописи

УДК 007.159:51: 019.3:331.015.11:574

КАЛЕЧИЦ Ирина Николаевна

Методология построения, моделирования

и комплексной оценки качества человеко-машинных систем управления

Специальность: 05ЛЗЛ6.- Применение вычислительной

техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 7

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ СИСТЕМ (ЧМС) УПРАВЛЕНИЯ ....................................................................... 28

1.1. Основные направления развития имитационного моделирования человеко-машинных систем ............................................................. 28

1.2. Постановка задачи и цели имитационного моделирования систем с групповым управлением ..................................................................... 37

1.3. Сравнительный анализ средств представления данных и знаний

для описания предметной области ........................................................... 48

1.4. Требования к структуре интеллектуальной системы моделирования многокомпонентной среды функционирования ЧМС управления ....... 65

1.5. Выводы............................................................................................... 68

II. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЧМС УПРАВЛЕНИЯ ........................ 72

2.1. Описание процессов генерации событий и ситуаций с помощью продукционных систем ..................................................................... 72

2.2. Недетерминированная модель процессов генерации событий и ситуаций в системе моделирования ....................................... 78

2.3. Динамическая модель генерации событий и ситуаций в системе имитационного моделирования ........................................................ 95

2.4. Выводы к главе II ............................................................................ 109

III. ПОСТРОЕНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ В ИС УПРАВЛЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ .......... 112

3.1. Формализация базовых элементов внешней обстановки ................ 112

3.2. Оптимизация информационной базы в модели знаний ИС.............. 114

3.3. Разработка модели идентификации ситуаций в процессе динамической генерации событий и ситуаций внешней среды......... 118

3.4. Управление информационным взаимодействием подсистем моделирования ситуаций внешней среды ......................................... 123

3.5. Реализация имитационного моделирования внешних ситуаций многокомпонентной среды в ИС управления ................................... 127

3.6. Описание структуры процесса моделирования внешней обстановки ........................................................................................ 131

3.7. Выводы к главе III .......................................................................... 133

IV. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ

МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЧМС УПРАВЛЕНИЯ ...............................

-44.1. Определение требований к качеству проектирования и

эксплуатации интеллектуальных систем управления для 136

распределенных технических объектов ..........................................

4.2. Анализ и классификация внутренних и внешних факторов, влияющих на функционирование интеллектуальных систем .......... 141

4.3. Выводы к главе IV ........................................................................... 145

V. СИНТЕЗ ЭМПИРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИНФОРМАЦИОННОЙ БАЗЫ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ....................... 147

5.1. Построение эмпирической модели оценки достоверности знаний и данных предметных областей в интеллектуальных системах ......... 148

5.2. Разработка модели и методов оценки адекватности отображения информации в ИС ............................................................................. 159

5.3. Методы определения информационного старения и актуальности данных и знаний ............................................................................... 166

5.4. Оценка дублирования данных и знаний в интеллектуальных и экспертных системах........................................................................ 171

5.5. Формирование эмпирической оценки качества информационной

базы ИС управления ........................................................................ 173

5.6. Выводы к главе V ............................................................................ 175

VI. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЧМС УПРАВЛЕНИЯ ................

-56.1. Исследование и формализация элементов экологического фактора,

влияющего на безопасность эксплуатации систем .......................... 177

6.2. Разработка методов оценки "пессимистического" прогноза в экологическом взаимодействии "человек - ИС - объекты управления - отрасль - внешняя среда" ............................................ 180

6.3. Выводы к главе VI ........................................................................... 184

VII. РАЗРАБОТКА ЭКСТРОСПЕКТИВНОГО МЕТОДА

ФОРМАЛИЗАЦИИ И ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ К ЧЕЛОВЕЧЕСКОМУ ФАКТОРУ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ

ЧМС УПРАВЛЕНИЯ .......................................................................... 185

7.1. Анализ и систематизация требований, особенностей медицинской, санитарно-гигиенической, эргономической оценки ИС ................... 186

7.2. Требования пользователей, ЛПР, предъявляемые к разработчикам интеллектуальных систем управления .................... 188

7.3. Требования заказчиков и проектировщиков к ИС управления распределенными техническими объектами .................................... 189

7.4. Разработка алгоритмов экстроспективного метода оценки определяющих требований к человеческому фактору в ИС управления ........................................................................................ 190

7.5. Выводы к главе VII ......................................................................... 197

VIII. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЧМС УПРАВЛЕНИЯ

-68.1. Обобщение экспертных оценок критериев качества с

использованием коэффициентов важности и выбор экспертов........ 199

8.2. Описание процесса генерации состояния экспертных оценок качества ИС на продукционной системе ......................................... 206

8.3. Выводы к главе VIII ................................................................................................................................................212

