автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Теория, модели и алгоритмы оценивания состояния эргатических систем управления

/ ^

^^ На правах рукописи

/

БЕЗБОГОВ Александр Александрович

ТЕОРИЯ, МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭРГАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ (на примере эргатических систем управления летательными аппаратами)

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методой в научных исследованиях ( в отрасли технических наук)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж-1997

Работа выполнена в Тамбовском высшем военном авиационном инженерном училище им.Ф.Э.Дзержинского.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КУКУШКИН Ю.А. (Москва)

доктор технических наук, профессор ГОДУНОВ А.И. (Пенза)

доктор технических наук, доцент МАТВЕЕВ М.Г. (Воронеж)

Ведущая организация

Пензенское конструкторское бюро моделирования (Пенза)

Защита состоится " ^ " июля_1997 г. в /430час. на заседании диссертационного Совета Д063.90.02 Воронежской государственной технологической академии (ВГТА) в а.ЗО по адресу г. Воронеж, проспект Революции, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Автореферат разослан "27" м а я_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

М.Самойлов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Эргатические системы управления (ЭСУ) являются в настоящее время наиболее распространенными в общественном производстве. Эффективность функционирования таких систем зависит как от их технического совершенства, так и от успешности профессиональной деятельности человека-оператора (ЧО), который является необходимой составной частью эргатической системы.

Современное состояние в области оценивания человеко-машинных систем характеризуется многообразием подходов к получению и интерпретации результатов. Вместе с тем появление новых информационных технологий, основанных на теории и методологии искусственного интеллекта и экспертных систем, а также прогресс в создании технических средств обработки и хранения информации делают актуальным создания мощных автоматических и (или) автоматизированных систем, предоставляющих лицам, принимающим решения, данные, адекватно характеризующие управляемый процесс - систем оценивания состояния и функционирования ЭСУ. Однако существенные различия в подходах к оцениванию ЭСУ, недостаточный уровень развития системной теории ее функционирования и оценивания в большой мере осложняют создание таких систем, что снижает эффективность применения человеко-машинных систем по назначению.

Одним из необходимых условий создания эффективных систем информационной поддержки управления состоянием ЭСУ является единство методологических подходов к синтезу таких систем, дающее возможность сформировать теоретический базис такого синтеза и позволяющее в дальнейшем обеспечить унификацию математического, информационного и программного обеспечения процессов оценивания состояния ЭСУ различных прикладных областей, в частности, эргатических систем управления летательными аппаратами. В настоящее время единая методология создания систем оценивания состояния и функционирования ЭСУ отсутствует, однако существует теоретическая база для ее разработки в виде общей теории систем, теории искусственного интеллекта, комбинаторной топологии, классической теории управления.

Научная проблема, решению которой посвящена диссертация - теоретическое обобщение и развитие методологии создании автоматических и(илн) автоматизированных систем оценивания состояния эргатических систем управления.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами заказных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Рижского высшего военного авиационного инженерного училища нм.Я.Алксниса (1976...1992 г.г.) и Тамбовского высшего военного авиационного инженерного училища (1995... 1996 г.г.).

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методол гических основ, развитие теории и создание математических моделей д оценивания состояния эргатических систем управления, обеспечивающ построение инструментальных средств в виде математического и пр граммного обеспечения автоматических и автоматизированных систем и формационной поддержки управления состоянием эргатических сист управления.

Поставленная цель достигается в результате решения следуют основных задач:

1. Системный анализ применяемых методов и средств оценивания эрг тических систем управления и уточнение роли и определение направлен разработок;

2. Системный анализ и определение компонентов обобщенного систе но-динамических моделей эргатических систем управления и ее составш частей, в том числе при структурной декомпозиции ЭСУ;

3. Развитие теории оценивания состояния ЭСУ и построения на основе классификации оценок эргатических систем управления;

4. Определение структуры, роли и места систем информационной по держки управления состоянием ЭСУ и их классификация;

5. Развитие методов анализа функциональных структур динамичеоа систем для случаев, когда известна лишь топология внутрисистемных си зен;

6. Разработка обобщенных системно-динамических моделей операто ской деятельности и конструирование пространства профессионального с стояния человека-оператора в эргатических системах управления обще вида и в ЭСУ ЛА и определение на их основе структуры и функций алг ритмического обеспечения систем информационной поддержки управлет состоянием ЭСУ;

7. Разработка алгоритмов оценивания операторской деятельное! включая алгоритмы оценивания переменных пространства профессионал ного состояния человека-оператора;

8. Разработка алгоритмов предварительной обработки измеренш данных.

Методы исследований. Выполненные в работе теоретические и эксг риментальные исследования базируются на применении методов теор! сложных систем, теории множеств, комбинаторной топологии, теор) управления и регулирования, искусственного интеллекта, теории эргатн1 ских систем управления, а также инженерной психологии и эргономик Общей методологической основой в диссертации является системный по ход.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Построено обобщенной^ динамическоЩ описанше.функционирои ния эргатических систем управления и на их основе определены классы ог нок для адекватного оценивания эффективности функционирования ЭСУ;

2.Применительно к эргатическим системам управления уточнено значение понятия состояния системы и введено в рассмотрение понятие профессионального состояния человека-оператора, что дает возможность рассматривать человека-оператора в виде формального системного объекта;

3.Разработан метод анализа топологической связности функциональных структур эргатических систем управления;

4.Доказаны теоремы о структурной, хроно- и динамической композициях, дающие обоснование допустимости осуществления просгранственно-временного разбиения ЭСУ на функциональные субсистемы и независимое оценивание их состояния;

5.Построено системно-динамическое описание концептуальных моделей человека-оператора в эргатических субсистемах управления и сконструировано пространство профессионального состояния летчика при пилотировании летательного аппарата;

6.Разработаны новые алгоритмы оценивания качества, рациональности и ■эффективности операторской деятельности летчика в ЭСУ ЛА, а также общая процедура и оригинальные алгоритмы оценивания переменных пространства профессионального состояния летчика при управлении угловым движением ЛА;

7.Разработаны процедуры синтеза многоуровневых поликаскадных фильтров и алгоритмы для предварительной обработки дискретных данных в системах оценивания компонентов состояния ЭСУ ЛА, позволяющие получить результаты с заданной точностью в темпе реального времени.

