автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Оптимизация связей в системе "ЭКНИС - человеческий элемент" при контроле и управлении состоянием безопасности навигации

На правдх-рукотси

004602069

ЕРЕМИН МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ В СИСТЕМЕ "ЭКНИС - ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ" ПРИ КОНТРОЛЕ И УПРАВЛЕНИИ СОСТОЯНИЕМ БЕЗОПАСНОСТИ НАВИГАЦИИ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ кандидата технических наук

¡1 з МАЙ 2010

Мурманск-2010

004602069

Работа выполнена в Морской академии ФГОУ ВПО "Мурманский государственный технический университет"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Румянцев Игорь Андреевич кандидат технических наук, доцент Анисимов Александр Николаевич

Ведущая организация: закрытое акционерное общество (ЗАО) научно-производственное предприятие (НПП) "Вега"

Защита диссертации состоится 2010 г. в часов

на заседании диссертационного совета К 307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

А. Б. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Принятие Международной морской организацией (ИМО) девятой главы Международной конвенции СОЛАС-74 и Кодекса к ней (МКУБ), а также Концепции формальной оценки безопасности (ФОБ) и Временного руководства по применению этой концепции стало логичным и своевременным шагом международного сообщества, направленным на создание эффективных структур управления безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения моря (СУБ). Повышение эффективности работы СУБ с привлечением концепции ФОБ и Временного руководства возможно за счет перехода от управления состоянием безопасности судна на основе планов судовых ключевых операций к технологиям управления этим состоянием.

Информация, поступающая на мостик от электронной картографической навигационно-информационной системы (ЭКНИС) при выполнении судовых ключевых операций, может включать сведения, имеющие отношение к судовождению, предотвращению столкновения, менеджменту на судне, безопасности и охране судна. На мостик может поступать более 200 сигналов аварийно-предупредительной сигнализации, поэтому информационная перегрузка судоводителя на современном судне является реальной опасностью.

Внедрение технологий управления состоянием безопасности судна и безопасности навигации способно создать потенциал для повышения эффективности несения вахты и безопасности эксплуатации судна, особенно при наличии информационной перегрузки судоводителя. При разработке таких технологий следует учитывать проблему, связанную с интерфейсом "ЭКНИС - человеческий элемент". Задачу, связанную с решением проблемы взаимодействия в системе "ЭКНИС - человеческий элемент" при выполнении функций контроля и управления состоянием безопасности навигации, можно признать актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является снижение информационной загрузки судоводителя и оптимизация интерфейса "ЭКНИС - человеческий элемент" при контроле и управлении состоянием безопасности навигации с учетом отказов программного обеспечения технического средства и ошибок судоводителя.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выбрать методику описания процесса функционирования интерфейса "ЭКНИС - человеческий элемент", учитывающую взаимосвязи "человеческого элемента" и программного обеспечения технического средства при контроле и управлении состоянием безопасности навигации;

- составить модель интерфейса "ЭКНИС - человеческий элемент" при контроле и управлении состоянием безопасности навигации и экспериментально подтвердить основные принципы, положенные в основу разработки этой модели;

- разработать оптимальный вариант частоты обращений судоводителя через интерфейс к данным мультимедийного пространства, образованного программным обеспечением и системой отображения ЭКНИС, обеспечивающий заданную достоверность безопасности навигации;

- разработать методику оценки информационной напряженности (загрузки) судоводителя в эргатической структуре "ЭКНИС - человеческий элемент" и составить рекомендации по снижению значимости проблемы избыточности при реализации технологий контроля и управления состоянием безопасности навигации;

- сформулировать условия разделения функциональных обязанностей в интерфейсе, при которых повышается эффективность использования решений навигационных задач программного обеспечения ЭКНИС, и оценить степень автоматизации решений задач при контроле и управлении состоянием безопасности навигации;

- составить модель сбоев программного обеспечения ЭКНИС и ошибок судоводителя, включенного в систему "ЭКНИС - человеческий элемент", и разработать методику, обеспечивающую свойство помехозащищенности каналов связи между мультимедийным пространством технического средства и пространством действий судоводителя;

- разработать приемы оптимизации уровня автоматизации при обработке навигационной информации в системе "ЭКНИС - человеческий элемент", необходимые для реализации технологий контроля и управления состоянием безопасности навигации.

Основными научными результатами, выносимыми на защиту, являются решения перечисленных выше задач.

Объектом исследования является эргатическая система "ЭКНИС -человеческий элемент", обеспечивающая информационную поддержку при выполнении технологий контроля и управления состоянием безопасности навигации с учетом возможных сбоев программного обеспечения технического средства и ошибок "человеческого элемента".

Предметом исследования является процесс оптимизации интерфейса структуры "ЭКНИС - человеческий элемент", основанный на принципе минимизации информационной избыточности и распределении функций между судоводителем и программным обеспечением технического средства с учетом возможных отказов, информационных сбоев и ошибок в действиях "человеческого элемента".

Теоретической базой исследования является теоретико-информационный подход к обеспечению безопасной эксплуатации судов в рамках СУБ, рассматриваемой в руководящих документах ИМО.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- показано, что интерфейс "человеческий элемент-техническое средство" должен включать входное и выходное информационные пространства, которые следует рассматривать как событийные пространства, объединенные каналом связи без памяти и обладающие конечным числом состояний даже при непрерывном функционировании такой модели;

- получено, что оптимальную степень автоматизации в интерфейсе "человеческий элемент-техническое средство" следует в первую очередь связывать со снижением значимости проблемы информационной избыточности за счет более эффективного распределения функций между судоводителем и ЭКНИС;

- показано, что эффективность распределения функциональных обязанностей в интерфейсе "человеческий элемент-техническое средство" определяется отношением тождественности между пространствами обязанностей, возлагаемых на программный продукт ЭКНИС и на подготовленного судоводителя;

- найдено, что при заданной стоимости обработки информации оптимальный показатель степени автоматизации лежит или в единичном интервале, или на его замыканиях, причем замыкающие значения интервала соответствуют или автоматизированной системе, или системе с ручной обработкой информации.

Теоретическая значимость заключается в разработке математического описания интерфейса "ЭКНИС - человеческий элемент" с учетом сбоев программного обеспечения ЭКНИС и ошибок судоводителя при управлении состоянием безопасности навигации.

Практическая значимость работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций позволят снизить уровень навигационной аварийности на судах транспортного и рыболовного флотов, за счет уменьшения информационной загруженности судоводителя и появления у него дополнительного времени необходимого для принятия "верных" решений.

Личное участие автора состоит в получении научных результатов, отраженных в опубликованных работах, и повышении эффективности безопасной эксплуатации судна при оптимизации связей в интерфейсе "ЭКНИС - человеческий элемент".

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием системного подхода, структурного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, теории информации, теории вероятности и статистики, а также подтверждается натурным экспериментом. Эксперимент основывался на проведении экспертного опроса судоводителей, работающих на морских судах и непосредственно эксплуатирующих ЭКНИС.

Реализация работы. Результаты исследований в виде конкретных рекомендаций предложены к использованию в практической деятельности систем менеджмента безопасной эксплуатацией судов компаний Северного бассейна. Эти рекомендации могут быть включены в руководства по планированию безопасных технологий управления переходом судна из состояния субстандартности в состояние безопасности и использованы в учебном процессе при подготовке курсантов и студентов по специальности "Судовождение", а также при переподготовке морских специалистов на факультете повышения квалификации МГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе две статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК, четыре в на-

учных журналах и изданиях, одна статья в материалах международных научно-технических конференций.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В приложении приведены данные натурного эксперимента и акты внедрения, подтверждающие фактическое использование результатов исследования в производственном и учебном процессах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и приведен перечень задач исследования, а также указано, что аналитический обзор выбранного направления исследования осуществляется по мере изложения материала в главах диссертационной работы.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой модели интерфейса "ЭКНИС - человеческий элемент". Современная ЭКНИС способна интегрировать, обрабатывать и представлять судоводителю всю имеющуюся на борту судна информацию, обеспечивающую повышение уровня навигационной безопасности судна. На базе интеллектуального терминала, которым, по сути, является ЭКНИС, может быть построена экспертная система для судоводителя. Используемое базовое картографическое навигационное обеспечение ЭКНИС позволяет рассматривать эту систему как интегральную и диалоговую с рационально организованной информационной поддержкой. Диалог с ЭКНИС может быть построен в режиме интерактивного управления составом отображаемой информации с целью обеспечения судоводителя только той информацией, которая необходима ему в данный момент.

