автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и метод оценки влияния интерфейса на деятельность оператора при управлении технологическими процессами

На правах рукописи

Балхарет Ахмед Абдулла Сайд

МОДЕЛИ И МЕТОД ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ИНТЕРФЕЙСА НА ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОПЕРАТОРА ПРИ УПРАВЛЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.

Специальности: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

ООо^ < —

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009

003479600

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Падерно Павел Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Песиков Эдуард Борисович кандидат технических наук, Писарев Андрей Сергеевич

Ведущая организация - Российский государственный технологический университет «МАТИ» им. К.Э.Циолковского (Москва)

Защита диссертации состоится ^¿е^дЛ-2009 г. в "7о часов на заседании

совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « С^Л^сХлИи 2009 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость автоматизации управления привела к появлению широкого класса человеко-машинных АСУ различного назначения, без которых невозможно представить современную организацию управления. Дальнейшее повышение организационной и технической гибкости управления различными технологическими процессами при решении конкретных задач связано с возрастанием роли человека в современных системах, что обуславливается интеллектуализацией АСУ ТП и возрастанием сложности решаемых задач.

Исследования различных происшествий на объектах энергетики, в том числе на атомных станциях, анализ аварий на воздушном и морском транспорте, анализ брака в процессе изготовления различной продукции, недвусмысленно указывают на основной источник - человека. По атомным станциям - оператор является источником от 70 до 80% нештатных ситуаций, по авариям на воздушном и морском транспорте - причиной до 90% аварий является человеческий фактор, тем или иным образом задействованный в управлении.

Зачастую более конкретной причиной служит тот факт, что оператор, управляющий соответствующим технологическим процессом, не доверяет информации, предоставляемой ему на информационной модели, в том числе, показаниям приборов. Особенно это видно на примере опубликованных в газетах анализов причин недавних катастроф самолетов и вертолетов (низкая облачность и беспричинное снижение, не учет рельефа местности и др.).

По мере роста автоматизации роль оператора постепенно сводится к контролю и управлению в сложных ситуациях. Усложнение технологических процессов приводит к тому, что квалификация оператора должна быть очень высокой в соответствии с уровнем автоматизации всех процессов производства. Одним из главных преимуществ человека является возможность совместить в своих действиях запрограммированность операций в реальном времени с выработкой решений при возникновении нестандартных ситуаций. Человеку свойственно представление о цели деятельности, он способен к построению модели динамического образа управляемого объекта, являющейся психическим новообразованием, синтезированным на основе информационной модели, накопленного опыта и т.д.

Автоматизация производства и управления с использованием ЭВМ выдвинула на передний план проблему организации эффективного взаимодействия машины и человека с учетом особенностей человека как звена системы управления и создания наилучших условий работы.

Структура взаимодействия оператора и ЭВМ при решении задач оперативного управления может быть достаточно гибкой. В простых случаях ЭВМ снабжает оператора информацией для принятия решения и исполняет функции, осуществляя трансформацию и передачу решений, принятых оператором. В более сложных ситуациях машина выступает еще и в роли советчика. На более высоких уровнях автоматизации оператор может задавать машине определенную стратегию контроля, которую та выполняет в соответствии с реальной обстановкой. Человек может адаптироваться к различным условиям, полагаясь на интуицию он способен быстро принимать решения не имея выбора вариантов. Но человек очень быстро утомляется при выполнении однообразных действий. Он подвержен внешним и внутренним воздействиям, его характеристики зависят от психического состояния, он способен к деквалификации при длительном бездействии.

Многие из недостатков человека могут быть скомпенсированы автоматическими устройствами при рациональном распределении функций между человеком и автоматическими устройствами.

Основными характеристиками работы оператора в ЧМС являются безошибочность, быстродействие, точность, надежность. Оценкой быстродействия работы оператора является время решения задачи, которое, вместе с аналогичными показателями информационно-программно-технической части определяет быстродействие всей АСУ ТП.

Эффективность работы всей системы зависит от того, как будет организовано участие человека в процессе управления.

В современных АСУ ТП одними из наиболее важных и наименее проработанных вопросов являются вопросы организации диалога, в том числе представления необходимой оператору информации в удобной форме. Это обусловлено тем, что в диалоговом режиме опыт, знания, интуиция пользователя и его способности к неформальному решению задач удачно сочетаются с возможностями современных ЭВМ по поиску, хранению и обработке информации. АСУ ТП, благодаря человеку могут функционировать в очень сложных и напряженных ситуациях.

Таким образом, получается, что интерфейс значительно влияет на эффективность управления различными технологическими процессами.

Психическое состояние оператора имеет огромное влияние на изменение эффективности функционирования АСУ, поскольку существенно определяет характер деятельности оператора. Состояние напряжённости возникает при работе с неудобным интерфейсом, при выполнении оператором деятельности в трудных условиях. Характер влияния напряженности определяется как ситуацией, так и особенностями личности оператора, мотивацией и т.д.

Данное диссертационное исследование, посвящено решению научно-технической задачи разработки моделей, способов и инструментария для оценки влияния интерфейса и организации деятельности оператора на напряженность и эффективность выполнения дискретных алгоритмов в АСУ ТП, и непосредственно базируется на результатах исследований следующих ученых:

1) в области информационных технологий и автоматизированных систем управления: Биденко С.И., Кобзев В. В., Песиков Э. Б., Печников А.Н., Советов Б. Я., Цехановский В. В., Яковлев С. А., Яшин А.И. и др.

2) в области оценки влияния деятельности оператора на качество и эффективность сложных систем: Анохин А. Н., Ашеров А. Т., Губинский А. И., Евграфов В. Г., Зараковский Г. М., Львов В. М., Падерно П. И., Суходольский Г. В., Цой Е. Б. и др.

Объектом исследования является деятельность оператора АСУ ТП.

Предметом исследования является оценка влияния интерфейса и организации деятельности оператора на напряженность и эффективность выполнения дискретных алгоритмов.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества проектирования и организации функционирования АСУ ТП за счет всестороннего учета влияния напряженности и изменений характеристик деятельности оператора на эффективность решения поставленных задач.

Для всестороннего учета влияния интерфейса, организации деятельности и других факторов на напряженность деятельности оператора и, следовательно, на эффективность выполнения им дискретных алгоритмов деятельности необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс моделей описания и способ получения аналитических оценок зависимостей безошибочности и своевременности выполнения алгоритмов дискретной деятельности от изменения значений показателей выполнения предписанных функций и операций (для различных структур алгоритмов деятельности и различных зависимостей изменения показателей).

2. Разработать комплекс формальных моделей описания и метод оценки напряженности дискретной деятельности оператора.

3. Разработать требования к информационно-программному модулю автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора, теоретически обосновать и реализовать комплекс методик оценки и реализующих их алгоритмов.

4. Создать инструмент (информационно-программный модуль) для автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора.

5. Провести проверку адекватности созданных методик, алгоритмов и работоспособности разработанного информационно-программного модуля путем экспериментальной автоматизированной оценки напряженности деятельности пользователей, решающих конкретные задачи.

Методы исследования. В работе использованы методы теории систем и системного анализа, эргономики и инженерной психологии, методы теории вероятностей, экспертных оценок и математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Комплекс моделей для оценки показателей безошибочности и быстродействия

выполнения задачи при изменении характеристик дискретной деятельности

оператора.

• Модели и метод оценки напряженности деятельности оператора.

• Автоматизированный информационно-программный модуль оценки напряженности деятельности оператора.

Новизна первого научного результата

Комплекс моделей отличается от известных возможностью учета изменений показателей безошибочности и быстродействия отдельных операций, входящих в алгоритм, на основе полученных аналитических зависимостей.

Новизна второго научного результата

Отличие от известных подходов и способов состоит в формализованном определении напряженности и возможности получения аналитических оценок средней напряженности деятельности оператора для ряда типовых структур алгоритмов дискретной деятельности при ее различных проявлениях (оператор нервничает, торопится и др.) и видах закономерностей изменения напряженности деятельности.

Новизна третьего результата

Разработанный модуль, реализованный в виде автоматизированного опросника, отличается возможностью оценки напряженности деятельности в зависимости от качества интерфейса, организации деятельности, личностных особенностей оператора.

