автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.20, диссертация на тему:Методы и средства эргономического проектирования автоматизированных технологических комплексов

0 ин

- 3 ОКТ 1396

на правах рукописи

ЛАВРОВ Евгений Анатольевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭРГОНОМИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.02.20—эргономика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург — 1990

Работа выполнена в Сумском сельскохозяйственном институте

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Попечителе!? Б. П. доктор технических паук профессор Кобзев В. В. доктор технических наук старший научный сотрудник

Лущик В. Л.

Ведущая организация — «Эргоцентр», г.' Тверь

Зашита состоится «...€......».............,11^111..............................1996 г.

в....(£.........часов на заседании диссертационного совета Д 063.36.09

Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан «............»....................¿................................1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев 3. Л1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из путей повышения эффективности промышленного и сельскохозяйственного производства является его комплексная автоматизация, построение предприятий по принципу автоматизированных технологических комплексов (АТК),т.е. систем, в которых один или несколько технологических объектов работают под управлением иерархической АСУ технологическим процессом с большим или меньшим участием человека. В последние годы большие надежды связывались с "безлюдными технологиями". Однако, в настоящее время фетишизация полно!! автоматизации производства начинает уступать место более трезвому подходу - поиску разумных границ автоматизации, пониманию возрастания в условиях комплексной автоматизации роли человека и пены его ошибок.

Отечественный и зарубежный опыт автоматизации производства показывает, что решение проблемы организации оптимального взаимодействия человека-оператора с автоматикой таит в себе большие резервы повышения эффективности АТК.

Проблема эргономического проектирования АТК может быгь решена при использовании арсенала концепций и средств эргономики, ориентированных на количественные методы и применение современных средств компьютерной техники. Работы ученых ряда научных щкол создают предпосылки для решения проблемы. Однако в целом ее нельзя считать решенной до конца в связи с отсутствием методологии анализа и синтеза АТК, как комплексной информационно-производственной иерархической многофункциональной системы, включающей технологический объект управления и автоматизированную систему управления технологическим процессом; отсутствием концепции комплексной автоматизации деятельности эргономиста по исследованию и проектированию АТК, охватывающей все этапы квалиметрического эргономического проектирования; неприспособленностью методологии проектирования эрготехнических систем (ЭТС) к необходимости автоматизированной генерации проектных вариантов, а также к условиям, в которых представления эргономиста о системе являются неполными или неточными; отсутствием разработок в области генерации проектных вариантов АТК; недостаточной обоснованностью и точностью моделей оценки проектных вариантов алгоритмов функционирования- (АФ) АТК; оперированием в различных подходах к выбору оптимального проектного варианта показателями различной номенклатуры; отсутствием разработанного банка методов решения оптимизаци-

онных задач, учитывающих все отличительные особенности АТК и возможные потребности эргономистов и рядом других причин.

Поставленная в диссертационной работе проблема решалась и рамках пеленой комплексной программы ГКНТ 016.10 "Гибкие автоматизированные производства" в соответствии с заданием 01.06.04 "Разработка принципов создания систем контроля в ГПС" (утверждено приложением N"75 к Постановлению ГКТН СССР от 30 октября 1985 г. .N¿555), работ темы IV проблемы 1.37 "Разработка научных основ эргономических норм и требований" программы международного сотрудничества стран - членов СЭВ, национальной научно-технической программы Украины

"Агропромкомплекс" в соответствии с заданием 1995 г. "Механизация, электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, первичной обработки и хранения продукции и технический сервис в АПК", а также ряда других программ.

Объектом исследования настоящей работы являются автоматизированные технологические комплексы (АТК).

Предметом исследования являются процессы проектирования взаимодействия человека-оператора с информационно-программно-техническими средствами АТК.

Цель работы состоит в разработке основ теории автоматизированного (основанного на информационных технологиях) квалитетного эргономиче' ского исследования и проектирования АТК,' инструментария реализации концепции - моделей для исследования, методов и средств обеспечения эр-гономичности и аппробация концепции и инструментария при создании АТК.

Задата исследований. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Сформулирована концепция информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК (глава 1).

2. Разработан комплекс системных моделей АТК к метод генерации вариантов организации АТК (глава 2).

Разработан комплекс моделей оценки качества алгоритмов функционирования АТК (глава 3).

4. Решен комплекс, задач выбора оптимального варианта организации АТК, учитывающих особенности объекта и-характер деятельности в АТК человека-оператора (глава 4).

5. Разработана информационная технология исследования и проектирования АТК - программное, информационное и методическое обеспечение (глава 5).

6. Решен ряд задач эргономического проектирования для различных систем, отраслей, производств (глава 6).

Автор защищает:

- концепцию информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК;

- комплекс системных моделей АТК, необходимых для эргономического проектирования, и метод генерации проектных вариантов организации АТК;

- методы и средства оценки показателей функционирования АТК при различных вариантах организации АТК, учитывающие случайны;! характер времени выполнения операций и влияние на качество деятельности оиера-ционно-темновои напряженности:

- методы и средства выбора оптимального варианта АТК при различных постановках задач оптимизации, учитывающих особенности эргономического проектирования АТК;

- информационную технологию эргономического исследования и проектирования АТК (информационное, программное и методическое обеспечение), методику разработки информационно-справочных систем для целей эргономического проектирования;

- результаты по эргономическому проектированию конкретных АТК.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в

следующем:

- эргономическое исследование и проектирование АТК рассматривается как совокупность этапов системного эргономического анализа и синтеза не отдельных элементов, а системы в целом, с учетом как технологического объекта управления, так и системы управления и с учетом требований всех задач эргономического проектирования: новизна концепции информационной технологии эргономического исследования и проектирования состоит в том, что структура технологии и соответствующей автоматизированной системы обосновывается с позиций интегрированной обработки информации;

- з отличие от известных экспертно-эмпирических подходов к получению вариантов организации ЭТС поставлена и решена задача генерации вариантов на основе формальных моделей; разработан подход к построению моделей АТК и генерации вариантов на основе ненадежных данных и знаний:

- п отличие от существующих моделей оценки своевременности реализации АФ ЭТС, основанных либо на численных методах, либо на оценке математического ожидания и дисперсии времени выполнения АФ и допущении о нормальном (гамма) законе распределения времени выполнения

АФ, дающих приближенное значение вероятности своевременного выполнения без оценки его погрешности, получены более точные аналитические модели, основанные на оценке значения функции распределения времени выполнения АФ в требуемой точке, позволяющие получать в случае приближенных значений оценку погрешности вычислений;

- в дополнение к существующим статичным моделям деятельности разработаны модели, позволяющие учитывать динамику показателей качества деятельности в зависимости от операционно-темловых условий деятельности и установок оператора;

- поставлена и решена задача оптимизации с ограничением на вероятность своевременного выполнения АФ; ранее решалась детерминированная задача оптимизации АФ с ограничением ка математическое ожидание времени выполнения АФ, не учитывающая случайный характер времени реализации АФ;

- поставлены и решены задачи оптимизации алгоритмов деятельности средствами регулирования временных ограничений на реализацию деятельности;

- разработан комплекс различных методов многокритериальной оптимизации эргономического качества, учитывающих возможные представления пользователя-эргономиста об оптимальности и использующих не только прагматические показатели, но и показатели различных других групп, используемых при моделировании -и оптимизации ЭТС различными научными школами;

- поставлены и решены эргономические задачи оптимизации, учитывающие многофункциональный характер проектируемой системы;

- в отличие от имевшихся ранее разрозненных программных продуктов, предназначенных для эргономического проектирования, создан информационно-программный комплекс, представляющий единую систему, реализующую информационную технологию эргономического «следования и проектирования;

- в разработанной информационно-справочной системе о качестве выполнения оператором типовых действий и операций предусмотрены иоз-можности гибкой. настройки на различающиеся исходные данные о качестве, возможности введения и удаления влияющих факторов, задания новых математических моделей учета поправок и выбора моделей из базы данных;

- в отличие от существующих подходов к разработке информационно-справочных. систем на базе программирования разработана технология по-

лучения информационно-справочных систем для целей эргономического проектирования, исключающая процесс написания программ.