Постановка задачи количественного исследования в любой области знаний может быть успешной лишь в том случае, если удается найти подходящие средства, т. е. язык, для описания задачи, достаточно полно учитывающий ее специфику и обладающий вместе с тем необходимым уровнем абстракции, обеспечивающим приемлемую общность подходов. Целесообразность применения тех или иных подходов при проведении количественных исследований определяется возможностью описания про-

цессов в звеньях различной физической природы при помощи единой количественной меры. Проблемы, которые возникают при разработке математического описания, удовлетворяющего сформулированным требованиям, связаны с необходимостью адекватного отображения специфических свойств "человеческого элемента" как звена соответствующих систем контроля и управления состоянием безопасности навигации.

Для составления модели деятельности судоводителя в системе "ЭКНИС - человеческий элемент" структурируем эту эргатическую систему и представим ее структуру 11 в виде тройки множеств:

Ч={Х,Ш (1)

где Х- элементное множество эргатической системы, включающее технические средства (судно, ЭКНИС, органы управления судном), а также "человеческий элемент" (судоводителя), объединенных между собой информационными и силовыми связями;

I - множество "правильных" действий по под держанию безопасности навигации и отношений "человеческого элемента" с техническими средствами и персоналом вахты;

Q - множество процессов, идущих в эргатической системе и представляющих собой непрерывную временную последовательность взаимодействий между программным продуктом ЭКНИС, судоводителем.

В рамках данного подхода ограничим представление о модели деятельности "человеческого элемента", принимая, что система отображения и представления данных ЭКНИС способна с помощью конечного числа дискретных элементов мультимедийного пространства Ьг представлять судоводителю все возможные различимые состояния навигации как при контроле, так и при управлении этим состоянием. При определении структуры пространства Ьу, включающего действия (решения, реализованные в команды), выполняемые в структуре (1), учитываются пороги чувствительности моторной сферы судоводителя. В силу конечной чувствительности моторного выхода судоводителя пространство его действий (управляющих реакций) Ьу было принято дискретным. В структуре контроля и управления типа (1) мультимедийное пространство Ьг по числу элементов должно быть эквивалентно пространству действий Ьу. Действительно, если, например, Ьг > Ьу по числу элементов, то существуют такие различимые состояния системы отображения и представления данных, которые не требуют управляющих воздействий. Информация, заключенная в этих состояниях,

является бесполезной по отношению к задачам, возложенным на судоводителя, и может затруднить его деятельность. В другом случае, когда Ьг<Ьу, в конструкции органов управления состоянием навигации предусмотрены "различимые" управляющие воздействия, которые никогда не используются, так как не существует отвечающих им состояний системы отображения и представления данных ЭКНИС. Располагаемые ресурсы управления в структуре (1) избыточны и не в полной мере используются при контроле и управлении состоянием навигации.

Если мультимедийное пространство ¿2 по числу элементов эквивалентно пространству действий Ьу, то принципы, на которых должен базироваться теоретико-множественный подход к описанию деятельности судоводителя при контроле и управлении состоянием навигации судна, следующие:

- информационный обмен между объектом контроля (судном) и управляющим элементом - судоводителем является объективной реальностью, не зависящей от наличия или отсутствия судоводителя в структуре (1);

- количество информации, перерабатываемой в контуре управления, определяется функциями управляющей структуры и свойствами объектов, входящих в эту структуру, заданными критериями качества, обеспечивающими безопасность навигации, точностью контроля состояний навигации, а также характеристиками внешней среды;

- в эргатической структуре (1) субъективно-личностные характеристики судоводителя в интегральном виде проявляются в его способности или неспособности к обработке потоков информации, поступающей от системы отображения и представления данных ЭКНИС.

Процесс взаимодействия программного продукта ЭКНИС и судоводителя можно в рамках структуры (1) представить так: /о С)

(2)

где <2о с б - процесс взаимодействия программного продукта ЭКНИС и судоводителя, информационно поддерживающий контрольные и управленческие мероприятия по обеспечению безопасности навигации;

/<,(*) с I — правила взаимодействия элементов множества X из структуры (1), обеспечивающие "правильную" эксплуатацию ЭКНИС и реализацию механизма функционирования (1) применительно к конкретным условиям плавания судна.

Главное отличие составленной структуры процесса (2) от ранее рассмотренных состоит в том, что любое различимое состояние в системе отображения и представления данных ЭКНИС несет в себе всю необходимую и достаточную информацию для формирования соответствующего управляющего воздействия судоводителя при обеспечении безопасности навигации.

С целью установления возможности существования взаимно однозначного соответствия между множеством данных ЭКНИС и множеством различимых управляющих воздействий судоводителя, а также определения качества управления системы "ЭКНИС - человеческий элемент" был проведен натурный эксперимент, реализованный как экспертный опрос судоводителей, эксплуатирующих ЭКНИС. В результате обработки данных экспертного опроса (рис. 1) установлено, что при "правильной" эксплуатации ЭКНИС (2) изложенные в руководстве для пользователя рекомендации для случая однозначного соответствия между множеством различимых состояний системы отображения и представления данных ЭКНИС и множеством различимых управляющих воздействий судоводителя должны быть дополнены. Вносимые в систему правил /0(*) дополнения должны обеспечивать:

- возможность управления картографической нагрузкой электронной карты в зависимости от района плавания, использования дополнительной информации программного продукта ЭКНИС и датчиков, не сопряженных с ЭКНИС;

- возможность корректуры исполнительной прокладки с привлечением задач из программного обеспечения ЭКНИС и информации от датчиков, не сопряженных с ЭКНИС.

Рис. 1

и

В рамках рассматриваемой структуры процесса (2) предложена математическая модель деятельности судоводителя, записанная так:

где Ч* - символ нестационарного преобразования дискретной последовательности различимых состояний системы отображения и представления данных ЭКНИС в дискретную последовательность различимых управляющих воздействий судоводителя, направляемых на поддержание безопасности навигации.

Если рассматривать реальную деятельность на мостике судна, то необходимо учитывать возможные ошибки судоводителя как звена управляющей структуры. В силу этого при любом входном событии из мультимедийного пространства Lz имеет место ненулевая вероятность реализации любого из управляющих воздействий, предусмотренных управлением состоянием судна, т. е. любого элемента пространства Ьу. Поэтому, используя формулы полной вероятности, для безусловной вероятности p{y¡,v) реализации угго управляющего воздействия на дискретном временном интервале, соответствующем v-му отсчету, можно записать:

Pb>¡ = , v)pv(yt\ z,)+p{zv v)pv (yt\ z2)+...+p(z¡, v)pv (y¡ | z¡)+...+

где 1=1,2,...,Ы, а индекс у в обозначениях условных вероятностей рХУ: I2,) определяет свойство нестационарносги используемой математической модели деятельности "человеческого элемента" в процессе поддержания состояния безопасности навигации (2). В силу нестационарносги модели преобразование элементов множества Ьг в элементы множества Ьу в "человеческом элементе" как канале связи, приводит к тому, что условные вероятности являются функцией порядкового номера отсчета, начиная с момента г = 0.

Тогда, используя соотношения (4) для всех / = 1,2,...,^/, можно привести выражение (3) к виду:

(3)

P(zN,v)pv(y¡ I ZN),

(4)

P(Y,v) = P{Z,v)M(y), где M(v) - матрица условных вероятностей размером NxN.