Научная и практическая ценность диссертационной работы заключаются в том, что разработанные комплексы моделей и способы получения аналитических зависимостей можно рассматривать как единую технологию исследования и оценки влияния напряженности деятельности оператора на эффективность функционирования АСУ ТП в целом, являющуюся продолжением идей обобщенной функционально-структурной теории. Разработанный модуль оценки напряженности деятельности оператора может быть использован для:

• оценки качества разрабатываемых информационно-программных средств (ИПС) и технологий на этапах проектирования на основе оценки напряженности деятельности оператора;

• оценки удобства и совершенствование создаваемых ИПС, предназначенных для обеспечения эффективной работы оператора (интерфейса, тренажеров, электронных учебников, учебных пособий и др. материалов).

Результаты внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ /ЛЭТИ/ и Дальневосточного государственного университета путей сообщения, а программный модуль зарегистрирован в федеральной службе по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам «РОСПАТЕНТ», и используется в ООО «ЭргоАйТи» при анализе интерфейсов, о чем имеются соответствующие документы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Ежегодных научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава СПбГЭТУ /ЛЭТИ/ (2007 - 2009 гг.);

• 5-й и 7-й международных конференциях «Психология и эргономика. Единство теории и практики», 2007г., 2009г. (г. Тверь);

• XIII, XIV и XV Международных конференцях «Современное образование: содержание, технологии, качество» СПбГЭТУ /ЛЭТИ/ (2007 - 2009 гг.);

• VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО 2009г.

• Тринадцатой всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: экология, надежность, безопасность», 2007г. (г. Томск).

• XXXIV и XXXV Международных молодежных научных конференциях «Га-гарипские чтения», РГТУ /МАТИ/, 2008г., 2009г. (г. Москва).

• Шестой международный аэрокосмический конгресс «IAC09», 2009г. (г. Москва).

Публикации: По теме диссертации опубликована 24 научные работы, из них - 9 статей (в т.ч. в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК - 4 статьи), 14 работ - в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, включающего 91 наименований, и 3-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 161 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, сформулированы основные положения и научные результаты, выносимые на защиту, дана краткая характеристика их новизны, достоверности и практической ценности.

В первой главе проведен анализ АСУ ТП, как интеллектуальной человеко-машинной системы (ЧМС), который позволил выявить несоответствие возрастания требований к оператору и отсутствия методов и моделей, позволяющих учитывать влияние изменений показателей его деятельности. Показано, на основе опроса экспертов и метода анализа иерархий, что основными причинами, снижающими эффективность функционирования АСУ ТП, являются неудобный интерфейс и/или плохая организация деятельности оператора.

Предложено использовать напряженность деятельности в качестве индикатора удобства работы оператора и, следовательно, индикатора правильности реализации взаимодействия оператора и информационно-программного комплекса.

Проведен анализ комплекса моделей и методов описания и оценки качества деятельности оператора в информационных технологиях.

В результате анализа методов описания и оценки качества деятельности оператора в информационных технологиях, показано, что существующие методы не приспособлены для учета изменений показателей безошибочности и своевременности выполнения отдельных операций, а также напряженности деятельности оператора при описании и оценке процессов функционирования АСУ ТП.

На основе проделанного анализа сформулированы:

1. Основные противоречия, определяющие актуальность исследования.

2. Цель, объект и предмет исследования.

3. Основные задачи исследования.

Во второй главе проведено исследование влияния изменения показателей выполнения отдельных операций и напряженности деятельности оператора на эффективность выполнения алгоритма в целом.

Исследованы шесть типовых функциональных структур (ТФС) (рис. 1), иллюстрирующих деятельность оператора в случае возможного многократного решения задачи. Все аналитические зависимости, приведенные далее, относятся только к ТФС 1. В диссертационной работе зависимости получены для всех структур.

Разработан комплекс моделей для оценки вероятностей выполнения алгоритмов в целом, в зависимости от изменения безошибочности выполнения отдельных операций (для различных законов изменения).

Результирующие вероятности правильного Р(А) и неправильного Р(В) решения задачи имеют следующий вид:

00 00 Р(Л) = %Р(АО, Р(В)^Р(В{).

1=1 ¡=1

Результирующие формулы для типовой функциональной структуры ТФС 1 (рис. 1) "Рабочая операция (Р) с контролем функционирования (14) без ограничения на количество циклов "

Рис. 1. Основные типовые функциональные структуры дискретной деятельности оператора при многократном решении задачи

Условные обозначения: кР(к}°) - условная вероятность того, что проверяемая операция при фактически правильном выполнении будет признана правильной (неправильной) на г-м шаге (АГ?1 + АГ-0 = 1); -условная вероятность того,

что проверяемая операция при фактически неправильном выполнении будет признана неправильной (правильной) на г-м шаге (после г повторений) + К®1 = 1); Рр (Рр ) - вероятность безошибочного (ошибочного) выполнения рабочей операции на г-м шаге (после г повторений).

Исходы Л,: обозначают, что операция выполнена правильно на г-м шаге и г -й контроль признал, что операция выполнена правильно, а до этого момента были повторы. Исходы В, обозначают, что на г-м шаге операция выполнена неверно, однако ¡' -й контроль признал, что она выполнена правильно, а до этого момента были повторы. Исход С, означает только необходимость повтора на г'-м шаге.

р(4)=Рр •А?1-ПЛС/Х ЛС,)=(р{..-^0+р? -к?).

М ' 7=1

/= 1 7=1 ' /=1 ;=1 ' Рассмотрены случаи, когда оператор устает.

Введем в рассмотрение коэффициент усталости а < 1: 1 .Если контроль полностью автоматический, т.е. характеристики контроля неизменны, а изменяются (ухудшаются) только вероятности правильного вы-

полнения рабочей операции (р[^ = р}^ -а'-1). Тогда

Р{А) = ■ а''1 • К1]1 • П(р{. • а'""1 • (L- К1') + (1 - f»^ • )' К°°» • /=1 7=1

Обычно вероятности признать верно выполненную операцию выполненной правильно и забраковать неправильно выполненную операцию равны К00 - Ки = К. Тогда предыдущая формула принимает следующий вид

ДЛ) = р1р1 + -a^-l-K-^ V-1)).

(=1 j=i

2. Если контроль частично автоматизирован, то характеристики правильности контроля К00 и Кп также меняются на каждом шаге. Если они меняются одинаково, т.е. = К00к}1 = Л41 -у'"1, где у < 1, то

Р(Л) = р1Р| •Ки!(аИ.у-1-П(Й> •аН-(1-КП-ГН)+О-Рр, ■аМ)-*00-ГН)>

/=1 7=1

Для Кой =Кп = К получаем

PU) = P1p_ -X-XíCa-y)'-1 -ПФ^, •a^1+K yJ-1 -2-iC-p^ -(у-аУ"1).

«=1 7=1

Получен ряд аналитических зависимостей для оценки вероятностей выполнения задачи в зависимости от построения (организации) алгоритма деятельности (для 6 типовых алгоритмов). Комплекс моделей отличается от известных возможностью учета влияния изменения безошибочности выполнения операций, входящих в алгоритм, на вероятности правильного выполнения алгоритма в целом.

Комплекс моделей для оценки времени выполнения алгоритма в целом, в зависимости от изменения времени выполнения отдельных операций (для различных законов изменения).

ТФС 1 может быть сведена к некоторой укрупненной операции S (рис. 1), среднее время выполнения которой может быть вычислено по формуле:

ОО / J-1

TS='E {(Р{А,) + Р(В,)) ■ (Z Tj) ■ П P(Cj))' ;=i 7=1

где: Tj = + 7^. Тр^ (Гк ) - среднее время выполнения рабочей операции (контроля) на г'-м шаге (после i повторений).

