автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Разработка и исследование диспозиционных моделей принятия решений в системах управления воздушным движением

РГБ ОД

17 ш га

На правах рукописи

НОВИКОВ Павел Павлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПОЗИЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

05.22.13-Навигация и управление воздушным движением

Автореферат диссертации на соискание ученой спепени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Московском государственном университете

им.М.В.Ломоносова.

Официальные оппоненты: Кузнецов А. А.

Fycoji В.А. Федоров Ю.М.

- д.т.н., проф. академик АТР

- д.т.н., проф. академик АТР

- д.т.н.

Ведущая организация: Московский научно-исследовательский

институт приборной автоматики.

Защита состоится 1996г. в-^час./^мин.

на заседании диссертационного Совета Д.072.03.01 Академии гразданской авиации по адресу: 196210, Санкт-Петербург, Авиагородок, ул.Пилотов, 38, Академия гражданской авиации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии гражданской авиации.

Автореферат разослан " 1996г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, проф.

у^ Михайлов 0. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Методы моделирования применяются сегодня во всех науках - естественных и гуманитарных, фундаментальных и прикладных- Если рассматривать модель как набор средств описания структуры и функции, организации и поведения моделируемого объекта, очевидны две исследовательские задачи; первая состоит в выборе из существующих или разработке новых средств, вторая - в использовании их применительно к конкретному объекту. Причем термины "моделирование", "модель" применяются для обозначения процесса и результата решения каждой из задач.

Применительно к системам управления воздушным движением решение первой задачи связано с трудностями формализации и описания деятельности диспетчера. Традиционные методы не дают желаемого результата ввиду сложности и "плохой" структурированности объекта моделирования - деятельности человека при управлении логико-динамическими. многообъектными и полифункциональными системами. к которым относятся многие человеко-машинные системы, в том числе и системы УВД. Возникает основная проблема - разработка средств описания деятельности человека в указанных системах, которая,следуя работам по психологии мышления, рассматривается как процесс принятия решений.

Реализованный в работе подход включает несколько этапов. Первоначально на основе концептуальных представлений формируется структурно-функциональная схема модели принятия решений человеком в системах управления. Далее обосновываются возможности и целесообразность описания отдельных блоков и всей модели в целом с помощью аппарата диспозиций. На следующем этапе разрабатываются и проверяются методики конструирования и экспериментальной

- г -

идентифжации модели. И. наконец, создается специализированное математическое обеспечение для получения компьютерных версий модели при использовании их для имитации принятия решений в конкретных реальных человеко-машинных системах. Диспозиционные модели принятия решений (ДМПР) относятся к классу активных спринимающих самостоятельно решения) протокольных с генерирующих протоколы, аналогичные регистрируемым при реальной деятельности человека) интеллектуальных с способных планировать, обучаться, накапливать опыт) систем. Адекватность модели реальной деятельности и ее работоспособность проанализированы и экспериментально показаны.

Методика диспозиционного моделирования была применена для описания деятельности авиадиспетчеров аэродромной зоны. Появление нового класса моделей принятия решений обозначило круг проблем. актуальных как для развития методов имитационного моделирования в теории управления воздушным движением, так и для практического применения их при решении исследовательских, проектных и организационных задач. Укажем те из них. которые представлены в работе:

- создание моделирующих программных комплексов для компьютерной имитации УВД в ускоренном масштабе времени и использования в качестве экспертных систем;

- использование имитационных компьютерных экспериментов (ИКЭ) для прогнозирования поведения систем в типовых и нештатных условиях при изменении технической части системы или организации воздушного движения-.

- использование результатов ИКЭ и категорийной основы дис-позициокных моделей для уточнения системных понятий с эффективности. пропускной способности, нагрузки на диспетчера), их изме-

рения и прогнозирования;

- использование процедур модели в качестве алгоритмов автоматизации принятия решений с алгоритмы обнаружения и прогнозирования конфликтных ситуаций) и в качестве обучавших систем с программный тренажерный модуль для имитации проводок воздушных судов?;

- использование диспозиционных моделей принятия решений для разработки технологии контроля успешности выполнения тренажерных упражнений, успеваемости и профессиональной компетенции авиадиспетчеров;

- использование диспозиционных модельных представлений для структурирования деятельности при проведении экспериментальных психофизиологических исследований функционального состояния диспетчеров. при поиске коррелятов напряженности труда с интенсивностью и структурой воздушного движения, с поведенческими и электрографическими показателями.

Разработка метода диспозиционного моделирования принятий решений потребовало рассмотрения круга вопросов, охватывающих такие научные направления, как:

1. общая теория систем и системный анализ.

г. психология мышления и высшая нервная деятельность.

3. семиотика и искусственный интеллект.

4. имитационное моделирование.

5. системы и средства программирования,

е. управление движущимися объектами.

7. теория, автоматизация и моделирование систем УВД.

е. моделирующие, обучающие и тренажерные комплексы.

Среди работ первого направления оказали существенное влияние системные представления Месаровича М- , Акоффа А. . Паска Г..

Анохина П. К. . Амосова Н. М- . Кухтенко А. И. . трейдера Ю. А- и др. Из обширного второго направления использованы работы Выгодского А. С. , Рубинштейна С. Л. . Прибрама К. . Воронина Л- Г. . Платонова К. К. , Гальперина П. Я.. Зинченко В. П. ■ Пушкина В. Н. . Напалкова

A.B. и др. Семиотические и процедурные аспекты моделирования рассматривались в работе на основе исследований Карнапа Р. . Калуж-нина JI. А.. Зиновьева А- А. . Заде Л. . Минского М. . Поспелова Д. А-. Журавлева Ю- И. , Шрейдера Ю. А- . Шенка Р.. Мельчука Н. А. . Винограда Т. » Попова Э. В. и др. Из четвертого направления следует отметить работы Шеннона Р., Буслешсо А. П. . Глушкова В.М.. Моисеева Н- Н-. Саридиса Д. Н. . Поспелова Г. С- Разработка средств программной реализации диспозиционных моделей осуществлялась на базе работ Хигмана П.. Вирта Н. . Кнута Д. . Ершова А. П. . Штармана

B. С.. Михалева В- М.. Последние три научных направления связаны с практическими применениями диспозиционных моделей при УВД. Среди них превде всего следует назвать работы Анодиной Т. Г. . Крыжанов-ского Г. А-.Задорожного А-И-.Хопкина В.Д.,Эрада Б.А..Кузнецова A.A. .Унгуряна С. Г- . Мокшанова В. И. . Дарымова Ю. П. и др.

Таким образом, актуальность темы исследований определяется потребностью разработки новых подходов к моделированию принятия решений человеком в сложных системах управления, разработки методов и создания средств компьютерного моделирования систем УВД. применения имитационных моделей для решения конкретных исследовательских. проектных и организационных задач управления воздушным движением.

Цель работы состояла:

1. в разработке принципов создания активных протокольных интеллектуальных моделей принятия решений человеком в сложных системах управления - метода даспозиционного моделирования при-

нятия решений;

г. в разработке диспозиционных моделей принятия решений диспетчерами управления воздушным движением;

3. в создании программного обеспечения ДМПР и компьютерных реализаций диспозиционных моделей систем УВД;

4. в разработке методики и проведении имитационных компьютерных экспериментов с ДМПР;

5. в использовании методики диспозиционного моделирования, категорийного аппарата и процедур ДМПР для решения практических задач УВД.

Общая методика проведения исследований. При формировании структурно-функциональной схемы модели принятия решений человеком в системах управления детально были проанализированы различные концептуальные представления о механизмах деятельности в психологии мышления и высшей нервной деятельности. Особое значение имели работы по когнитивной психологии и сложным системам временных связей- При этом проводились собственные экспериментальные исследования деятельности человека при решении задач- На этапе выработки предложений по формальному описанию моделей дис-позиционными средствами использовались методы, разработанные в теоретической и прикладной семиотике и искусственном интеллекте.

Настройка диспозиционных моделей на конкретную предметную деятельность человека с принятие решение диспетчерами УВД) сопровождалась многочисленными экспериментами в реальных и тренажерных условиях с применением различных методик опросов, регистрации и обработки поведенческих и электрографических показателей деятельности. Иногда это требовало изготовления и оригинальных экспериментальных установок.

Создание компьютерных реализаций моделей осуществлялось пу-

тем разработки системных и программных средств- Выработана собственная технология программирования диспозиционных моделей, базирующаяся на оригинальных языковых и инструментальных решениях.