На защиту выноснтсн:

1.Методология и научные основы синтеза систем оценивания состояния эргатических систем управления;

2.Новые методы, модели и алгоритмы построения и оценивания компонентов пространства профессионального состояния, качества, рациональности и эффективности деятельности человека-оператора;

3.Метод анализа связности функциональных структур динамических систем;

4.Разработанные процедуры синтеза многоуровневых лоликаскадных фильтров и алгоритмы для предварительной обработки дискретных данных.

Практическая значимость работы определяется прикладным характером проведенных исследований, направленных на повышение качества информационного обеспечения процессов управления состоянием ЭСУ, достигаемого в результате применения разработанных и исследованных метода анализа топологии функциональных структур ЭСУ ЛА, метода конструирования пространства профессионального состояния человека-оператора, алгоритмов оценивания качества, рациональности и эффективности деятельности человека-оператора, алгоритмического обеспечения оценивания состояния многоуровневой системой обработки информации.

Разработанная в диссертации единая методология синтеза систем оценивания состояния и функционирования эргатических систем управления, а также методы и алгоритмы оценивания позволяют выполнить построение

пстроение унифицированных инструментальных средств в виде математического и программного обеспечения систем информационной поддержки управления состоянием ЭСУ.

Основные теоретические и практические результаты работы защище ны 14-ю авторскими свидетельствами на изобретения и реализованы в вид алгоритмического и программного обеспечения систем оценивания н; предприятиях авиационной промышленности, а также в организациях МС РФ и РАН.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на конференцш "Психологические проблемы анализа и синтеза деятельности оператора (Звенигород, 1980 г.), Первой итоговой научной сессии Института психоло гии АН СССР (Москва, 1981 г.), конференции "Проблемы профессиональ ного отбора операторов" (Звенигород, 1983 г.), Гагаринских научных чтени ях по авиации и космонавтике (1983...1986г.г.), 1-й Всесоюзной научно технической конференции "Технические средства профессиональной подго товки" (Пермь, 1982г.), Всесоюзной научно-технической конференцш "Психологические основы тренажеростроения" (Ереван, 1984 г.), Всесоюз ной научно-технической конференции "Инженерно-авиационное обеспече ане безопасности полетов" (Москва, 1985 г.), Второй Всесоюзной научно технической конференции "Тренажеры в формировании профессиональны; навыков при подготовке специалистов" (Ульяновск, 1988 г.), 3-й и IV Все союзных научно-технических конференциях "Теория и практика имитацл онного моделирования и создания тренажеров" (Пенза,1988 г.,1991 г.), Пер вых международных Ломовских чтениях (Москва,1991 г.), Межвузовскод научно-техническом семинаре "Анализ и синтез авиационных эргатически: систем" (Киев, 1989 г.), научно-технических семинарах училища и кафедр! автоматизации управления летательными аппаратами Рижского ВВАИ^ им.Я.Алксниса (1976... 1991 г.г.), научно-технических семинарах училища I кафедры вычислительной техники и автоматики Тамбовского ВВАШ им.Ф.Э.Дзержннского (1995... 1997 г.г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 1" работах, включая 14 авторских свидетельств СССР на изобретения, 29 ста гей и 35 отчетов о научно-исследовательских работах.

Объем работы. Диссертация изложена на 340 страницах машинопис ного текста, содержит 56 иллюстраций, 10 таблиц, состоит из введения восьми глав, заключения, списка литературы из 292 наименований и четы рех приложений.

Основное содержание диссертации

Во введении представлено краткое обоснование актуальности и цели выполненных исследований, формулировка решаемой научно-технической проблемы и краткий обзор содержания работы.

Первая глава содержит аналитический обзор современного состояния исследований в области информационного обеспечения функционирования эргатичсских систем управления летательными аппаратами, математических моделей ЭСУ ЛА и методов оценивания их функционирования, а также сформированных к настоящему времени системных представлений об анализе функционирования сложных человеко-технических систем. На основании выводов по разделу сформулирована научно-техническая проблема, поставлена цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена развитию теории системного анализа применительно к эргатическим системам управления. Уточнено значение понятия состояния применительно к технической части ЭСУ и введено понятие профессионального состояния человека оператора, введены в рассмотрение восемь классов оценок функционирования динамических систем, определены роль, место и общая функциональная структура систем информационной поддержки управления состоянием ЭСУ J1A, приведена их классификация.

В диссертации доказана следующую теорема о структурной декомпозиции эргатичсских систем управления:

Если эргатическая система управления, а также ее эргатическая и техническая части, имеют системно-динамические описания вида

ScrUxXx Y:R = {г : U хХ ->Y}; F = {f:UxX->X}. (1) где S - динамическая система, U. X и Y - пространства входов, состоянии и выходов системы S; г - реакция системы; / - отображение перехода состояний, то существует структурная декомпозиция ЭСУ в узловое произведение ее эргатической и технической частей и триггеров, реализующих формирование пространств входов и выходов ЭСУ и ее эргатической и технической частей в соответствии с соотношениями (2)...(¡2):

Х=ХэхХт; (2) Ujmc=U.)(ic п Umac; (3)

иэс=иэвс\(иэвс п иэте); (4) Umc=Umec\( UmeenUdinc); (5) U - L/эс -х Unie х Usine; (6) £/э = О'эе х й'эт х иэте; (7) Um = Umc х Urm х Usine, (8) . Уэ = Yd в х Уэт х Уэтв; (9) Уз = У те х Уте х Утэв; (10)

Umt—YimxYime; Uim = Y)inxYjmr;; (11)

Y= Уэ в х Уэ твхУтахУтэ а. (12)

