автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Моделирование геометрических образов для принятия оперативных решений

министерство науки, высшей зколн и технической ПОЛИТИКИ ро

московская госндйрственнйя ащения пйцевох

производств

1а врага имам И 515.511. 57:€81.327.3:вв?.31

РОСШЙ Ольга Михайловна

гзидЕлирсвшзиЕ

ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ ДЛЯ ПРИНЯТИЯ ОПЕРАТИВНЫХ РЕЛЕНКП

Специальности 05.01.01 05.13.06

"Прикладная геоаетрия и инаенерная графика" "Автоматизированные система управления"

ЯВТОРЕОЕРЙТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иоскеа - 1953

Работа выполнена в Московской ордена Ленина и ордена Октябрьской Револвцки авиационном институте имени Серго Ордконикидзе.

Официальные оппоненты: доктор технических наук НЯДЙЙРОВ О.; кандидат технических наук, доцент ВОЛКОВ Й.М. Ведущая организация - ГосНИИ "АЭРОНАВИГАЦИЯ".

Защита состоится 24 нарта 1993 г. в14 час. на заседании специализированного совета К 063.51.08 в Московской государственной академии пищевых производств: 125080, Москва, Волоколамское иоссе, 11, аудитория В-9-01. С диссертацией ноено ознакоииться в библиотеке НГЙПП.

Автореферат разослан , февраля 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

И. Н. АШОВв

РС^СИЙС ЧАЯ Г О С У Д. ? С Т В £ Н Н А Я ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ • бНВлИОТЕКА

¿Ж'/" §5

Актуальность. Предлагаемое исследований предназначено для рикладноЯ области,' использущей средства геометрии, главней о5-азоа,- автоматизированных систем отображения информации, • в ко-орых, в частности, через наглядная геоазтрип передается инфор-ация не только о геометрических данннх объекта или процесса, о и закодированная семантическая (сннслозая) информация. Причем наглядная геометрия" сходится з динамической реяже - изменятся во времени соответственно иэаенениэ сеигитякя. Конечной ельи геометрического наглядного или закодированного представлена в системах отображения информация является принятие репения альзователеи в соответствии с переданным таким образом сообще-иек.

Особуа остроту для некоторах иноориацяокпнх скстеа приобре-ает скорость и точность, инкии словаки,- селективность воспрля-ия геоиетрической информации; возникает необходимость решения птинизащюнной задачи. Требованиями навнх авиацгтоннхх и аэ-о-косиических программ,- к призеру, днктупт.ся непрерывная иодер-изация и обновление способов отображения ипсораации; непременна требование« при этой сохраняется надежность однозначного осприятия информации в условиях оптимального ее предсталлзкия. ти свойства являятся значительно более актуальней для данной рикладной области -• отобрааения динамической информации в авто-атнзированнкх системах управления (АСУ), но будут полезны тайне в системах автоматизированного конструирования.

"Всякая система управления решает слздуяпне основное задачи:

- сбор и передача информации об управляеиои объекте:

- переработка информации;

- выдача управ ляпнцих воздействий на объект вправления.

При этой последней функции предшествует принятие ранения. • •

о/г.... /

Если зто решение принимает человек (не автоматически), то nef работанная информация долина бить соответствующий обра; представлена - отобракеиа. От того, каким способов представл! информация, во многой зависит эффективность принимаемого peiei Проблема повышения эффективности процессов упрззления сл< ными техническими системами, например, проблемы создания эфф( тивной автоматизированной система управления воздуннвм двиаеш CfiC 5В$) или эффективной автоматизированной системы конструaj вания (ИСК) требуют внедрения ¡в аизнь систем нового класса систем поддернки процесса принятия решений ССПППР) или, как ■ец-е яазывашт, систем обеспечения принятий решений (СОПР).

Концепция СОПР является логическим продолжением и орга: ческим развитием традиционных методов использования ЭВН в цпр лещщ. вуть концепции СВПР заключается в перенесении основн акцента с информационного и формально-логических аспек использования 3Bi! «а собственно процесс принятия решения.

Использование ЗМ в дэравлянщих системах в настоящее вр в 'основном нацелено на рационализации информационных процессе повышение их экономичности, на обеспечение лица, принимали решение <Ш1Р), своевременной и точной информацией. Практика казала, что большинство управленческих решений в слоеных • тех ческих системах различного класса принимается в условиях остр дефицита времени, в неониданних ситуациях при наличии слабо с мализуемых факторов. Поэтому дополнительный требованием к та информационным системам в этих условиях должна стать "удобозо рининаемоть" информации.

Предполагается, что в отличие от традиционных систем инз мационного обеспечения в СОПР лицо, принимавшее решение, не непосредственно вступить в контакт с базой данных, храняцейс памяти ЭВМ, и с имеющимися в его распорявении моделями cvmjai. в автоматизированном реяиме используя их при анализе проблем

1ИНЭТИИ решений.

Проблеиа создания СОПР заклинается не только в создании ютветствуащего натенатического обеспечения, позволявшего сканировать пробленнуа ситуация на всех этапах принятия ранений, I и в разработке эффективного взаииодействия ЛИР-ЭВМ. Эта, пробна связана с противоречием быстрого роста объека информации и 13Мояностья ее восприятия человеком. Известно, что дазе в .ловиях наиболее благоприятного резима работа диспетчер УЗД 1ПР) приникает и перерабатнзает больнае объема икфорнации в хткок временном.регинз, а для экстремальная ситуаций и некото-IX критических ргзимов функционирования систем характерен ост-1й дефицит времени.