При практическом использовании диспозиционных моделей выбор и постановка задач осуществлялась на базе теоретических исследований в области УВД. подходов к автоматизации систем, принципов построения тренажерных комплексов. Большое значение при этом имело сотрудничество с рядом коллективов из организаций гражданской авиации и промышленности, прежде всего совместные работы с Анищенко П. М. . Сулеймановым Р. Н. . Мутовкиным В. П. и другими. Основными при решении практических задач были методы имитационного компьютерного моделирования, разработки алгоритмов и экспериментального исследования деятельности авиадиспетчеров.

Научная новизна и практическая значимость работы определяется полученными результатами, подробно сформулированными в заключении. которые сводятся к

1. разработке метода диспозиционного моделирования принятия решений человеком в системах управления;

г. созданию диспозиционного моделирующего программного комплекса для имитации принятия решений в человеко-машинных системах и компьютерных версий для моделирования систем УВД;

3. проведении имитационных компьютерных экспериментов с диспозиционными моделями и получению оригинальных данных о поведении систем УВД в разнообразных условиях;

4. применению категорийных основ и процедур диспозиционных моделей для

- оценки нагрузок на диспетчера, пропускной способности и эффективности систем УВД.

- разработки прототипов экспертных систем оперативного

УВД и алгоритмов обнаружения и прогнозирования конфликтных ситуаций,

- создания структурно-деятельностных тренажеров для авиадиспетчеров,

- контроля уровня профессиональной подготовки диспетчеров,

- психофизиологических исследований деятельности диспетчеров УВД.

Реализация результатов исследований. Работа выполнялась в течении 1970-1996 гг. по ряду Постановлений ГКНТ СССР. Академии наук СССР. Гособразования СССР. Российской академии наук и Комитета по высшей школе РФ. по многолетним хозяйственным договорам с ВНЮТРА и Новочеркасским политехническим институтом и по договорам о научно-техническом сотрудничестве с Академией гражданской авиации и КИИГА. Полученные результаты конкретно использовались с подтверждено актами о внедрении): при разработке аппаратуры автоматизированных систем УВД; при оценке предложений по автоматизации систем и обучению диспетчерского состава; при оценке эффективности отечественных АС УВД; при проектировании тренажерных средств с элементами искусственного интеллекта; при разработке технологии контроля уровня профессиональной подготовки диспетчеров.

Метод диспозиционного моделирования излагается при чтении учебных курсов в Академии гражданской авиации и в МГУ им. Ломоносова М. В. .используется при выполнении курсовых, дипломных и диссертационных работ.

Апробация работа. Результаты диссертационной работы многократно обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и ведомственных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семина-

рах, что отражено в более чем 20 тезисах докладов. По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ с в том числе одна монография). указанных в заключительной части автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы с 176 наименований) и приложения с графики экспериментальных зависимостей). Общий объем работы составляет 328 страниц, в том числе 50 рисунков. 15 таблиц. 15 страниц списка литературы и 20 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы исследований, дается краткое изложение существующего положения в области моделирования принятия решений, ставится цель исследований и формулируются положения, выносимые на защиту.

В главе I обсуждаются основы построения диспозиционных моделей принятия решений человеком в системах управления. В психологии мышления и высшей нервной деятельности принятие решений рассматривается как сложный процесс переработки информации человеком, направленный на решение задач. Эффективными методами исследования принятия решенй являются методы формализации и моделирования. С позиций практического использования формализованных моделей и их компьютерных реализаций предлагается классификация существующих подходов и выделяется класс активных протокольных интеллектуальных моделей принятия решений. Если следовать интеллекта- бионической парадигме с Саридас Д. Н., 1979), во-первых, у такой модели должна существовать структурно-функциональная связь с деятельностью человека, во-вторых, она должна иметь развитые семиотические и процедурные средства описаний и. наконец, необходимы методы конструирования и экспериментальной идентификации

модели. Эти три требования в работе удовлетворяются следующим образом.

Структурно-функциональная связь модели с деятельностью опосредуется соотношением ее с содержательными и концептуальными представлениями о работе механизмов мозга при принятии решений, для решения задач управления - с механизмами оперативного мышления, которое определяется как процесс построения последовательности действий с управляемыми объектами, осуществляемыми на основе динамического моделирования этих объектов, их свойств и взаимоотношений. (Пушкин В.П., 1965). В работе приведена структурно-функциональная схема модели принятия решений, где можно выделить пять основных функциональных блоков: формирование ситуаций; трансляция решений; планирование; накопление и использование опыта; организатор.

Формирование ситуаций понимается как процесс обобщения и классификации ситуаций предметной области, т.е. ситуаций управления объектом. Под планированием подразумеваются процедуры сопоставления предметным и обобщенным ситуациям планов решения задач и программ действий модели; стратегическое планирование состоит в планировании на всю глубину задачи, а тактическое - в выработке решения для данного момента. Решение рассматривается как многоуровневая конструкция описаний действий модели; переход от самых обобщенных описаний к описаниям решений на предметном уровне, т.е. на уровне команд и управляющих воздействий, осуществляют процедуры трансляции решений. Приобретаемые при функционировании модели знания о предметной области обобщаются в режиме обучения в структуры семантической памяти. Организатор решения задачи содержит базу целей и критериев, обеспечивает внутримо-дельное представление реального временного процесса (таймер мо-

дельного времени) и оперативное взаимодействие модели на предметном уровне с управляемыми объектами.

Для описания функционирования отдельных блоков и всей модели в целом предлагается использовать аппарат диспозиций (Шрейдер Ю.А. с соавт., 1965 г.), позволяющей в рамках единого формализма описывать разнообразные типы данных и процедур; такие модели названы диспозиционшми. Диспозиция задается тройкой

, . ВХ . ВЫХ -п .

Б = <А , А , Гь-> где А*" и А""* - знаковые системы входных и выходных текстов диспозиции Б соответственно; Г0=<а, А, <рвя, <рвин, <рд, Ф1(> - граф диспозиции Б. Входные и выходные тексты диспозиции в общем случае представляют собой нечеткие иерархические тексты произвольной арности. В графе диспозиции:

1. с=<ю,и,Ро> - ориентированный граф с множеством вершин .V/ ,...,41 }, множеством ребер и={и ,и . ...,и } и Р, - ин-

12 б 12 р и

циндентором.

2. А={Л ,Д.....¿п) -множество диспозиционных операторов

¿^^..Хн.,? .V >, где оператор тс реализует отображение (пополнение, композицию, декомпозицию, переименование или установление отношений) текстов а®хе ав* в а!""е а;ь1х; оператор Т^ реализует операции формирования (пополнение, композицию) выходных текстов авы><«= а8ых; ^ , _ } - множество выходов

диспозиционного оператора; =<Р1£ - кортеж предикатов;

П ={о/ ,. .ш' } - множество функций вида ы (р1; ,р1,, р! ,.. .р' ) за-

V 12 ГЛ ] 1 * 9 П'

данных на истинностных значениях предикатов ; ^ :- отображение, по которому каждому выходу диспозиционного оператора ставится в соответствие некоторая функция « п .

3. Отображение <рвх:«вх->в задает единственный вход диспози-

ции, а Оиекция <р :{w ,у> Ыв, ,в„.....В } -

* ^ гвчх1 вых ' 2 вы* ' ' г >и* I ' г ' г.

выхода диспозиции.

4. Отображение срд "помечает" все вершины графа в, кроме выходных, метками операторов: (Рд:^\^1вь])< ."2вь1Х вых }}-Л.

5. Отображение Фо строится следующим образом: рассмотрим некоторую вершину wJe w с множеством исходящих ребер и , помеченную даспозиционным оператором Д1 ; биекция ф помечает ребра метками выходов оператора, тогда 9-г> Ф, • а

и и = и.

Функционирование диспозиции можно представить следующим образом. На вход поступает текст о**« Ав*, который обрабатывается даспозиционным оператором: осуществляется преобразование текста или его фрагмента в текст выходной знаковой системы, производится формирование структуры выходного текста, вычисляются значения предикатов и функций выхода. В зависимости от истинностного значения функций выхода управление процессом вычисления может быть предано сразу нескольким (при параллельной обработке данных) или обязательно хотя бы одному из операторов (при последовательной обработке данных), которыми помечены смежные по исходящим ребрам вершины графа и соединенные с вершиной, помеченной данным даспозиционным оператором, ребром, отмеченным функцией выхода, имеющей значение " истинно". Такая схема процесса выполняется в каждой вершине графа диспозиции; при попадании в выходную вершину процесс вычисления заканчивается, результатом считается полученный выходной текст авь'*-5 АВ1'Х.