где U - множество входов ЭСУ; Uo - множество входов эргатической части содержащее два подмножества: Шве - входные воздействия, поступающие от внешней среды и Uorn - входные воздействия, поступающие в Sj от технической части ЭСУ; Um - множество входов технической части ЭСУ, также содержащее два подмножества: Umec - множество входных воздействий на Sin от внешней среды и U/пэ - множество входных воздействий на Sm от эргатической части ЭСУ; U3c,Umc - подмножества множества входов в ЭСУ,

объединяющие входные воздействия от внешней среды только на эр гати ческую и только на техническую части, соответственно; Ь'этс - входы, воз действующие одновременно на обе части ЭСУ; ¿/з,(Уш - множества входо! эргатической и технической частей ЭСУ; X,Л'э и Хт - пространства состоя ний ЭСУ и ее эргатической и технической частей, соответственно; У - мно жество выходов ЭСУ; Уэ - множество выходов системы Уза, Уэт и Уэпи - непересекающиеся множества, характеризующих выходы 5э, посту пающие, соответственно, только на выход ЭСУ, только на вход Зт, одно временно на выход ЭСУ и на вход 5/н; Ут - множество выходов системь Бпг, Утв,Утэ и Утэв - непересекающиеся подмножества, характеризующие выходы 8т, поступающие только на выход ЭСУ, только на вход 5э, одно временно на выход ЭСУ и на вход Бэ.

Значение настоящей теоремы для задач моделирования и оценивани; функционирования ЭСУ состоит в том, что, во-первых, она математическ1 строго подтверждает обоснованность применяемой естественной декомпо зиции ЭСУ, которая базируется на ее физической структуре, во-вторых, ек вводятся в структуру ЭСУ дополнительные элементы, которые не проявля ются при естественной декомпозиции, и, в-третьих, в ней определено алго ритмическое наполнение дополнительных элементов структурной декомпо зиции ЭСУ.

Для строгого системно-динамического представления ЧО в работе до полнительно введено понятие пространства профессионального состоялш человека-оператора, характеризующее уровень его профессиональной под готовленности, обученности данному виду деятельности.

Применение описания ЭСУ и ее компонентов в виде (1) потребовал! ввести в рассмотрение восемь классов оценок функционирования динамиче ских систем, характеризующих все компоненты ее формального .представле ния, а именно: оценки входов; оценки выходов (результатов функциониро вания); оценки состояния, оценки фазовых координат; оценки процессо1 получения результатов функционирования; оценки процессов изменешп состояния, а также обобщенные и комплексные оценки функцнонированиз ЭСУ. Это в свою очередь позволило перейти к определению понятия эффек тивности функционирования ЭСУ, как меры близости значений фактиче ских характеристик функционирования ЭСУ к значениям характеристик е< эталонного функционирования, причем эти оценки могут определяться кчи на основании элементов множеств эталонных и фактических фазовых тра екторий ЭСУ, так и при использовании оценок элементов этих множеств Представляется очевидным теперь и определение понятия оценки эффек тивности функционирования ЭСУ как результата определения фактическо го уровня достижения поставленных целей в фактических условиях с учетои уровня фактических затрат.

Таким образом, оценивание состояния ЭСУ представляет собой двух этапный процесс, на первом этапе которого выполняется оценивание пере менных, характеризующих текущее функционирование ЭСУ, а на второ.\ этапе осуществляется оценивание эффективности функционирования, не

пользуя для этого оценки, полученные на первом этапе, и эталонные траектории функционирования ЭСУ.

Полученные результаты позволили определить роль, место и общую функциональную структуру систем информационной поддержки управления состоянием ЭСУ ЛА (см.рис.1, где обозначено: ВСФ - внешняя среда функционирования; СИД - система измерения данных; СПО - система предварительной обработки; СОС - система оценивания состояния; СПС - система прогнозирования состояния; СРР - система разработки рекомендаций на управление состоянием ЭСУ; БДС - база данных о состояниях; БЗМ - база знаний о моделях поведения ЭСУ), а также выполнить их классификацию.

Третья глава посвящена разработке и исследованию метода анализа связности функциональных структур динамических систем, основанного на применении математического аппарата комбинаторной топологии. Предложены кортеж показателей, исчерпывающе характеризующих связность симплициального комплекса.

Пусть некоторая динамическая система имеет N подсистем (компонентов), а каждая подсистема имеет пи исходящих из нее и пв входящих в нее связей с другими подсистемами, причем т < IV; п« <N. Подсистемы, входящие в рассматриваемую динамическую систему, могут быть интерпретированы как элементы множества вершин симплициального комплекса. Введем обозначения: ца - размерность комплекса; <у/ - размерность 1-го симплекса, 1-1.....Ыс, где Ыс - количество симплексов в комплексе; Ыв - количество вершин в комплексе; <уш - наибольшая размерность грани /-го симплекса, при которой он становится связанным с каким-либо другим симплексом. Тогда показателями, характеризующими симплициальный комплекс и входящие в него симплексы, могут служить:

1. Максимальное значение объема полиэдра, занимаемого комплексом: 1/м=Мс-Ыв;

2. Абсолютный и относительный объемы комплекса:

№

V- ^(Ч1 + 1);Уо=У/Ум; 1 = 1

3. Относительные объемы симплекса: у/ = (с/1 + 1 )/У; viм ~ (с// + 1)/Ум:

4. Относительный размер симплекса: П = (7// +1)/(с/ +1);

5. Относительная размерность симплекса: /; = (с/1 + 1 )/Ыв;

6. Уровень включенности симплекса в комплекс: я' = (ц\м + 1)/(ц\ + 1);

7. Уровень связи симплекса с комплексом: = (7/ш + 1)/Ив.

Применение введенных показателей к анализу симплициального комплекса позволяет сформировать новый метод анализа топологии функциональных структур динамических систем (АТФС). Основой АТФС является (/-анализ, заканчивавшийся ранее построением так называемого первого структурного вектора О с количеством компонентов, равным сНт(К)+1 (сИт(К) - размерность комплекса К).