В этих условиях существующие методы отображения динанп-:ской информации не даат необходимого эффекта, так как имевшая ¡сто тенденция к увеличении интенсивности воздушного двивениз 1ИЭОДИТ к узелхченпа нагрузки па диспетчера при разреаонии гнфликтних ситуаций з процессе регулирования движения, которая ' аоает расти безгранично. Больной проблемой является тскаэ ¡ъаыная индикация, т.е. отобраггние на плоскости третьей коор-¡наты - висоты.

Из вниесказанного следует актуальность разработки нозих ае-|Д08 отобрааения динамической :ш<5ормг-цпи и оптимизации этого юцгсса, дапзах ЯПР возиовяость принятия э©ф,зктиэньго решения.

Цельэ настоящей работа является разработка геометрической дали отобрааения .динамической информации, ее визуализация по ¡ределеннчн правилам для прикладной задачи - для принятия опз-¡тивннх ресеннй при анализе пространственно-вреиеиних ситуаций I графических иодеяях.

Сформулированная цель исследования достигнута репекнен слэ-щт основных задач:

- с -

- на основе анализа су^зстьуазах методов отобрааения ди; нической информации сформирована геометрическая модель вкзya^ зации информации, показаны примеры геометрической интерпрета! пространственно-вреыеннкх ситуаций и предложена иетодика их р( лизации на ЭВМ;

- осуществлена формализация графической информации:

- определены качественная и количественная ыери гсомет] ческой информации;

- разработаны алгоритмы моделирования пространстсенно-В1 менных ситуаций на основе исследования экстремальных рааииов | боты систеа;

- разработаны алгоритмы решения задачи отобразеняя дина! ческой .информации как оптимизационной задачи визуализации:

- разработана критерии качественной и количественной оце; геоиетрической информации;

- разработана структура и методическое обеспечение авто тизированного процесса визуализации динамической геоиетричас информации и решения практических задач;

- реализованы программно и апробированы основные результ работы на тестовых примерах;

- разработана методика экспериментов по определении ■ эф© тивности восприятия графических моделей.

Другими словами, в данной исследовании рассмотрены задач

- формирования катеыатической модели процесса отобраве динамической информации;

- формирования изобрааенкй объекта и процесса;

- реализации задачи машинной графики;

- системного математического обеспечения модуля геоиетри

Эти задачи являются, как показано б работах професс

В.К.Якунина, основным функциональным содержанием подсистеми " ометрия" б СЙПР: в своз очередь, САПР вкличает специальное и

л, в том числе, конструирования, оценки, принятия реиений, оследующей экспериментальной проверки и окончательного воплоце-ля результатов в материальной или другой форме, в данном слу-зе-принятии эффективного решения.

Методы исследования. Решение задач, поставленных в диссер-зционной работе, основано на методах начертательной, аналити-гской геометрии, теории множеств, теории графов, теории инфор-ации, теории эффективности систем управления; методах инвенер-зй психологии, ингенерной и маиинной графики, системного анализ. Для решения задачи исследования использовался метод имитаци-iHoro моделирования.

Теоретической базой выполненных исследований явились работы:

- по вопросам геометрического моделирования профессоров .Г.Стояна, Н.С.Четверухина, Г.С.Иванова, В.И.Якунина, В.С.Поло-зва и их учеников;

- по вопросам автоматизации систем УВД Т.Г.йнодиной, .А.Кузнецова. А.И.Волевача, С.Г.Знгуряна и др.;

- по вопросам имитационного моделирования профессора .Ф.Хахулина;

- по вопросам эргономики и инженерной психологии Б.Ф.Ломо-1, В.Ф.Венда, А.М.Волкова, М.А.Дмитриевой и др.

Научнув нозизну выполненного исследования составляют следу-1ие результаты.

1. Введение «.управление компонентами геометрической инфо-(ации при моделировании геометрических образов для прикладной ¡ли - поддервки принятия оперативных репений.

2. Геометрическая модель процесса отобразения динамической [формации с учетом человеческого фактора; в данной работе для шышения эргономичности модели используется графический фактор.

3. Графическая интерпретация пространственно-временных I туаций и разработка комплексного метода отображения динамичен информации для любых режимов (нормальных, экстремальных) функ] онирования систем.

4. Разработка методики построения базы данных по гра> ческим изобрааениям с учетом эргономического фактора и оце информационной емкости (пропускной способности) графических разов; оценка количества геометрической информации, содержаще в этих образах.

5. Разработка критериев качественной и количественной оц ки геометрической информации.

6. Формализация графической информацшг.способ оптиыиза графической информации путем управления ее компонентами.

?. Имитационное геометрическое моделирование как метод шения новых задач, другими словами,- разработка эвристичес методов формирования модели в трудно формализуемых процессах.

8. Использование геометрических средств как средств с цествления поддервки процесса принятия решений: геометричес интерпретация пространственно-временных ситуаций.

Э, Решение задачи полояения: отображение трехмерной коог наты на однопартийной плоскости для обеспечения принятия реш

Ионно проследить в истории развития прикладной геомет{ что появление ее новых разделов всегда было вызвано необх< мостьв выполнения новых заказов развития промышленности и те; ки. Полученные в данном исследовании результаты являются вкл; в развитие теории восприятия геометрической информации.

Образное представление информации на экранах - комплею инженерно-психологическая проблема.

Образ создается не только рукой, которая его рисует, энергией, которая передается ему создателем в процессе размы ний над образом и воплощения его в реальнул зрительную Фо

- $ -

!чень важно в образе - это энергия сознания автора, чен тоньше и :нльнее эта энергия, тен более эффективным является образ. Гео-¡етрический образ представляется как некая батарея сознания, ко-•оруа автор зарянает и программирует в процессе создания.