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................................................................................214

ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................................................................................220

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Руководство по эксплуатации комплексной

системы оценки интеллектуальных систем "КСО-ИС" для

пользователя (ЛПР, эксперта и других лиц) ................................... 250

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Анкеты оценок качества ИС (системы "КСО-

ИС").................................................................................................. 260

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: Акты внедрения и использования материалов

диссертации ...................................................................................... 265

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях взаимодействие экономики, техники, науки и политики воспринимается как единое целое. Поэтому стремительное развитие новых информационных технологий заставляет по-другому воспринимать саму компьютерную технику. Говоря об информатике, повсеместной компьютеризации, новых технологиях, как правило, употребляют только хвалебные эпитеты, но редко затрагивают возможные негативные (даже катастрофические) последствия, в том числе и экологические [10,20,100,138,182, 195,332,336].

Вспоминая об экологии, обычно забывают, что экологические проблемы возникли прежде всего из-за высоких, новейших технологий для технологий. Вначале изобретаем автомобиль, затем более скоростной, более комфортабельный, и только потом задумываемся о том, чтобы он был экологически чистым. Очевидно, когда-нибудь создадут и экологически чистую компьютерную технику. А пока компьютерную технику со всеми ее негативными последствиями внедряют в различные новейшие технологии и быт. Нужны ли везде компьютеры? На сегодня в европейских странах и США отмечается перепроизводство компьютерной техники. Поэтому, хотим мы этого или нет, но реклама внедрения и эксплуатации компьютеров повсеместна и у нас в стране. Может быть, нам стоит вовремя остановиться и учесть печальный опыт других стран [ 14,18,35,100,195,331-333,361 ].

Быстрое развитие информатики и вычислительной техники ставило целью решение информационных и технических задач, а эргономические и экологические проблемы оставались в стороне, также как и проблемы

безопасности. Здесь полезно привести следующий пример. Вначале создание атомной энергетики было направлено на наращивание мощностей, а таким факторам, как: эргономика, техника безопасности, надежность и влияние на окружающую среду, внимания уделялось недостаточно. К чему все это привело, хорошо известно. Следует заметить, что после длительных попыток создать проекты электростанций, заводов, работающих "на замке", т.е. в режиме полной автоматизации, без присутствия людей, разработчики пришли к выводу, что все производственные системы должны проектироваться как системы "человек -машина - среда". Именно благодаря участию человека системы вообще способны длительно и успешно работать. Это значит, что необходимо видеть и учитывать не только и не столько человеческие факторы возникновения аварий, сколько человеческие факторы успешного функционирования систем. Известно множество случаев, когда операторы спасали самолеты, корабли, электростанции, энергосистемы при чрезвычайно сложных аварийных ситуациях. Но, к сожалению, бывает и так, что операторы умудряются "на ровном месте" создать ситуацию, при которой сводятся на нет все усилия разработчиков [ 54, 102, 250,286,318,319 ].

Комплексный учет надежности человеческих факторов в целях обеспечения безопасности технических систем управления важен для всех отраслей народного хозяйства - начиная с атомной энергетики и кончая медициной. Международной

эргономической ассоциацией принято определение человеческого фактора "как комплекс психофизических, психологических и физиологических особенностей поведения человека в производственной среде", в частности, в системах

управления [ 21,35,92,100,113,192,195,293 ].

В последние годы резко возросли продолжительность и интенсивность контакта человека с вычислительной техникой, которая стала существенной составляющей среды обитания человека, затрагивая как программирующих специалистов и лиц, принимающих решения по управлению, так и множество разнообразных пользователей. Несколько лет назад "Национальный институт США профессиональных заболеваний и техники безопасности начал включать нервные расстройства в свой перечень профессиональных заболеваний и выдвинул в качестве одной из первоочередных - задачу снижения уровня стрессов в американских учреждениях". В числе профессий, вызывающих наиболее частые расстройства здоровья, оказалась "административная работа, связанная с компьютерами и терминалами с экранным дисплеем. Как установил институт, она создает более высокий уровень напряжений, чем даже работа авиадиспетчеров" [ 18 ].

В современном мире все более и более человека рассматривают как придаток к машине I 20,54,102,138,182,195,293,319,332,336 ]. Но в странах с низкой рождаемостью, высоким жизненным уровнем и сильным военным потенциалом, как, например, в Швеции, Нидерландах, Германии, Франции, США , решают проблемы безопасности человека и его экологии. В этих странах фирмам приходится выплачивать колоссальные суммы компенсаций за профессиональные заболевания, связанные с новыми информационными технологиями. Эти страны интересуются не только новыми технологиями на данном этапе, но также прогнозированием их последствий. Именно поэтому они

интересуются всеми негативными явлениями и последствиями, которые несут в себе компьютерные технологии (без которых сейчас немыслима никакая другая современная технология) [ 26,35,192,209,222,331-333,361,362 ] .