Увеличим теперь количество компонентов вектора 0 до значения, равного количеству вершин N8 комплекса, поскольку всегда 'dim(K)<Nв. Пометим каждую вершину комплекса индексом 1=1,...,Ыв, а каждый его симплекс - индексом ¡=],...,Ыс. Пусть <2={(2о..... Ом-А - структурный вектор комплекса; 2/ - количество классов эквивалентности на у'-ом уровне связности, у-1,...Мв-1; к - порядковый номер класса эквивалентности на у'-ом уровне связности, к-1,..„ 0)\ п)к - количество симплексов в к-ом классе у'-го уровня связности; т]к - порядковый номер симплекса в А:-ом классе у'-го уровня эквивалентности, т}к—1,...,п)к. Каждому пук соответствует определенное значение индекса ук симплекса рассматриваемого комплекса, т.е. ц-анализ порождает семейство отображений р]к-{Я]к}, переводящих множество индексов 1)к={1}к,ук-1,...,Ыс} симплексов в множество индексов порядковых номеров М)к-{т]к,т]к=1,...,п]к} симплексов в к-ом классе у-го уровня эквивалентности в соответствии с правилом:

р]к = {К]к: 1]к -> М}к }. (13)

Обозначим через укт значение индекса 1с1 симплекса, соответствующее значению порядкового номера симплекса т}к в А-ом классеу'-го уровня эквивалентности.

Абсолютный объем (/-связей нау-ом уровне эквивалентности и в комплексе в целом теперь можно определить из соотношений 0) пк ОЬп(К)

и'"-/'= Е С4)

к-1 пг~] ]=0

Более объективно характеризуют ¿/-связность симплексов в комплексе нормированные показатели функциональной структуры, которые можно представить выражениями:

& пк N8-1

щ =1/0/11 (1/м И'/ = и Кв X щ- (15)

к=1 »1=1 ]■=() где/- обозначение вычисляемой характеристики (/-связности.

Можно видеть, что показатели, определяемые согласно выражения (14), характеризуют цепочки (/-связей на у'-ом уровне эквивален тности, а показатели вида (15) - их средние по совокупности всех существующих для данного комплекса классов эквивалентности, т.е. являются характеристиками (/-связности комплекса в целом.

При подстановке в выражения (14) и (15) значений введенных выше характеристик симплексов получаем различные частные показатели связно-сги функциональной структуры динамической системы: объем связей, размер связей, размерность связей, включенность симплексов в связи, связность симплексов. Интегральными, обобщающими характеристиками связности структуры являются показатели связности симплексов и^', wg:

О/ пк N8-1

»а = 1 / ® Е (1 / пк X ёпкт): к* = 1 / № £ н>». • (16)

к=1 т=1 у=0

гц.cgrjkm - уровень связи симплекса с комплексом.

Показатели (16) в сочетании с информацией о цепочках ц-связей симплексов и другими показателями связности позволяют детально исследовать свойства функциональных структур динамических систем.

Четвертая глава посвящена разработке и обоснованию системно-динамической модели операторской деятельности летчика в эргагической системе управления летательным аппаратом. Выполнена классификация эр-гатических субсистем управления ЛА, доказаны теоремы о хронокомпози-ции и динамической композиции ЭСУ ЛА, введены понятия эталонной и фактической ЭСУ, с использованием которых предложены системно-динамические представления концептуальных моделей и пространства профессионального состояния человека-оператора, выписаны соотношения для обобщенного системно-динамического описания пространственного движения ЛА. Введен показатель рациональности непрерывной управляющей деятельности летчика, поставлена и решена задача построения эталонной ЭСУ угловым движением ЛА, определены переменные пространства профессионального состояния летчика, характеризующие его постоянную и оперативную концептуальные модели при ручном пилотировании Л А.

На разных этапах, а также в различные периоды времени внутри этапов эргатическая и техническая части ЭСУ ЛА могут образовывать различные специализированные эргатические субсистемы управления (ЭССУ), например, движением ЛА, силовой установкой, спецоборудованием и т.п., причем зачастую функционирование этих ЭССУ совмещены ио времени. Совокупность всех специализированных ЭССУ, осуществивших функционирование при выполнении некоторого полета, образует эргатическую систему управления летательным аппаратом для данного полета - ЭСУ П. Совокупность всех ЭСУП, функционирование которых осуществляется (или может осуществляться) при решении всей совокупности полетных заданий, предусмотренных для данного летательного аппарата, составляет эргатическую систему управления пилотируемым летательным аппаратом - ЭСУ ЛА.

Последовательность, в которой отдельные ЭССУ (или их совокупность) подключаются к функционированию, зависит как от объективных факторов (например, от целей конкретного полетного задания, условий выполнения полета и его отдельных этапов и т.п.), так и от поведения субъекта деятельности (субъективных факторов). В этой связи возникает необходимость обоснования правомерности независимого рассмотрения функционирования ЭССУ на различных этапах и (или) фазах выполнения полетного задания. В работе доказаны две теоремы, обеспечивающие теоретическое обоснование возможности разбиения и объединения субсистем ЭСУ при системном анализе ее функционирования и оценивании состояния:

Теорема о хронокомпозиции: Пусть имеется некоторое количество N динамических систем 57, / = 1,..., N. каждая из которых имеет описание вида (1). Пусть, далее, функционирование системы Л' осуществляется на интервале времени [Тш, Т/и]. Системы допускают хронокомпозицию с образованием динамической системы 5 по правилу:

s= ия (17)

i=l

которая имеет описание вида (1) и функционирует на интервале времени [Тн1, TkN], если и только если выполняются:

1).Связность интервалов времени: 7ki = ТнН1, i=I.....N-1:

2).Непрерывность состояния: limx(t) = limx(t). i = 1.....N-1. *

l—tTxi-O l->Tiii+l+0

Теорема о динамической декомпозиции: Совокупность Sa = { Sajj - 1.....