Структура этой матрицы имеет вид:

РУЬ^РуЬ^-РУ&АЪ) М(У)= ................................................

ЛОф»).................МУлК)

Матрица М(у) отвечает признакам стохастической матрицы, поскольку все ее элементы неотрицательны, не превосходят единицы и сумма элементов в каждой строке равна единице. Эта матрица является специфической для каждого судоводителя, так как отражает его субъективно-личностные особенности, выражающиеся в выборе приемов обработки навигационной информации в рамках рассматриваемой структуры его деятельности (2).

Математическая модель (5) может быть использована для оценки фактической информационной напряженности операторов. Для этого необходимо рассмотреть некий произвольный у-й отсчет на интервале времени функционирования судоводителя, например, в течение вахты. Пусть -состояние системы отображения и представления данных ЭКНИС, отвечающее этому отсчету. В процессе формирования реакции на это состояние судоводитель может допустить ошибку и использовать любое из управляющих воздействий, предусмотренных правилами эксплуатации ЭКНИС. Распределение вероятностей этих воздействий в рамках используемой математической модели деятельности дается ц-й строкой матрицы

Вторая глава посвящена составлению методики оценки информационной загрузки судоводителя при контроле и управлении состоянием безопасности навигации. Для оценки количества информации, перерабатываемой судоводителем в течение у-го обращения ко множеству Ьг и преобразованной в управление, можно использовать выражение:

М(у).

N

1г(г,г)=~2РУ (И,")1О82 РЛУпУ)+

м

N N

(6)

Из этого следует, что в случае идеального функционирования судоводителя на у-м интервале количество обрабатываемой им информации чис-

ленно совпадает с энтропией различимых состояний системы отображения и представления данных ЭКНИС:

= (7)

н

Соотношения (6) и (7) позволяют непосредственно описать модель деятельности судоводителя на конечных отрезках времени, охватывающих некоторую последовательность обращений к системе отображения и представления данных. Реализация судоводителем любого /-го отсчета (г е Щ, включающего в себя только часть сведений о параметрах состояния навигационной безопасности, является периодическим процессом, который можно характеризовать в общем случае частотой со, и фазой <р, обращения судоводителя к системе отображения ЭКНИС. Обеспечение навигационной безопасности судна зависит от периодов и фаз реализации судоводителем отсчетов системы отображения и представления данных ЭКНИС. Сформулируем задачу определения таких периодов или фаз просмотра судоводителем множества Ьг, состоящего из N сообщений, которые обеспечили бы поддержание принятого уровня навигационной безопасности не ниже заданного /0 при минимальных временных затратах на выполнение контрольных операций в системе отображения и представления данных ЭКНИС. После решения этой задачи и практической реализации программы контроля могут появляться достаточно жесткие двусторонние требования к точности реализации фаз просмотра форматов из-за уменьшения достоверности поддержания принятого уровня безопасности навигации.

Для неизбыточной системы отсчетов достоверность идентификации параметров состояния безопасности навигации определяется выражением:

м

Если интервалы времени между отсчетами подчиняются экспоненциальному закону распределения, то, пренебрегая незначительными величинами и и обеспечивая некоторый запас достоверности, можно оценить временные затраты на контроль состояния безопасности навигации так:

(8)

1=1

Сформулированная задача позволяет найти такие периоды просмотра сообщений от системы отображения ЭКНИС щ,а>2,...,о)и, которые дос-

тавляют минимум целевой функции (8). Таким образом, оптимальный период контроля состояния безопасности навигации, обеспечивающий заданную достоверность, может быть найден путем решения экстремальной задачи.

Апостериорная оценка фактической информационной напряженности судоводителя, включенного в состав эргатической системы "ЭКНИС - человеческий элемент", имеет большое практическое значение для снижения значимости проблемы информационной избыточности. В качестве исходных данных для определения такой оценки необходимо иметь:

- хронометрические данные деятельности судоводителя, в том числе данные об общем числе реализованных им обращений к мультимедийному пространству ЭКНИС, а также о размещении каждого из обращений на временной оси;

- данные об ошибочных действиях судоводителя, характеризующие общее число ошибочных отсчетов и их размещение на рассматриваемом отрезке времени функционирования ЭКНИС;

- статистические характеристики контролируемых процессов, достаточные для получения вероятностного вектора Р(.Х,у) различимых состояний для любого у-го отсчета из множества отсчетов, реализованных судоводителем.

Пусть Ф(7) - множество отсчетов мультимедийного пространства ЭКНИС, выполненных судоводителем в интервале 0 < г < Т, а ср(7) с Ф(7) -подмножество безошибочно реализованных отсчетов. Тогда количественная оценка информации, фактически переработанной судоводителем в интервале 0 < / < Т, с учетом (6) может быть представлена в виде:

ит)= I К(7,г)=- X £р(2;,у)\оё2р(2;,у), - (9)

где N - общее количество отсчетов, выполненных судоводителем.

Количество информации, не переработанной судоводителем на этом же отрезке времени из-за допущенных ошибок:

««»Р-) '=1

где Фош Т)= [Ф(^) ~ ф1Т)\ - подмножество ошибочных отсчетов мультимедийного пространства ЭКНИС, реализованных судоводителем на интервале 0<1<Т.

На основе сравнения количества информации, фактически переработанного судоводителем (9), с количеством информации, которое он должен был переработать на отрезке 0<t<T для достижения конечной цели контроля и управления состоянием навигации, можно составить объективное суждение о его деятельности. Для получения оценки количества информации, фактически перерабатываемой судоводителем при различных вариантах реализации технологии контроля и управления состоянием навигации, введена в рассмотрение система Б(к) множеств b(G). Элементами каждого множества b(G) являются порядковые номера отсчетов, реализуемых судоводителем в рамках G-ro варианта технологии. Количество информации, которое фактически перерабатывается судоводителем в рамках любой технологии, детерминированной во времени, является дискретной случайной величиной. Значения этой величины определяются мощностью множества b(G) при различных значениях G, а вероятности реализации этих значений связаны с вероятностями вариантов реализации технологии.

В третьей главе рассматривается возможность оптимального распределения функций в структуре "ЭКНИС - человеческий элемент" при решении навигационных задач. В морском судовождении осуществляется широкое внедрение информационных, информационно-вычислительных, экспертных систем, в частности, электронных картографических навига-ционно-информационных систем (ЭКНИС). Правильное распределение функций в интерфейсе "программное обеспечение - судоводитель" способно повысить эффективность контроля и управления состоянием безопасности навигации за счет уменьшения числа управленческих ошибок.

Если интерфейс системы "ЭКНИС - человеческий элемент" обладает двумя состояниями - ti и 4, то эти состояния должны разбивать конечное пространство функциональных обязанностей интерфейса L, подлежащих исполнению в эргатической системе "ЭКНИС - человеческий элемент", на подмножества L\(t,) и L0(tk), ¿i(4)- Принято считать, что состояния i, и tk сравнимы только в том случае, если в одном из исходных состояний t, подпространство Lp(tt) является собственным подпространством Ls(tk):

Lp{t,)^Ls(tk), (10)

где р, s - булевы переменные.

Далее рассмотрены два варианта отношений состояний и tk из множества Т. В первом случае для состояния i„ определяемого булевой пере-

менной р ~ 1, фиксировать состояние tk нецелесообразно. Если фиксировать состояние th определяемое булевой переменной р = 0, то это состояние разобьет множество L0(t,) на два подмножества: первым будет вторым - подмножество вида:

(Ii)

Во втором случае состояние 4 разбивает пространство функциональных обязанностей L на подмножества Lt(it) и L0{k). Если фиксировать состояние th определяемое булевой переменной s = 1, то это состояние разобьет множество L на подмножество Li(t,) и подмножество:

02)

Сравнивая выражения (11) и (12), убеждаемся, что:

L' = L" = L\ (13)

Выражение (13) подчеркивает достаточно важное для интерфейса эр-гатических систем физическое свойство, которое способно обеспечивать повышение эффективности использования таких систем. Это свойство заключается в том, что эффективная эксплуатация системы возможна лишь при тождественности пространств функциональных обязанностей, выполняемых программным продуктом ЭКНИС и подготовленным "человеческим элементом".