Достоверность результатов обеспечена доказательством выдвинутых утверждений; аналитическими выводами зависимостей, используемых я моделях; корректным применением методов и моделей прикладного исчисления предикатов, функционально-структурной теории зрготехнических систем, эргономики и инженерной психологии, теории надежности, теории вероятностей, полумарковских управляемых процессов; экспериментальными исследованиями; опытом использования результатов при проектировании различных АТК в различных отраслях народного хозяйстза; опытом эксплуатации АТК, созданных'с учетом или на основе результатов настоящих исследований.

Практическое значение. Сформированные в работе положения очерчивают круг проблем, связанных с эргономическим проектированием ЛТК. показывают актуальные направления повышения эргономического качества АТК. Использование методов и средств, изложенных в диссертации, позволяет еще на стадии технического или рабочего проектирования решить многие вопросы обеспечения необходимого качества и эргономичности АТК, а именно: сгенерировать множество допустимых проектных вариантов, оценить качество конкурирующих вариантов и сравнивать значения показателей с нормативными или директивными; выбирать оптимальный вариант. Обеспечивается более высокое качество проектных решений (по сравнению с существующими методиками и программными средствами) за счет повышения точности расчетов показателей, а также постановки и решения ряда новых оптимизационных задач, учитывающих особенности АТК. Трудоемкость эргономического проектирования и исследования АТК в результате внедрения разработанной информационной технологии может быть значительно снижена вследствие комплексной автоматизации ряда функций эргономиста (от генерации вариантов до выбора оптимального варианта), кроме того информационная технология основана па современных компьютерных средствах, что позволяет благодаря использованию арсенала новых возможностей повысить эргойомичность самого процесса эргономического проектирования.

Выполненные разработки и сделанные рекомендации применимы для любой отрасли и позволяют эффективно внедрять достижения эргономики ■я народное хозяйство.

Реализация результатов работы. Полученные результаты п виде методик, информационной технологии эргономического исследовашгя и проектирования АТК (в полном объеме или в объеме отдельных икформаци-

онных или программных средств) использованы рядом предприятий и организаций при проектировании или модернизации АТК различного назначения, в том числе: в Санкт-Петербургском Государственном НИИ систем управления "Центр-СУ" при эргономическом проектировании пяти гибких производственных систем механической обработки деталей типа "тела вращения" (внедрены на предприятиях судостроительной отрасли), а также при разработке автоматизированной системы безопасности на автомобильных магистралях (СОБ-2000); в НИПИ АСУ транспорта газа (г. Харьков) при эргономическом проектировании АСУ ТП магистрального газопровода "Ямал-Запад"; в Сумском НПО "Электрон" при модернизации автоматизированной системы электронно-лучевой сварки (ЭЛА-60); в Харьковском НИИ комплексной автоматизации Министерства энергетики и электрификации Украины при эргономическом проектировании подсистем АСУ ТП АЭС; в Инженерном центре приборостроения и компьютеризации (г. Харьков) при эргономическом проектировании автоматизированной системы контроля и регулирования вредных и опасных веществ в производственной среде; в Центре измерений и математической обработки телеметрической информации космических средств при разработке и модернизации процессов переработки информации в системах специального назначения; в Санкт-Петербургском АО "Проминформсеть" при разработке информационной сети промышленных предприятий оборонных отраслей; в Сумском управлении сельского хозяйства при эргономической экспертизе сельскохозяйственной техники; на других предприятиях.

От внедрения результатов исследования получен значительный экономический эффект.

Результаты диссертации использовались при подготовке отраслевых (Минстанкопрома СССР) методических рекомендаций "Проектная оценка качества выполнения функций АСУ ГПС с учетом действий ^нераторов АРМ". -

Теоретико-методологические, инструментальные и практические результаты, полученные в работе используются в учебном процессе 5 вузов (Сумского сельскохозяйственного института, Харьковской инженерно-педагогической академии, Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета, Интернационального университета (г. Харьков), Института повышения квалификации Министерства машиностроения, военно-промышленного комплекса и конверсии Украины) при проведении лекционных и лабораторно-практических занятий по дисциплинам "Надежность и эргономика автоматизированных систем обработки информации и управления" (специальность "Автоматизированные системы

обработки информации и управления"), "Моделирование производственных систем" (специальности - "Аграрный менеджмент" и "Менеджмент в производственной сфере"), "Надежность и ремонт сельскохозяйственной техники" (специальность - "Механизация сельского хозяйства")и др., з дипломном и курсовом проектировании.

Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в 1982-1996 г.г. на более, чем тридцати республиканских, всесоюзных и международных конференциях, совещаниях по проблемам синтеза АСУ, эффективности, качества и надежности систем "человек -техника", эргономики, инженерной психологии, автоматизации проектирования, в т.ч. на ежегодных межрегиональных семинарах "Эргономика и эффективность систем "человек-техника" (Литва, г.Игналина; г. Севастополь; 1982-1991г.г.); всесоюзных симпозиумах "Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника" (Таллин, 1984г., Тбилиси, 1987г.; Воронеж, 1990г.); всесоюзной конференции по инженерной психологии (Ленинград, 1984г.), проектированию диалога "человек-ЭВМ" (Киев, 1985г.); автоматизации проектирования АСУ (Москва, !987г.), И Международной конференции "Человеческий фактор в вопросах безопасности на железнодорожном транспорте и проблемы железнодорожной медицины" (Харьков, 1996 г.), VI международной конференции "Эргономика рабочего места" (Краков, 1987г.), Международной конференции "Эргономика в России, СНГ и мире" (Санкт-Петербург, ¡991 г.), Международной конференции 1ЕА (Краков, 1993г.) и др. и получили положительную оценку.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, включая справочник, 1 отраслевые методические рекомендации, 1 учебное пособие,. 3 информационных листка, 48 статей и информационных материалов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения; шести глав; заключения; списка использованных источников, включающего 157 наименований; перечня работ, опубликованных по теме диссертации; 7 приложений. Основная часть диссертации изложена на „293 страницах машинописного текста. Работа содержит (17 рисунков, и 28 таблиц.

Данное исследование сформировалось как определенное научное направление под влиянием доктора технических наук профессора Губинского А.И. Автор выражает также благодарность профессорам Евграфову В.Г.,

Чабакенко П.П., Ашерову А.Т. за консультации и критические замечания но работе.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо сведении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении работы.

В первой главе проводится анализ особенностей объекта исследования; определяются принципы, структура и содержание эргономического проектирования АТК, обосновывается состав показателей АТК, используемых при квалиметрическом эргономическом проектировании; на основе анализа существующих методов описания, оценки и оптимизации эрготех-нических систем производится выбор базовой теории для решения задач эргономического проектирования АТК; разрабатывается являющаяся первым научным результатом концепция информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК; выявляются и обосновываются актуальные задачи эргономического проектирования АТК.

Определено, что под АТК понимается совокупность автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) и технологического объекта управления (ТОУ), представляющего собой основное и вспомогательное оборудование, необходимое для реализации заданного технологического процесса, и сам технологический процесс. Показано, что АТК являются иерархическими многофункциональными информационно-производственными эрготехяичеекмми системами (система управления выдает информационный продукт в виде управляющих воздействий на технологическое оборудование, сменно-суточных заданий и др., а технологическое оборудование на основе этих информационных продуктов выдает материальные продукты).

Проведен эргономический анализ структур основных типов современных АТК (информационного типа; информационно-советующего типа; с прямым цифровым управлением) и обоснованы повышение роли человека-оператора в промышленных к сельскохозяйственных АТК и несостоятельность концепции массового внедрения "безлюдных технологий".

Обоснованы необходимость человеко-системного подхода к проектированию АТК и разработки соответствующих методов и средств на основе

У

концепции квалитетного эргономического проектирования, отличительной особенностью которого является его способность содержательно (для учета существенных свойств человека), а затем формализованно (для организации количественной оценки конкурирующих вариантов проектных эргономических решений) описывать, моделировать и оценивать достигнутый уровень эргономичности во взаимодействии человека, машины и среды.