Пользователь, например, диспетчер, пилот попадает .в поле 1ействия этой экерго-информационной батареи и то, насколько он ¡осприниыает картину, зависит от степени интенсивности личного шита автора и того, насколько полно он передает энергию своего >пыта (экспертная система), - в этом главное творческое начало.

Практическая ценность работы заключается з той, что в ре-|ультате исследования:

- создана иняенернэя методика формирования базы данных по ■рафическим изобрааекиям при решении информационных задач в :истеме отобракения информации, учитавапцая графический фактор ;ак эргономический:

- разработаны иетодикя отсбраяення экстремальных прост-)анственно-временчзх ситуаций для графического обеспечения при-птиа оперативных решений в автонзтизиризанннх системах:

- создана инненерная кетодика определения количества графи-[еской информации;

- разработан алгоритм реагешгя оптимизационных задач и прог-1акиное обеспечение моделирования геометрических образов для 1тобрааения динаиической информации.

Практическая ценность заключена икенно в том, что используе-[ая для отображения ситуаций геометрическая инфорнация является (аиболее "биологичныы", т.е. естественный для человека способом гредставления сообщений, что совпадает с современной тенденцией (азБнтия средств обдения пользователя и вычислительных систеа в •унанитерном направлении; используй зарубеянуа терминологии -1то называется гунанизированккй дизайн.

На защиту выносится методика моделирования геометрических образов динамической информации для решения прикладной задачи обеспечения принятия оперативных решений, включающая:

- формализацию графической информации, введение и управл ние компонентами графической информации для ее оптимизации:

- графическую интерпретации пространственно-временных сит аций и разработку комплексного метода отображения динамическ информации как для нормальных ренинов функционирования систе так и для экстремальных, состоящую из:

а) разработки методики формирования базы данных по граф ческим изобрагенияа с учетом эргономического фактора для отобр кения динамической информации.

б) решения задачи положения - отображения трехмерной кос динаты на плоскости для оперативного восприятия обстановки,

в) разработки эвристических методов формирования моделк трудно формализуемых процессах:

- разработку критериев качественной и количественной оц< ки геометрической информации;

- оценку эффективности сформированной геометрической мод!

Реализация результатов исследования осуществлена в Це1 ральном научно-исследовательском институте машиностроения С1ДНЗ МАИ), в учебном процессе кафедры инженерной графики ИДИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной ра ты доложены и обсукдены: на Всесоюзной научно-методической к ференции "Научно-методические основы применения электронной числительной техники. АСУ и САПР" в 1987 г.; на Всесоюзной на но-технической конференции "Проблемы совершенствования прочее технической эксплуатации авиационной техники, инженерно-авиа оннаго обеспечения полетов в условиях ускорения научно-тех

гского прогресса" в ¡¿МИГА в 1988 г.; на научном семинаре "Кате-пические методы геометрического проектирования" при Научном )вете АН НССР по проблеме "Кибернетика" в 1988 г.; на Всесоюз-)м семинаре "Кибернетика графики" в 1989 и 1992 г.г.; на засе-шиях НТС кафедры инженерной графики МАИ 1984 - 1992 г.г.. и Ни-'городского ЙСН в 1992 г.

'Публикации. По теме диссертации опубликозано 12 научных parr. ъ которых достаточно полно отражены теоретические и прик-1дные результаты, проведенных з диссертационной работе исследо-1ний.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, • ■х глав, заключения, списка использованной литературы, включаи-¡го 115 наименований, 4-х приложений и содержит 150 страниц ма-шного текста, 41 рисунок, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ!!

Во введении отмечается актуальность совершенствования опе-(торских и диспетчерских служб, связанных с системами отображе-ш информации. В качестве примера привадится система отображе-1Я информации в АС УВД, указывался тенденции развития опера-[вного 9ВД. В связи с этим отмечаются недостатки существующих тодов отображения для анализа воздушной обстановки, а именно, достаточное использование графического фактора. Поэтому разра-тка новых моделей отображения динамической информации для ана-!за воздушной обстановки и принятия эффективных решений явля-ся актуальной.

В данной работе осуществляется формирование геометрической дали процесса визуализации динамической информации, исходя из

общей цели для многих автоматизированных систем - создания опти ыальной системы поддержки принятия решений на основе использова ния графического фактора (оказание помощи пользователю при реше нии слабо формализованных задач через образное представление ин формации). При этом под динамической информацией понимается ин Формация о движущихся воздушных и космических объектах, объекте морского, в том числе, подводного флота, т.е. о пространстве* но-временной ситуации.

В настоящем исследовании рассмотрена примеры динаыическс информации о воздушной обстановке в отобранашщих устройствах аЕ томатизированной системы управления воздушным двиаением, а така в кабине пилота.

Цель работы заключается в создании динамической геометр1 ческой модели (мнонества геометрических образов), управляющей в зависимости от обстановки, стоящих перед пользователем задач во времени, направленной на поддержку принятия оперативных ревн ний; в модели используется графический фактор для образно! представления оперативной информации, повышающий эффективное: ее воприятия, для чего осуществляется формализация графичесю информации и определение количественной и качественной меры reí метрической информации.

Геометрическая модель в данной концепции - это мновесл геометрических образов (трехмерных пространств), "нанизанных" i оси смоделированного сознания (четырехмерная модель пространст! - сознания).

Смоделированной каядой конкретной ситуации соответству! определенный - лучший на данном уровне знаний образ, который oí ладает высоким уровнем "энергетики" - эффективностью восприят! и принятия оперативного реиения в соответствии с переданным 41 рез этот образ сообщением.

Первая глава посвящена концептуальному построении геонетри-1ескоП модели отобракения динамической информации.