При решении задачи распределения функций между техническим средством и "человеческим элементом" количество информации, которое перерабатывается в процессе контроля и управления, можно представить в виде суммы:

I(T) = I3(T) + I0(T), (14)

где /э(7) - количество информации, перерабатываемой программными средствами ЭКНИС;

/0(7) - количество информации, перерабатываемой судоводителем, несущим ходовую вахту.

Тогда количественная оценка степени автоматизации такой эргатиче-ской системы при обработке навигационной информации, инвариантная к конкретным реализациям элементов структуры (1) и возлагаемым на них задачам, может быть представлена отношением:

Е = ЦТ)/1(Т). (15)

Из этого следует, что 0< £ < 1 и максимальное значение степени автоматизации (Е = 1) будет иметь место тогда, когда процесс обработки информации, необходимой для решения всех задач контроля и управления судном, полностью автоматизирован и реализуется без участия судоводителя. Другой крайний случай, когда Е = О, отвечает равенству 13 (Т) = О, возможен лишь при условии, что все операции по обработке информации, необходимой для контроля и управления судном, выполняются судоводителем без участия программного продукта ЭКНИС. Из отношений (14) и (15) следует, что:

Отношения (16) и (17) позволяют сформулировать и решить задачу распределения функций в эргатической системе (1) при заданной или приемлемой степени автоматизации Е по доминирующим информационным характеристикам судна. Если при этом имеется возможность выбрать значение Е оптимальным в каком-либо смысле, то можно получить соответствующее оптимальное решение задачи распределения функций между ЭКНИС и "человеческим элементом" в эргатической системе со структурой (1) при обработке навигационной информации.

Теоретико-информационный подход к задаче оптимального распределения функций при обработке информации в системе (1) способен обеспечить возможность решения этой задачи. К достоинствам вводимой количественной оценки степени автоматизации следует отнести и тот факт, что параметр Е можно ввести в число характеристик эффективности решения задач контроля и управления состоянием навигации в структурах вида (1). Предложенный вариант решения задачи распределения функций между "человеческим элементом" и техническим средством при обработке навигационной информации предполагает, что судоводитель является идеальным наблюдателем, а по каналам перетекают информационные потоки Z¡(t), не содержащие ошибок, порожденных мультимедийным пространством Ьг. Поэтому возникает необходимость расширения задачи распределения функций при обработке информации в системе (1) за счет учета сбоев в мультимедийном пространстве ЭКНИС.

Для расширения задачи было принято, что временная последовательность сбоев в работе программного продукта ЭКНИС и соответственно

ЦТ) = Е1(Т);

/0(7>(1-£)1(Г).

(16) (17)

сбоев мультимедийного пространства Ь2 образует простой процесс восстановления с функцией распределения промежутка а контрольные функции судоводителя реализуются в виде альтернирующего процесса, порожденного случайными величинами ^ (временем контроля работы программного продукта) и т) (временем выполнения других обязанностей, не соответствующих должностным обязанностям судоводителя, при несении ходовой вахты) с произвольными функциями распределения Рг{1), соответственно. Тогда все рассматриваемые случайные величины являются независимыми с ограниченными средними значениями. Кроме того, навигационная авария может произойти тогда, когда отказ программного продукта или мультимедийного пространства ЭКНИС впервые попадет на интервал времени, в течение которого судоводитель не реализовывает свои контрольные функции.

Упрощенная модель эргатической системы "ЭКНИС - человеческий элемент" позволяет учитывать как производственную деятельность судоводителя, так и характеристики программного продукта и мультимедийного пространства ЭКНИС. Для описания надежности функционирования эргатической системы "ЭКНИС - человеческий элемент" был использован полумарковский процесс с континуальным фазовым пространством. Определение времени, в течение которого система способна обеспечивать минимизацию навигационных рисков и избегать появления тенденций к развитию аварийных ситуаций, осуществляется с помощью теории фазового укрупнения.

В четвертой главе рассматриваются вопросы оптимизации степени автоматизации обработки информации по критериям надежности и стоимости в системе "ЭКНИС - человеческий элемент". Рассмотренные особенности интерфейса эргатической системы позволяют разработать модели сбоев программного продукта мультимедийного пространства ЭКНИС. Минимизация таких сбоев возможна с помощью правильно разработанных технологий помехозащищенности, учитывающих уровень навигационных рисков и организационные условия несения ходовой вахты судоводителем. Более того, модель надежности интерфейса эргатической системы позволяет оценивать вероятность потери судоводителем информации, выводимой программным продуктом ЭКНИС в мультимедийное пространство. Минимизация таких потерь должна рассматриваться как одно из важных требований к интерфейсу эргатических систем, определяющих взаимо-

связь деятельности судоводителя и функционирования программного продукта интеллектуального технического средства судовождения.

В соответствии с рекомендациями Резолюции ИМО А.884 (21) имеется возможность классификации ошибок в интерфейсе "ЭКНИС - человеческий элемент". Судоводитель в процессе реализации своей производственной деятельности способен неверно воспринимать информацию из пространства L, и, следовательно, принимать ошибочные решения. Поэтому для оценки вероятности ошибки восприятия было принято допущение о том, что в мультимедийном 2-мерном пространстве Lz задана функция распределения вида: Ft(X,n) = Ylm F{X,n).

¿ы

При этом определены совокупности z независимых случайных величин Х(е) = (ВД,Х2(£),..., Zz(s)), зависящих от случайного параметра е, который может принимать лишь два значения — 0 или 1 с вероятностями, равнымиР(Е = s) = P(s) (s = 0,l). Случайные величины Xk(s) {к = 1,2,...,г) отражают события, отягощенные сбоями мультимедийного пространства ЭКНИС и ошибками в действиях судоводителя в процессе контроля и управления состоянием безопасности навигации. Задача классификации сбоев и ошибок будет состоять в том, чтобы по экспертной выборке X-(XlyX2,...,Xz), найти значения параметра е, т. е. определить номер вероятностного пространства (класса), к которому принадлежит данный сбой. Реализуя предложенную методику классификации сбоев, можно добиться того, что канал между пространствами Lz и Ly станет помехозащи-щенным.

При наличии свойства помехозащищенности в интерфейсе эргатиче-ской системы оптимизация распределения функций по обработке информации при любом заданном критерии может быть сведена к выбору значения степени автоматизации, доставляющего экстремум этому критерию. Пусть путем статистической обработки результатов эксплуатации системы "ЭКНИС - человеческий элемент" были определены функции: ./¡(Д) - выражающая стоимость автоматической обработки единицы информации в зависимости от общего количества информации /, перерабатываемого программным продуктом ЭКНИС на отрезке времени 0<t<T;

Л(/„)- выражающая стоимость ручной обработки единицы информации в зависимости от общего количества информации I, перерабатываемого судоводителем на отрезке времени О</<Г, причем /=/э + /0. Оптимальная с точки зрения минимума стоимости обработки информации степень автоматизации в эргатической системе "ЭКНИС - человеческий элемент" будет удовлетворять условиям:

где Е:> - значение степени автоматизации обработки информации с помощью ЭКНИС.

Если условия (18) и (19) не определяют никакого положительного значения Е, из интервала 0 < £э < 1, то оптимальные значения степени автоматизации в эргатической системе (1) следует определять на концах этого интервала. Оптимальной по стоимости в этом случае будет или система с полностью автоматизированной обработкой информации, или система с чисто ручной обработкой информации.