Наиболее полно сформулированным в работе требованиям к языку описания функционирования АТК, вытекающим из удобства решения задач эргономического проектирования, отвечает язык функционально-структурной теории эрготехнических систем школы проф. А.И.Губинского - функциональные сети. Этот язык позволяет описывать дискретные АФ ЛТК-с учетом деятельности челоиека-оператора 'и средств автоматики, моделировать процессы, связанные с ошибками и отказами, учитывать возможность контроля функционирования и работоспособности, исправления ошибок, ремонта технических средств и т.д., имеет основу аналитического аппарата для количественной оценки прагматических показателей.

Обоснована необходимость принятия решений по выбору проектных вариантов АТК на основе расширенного (по отношению к различным подходам к эргономическому проектированию) состава показателей (как традиционно используемых в функционально-структурной теории наиболее важных с точки зрения эффективности системы прагматических показателей - вероятность безошибочного выполнения АФ, вероятность своевременного выполнения АФ, и др., так и различных групп непрагматических показателей, используемых в других подходах, например, экономических показателей, показателей сложности задач, информационной нагрузки и напряженности оператора, эргономичности рабочего места и др.).

На основании обобщения ряда работ по проблеме автоматизации проектирования АСУ и анализа особенностей эргономического проектирования АТК, которое как предмет изучения представляет собой совокупность различных видов интеллектуальной деятельности, ведущих от формирования технических заданий к информации, составляющей основу проектных эргономических решений АТК, определено место и понятие информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК. Автоматизация эргономического проектирования АТК как научно-техническая дисциплина отличается от простого использования ЭВМ в процессах проектирования тем, что в ней рассматриваются вопросы построения системы, а не коллекции программ.

Эргономическое проектирование - процесс, при котором предъявляются жесткие требования к хранению и обработке информации. Информа-

ция должна быть структурирована и храниться так, чтобы ею мог легко пользоваться разработчик, чтобы была обеспечена связь между различными фазами проектирования; при этом должны быть обеспечены легкое обновление информации и возможность теледоступа.

Чтобы подчеркнуть важность не только "вычислительного", но и "информационного" аспекта проблемы автоматизации исследования и проектирования АТК введено понятие:

"Информационная, технология эргономического исследования и проектирования АТК - комплекс методов, способов и средств, обеспечивающих автоматизированное (основанное на компьютерных технологиях) хранение, обработку, передачу и отображение информации, используемой при исследованиях и проектировании АТК как эрготехнических систем".

Разработанная концепция информационной технологии регламентирует:

- основные требования, связанные с соответствием технологии современному научно-техническому уровню;

- состав организационных и информационных элементов;

- состав процедур и их связь с элементами информационного обеспечения.

Фрагмент множества основных связей между некоторыми процедурами и базами данных информационной технологии приведен на рис. 1.

Во второй главе разработаны необходимые для реализации информационной технологии исследования и проектирования АТК методы генерации проектных вариантов, составляющие второй научный результат. Для этого на основе содержательного анализа задач (распределения функций между человеком и машиной, распределения функций между операторами, разработки структур алгоритмов функционирования) составляется перечень необходимой исходной информации для ее решения и обосновывается форма, в которой необходимо ее представить. Обосновывается структура моделей, представляющих необходимую информацию каждого типа, в основе которых лежат предикатные записи. Разрабатываются процедуры генерации проектных вариантов на основе предикатных канонических уравнений.

Показано, что при проектировании АТК существует многообразие вариантов организации системы, которое может достигаться за счет выбора состава технических, информационных и программных средств (выбора степени автоматизации), возможности разнообразного распределения функций между операторами; возможности разнообразной организации АФ.

ПРОЦЕДУРЫ

Компоне&ттшй анализ (синтез)

Генерация 5 структур

Морфологический анализ (синтез)

Генерация Р структур

Конструктивные^ особенности орудий труда

Подготовленность чг.нтеехачтератора

Установки

Ф ¡га к иионллъное состояние человеке! оператора

' Характеристики

среды

^оделировше функднояярованш (расчёт показателей)

Проверка СООТ*5ТС!*СЯ

требования*

Структуры Дф

Оптстгазятщя

БАЗЫ ДАННЫХ

Качество выполяеэгоя шиш действяй и операций

Типовые прпекпше) рсоезка :

- структуры ЛФ ;

- способы аиполне-ния Р:!<граШШ( конструктивные ого-бенносги.подготов-ценность чмовсха-оператора, характеристики сроы

и др.) :

- установки :

- временные ограничения

Зрпяюмэтгскта требошнгя

Обща«

Чгст-

Гпповые поста-нояяа злдзч опта-мяааяяи

Одно- Мяого-

крите- крите-

ональ- пиаль-

ные- ные

Рис. 1. Связь основных типов процедур и баз данных информационной технологии ( фрагмент ).

Задачи генерации вариантов распределения функций между человеком и техникой и между операторами формулируются следующим образом: определить множество функциональных элементов, которые должен реали-зосать АТК, и определить множество всех возможных вариантов назначений структурных элементов (операторов, программных, информационных и технических средств), которые допустимы для использования в АТК, на функциональные элементы. Вариант назначения каждому функциональному элементу ставит в соответствие множество структурных элементов. Для того, чтобы осуществить генерацию вариантов необходимо описать множество требований, которым согласно имеющейся проектной ситуации и представлениям пользователя должны соответствовать полученные варианты. Наиболее удобным для генерации вариантов в рамках информационной технологии является описание множества требований в виде системы предикатных канонических уравнений, поскольку они позволяют решать задачу генерации с использованием языков логического программирования.

Исходя из этого, на основе содержательного анализа задач составлен перечень необходимой исходной информации для их решения, разработан комплекс системных моделей АТК, представляющий требуемую информацию каждого типа, и осуществлено описание каждой модели на языке прикладного исчисления предикатов. Разработаны типовые структуры всех требуемых моделей АТК, используя которые можно построить модели для конкретной проектируемой АТК. Для примера приведены такие структуры применительно к конкретному классу АТК-ГПС механической обработки. Типовая (характерная для любой АТК) структура позволяет представлять необходимые для генерации вариантов знания об АТК как о классе систем, а структура, которая строится для конкретной АТК, дополняет знания, задаваемые типовой структурой,4 реальными данными, характерными для данной конкретной системы и позволяющими отличать ее от люб'.;; другой.

Для построения моделей использован разработанный проф. Губин-ским А.И. обобщенный подход к структуризации ЭТС, позволяющий описывать систем}' в требуемых "разрезах". Показано, что для задания требуемой информации необходимо два типа структур: компонентные (КМП) и морфологические (МРФ). КМП структуры вводятся с целью выявления состава сущностей, требуемых для описания представлений о проектируемой АТК. МРФ структуры вводятся для того, чтобы задать связи различной природы между выделенными в КМП структурах сущностями (возможность совместного выполнения различными структурными элементами одной операции, необходимость выполнения различных операций одинаковыми способами, временную последовательность операций,.матери-

алыше и информационные взаимодействия между структурными элементами и т.п.).

В состав КМП структур входят: КМП-системная, определяющая место исследуемой АТК в метасистеме и описывающая состав смежных с АТК ЭТС и составляющих АТК локальных ЭТС(подсистем); КМП-функциональная, задающая множество функциональных элемента« (комплексов функций, функций, действий, операций), которыедолжны реализовываться в системе; КМП-элементная, определяющая элементный состав системы (организационные элементы; предмета труда; средстг.а. обеспечивающие условия труда; элементы среды; типы орудий труда и персонала, которые могут быть использованы в системе); КМП-типовая, задающая множество конкретных орудий труда и персонала, которые могут быть использованы в системе, и распределение их по топам; КМП-квалнтетная, описывающая функциональные свойства системы, в том числе возможности человека и машины; КМП-режимиая, задающая возможные режимы функционирования АТК; КМП-целевая, описывающая ■ цели системы. В состав МРФ структур входят: профессионально-МРФ, описывающая возможности персонала работать с тем или иным орудием труда; МРФ структура совместимости элементоз, описывающая возможность совместимости в системе орудий труда (средств автоматики), а также операторов в группе; квалитетно-МРФ, задающая для каждого функционального элемента множество свойств (из перечня задаваемого КМЦ-квалитетисй структурой), которыми должны обладать реализующие его структурные элементы; МРФ структура вариантов назначений, задающая множество 'типов орудий труда и персонала, которые необходимы при выполнении некоторого функционального элемента с некоторым уровнем автоматизации (выполняет человек; выполняет машина; выполняет человек и машина); МРФ структура зависимости функций, задающая условия необходимости применения одних и тех же структурных элементов (средств автоматики или операторов) при выполнении различных функциональных элементов; МРФ коммуникационно-технологическая структура, описывающая технологические связи между структурными элементами; МРФ функционально-временная структура, определяющая логико-временные связи между функциональными элементами.