Na} одновременно функционирующих и связанных между собой и внешней средой динамических систем имеет единое представление вида (1), если компоненты динамического описания системы S получены из компонентов динамического описания систем Saj c Sa в соответствии с выражениями:

U = Ua\(Uan Ya); Y=Ya\(Yan Ua): (18)

Na Na Na

X = ® Xaj; F= & Faj; R = ® Raj. (19)

j-l J=! j='

где Uaj,Xaj,Yaj,Raj,Faj - компоненты динамического описания систем Saj\ Ua, Ya - множества всех входов и выходов совокупности Sa, ® - бинарная операция слияния, выполняемая над множествами А и В в соответствии с правилом:

А 0В - А х (В \ (А пВ)), (20)

Процедуру получения системы S из совокупности динамических систем Saj с: Sa в работе предложено назвать динамической композицией и обозначить символом Ф. Тогда можно записать:

Na

S- Ф Saj, Saj с Sa. (21)

j=i

Важным следствием из теоремы о хронокомпозиции является вывод о возможности практически полного произвола в выборе разбиения интервала функционирования "глобальной" динамической системы на связанные подынтервалы (этапы) с непрерывным переходом состояния между ними и возможности рассмотрения динамики функционирования "локальных" динамических систем на выделенных этапах.

Теоремой о динамической декомпозиции устанавливаются правила формирования единой динамической системы из одновременно функционирующих субсистем. Можно говорить, что она определяет процедуру "пространственной" композиции динамических систем, а теорема о хронокомпозиции - процедуру композиции динамических систем во времени.

Применение этих процедур совместно с процедурой структурной декомпозиции позволило построить обоснованное представление эталонной Sen и фактической Яфп ЭСУ J1A и их составных частей - эргатической (Sejn и Бфэп) и технической (Semn и S(pmn), при выполнении полетного задания и на их основе осуществить формирование обобщенного динамического описания постоянных (ПКМ) и оперативных (ОКМ) концептуальных моделей

человека-оператора, которые, как известно, играют определяющую роль в деятельности человека.

Актуализация постоянных концептуальных моделей осуществляется летчиком в процессе наземной подготовки к полету (фаза 1 выполнения полетного задания). Этот процесс может быть представлен следующим семейством морфизмов:

Jlcn = {Fien : Men (DSen -> Mien}, (22)

где Men - имеющаяся у летчика совокупность ПКМ; Mien - постоянная концептуальная модель выполнения конкретного полетного задания, актуализированная до начала выполнения полета; Ф - введенная выше операция динамической композиции.

Оперативная концептуальная модель М2\>п, формируемая человеком-оператором в процессе выполнения полета (фаза 2), является результатом восприятия им текущей информации и зависит от актуализированной ранее ПКМ. Поэтому процесс образования ОКМ можно описать семейством морфизмов вида:

ßvil = {F2vn : Mien ФБфп > M2vn). (23)

Далее, сравнение человеком-оператором результатов своей деятельности с поставленными целями (т.е. с субъективным представлением об эталонном функционировании ЭСУ) приводит к уточнению оперативной концептуальной модели и к коррекции постоянных концептуальных моделей в процессе деятельности и по окончании выполнения полета (на фазе 3 выполнения полетного задания), что может быть описано соотношениями:

fien = {F2cn : М2сп Ф М2\т М2сп}, (24)

ßen = {F3en : М2сп Ф Sen > МЗсп}, • (25)

На интервалах времени между выполнениями полетных заданий также происходит деформация ПКМ, приводящая, как правило, к снижению их адекватности реальным процессам, что можно записать в виде:

fen = {Fen: МЗсп - > Men). (26)

Формализованное представление концептуальных моделей ЧО позволяет перейти к конструированию его пространства профессионального состояния. Пусть S и А/ соответственно аргумент и значение морфизмов (22)...(26). При полностью адекватном отражении выполняется равенство

5 = М. (27)

При неадекватном отражении рассогласование dM между S и М можно записать в виде формальной разности

dM = М - S. (28)

Характер и величина рассогласования dM зависят от индивидуальных особенностей субъектов деятельности. Представляется достаточно обоснованным связать эти рассогласования с уровнем профессиональной подготовки человека-оператора, формируя тем самым пространство профессионального состояния. Концептуальная модель, в соответствии с ее определением, является отображением динамической системы и, следовательно, может быть представлена пятеркой модельных системно-динамических компонентов

Мм = {UM.XM. YM,RM.FM}. (29)

Вводя в выражение (29) параметризацию (28), получаем

Мм - {U+dUM, X+dXM, Y+dYM, R+dRM. F+cIFm). (30)

Приращениями dUM,..., dFM в выражении (30) описываются индивидуальные свойства субъекта деятельности по восприятию условий функционирования и построению концептуальной модели объективной реальности описываемой компонентами U,..., R. Поэтому эти параметры целесообразнс объединить в пространство профессионального состояния, поскольку зна чения параметров в выражении (30) зависят прежде всего от уровня профес сиональной подготовки человека-оператора. Отсюда следует, что простран ством профессионального состояния человека-оператора можно называт:

множество Хп, составленное из параметров йИм.....dFM выражения (30). Н;

каждом из этапов выполнения полетного задания компоненты этого про странства будут различными. Полное пространство профессионального со стояния человека-оператора является объединением подпространств про фсссионального состояния отдельных этапов и фаз выполнения полетны заданий, а также всей совокупности полетных заданий в различных услови ях.

Оценивание компонентов пространства профессионального состояни можно выполнить при известных эталонной и фактической ЭСУП. В работ построена математической модели эталонной ЭСУП угловым движение ЛА по крену по критерию минимума мускульных затрат летчика на регин зацию непрерывных управляющих движений.

Пятая глава начинает разработку и исследование алгоритмическог обеспечения систем информационной поддержки управления состояние ЭСУ ЛА. Предложена общая организация алгоритмического обеспечен!, таких систем, определены структура и функции алгоритмического обесп чения системы предварительной обработки информации и систем оценив ния состояния эргатической и технической части ЭСУ Л А, определены п речни необходимых алгоритмов.