Оптимальное распределение функций по критерию максимума надежности управления можно определить для двух вариантов. В первом варианте интерфейс следует представлять как два непересекающихся подмножества (ручная обработка информации и автоматическая обработка не пересекаются). Тогда оптимальное значение степени автоматизации обработки информации, максимизирующее надежность управления безопасностью навигации с помощью эргатической системы (1), удовлетворяет условиям:

Если условия (20) и (21) не определяют никакого положительного значения Е3 из интервала 0 < Е3 < 1, то оптимальные значения степени автоматизации следует искать на концах этого интервала.

Второй вариант решения задачи оптимального распределения функций в интерфейсе эргатической системы "ЭКНИС - человеческий элемент", подчиненный условию максимума надежности управления, соответствует случаю, когда ручная и автоматическая обработка информации

8Г(Е3,1,Т)/8Е3 =0; д2ПЕ3,1,Т)/д2Е, =0,

(18) (19)

дР(Е3,1,Т)/5Е3 =0; д2Р(Е„1,Т)/д% =0.

(20) (21)

частично пересекаются. В этом случае общее количество информации, обрабатываемой системой (1), может быть представлено в виде суммы трех слагаемых:

/ = /э+/0+/д, (22)

где /д - количество информации, поступающей по дублированным каналам.

Оптимальное распределение функций по обработке информации при максимуме надежности контроля и управления состоянием безопасности навигации должно осуществляться на количестве информации, равном:

Тогда функционал оценки оптимальной степени автоматизации можно представить так:

Р{1,Т) = Рэ(7Э,Г)Р0(10,Т)[Рэ(1Я,Т) + Р0(ГЛ,Т)~Р3(ГЛ,Г)Р0(1Д,Т)], (23)

где I, /3,10 и /л удовлетворяют равенству (22).

При известных функциях Р3(1Ъ,Т) и Р0(10,Т) из выражения (20), (21) можно определить оптимальную степень автоматизации 2?, в системе "ЭКНИС-человеческий элемент".

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Одним из направлений совершенствования технологии контроля и управления состоянием безопасности навигации является оптимизация информационной напряженности судоводителя в интерфейсе "человеческий элемент - техническое средство" в зависимости от текущих условий плавания.

2. Модель деятельности "человеческого элемента" может быть представлена входным и выходным информационными пространствами, которые рассматриваются как событийные пространства, объединенные каналом связи без памяти и обладающие конечным числом состояний даже при непрерывном функционировании модели.

3. Количество информации, фактически пропускаемое по каналу интерфейса "человеческий элемент - техническое средство", является дискретной случайной величиной, причем вероятность использования этого количества информации однозначно связана с вероятностью реализации вариантов технологии контроля и управления.

4. Базовое картографическое и навигационное обеспечение ЭКНИС позволяет рассматривать эту систему как интегральную и диалоговую с рационально организованной информационной поддержкой, причем диалог судоводителя с ЭКНИС может быть построен на принципах интерактивного управления мультимедийным пространством.

5. Оптимизация процесса обработки информации и выявление основных закономерностей в эргатической системе "ЭКНИС - человеческий элемент" могут быть сведены к выбору значения степени автоматизации, доставляющего экстремум заданному критерию.

6. При заданной стоимости обработки информации оптимальный показатель степени автоматизации лежит или в единичном интервале, или на его замыканиях, причем замыкающие значения интервала соответствуют или автоматизированной системе, или системе с ручной обработкой.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Еремин, М. М. Достоверность контроля состояния безопасности навигации при неизбыточном числе параметров / М. М. Еремин, В. И. Меньшиков // Веста. МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2006. - Т. 9, №2.-С. 281-286.

2. Еремин, М. М. Шкалирование пространства функциональных обязанностей в системе "Судоводитель-ЭКНИС" 1 М. М. Еремин, В. И. Меньшиков, А. В. Серов, В. В. Ковальчук // Вестн. МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2008. -Т. 11, № 3. - С. 438-441.

3. Еремин, М. М. Особенности распределения функций в эргатической системе "Судоводитель - ЭКНИС" / В. И. Меньшиков, М. М. Еремин, А. В. Серов // Наука и образование - 2008 [Электронный ресурс]: материалы междунар. науч.-техн. конф., Мурманск 2-10 апреля 2008 г.

4. Еремин, М. М. Решение проблемы информационной перегрузки судоводителя при обеспечении безопасности навигации / М. М. Еремин, А. В. Серов//Науч. жизнь-М.: Наука, 2008. - № 5. - С. 19-21.

5. Еремин, М. М. Эффективность интерактивного управления элементами мультимедийного пространства ходового мостика судна при обеспечении безопасности мореплавания / М. М. Еремин, В. И. Меньшиков,

Н. М. Путинцев, Н. Н. Морозов // Вестн. МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т.12, № 1.-С. 24-26.

6. Еремин, М. М. Условие распределения функциональных обязанностей в интерфейсе системы "Судоводитель-ЭКНИС" / М. М. Еремин, В. И. Меньшиков // Естественные и технические науки. - 2009. - № 1 (39). -С.341-342.

7. Еремин, М. М. Классификация ошибок в интерфейсе "техническое средство - человеческий элемент" / М. М. Еремин, И. В. Макеев, В. И. Меньшиков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2009,-№2.-С. 162-165.

Издательство МГТУ. 183010 Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 08.04.2010. Подписано в печать 13.04.2010. Формат 60х84'/16. Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,00. Заказ 79. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Особенности функционирования интерфейса «ЭКНИС - человеческий элемент».

1.1. ЭКНИС - информационно-вычислительная и экспертная система, обеспечивающая безопасность навигации.

1.2. Теория эргатических систем и ее приложение к описанию структуры «ЭКНИС - человеческий элемент».

1.3. Особенности деятельности судоводителя в эргатической системе

ЭКНИС - человеческий элемент».

Выводы к первой главе.

Глава 2. Прогнозирование уровня информационной загруженности судоводителя в системе «ЭКНИС - человеческий элемент».

2.1. Модель деятельности судоводителя в эргатической системе

ЭКНИС - человеческий элемент».

2.2. Частота обращений к базе данных эргатической системы

ЭКНИС - человеческий элемент».

2.3. Оценка информационной напряженности судоводителя в системе «ЭКНИС - человеческий элемент».

Выводы ко второй главе.

Глава 3. Оптимизация распределение функций в интерфейсе системы «ЭКНИС - человеческий элемент».

3.1. Постановка задачи распределения функций в системе

ЭКНИС - человеческий элемент».

3.2. Оценка степени автоматизации решения навигационных задач в системе «ЭКНИС - человеческий элемент».

3.3. Распределение функций при обработке информации в системе

ЭКНИС - человеческий элемент».

Выводы к третьей главе.

Глава 4 Оптимизация степени автоматизации обработки информации по критериям надежности и стоимости.

4.1. Модель сбоев мультимедийного пространства

ЭКНИС - человеческий элемент».

4.2. Классификация ошибок мультимедийного пространства

ЭКНИС - человеческий элемент».

4.3. Оптимальный уровень автоматизации обработки информации в системе «ЭКНИС - человеческий элемент».

Выводы к четвертой главе.

Аварийность судов на море является объективной реальностью, обусловленной в первую очередь внешними и внутренними факторами, сопутствующими мореплаванию, которая будет иметь место всегда по не зависящим от человека причинам. Полное искоренение аварийности судов, к сожалению, не представляется возможным. Однако на практике вполне допустимо оказывать влияние на аварийность с помощью всевозможных действенных мер и даже достичь ее снижения на ограниченный период. Снижение аварийности возможно только до определенного уровня, после которого она неизбежно снова будет расти или, в лучшем случае, временно стабилизируется на каком-то количественном или качественном показателе с небольшими отклонениями в большую или меньшую сторону [33].

Положительный результат борьбы с аварийностью как минимум должен предполагать достижение ее приемлемого уровня (с ограниченным и допустимым материальным ущербом), а также стабилизацию аварийности на довольно продолжительный интервал времени.