В данной главе на основе формализованного понятия геометри-¡еской информации и выделенных точечных кнонеств, ■ индуцируемых »той информацией, сформулирована задача исследования. .Задача ^следования звучит аналогично основной задаче геометрического шделирования в концепции профессора ¡О.Г.Стояна как оптимизаци-)нна'я задача управления отобразением геометрической информации.

Геометрическая информация д состоит из трех компонет.

Совокупности, пространственных форм (г), которые могут иметь :амостоятельное значение или принимают участие в формировании ¡екоторого набора точечных множеств (Т). Для отображения оперативной информации в зависимости от ситуации и стоящих перед юльзователем задач сформированы пространства форм, отображающих :оответствупщие объекты, для разных категорий кодов: сформиро-(анных по принципу простоты восприятия услозных знаков - простые •еонетркческие формы; по принципу образного прёдставления инфор-гации.

Геометрическая информация состоит также из различного рода [етрических характеристик{ш), которые определяют "размеры" то-[ечных иноаеств.

Третьей компонентой являются параметры {р), которые задают ¡естополонение точечных множеств (Т) в соответствующих прост-1анствах.

Существующие в' автоматизированных системах управления воз-[ушным движением индикаторы динамической обстановки отобраяаязт ■еометрическую информацию о местоположении объекта по. двум ко-Фдинатам и направлении движения, как показано на рисунке 1 1-трек, обозначавший объект; 2-координатная метка: 3-ли-1ия-связка; 4-формуляры соответственно 1, 2, 3 и 4-го объектов), [ля полной характеристики местоположения объекта з пространстве Р,5

41 43-

/VT:1

Рис. I

Рис. 2

еобходимо определение третьей координаты - высота объекта. Эта оордината в цифровом виде содержится в формуляре сопровондения -бъекта. Отсутствие графического способа представления третьей оординаты является отрицательным фактором при передаче инфорна-ии в отображающих устройствах, так как графический . способ редставления информации обладает большей пропускной способ-остью (количество воспринимаемой информации в единицу времени) о сравнении с цифровым. Эта проблема - "вертикального энелони-овакия" является одной из наиболее актуальных для автокатизиро-анных систем отображения информации при управлении воздушным вияением; в экстремальных ситуациях это имеет особое значение.

В авторских прикладных задачах найдена и использована за-исимость компонента (в) как функции компонент^р) для отображена третьей координаты - высоты на однопартийной плоскости инди-атора: величина стороив трека представляется функцией высоты, а рисунке 2 отображены четыре объекта, имеющие две общие коор-инаты и расположенные на разных высотах - "вертикальный эиелон" сравнить с рис. 1).

Таким образом, полной информацией для геометрического отоб-экения объектов воздушной обстановки является информация, остоящая из компонент формы (через которую мояно передавать ин-ормациш. например, о типе объекта); метрики (в нашем случае аеащей семантический смысл - третья координата) и местополопе-ия:

В ({5),{а).{р}).

На математическом языке постановка задачи исследования -здачи построения оптимальной геометрической модели процесса гобразения динамической информации в отобракапщих устройствах зучит следуищим образом:

Необходимо определить такое управление

V* г

на области допустимых управлений 1К0 и соответствуювий ему геометрический образ

ТУ.

индуцируемый геометрической информацией

в* = Р [ е(и#)]с1*г

СР - отображение динамической геометрической информации е^) не плоскость индикатора отобраяаащего устройства), чтобы функционал ОД* .£*) на области допустимых решений достигал экстремального значения, то есть

Областью допустимых решений - 0 монет быть, например, множество конструктивных решений, ограниченное базой данных конструкциям или' типовым элементам, или мнояество сгенерированных на основе практики графических моделей, т.е. база данных п графическим изобракениям в конкретной системе.

Область допустимых управлений и обязательно является подм ноиеством области допустимых решений Б функционала К, т.е. при этом не исключается, что и=0.

Ноает оказаться, что не все компоненты управления V явля втся элементами независимой переменной^", т.е. информации в(у).

- 17 -

общем случае управление и шире переменной^ и, следовательно:

J

и=( S.p,

где^- параметры, не определявшие геометрическую информации, например, ситуация, стоящие перед пользователем задачи.

Вид пространства X, на подыногестве Н которого определен рунйционал К(и), задается конкретной задачей. В данной задаче текна пространством является пространство Еффективностей решений. В общем случае переыенная ы состоит из двух частей:#ир, т.е.

u=(j

wrjeup- переменная, не имеющая отношения к информации в, например, ценность ииооршзции, а<Г- часть независимой переменной и информации g(u).

S качестве' целевых функций функционала ) предложено

принять показатель эффективности принятия репения Кэф и объем

г

графической информации Inf Срис.З а),- б)) и решать поставленную задачу как двухкритеряальную (векторный критерий Kci'.p)) оптимизационную задачу. Таким образом, оценка выполнения геометрической моделью прикладной задачи - обеспечения принятия решений поизводится с точек зрения эффективности принятия резения и компактности самой модели, которая определяется объемов графической информации.

Во BTopof. главе разрабатывается методологические .основы ге-зметрического моделирования динамической информации.

При анализе метода решения, применимого к поставленной эа-хаче, учтены следующие сообранения.

В общем случае оптимизационные задачи в такой ва7емати-

Зависимость двухкомпонентного критерия эффективности.

В заданном допуске действует критерий миннцуг^а графической информации.

Кэф

////М

е 15 N (колкчест объектов

ческой постановке (си. описание первой главы) решаются методами нелинейного программирования. Но, так как решением в рассматриваемых задачах является соответствующая геометрическая модель в ее графической реализации, т.е. своего рода конструкция, то в данном случае имеет место наличие больвого количества неопределенностей. Большое количество разнообразных требований, в том числе эргономических, предъявляемых изображение объекта или процесса, наличие значительного числа альтернативных вариантов графического изображения структурных элементов объекта или процесса делают задачу определения оптимального способа визуализации задачей с большим количеством исходных данных, связей между ними и наличием неопределенностей, т.е. практически неформализуемой.