Логика назначения структурных элементов на функциональные в виде последовательности этапов генерации вариантов (совокупности условий, которым должен отвечать вариант) может укрупненно быть представлена следующим образом:

- выделяется множество Р1) функциональных элементов, в которые согласно КМП-функциональной структуре не входят другие функциональные элементы;

- для каждого функционального элемента из множества Р^ определяется на основе КМП-квалитетной и квалитетно-МРФ структур множество возможных уровней автоматизации;

- для каждого функционального элемента из множества Рг и каждого допустимого для чего уровня автоматизации на основе МРФ структуры вариантов назначений определяется множество необходимых для его реализации типов структурных элементов;

- для каждого функционального элемента из множества на основе множества необходимых типов структурных элементов, КМП-типовой, профессионально-МРФ структуры совместимости элементов определяется множество структурных элементов таких, что входящие в каждое из них персонал и (или) орудия труда (т.е. информационно-программно-технические средства) могут совместно реализовывать функциональный элемент; -

- с учетом всех функциональных элементов из множества р„ формируется множество вариантов назначений таких, что соблюдаются условия совместимости всех структурных элементов в системе, задаваемые профес-сионально-МРФ структурой и МРФ структурой совместимости элементов, и условия зависимости функциональных элементов, задаваемые МРФ структурой зависимости функций.

Для решения задачи генерации вариантов разработана система канонических предикатных уравнений, описывающая множество различных условий, которым должны отвечать варианты. Система ориентирована на язык логического программирования ПРОЛОГ, использование которого обеспечивает автоматизированную генерацию вариантов.

Разработанная процедура, основанная на решении системы предикатных уравнений является достаточно универсальной и при различных вводимых пользователем исходных данных позволяет решать задачи:

-.выбора конкретных орудий труда при заданном уровне автоматизации (распределении функций между человеком и машиной);

- выбора варианта распределения функций между операторами при заданном уровне автоматизации и заданных орудиях труда;

- выбора степени автоматизации и. варианта распределения функций между операторами.

Достоинством метода генерации является то, что он позволяет решать задачу с широком диапазоне проектных ситуаций, например; никаких ре-

шений по назначению структурных элементов на функциональные нет, необходимо сгенерировать все возможные варианты; часть проектных решений принята, а по остальным должны быть сгенерированы допустимые варианты ("совместимые" с принять/ми решениями). В случае, когда какое-либо решение (например, по распределению функций между операторами или по выбору какого-либо орудия труда) уже принято, информация об этом вводится в модель проектной ситуации путем приравнивания единице соответствующего предиката (замены свободной переменной на атом).

Генерация вариантов структур АФ. В связи со сложностью и большой размерностью структур АФ в АТК показана нецелесообразность постановки задачи автоматической генерации всего АФ. Обоснована необходимость автоматизации решения частных задач построения АФ: 1) построение вариантов безизбыточных фрагментов АФ последовательного типа; 2) разработка рекомендаций о введении операций контроля.

Для описания представлений проектировщика о структуре АФ используются предикаты типа: Еаг1у(х,у) - "Функциональный.элемент х выполняется ранее функционального элемента у"\ 1п('г(х,и) "Функциональный элемент х выполняется непосредственно, перед функциональным элементом у"; ип1трСх,у) - "Порядок следования функциональных элементов х и у несущественен". Задание системы предикатных уравнений, описывающей требования эргономиста к АФ, позволяет генерировать допустимые последовательные цепочки АФ. Для повышения надежности АФ в него вводятся операции контроля. Описание допустимости таких контролей в АФ осуществляется с помощью предикатов типа Коп1г{х,у,к) - "Функциональный элемент х может быть проконтролирован операцией у способом к." (способ к характеризует вид типовой функциональной структуры, образуемой операциями х и у). Использование предикатов типа КопЬг в системе предикатных канонических уравнений позволяет генерировать варианты с назначением простейших способов повышения надежности. Генерацию более сложных структур АФ автоматизировать достаточно сложно и нецелесообразно. Построение глобальных АФ осуществляет проектировщик на основании частных рекомендаций, выдаваемых экспертной системой. Не все сформированные таким образом АФ являются допустимыми с точки зрения инженерно-психологических принципов организации деятельности (например, сохранения целостности структуры деятельности) и других требований эргономиста. Поэтому перед переходом к этапу количественной оценки и выбора оптимального варианта необходим экспертный отбор перспективных вариантов. Для такого отбора

целесообразно использовать известные процедуры метода экспертных оценок.

Во многих проектных ситуациях разработки АТК знания и данные не всегда бывают категоричными. Как правило, в заключениях эксперта много догадок (хотя, может быть, высказанных с большой уверенностью), которые обычно верны, но могут быть и исключения. Как данные, относящиеся к конкретной задаче, так и импликации, содержащиеся в правилах, могут быть не вполне определенными. Неопределенность можно моделировать, приписывая утверждениям некоторые характеристики, отличные от "истина" и "ложь". Так, например, может оцениваться желательность использование некоторого орудия труда, совместимость различных орудий труда, совместимость операторов в группе. Использование таких данных и знаний позволяет получить варианты организации АТК с "навешенным" числом, характеризующим желательность или допустимость варианта.

Определены изменения, которые необходимо внести в разработанные предикатные модели, чтобы иметь возможность генерации вариантов на основе нечеткой логики: для данных и знаний, которые могут быть нечеткими, изменить местность соответствующего предиката (количество переменных). добавив переменную, задающую истинностное значение между О и 1, характеризующее соответствующий факт или знание; в правило получения решения ввести модель определения численного значения, характе- ' ризующего "допустимость" решения. Определены такие модели в случае, если характеристик!: некоторых данных или знаний представлены числом или нечетким множеством (функцией принадлежности).

В третьей главе разработаны модели оценки показателей качества процессов функционирования АТК, являющиеся третьим научным результатом. выносимым на защиту. Показывается возможность применения при оценке вариантов организации АТК существующих в функпьонально-структурноп теории ЭТС моделей оценок АФ по показателям ^ошибочности и расхода стоимостного ресурса к необходимость разработки более точных (по сравнению с существующим») моделей оценки вероятности своевременной реализации АФ и проводится разработка таких моделей.

Время выполнения операций в ЭТС, как доказано в функционально-структурной теории, подчиняется гамма-распределению. Разработаны модели для оценки функции распределения времени выполнения АФ последовательного типа, которые используются при оценке АФ с произвольной структурой.

Пусть количество операций в АФ последовательного типа равно п, I,-время выполнения /г-ой операции (/с = ],/?). Функцию распределения /(, обозначим через F/í, к = \,п. Плотность гамма-распределения (к равна:

Ш) = г V г; од- = ы

где > 0, ак >0, ДО - гамма-функция.

Выделены частные случаи, в которых удается вычислить точное значение искомой Еероятностп Р^Г/,. <гЛ, здесь Т0 - максимальное допусти -

1и I

мое время выполнения АФ.

Случай" 3: р1=Ро~-.. ~РггР< сц>0, ¿ = 1,"л. При этом условии "срабатывает" самозослроиззодящее свойство гамма-распределения, согласно которому свертка 7^ .. является гамма-распределением с па-

7Г

оаметрами а~ и параметром масштаба р (известный результат). м

Случаи 2: сц - натуральные, ¡£¡¿>0, / = 1,л, т.е. время выполнения каждой операции распределено по закону Эрланга.