Уровень аварийности и материальный ущерб от нее не обязательно находятся в прямой зависимости друг от друга. Они могут быть связаны между собой обратно пропорционально. Неопределенность величины материального ущерба не позволяет использовать его, как параметр, обеспечивающий истинность в решении задачи идентификации тенденций аварийности. В результате ежегодного сравнения только абсолютных показателей роста или сокращения материального ущерба также можно получить довольно условное представление о существующей аварийности. Истинные тенденции позволяют выявить лишь показатель относительной аварийности, который численно равен отношению всех аварийных случаев за рассматриваемый период к общему количеству судов, которые эксплуатировались компанией или государством флага.

Аварийность судов зачастую влечет за собой человеческие жертвы. Поэтому, несмотря на отсутствие каких-либо твердых гарантий достижения положительных результатов по ее снижению, в судоходных компаниях должна проводиться постоянная борьба с причинами, порождающими аварийность. Это продиктовано как производственными, так и моральными интересами самой компании. Если в результате управления безопасной эксплуатацией судов компании удается в какой-то мере снизить если не количество аварийных случаев, то хотя бы тяжесть последствий от них, то такое управление безопасной эксплуатацией уже можно признать отвечающим поставленной глобальной цели

Практика современного мореплавания показывает, что, несмотря на постоянное совершенствование технических средств морского судоходства, обеспечение безопасной эксплуатации судов продолжается оставаться острейшей проблемой в морской индустрии, а предупреждение аварийности является злободневной практической задачей. Накоплено достаточно много свидетельств того, что в качестве постоянно действующей причины, порождающей аварии судов, выступает сам судоводитель (оператор средств повышенной опасности), управляющий подвижным объектом. Поэтому меры по предупреждению аварийности на эксплуатируемых судах помимо прочего должны предусматривать поиск неиспользованных возможностей по снижению доли «человеческого фактора» в общем объеме аварийности мирового флота [21].

Безопасность эксплуатации судов является одной из важнейших проблем, стоящих перед отечественными и зарубежными судоходными компаниями. Достаточно высокий уровень аварийности транспортных и рыболовных судов, возникновение катастроф, приводящих к гибели людей, потере значительных материально-технических средств, экономическим и экологическим последствиям, - все это свидетельствует об актуальности проблемы безопасной эксплуатации и необходимости ее дальнейшего теоретического и практического исследования.

Массовое использование средств информатики, осуществляемое на основе их встраивания в морские технические средства, обеспечивающие безопасность навигации, составляет главное содержание явления, которое называют информатизацией судовождения. В свою очередь, информатизация судовождения с одновременным внедрением в морскую практику новых космических технологий позволила существенно изменить как форму, так и содержание приемов управления безопасной эксплуатацией и безопасной навигацией;

Принципиально новые технологии контроля и управления состоянием навигации вместе со средствами обработки информации и отображения этой информации способны обеспечить переход от классических приемов корректируемого счисления к технологиям с использованием обсервационного счисления. Такое изменение в подходах к обеспечению безопасности навигации не могло не стимулировать дальнейшее развитие этих приемов [4].

При модернизации приемов поддержания безопасной навигации на заданном уровне необходимо учитывать то, что контроль можно вести непосредственно с системы отображения технического средства без выполнения каких-либо предварительных или дополнительных расчетов; Поэтому решение про, блемы безопасной навигации в первую очередь следует искать в более эффективном использовании средств информатизации и учете особенностей взаимодействия судоводителя с интеллектуальным продуктом средства;судовождения: Именно средства информатики, включенные в состав технических средств судовождения, создают предпосылки к замене организационной системы обеспечения безопасной навигации на ее интеллектуальный аналог.

На современном этапе научно-технического прогресса- совершенствование всех видов человеческой деятельности связано с созданием информационной техники и технологий, а также с их применением для выполнения отдельных производственных операций или управления производственным процессом в целом. Информатизацию и компьютеризацию современного судовождения следует рассматривать как стратегическое; направление научно-технического прогресса, на котором будет решаться проблема обеспечения безопасной навигации. Поэтому особый интерес при решении задачи обеспечения безопасной навигации с минимизацией количества производственных рисков, связанных с «человеческим фактором», может представлять обобщенная теория эргатиче-ских и интеллектуальных систем. Эта теория изучает и разрабатывает логические и организационные формы интеграции судоводителя с комплексами средств интеллектуальной деятельности, основанными на научных методах обработки информации и принятия решений и включающими вычислительную и информационную технику [38].

Оператор интегрированной системы управления судном (судоводитель) и комплекс интеллектуальных средств деятельности, объединенные в единое целое на основе решения общей для них задачи обеспечения безопасной эксплуатации судна, с одной стороны, образуют эргатическую систему, с другой -представляют собой интеллектуальную систему. Естественно, что эргатическая и одновременно интеллектуальная система будет обладать конкретными особенностями, определяемыми внутрисистемной интеграцией. Однако при любом способе интеграции такая система должна посредством минимизации снижать число производственных рисков и обеспечивать заданный уровень безопасной навигации [23].

Актуальность. Принятие Международной морской организацией девятой главы Международной конвенции СОЛАС-74 и Кодекса к ней (МКУБ), а также Концепции формализованной оценки безопасности (ФОБ) и Временного руководства по применению этой концепции явилось логичным и своевременным шагом международного сообщества, направленным на создание эффективных структур управления безопасной эксплуатацией судов и предотвращением загрязнения (СУБ). Повышение эффективности работы СУБ при использовании Концепции ФОБ и Временного руководства возможно за счет перехода от управления состоянием безопасности судна с использованием планов судовых ключевых операций к технологиям управления этим состоянием.

Информация, поступающая на мостик при выполнении судовых ключевых операций, может включать сведения, имеющие отношение к судовождению, предотвращению столкновения, менеджменту, безопасности и охране судна. На мостик также может поступать более 200 сигналов аварийно-предупредительной сигнализации. Поэтому информационная перегрузка судоводителя на современном судне является реальной опасностью.

Внедрение технологий управления состоянием безопасной эксплуатации и безопасностью навигации, в частности, способно создать потенциал для повышения эффективности несения вахты и степени безопасности эксплуатации судна, особенно при наличии опасности информационной перегрузки судоводителя. Однако при разработке таких технологий следует принимать во внимание проблему, связанную с интерфейсом «ЭКНИС — человеческий элемент». Решение проблемы интерфейса «ЭКНИС - человеческий элемент» при выполнении функций контроля и управления состоянием безопасности навигации можно признать актуальным.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является снижение информационной загрузки судоводителя и оптимизация интерфейса «ЭКНИС - человеческий элемент» при контроле и управлении состоянием безопасности навигации с учетом- отказов программного обеспечения технического средства и ошибок судоводителя.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

-выбрать методику описания процесса функционирования интерфейса «ЭКНИС - человеческий элемент», учитывающую взаимосвязи «человеческого элемента» и программного обеспечения технического средства при контроле и управлении состоянием безопасности навигации;

-составить модель интерфейса «ЭКНИС - человеческий элемент» при контроле и управлении состоянием безопасности навигации и экспериментально подтвердить основные принципы, положенные в основу этой модели;

-разработать оптимальный вариант частоты обращений судоводителя к данным мультимедийного пространства, образованного программным обеспечением и системой отображения ЭКНИС, обеспечивающий заданную достоверность безопасности навигации;

-разработать методику оценки информационной напряженности (загрузки) судоводителя в эргатической структуре «ЭКНИС - человеческий элемент» и составить рекомендации по снижению значимости проблемы избыточности при реализации технологий контроля и управления состоянием безопасности навигации;

-сформулировать условия разделения функциональных обязанностей в интерфейсе, при которых повышается эффективность использования решений навигационных задач программного обеспечения ЭКНИС,и оценить степень автоматизации решений задач при контроле и управлении состоянием безопасности навигации;

-составить модель сбоев программного обеспечения ЭКНИС и ошибок судоводителя, включенного в систему «ЭКНИС - человеческий элемент», и разработать методику, обеспечивающую помехозащищенность каналов связи между мультимедийным пространством технического средства и пространством действий судоводителя;

-разработать приемы оптимизации уровня автоматизации при обработке навигационной информации в системе «ЭКНИС - человеческий элемент», необходимые для реализации технологий контроля и управления состоянием безопасности навигации

Решение перечисленных выше задач последовательно излагается в главах диссертационной работы и в соответствующем порядке выносится на защиту.