При решении поставленной задачи использовались эвристические методы, при которых ценой отказа от получения точного решения экстремальной задачи в процессе поиска произведен выбор наиболее приемлемых с точки зрения пользователя (его интуиции и опыта) реаений.'

В задачах такого класса, где имеет место большая неопреде)

ленность, применение аналитических или численных методов математического моделирования не представляется возможным. Единственным методом решения таких задач становится имитационное моделирование (именно наличие неопределенностей делает имитационную модель принципиально отличной от математической в традиционном понимании), при котором сочетаются точные математические методы с введенными эвристиками. Имитационная модель в некоторых случаях является единственной возможностью изучения процесса функционирования реальных систем, например, при моделировании, аварийной ситуации.

В данном исследовании разработана методика проведения этапов имитационного геометрического моделирования, включающая:

- динамическое описание пространственно-временннх ситуаций,

приведены авторские примеры динамического описания:

- проведение' формализации и разработка моделирующего алго' ритма отображения пространственно-временных ситуаций на пример злементов электронной навигационной карты с целью обеспечени принятия решения; показаны общие принципы формализации процессо отображения пространственно-временных ситуаций:

- структурирование при имитационном моделировании, для чег разработан граф формирования геометрической модели отобранени пространственно-временных ситуаций, а такие информационная би нарная матрица, описывающая взаимосвязь структурных злементов их признаками,- такое представление данннх геометрической нодел дает возможность выбора эффективных методов и машинных средст распознавания геометрических образов для отображения ситуаций;

- алгоритм синтеза имитационной модели отображения прост ранственно-времеяных ситуаций на примере отображения воздуинс обстановки;

- формирование критериев оценки результатов имитационног геометрического моделирования; разработаны критерии зффектш ности принятия оперативных решений (Кэф) я аритерий иинпму; графической информации (Infrmin); для определения показателя э< Фективности геометрической модели предложен подход на осно) эксперимента, связанного с объектам; с целью нахождения кол чественного показателя Infr xin определена количественная не] графической информации. Кроме того, количественная мера да< возможность определения пропускной способности графических мод лей.

Структура и логическое сходство процесса функционировав имитационной модели и реальной системы позволяет использовать для анализа поведения человека в контуре управления системой.

Для достижения указанной в первой главе цели необходимо о ределить удовлетворяющее векторному критерию

К(б*,£*) = ех1;г К(£,р) иеБ

управление геометрической информацией

) = ({5*),{в#}, ^ *)

и соответствующий еиу геометрический образ, индуцируемый информацией с#.

Так как в даяной задаче речь идет о безопасности полетов, то предпочтительным является критерий максимальной эффективности выполнения задачи (Кэф шах).

Поиски такого управления отобравением геометрической информации и составляют суть построения имитационной геометрической модели. Во второй главе на основе исследований первой главы предлагается структура геометрического моделирования; рассматриваются его этапы и составляющие и взаимосвязь между ними.

Результатом геометрического имитационного моделирования (решения поставленной задачи) является геометрическая модель отображения воздушной обстановки, залоаенная в дерево формирования модели (рис.4); она использует компоненты геометрической информации (з), (ш) и (р), индуцирующие в данном случае в прост-_2

ранстве к (плоскость индикатора) соответствующие геометрические образы, в качестве каналов передачи смысловой информации, заложенной в признаках, которым соответствуют вершины графа.

Имитационная иодель отражает в автоматизированном виде процесс принятия решений. В этой связи (используя для структурирования модели дерево ситуаций) в сформулированной математической постановке задачи под управлением V* будем понимать механизм прохождения сигнала (семантической информации) по графу. Область допустимых управлений и (выбранных решений) включает множество

ДереЬо срормироЬания графической модели

уровни г О

П

i

IS

□ □ ы

Г fe чГ/

\

□

□ □

ш

Ti___ л

исследованных ситуаций и соответствующих им геометрических образов Ти (графических моделей), которые индуцируются в зависимости от ситуации путем варьирования компонентами геометрической ин-рормации б*.

Далее в работе определена количественная мера граф*1ческой информации.

Отправные тезиса при установлении меры геометрической нн-роркации сформулирована следующий образом:

1. Использование логарифмической меры Хартли-Шеннона при определении информационной керн тех компонент геометрической информации, где имеет место концепция выбора,

'2. Должно иметь место исключение внутренней противоречивости содержания информации, опирающегося на концепции выбора, имеющего смысл липь в связи с массовыми явлениями, и необходи-«остью определения количества информации, заключенного в единичен акте н представляющего интерес именно в связи с даннин нсхо-юм, а не будучи выраженным через вероятности массовых явлений.

В геометрическом прилонении это обнарупивается при определим количества информации, связанного, например, сс слопностыз рорм. В этом случае информационную меру моино получить используя алгоритмическую концепцию Колмогорова; при этом-понятие "коли-1ества информации" окажется применимо к индивидуальным объектам.

3. Необходим учет не только многообразия позаозностей и ве-юятностей их исходов согласно Хартли-йеннону. но такие ценности •еометрической информации; при ее графической реализации - масштаба, взаимного положения и др.

Итак, графическая информация состоит из компонент, местспо-ювения, формы, метрики и графическая компонента:

1пГг = ({р}. {$}, (а>, (Г)).

- Zk -

Решение -задачи формализации и определения количества графической информации в соответствуавих единицах изкерения проводится с целью выявления наиболее компактных изобранений, а такие выявления способов оптимизации (для достижения поставленной цели) графической информации путем управления ее компонентами.