J

В работе рассмотрено соотношение диспозиций с алгоритмическими схемами и исчислениями, введены понятия диспозиционного текста и нечеткой диспозиции, описаны операции над диспозициями с целью получения текстуальной и структурной иерархии описывае-

мых объектов.

Вопросы экспериментальной идентификации диспозиционнных моделей рассматриваются в диссертации на уровне задания и проверки выполнения структурных и количественных критериев адекватности реальных процессов и процессов принятия решений, реализуемых с помощью модели в имитационных компьютерных экспериментах.

Функционирование диспозидаонной модели принятия решений (Ш1Р) человеком в системах управления осуществляется в соответствии со следующей диаграммой работы (рис. I), где У - параметры, характеризующие состояние объекта управления; V - набор управляющих воздействий и команд; р - предикат, задающий цель; ? - система критериев управления; а - модельное описание ситуаций (а. - в текущий момент времени, а4 - начальное для плана решения задачи, с^ - конечное для плана); Х1 - модельное описание решения (Хь - в текущий момент времени, Х4 - на первом шаге плана, Хк.1 - на последнем шаге); - текущий (рабочий) план

решения задачи (п^ - выполненный план), их наборы Пи П, соответственно; сс - семантическая сеть; - трасса на сс (путь на СС между двумя указанными вершинами); их множества зо- трассы для обобщения с сс, Бп - трассы для получения планов. На диаграмме стрелками обозначены преобразования одних модельных текстов в другие в соответствии с указанными диспозициями I). Смысл основных используемых модельных понятий следующий.

Ситуации. Рассматриваются два уровня описания ситуаций принятия решения: предметная (набор параметров со своими значениями) и модельная (понятийная - набор информационных комплесов). Информационные комплексы (ИК) представляют собой сложные признаки или имена структурированных текстов с семантикой и являются результатом диспозиционных преобразований над предметными ситуа-

Рис. I. Диаграмма работы ДМП1'

циями или/и над понятиями.

Решения. Используются три уровня описания решений: команды, решения и обобщенные решения, каждое из которых является набором своих элементарных понятий. Каждое элементарное понятие включает оператор (предписание выполнить действие с произвольной переменной) и имя самой переменной; для элементарного решения указываются дополнительно наборы пояснений и условий выполнения, а при трансляции на уровень.команд они конкретизируются.

Цель принятия решений формализуется для ДМПР извне как предикат на множестве предметных или/и модельных ситуаций.

Критерии управления формализуются как многоуровневая система скаляризованных критериев, изменяющих свою структуру, например, в зависимости от класса понятийных ситуаций.

Планы - линейные структуры, представляющие собой последовательность понятийных ситуаций и обобщенных решений или решений, полученные в процессе решения задачи или на основе трассировки семантической сети с целью поиска плана решения предстоящей задачи.

Семантическая сеть является результатом обобщения выполненных ранее моделью планов и имеет двухуровневое описание. Первый уровень - уровень понятийных ситуаций (или их фрагментов), решений (или их фрагментов) и их отношений. Второй уровень - уровень обобщенных понятий (суперпонятий), обобщенных решений (суперрешений) и их отношений.

Модельная организация решения задачи управления характеризуется пошаговым событийным его представлением. Моменты наступления событий определяются условиями начала задачи, достижения цели и выполнения решений. Все контрольные функции в сфере оперативного управления (достижение цели, выполнение критериев, вы-

полнение решений) и задание режимов работы модели осуществляются головной диспозицией, которая является описанием ДМПР на верхнем уровне. На более низких уровнях функционируют следующие 16 диспозиций (рис.1): г1- формирования ситуаций; Б2- тактического ситуационного планирования; трансляции решений; тактического планирования по ожидаемому результату; т>с- стратегического планирования и оптимизации решений; трассировки СС; преобразования трасс в планы; В7- коррекции решений; вв- оценки и выбора плана; 01О- перехода к следующему щагу принятия решений;

формирования выполненного плана; формирования буферной памяти; в - представления планов в виде трасс; обобщения

трасс со структурами СС; перетрассировки СС; минимизации СС.

В тексте диссертации приведены полные описания всех диспозиций модели. Часть из них, связанных с планированием, накопле--нием и использованием опыта, не изменяется при моделировании принятия решений в широком классе логико-динамических систем управления, другие диспозиции (формирование ситуаций, трансляция решений) требует дополнительного уточнения при настройке модели на конкретную предметную область.

Глава 2 посвящена вопросам настройки ДМПР на имитацию принятия решений в системе УВД. Рассматривается модель оперативного управления воздушным движением, состоящая из трех частей: модель воздушной обстановки (МВО), задающая предметную область принятия решений; диспозиционная модель принятия решений диспетчером' УВД и интерфейсный блок связи ДМПР и МВО, обеспечивающий организацию решения задачи управления с помощью модельных диспозиционных средств. Эта комплексная модель названа диспозиционной моделью системы (ДМС), остановимся на описании основных ее компонентов.

- 1Ь -

Моделирование воздушного движения. Движение ВС описывается разностными уравнениями, выработка управляющих воздействий производится по крену, горизонтальному ускорению и вертикальной скорости, имитируются ошибки навигационных измерений и ошибки выдерживвания параметров. Летно-технические характеристики самолетов задаются таблично с разбросами в зависимости от типа ВС, режимов полета, секторов управления и высоты полета. Зона управления включает два сектора подхода и сектор круга, близка по структуре Ленинградской аэродромной зоне.

Формирование входного потока ВС. Предусмотрено два режима: в соответствии со статистическими данными о характеристиках потоков и в соответствии с расписанием. В первом случае для определения момента поступлления ВС в зону используется известное допущение о стационарности потока и о возможности апроксимации процесса пуассоновским законом распределения веооятностей; точка входа, тип ВС, высотные эшелоны входа (выхода) назначаются в соответствии с частотами, полученными при регистрации реальных потоков. В режиме формирования потока по расписанию указываются значения параметров поступающих под управление самолетов, часть из них моожет назначаться по умолчанию.

Имитация работы смежных немоделируемых секторов. Для взлетающих самолетов имитируются очередь на взлет, просчитывается время движения по рулежной дорожке и определяются момент и координаты при входе в сектор круга. В секторе посадки для каждого ВС поэтапно определяется его местонахождение до момента освобождения ВПП, формируется признак готовности посадки к приему следующего самолета и определяется по заданной вероятности факт ухода на второй круг. В секторах РЦ формируются условия приема и передачи самолетов для диспетчеров аэродромной зоны.

Моделирование временных затрат диспетчеров. При наступлении события (т. е. на каждом шаге принятия решений) определяется время на оценку ситуации (в зависимости от ее типа), время на выдачу команд (в зависимости от типа и аппаратуры ввода-вывода информации), время на запросно-информационные сообщения (в том числе при входе и выходе самолета из сектора управления). Значения всех составляющих получены путем их замера в реальных условиях.

Модельная организация принятия решений при УВД. Момент наступления события в ДМПР определяется выполнением хотя бы одного из пяти условий, проверяемых с заданным временным шагом дискретизации процесса: вход ВС под управление диспетчера сектора управления, выполнение условий передачи ВС в соседний сектор управления, выполнение ВС предписанного маневра, нарушение ВС заданного уровня значения критериев управления, принятие со стороны ДМПР решения (внутреннегоо для модельногоо процесса) об изменении плана проводки самолетов (например, для согласования планов полетов конфликтующих ВС). Если условия выполняются для нескольких самолетов одновременно, то обслуживание производится по системе приоритетов.

Цель для даПР формулируется в виде предиката, проверка которого устанавливает наличие определенных информационных комп-лексоов в понятийной ситуации, описывающей состояние объекта управления в данный момент времени.

На основе эксперименталлных исследований деятельности диспетчеров предложена и реализована четырехуровневая система критериев: минимального управления, автономности полетов, бесконфликтности полетов и безопасности. Приведены формализации критериев для определения их значений в данный момент времени, на

данном шаге принятия решений и для всего плана решения задачи.

Диспозиция формирования ситуаций. Предметная ситуация определяется значением параметров, связанных с каждым ВС, находящимся под управлением. Это параметры для идентификации ВС и его пространственного положения; параметры, описывающие сектор управления и маршрут полета, а также модельные (т. е. формируемые при работе ДМПР) признаки и модельная информация о ВС. Граф диспозиции формирования понятийной ситуации имеет 51 вершину, помеченную одним из 31 оператора преобразования предметной ситуации в информационные компллексы (всего используется 156 ИК).