Если характеристики безошибочности деятельности оператора постоянны во времени, что возможно только для опытного оператора, то среднее время выполнения оператором всего алгоритма может быть вычислено по формуле:

¡=1

Частные случаи

1. Продолжительность выполнения рабочей и контрольной операции возрастают, т.е. 7], <Гр2 <...<Гр , ГК| <Т^ <...<ГК . Тогда в предположении об экспоненциальном увеличении среднего времени выполнения операций

(ГР| =TP-q' \ Тк = ГК •/•' q>\,r>\) q' 1 С' ') -коэффициент, отражающий изменение длительности рабочей операции (контроля) среднее время выполнения алгоритма для ТФС 1 можно вычислить по следующей формуле: Т Гр , тк

5 (l-q-P(C))-(l-P(C)) (1 - г • P(Cj) ■ (1 - Р(СУ)'

2. Увеличивается только время выполнения рабочей операции Tp¡ á Тр^ <... < Гр . Тогда в предположении об экспоненциальном увеличении

длительности выполнения рабочей операции (ТР =TP-q'~:, Тк = ГК, q>\) среднее время выполнения алгоритма вычислить по следующей формуле: Т | Тк

s (i-q p(c))-a-p(c)) (i-P(C)f'

3. Время выполнения и рабочей и контрольной операции уменьшается ГР >ГР >...> 7р , Тк >rKj >...>ГК . Тогда в предположении об экспоненциальном уменьшении средней длительности выполнения рабочей операции (7J> =TP-q'~1, Тк =ГК /*'-1, q < 1, r< 1) время выполнения алгоритма:

т 7Р I ТК

s (l-q)-(l-P(C)) (1 ~ г) • (1 - Р(С))

4. Уменьшается только длительность рабочей операции (7ji >Гр2 >...>Тр ).Тогда в предположении об экспоненциальном уменьшении длительности рабочей операции (Гр = Гр = q <1.) среднее время выполнения алгоритма оператором можно вычислить по формуле:

у __^Р_ | ТК

s (1-9).(1-р(С)) (i-Р{С))2'

Получен ряд аналитических зависимостей для оценки средней продолжительности (среднего времени) выполнения задачи в зависимости от построения (организации) алгоритма дискретной деятельности (для 6 типовых алгоритмов). Комплекс моделей отличается от известных возможностью учета влияния изменения времени выполнения операций на длительность выполнения алгоритма в целом.

Разработан комплекс моделей и способ оценки напряженности дискретной деятельности оператора.

При оценке напряженности деятельности полагаем, что интегральной характеристикой напряженности деятельности оператора является средняя напряженность, а напряженная работа в течение некоторого времени вызывает усталость. Введем следующие обозначения:

-мгновенное значение напряженности деятельности £ 0; m(tj,t2)- среднее значение напряженности на интервале [í,,í2]; М(?,, /2) - интегральное значение напряженности на интервале времени [/,, t2 ] ■ Тогда имеют место следующие соотношения

А/(*„/2)= }|1(0Ж,

На рисунке 2 приведен пример изменения напряженности деятельности оператора и показана средняя напряженность на некотором интервале времени.

кс

. Л Л

Рис.2. Пример изменения напряженности деятельности оператора

Видно, что функция 4) является аддитивной, то есть

= + + ,где </2 </3 </4,

Тогда выполняется равенство

(¿2 - ) • от , /2) + (/, - ) • т , ^ ) + р4 - ^) • и , /4)

Ввиду того, что выполнение ТФС 1 (рис. 1) может закончиться па любом шаге, введем в рассмотрение случайную величину

у=1 / У=1

Где: МР,- интегральное значение напряженности выполнения рабочей операции

на ]-и шаге

Мр =ар -Гр -/яР! м„ -

интегральное значение напряженности

выполнения контрольной операции на у-м шаге МК/ = • • ; /яр - напряженность выполнения рабочей операции в начальный момент времени; У-р. - коэффициент, отражающий изменение напряженности выполнения рабочей операции нау1 - м шаге (после j повторений); тк - напряженность выполнения контрольной

операции в начальный момент времени; аку - коэффициент, отражающий изменение напряженности выполнения контрольной операции на у - м шаге (после ] повторений).

Случайная величина Т); - это есть средняя напряженность оператора при выполнении исследуемой ТФС, при условии окончания процесса на г-м шаге.

Средняя напряженность деятельности оператора может быть вычислена по следующей формуле

__QO

л = -л,,

¿=1

Замечание. Возможны случаи, когда время выполнения операций также меняется, т.е. оператор начинает торопиться, что влечет изменение напряженности.

Рассмотрим ряд частных случаев (законов изменения напряженности деятельности оператора), полагая, что время выполнения операций не меняется.

Случай 1. Напряженность оператора неизменна, т.е. =аку =1-Значение т есть средняя напряженность выполнения рабочей и контрольной операции на каждом шаге. Если ц=т V/, то Т] = т.

Оператор нервничает

Случай 2. Напряженность выполнения операций изменяется линейно, т.е. Ор =1+(/-1)-АР, сс^ =1+(/-1)-ДК. Тогда, учитывая тот факт, что вероятность

окончания процесса на i -м шаге равна Р,- В' 1 ■ А, где А = (V А41 Кт, В=\-Л, получаем

п = /и+---£—2-^—£-

А 2(Т?+ТК)

В случае, если относительные изменения напряженности при выполнении рабочей и контрольной операций одинаковы (ДР=ДК=Д), то получаем В-A Tv-mp+TK-mK „ В-Д.

Т1 = ш +--- ——-—-—— = т(1+-)

А 2(Т?+ТК) 2 А

Случай 3. Экспоненциальные изменения (о.Р/ = а{, ', -:aJK 1, ар >1, ак>1).

A ,Tv-m„ , 1 -В Тк-тк , \-В

п =--(_£——-In-+ -К-— • ]п-)

Wt+Tk) аР-1 1-В-а? ак -1 1~В-ак

В случае, когда относительные изменения напряженности при выполнении рабочей и контрольной операций одинаковы (— ак ~а )■

П = -т---1п(1 ——5--)

Я(а-1) А

Оператор торопится

Рассмотрим случаи, когда после выявленной ошибки оператор начинает торопиться, что не сказывается на безошибочности, но увеличивает напряженность деятельности. Будем полагать, что изменения напряженности деятельности обратнс пропорциональны сокращению времени выполнения операций

Таким образом, имеем следующие соотношения:

Тк=^-Тк, (^<1,

Рр; РК,

■щ.

т

Случай 4. Линейные изменения. Тр =-Е-, ар =а?-(1 + ()-1)-Лар),

' 1 + С/-1 )-АТР1

т

= 1—/ • лт ' а,с' = ак 'О + О — "Лак,)• Полагая, что время выполнения и напряженность при выполнении рабочей и контрольной операций изменяются одинаково АГГ] = ДГК1 = АТ , ДаР1 = ДаК1 =Да, получаем Среднее значение напряженности равно

¿=1 / м 7

Случай 5. Экспоненциальные изменения. Гр = Р/Тр, 7*К; = р {-Ту-, тогда т т

тр =ар •—у, тК( =ак —г-, где Рр <1, рк <1. Если время выполнения рабочей кон' Рр ' Рк

грольной операции сокращаются одинаково, т.е. Рр — Рк: = Р получаем

Среднее значение напряженности равно

л = --—

Я (1-Ю

Получена аналитическая оценка средней напряженности для комплекса типовых структур алгоритмов дискретной деятельности при различных проявлениях напряженности деятельности оператора (нервничает, торопится и др.) и двух видах закономерностей изменения значения напряженности. Комплекс моделей отличается от известных подходов и способов возможностью получения аналитических зависимостей для оценки средней напряженности деятельности оператора.

Разработанный комплекс моделей и метод получения аналитических зависимостей можно рассматривать как единую технологию исследования и оценки влияния изменений деятельности оператора на эффективность функционирования АСУ ТП в целом, являющуюся продолжением идей обобщенной функционально-структурной теории.

Третья глава. Для реализации разработанных моделей и метода получения оценок эффективности выполнения алгоритмов на этапе проектирования необходимо получение исходных данных о влиянии интерфейса и организации деятельности на напряженность деятельности оператора, для чего следует:

• разработать простой и надежный способ получения необходимых исходных характеристик, не зависящий от специфики деятельности оператора;

• разработать автоматизированный информационно-программный модуль, позволяющий оценить влияние интерфейса и организации деятельности оператора на напряженность его деятельности

• провести испытания разработанного автоматизированного информационно-программного модуля на конкретных информационно-программных продуктах.

Для оценки влияния изменения напряженности деятельности оператора на результативность деятельности и на ее привлекательность предложено использовать субъективную оценку (самооценку) оператора.