На основе Эвристического подхода согласно второму отправному тезису словность геометрической информации, ее масштаб и взаимное положение (наличие пересечений) учитывается путем вЕеденм дополнительных конпонент геометрической информации.

Итак, в случае Я объектов

Infr= H(KjlnP + K2lnS + К^1пЦ + InC + K*lnb + I^lnk) - D lnP;

53

+.I(Bi ln di—- + Ti lnM) нат.

i4

Soi

Решение задачи определения количественной меры геометрической информации проводится с цельв оптимизации геометрически информации путем управления ее параметрами.

Независимыми переменными являатся:

- местополовение объекта Р (количество дискретных точек эк рана; если речь идет об одном и том же экране, то Р являете константой);

- количество объектов К - для задачи отобраыения обстанов ки, в некоторых других задачах H мовет быть управляемым парамет ром;

- задачи пользователя 3;

- реним работы Б.

Последние независимые переменные (3 и Б) учитываются при опреде лении весовых коэффициентов.

Управляемые параметры Infг:

- длина алфавита S. т.е. база данных по графическим изобра-¡енияи;

- графические параметры Ц, С, b, к - количество градаций ¡оставляющих графической компонента, соответственно, цвета, ярости, толщини линий и конструкции линий;

- параметр мэсвтаба й;

- параметр сложности форнк <3;

- параметр пересечения Рз.

Таким oäpgsQM, закон управления графической информацией

v£g> - Vi5, ц, С, Ь, к, н, й, Рэ) « «я, Р.'З, P,t>. •де t - время,

Варьируя этими параметрами моано влиять на величину графи-1еской информации.

Весовые коэффициенты: ,Kj, ,Kjj,D,B,T - сзедены для учета :еиантического содержания информации.

В формуле, определявшей меру графической информации, S® -1Лощадь квадрата, описывающего объект, занимаемая на экране; )3 - площадь экрана.

В работе приведена методика определения параметров графической информации. В конечном счете данная задача сводится к на-(сжденив миникального количества графической информации с Infг iin), но удовлетворявшего первому, основному для данного класса задач критерий - критерию эффективности принятия решения (Кэф),

г.е. к нахождению оптимального количества графической .информации

пособ lnfr

[nf^,; а такае пропускной способности пользователя

Q г -

t

где I - время отобракения информации.

Другими словами, необходимо выбрать такой закон управления отображением информации, который обеспечил бы поддержание нормального бесконфликтного решша работы системы и устранение в случае необходимости конфликтных ситуаций, создавая при этом соответствующую' поддержку.

В связи с полученными результатами по этому поводу моепо сделать вывод, что разработанную для отображения пространственно-временных ситуаций геометрическую модель в ее графической реализации когно считать многоканальной (многокомпонентной): содержит компоненты геометрической информации <Б} - Форма, (и) -метрики, (р) - местоположения, а при графической реализации добавляйте!! компоненты графической информации (Ь) - толщины линий, (к) - конструкции линий, (с) - яркости, (ц) - цвета.

Как известно, многоканальное построение системы при его рациональном осуществлении позволяет уменьшить необходимую и увеличить максимально возможную пропускные способности системы. Этим обстоятельством монно отчасти объяснить тот факт, что графическая информация обладает большей информационной еикосты (пропускной способностью) по сравнению с другими видами информации (цифровой и проч.).

Критерий эффективности принимаемого решения (Кзф) определяется с использованием экспериментальных (в том числе машннны* эксперимент) методов ч экспертных оценок. Он характеризует правильность и быстроту принимаемых репений, что особенно актуальш в экстремальных пространственно-временных ситуациях. Для определения критерия эффективности проводилось компьютерное графическое моделирование динамической система - пространственно-.временных ситуаций.- При этом учитывались стоящее перед пользователем задачи и методика построения базы данных по графически! изображениям (с учетом эргономического фактора). Таким образом

:оздан ряд графических моделей для отобракения конкретной ситуа-(им и по критерию эффективности определена лучшая нодель на дан-юм уровне знаний (из числа "проигранных" в экспериненте); при (том количественный критерии информации считается оптимальным.

Далее проводится машинный эксперимент в интерактивном реаи-[е при речении тестовых задач. Другими словами, проводится ими-■ация пространственно-временных ситуаций с помощью различных рафических моделей - традиционных и вновь разрабатываемых. Заем эксперт (или испытуемый) решает задачи, стоящие перед пользователем в данной ситуации. Это осуществляется с помоцьш тесто-ого опросника. Определение коэффициента эффективности кавдой одели осуществляется методом объединения частных- критериев точности и быстроты решения задач) в единый общий критерий в иде отношения

Н(Т)

Кэф = - ,

Т

де Н(Т) - усредненное количество верных ответов (характеризует очность недели

- усредненное время решения поставленных задач (характеризует ыстродействие система при использовании данной модели).

Окончательное решение двухкритериальной задачи (критерии эф иах и 1пГгш1п) осуществляется с помоцьв известного метода -аэающего правила определения предпочтительности данного выбора еред другими. При этом находятся оптимальные значения .Кэф опт и пГгопт.

Третья глаза посвящейа эффективной организации процесса гобрааения конкретных ситуаций воздушной обстановки как аспекта

использований выгеразработанной геометрической модели отобран! ния пространственно-временных ситуаций. Другими словами, ог посвящена конструированию геометрических образов восприятия от ративных ситуаций для автоматизированного решения прикладных з. дач.