Трансляция решений. Для формализации решений используется один тип операторов: «выполнить для данной переменной указание, содержащее в пояснении к решению>, переменная может быть названа (курс, высота, маршрут и т. д.) или быть условной (неизвестной). При конструировании решений используется 42 различных пояснения и 27 условий выполнения. Согласно общему описанию ДМПР при трансляции с уровня обобщенных решений на уровень решений происходит выбор из указанных наборов пояснений и у словий выполнения по имени переменной, а при трансляции с уровня решений на уровень команд - конкретизация текстов пояснений и условий выполнения.

Ситуационное планирование. Согласно общему описанию ДМПР принципы работы диспозиции ситуационного планирования сводятся к циклическому применению для текущей понятийной ситуации исходно заданных операторов включения в результирующий список обобщенных решений, а затем - операторов исключения. При описании операторов используются объекты специального вида: предикат, заданный на множестве информационных комплексов и набор решений; если предикат по вхождению ИИ в текущую понятийную ситуацию истинен, то указанные решения включаются (исключаются) в результирующий

набор. В ДМПР применяется 56 таких правил для включения решений и II для исключения.

В тексте диссертации значительное место уделено раскрытию семантики и содержательной интерпретации внутримодельных понятий т. е. формализуемых и используемых ДМПР при выработке описания ситуаций и решений. Имеются примеры, демонетрирукхцие проводки самолетов, осуществленных с помощью ДМПР. Точное и полное описание компонентов ДОС УВД содержится в [21,-кн. I].

В главе 3 рассматриваются вопросы построения программных реализаций диспозиционных моделей и проведения имитационных компьютерных экспериментов с ними. Были созданы две версии ДМПР в системах УВД; первая, более ранняя (ДМС1) - настроена на имитацию процесса в секторе подхода, вторая (ДМС2) - на имитацию процесса в аэродромной зоне (два сектора подхода и сектор круга). Опыт разработки и практического использования ДМС1, компьютерная реализация которой была выполнена в макрокодах, определила три группы пользователей такими моделями: разработчики ДМПР' для конкретных предметных областей (проблемные программисты); специалисты по эксплуатации программных систем, работающие на уровне организации и проведения ИКЭ; специалисты в предметной области (специалисты по УВД), работающие на уровне результатов ИКЭ. В соответствии с этим комплекс средств для моделирования - Диспо-зиционный Моделирующий Программный Комплекс (ДМПК), использованный при разработке второй версии ДМС2, состоит из трех частей: специализированная система программирования (ССП), диспозицион-ная модель принятия решений в системе УВД, экспериментальный банк данных (ЭБД).

ССП включает четыре компонента: 1. Входной язык -Язык Разработчика Диспозиционных моделей

принятия решений (ЯРД), являющийся средством программирования интерфейса "предметная область - неизменяемая часть ДМПР"; основной задачей разработки языка ЯРД является создание средств описания диспозиций и сложноорганизованных текстов, относится к сентенциальным языкам программирования.

2. Язык управления заданиями, представляющий собой набор директив стандартного формата, обеспечивающих выполнение различных работ с ЯРД-программами.

3. Математическое обеспечение, включающее транслятор с ЯРДа и мониторную систему обеспечивающую выполнение работ, определенных директивами языка управления заданиями.

4. Пакет системных модулей, включающий машинные программы, которые реализуют неизменяемую часть ДМПР и административную систему, координирующую счет готовых программ.

Программные компоненты ССП написаны с использованием языков АСТРА и БЭМШ для ЭВМ БЭСМ-6. Система является автономной и работоспособна в любой операционной обстановке. Система программирования зарегистрирована в Госфонде алгоритмов и программ [13] и использовалась в ряде организаций как стандартное математическое обеспечение БЭСМ-6.

Компьютерная реализация ДМС любой конкретной системы управления включает две части: проблемную часть, написанную на языке ЯРД, и системную часть, обеспеченную стандартными средствами ССП и предназначенную для реализации процессов планирования, выполнения планов, оптимизации, накопления и использования опыта. Проблемная часть для системы УВД включает: модель воздушной обстановки и летно-технические характеристики ВС; информацию о структуре зоны управления и о правилах выполнения полетов в ней; модель формирования входного потока ВС; модель временных затрат

диспетчеров УВД; модель взаимодействия со смежными ( немоделиру-емыми) секторами управления; диспозицию формирования ситуаций; правила трансляции решений; правила порождения решений в диспозиции ситуационного планирования; модельную формулировку цели; формулировки критериев управления; правила событийной дискретизации процесса управления. Объем программе ДМС2 824 предложения ЯРДа (25300 машинных слов БЭСМ-6), среди них 581 предложение составляют проблемные компоненты ДМПР и 124 предложения информационно массивы; время трансляции программы - 68 сек. Полный текст программы ДМС2 представлен в [21, кн. 5].

В ДМС есть группа процедур,выполняющих вспомогательную роль относительно имитируемого в компьютерном эксперименте процесса УВД и предназначенная для формирования и накопления информации об экспериментальных проводках ВС в форме протоколов для последующего автономного использования ее средствами программного комплекса ЭБД. Информация для экспериментального банка данных формируется на внешнем носителе путем периодической перезаписи содержимого буферного массива, накапливаемого в результате работы специальных процедур, запускаемых из различных программных компонентов ДМС. В протоколах в хронологическом порядке расположены слова двух типов. Слова первого типа формируются в моменты наступления события для каждого ВС и содержат значения параметров самолета в этот момент, модельное описание ситуации и решений. Слова, второго типа формируются в момент появления или/и окончания какого-либо названного факта, при этом запоминается имя факта и информация о нем. С помощью средств ЭБД в автономном режиме из этих данных могут быть получены для конкретного имитационного эксперимента: полный ситуационный протокол; сокращенный ситуационный протокол; проводочный протокол; фактуальные протоколы;

итоговые таблицы проводки; рисунки проводок ВС; графики экспериментальных зависимостей.

Организация имитационных компьютерных экспериментов связана с вырьированием параметров модели и оценкой реализуемого модельного процесса. Для оценки принятия решений в системе УВД используется набор параметров, относящихся к одному из шести классов: объектные, ситуационные,временные,управленческие,общесистемные и реализационные.

Проведнию исследовательских компьютерных экспериментов предшествовал анализ работоспособности модели и оценка адекватности модельных и реальных процессов управления в смстеме УВД. Работоспособность модели исследовалась в начальный период функционирования модели в процессе накопления опыта (формирования памяти модели), т. е. рассматривался процесс обучения модели; эксперименты проводилась с версией ДМС1. Данные свидетельствуют о неэффективности управления на основе необученной модели. Наличие фактов нарушения норм эшелонирования, повышенные значения времени нахождения ВС в секторе управления, объектной, временной и ситуационной загруженности диспетчера говорит об общей неустойчивости и. как результат, сложности управления ВС с помощью необученной ДМПР.

Эксперименты по обучению модели позволили сформулировать достаточно простые критерии для обучения и разработать экономную (с точки зрения компьтерных затрат) стратегию этого процесса. Цель обучения - настройка ДМС на имитацию процесса УВД. адекватного реальным процессам, реализуемым диспетчерами УВД. Обучение целесообразно проводить по двум критериям. Первый состоит в минимизации разности времени нахождения ВС под управлением для модельного и реального процессов. Второй критерий - критерий мини-

мума новизны информации для ДМПР. который состоит в требовании планирования в имитационном эксперименте преимущественно на основе памяти модели, т.е. чтобы коэффициент использования памяти превосходил заданный уровень.

Оценка адекватности реальных и модельных процессов УВД проводились после обучения модели. Использовались две группы критериев: сходство вееров описаний ситуаций и решений диспетчерами УВД и в модели; совпадение интегральных параметров принятия решений для модельного и реального процессов. Первая группа носит качественный характер и заключается в сравнении описаний ситуаций и команд диспетчеров, с одной стороны, с формируемыми в ДМПР понятийными ситуациями и решениями, с другой стороны. По существу требуется, чтобы модель для всех предметных ситуаций порождала более широкий набор понятийных ситуаций и решений, чем это можно наблюдать в эксперименте с диспетчерами, что и было показано в результате проведенных экспериментов. При оценке адекватности по второй груше критериев сравнивались значения параметров принятия решений, полученные путем обработки протоколов проводки ВС при реальном УВД и протоколов проводки при моделировании системы в тех же условиях. Требовалось при выполнении условий безопасности полета совпадения этих значений. Положительный результат получен по всем сравниваемым параметрам: время нахождения ВС под управллением, временная, ситуационная и объектная загруженности диспетчера, количество требований на обслуживание ВС, количество команд по типам.