Разработан опросник, основанный на предъявлении изображения специального вида, позволяющий получать субъективную оценку оператором напряженности

его деятельности в виде реакции на задаваемый вопрос (предъявляемое изображение). Исследована периодичность предъявления опросника и оценена возможная ошибка при оценке средней напряженности. Сформирован комплекс требований к автоматизированной оценке напряженности (АОН) деятельности оператора, и разработан программный модуль, реализующий автоматизированный опрос.

Разработанный модуль АОН:

• реализует опросник, позволяющий, параллельно с основной работой оператора (рис. 3), фиксировать самооценку напряженности его деятельности;

• не вызывает негативных ощущений у оператора и не влияет на напряженность и результативность деятельности за счет эргономичного интерфейса (картинок);

• достаточно прост и не требует специальных знаний (время ознакомления оператора с опросником -1-2 минуты).

Модуль АОН является инструментом для оценки интерфейса и организации деятельности оператора на основе оценки напряженности его деятельности, в том числе и в процессе проектирования.

Области применения'.

• оценка качества разрабатываемых информационно-программных средств (ИПС) и технологий на основе оценки напряженности деятельности оператора;

• совершенствование ИПС (интерфейса, тренажеров, электронных учебных материалов), предназначенных для обеспечения эффективной работы оператора.

Рис. 3. Схема алгоритма работы модуля АОН

Четвертая глава. Для подтверждения теоретических выводов и предположений, и для подтверждения эффективности предлагаемого подхода и разработанного модуля был проведен эксперимент.

Целью эксперимента была оценка возможностей модуля АОН.

Модуль АОН был испытан на двух однородных группах обучаемых, работавших в системе дистанционного обучения с использованием различных технологий представления электронных учебных материалов (ЭУМ) (текст, аудио, видео). Было выбрано три различных ЭУМ, и для каждого реализовано три различных способа представления информации. Все девять вариантов ЭУМ были распределены случайным образом по обучаемым, чтобы каждый обучаемый получил три различные ЭУМ в грех различных представлениях. Сформированы и предъявлены вопросы по каждой ЭУМ - независимо от способа ее представления для оценки уровня усвоения ЭУМ.

В результате эксперимента получены следующие результаты: 1. Средняя степень напряженности деятельности обучаемого при видеопредставлении ЭУМ меньше, чем при других способах представления ЭУМ (рис.4).

О обучаемые группа (А)

а обучаемые группа (В)

Текст

^Чудио

Видео

Рис. 4. Средняя степень напряженности деятельности испытуемых группы (А и Б), при различном представлении ЭУМ

2. Средняя степень уровня усвоения знаний обучаемым при видеопредставлении ЭУМ больше, чем при других способах представления ЭУМ.

3. Степень уровня усвоения ЭУМ не всегда правильно отражает степень напряженности деятельности обучаемого.

4. Модуль АОН не вызывает раздражения и негативной реакции.

5. Оценка степени напряженности деятельности обучаемого без применения модуля АОН не всегда правильно отражает реальную напряженность (рис. 5).

Ш обучаемые группа (А)

¡3 обучаемые группа (Б)

Текст

Аудио

Видео

Рис. 5. Средняя степень напряженности деятельности испытуемых группы (А и Б)

6. Модуль АОН позволяет оценить степень напряженности деятельности оператора (обучаемого) в течение определенного интервала времени.

Особенно эффективно использование предлагаемого модуля АОН при тестировании (конечным пользователем) информационно-программных продуктов. Реакция тестируемого позволяет выявить слабые места с точки зрения представления (изложения) материала.

В заключении перечислены основные научные и практические результаты работы, а также предложения по их возможному использованию.

В приложении 1 содержатся: - анкеты для сравнения важности влияния различных показателей на эффективность работы оператора при управлении технологическим процессом; - опросные листы с мнениями экспертов о важности влияния различных показателей на эффективность работы оператора; - оценка значимости вклада факторов в эффективность функционирования АСУ ТП в целом.

Приложение 2 содержит акты внедрения и использования результатов: в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ; в учебном процессе Дальневосточного государственного университета, в ООО «ЭргоАйТи».

Приложение 3 содержит Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты проделанной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Комплекс моделей для оценки показателей безошибочности и быстродействия выполнения задачи при изменении характеристик дискретной деятельности оператора.

2. Модели и метод оценки напряженности деятельности оператора.

3. Автоматизированный информационно-программный модуль оценки напряженности деятельности оператора.

Перспективы и области применения разработанного модуля АОН:

• оценка качества разрабатываемых информационно-программных средств и тех-

нологий;

• оценка удобства и совершенствование создаваемого интерфейса, тренажеров,

электронных учебников и др. материалов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Балхарет A.A. Модуль оценки напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет. // Научный журнал "Информационно-управляющие системы" «ГУАП» - СПб., 2009. -№ 3. - С. 72 - 74.

2. Балхарет A.A. Автоматизированный модуль оценки напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет. // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики «СПбГУ ИТМО» - СПб., 2009 - № 03. - С. 63 - 68.

3. Балхарет A.A. Модель оценки времени выполнения задачи в зависимости от изменения напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. И. Краснова, П. И. Падерно, А. А. Балхарет. // Научный журнал "Информационно-управляющие системы" «ГУАП» - СПб., 2009. -№ 4. - С. 72 - 74.

4. Балхарет A.A. Оценка напряженности деятельности оператора на основе автоматизированного опроса. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Научно-технический журнала "Приборостроение" Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики «СПбГУ ИТМО» -СПб., 2009,- № 7. - С. 22 - 26.

Другие публикации:

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:

5. Балхарет A.A. Программный модуль автоматизированной оценки напряженности деятельносги оператора (Модуль оценки напряженности оператора). [Текст] / Н. А. Назарепко, А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Федеральная служба по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам «РОСПАТЕНТ» - Москва, 2009,-№ 2009612686.

Статьи:

6. Балхарет A.A. Оценка напряженности деятельности оператора на стадии проектирования алгоритмов деятельности. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета). Сер. Информатика, управление и компьютерные технологии - СПб., 2007. - Выпуск 3.-С. 16-19.

7. Балхарет A.A. Способ оценки средней напряженности дискретной деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Человеческий фактор. Сер. Проблемы психологии и эргономики. - Тверь, 2007. - № 3/2. - С. 29.

8. Балхарет A.A. Автоматизация оценки напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Научно-практический журнал «БИОТЕХНОСФЕРА» (Федеральное агентство по печати и массовым коммуникациям). -СПб., 2009. - № 2/2. - С. 53 - 56.

9. Балхарет A.A. Оценка времени выполнения задачи при изменении напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета).- СПб., 2009. - Выпуск 5. - С. 19 - 23.

10. Балхарет A.A. Программный модуль - инструмент для автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А Балхарет, Н. А. На-заренко, П. И. Падерно // Человеческий фактор. Сер. Проблемы психологии и эргономики,- Тверь, 2009. -№ 3/2. - С. 19-20.

Материалы конференций:

11.Балхарет A.A. Модель деятельности пользователя в системе дистанционного образования. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Материалы XIII международной конференции «современное образование: содержание, технологии, качество».-СПб., 2007.-Том 1.-С. 168- 170.

12.Балхарет A.A. Оценка напряженности дискретной деятельности персонала в энергетической промышленности. [Текст] / А. А. Балхарет, И. В. Гончар, П. И. Падерно. // Материалы докладов тринадцатой всероссийской научно-техническая конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» - Томск, 2007. -С. 277-280.

13.Балхарет A.A. Модель изменения напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» - Москва, 2008. - Том 3. - С. 195 -196.

14.Балхарет A.A. Использование напряженности как показателя качества деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» - Москва, 2008. -Том 3. - С. 196- 197.

15.Балхарет A.A. Оценка процесса дистанционного обучения на основе использования показателя напряженности деятельности. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Материалы XIV международной конференции «Современное образование: содержание, технологии, качество». - СПб., 2008. - Том 1. - С. 248 - 250.

16. Балхарет A.A. Модель изменения напряженности деятельности пользователя в системе дистанционного образования. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Материалы XIV международной конференции «Современное образование: содержание, технологии, качество». - СПб., 2008. - Том 1. - С. 251 - 252.

17.Балхарет A.A. Модуль оценки напряженности деятельности для тестирования качества информационно-программных средств (ИПС). [Текст] / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» - Москва, 2009. - Том З.-С. 118-119.