Для данного случая в работе получена следующая расчетная модель:

(г; ш Х4,

где А^ = , ,-!.;!..;!

х Г Iпри ]0 = 0:

(А

, с3(а,+!)•.+,/,-1)

(Л-Д!™'

пРи к -при js > 0;

5 = к;

В общем случае, когда получение тачного значения искомой вероятности не представляется возможным, предлагается воспользоваться идеси метода синтеза расчетных приближенных моделей. Она состоит в следующем: если исходные данные таковы, что получить свертку распределений

не удается, то следует изменить модели времени выполнения операций АФ таким образом, чтобы это стало возможным и при этом была обеспечена минимальная погрешность вычислений.

При синтезе расчетных моделей предлагаются следующие варианты изменения параметров исходных распределений:

1) изменение параметров Д-(/ = /,л) таким образом, чтобы

Д = /?, =...-/?„ = Д где ¡3 - параметр, обеспечивающий минимальную погрешность (это изменение позволяет воспользоваться самовоспроизводящим свойством гамма-распределения);

2) изменение параметров а,(< = /.я) таким образом, чтобы они стали

натуральными;

3) замена гамма-распределений времени выполнения операций нормальными.

Для каждого варианта изменений параметров определены модели для выбора оптимальных значений параметров распределение (обеспечивающих минимальную погрешность расчетов) и модели оценки погрешности. Выбирается оценка, обеспечивающая при заданных исходных данных минимальную погрешность вычислений.

Проведены выделение и анализ типовых функциональных структур (ТФС) в АФ реальных АТК различного назначения. Выявлено конечное множество (18) наиболее часто встречающихся ТФС и разработана их классификация. Разработаны методы использования моделей оценки функции распределения времени выполнения АФ последовательного типа при оценке произвольного АФ, состоящие либо в генерации всех возможных маршрутов выполнения АФ, определении вероятности появления каждого маршрута и вычислении функции распределения по формуле полной вероятности, либо в определении характеристической функции времени выполнения АФ с последующим определением функции распределения (с использованием теоремы обращения). Для выделенных 18 ТФС разработана библиотека моделей оценки вероятности своевременного выполнения (для оценки вероятности безошибочного выполнения используются известные методы функционально-структурной теории).

Показана возможность существенного влияния напряженности на качество деятельности операторов АТК. Напряженность как психологическая плата за достижение цели деятельности включает несколько составляющих, основными из которых являются темповая, определяемая дефицитом временя на решение задачи и операционная, определяемая характером выпол-

нения операций; совместная операциокно-темповая напряженность определяется одновременным влиянием этих двух факторов.

Моделирование влияния операционно-темповой напряженности основано на оценке вероятности проведения оператором самоконтроля текущей рабочей операции как функции выделенного времени на реализацию дея тельности (напряженности), выявленной П.П.Чабаненко. В разработанные математические модели, алгоритмы и компьютерную программу введел учет "степени важности операций". Он необходим в связи с тем, что допущение о равной важности операций существенно загрубляет оценку, поскольку в реальной деятельности оператор в первую очередь проводит контроль наиболее важных операций. Степень важности может определяться в результате оценки последствий ошибок при выполнении операций либо субъективно, либо инструктивно. Построенные математические модели основаны на том, что при оценке возможности выполнения текущей операции с самоконтролем оператор оценивает резерв времени на выполнение с контролем последующих операций с большей степенью важности.

Приведены многочисленные результаты моделирования влияния напряженности на качество деятельности; с целью иллюстрации порядка значений укажем, что для одного из рассмотренных алгоритмов деятельности вероятность безошибочного выполнения изменяется в зависимости от директивного времени от 0.4788 до 0.9992.

В четвертой глазе поставлен и решен комплекс задач выбора оптимального варианта АТК, учитывающих особенности АТК и характер деятельности в них человека-оператора, являющийся четвертым научным результатом, выносимым на защиту. Показано, что при проектировании АТК, может возникать большое количество альтернативных проектных вариантов (их число зависит от уровня проектирования и количества влияющих факторов и может достигать 250 и более). Основными группами влияющих факторов являются: 1) структура АФ (Р структура); 2) назначение структурных элементов на функциональные, т.е. распределение функции, конкретные параметры технических средстз и т.п. (Б структура); 3) услшшя деятельности человека-оператора (операционно-темповая напряженность, параметры окружающей среды и т.п.).

Проведена классификация типовых управляющих факторов (обеспечивающих разнообразие функциональных структур, обеспечивающих параметрическое разнообразие) -на различных функциональных уровнях: уровень отдельных операций; уровень выполнения отдельных функций (как совокупности отдельных операций); уровень процесса функ-

цконирования АТК (представляемого как выполнение совокупности функций).

Показано, что недостатками нынешнего состояния проблемы выбора оптимального варианта АТК является наличие ряда нерешенных задач, связанных с учетом случайного характера времена выполнения АФ; учетом оиерационно-темповой напряженности; учетом многофункциональности ЛТК; комплексным использованием как прагматических показателей, оцениваемою с помощью функционально-структурной теории, так и других существенно важных в практике эргономического проектирования, но оцениваемых другими методами. Проведен анализ более 50 показателей из групп "прагматические показатели", "экономические показатели", "показатели сложности задач", "показатели информационной нагрузки и напряженности", "показатели эргономичности рабочего места" в части их ¡¡озуожного использования в постановках различных задач оптимизации ЛТК. Для формирования комплекса постановок оптимизационных задач выделены и охарактеризованы основные взаимовлияющие факторы, обус-лавливагащие конкретную постановку задачи, к которым относятся: уровень объекта оптимизации; множество управляемых переменных; состав используемых показателей; представление лица принимающего решение (ЛПР) об оптимальности; наличие численных значений показателей для всех проектных вариантов до решения задачи оптимизации; этапность решения задачи; вид модели используемой для описания АФ.

Однокритериальная оптимизация при ограничении по вероятности на время выполнения АФ. Поставлена и решена следующая задача.

В(Х) ->■ max

и{х)&и,

X ё X'

где X - вектор, характеризующий вариант АФ (структуру и способы выполнения операций); В(Х) - вероятность безошибочного выполнения АФ; Т(Х) - случайная величина времени выполнения АФ; Т0 - максимальное допустимое зремя реализации АФ; 00 - минимальная допустимая вероятность своевременного выполнения АФ, 0<%<7; и(Х) - средние стоимостные затраты на использование информационных, программных, технических и дргатических элементов при реализации АФ; Uq - максимально допустимые затраты; X'- ОДР задачи оптимизации.

Новизна данной постановки по отношению к существующим - ограничение но вероятности на время реализации АФ. Ранее решалась задача с ограничением на математическое ожидание времени выполнения АФ; (у

сутстние учета случайного характера времени выполнения АФ в случае, когда решение лежит на границе ОДР или возле нее, а форма закона распределения близка к симметричной (что имеет место довольно часто); влечет превышение допустимого времени выполнения примерно в 50°« реализаций.

Разработаны методы решения задачи для трех возможных моделей описания проблемной ситуации: 1) описание АФ графом событии; 2) множество альтернативных вариантов организации АТК задано явно п известны характеристики вариантов, в том числе характеристики случайной величины времени выполнения АФ; 3) АФ можно свести к АФ последовательного типа. т.е. представить в виде последовательного соединения отдельных операций или отдельных фрагментов функциональных сетей (описание АФ в виде функциональной сети).

В случае, если имеется описание АФ в виде графа событий, т.е. полумарковского процесса (ПМП), когда каждому варианту окончания функционирования АТК поставлено в соответствие поглощающее состояние, например, "безошибочное выполнение", "выполнение с ошибкой", поглощающие вершины перенумерованы первыми г натуральными числами (г - количество поглощающих вершин), для начальных вершин, которые нумеруются натуральными числами от г до N Ш - общее количество вершин), заданы вероятности нахождения процесса в соответствующих верк

шинах графа событий о-= I, постановка задачи

г«г+1

имеет-вид:

1 X У тах

I (* 1

Их

| I I

!'Т д-; - ТУ .гЧ1 = ^^

! _

¡.г? > 0: / = г + 1. Л': к е А ,

I V = 1

| к €); 1

) Л-; - М5'; <; О, ; = г + I, .V; к € К,

1<У< = <У* =...= К,к еК,; где Р,',к - вероятность перехода ПМП из вершины * в вершину / глт /г-оч способе выполнения работы (операции), ЛГ - общее количество вершин, ил

которых.