Результаты исследования в виде конкретных рекомендаций предложены к использованию в практической деятельности систем менеджмента безопасной эксплуатацией судов компаний Северного бассейна. Кроме того, эти рекомендации включены в руководства по планированию безопасного навигационного перехода при плавании судна в стесненных водах и использованы в учебном процессе при подготовке курсантов и студентов по специальности "Судовождение", а также при переподготовке морских специалистов на факультете повышения квалификации МГТУ.

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на международных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ (2006-2007 гг., г. Мурманск).

Подтверждение использования теоретических результатов настоящего исследования в практических целях и результаты проведенного натурного эксперимента приведены в приложении к диссертационной работе.

Заключение

В диссертационной работе объектом исследования является эргатическая структура «ЭКНИС - человеческий элемент», обеспечивающая информационную поддержку при контроле и управлении состоянием безопасности навигации с учетом возможных сбоев программного обеспечения технического средства и ошибок «человеческого элемента». В то же время предметом исследования является процесс оптимизации интерфейса структуры «ЭКНИС - человеческий элемент», минимизирующий информационную избыточность и осуществляющий распределение функций между судоводителем и программным обеспечением технического средства с учетом возможных технических отказов, информационных сбоев и ошибок в действиях «человеческого элемента».

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили получить следующие новые результаты:

- показано, что интерфейс «человеческий элемент — техническое средство» должен включать входное и выходное информационные пространства, которые следует рассматривать как событийные пространства, объединенные каналом связи без памяти и обладающие конечным числом состояний даже при непрерывном функционировании такой модели;

- получено, что оптимальную степень автоматизации в системе «человеческий элемент - техническое средство» следует в первую очередь связывать с уменьшением значимости проблемы информационной избыточности за счет более эффективного распределения функций между судоводителем и ЭКНИС;

-показано, что эффективность распределения функциональных обязанностей в системе «человеческий элемент - техническое средство» зависит от отношения тождественности между пространствами обязанностей, возлагаемых на программный продукт ЭКНИС и на подготовленного судоводителя;

- найдено, что при заданной стоимости обработки информации оптимальный показатель степени автоматизации лежит или в единичном интервале, или на его замыканиях, причем замыкающие значения интервала соответствуют или автоматизированной системе, или системе с ручной обработкой.

1. Александров, А. Г. К обратной задаче синтеза оптимального управления / А. Г. Александров // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. - 1967. - № 4. -С. 115-122.

2. Атанс, М. Оптимальное управление / М. Атанс, П. Л. Фалб ; пер. с англ. Г. Н. Алексеева ; под ред. Ю. И. Топчеева. М. : Машиностроение, 1968.-764 с.

3. Беки, Дж. А. Дискретная модель человека-оператора в системах управления / Дж. А. Беки // Труды П Междунар. конгресса ИФАК. М. : Наука, 1965.-С. 62-77.

4. Беллман, Р. Динамическое программирование / Р. Беллман. М. : Изд-во иностр. лит., 1960. - 400 с.

5. Бир, С. Кибернетика и управление производством / С. Бир. М. : Физ-матгиз, 1963. - 276 с.

6. Бонгард, М. М. О понятии полезная информация / М. М. Бонгард // Проблемы кибернетики. 1963. - Вып. 9. - С. 71-102.

7. Бриллюэн, Л. Наука и теория информации / Л. Бриллюэн. — М. : Физмат-гиз, 1960. -292 с.

8. Бриллюэн, Л. Научная неопределенность и информация / Л. Бриллюэн. -М. : Мир, 1966.-271 с.

9. Бусленко, Н. П. Моделирование сложных систем / Н. П. Бусленко. М. : Наука, 1968.-355 с.

10. Вентцель, Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. -М. : Физматгиз, 1962.-564 с.

11. И. Винер, Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине / Н. Винер ; пер. с англ., предисл. Г. Н. Поварова. 2-е изд. - М. : Сов. радио, 1968.-326 с.

12. Войшвилло, Е. К. Попытка семантической интерпретации статистических понятий информации и энтропии. Кибернетику на службу коммунизму / Е. К. Войшвилло. -М. : Энергия, 1966. С. 275-293.

13. Вудсон, У.Е. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов / У. Вудсон, Д. Коновер. -М. : Мир, 1968. 518 с.

14. Гаврилов, А. Н. Автоматизация производственных процессов в приборо-агрегатостроении / А. Н. Гаврилов, П. И. Ковалев, H. Н. Ушаков. М. : Высш. шк., 1968.-414 с.

15. Гавурин, М. К. О ценности информации / М. К. Гавурин // Вестн. ЛГУ. Серия математики, механики и астрономии. 1963. — Вып. 4. — № 19. - С. 27-34.

16. Гихман, И. И. Введение в теорию случайных процессов / И. И. Гихман, А. В. Скороход. -М. : Наука, 1965.-655 с.

17. Гладышевский, М. А. Учет состояния способности к оптимизации связей в системах обеспечения безопасности мореплавания : автореф. дис. . канд. техн. наук / М. А. Гладышевский. Мурманск, 2007. -23 с.

18. Гнеденко, Б. В. Введение в теорию массового обслуживания / Б. В. Гне-денко, И. Н. Коваленко. -М. : Наука, 1966. -431 с.

19. Гнедов, Г. М. Основы автоматизации систем контроля и управления / Г. М. Гнедов, В. Б. Кудрявцев. Л. : ЛВИКА им. А. Ф. Можайского, 1965. -380 с.

20. Гришанин, Б. А. Ценность информации и достаточные статистики при наблюдении случайного процесса / Б. А. Гришанин, Р. Л. Стратонович // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1966. -№ 6. - С. 4-12.

21. Диамантидес, Н. Д. Оператор как звено в системе управления / Н. Д. Диамантидес // Вопр. ракетной техники. 1962. - № 12.-С. 49-63.

22. Дуб, Д. Л. Вероятностные процессы / Д. Л. Дуб. М. : Изд-во иностр. лит., 1956.-606 с.

23. Еременко, И. В. О психологических и системотехнических факторах в сложных автоматизированных системах управления / И. В. Еременко,

24. Б. Ф. Ломов, В. Ф. Рубахин // Проблемы инженерной психологии. Вып. 1. -М., 1968.-С. 3-8.

25. Зинченко, В. П. Игровые системы управления и информационные модели / В. П. Зинченко, Д. Ю. Панов // Система человек и автомат. М. : Наука, 1965.-С. 28-36.

26. Иыуду, К. А. Оптимизация устройств автоматики по критерию надежности / К. А. Иыуду. М. : Л. : Энергия, 1966. - 194 с.

27. Кенделл, Д. Стохастические процессы, встречающиеся в теории очередей, и их анализ методом вложенных цепей Маркова / Д. Кенделл. М. : Математика, 1956.-С. 97-111.

28. Климов, Г. П. Стохастические системы обслуживания / Г. П. Климов. -М.: Наука, 1966.-243 с.

29. Колмогоров, А. Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей / А. Н. Колмогоров // Изв. АН СССР. Сер. Математическая статистика. 1941. - Т. 5, № 1. - С. 3-14.

30. Котик, М. А. Краткий курс инженерной психологии / М. А. Котик. -Таллин : Валгус, 1971. -308 с.

31. Леонтьев, А. Н. О применении теории информации и конкретно психологических исследованиях / А. Н. Леонтьев, Е. П. Кринчик // Вопр. психологии. 1961. - № 5. - С. 25-46.

32. Ломов, Б. Ф. Человек и техника / Б. Ф. Ломов. М. : Мир, 1966. - 464 с.