18.Балхарет A.A. Оценки времени выполнения задачи, в зависимости от изменения напряженности деятельности. [Текст] / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» -Москва, 2009. - Том 3. - С. 119 - 120.

19.Балхарет A.A. Способ оценки времени выполнения задачи при изменении напряженности деятельности оператора. [Текст] / А. А. Балхарет. // Сборник трудов VI всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «СПбГУ ИТМО» -СПб., 2009. Выпуск 6. - С. 343 - 346.

20.Балхарет A.A. Модуль оценки напряженности деятельности для тестирования качества электронных средств обучения. [Текст] / А. А. Балхарет. // Сборник трудов VI всероссийской межвузовской конференции молодых ученых «СПбГУ ИТМО» - СПб., 2009. Выпуск 6. - С. 347 - 352.

21.Балхарет A.A. Тестирование качества электронных средств обучения на основе модуля оценки напряженности деятельности обучаемого. [Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Материалы XV международной конференции «Современное образование: содержание, технологии, качество». - СПб., 2009. - Том 1. - С. 277-279.

22. Балхарет A.A. Модуль оценка напряженности деятельности обучаемого как средство повышения эффективности процесса обучения в системе дистанционного образования.[Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Материалы XV международной конференции «современное образование: содержание, технологии, качество». - СПб., 2009. - Том 1. - С. 279 - 280.

23.Балхарет A.A. Встраиваемый модуль автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора.[Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Доклады Шестой международный аэрокосмический конгресс «IAC09». - Москва, 2009 - С. 200.

24.Балхарет A.A. Технология оценки влияния напряженности на эффективность деятельности оператора.[Текст] / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Доклады Шестой международный аэрокосмический конгресс «IAC09». - Москва, 2009.- С. 202 -203.

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы и постановка задач исследования.

1.1. Анализ информационных технологий автоматизированных систем управления.

1.1.1. Особенности автоматизированных систем управления.

1.1.2. Классификация автоматизированных систем управления.

1.2. Особенности деятельности оператора в автоматизированных системах управления.

1.2.1. Специфика деятельности оператора в автоматизированных системах управления.

1.2.2. Структура деятельности оператора.

1.2.3. Факторы, влияющие на деятельность оператора.

1.3. Особенности автоматизированных систем управления.

1.3.1. Интерфейс.

1.3.2. Оценка степени влияния интерфейса на деятельность оператора.

1.3.3. Анализ влияния напряжённости на деятельность оператора.

1.4. Оценка качества дискретной деятельности оператора.

1.4.1. Анализ методов оценки качества операторской деятельности.

1.4.2. Анализ методов описания операторской деятельности.

1.5. Постановка задач исследования.

1.6. Результаты и выводы по главе 1.

Глава 2. Модели и метод оценки эффективности решения задач при изменении характеристик выполнения отдельных операций.

2.1. Оценка вероятностей исходов решения задачи для основных типовых структур.

2.1.1. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования без ограничения на количество циклов".

2.1.2. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования с ограничением на количество циклов".

2.1.3. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции без ограничения на количество циклов".

2.1.4. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции с ограничением на количество циклов".

2.1.5. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, исправлениями и последующими контролями без ограничений на количество циклов".

2.1.6. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, исправлениями и последующими контролями с ограничением на количество циклов".

2.2. Модели и алгоритмы оценки времени выполнения задачи при изменении характеристик деятельности оператора.

2.2.1. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования без ограничения на количество циклов".

2.2.2. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования с ограничения на количество циклов".

2.2.3. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции без ограничения на количество циклов".

2.2.4. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции с ограничением на количество циклов".

2.2.5. Типовая функциональная структура " Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением контроля без ограничения на количество циклов ".

2.2.6. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением контроля с ограничении на количество циклов".

2.3. Модели и метод оценки напряженности дискретной деятельности оператора.:.

2.3.1. Оценка напряженности.

2.3.2. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования без ограничения на количество циклов".

2.3.3. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования и ограничением на количество циклов".

2.3.4. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции без ограничения на количество циклов".

2.3.5. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением рабочей операции с ограничения на количество циклов".

2.3.6. Типовая функциональная структура " Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением контроля без ограничения на количество циклов ".

2.3.7. Типовая функциональная структура "Рабочая операция с контролем функционирования, доработкой и повторением контроля с ограничением на количество циклов".

2.4. Результаты и выводы по главе 2.

Глава 3. Автоматизированный модуль оценки напряженности деятельности оператора.

3.1. Реализация модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.1.1. Основные требования к средству автоматизированной оценки напряженности.

3.1.2. Разработка опросника.

3.1.3. Определение частоты предъявления опросника модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.2. Укрупненный алгоритм работы модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.3. Алгоритмы модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.3.1. Алгоритмы выполнения основной задачи модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.3.2. Представление результатов модуля автоматизированной оценки напряженности.

3.4. Результаты и выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальная проверка работоспособности модуля автоматизированной оценки напряженности.

4.1. Обоснование и выбор предметной области.

4.2. Анализ представления учебных материалов в дистанционном обучении.

4.3. Выбор группы испытуемых и экспериментального материала.

4.4. Описание эксперимента.

4.5. Результаты эксперимента по группе (А).

4.6. Результаты эксперимента по группе (Б).

4.7. Результаты и выводы по главе 4.

Актуальность темы. Необходимость автоматизации управления привела к появлению широкого класса человеко-машинных АСУ различного назначения, без которых невозможно представить современную организацию управления. Дальнейшее повышение организационной и технической гибкости управления различными технологическими процессами при решении конкретных задач связано с возрастанием роли человека в современных системах, что обуславливается интеллектуализацией АСУ ТП и возрастанием сложности решаемых задач.

Исследования различных происшествий на объектах энергетики, в том числе на атомных станциях, анализ аварий на воздушном и морском транспорте, анализ брака в процессе изготовления различной продукции, недвусмысленно указывают на основной источник — человека. По атомным станциям - оператор является источником от 70 до 80% нештатных ситуаций [3, 35, 44, 65, 68], по авариям на воздушном и морском транспорте - причиной до 90% аварий является человеческий фактор [9,12,13, 66, 67], тем или иным образом задействованный в управлении.

Зачастую более конкретной причиной служит тот факт, что оператор, управляющий соответствующим технологическим процессом, не доверяет информации, предоставляемой ему на информационной модели, в том числе, показаниям приборов. Особенно это видно на примере опубликованных в газетах анализов причин недавних катастроф самолетов и вертолетов (низкая облачность и беспричинное снижение, не учет рельефа местности и др.).

На ранних стадиях автоматизации человек был постоянно включен в замкнутый контур регулирования, работая по жесткому алгоритму. По мере роста степени автоматизации роль оператора постепенно сводилась к контролю за работой оборудования и управление в сложных ситуациях. Усложнение технологических процессов приводит к тому, что квалификация оператора должна быть очень высокой в соответствии с уровнем автоматизации всех процессов производства. Одним из главных преимуществ человека является возможность совместить в своих действиях запрограммированность операций в реальном времени с выработкой решений при возникновении нестандартных ситуаций. С ростом степени автоматизации человек переходит на более высокий уровень управления. В современных автоматизированных системах управления ЭВМ рассматривается как тактический инструмент, человек же является стратегом. По своим возможностям человек и машина взаимно дополняют друг друга. Человек имеет преимущества перед машиной по способам переработки информации, способности объединять разнородные элементы в единую структуру, в решении нечетко сформулированных, задач, в умении оценить состояние управляемого объекта не только по прямым., но и косвенным сигналам, не предусмотренной системой управления. Чувства , человека: являются устройствами ввода, они обладают большей пластичностью и гибкостью чем устройства ввода ЭВМ; Человеку свойственно представление о цели деятельности, он способен к построению модели динамического образа управляемого объекта, являющейся психическим новообразованием; синтезированным на основе информации, полученной из информационной модели, накопленного опыта и т.д.

Автоматизация производства и управления с использованием ЭВМ выдвинула на передний план проблему организации эффективного взаимодействия машины и человека с учетом особенностей человека как звена системы управления и создания наилучших условий работы.