Авиационные ЭСУ обладают рядом особенностей, позволяющих о нести их к наиболее сложным эргатическим системам. Поэтому одиозна ную, жесткую схему организации алгоритмического обеспечения оценив ния ЭСУ ЛА фиксировать нецелесообразно. Вместе с тем представляет необходимым сформулировать основной принцип алгоритмической opi низации при построении систем информационной поддержки управлен состоянием ЭСУ Л А: алгоритмическое и программное обеспечение оценивсш ЭСУ Л А должно иметь функционально-модульную организацию, в соо ветствии с которой алгоритмы и программы группируются в модули функциональному признаку (от. е. в модули решения отдельных прикладных : дач).

Можно выделить следующие алгоритмические модули оцениван ЭСУ Л А: 1). Алгоритмы предварительной обработки данных; 2). Алгор! мы оценивания состояния; 3). Алгоритмы прогнозирования изменения < стояния; 4). Алгоритмы разработки рекомендаций для принятия решен

5). Алгоритмы базы данных о состоянии; 6).Алгоритмы базы знаний моделей.

Ядром систем информационной поддержки управления состоянием ЭСУ (см.рис. 1) является система оценивания состояния (СОС), которая состоит из двух отдельных систем - СОС ЭСУ и СОС ВСФ (внешней среды функционирования). Входной информацией для них служат данные, полученные от датчиков, измерительных систем и комплексов и прошедшие через систему предварительной обработки информации (СПО) ЭСУ ЛА, которая является одной из самых емких с точки зрения количества и разнообразия алгоритмов, реализованных в ней, что обусловлено большим количеством информационных каналов, которыми система оценивания состояния связана с технической и эргатической частями ЭСУ.

В работе показано, что основными функциями, возлагаемыми на алгоритмическое обеспечение СПО ЭСУ, являются: 1).Прием и преобразование во внутреннее представление (включая пересчет в нужную систему единиц) информации измерительного канала; 2).Верификация принятых данных и парирование возможных информационных сбоев; 3).Выделение полезного сигнала из смеси "сигнал + шум"; 4).Определение статистических характеристик информации, посылаемой на выход СПО.

Следовательно, алгоритмическое обеспечение СПО должно содержать следующие основные функциональные модули (рис.2): приема и преобразования данных ППД; верификации данных ВД; фильтрации данных ФД; вычисления статистических характеристик ВСХ; формирования косвенных измерений ФКИ; формирования производных ФП; сжатия данных СД.

Структура алгоритмического обеспечения СОС ЭСУ ЛА зависит от того, в каких условиях выполняется полетное задание - в реальном полете или на авиационном тренажере. Наиболее полной и сложной является СОС при выполнении задания в реальном полете.

В работе показано, что система оценивания состояния ЭСУ ЛА должна состоять из следующих информационно связанных между собой систем:

1. Системы оценивания состояния эргатической части ЭСУ;

2. Системы оценивания состояния технической части ЭСУ ЛА.

При этом система оценивания состояния эргатической части ЭСУ ЛА (рис.3) должна включать в себя систему оценивания функционального состояния СО ФС и систему оценивания профессионального состояния СО ПС.

Оценивание профессионального состояния летчика базируется на предварительно сформированных оценках эффективности операторской деятельности летчика, получаемый системой оценивания эффективности деятельности СО ЭД, и оценках параметров, характеризующих концептуальные модели летчика, поступающими от системы оценивания концептуальных моделей СО КМ. Формирование адекватных оценок эффективности деятельности возможно лишь после получения достоверной информации от системы оценивания качества результатов деятельности СО КРД, рациональности непрерывной деятельности СО РИД и рациональности дискрет-

ной деятельности СО РДД летчика. Следовательно, алгоритмическое обес печение СОС ЭЧ должно содержать функциональные модули, обеспечи вающие процессы в СО КРД, СО РНД, СО РД Д, СО ЭД и СО КМ.

Рассмотрим основные функции алгоритмического обеспечения си стемы оценивания состояния технической части ЭСУ ЛА и системы оцени вания концептуальных моделей летчика.

В диссертации отмечено, что методики подготовки и выполнения оцс нивания состояния технической части и концептуальных моделей эргати ческой частей ЭСУ практически совпадают, однако между процессами, рея лизующими эти методики, существуют некоторые отличия, основными и которых являются:

• функционирование любой технической системы может быть описан системой уравнений с необходимой для рассматриваемого приложения точ носгыо, т.е. может быть представлено адекватной математической моделыс причем структура этой модели не меняется на протяжении периода функ ционирования технической системы по назначению, что для эргатическо части ЭСУ не справедливо;

• состав переменных пространства состояния работоспособной техни ческой системы может, во-первых, считаться неизменным на протяжени периода функционирования системы по назначению и, во-вторых, опрсдс ляется из математической модели технической системы, в то время как сс став переменных состояния эргатической части ЭСУ изменяется при перс ходе от одного этапа полета к другому.

Вместе с тем при выполнении любого участка полета и при взаимс действии с любой совокупностью технических систем и устройств функцис нирование эргатической части ЭСУ ЛА может быть описано совокуг ностью математических моделей, структурно изоморфных математически] моделям соответствующих технических систем. Поэтому и состав переме! ных, характеризующих состояние ЭЧ ЭСУ ЛА, может быть зафиксирова для каждого из участков полета.

Из изложенного следует, что СОС ТЧ и СО КМ эргатической част ЭСУ ЛА близки по своему алгоритмическому наполнению, состоящему реализации математических моделей функционирующих систем и обеспеч( нии процессов оценивания компонентов соответствующих векторов состо} ' ния.

Шестая глава посвящена разработке алгоритмов системы предвар> тельной обработки информации. Получены общий алгоритм рекуррентно аппроксимации последовательности дискретных отсчетов датчика инфо[ мации в произвольной системе базисных функций с вычислением текущи значений эмпирических статистик приближения, алгоритм поликаскадно многоуровневой рекуррентной аппроксимации, а также алгоритм синтез поликаскадных многоуровневых рекуррентных фильтров.