33. Лоссиевский, В. Л. Вопросы автоматизации непрерывных производственных процессов / В. Л. Лоссиевский, Л. Г. Плискин. М. : Изд-во АН СССР, 1960.-111 с.

34. Лушников, Е. М. Теоретическое обоснование методов и средств обеспечения навигационной безопасности мореплавания : автореф. дис. . д-ра техн. наук: 05.22.16 / Е. М. Лушников; Щецин, высш. мор. шк. СПб, 2000. - 46 с.

35. Математическая теория оптимальных процессов / Л. С. Понтрягин, В. Г. Болтянский, Р. В. Гамкрелидзе, Е. Ф. Мищенко. М. : Физматгиз, 1961. -391 с.

36. Математическое описание характеристик человека-оператора как звена системы управления // Вопр. ракетной техники. 1965. - № 12. - С. 29-45.

37. Надежность комплексных систем «человек техника» // Материалы ко П Всесоюз. симпозиуму по надежности комплексных систем «человек -техника». - Ч. 3. - Л.: ЛДНТП, 1970. - 62 с.

38. Невежин, П. Ф. К вопросу о рациональном распределении функций между автоматами и операторами в системах «человек машина» / П. Ф. Невежин // Проблемы инженерной психологии. - Вып. 1. -М., 1968. - С. 55-57.

39. Николаев, В. И. Об одном методе определения объективной и субъективной ценности информации при управлении / В. И. Николаев, В. Н. Темнов // Автоматика и телемеханика. 1972. -№ 9. - С. 132-137.

40. Николаев, В. И. Определение времени, затрачиваемого оператором на решение задач по управлению судовой энергетической установкой / В. И. Николаев // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. № 4. - 1965. - С. 130-145.

41. Панов, Д. Ю. Построение систем управления и проблемы инженерной психологии / Д. Ю. Панов, В. П. Зинченко // Инженерная психология. М. : Прогресс, 1964. - С. 5-31.

42. Пеньковская, К. В. Живучесть структур безопасности мореплавания с учетом человеческого фактора : автореф. дис. . канд. техн. наук / К. В. Пеньковская; Мурман. гос. техн. ун-т, Каф. судовождения. — Мурманск, 2006. —22 с.

43. Половко, А. М. Основы теории надежности / А. М. Половко. М. : Наука, 1964.-446 с.

44. Полушкин, В. А. К вопросу об определении информации / В. А. Полуш-кин // Язык и мышление. М. : Наука, 1967. - 312 с.

45. Проблема распределения функций в системах «человек машина» : сб. переводов / под ред. А. Н. Леонтьева. -М. : Изд-во МГУ, 1970. - 226 с.

46. Пушкин, В. Н. Оперативное мышление в больших системах / В. Н. Пушкин. М.: Энергия, 1965. - 375 с.

47. Рейтман, У. Познание и мышление / У. Рейтман. М. : Мир, 1968. -400 с.

48. Резолюция Международной морской организации М5С 86(70). СПб. : ЦНИИМФ, 1996.- 11 с.

49. Риордан, Дж. Вероятностные системы обслуживания / Дж. Риордан. -М. : Связь, 1966.-184 с.

50. Саати, Т. JI. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения / Т. Л. Саати. -М. : Сов. радио, 1971.-520 с.

51. Современная теория систем управления / под ред. К. Т. Леондеса. М. : Наука, 1970.-511с.

52. Стратонович, Р. Л. О ценности информации / Р. Л. Стратонович // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1965. -№ 5. - С. 3-12.

53. Стратонович, Р. Л. Ценность информации при наблюдениях случайного процесса в системах, содержащих конечные автоматы / Р. Л. Стратонович // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1966. -№ 5. - С. 3-13.

54. Стратонович, Р. Л. Ценность информации при невозможности прямого наблюдения оцениваемой величины / Р. Л. Стратонович, Б. А. Гришанин // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1966. -№ 3. - С. 3-15.

55. Таран, В. А. Математические вопросы автоматизации производственных процессов / В. А. Таран, С. С. Брудняк, Ю. Н. Кофанов. М. : Высш. шк. -1968.-216 с.

56. Трапезников, В. А. Автоматическое управление и экономика / В. А. Трапезников // Автоматика и телемеханика. 1966. - № 1. - С. 5-22.

57. Уилкс, С. Математическая статистика / С. Уилкс. М. : Наука, 1967. -632 с.

58. Урсул, А. Д. Информация : методол. аспекты / А. Д. Урсул. М. : Наука, 1971.-295 с.

59. Уэлз, Р. Мера субъективной информации / Р. Уэлз // Новое в лингвистике. 1965. - Вып. 4. - С. 167-179

60. Файнстейн, А. Основы теории информации / А. Файнстейн. М. : Изд-во иностр. лит., 1960. — 140 с.

61. Фан, Р. М. Передача информации (Статистическая теория связи) / Р. М. Фан. -М. : Мир, 1965.-439 с.

62. Феллер, В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения : в 2 т. Т. 2/В. Феллер. -М. : Мир, 1967. -752с.

63. Фельдбаум, А. А. Основы теории оптимальных автоматических систем / А. А. Фельдбаум. Изд. 2-е испр. и доп. - М. : Наука, 1966. - 623 с.

64. Харкевич, А. А. О ценности информации / А. А. Харкевич // Проблемы кибернетики. 1960. - Вып. 4. - С. 53-57.

65. Хинчин, А. Я. Об основных теоремах теории информации / А. Я. Хин-чин // Успехи математических наук. 1956. - С. 17-75.

66. Хинчин, А. Я. Работы по математической теории массового обслуживания / А. Я. Хинчин. М. : Физматгиз, 1963. - 235 с.

67. Холл, М. Комбинаторный анализ / М. Холл. М. : Изд-во иностр. лит., 1963.-97 с.

68. Циркулярное письмо КБ ИМО по внедрению руководства эксплуатацией интегрированных систем ходового мостика. СПб. : ЦНИИМФ, 2002. - 23 с.

69. Чан, С. С. Информационный критерий для замкнутых систем автоматического регулирования / С. С. Чан // Труды I Междунар. конгресса ИФАК. М. : Изд-во АН СССР, 1961. - Т. 3. - С. 51-67.

70. Чернецкий, В. И. О технико-экономическом подходе к выбору параметров технических средств автоматического управления / В. И. Чернецкий // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1963. -№ 4. - С. 44-55.

71. Чкония, В. А. Оптимальное использование пространства знаний в Интеллектуальных системах судовождения : автореф. дис. . канд. техн. наук / В. А. Чкония ; Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 2004. - 23 с.

72. Шаумян, Г. А. Автоматизация производственных процессов / Г. А. Шаумян, М. М. Кузнецов, А. И. Волчкевич. -М. : Высш. шк., 1967. 471 с.

73. Шеннон, К. Э. Работы по теории информации и кибернетике / К. Э. Шеннон. -М. : Изд-во иностр. лит., 1963. С. 243-663.

74. Штейнбух, К. Автомат и человек / К. Штейнбух. М. : Сов. радио, 1967.-492 с.

75. Шрейдер, Ю. А. О количественных характеристиках семантической информации / Ю. А. Шрейдер // Научно-техническая информация. ВИНИТИ. -М., 1963.-№10.-С. 33-38.

76. Шрейдер, Ю. А. Об одной модели семантической информации / Ю. А. Шрейдер //Проблемы кибернетики. 1965. - Вып. 13. - С. 233-240.

77. Шенброт, И. М. Расчет точности систем централизованного контроля / И. М. Шенброт, М. Я. Гинзбург. -М. : Энергия, 1970. 408 с.

78. Эшби, У. Р. Введение в кибернетику / У. Р. Эшби ; пер. с англ. Д. Г. Ла-хути ; под ред. В. А. Успенского ; предисл. А. Н. Колмогорова. М. : Изд-во иностр. лит., 1959. - 432 с.