Процесс компьютерной имитации во всех экспериментах (включая и нимжеописываемые исследовательские эксперименты) превосходил реальный процесс в 2-120 раз в зависимости от интенсивности воздушного движения и структуры зоны управления

Глава 4 посвящена исследованию систем УВД в имитационных компьютерных экспериментах. Проведено три цикла ИКЭ. Первый цикл выполнялся на версии ДМС1, ставилась задача получить данные об изменении параметров принятия решений в системе УВД при увеличении интенсивности входного потока ВС (в компьютерных экспериментах относительная интенсивность (по отношению к наблюдаемой в реальности) изменялась в условиях: работы диспетчера с временными затратами, равными в реальной системе, и в идеальных условиях при нулевых временных затратах; существующей схеме сектора управления и увеличенной в радиальном направлении в два раза; при интервале передачи ВС в сектор круга, близком к существующему, и при нулевом интервале передачи; при полном оснащении ВС системами "ответчика", при пятидесяти процентном уровне и при отсутствии таких систем. Компьютерные эксперименты проводились для всех возможных наборов этих параметров. В результате получены экспериментальные зависимости от относительной интенсивности входного потока ВС при указанных наборах параметров следующих показателей принятия решений в системе УВД: время нахождения ВС в зоне управления, временная, ситуационная и объектная загруженности диспетчера, количество команд по типам и т.д. Проведен сравнительный анализ систем по влиянию исследуемых в эксперименте параметров на эффективность работы по названным показателями и на пропускную способность по временной нагрузке на диспетчера.

Второй цикл ИКЭ выполнялся на версии ДМС2. Цель - исследование функционирования системы в отдельных секторах при их совместной работе в условиях изменения интенсивности входного потока ВС и уровня автоматизации системы по временым затратам диспетчера. Относительная интенсивность входного потока ВС q изменялась

от 0,5 до 4 (я=1 соответствует наблюдаемой в реальности интенсивности 23,75 [ВС/час]). Реальным временным затратам (в условиях работы диспетчера на апаратуре "Строка") соответствует базисная модель временных затрат и значение задаваемого в эксперименте параметра Кх=1. В экспериментах этот параметр варьировался и принимал значения от 0 до 2, что соответствовало Кт - кратному изменению временных затрат диспетчера при имитации процесса. В результате проведенных экспериментов получены зависимости показателей принятия решений от я при изменении значения к^.

Анализ результатов показывает, что для всех систем с разными временными затратами диспетчера по экспериментальным графикам можно указать некоторое значение ч*, когда при q > q* нарушается работоспособность, которая приводит к резкому росту временной, ситуационной и объектной загруженности в одном или нескольких секторах и к значительному увеличению количества ВС, находящихся в зонах ожидания и в очереди взлета, что ведет к отказу модели от обслуживания самолетов и, как следствие, к уменьшению (процентному от поступающих на обслуживание) количества обслуживаемых ВС и снижению ситуационной, временной и объектной загруженности в других секторах управления. Значение П названо организационно-функциональной пропускной способностью системы и экспериментальные графики показателей принятия решений приведены в диссертации для значений ^ ч*.

В третьем цикле ИКЭ использовалась, как и во втором цикле, версия ДМС2 с коррекцией модели временных затрат, которая за счет количественных и структурных изменений настраивалсь на имитацию принятия решений в условиях работы диспетчера с помощью различных отечественных технических средств. Исследуемыми системами и их вариантами были: "Строка" (диспетчер радиолокационного

управления (ДРУ) работает совместно с оператором); "Строка" (ДРУ работает без оператора); "Старт" (ДРУ работает совместно с ассистентом); "Старт" (ДРУ работает без ассистента); "Спектр" (ДРУ работает совместно с диспетчером процедурного контроля и ассистентом); перспективная АС УВД "Синтез", в которой предполагается автоматическое обнаружение и полуавтоматическое разрешение ПКС на этапах текущего планирования и управления. Как и прежде, цель состяла в исследовании функционирования систем при увеличении относительной интенсивности входного потока ВС в аэродромной зоне. Как и ранее в предыдущих циклах определена организационно-функциональная пропускная способность систем и получены экспериментальные зависимости показателей принятия решений.

В работе результаты имитационных экспериментов использованы для сравнительного анализа систем по нагрузке, пропускной способности и эффективности. Диспозиционное моделирование не только дает возможность измерить эти показатели, но может быть прменено для уточнения самих понятий. Общая нагрузка на диспетчера есть комплекс трех показателей: объектная, временная и ситуационная нагрузки. Измеренное значение каждого показателя определяется по имитационным экспериментальным зависимостям соответствующих загруженностей диспетчера. Такой подход следует назвать поведенчес-ко-модельным яри экспликации понятия нагрузки.

Под пропускной способностью (ПС) понимается характеристика, определяющую грань сохранения работоспособности системы. Уже был назван феномен потери работоспособности, связанный с организационно-функциональной ПС. В имитационных экспериментах также наблюдалась потеря работоспособности, выраженная в экпотенциальном росте при q > сложности ситуаций управления в одном или нескольких секторах. Причем qc не зависит от к% и для проведенных

исследований = 2,375. Это послужило основанием для введения понятия ситуационной пропускной способности Пс=яс. Результирующая пропускная способность системы П определяется минимумом значений По<> и Пе. Целесообразно при определении ПС учесть ограничения, накладываемые по факторам, не имеющим фатального значения для потери работоспособности; для систем УВД - например, по объектной, временной и ситуационным нагрузкам. В диссертации приведен цифровой материал по оценке пропускных способностей всех моделируемых систем по результатам ИКЭ в соответствии с предложенным подходом.

Эффективность систем УВД в работе оценивается по пропускной способности и по нагрузкам на диспетчера путем сравнения значений названных параметров сравниваемых систем или показателей данной системы и эталонной, приведены фактический материал и результаты оценки эффективности всех моделируемых систем.

Глава 5 посвящена практическим аспектам использования дис-позиционных моделей принятия решений. Применение результатов ди-спозиционного моделирования определяется тремя подходами к оценке существа ДМПР. Во-первых, модель можно рассматривать как аппарат для фиксации уровня понимания процесса и использовать понятия и процедуры ДМПР для уточнения определений и описаний различных сторон и элементов деятельности человека. Во-вторых, модель является набором постановок и средств описания задач, которые решаются в системе управления, что дает возможность применять процедуры модели в качестве алгоритмов решения задач при создании математического обеспечения систем УВД и диспетчерских тренажеров. В-третьих, ДМПР в программном варианте представляет собой, по существу, имитатор деятельности человека в системе, а это открывает пути использования программного варианта при мате-

матическом моделировании системы. Четвертая глава была посвящена рассмотрению третьего направления практического использования диспозиционных моделей. В данной главе изложены конкретные разработки по первому и второму направлениям.

Экспертная система.В ДМПК имеются ССП, которая является инструментальным средством разработки, и ДМС, которая представляет собой прототип экспертной системы (ЭС) непосредственного УВД. По существующей классификации ЭС (Попов Э.В. с соавт., 1995) ДМПК относится к классу динамических гибридных ЭС с подсистемой внутреннего моделирования объекта управления, с использованием для разработки прототипов прблемно-ориентированной оболочки с языком общения сентенциального типа. Зарубежные же аналоги,созданные все позднее ДМПК, являются статическими ЭС с продукционной моделью знаний и не обеспечивают компьютерную имитацию процесса управления.

Прогнозирование и обнаружение конфликтных ситуаций (КС). На основе маршрутного, зонно-временного и высотного принципов классификации ситуаций в ДШ1Р разработан эвристический алгоритм поисковых процедур идентификации самолетов, образующих КС. Маршрутный принцип состоит в том, что для структуры зоны можно указать специальные классы пар маршрутов. Принадлежность маршрутов самолетов к этим классам указывает на возможность и характер конфликта. Классы пар могут быть заданы перечислением своих составляющих или через свойства маршрутов, входящих в эти пары. Если для двух самолетов их маршруты не принадлежат ни одному из заданных для зоны классов, то они находятся в бесконфликтной ситуации (БС). В противном случае, между ними возможна потенциально-конфликтная ситуация (ПКС) и ее тип определяется именем класса. Для двух маршрутов одного класса можно указать пространственную

зону конфликта, т.е. область, только в которой могут конфликтовать два самолета с траекториями, построенными на основе назначенных маршрутов.Зонно-временной принцип основан на анализе местонахождения экстраполируемой по маршрутам на зону конфликта точки сближения самолетов в горизонтальной плоскости: если точка сближения находится вне зоны конфликта, то ситуация относится к классу БС. Если же точка сближения находится в зоне конфликта, то между самолетами возможена ПКС. Высотный принцип учитывает возможность сближения самолетов по высоте в зоне конфликта в зависимости от текущих высотных координат самолетов, их тенденций и максимальных скоростей набора высоты и снижения.