Разработка и реализация адаптивных АСУ требует организации взаимодействия человека и ЭВМ в форме диалога. Структура взаимодействия операторами ЭВМ при решении задач оперативного управления в зависимости от сложности решаемых задач; квалификаций операторов, уровня автоматизации процессов управления может быть достаточно гибкой. В простых случаях ЭВМ оператора информацией для принятия решения и исполняет функции; осуществляя трансформацию и передачу решений, принятых оператором. В; более сложных ситуациях машина выступает еще и в роли советчика: На более высоких уровнях автоматизации оператор может задавать машине определенную стратегию контроля, которую та выполняет в соответствии с реальной обстановкой. Человек имеет возможность отдавать прямые распоряжения или менять параметры машинной программы. ЭВМ выступает здесь в роли творческого исполнителя. Но человек здесь является ведущим звеном, т.к. он должен знать какие параметры он должен задать машине, чтобы она действовала правильно в той или иной ситуации.

Для обеспечения работы системы как целого она должна иметь в своем составе звено, осуществляющее интеграцию остальных звеньев. Харакгерисгаки человека позволяют ему являться таким звеном. Человек может адаптироваться к различным условиям, полагаясь на интуицию он способен быстро принимать решения не имея выбора вариантов. Но человек очень быстро утомляется при выполнении однообразных действий. Он подвержен внешним и внутренним воздействиям, его характеристики зависят от психического состояния (напряженность), он способен к деквалификации при длительном бездействии. Человек значительно уступает машине по объему принимаемой и перерабатываемой информации. Максимальное количество информации ограничено у человека свойствами его памяти. Многие из недостатков человека могут быть скомпенсированы автоматическими устройствами при рациональном распределении функций между человеком и автоматическими устройствами.

Основными характеристиками оператора являются безошибочность, быстродействие, точность, надежность. Оценкой быстродействия оператора является время решения задачи, которое, вместе с аналогичными показателями информационно-программно-технической части определяет быстродействие всей системы "человек-машина".

Эффективность работы всей системы зависит от того, как будет организовано участие человека в процессе управления.

В современных АСУ одними из наиболее важных и наименее проработанных вопросов являются вопросы организации диалога, в том числе представления необходимой оператору информации в удобной форме. Это обусловлено тем, что в диалоговом режиме опыт, знания, интуиция пользователя и его способности к неформальному решению задач удачно сочетаются с возможностями современных ЭВМ по поиску, хранению и обработке информации. АСУ благодаря человеку могут функционировать в очень сложных и напряженных ситуациях.

Таким образом, получается, что интерфейс значительно влияет на эффективность управления различными технологическими процессами.

Психическое состояние оператора имеет огромное влияние на изменение эффективности функционирования АСУ, поскольку существенно определяет характер деятельности оператора. Состояние психической напряжённости возникает при работе с неудобным интерфейсом, при выполнении оператором деятельности в трудных условиях. Характер влияния напряженности определяется как самой ситуацией, так и особенностями личности, её мотивацией и т.д.

Данное диссертационное исследование, посвящено решению научно-технической задачи разработки моделей, способов и инструментария для оценки влияния интерфейса и организации деятельности оператора на напряженность и эффективность выполнения дискретных алгоритмов в АСУ ТП, и непосредственно базируется на результатах исследований следующих ученых:

1) в области информационных технологий и автоматизированных систем управления: Биденко С.И., Кобзев В. В., Песиков Э. Б., Печников А.Н., Советов Б. Я., Цехановский В. В., Яковлев,С. А., Яшин А.И. и др.

2) в области оценки влияния деятельности оператора на качество и эффективность сложных систем: Анохин А. Н., Ашеров А. Т., Губинский А. И., Евграфов В. Г., Зараковский Г. М., Львов В. М., Падерно П. И., Суходольский Г. В., Цой Е. Б. и др.

Целью настоящей работы является повышение качества проектирования и организации функционирования АСУ ТП за счет всестороннего учета влияния напряженности и изменений характеристик деятельности оператора на эффективность решения поставленных задач.

Объектом исследования является деятельность оператора АСУ ТП.

Предметом исследования является оценка влияния интерфейса и организации деятельности оператора на напряженность и эффективность выполнения дискретных алгоритмов.

Для всестороннего учета влияния интерфейса, организации деятельности и других факторов на напряженность деятельности оператора и, следовательно, на эффективность выполнения им дискретных алгоритмов деятельности необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс моделей описания и способ получения аналитических оценок зависимостей безошибочности и своевременности выполнения алгоритмов дискретной деятельности от изменения значений показателей выполнения предписанных функций и операций (для различных структур алгоритмов деятельности и различных зависимостей изменения показателей).

2. Разработать комплекс формальных моделей описания и метод оценки напряженности дискретной деятельности оператора.

3. Разработать требования к информационно-программному модулю автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора, теоретически обосновать и реализовать комплекс методик оценки и реализующих их алгоритмов.

4. Создать инструмент (информационно-программный модуль) для автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора.

5. Провести проверку адекватности созданных методик, алгоритмов и работоспособности разработанного информационно-программного модуля путем экспериментальной автоматизированной оценки напряженности деятельности пользователей, решающих конкретные задачи.

Методы исследования. В работе использованы методы теории систем и системного анализа, эргономики и инженерной психологии, методы теории вероятностей, экспертных оценок и математической статистики.

Научные и практические результаты, выносимые на защиту:

• Комплекс моделей для оценки показателей безошибочности и быстродействия выполнения задачи при изменении характеристик дискретной деятельности оператора.

• Модели и метод оценки напряженности деятельности оператора.

• Автоматизированный информационно-программный модуль оценки напряженности деятельности оператора.

Новизна первого научного результата

Получен ряд аналитических зависимостей для оценки вероятности и среднего времени выполнения задачи в зависимости от построения алгоритма дискретной деятельности (для ряда типовых структур алгоритмов). Комплекс моделей отличается от известных возможностью учета изменений показателей безошибочности и быстродействия отдельных операций, входящих в алгоритм на основе полученных аналитических зависимостей.

Новизна второго научного результата

Предложен способ оценки напряженности деятельности. Получена аналитическая оценка средней напряженности для ряда типовых структур алгоритмов дискретной деятельности при различных проявлениях (оператор нервничает, торопится и др.) и видах закономерностей изменения напряженности деятельности. Отличие от известных подходов и способов состоит в возможности получения аналитических зависимостей для оценки средней напряженности деятельности оператора.

Новизна третьего результата

Модуль оценки напряженности деятельности реализует опросник, позволяющий фиксировать самооценку напряженности оператора, параллельно с его основной деятельностью. Разработанный модуль отличается возможностью оценки напряженности деятельности в зависимости от качества интерфейса, организации деятельности, личностных особенностей оператора.

Научная и практическая ценность диссертационной работы заключаются в том, что разработанные комплексы моделей и способы получения аналитических зависимостей можно рассматривать как единую технологию исследования и оценки влияния напряженности деятельности оператора на эффективность функционирования АСУ ТП в целом, являющуюся продолжением идей обобщенной функционально-структурной теории. Разработанный модуль оценки напряженности деятельности оператора может быть использован для:

•оценки качества разрабатываемых информационно-программных средств и технологий на этапах проектирования на основе оценки напряженности деятельности оператора;

• оценки удобства и совершенствование создаваемых информационно-программных средств, предназначенных для обеспечения эффективной работы оператора (интерфейса, тренажеров, электронных учебников, учебных пособий и др. материалов).

Результаты внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ /ЛЭТИ/, Дальневосточного государственного университета путей сообщения, используется в ООО «ЭргоАйТи» при анализе интерфейсов и в ОАО «Корпорация «Аэрокосмическое оборудование», о чем имеются соответствующие документы. Программный модуль зарегистрирован в федеральной службе по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам «РОСПАТЕНТ».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

•Ежегодных научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава СПбГЭТУ/ЛЭТИ/ (2007 - 2009 гг.);

• 5-й и 7-й международных конференциях «Психология и эргономика. Единство теории и практики», 2007г., 2009г. (г. Тверь);

•ХШ, XIV и XV Международных конференциях «Современное образование: содержание, технологии, качество» СПбГЭТУ /ЛЭТИ/ (2007 - 2009 гг.);

• VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых СПбГУИТМО, 2009г.

• Тринадцатой всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: экология, надежность, безопасность», 2007г. (г. Томск).