первые г - поглощающие, *< -'случайная величина времени пре-

бывания процесса в вершине х при выборе к-го решения, х,к- переменная, которая характеризует выбор решения: х,*>0 в том случае, если для 1-ой вершины выбрано, к-е решение, и равно 0 в противном случае, К, - множество допустимых решений в /-й вершине, где 1,т,...п - зависимые состояния, соответствующие одной операции (на графе событий одной операции может соответствовать несколько вершин, естественно, в них должны приниматься одинаковые решения) или различным операциям, которые должны выполняться одинаковыми способами, булевая переменная, принимающая значение 0 пли 1; М - достаточно большое число.

Решение детерминированного аналога задачи оптимизации на графе работ сводится к поиску оптимальной стратегии ПМП путем решения задачи частично-целочисленного линейного программирования. Исходя из этого для случая оптимизации на графе работ, а также для случая явного задания множества альтернативных варианте" организации АТК для решения задачи с ограничением по вероятности предложен подход, позволяющий разбить процедуру решения на отдельные этапы, каждый из которых связан либо с решением детерминированной задачи, либо с корректировкой ОДР.

Укрупненно процедуру решения можно представить следующим образом.

1. Поиск оптимального решения на детерминированной модели (решение задачи без учета вероятностного ограничения на время, а с ограничением на математическое ожидание времени выполнения АФ).

2.'Определение функции распределения времени выполнения АФ и вероятности своевременного выполнения АФ для полученного решения и, если она отвечает условию, накладываемому вероятностным ограничением на время, - останов (получено оптимальное решение), если нет - корректировка ОДР (образно говоря, нахождение "рубежа отхода").

3. Решение детерминированной задачи в новой ОДР.

Второй и третий этапы повторяются либо до получения оптимального решения, либо до получения допустимого решения со значением целевой функции, отличающимся от максимально возможного при заданных ограничениях не более, чем на некоторую заданную величину.

Для случая, когда АФ можно свести к АФ последовательного типа, т.е. можно представить его в виде последовательного соединения операций или отдельных фрагментов функциональных сетей, разработаны менее .;А-.;(Н'мкне п вычислительном плане алгоритмы решения задачи, построенные по правилам метода "ветвей и границ". В этом случае отпадает необ-

:-----„.п^гь трудоемкого перехода от описания АФ в виде графа работ к

описаиию в виде графа событий.

В приведенном в работе примере решения задачи для реальной АТК было сгенерировано 108 .вариантов. В результате решения детерминированного аналога задачи (с ограничением только на математическое ожидание времени выполнения) выбран вариант с вероятностью безошибочного выполнения В=0.9991 и вероятностью своевременного выполнения .PCT~0.5179. После введения ограничения по вероятности (6^=0.9970) получено решение с характеристиками £=0.9959 и Рсд~0.9976, что доказывай целесообразность использования разработанных .методов при проектировании АТК с жесткими временными ограничениями.

Оптимизация алгоритмов деятельности средствами регулирования операционно-темповой напряженности. При условии гибкого реагирования оператором на имеющийся ресурс времени прагматические показатели АФ являются функцией времени на реализацию деятельности. Временные ограничения могут задаваться либо инструктивно, либо темпом постуа-вющих от автоматики сигналов.

Поставлены и решены 2 класса задач.

1 класс постановок задачи - выбор оптимального временного ограничения на реализацию деятельности.

Задача 1.1. Необходимо выбрать значение Т ограничения, накладываемого на время реализации, обеспечивающее: •

j3(T)-»raax •Н{Т)<Н0 Tmm<T¿Tm„

где Т - значение допустимого времени на реализацию деятельности: fí(T) - вероятность безошибочного выполнения; Н(Т) - напряженность деятельности; Н0 - максимально допустимое значение напряженности; 7„,„., ' -минимальное и максимальное значения времени реализации деятельно'-?.' (могут отсутствовать).

Задача 1.2 (многокритериальная).

К постановке задачи 1.1 вместо иди дополнительно к ограничению на напряженность добавляется, критерий минимизации напряженности H(T)-»min.

Задача 1.3. (оптимизация дохода от деятельности). Аналогична задаче 1.1, но с целевой функцией:

~(с,£(Т)-С2(1-£(Т)))->пах,

где С1 - доход от однократной безошибочной реализации деятельности, С-■ ущерб от однократной реализации деятельности с ошибкой, Т' - общее время, в течение которого должен повторяться алгоритм деятельности (с учетом вычета времени на перерывы).

Задача 1.4 (многокритериальный аналог задачи 1.3). К постановке задачи «место или дополнительно к ограничению на напряженность добавляется критерий минимизации напряженности Н(Т)-мтп.

2 класс постановок задач - распределение директивного времени па исалинаиию деятельности между ее фрагментами. Задача состоит в

определении вектора (Т/ГА.....Тп), обеспечивающего:

|.....В„(Т„)) тах

\Н1{Т1)<Н'1, 1 = 1, п

где /г:; - определяемая структурой АФ зависимость вероятности безошибочного выполнения АФ от В,(1]), 1 = 1,и; - директивное время выполнения г-го (фрагмента АФ, / = 1,/I; В,{Т{) - вероятность безошибочного выполнения г-го фрагмента АФ, / = 1,я; - напряженность при выполнении ¿-го.

фрагмента, ¡' = 1,л; Нй{ - максимально допустимая напряженность при выполнении ¿-го фрагмента, / = 1,л; Тг,..., Т„) - определяемая структурой АФ зависимость времени выполнения АФ от времени выполнен-::;; отдельных фрагментов АФ; п - количество фрагментов АФ. Рд и Р-р определяются с использованием разработанных нами моделей для типовых функциональных структур .

В частном случае, например, при последовательном выполнении фрагментов АФ задача принимает вид

]~рВ,(Г,)-»п»ах

Многокритериальная оптимизация. Специфика и сложность много-фип риальнои оптимизации при эргономическом проектировании АТК состоит ц возможности большого количества показателей различной природы, используемых в постановках задач; разнообразии шкал измерения эргономического качества; разнообразии методов оценки показателей ( на основе Функционально-структурной теории, экспертными методами и др.); возможности получения оценок различных показателей, используемых в зада-

че оптимизации на различных этапах проектирования (в разное времяV Показано, что поскольку процесс эргономического проектирования распределен во времени, поэтапное решение задачи с определением на каждое этапе оптимального множества по Парето, сужением его на каждом последующем этапе и затем окончательным выбором единственного решения лесообразнее. чем общепринятый подход, в котором в самом начале вводится взвешенный критерий. Предложена процедура многоэтапного ре»н-ния задачи, ко.игчество этапов и вид решающего правила. ?; которой <->7гн'-деляется моделью ЛПР (представлением ЛПР об оптимальности)

Рассмотрено построение решающего правила как обобщенною показателя в виде свертки на основе эвристического метода, нормализации, задания и учета приоритетов.

В качестве примера рассмотрена четырехэтапная многокритериальная оптимизация, выполненная при эргономическом проектировании автоматизированной электронно-лучевой сварочной аппаратуры. Использовались показатели: эргономичность рабочего места; приведенные затраты; вероятность безошибочного выполнения АФ; вероятность своевременного выполнения АФ; коэффициент готовности, к реализации АФ; коэффициент загруженности оператора; скорость поступления информации; нормированный показатель стереотипности; нормированный показатель логическом сложности. Приведены анализ и сравнение полученных с помощью разработанного программного обеспечения информационной технологии результатов решения .задачи различными способами (при различных требования;: ЛПР'к выбору варианта из области Парето): по минимуму суммы' потер:, оптимальности при равной важности критериев; по методу аддитивно!! свертки в случае лексикографического упорядочения критериев: но метод; аддитивной и мультипликативной свертки в случае задания весов критериев при различных их вариантах.