В диссертации приведена формализация этих принципов и алгоритм обнаружения КС на их основе построенный, включающий три независимых цикла: прогнозирование ПКС, коррекция записей ПКС и фильтрация ПКС. Сделан сравнительный анализ по эффективности, поисковых процедур в данном методе, методе фильтрации по дальности и методе неявной геометрической фильтрации с использованием потоковых моделей. Показано, что по предлагаемому алгоритму условное компьютерное время вычислений пропорционально (с коэффициентом близким к единице) интенсивности входного потока ВС. Это существенно меньше, чем при других методах, где время пропорционально квадрату интенсивности или числу пространственных квадратов.

Структурно-деягельностный тренажерный модуль для подготовки диспетчеров. Тренажерные средства, предназначенные для создания подобной рли адекватной информационной модели деятельности, можно назвать информационно-деятельностными в противоположность ст-руктурно-деятельностным тренажерам, где не только имитируются условия реальной профессиональной работы, но и предоставляется

информация о структуре деятельности в этих условиях (какие, когда, на основе каких данных, в какой последовательности принимаются решения; возможны, обязательны или рациональны они; каков их результат и т. д.). В качестве структурной модели деятельности в таких тренажерах предлагается использовать ДМПР.

Разработан программный модуль АСДЮ1 (Автономный Структурно-Деятельностный Имитатор Проводки воздушных судов) для индивидуального и группового обучения диспетчеров УВД и реализован на программно-аппаратной базе учебного модульного тренажера УТМ "Инструктор". Он служит для выдачи на экран монитора графической и текстовой информации о движении ВС в зоне управления и данных из диспозиционного протокола решения задачи с помощью ДМПР (описаний ситуаций и решений для всех шагов принятия решений). Предусмотрены три режима прокрутки процесса решения тренажерного упражнения: режим пошаговой проводки с имитацией движения ВС (скорость пркрутки может изменяться), режим пошаговой проводки со следами событийных переходов и режим полной событийной проводки с демонстрацией комментария. Имеются программные средства подготовки упражнений для АСДИП.

В плане дидактического обеспечения рассмотрены вопросы получения диспозиционных протоколов как в результате компьютерной имитации процесса решения упражнения, так и при ручной прокрутке с использованием понятий ДМПР, разработаны предложения по технологии обучения на структурно-деятельностных тренажерах.

Система оценки профессиональной подготовки диспетчеров. Предложены технологии и алгоритмы для контроля успешности выполнения учебного или контрольного упражнения, контроля успеваемости и контроля уровня профессиональной компетенции. В основу способа определения ошибок обучаемого положена идея сравнения дис-

позиционных протоколов реальной и нормативно-рациональной деятельности человека, получаемых в результате прокрутки упражнений на ДМПР.

Согласно диспозиционной парадигме,ошибки при принятии решений заключаются в: ошибках определения момента возникновения событий; ошибках классификации и описании ситуаций принятия решений; ошибках нерационального ЕЫбора решений; ошибках при трансляции решений на предметный уровень задачи; ошибках при контроле условий выполнения и в предсказании результатов команд.

Оценивание ошибок по протоколам производится прямыми методами (т.е. на основе непосредственного подсчета ошибок) или косвенными методами (т.е. путем измерения отклонения протокола от эталонного по некоторым обобщенным параметрам или свойствам). В качестве таких обобщенных параметров используются фуункционалы безопасности, бесконфликтности полетов, автонокости полетов и минимального управления. Прямые методы целесообразно применять для оценки успешности выполнения учебных упражнений, а косвенные при оценке успешности выполнения контрольных упражнений и при определении профессионального рейтинга обучаемых.

Для оценки успешности выполнения отдельных заданий и успеваемости предложено вместо числовых значений показателей применять лингвистические оцекни. Рассмотрена шестиэлементная шкала лингвистических оценок, построенная на базовых понятиях <хорошо> и <плохо> с использованием лингвистических неопределенностей и базовых нечетких операций (Заде Л, 1976). Проанализированы возможные тактики инструктора тренажерной подготовки при лингвистическом оценивании.

Для оценки профессиональной компетенции используется профессиональный рейтинг - условный числовой коэффициент, характери-

зующий относительный уровень профессиональной подготовки обучаемого. Процесс оценивания в этом случае состоит в переходе от лингвистической оценки к числовой по шкале "успех-неуспех" и далее к корректировке профессионального рейтинга в соответствии с игровой моделью и методикой, предложенной Эло А. Рассмотрены алгоритмы рассчета профессионального рейтинга в различных условиях организации тренажерного процесса.

Использование диспозиционных модельных представлений при экспериментальных исследованиях деятельности диспетчеров.Прове-дение достаточно гонких экспериментальных исследований деятельности человека при управлении часто ограничивается незнанием того, как разложить сложную деятельность на отдельные элементы, связать с ними поведенческие, электрографические или какие-либо другие реакции человека, описать проблемную ситуацию. ЖПР является формализованной экспликацией определенных концептуальных представлений об организации и механизмах деятельности человека, содержит средства описания и структурирования принятия решений. Это позволило разработать ряд методических приемов организации экспериментов с диспетчерами УВД и интерпретации экспериментальных данных, получить новые факты о принятии решений диспетчерами.

В первую очередь было обращено внимание на классификационные возможности ДОПР: диспозиция формирования ситуаций является классификатором процедурного типа, позволяющая относить реальные ситуации управления к разным классам толерантности, имена которых могут быть названы типом ситуации.Результаты экспериментов свидетельствуют о тесных корреляционных связях сложности ситуаций (т.е. их типов) с поведенческими (время решения и количество ошибок) и электрографическими показателями деятельности. По мере

увеличения сложности экспериментальной задачи наблюдается увеличение колебаний дыхательной ритмики и увеличение частоты сердечных сокращений. Качественная оценка КГР говорит о том, что с ростом сложности задач реакция становится более выраженной, а сам момент появления КГР в основном совпадает с моментом возникновения события. Наиболее информативными являются данные анализа ЗЭГ и РЭГ. Факт появления события приводит к увеличению коэффициента кросскорреляции в симметричных (преаде всего лобных) областях полушарий мозга. Сложность ситуации хорошо коррелирует с изменением дисперсии среднего уровня асимметрии волн ЗЭГ и особенно выделенного альфа-ритма (затылочная область полушарий мозга). Для РЭГ-волн наиболее показательны динамика изменения дик-ротического отношения при изменении сложности ситуаций: всегда наблюдается его рост при увеличении сложности в случае регистрации реоэнцефалограммы в моменты как до появления события, так и после; причем в правом полушарии этот рост гораздо интенсивнее и по абсолютному значению превосходит значение дикротического отношения в левом полушарии (фронтально-мастоидальное отведение).

Следующий шаг использования диспозиционных модельных представлений связан с применением понятия диспозиционного протокола для фиксации и разложения целостной деятельности на элементы. Разработаны методики получения таких протоколов для реальных проводок ВС при ручной или параллельной компьютерной прокрутки фрагментов УВД. Появилась возможность характеризовать фрагменты УВД через параметры деятельности диспетчера, которая рассматривается как сложный умственно-речедвигательный навык, связанный с мысленным построением пошаговых процессов управления от события к событию и их реализацией. Поэтому показателем деятельности могут быть свойства структуры таких навыков, которые фиксируются в

диспозиционных протоколах. К ним относятся количество шагов принятия решений, количество реализованных навыков, тип ситуации принятия решений, многообъектность навыка, конфликтность и время решения задачи. Результаты проведенных исследований устанавливают корреляционные связи этих параметров с поведенческими и электрографическими показателями деятельности, функциональным состоянием и напряженностью работы диспетчера.

В диссертации отмечено, что практичесие приложения диспозиционных моделей не исчерпываются приведенными в работе, указаны основные направления продолжения исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. В соответствии с предложенной классификацией моделей определен класс активных протокольных интеллектуальных диспозиционных моделей принятия решений человеком в системах управления. Для их обоснования рассмотрены семиотические и процедурные аспекты моделирования, уточнены понятия диспозиционных текстов и процедур,проанализированы существующие и разработаны оригинальные методики экспериментальной идентификации и конструирования диспозиционных моделей.