Пусть с выхода дискретного датчика поступает последовательное! отсчетов у/ (/=0,/,...), каждый из которых является аддитивной смесью ш лезного сигнала х1 и погрешности измерения ц1:

)П = XI + ц\; (31) М[>р] = 0; М[¡¡¡ту] = (32)

где - символ Кронекера.

Введем следующие обозначения: Хц - оценка значения полезного сигнала на (-ый момент времени, полученная после обработки }-то отсчета у},

\<], 1,]=0,1.....п: п - максимальное значение аргумента сетки аппроксимации;

Фп(1) = {<ро,п(1),...,(рт,п(1)} - система базисных функций аппроксимации на равномерной сетке [0,п] дискретного аргумента г (¡-0,1,...,п), таких, что

+ (33)

где .....срп.п,]] - вектор коэффициентов разложения по функциям

Фп после обработкиу'-го измерения у}.

В работе решение задачи МНК-аппроксимации получено в виде следующей рекуррентной формулы пересчета коэффициентов:

QnJ + 1 = (Гп'[% + 1,]0.п.} + Фп(п )у] + (34)

п-1

5/+/.У = [Ы-А\ (35) Ы,г=Л<р1,г(1)<рг.п(1 + 1), . (36)

ыо

где - переходная матрица от7-го к]+1-му измерению.

Статистические характеристики алгоритма рекуррентной аппроксимации определяются из соотношений:

ковариационная матрица погрешностей оценивания коэффициентов:

Р0п.]+1 = Сп'[п^и ^(¿п,] /?]+/,/ + 0,ц+! Фп (" )ф'п (" ■>]Сп • (37)

дисперсия погрешности оценивания полезного сигнала: внутри сетки (¡<п):

В Хп ,;+/ 0 ) = Фп(') Р<2„.]+1 Ф„ (' У- (38> на правом конце сетки (¡=п):

ОХп,]+1(п)= Ф!г(п)Р()п.]+1Фп(п У- (39) автоковариационные функции погрешностей оценивания:

соу(Хг],Хи) = ф1('1) рап] фп (i ); (40)

соу(Хи, Хи+1)= Ф « (I )Р () п, ] В У + !,] С п' Ф „ (1); (41)

сог(Хпи, Хи+,)= ф(п)р ] В ]+О п' Ф „ (» )■ («)

Для уменьшения погрешностей в выходном сигнале МНК-аппроксимации необходимо соблюдение условия Кр ~ 0х, /0< 1, откуда следу ег

Ки = Фп 0) Рап,] Фп(0/ о,?< 1. (43)

Средний квадрат остатка, характеризующего эмпирическую дисперсию д* выходного сигнала после обработки .¡-го наблюдения, может быть вычислен из выражения:

DxjJ = I2ji - QljGn QnJ), (44)

n i=0

где zj,i определяется согласно (38).

Соотношения(33)...(44) представляют собой формульную схему рекуррентного алгоритма МНК-аппроксимации с одновременным определением эмпирической дисперсии выходного сигнала. Заметим, что базисные функции <рк,п(i) в рассмотренном алгоритме могут быть любыми.

Если выполняется условие (43), то может быть решена задача достижения заданного значения дисперсии погрешностей оценивания, используя для этого последовательное соединение рекуррентных фильтров. В работе получено следующее выражение, связывающее дисперсию ошибки оценивания полезного сигнала на выходе последнего каскада с дисперсией погрешности сигнала на входе первого каскада рассматриваемого фильтра:

К К К 7

DXnkjk = Dr,jUa~k+ S (Uк PQnk jk+l Uк П al+i! (45)

к=1 к=1 l=k

где a к = Фу1к ("k)Gjj0n!c(nk); (46) Uk = Bjk+ljk Gui Фпк (nk X (47)

Соотношения (45)...(47) позволяют определить необходимое количество каскадов К поликаскадного рекуррентного фильтра, погрешность сигнала на выходе которого не превышает заданного значения, при произвольном распределении базисов МНК-аппроксимации по каскадам синтезируемого фильтра.

В диссертации решена также задача восстановления полезног о сигнала датчика в случае, когда дискретные отсчеты xj, поступающие с выхода измерительного канала, являются взятыми в дискретные моменты времени с шагом h значениями решения дифференциального уравнения L-ro порядка вида

£0x^ = 6(0, (48;

1=0

где С/ - постоянные коэффициенты; 0(t) - полезный сигнал на входе измерительного устройства; t - непрерывное время.

Для определения оценок полезного сигнала, поступившего на вхоi датчика, необходимо вычислить значение дискретной переменной 0i из вы ражения

L

x!!j=cT xj, (49

/=0

где xl!j - оценка 1-ой производной выходного сигнала дискретного датчи ка, полученная после обработки отсчета yj аппроксимацией на сетке г-

Xj~{ X^nJ.....Х&. (50

Можно видеть, что в рассматриваемом случае требуется определение оценок всех Ь производных сигнала х> При этом дисперсия ошибки оценки вычисляется по формуле

где Рх]=соу(Х],ХЛ)- ковариационная матрица погрешностей оценивания производных.

Для решения задачи определения <9/ в работе введены в рассмотрение Ь+1 поликаскадных рекуррентных фильтров, каждый каскад которых реализован согласно алгоритма (33)...(36). Цепочку, состоящую из поликаскадного фильтра и блока вычисления производных, названа уровнем, а совокупность таких цепочек, в которой выход по производной некоторого уровня является входом последующего уровня и (или) входом блока вычисления по формуле (49) - многоуровневым поликаскадным фильтром (МПФ).

Введем следующее переобозначение индексации переменных: 1=0,..,,Ь -номер уровня обработки; к1-0,...,Ю - номер каскада на уровне с номером /; у'/г/ =0,1,... - номер отсчета сигнала в к/-ом каскаде 1-го уровня; пк/ - размер сетки аппроксимации фильтра к.1-го каскада /-го уровня.