Оптимизация ЛТК с учетом их многофункционального харами-ни Функциональная структура АТК является сложной иерархической гг;>>к-тупой с большой размерностью. Так, например, общее количество лешшх нами функций в подсистемах гибкого автоматизированного учагас.ч деталей типа тел вращения составляет: подсистема "Обработка' - 17; ;;■> »-система "Контроль" - 6, подсистема "Управление" - 28. Оптимизация мпи гофункциональных АТК рассматривалась в ряде работ, но проводилась, как правило, только с позиций структур-лой надежности н без учета деятельности человека-оператора.

Исходя из целей настоящего исследования проведен анализ многофункциональных АТК, который позволил выделить следующие особен-

ности: реализация большинства функций представляет достаточно сложный АФ с участием оператора и средств автоматики, допускающий пооперационное описание средствами функциональных сетей; эффективность реализации большинства функций влияет на эффективность реализации других функций и всего процесса функционирования АТК; технические решения по способу реализации АФ, соответствующего выполнению некоторых Функций, могут влиять на технические решения по способу реализации других функций; АФ при реализации отдельных функций могут иметь общие (одинаковые) фрагменты; в АФ выполнения различных функций может принимать участие один и тот же оператор (моноэргатическая система) пли различные операторы (полиэргатическая система).

Выделено множество возможных подходов к оптимизации многофункциональных АТК: 1) локальная оптимизация отдельных функций; 2) объединение моделей функций в общую модель функционирования на уровне АТК (локальной ЭТС) и решение оптимизационной задачи на общей модели АТК (локальной ЭТС); 3) подход, аналогичный подходу N2, но с предварительным отбором вариантов, удовлетворяющих ограничениям н(или) составляющих область Парето по каждой функции; 4) формирование многоцелевого показателя качества (с учетом показателей функций без построения общей модели функционирования АТК с предварительным отбором вариантов, удовлетворяющих ограничениям и(или), составляющих область Парето по каждой функции).

Проанализированы преимущества и недостатки подходов и определены условия их выбора. Подходы 1-3 связаны с использованием одного из разработанных выше методов. Разработаны принципы реализации подхода 4, приведены примеры постановок и алгоритмов решения различных задач, например, обеспечения минимальных затрат на организацию системы при заданных ограничениях на вероятности своевременного и безошибочного выполнения каждой из функций. Разработаны модели учета необходимости принятия зависимых решений, когда отдельные операции или целые фрагменты АФ при выполнении различных функций должны выполниться одинаковыми способами.

В пятой главе разработаны являющиеся прикладным результатом работы информационное, программное и методическое обеспечение информационной технологии .эргономического исследования и проектирования АТК. концепция которой разработана в главе 1, а соответствующие модели и алгоритмы - в главах 2-4.

Разработанная информационная технология обеспечивает генерацию, 1 ленку вариантов организации АТК, выбор оптимального варианта, накоп-

ление, хранение и поиск исходных данных для расчетных и оптимизационных процедур.

Информационно-справочная система о качестве выполнения оператором типовых действий и операций, которая может эксплуатироваться как в рамках информационной технологии, так и автономно, обеспечивает решение широкого круга задач накопления и поиска данных с учетом следующих особенностей предметной области и требований:

- наличие двух типов влияющих факторов: основных (которые тальк-.; в совокупности позволяют определить численные значения искомы:-: иск., зателей) и дополнительных (влияние которых определяется путсм писания различных поправок);

- количество основных факторов в большинстве случаев колеблется от 1 до 4 (предусмотренный резерв позволяет расширять количество до 8);

- перечень дополнительных влияющих факторов включает не только некоторый фиксированный набор, например, "подготовленность оператора", "тал среды", "функциональное состояние", но может иметь номенклатуру. удобную для эргономиста, им определяемую и допускающую расширение;

- количество и содержание градаций дополнительных влияющих факторов может настраиваться пользователем;

- поправочные коэффициенты для учета дополнительных влияютп:: факторов могут задаваться как числом, так и диапазоном;

- учет влияния дополнительных влияющих факторов может проно-диться как по стандартным математическим моделям, так и по моделям, определяемым пользователем; модели могут запоминаться в базе данных.

Основными режимами работы являются "Ввод и корректировка" и "Справка". Предусмотрены широкие возможности поиска сочетания факторов. обеспечивающих заданные требования к показателям качества наполнения операций. Структура файлов - .dbf. язык программнро.ча':и» Clipper, операционная система MS DOS.

В связи с тем, чте автоматизация эргономического исглело^.н:!!^ : проектирования АТК требует включения в состав информационное логии разнообразных информационно-справочных систем, «тмонкл«-/;;. которых может быть шире предложенной в концепции информатюшп;!. технологии, что связано с возможностью различных ракурсов рассмотрения АТК как ЭТС, разработана и описана методика, использование которой позволяет эргономистам, не владеющим основами программирования, создавать сложные информационно-справочные системы. Методика основана на использовании CASE-технологий, в частности системы SWS, что позво-

ляет разрабатывать информационные системы, исключив процесс написания программы (создание выполняемого модуля производится инсталлятором системы SWS в интерактивном режиме).

Разработанный пакет прикладных программ (ППП) эргономической оценки и проектирования АТК позволяет решать задачи:

- диалогового построения моделей АФ АТК;

- получения оценок прагматических показателей АФ АТК;

- обеспечения возможности сравнения рассчитанных показателей с директивными-значениями, хранимыми в базах эргономических данных;

- обеспечения возможности формирования базы "типовых технологий" (запоминания во внешней памяти ЭВМ структур АФ АТК, характеристик способов выполнения операций в АФ АТК и рассчитанных значений прагматических показателей с указанием конкретных АТК. типа подсистем, типа АФ и способа его реализации);

- обеспечения возможности работы с базой "типовых технологий" (справка, дополнение к АФ, модификация АФ, расчет с другими значениями показателей качества выполнений отдельных действий и операций, запоминание модифицированной технологии);

- обеспечения использования ранее спроектированных АФ, хранимых в базе "типовых технологий" при проектировании других АФ (технологий бо лее высокого уровня), т.е. обеспечение иерархического проектирования (от более мелких функциональных элементов к более крупным) или ком-плексирование АФ;

- .обеспечения возможности построения модели групповой деятельности на основании имеющихся моделей индивидуальной деятельности;

- обеспечения возможности как диалогового ввода характеристик качества выполнения операций и действий, входящих в АФ, так и ввода их из баз данных;

- ввода, хранения и получения по запросу численных значений любой номенклатуры нерассчитываемых данным ППП показателей АТК (стоимостных, показателей сложности задач, информационной нагрузки оператора, эргономической адекватности проектных решений и др.);

- звода, хранения и получения по запросу общих и частных эргономических требований к АФ;

- диалоговой постановки и решения задачи выбора оптимального АФ с учетом требований пользователя и требований, хранимых в базах данных.

ППП обеспечивает контекстно зависимую помощь пользователю, документирование результатов, возможность получения информации о структурах АФ в удобном привычном для пользователей графическом виде.

Формат баз данных - .dbf, язык программирования - Турбо-Паскаль, ассемблер, операционная система MS DOS.

В шестой главе изложена характеристика экспериментальных исследований и внедрении результатов. Программа экспериментальных исследований включала апробацию инженерных методик, программного ¡1 информационного обеспечения; оценку типовости полученных инженерных решений для АТК различных уровней и с различным характером производственного процесса; анализ возможности использования полученных инженерных решений на разных стадиях технического и рабочего проектирования АТК; проверку возможности использования результатов в учебных процессах вузов.

Намеченная программа была реализована в порядке выполнения работ по хозяйственным договорам и договорам о научно-техническом содружестве за период 1981-1996 г.г. Внедрения подтвердили инженерную пригодность методов и средств и их межотраслевой характер.

В приложениях приведены описания ряда объектов внедрений и организации в них деятельности операторов; библиотека ТФЕ и разработанных математических моделей для ТФС; классификация характерных для АТК типовых действий и операций, а также 'орудий и предметов труда (для информационно-справочной системы).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем.