Для достикения этой цели решаются задачи:

- структуризации данных (информационная, логическая и физ! ческая структура данных на разьлх этапах моделирования):

- тестовые задачи отображения и восприятия воздушной обет, новки (в ЙС ЗВД);

- задача отображения высоты (третьей координаты) вместе горизонтальной обстановкой на плоском индикаторе.

Б связи с необходимостью безопасного разделения самолет по трем координатам существуют три вида эшелонирования: верт кальное, продольное и боковое. При этом существуют нормы эшел нирования, т.е. условные уровни (для вертикального эшелона высотные).

В ЙС УВД есть так называемый сигнал СПОС - "предупрежден об опасности". При сближении объектов на расстояние, меньшее д пустимого, к соответствующим трекам подключается пульсируют сигнал. На экране индикатора это будет выглядеть как показано рисунке 5.

Задачей диспетчера в этой экстремальной ситуации являет срочное разведение объектов. В данном случае треки всех 4-х об ектов наловились и, чтобы узнать, между какими из отображенн объектов возникла конфликтная ситуация, диспетчеру необходи обежать взглядом все 4 формуляра, определяя высоты объектов, в числить разность между ними и та разность, которая будет мен допустимой, укапет на конфликтующие объекты. Диспетчер в эт ситуации работает, в основном, по интуиции и на уровне оира но-наглядных представлений, которые формируются в процессе раб

Pre. 6

75118 0170y

85144

0105 V i

I I

—'I I

11398 ¡

0068 A

8549C . 0250V

Be- 7

ты, действия- его основаны на интуиции и пространственно-временных представлениях.

В первой главе проанализирован процесс принятия решений, I частности, диспетчером УВД. На этой основе предложена модел! отображения информации, использующая геометрический фактор ка! поддержку принятия решения. Исходя из того, что изображение н; экране обзорного локатора представлено таким образом, что ош требует декодирования, то есть построения мысленного пространственного образа воздушной обстановки и его перестраивания ш мере изменения обстановки, предложена геометрическая модел! отображения воздуиной обстановки, визуализирующая эти процессы 1 оказывающая поддержку и повышение эффективности при принятии решения. В экстремальном режиме работы это приобретает особое значение.

Предложенный путь для решения данной задачи заключается I целенаправленном выборе способа отображения с целью получения н. плоскости изображения простейшей модели пространственной обстановки, позволяющей решать позиционные и метрические задачи (задачи контроля пространственно-временной ситуации), имеющие важ ное прикладное значение - для принятия оперативного решения.

Как уже отмечалось ранее, через компоненту (ш) будет пере даваться информация о высоте объекта, т.е. различие в высоте от разится изменением г размерах трека. В работе найден закон изме

нения стороны трека (у:) в зависимости от высоты (г;).

4 <|

с(г-Наип)

4

4 а ,

где Нш1г. - минимальная высота в секторе наблюдения; а. Ь, с - константы.

Тогда для нашего примера экстремальной ситуации в верти-альном эиелоне "картина" будет выглядеть, как показано на рис.б

При данном способе отображения информации отчетливо видно, :евду какими объектами возникла конфликтная ситуация, а также, акое графическое отображение объектов предопределяет (подсказывает) пути их разведения.

Копия экрана, отображающего пространственно-временную ситу-щию'в вертикальном эшелоне для конкретных исходных данных, приедена на рис.7.

Необходимо ичеть в виду, что при отображении объектов по 1сем координатам предусматривается дискретизация, т.е. совмеще-ше их отображений в одну точку для удобства восприятия изобра-гений при решении оперативных задач (эргономический фактор),

В случае конфликтной ситуации в вертикальном эшелоне, когда )дин из конфликтующих объектов - крайний (Ншах или Нш1п), появ-шется возможность автоматического принятия решения - выдачей >бъекту с Нт1п (Ншах) команды на снипениеТ(наборА) высоты (см. же.?).

Перебором возможных экстремальных ситуаций, диктуемых практикой, с помощью имитационного моделирования подсказывается путь ;меньшения числа вариантов "задач - ситуаций", реиаемых вручную - человеком. Это еще одна "поддерживающая" роль геометрических эбразов как промежуточного звена при переходе от ручного к малинному принятию решения.

В четвертой главе приведена методика разработки программно-"о обеспечения подсистемы отображения воздушной обстановки, зключающая и методику разработки графических программ, предназ-^ченных для вычерчивания изображений моделей воздушных судов. 4опия экрана, отображающего воздушную обстановку для конкретных входных данных, приведена на рис.8.

Разработана головная управляющая программа подсистемы отображения воздушной обстановки для тестовой задачи: организована диалоговая форма работы.

Осуществлено объединение пакетов прикладных программ, решающих различные геометрические задачи по формированию математической модели геометрических изображений объектов, воспроизведению спроектированных объектов и др. в единую функционально ориентированную систему.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе, посвященной разработке имитационной геометрической модели отображения пространственно-временных ситуаций для принятия оперативных решений (анализа пространственно-временных ситуаций на графических моделях и эффективного управления параметрами положения и метрическими данными), получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа существующих способов отображения динамической информации (о пространственно-временных ситуациях) и учитывая актуальность связанных с ними проблем осуществлена математическая постановка задачи исследования как оптимизационной задачи управления отображением геометрической информации.

2. Как решение поставленной задачи разработана динамическая геометрическая модель - множество геометрических образов, меняющихся в зависимости от обстановки, стоящих перед пользователем задач (во времени), направленных на поддержку принятия оперативных решений.

3. Для построения геометрической модели использованы компоненты геометрической информации; показаны пути формирования геометрических образов путем преобразования компонент геометрической информации; формализованы и использованы, также, компо-

ненты графической как реализации геометрической информации; грг фический фактор используется в модели для образного представл! ния оперативной информации как средство повышения эффективное-ее восприятия.