2. Разработана структурно-функциональная схема диспозици-онной модели принятая решений (ДМПР) в человеко-машинных системах,включающая: модель формирования ситуаций, представляющюя собой диспозицию перехода от предметных ситуаций к обобщенным описаниям в виде набора информационных комплексов; модель трансляции решений - набор диспозиций для трансляции решений с уровня обобщенных решений на уровень кокретных команд и управляющих воздействий; модель накопления и использования опыта - набор дис-

позиций формирования семантической памяти на основе приобретенных "знаний" (реализованных планов), трассировки семантической сети (построения планов) и перекомпановки сети; модель планирования - набор диспозиций стратегического и тактического планирований; модель организации процесса управления - набор правил событийной дискретизации процесса, модельные формулировки цели и критериев принятия решений.

Функционирование модели в различных режимах осуществляется в соответствии с ее диаграммой работы. Б ДМПР можно выделить часть диспозиций (планирование, накопление и использование опыта Одинаковых для принятия решений в широком классе логико-динамических систем управления, другие диспозиции требуют для своего полного описания дополнительных исследований деятельности человека в конкретной предметной области.

3. Для процесса принятия решений в системах УВД путем экспериментального исследования деятельности диспетчеров в аэродромной зоне разработаны точные описания диспозиций планирования, формирования ситуаций и трансляции решений, уточнены правила событийной дискретизации процесса управления, модельных формулировок цели и критериев принятия решений. Тем самым осуществлена "настройка" ДМИ3 на конкретную предметную область.

4. Создан диспозиционный моделирующий программный комплекс (ДМПК), предназначенный для разработки и использования компьютерных версий ДМПР', включающий три уровня программных продуктов: специализированная система программирования (ССП); диспо-зиционная модель системы УВД (ДМС); экспериментальный банк данных (ЭБД). В ССП содержатся системные средства, обеспечивающие Функционирование диспозиций, языковые средства для описания процедур,структурированных данных и диспозиций, программные мо-

дули, воспроизводящие работу ДМПР в основных режимах. В ДОС можно выделить три группы программ: модель воздушной обстановки (МВО), ДМПР диспетчера УВД, интерфейсные программы, обеспечивающие взаимодействие ДМПР и МВО и имитирующие проводки воздушных судов в смежных немоделируемых секторах управления. ЭБД представляет собой комплекс сервисных программ для накопления данных о компьютерных экспериментах с ДМС в форме протоколов проводки ВС, их обработки и представлении в автономном режиме работы.

5. Проведено исследование динамики обучения ДМПР, сформулированы критерии обучения и разработана экономная стратегия этого процесса. Обучение целесообразно проводить по двум критериям¡первый состоит в минимизации разности времени нахождения ВС под управлением для модельного и реального процессов, второй - критерий минимума новизны информации для ДМПР, который состоит в требовании осуществления планирования преимущественно на основе памяти модели (на основе прошлого опыта). Входная обучающая последовательность характеризуется входным потоком ВС, по структуре и интенсивности аналогичным реальному. По результатам компьютерных экспериментов за приемлимое время имитации полетов модель переходит в режим успешного управления по большинству показателей.

6. Реализованы две компьютерные версии диспозиционной модели системы УВД. В первой версии (ДМС1) модель настроена на имитацию оперативного УВД в секторе подхода, во второй версии -на имитацию оперативного УВД в аэродромной зоне (два сектора подхода и сектор круга). Осуществлена настройка параметров функционирования модели на показатели нормативно-рациональной деятельности диспетчеров УВД. Оценка адекватности принятия решений в реальных и модельных условиях проводилась по двум группам кри-

териев. Согласно критериям первой группы требовалось, чтобы множество описаний ситуаций и решений, генерируемых ДМШ1' в компьютерном эксперименте,включали множество описаний ситуаций и решений, применяемых диспетчерами в аналогичных условиях. Адекватность по критериям второй группы состояла в выполнении требования' совпадения оценок по показателям принятия решений в модельных и реальных условиях.Предложена и отработана методика организации и проведения имитационных компьютерных экспериментов с ДМС.

7. Выполнен цикл имитационных компьютерных экспериментов с версией ДМС1 по исследованию поведения системы УВД в секторе подхода при изменении пропускной способности сектора круга, при изменении радиальных размеров сектора подхода, при различных уровнях автоматизации обмена информацией "борт-земля" и при изменении уровня автоматизации системы по временным затратам диспетчера.Получены экспериментальные зависимости от указанных варьируемых параметров при увеличении относительной интенсивности входного потока ВС в сектор управления следующих показателей принятия решений в системе: времени нахождения ВС в секторе управления, временной, ситуационной и объектной загруженностей диспетчера, сложности ситуаций управления, количества команд по типам и других.Проведен сравнительный анализ влияния исследуемых в эксперименте параметров на эффективность работы системы по названным показателям и на пропускную способность системы по временной нагрузке на диспетчера.

8. Выполнен цикл имитационных компьютерных экспериментов с версией ДМСЕ по исследованию поведения в аэродромной зоне систем УВД с различным уровнем автоматизации временных затрат диспетчера (от идеальной, т.е. с нулевыми затратами, к реальной и

далее, к системам с увеличенными временными затратами). Для всех систем получены экспериментальные зависимости показателей принятия решений(временная, ситуационная и объектная загруженности диспетчера;частоты поступления и объемы задержек самолетов в очереди взлета и в зонах ожидания; частоты и объемы задержек радиосвязи, приема под управления и передачи в смежные сектора управления; количество команд по типам и другие) во всех моделируемых секторах управления как функций относительной интенсивности входного потока в зону управления. Проведен сравнительный анализ систем по организационно-функциональной и ситуационной пропускным способностям,по общей пропускной способности с учетом ограничений на временную, ситуационную и объектную нагрузки на диспетчеров и анализ по изменению значений отдельных показателей принятия решений.

9.Выполнен цикл имитационных компьютерных экспериментов с версией ДМС2 по исследованию поведения отечественных систем УВД в аэродромной зоне. Путем структурной и количественной по составляющим корректировкам модели временных затрат диспетчеров в базовом варианте ДМС2 осуществлялась настройка модели на следующие системы: "Строка" при работе диспетчера радиолакационного управления с оператором и без него, "Старт" при работе с ассистентом и без него, "Спектр" и "Синтез". Для всех систем получены экспериментальные зависимости изменения показателей принятия решений (аналогичных перечисленным в п.8) как функций относительной интенсивности входного потока ВС в зону управления. Проведен сравнительный анализ систем по прежней методике.

Ю.На основе опыта формализации и компьтерного моделирования принятия решений эксплицированы понятия нагрузки на диспетчера,пропускной способности (ПС) и эффективности систем УВД.

Нагрузка определяется комплексом объектной, ситуационной и временной нагрузок, объединяющим поведенческий и модельный подходы к ее оценке через объектную, ситуационную и временную загруженности диспетчера, экспериментальные зависимости которых от относительной интенсивности входных потоков ВС и уровня автоматизации временных затрат диспетчера получены в имитационных компьютерных экспериментах. Введены понятия организационно-функциональной пропускной способности системы, ситуационной ПС и пропускной способности при ограничениях на нагрузки диспетчера. В имитационных компьютерных экспериментах продемонстрированы феномены потери работоспособности системы при интенсив-ностях входных Потоков ВС, превышающих организационно-функциональную и ситуационную ПС, определены значения отдельных видов ПС и общей пропускной способности для систем -УВД с различными уровнями автоматизации временных затрат диспетчера и для отечественных систем. Эффективность систем УВД оценивается по пропускной способности и по нагрузкам на диспетчера. Предложены методики вычисления (используя данные компьютерных экспериментов) эффективности при попарном сравнении систем и при сравнении с эталоном. Получены данные по оценке эффективности отечественных систем.

II.Созданный диспозиционный моделирующий програмнный комплекс представляет собой набор инструментальных средств для разработки и одновременно является прототипом динамической гибридной экспертной системы оперативного управления воздушным движением,обладающей подсистемой внутреннего моделирования и функционирующей в реальном масштабе времени; может использоваться для обучения диспетчеров и отработки концепций автоматизации процессов УВД.