•XXXIV и XXXV Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения», РГТУ /МАТИ/, 2008г., 2009г. (г. Москва).

•Шестой международный аэрокосмический конгресс «1АС09», 2009г. (г. Москва).

Публикации: По теме диссертации опубликована 24 научные работы, из них - 9 статей (в т.ч. в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК - 4 статьи), 14 работ - в материалах международных и всероссийских научно-технических конференции, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, включающего 91 наименований, и 3-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 157 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 12 таблиц.

Выводы

1. Модуль АОН реализует опросник, позволяющий, параллельно с основной деятельностью оператора, фиксировать самооценку напряженности его деятельности в конкретные моменты времени.

2. Модуль АОН, не вызывает негативных ощущений у оператора, не влияет на напряженность и результативность его деятельности, позволяет без использования специальных технических средств (датчиков и др. аппаратуры) получить среднюю оценку напряженности деятельности оператора в течение произвольного интервала времени, хорошо адаптирован за счет эргономического интерфейса (картинок), достаточно прост и не требует специальных знаний (время ознакомления оператора с опросником — 1 - 2 минуты).

3. Разработанный модуль АОН является инструментом для оценки напряженности деятельности оператора, и, тем самым, для оценки интерфейса и организации деятельности в конкретной автоматизированной системе, в том числе и в процессе проектирования.

Области применения:

• оценка качества разрабатываемых информационно-программных средств и технологий на этапах проектирования на основе оценки напряженности деятельности оператора;

• оценка удобства и совершенствование создаваемых информационно-программных средств, предназначенных для обеспечения эффективной работы оператора (интерфейса, тренажеров, электронных учебников, учебных пособий и др. материалов).

Особенно эффективно использование предлагаемого модуля АОН при тестировании (конечным пользователем) информационно-программных продуктов. Реакция тестируемого позволяет выявить слабые места с точки зрения представления (изложения) материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью исследования являлось повышение качества проектирования и функционирования АСУ ТП за счет всестороннего учета влияния напряженности деятельности оператора на изменение характеристик безошибочности и быстродействия и, следовательно, на эффективность выполнения оператором дискретных алгоритмов деятельности.

Для реализации поставленной цели исследования в работе:

1. Выявлены основные факторы, влияющие на изменение характеристик деятельности оператора (безошибочности, быстродействия, напряженности) при выполнении предписанных алгоритмов.

2. Разработан комплекс моделей и получен ряд аналитических оценок зависимостей правильного выполнения алгоритмов дискретной деятельности от изменения значений характеристик безошибочности выполнения предписанных функций и операций (для различных структур алгоритмов и ряда зависимостей изменения значений характеристик). Комплекс моделей отличается от известных возможностью оценки вероятностей различных исходов решения задачи (выполнения алгоритма дискретной деятельности) при изменении значений характеристик безошибочности выполнения отдельных операций.

3. Разработан комплекс моделей и получен ряд аналитических оценок зависимостей среднего времени выполнения алгоритмов дискретной деятельности от изменения значений характеристик быстродействия выполнения предписанных функций и операций (для различных структур алгоритмов и ряда зависимостей изменения значений характеристик), изменения времени выполнения операций и, в зависимости от законов изменения (законов распределения). Комплекс моделей отличается от известных возможностью оценки среднего времени выполнения алгоритмов дискретной деятельности при изменении значений характеристик быстродействия отдельных операций.

4. Разработан комплекс моделей и способ оценки напряженности дискретной деятельности оператора. Получена аналитическая оценка средней напряженности для комплекса типовых структур алгоритмов дискретной деятельности при различных проявлениях напряженности деятельности оператора (нервничает, торопится и др.) и нескольких видов закономерностей изменения мгновенного значения напряженности. Комплекс моделей и способ оценки отличаются от известных подходов и способов возможностью получения аналитических зависимостей для оценки средней напряженности деятельности оператора.

5. Сформирован комплекс требований к автоматизированной оценке напряженности деятельности оператора, и разработан программный модуль, основанный на автоматизированном опросе.

6. Разработан опросник, основанный на предъявлении изображения специального вида, позволяющий получать субъективную оценку оператором напряженности его деятельности в виде реакции на задаваемый вопрос (предъявляемое изображение). Исследована периодичность предъявления опросника и оценена возможная ошибка при оценке средней напряженности.

7. Разработан автоматизированный модуль оценки напряженности деятельности оператора. Модуль является инструментом, позволяющим, параллельно с основной деятельностью, фиксировать оценку напряженности деятельности оператора; - не вызывает негативных ощущений и не влияет на напряженность и результативность деятельности оператора.

8. Проведен ряд экспериментальных исследований, результаты которых подтвердили целесообразность использования разработанного автоматизированного модуля для оценки напряженности деятельности оператора.

Разработанные комплексы моделей и способы получения аналитических зависимостей образуют единую технологию исследования и оценки влияния напряженности деятельности оператора на эффективность функционирования АСУ ТП в целом, являющуюся продолжением идей обобщенной функционально-структурной теории.

Разработанный модуль оценки напряженности деятельности оператора может быть использован для:

•оценки качества разрабатываемых информационно-программных средств и технологий на этапах проектирования на основе оценки напряженности деятельности оператора;

• оценки удобства и совершенствования создаваемых информационно-программных средств, предназначенных для обеспечения эффективной работы оператора (интерфейса, тренажеров, электронных учебников, учебных пособий и др. материалов).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ и Дальневосточного государственного университета путей сообщения. Программный модуль зарегистрирован в федеральной службе по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам «РОСПАТЕНТ», и проходит апробацию в ООО «ЭргоЛйТи», о чем имеются соответствующие документы.

1. Автоматизированные системы управления. Термины и определения. ГОСТ 24.003-84. М.,1985.

2. Агапонов С. В., Джалиашвили 3. О., Кречман Д. Л. и др. Средства дистанционного обучения: Методика, технология, инструментарий. //Под ред. 3. О. Джалиашвили. СПб.: «БХВ-Петербург», 2003. - 336 с.

3. Алонцева Е.Н., Анохин А.Н., Стебенев А.С., Маршалл Э.Ч. Представление информации для обзора состояния энергоблока атомной станции. Известия ВУЗов ядерной энергетики 2005- № 4. - С. 34-39.

4. Анохин А.Н., Острейковский В.А. Вопросы эргономики в ядерной энергетике. -М.: Энергоатомиздат, 2001.

5. Астанин С.В., Бернштейн Л.С., Захаревич В.Г. Проектирование интеллектуального интерфейса «человек-машина». — Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского университета, 1990

6. Ахъюджа X. Сетевые методы управления в проектировании и производстве.-М.:Мир, 1971- 161 с.

7. Ашеров А. Т. Эргономика информационных технологий Текст./ А.Т.Ашеров, С.А.Капленко, В.В.Чубук:Учеб. издание. Харьков: ХГЭУ, 2000,- 224с.

8. Багрецов С. А. Диагностика и прогнозирование функциональных состояний операторов в деятельности. Вопросы проектирования и применения Текст./ С.А. Багрецов, С.К. Колганов, В.М. Львов. -М.: Радио и связь, 2000. -192 с.

9. Биденко С.И. Моделирование технологических процессов и автоматизация управления измерениями на гидрографических судах: Монография. -СПб: Изд-во ГУНиО, 2007. 139 с.

10. Биденко С.И., Самотонин Д.Н., Яшин А.И. Геоинформационные модели и методы поддержки управления. Изд. Военный университет ПВО, СПб, 2004.

11. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия: e-book — Москва: Большая Российская энциклопедия, 2003. (www.megabook.ru).

12. Волынец Ю.Ф. Теоретические основы формализованного представления педагогических знаний в инфологической среде подготовки специалистов ВМФ. / Под ред. В.Я. Розенберга. Петродворец.: ВМИРЭ, 2000. - 80 с

13. Вольски А. Управление безопасностью мореплавания. Эргономическое обеспечение и интеллектуальная поддержка. 2003. 154 е.: ил.

14. Гвоздик М. И., Оптимизация организационно-технических систем: методы, алгоритмы, программы / М. И. Гвоздик, В. Г. Евграфов, Е. Б. Цой // ВВМУРЭ им. А.С. Попова. С.-Пб., 1996. 300с.

15. Горский Ю.М. Системно-информационный анализ процессов управления. -Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1988. —341с.