А. Теоретико-методологические результаты:

- разработана концепция информационной технологии эргономического исследования и проектирования АТК; '

- разработаны принципы генерации проектных вариантов организации АТК на базе комплекса системных моделей АТК;

- разработан комплекс постановок задач выбора оптимального варианта организации АТК, учитывающих особенности АТК и характер jwntv:)--ности в них человека-оператора.

Б. Инструментальные результаты:

- разработаны комплекс системных моделей АТК и процедуры генерации проектных вариантов организации АТК;

- разработаны новые средства (модели, алгоритмы) оценки качества АФ в АТК;

- разработаны новые средства (модели, алгоритмы) решения ком плекса задач выбора оптимального варианта организации АТК.

В. Экспериментальные и прикладные результаты:

- разработано программное и информационное обеспечение, реала зующсе информационную технологию эргономического исследования и проектирования АТК;

- на практическом материале проверена конструктивность идей и инженерная пригодность методов и средств эргономического обеспечения качества АТК;

- разработан ряд инженерных методик но эргономическому обеспечению качества на стадиях проектирования и эксплуатации АТК; эти методики переданы на предприятия и в организации;

- решен ряд задач эргономического обеспечения проектирования АТК для предприятий газовой промышленности, энергетики, судостроения, приборостроения, сельского хозяйства и других отраслей и обеспечен существенный экономический эффект;

- осуществлено внедрение основных положений эргономичности АТК, методе);! к средств обеспечения эргономического качества АТК в учебный процесс ряда вузов.

Результаты настоящего исследования отражены в 56 опубликованных работах, в том числе;

1. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: -Исследование, проектирование, испытания:Справочник,/А.Н.Адаменко, А.Т.Ашерон, И.Л.Бсрдников, ...,Е.А.Лавров и др.; Под общ. ред. А.П.Губниского и В.Г.Евграфова. -М.: Машиностроение, 1993. - 528 с.

2. Пили цепко В.А., Ашеров А Т., Лавров Е.А. и др. Проектная оценка качества выполнения функций АСУ ГПС с учетом действий операторов ДРМ.-М.: ВНИИТЭМР, 1989. - 120с.

3. Лавров Е.А. Выбор оптимальных решений при эргономическом проектировании автоматизированных технологических комплексов. Уч. по-«»ше. - Сумы.; ССХИ, ¡99« г. - 92 с.

;. Лавров Е.А. Выбор оптимальной структуры человеко - машинной гпстемы показателям качества функционирования//АСУ и приборы автоматики.-1988. Вып.85. - С.72-77.

5. Лавров Е.А. Многокритериальное распределение функций между челонеком и техникой для повышения безопасности процессов и систем Информационно-управляющие системы, на железнодорожном тран-морг:- Сб. научи, трудов. -.Харьков, 1996. Вып. 3. - С. 15-20.

о. Лавров €.A. EproiioMi'iaa ямсть автоматизоват-х систем: щкс.-лем!: та шляхи 'ix розр'язания/.-'Журнал "Техшка АПК", 1У96'! .V-!.- С. .«-<;.

7. Лавров С.А. Ко.чпютср оцппое як'ють трактопа.- -'5Kvpjja.i ''Техшка АПК", 1996, Ху2. - С.15-16.

8. Лавров г.Л., Ашеров А.Т. Оптимизация алгоритма функционирования эрготехническон системы пои вероятностном ограничении на яре":;; его выполнения / / Межвузоиский сборник научных тр\'ло:< "Машиинь:-:-методы оптимизации, моделирования и планирования эксперимента. - Новосибирск: НЭТИ, 1988. - С. 76-85.

9. Лавров Е.А., Ашсров А.Т. Распределение требований к надежно гг.-. между программно-техническими средствами АСУ с учетом многофункционального характера их использования //АСУ и приборы автоматики. -1988. Вып. 88. - С. 131-137.

10. Лавров Е.А., Орехов A.A., Ашеров А.Т. Метод распределения требований к надежности решения задач АСУ между элементами обеспечивающих частей,// Радиоэлектроника летательных аппаратов. Тематический сборник научных трудов.-Харьков:ХАИ, 1990.-С. 119-130.

11. Лавров Е.А., Орехов A.A., Кожевников Т.К. Выбор требований к надежности программных модулей системы управления //Радиоэлект-■ ролика летательных аппаратов. Тематический сборник научных трудов.-Харысов.ХАИ, 1937,- С.75-81.

12. Лавров Е.А.,Ашеров А.Т.,Лачашвили'P.A. Формирование функциональных требований к программному обеспечению диалоги и САПР //Межвузовский сборник научных трудов "Диалоговые систем:.; ц задачах управления". - Новосибирск: НЭТИ, 1988. - С.30-36.

13. Лавров Е.А. Пакет прикладных программ "квалимстрия алгоритмов функшюнигю!ш:ия человеко-машинных систем": Информ. листок, -у 12-9Ü*. - Харьков.: ХАРПКТЗИ, 199Й. - 4 с.

14. Лавров Е.А. Информационно-справочная система о качестве наполнения оператором тппоьых действий и операций: Информ. дкетг.!:. .Nr'-96 - Харьков.: ХАРПНТЭИ. 1996. - 4 с.

15. Лавпов Е.А. Программное обеспечение опенки влияния онег.а■■,: оино-темповой напряженности на качество деятельности челпк «..« оператора:. Информ. листок. № 13-96 - Харьков.: ХАРПНТЭИ, <

16. Лавров Е.А Выбор рациональней степени автоматизл:п;1: п сельскохозяйственных информационно-производственных системах//Материалы международной конференции "Эргономика в России. СНГ и мире: Прошлое, настоящее и будущее", Петербург, 2i 2 4 июня 1993г. - Спб., 1993. - С. 20.

17. Лавров Е.А. Подход к оптимизации алгоритма деятельности оператора АСУ//Сборник тезисов докладов VII Всесоюзного симпозиума "Эффективность, качество и надежность систем "человек - техника". Татлин, 24-28 сентября 1984 г. Часть 2. - N1. - 1984. - С: 30-31.

18. Лавров Е.А. Выбор варианта распределения функций управления транс,портно-складскими процессами в ГПС между человеком-оператором и ЭВМ//'XVI межрегиональный семинар ''Эргономика и эффективность систем "челпиек-техника" .Тезисы докладов. Секции 1-3.-Вильнюс, 1990 -С.113-121.

19. Лавров Е.А. Метод оптимизации алгоритмов деятельности операторов АСУ ТП с учетом операиионно-тем повои напряженности • ' / Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях приборо- и машиностроения. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Секция 2.- Пермь, 1987.- С.8-9.

20.Лавров G.A. Ергоном1чне проектування автоматизованнх систем альськогосгтодарського виробництва //Шляхи шдвищення продуктивности та якост! с ¡л ьс ькогосподарськоТ продукцп. Тематична зб1рка наукових нраць -Суми:ССП, 199.5. - С. 160-163.

21. Лавров Е.А. Представление знаний для экспертной системы генерации вариантов распределения функций между человеком-оператором и автоматикой в АСУ ГПС//Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления на предприятиях и в организациях приборо- и машиностроения. Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции. Секция 3. - Пермь, 1990. С 38 - 39.

22. Лавров Е..<Комплекс системных моделей для эргономического проектирования ГПС//1Х Симпозиум "Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника". Тезисы докладов. Часть 1. - Воронеж, 1990. - С 5-6.

23. Lavrov Е.А. Optimization of man-machine systems functioning//Lasers in technological systems. - S. Petersburg: IEAS, 1996, Vol. 3. - p. 17-20.

24. Lavrov E.A. Mathematical estimation models of fulfilment, timeliness of functioning man-machine systems algorithms//Lasers in technological systems. - S. Petersburg: IEAS, 1996, Vol. 3. - p. 49-54.

25. Lavrov E.A. Optimization of algorithms of man-machine systems functioning on the base of functional-structural theory/'/'Addendum to the Proceedings of JEA World Conference on Ergonomics of Materials Handling and information Processing at Work Edited by Koradecka et al.; Published by the IEA. London, 1995, p.. 75-77