4. Осуществлен выбор метода решения поставленной задач! Ввиду невозмокности применения аналитических или численных мет< дов математического моделирования в задачах такого класса и силу специфики области исследования единственным методом р1 шения таких задач является имитационное моделирование, результ. которого есть решение, приближенное к оптимальному, удовлетвор! ющее соответствующим критериям. Имитационный метод позволяет С1 четать результаты, полученные точными математическими методам] с результатами, полученными на основе эвристического подхода.

5. Разработана методика проведения этапов имитационного г ометрического моделирования пространственно-временных ситуаци; включающая; динамическое описание системы, проведение формализ. ции, структурирование, алгоритм синтеза имитационной модели.

6. Для оценки эффективности модели разработаны критерии к чественной и количественной ее оценки, а также количественн мера геометрической информации. Оценка выполнения геометрическ моделью прикладной задачи - обеспечения принятия решений прои водится с точек зрения эффективности принятия решений (найд показатель эффективности) и компактности самой модели.

7. Разработана методика формирования графических модел для отображения воздушной обстановки с учетом эргономическо фактора; методика формирования базы данных по графическим изо рагениям.

8. Предложена структура представления исходных данных, по воляащая объединять данные, полученные различными способа (расчеты по математическим моделям, данные экспертных оценок обеспечивающая компактное хранение информации и эффективный ы

шинный поиск параметров, необходимых для воспроизведения на экране дисплея возданной обстановки в виде соответствуйте графических моделей.

9. Реиена тестовая задача конструирования имитационной модели отобразенмя экстремальной ситуации в вертикальном эшелоне для оперативного решения позиционной задачи и принятия решения. Для чего осуществлено моделирование геометрического образа, точно реконстрдяруизего пространственная обстановку. Это позволило отобразить прострапственнуш ситуация на плоскоа дисплее в виде однокартинного обратимого кзобрааения, что оказало принципиальное влияние на эффективность восприятия обстановки и решения оперативной задачи.

Разработано и внедрено программное обеспечение для автоматизированного решения тестових задач.

Дальнейшие исследования, направленные по пути практического использования полученных результатов в моделях отобранения динамической информации, следует проводить в условиях тренагерной отработки методов реализации на ЗВУ геометрических моделей отобранения и анализа воздушной обстанозки с участием человека -оператора. Дальнейшее развитие методики геометрического моделирования пространственно-временных ситуаций в задачах УВД. например, целесообразно в направлении разработки методов отобразения конфликтных (экстремальных) ситуаций с перспективой к дальнейшему переходу от "ручного" к машинному принятии решений.

Основное положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Росяна О.И. Влияние графической модели на эффективность процесса автоматизированного конструирования. В кн.: Коаплесная компьютеризация учебного процесса в выспей школе. Материалы научно-методической конференции. Иаезск, 1989.

2. Росина О.Н. Влияние графического фактора в отображающих

устройствах на эффективность восприятия информации. В кн.: Науч но-методические основы применения электронной вычислительно техники. АСУ и САПР и автоматизированных обучающих систем учебном процессе. "Материалы Всесоюзной научно-методической кок ференции. Рига, 1987.

3. Росина 'О.М. Графический метод отображения динаиическо визуальной информации. В кн.: Проблемы совершенствования про цессов технической эксплуатации авиационной техники, иняенер но-авиационного обеспечения полетов в условиях ускорения науч но-технического прогресса. Материалы Всесоюзной научно-техни ческой конференции. М., 1988.

4. Росина О.М. Графическое отображение динамической виз*; альной информации с учетом эргономического фактора. В кн.: Прог раыыно-ыетодические и программно-технические комплексы САПР АСТПП. Материалы научно-технической конференции. Ижевск, 1988.

5. Росина О.М. Информационный метод построения геоыетрь ческой модели отображения динамической визуальной обстановки АСУ. Сборник научных трудов МАИ, 1988, с. 52 - 5?.

6. Росина О.Й., Кириллов Г.В.. Мельников В.П. ПИРС по иня{ нерной графике с применением элементов САПР. В кн.: Научно-метс дические основы использования TCO, ЗВМ и САПР в учебном процесс общеинаенерных дисциплин. Катериалы Всесоюзной научно-кетод! ческой конференции. И., 1983.

7. Росина' 'О.М. Научно-методические вопросы обучения инш нерной графике в эргономическом аспекте при использовании ЗВМ САПР. В кн.: Научно-методические основы использования 3BU и CAI в учебном процессе общеинженерных дисциплин. Материалы Всесов; ной научно-методической конференции. Л., 1985.

8. Росина О.М. Особенности оформления графических докуке! тов в системе машинной геометрии и графики. В кн.: Р.втомапьир! ванное проектирование в машиностроении, йатериалы научио-техн!

веской конференции. Устинов, 1985.

9. Росина О.И., Синицин С.А. Использование н оценка эффективности геометрических моделей в учебном процессе. В кн.: Актуальные проблемы совершенствования подготовки специалистов авиационного профиля. Материалы Всесоизной научно-методической кон-}еренции. П., 1984.

10. Росина О.У., Тузова Н.А. и др. Совершенствование методов формирования и использования графических словарей в САПР и КСОД. Сборник научных трудов ЦНЙКпроект. 1982.

11. Росина О.Ц. Формирование геометрической модели процесса отображения визуальной информации как системы поддержки принятия решений в автоматизированном конструировании. Сборник научных трудов НЙЙ, 1990, с. 44 - 52.

12. Росина 0.1!. Формирование и применение геометрической модели отображения динамической визуальной информации. Сборник на-дчнах трудов ян-та кибернетики ЙН УССР. Киев. 1989, с. 24-28.

Зак. 4055~93г.