16. Гросс С., Лантен А. Теория формальных грамматик. /Пер. с франц. -М.: Мир, 1971.-294 с.

17. Глоссарий IMS (Vww.imsproject.org).

18. Глоссарий ШЕЕ (www.ieee.org).

19. Губинский А. И. Надежность и качество функционирования эрго-технических систем Текст./ А.И. Губинский. Л., Наука, 1982.-270 с.

20. Губинский, А. И. Эргономическое проектирование судовых систем управления. Текст./ А. И. Губинский, В. Г. Евграфов—Л.: Судостроение, 1977.— 224с.

21. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальдаго М.Э. «Проектирование систем управления»; пер. с англ. М.БИНОМ, Лаборатория знаний, 2004. - 911 с.

22. Даниляк В. И. Эргодизайн, качество, конкурентоспособность Текст./ В. И. Даниляк, В. М. Мунипов, М. В. Федоров.- М.: Изд-во стандартов, 1990. 200с.

23. Дружинин Г.В. Учет свойств человека в моделях технологий/ Дружинин Г.В. -М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2000. -327 е.: ил. В над-заг.: Моск. гос. ун-т путей сообщ.

24. Евграфов В. Г. Особенности эргономического проектирования и экспертизы тренажерно-обучающих систем. СПб.: Питер, 2007. - 224 с.

25. Евграфов В. Г. Психологические и эргономические основы проектирования систем управления качеством обучения СПб: ВМИРЭ, 2004 - 202 с.

26. Забродин Ю.М., Лебедев А.Н. Психофизиология и психофизика. -М.: Наука, 1977.-318с.

27. Зараковский Г. М. Закономерности функционирования эргатических систем Текст./ Зараковский Г. М., Павлов В.В.- М.: Радио и связь, 1987. -232 с.

28. Инженерная психология: теория, методология, практическое применение/Под ред. Б. Ф. Ломова, В. Ф. Венды, В. Ф. Рубахина. М.: Наука, 1977. -280с.

29. Кириллов А.Л., Математика для управленцев. Курс лекций. СПб.: издательство СЗАГС; издательство «Образование-Культура», 1999, - 240 с.

30. Киршбаум Э.И., Еремеева А.И. Психические состояния. Владивосток, Изд-во ДВГУ, 1990.

31. Кобзев В. В., Шилов К. Ю. Методы создания технических средств обучения корабельных операторов. СПб.: Наука, 2005, 156с.: ил. 41.

32. Котов В. Е. Сети Петри. М.: Наука. 1984. - 158 с.

33. Львов В. М. Человеко-компьютерное взаимодействие Текст./ В. М. Львов, В. Д. Магазанник: Учеб. пособие.- Тверь, 2005. 199 с.

34. Малашинин И.И. Тренажеры для операторов АЭС. М.: Атомиз-дат,1979. -152с.

35. Мамиконов А. Г. Основы построения АСУ. М., 1981

36. Материалы к межотраслевой программе "Развитие и применение открытых систем" (www.mformika.ru).

37. Материалы из Вирджинского университета содружества наций (www.vcu.edu).

38. Мелихов А. Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. М.:, Наука, 1981.-313 с.

39. Мерлин В. С. Психология индивидуальности. Москва-Воронеж. 1996.

40. Моргунов Е. Б. Человеческие факторы в компьютерных системах Текст./Е. Б. Моргунов,-М.: Тривола, 1994. -268 с.

41. Мунипов В.М. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды: Учеб. для студентов вузов / Мунипов В.М., Зинченко В.П. -М.: Логос, 2001.

42. Никандров В. В. Вербально-коммуникативные методы в психологии. СПб.: Речь, 2002. 72 с.

43. Отчет по Проекту TACIS R1.04/96A.

44. Падерно П. И., Попечителев Е. П. Надежность и эргономика биотехнических систем. СПбГЭТУ. 2007, с ил. 288 с. СПб.

45. Печников А.Н. Теоретические основы психолого-эргономического проектирования автоматизированных обучающих систем. Петродворец: ВМИРЭ, 2005. -326 с.

46. Поспелов Д. А. Логико-лингвистические модели в системах управления. -М.: Наука, 1981. 291 с.

47. Ратанова Т.А. Субъективное шкалирование и объективные физиологические реакции человека / Научн.-исслед. ин-т общей и педагогической психологии Акад. пед. наук СССР. -М.: Педагогика, 1990. -216с.

48. Рябинин И. А., Надежность и безопасность структурно-сложных систем. Текст./ Рябинин И. А. СПб.: Политехника, 2000. - 247 с.

49. Сеов С. Проектируем время. Психология восприятия времени в программном обеспечении. Пер. с англ. - СПб: Символ-Плюс, 2009. - 224 с.

50. Системный подход в инженерной психологии и психологии тру-да./Под ред В. А. Бодрова, В. Ф. Венды М.: Наука, 1992.

51. Советов Б. Я. Информационная технология Текст./ Б. Я Советов М.: Высшая школа, 1994,- 368 с.

52. Советов Б. Я. Моделирование систем Текст./ Б. Я. Советов, С. А. Яковлев: Учебник для ВУЗов.- М.: Высшая школа, 1998.- 158 с.

53. Советов Б. Я., Цехановский В. В., Чертовской В. Д.- Теоретические основы автоматизированного управления. -М.: Высш. шк. 2006. 463 е.: ил.

54. Суходольский, Г. В. Структурно-алгоритмический анализ и синтез деятельности. Текст./Г. В. Суходольский-Л.: ЛГУ, 1976. — 120с.

55. Уткин Л. В. Надежность систем при неполной информации Текст./ С.В. Гуров; Л.В.Уткин. -СПб.: Любавич, 1999.-160 с.

56. Фрумкин А.А. Методы и средства эргономического обеспечения проектирования/ Фрумкин А.А., Зинченко Т.П., Винокуров Л.В. -СПб, 1999. -178 е.: ил. В надзаг.:Петербург. гос. ун-т путей сообщения.

57. Цибулевский И. Е. Человек как звено следящей системы. М.: Наука, 1981.-288с.

58. Шадриков В. Д. Деятельность и способности. М., 1994. 68с.

59. Шибанов Г. П. Количественная оценка деятельности человека в системах человек-техника. -М.: Машиностроение, 1983. -263с.

60. Щербаков О. В. Автоматизированные системы управления Текст./ О. В. Щербаков, В. Д. Скугарев, А. А. Федулов.- М.: Воениздат, 1981 287 с.

61. Эндрю, Т. Язык программирования С# 2005 и платформа NET 2.0 / Т.Эндрю. -3-е изд. -М.; СПб.; Киев : Вильяме, 2007.-1161 с.

62. Lost at sea. Lloyds ship manager. June 2001.

63. Marine accident reporting scheme. Safety at Sea International, Apr. 2001.

64. Список публикаций по теме диссертации

65. Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

66. А1. Балхарет А.А. Модуль оценки напряженности деятельности оператора. Текст. / А. А. Балхарет. // Научный журнал "Информационно-управляющие системы" «ГУАП» СПб., 2009. -№ 3. - С. 72 - 74.

67. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:

68. А7. Балхарет А.А. Способ оценки средней напряженности дискретной деятельности оператора. Текст. / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Человеческий фактор. Сер. Проблемы психологии и эргономики. — Тверь, 2007. — № 3/2. С. 29.

69. А13. Балхарет А.А. Модель изменения напряженности деятельности оператора. Текст. / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» Москва, 2008. - Том 3. - С. 195-196.

70. А14. Балхарет А. А. Использование напряженности как показателя качества деятельности оператора. Текст. / А. А. Балхарет. // Научные труды международной молодежной научной конференции «XXXIV Гагаринские чтения» Москва, 2008. - Том 3. - С. 196 -197.

71. А23. Балхарет А.А. Встраиваемый модуль автоматизированной оценки напряженности деятельности оператора. Текст. / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Доклады Шестой международный аэрокосмический конгресс «1АС09». Москва, 2009,- С. 200.

72. А24. Балхарет А.А. Технология оценки влияния напряженности на эффективность деятельности оператора.Текст. / А. А. Балхарет, П. И. Падерно. // Доклады Шестой международный аэрокосмический конгресс «1АС09». -Москва, 2009.- С. 202 203.