12. Разработан эвристический алгоритм обнаружения и прогнозирования конфликтных ситуаций при УВД, базирующийся на маршрутном, зонно-временном и высотном принципах классификации ситуаций в ДМШ\ Алгоритм обеспечивает большую эффективность поисковых процедур по сравнению с известными методами фильтрации по дальности.

13. На базе процедур ДМПР создан автономный структурно-деятельностный имитатор проводки воздушных судов (АСДИП), который представляет собой программный модуль, функционирующий в рамках аппаратно-программного обеспечения тренажера УТМ "Инструктор". АСДИП является советующей динамической экспертной системой, относится к классу структурно-деятельностных тренажеров и предназначен для тренинга диспетчерского состава. Обоснована необходимость и целесообразность структурно-деятельностной тренажерной подготовки, сформулированы ее дидактические принципы и разработана соответствующая технология обучения на АСДИП.

14. Разработана методика контроля уровня обученности при тренажерной подготовке. Предложены прямые и косвенные метода определения ошибок при принятии решений диспетчерами УВД, использующие категорийную основу диспозиционных моделей. Рассмотрены этапы оценки успешности выполнения одиночных упражнений, контроля успеваемости и контроля профессиональной компетенции с применением лингвистических оценок и профессионального рейтинга. Для всех этапов контроля уровня обученности разработано алгоритмиче ское обе спече ние.

15. Методика диспозиционного моделирования принятия решений позволила сформулировать ситуационный, а затем и более общий, протокольный принцип структурирования деятельности диспетчеров в реальных, тренажерных или экспериментальных условиях. Суть

состоит б том, что регистрируя показатели и наблюдая за деятельностью,используя категориальную основу ДМПР, можно определеть момент наступления события, дать набор возможных обобщенных описаний ситуаций и решений на каждом шаге принятия решений, указать среди последних те, которые соответствуют нормативно-рациональной деятельности. Полученный протокол отражает структуру умственно-речедвигательных навыков диспетчера и его показатели (тип ситуации принятия решений, количество шагов принятия решений, количество реализуемых навыков, многообъектность навыка, конфликтность, время решения), которые,с одной стороны, характеризует процесс решения, а с другой, при нормативно-рациональной деятельности могут рассматриваться как параметры самой задачи. Проведенные экспериментальные исследования деятельности диспетчеров в реальных и тренажерных условиях позволили ввести и обосновать классификацию ситуаций УВД, установить корреляты вышеназванных показателей с поведенческими iколичество ошибок, время реакции) и электрографическими (ЧСС, КГР, ЭЭГ, РЭГ) показателями деятельности человека.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Новиков П.П. Моделирование принятия решений диспетчером УВД в ускоренном масштабе времени // Препринт 64-75 ИК АН УССР, Киев, 1975. 42 с.

2. Новиков П.П. Семиотическая модель принятия решений человеком в системах управления // Сложные системы управления. Киев: Изд. АН УССР, 1975, с.20-36

3. Новиков П.П..Постникова H.A..Сулейманов Р.Н. Использование информационно-логических моделей для оценки деятельности диспетчера при УВД //Сборник депонированных работ, М: ВИМИ, 1975,N1,21 с.

4. Кулаичев А.П, Новиков П.П. Содержательное описание языка для моделирования принятия решений человеком // Вопросы ра-

диоэлектроники(серия общетехническая).М.,1976,N9,с.70-84

5. Кулаичев А.П., Новиков П.П. Язык, ориентированный на диспо-зиционное описание моделей целенаправленного поведения // Доклады VIII Всесоюзного симпозиума по кибернетике, М.,

1976, с.44-46

6. Новиков П.П. Исследование и моделирование принятия решений в человеко-машинных системах // Принятие решений в системах управления воздушным движением. М., 1977, с.133-138

7. Новиков П.П. Прогнозирование и обнаружение конфликтных ситуаций // Принятие решений в системах управления воздушным движением. М., 1977, с.93-99

8. Новиков П.П. О критериях принятия решений диспетчером УВД // Принятие решений в системах управления воздушным движением. М., 1977, с.142-145

Э. Новиков П.П. Семиотические и процедурные аспекты моделирования принятия решений /'/ Принятие решений в системах управления воздушным движением. М., 1977, с.41-43

IQ. Новиков П.П., Бороденков Б.М., Шумилов A.A. Исследование входного потока самолетов в зоне предпосадочного маневрирования // Авиационные автоматизированные комплексы управления и моделирования. Киев: Изд. КИИГА, 1977, с.41-49

11. Новиков П.П., Кулаичев А.П., Рапуто А.Г. Комплекс программ для моделирования принятия решений в системах УВД // Принятие решений в системах управления воздушным движением. М.,

1977, с.44-47

12. Новиков П.П., Рапуто А.Г., Шумилов A.A. Имитационная модель воздушного движения в зоне предпосадочного маневрирования /7 Авиационные автоматизированные авиационные комплексы управления и моделирования. Киев: КИИГА,1977,с.33-41

13. Кулаичев А.П., Новиков П.П. Система программирования для задач моделирования принятия решений (программная реализация) // Материалы Госфонда алгоритмов и программ. М., 1978, Per.N П003351, 89 с.

14. Бороденков Б.М., Новиков П.П. Соотношение модельных понятий с субъективными оценками, поведенческими и электрофизиологическими компонентами деятельности диспетчера // Управление воздушным движением. М.:Возд.транспорт,1979,вып.1,с.126-135

15. Новиков П..П. Исследование процессов УВД в машинно-счетном эксперименте с имитатором системы // Управление воздушным

движением. М.: Воздушный транспорт. 1979, вып.1, с.53-70

16. Новиков П.П. Применение моделей принятия решений при экспериментальном исследовании деятельности человека // Проблемы бионики. Харьков: Изд. ХГУ, 1979, вып.22, с.80-95

17. Новиков П.П. Принятие решений человеком в авиационных системах управления. М.: Воздушный транспорт, i960, 348 с.

18. Воронин Л.Г., Новиков П.П, Суслов А.Н. Электрофизиологические корреляты деятельности диспетчера управления воздушным движением при решении задач в условиях бесконфликтного управления // Проблемы нейрокибернетики. Foctob на Дону: Изд. РГ.У, 1983, с. 145-1 49

19. Кулаичев А.П., Новиков П.П. Математическое и программное обеспечение задач моделирования систем УВД // Управление воздушным движением М.: Возд.транспорт,1983,вып.2,с.178-187

20. Новиков П.П. Разработка и эксплуатация диспозиционного моделирующего программного комплекса // Управление воздушным движением М.: Воздушный транспорт, 1933, с.80-92

21. Новиков П.П., Кулаичев А.П., Петрова Т.Е. Диспозиционный моделирующий программный комплекс // Отчет МГУ. М.: ВНТИЦентр, 1985, госрег. N 01816004043, книги 1-5, 336 с.

22. Новиков П.П., Суслов А.Н. Информативность поведенческих показателей деятельности диспетчера УВД для оценки процесса решения задач управления // Методы оптимизации процессов принятия решений в системе УВД. Л.:Изд. ОЛАГА,1934,с.35-40

23. Новиков П.П., Суслов А.Н. Информативность электрофизиологических показателей при оценке функционального состояния диспетчеров в процессе решения задач УВД // Психофизиология летного и диспетчерского труда Л.:Изд.ОЛАГА,1984,с.63-69

24. Новиков П.П. Диспозиционное конструирование моделей поведения // Механизмы адаптивного поведения, Л.гНаука, 1386,

с . 148-160

25. Svariohesky Y.A., Novikov P.P., Saleymanov R.N., Shnirin V.Y. The decisionmaking Controller when developing the individual simulator // International conference "Artifical intelligence - industrial application", L., 1990, p.306-317

26. Новиков П.П. Диспозиционное моделирование принятия решений при управлении // Тренажеры и компьютеризация профессиональной подготовки, М., 1992, с.92-94

27. Новиков П.П., Сулейманов Р.Н. Разработка структурно-деятельностных имитаторов для тренажерной подготовки диспетчеров управления воздушным движением // Тренажеры и компьютеризация профессиональной подготовки М.,1992,с.225-227

28. Новиков П.П. Диспозиционные модели принятия решений и их использование в экспертных системах и интеллектуальных тренажерных модулях //Авиационная эргономика, тренажеры и подготовка летного состава.Жуковский,ЛИИ,1995,с.46-50

29. Новиков П.П..Рамендик Д.М..Подъячева Е.В. Профессиональный рейтинг при подготовке операторов и его связь с индивидуальными особенностями человека //Развитие и оценка компетенции, М:Институт психологии РАН,1996,с.37-40