Исследование, проведенное Уотсоновским исследовательским центром компании IBM, подтвердило, что "люди пока еще быстрее и точнее считывают информацию с бумаги, чем с любых компьютерных мониторов, используемых в настоящее время". Результаты данного исследования показали, что "для достижения одинаковой производительности операторов необходимы электронно- лучевые трубки, имеющие примерно вдвое большую разрешающую способность по сравнению с тем, что используется сейчас" [ 341, 362 ].

Известно, что отдельные компоненты влияния компьютерной техники на человека носят весьма негативный характер. Это заставляет задуматься не только о влиянии компьютера на экологию внешней среды, которая отрицательно воздействует на здоровье человека, но и как экология компьютерной техники влияет на принятие решений в интеллектуальных системах [ 18,20,95-100,139,222, 245,250,294,307,330,347 ]. Особенно важно учитывать такое экологическое влияние при проектировании и создании экспертных (ЭС) и других интеллектуальных систем (ИС) для таких распределенных технических объектов управления, как системы управления воздушным и водным транспортом; системы атомной энергетики, медицинские системы экстренной помощи; системы управления химическими процессами; космические системы; системы связи, а также военные системы. В таких системах окончательное решение по управлению принимает человек [ 195,222,250,294,296,301,303,308,332,361 ]. Поэтому в данных системах важно не допустить коллективные ошибки в принятии решений, так

как от этого зависит не только состояние объектов управления, но и человеческих жизней (особенно в экстремальных ситуациях). То, что человек переложил ответственность по управлению и принятию решений с себя на компьютер, наносит непоправимый ущерб окружающей среде и человеку. Поэтому ИС необходимо рассматривать только как человеко-машинные системы (ЧМС). С экологическими проблемами компьютерной техники неразрывно связаны и информационные. Оттого, насколько адекватно восприятие информации с экранов компьютерной техники, зависит иногда не только состояние динамических объектов управления, но и человеческих жизней [ 294,307 ]. Как свидетельствует пример из американской печати, " в военно-воздушных силах США ... даже разработчики будут удивлены, если пилот при опасности доверит свою жизнь кремниевому консультанту". Крис Шпигль (один из разработчиков такой системы) замечает, что " для лучшей концентрации внимания большинство пилотов отключает автоматические системы перед началом атаки " [ 95 ]. Надежность эксплуатации изощренных военных экспертных систем беспокоит не только пилотов. Терри Виноград, "пионер искусственного интеллекта", превратился в его критика. В настоящее время он работает в Стэнфорде, где создал в Пало-Алто группу под названием "Профессионалы-компьютерщики - за социальную ответственность", которая выступает против использования интеллектуальных систем для военных целей. Виноград уверен, что " отстранение экспертов от принятия непредсказуемых решений на основании их сведений - это, возможно, самое коварное и опасное следствие запутанности существующих экспертных систем". Терри Виноград особенно

озабочен использованием экспертных систем в стратегической оборонной инициативе, или "звездных войнах". " Еще в 1960 году," замечает Виноград, -"компьютерная система оповестила об "атаке Советов", когда сигналы радаров отразились от Луны, что не было предусмотрено программистом". Виноград утверждает, " что при использовании интеллектуальных экспертных систем возможность подобных ошибок значительно увеличивается" [ 95 1 . Таким образом, там, где есть влияние внешней среды (ВС), надежность экспертных систем не может гарантироваться [ 209,222,245,303 ].

Кроме чисто научных и технических достижений, необходимо думать о нравственных и экологических проблемах. Это особенно явно проступило в эксплуатации интеллектуальных и экспертных систем управления. За ошибки в представлении данных и знаний, в принятии решений , а также в силу недостатка интеллекта некоторого десятка человек расплачиваются иногда тысячи и миллионы пользователей этих систем, а также просто граждане той страны, области, где используются эти системы. Обычно эксплуатация таких систем приводит к повышенному индустриальному риску.

Поэтому в настоящее время актуальными являются задачи разработки, моделирования (испытаний и эксплуатации) многокомпонентных интеллектуальных человеко-машинных систем управления. Создание такого рода человеко-машинных систем позволяет решать сложные информационные и управленческие задачи. Необходимо сделать крупный шаг в интеллектуализации производства, управлении и проектировании. Решению этих задач во многом будут способствовать совершенствование и широкое внедрение в призводство интеллектуальных человеко-машинных систем. Однако, как показывает

практика, процесс создания подобных систем носит интерактивный характер; необходимым звеном этого процесса является проведение натурных испытаний разрабатываемых вариантов системы с целью оценки эффективности используемых технических средств и качества структурной организации колл