Алгоритм МПФ состоит в выполнении следующих действий: 1).Расчет переходной матрицы А'-го каскада 1-го уровня Впк1,]к1+1.]к!\ 2).Расчет матрицы нормировки Опк!\ 3). Расчет коэффициентов разложения сигнала в к-ои каскаде 1-го уровня 0к1,п.}к1+}\ 4).Расчет текущих значений оценок производных Хп ^' 5).Расчет текущего значения оценки полезного сигнала ©}.

Статистические характеристики погрешностей оценивания производных и полезного сигнала можно определить из соотношений:

ковариационная матрица текущих значений погрешностей оценивания коэффициентов разложения на выходе к1-го каскада /-го уровня в у'-ый момент времени

Р()к1,пк1]к1=С пк1[^кикишРак01ки,В к1,}кик1.1+.

+Фпи (пк!) Оу]к1^пк1](Огпи)(52) ковариационная матрица текущих значений погрешностей оценивания производных на выходе к!-го каскада 1-го уровня в]к!-\л\\ момент времени:

Рхпк1,]к1—Фпк/Р()к1,пк,)кФТпк!; (53) фпк!~[ф'01пк1(пк1).....Ф<Ь)пк1(пкI)/'"

(54)

Дисперсия /)текущего значения погрешности оценивания полезного сигнала определяется в соответствии с соотношением:

В(); = Ст Рх] С, (55)

где /'.ту - ковариационная матрица текущих значений погрешностей оценивания производных входного сигнала,

Наличие аналитических зависимостей, связывающих статистики погрешностей входного и выходного сигналов МПФ позволило построить алгоритм синтеза МПФ с заданными точностными характеристиками.

Седьмая глава посвящена разработке алгоритмов оценивания операторской деятельности летчика. Определен набор алгоритмов, необходимых

(51)

для адекватного оценивания, разработаны алгоритмы: формирования эп пирических оценок (являющийся базовым для оценивания деятельности ч< ловека-оператора); оценивания качества результатов и рациональности де$ тельности летчика, оценивания переменных пространства профессионал! ного состояния при ручном управлении угловым движением ЛА; оценив; ния эффективности операторской деятельности летчика.

Синтез перечисленных выше алгоритмов осуществлен при следующи допущениях:

а).внешние условия функционирования ЭСУ ЛА известны достаточн точно, так что оценивать соответствие параметров внешней среды их homj нальным значением не требуется;

б).все необходимые для построения оценок переменные доступны дл измерения ( прямого или косвенного );

в).субъективные цели деятельности летчика совпадают с обьективнь ми целями функционирования ЭСУ ЛА.

Предложено оценивать качество функционирования ЭСУ на основ; нии определения следующего кортежа статистик: а) мода mi эмпирическог распределения показателя pi(t)\ б) квантили заданного порядка q, вычис ляемые раздельно для левой и правой ветвей эмпирической функции р;к пределения показателя pi(t). Особенностью разработанного алгоритма, нл званного алгоритмом формирования эмпирических оценок (АФЭО) я в ля ci ся возможность его применения в системах обработки информации реаль ного времени, что обеспечивается рекуррентностью пересчета поступающи данных.

Алгоритм формирования оценок качества результатов деятельност; летчика (АФОК) из значений выходных переменных АФЭО формируе балльные оценки качества: наиболее вероятная оценка Ci=5(l-\mi\)\ диап;1 зон рассеяния оценок относительно наиболее вероятной Cim'm-5(l-vi/ Ctmax=5( 1-wi), где vi=max(\ril\.\ri2\)\ wi=min(\ril\,\ri2\)\ ril=mi-kipl; ri2=m'r kip2 и позволяет определить "центр сгущения" оценок, характеризуемы, значением С/, а также выявить асимметрию отклонений значений контро лируемой переменной от эталонной траектории ее изменения. АФОК в со четании с алгоритмом формирования эмпирических оценок образуют дв> хуровневый алгоритм оценивания качества результатов деятельности лез чика.

Основой для построения алгоритмов оценивания рациональности лея тельности летчика являются компоненты фазовой траектории эталонног функционирования ЭСУ ЛА. Входными данными алгоритма оценивани рациональности (АОР) деятельности летчика являются: длительность вы полпения требуемого маневра Т; начальные и конечные значения контре лируемых переменных при угловом движении ЛА для эталонной и факти ческой фазовых траекторий; начальное и конечное значения отклонени ручки (штурвала) летчика. Рациональность операторской деятельности лез чика предложено оценивать по значению показателя г-Нэ/11ф, где 11э и lit

- показатели вида II, вычисленные, соответственно, на эталонной и фактической фазовых траекториях ЭСУ Л А.

Построение алгоритмов оценивания профессионального состояния основано на предложенной в работе интерпретации постоянной (ПКМ) и оперативной (ОКМ) концептуальных моделей и пространства профессионального состояния (ПС) человека-оператора. Функционирование ЭСУ ЛА на этапах ручного управления пространственным движением самолета описывается уравнениями динамики полета, так что ММ в этих случаях можно считать известной. Для отдельных элементов полета применение известных методов теории оптимального управления полетом ЛА позволяет получать решения задачи построения эталонной ЭСУ.

Для оценивания профессионального состояния в работе предложены следующие алгоритмы, основанные на линеаризации фактической фазовой траектории ЭСУ ЛА относительно эталонной:

1. Алгоритм оценивания профессионального состояния при отсутствии шумов с решением системы линейных уравнений относительно переменных пространства профессионального состояния;

2. Алгоритм оценивания профессионального состояния при наличии шумов наблюдений, использующий осреднение результатов оценивания алгоритмом при отсутствии шумов;

3. Алгоритм оценивания профессионального состояния при наличии 0]у-мов наблюдений, использующий псевдообращение матриц;

4. Алгоритм оценивания профессионального состояния при наличии шумов наблюдений, использующий осреднение результата оценивания с псевдообращением;

5. Алгоритм оценивания профессионального состояния при наличии шумов наблюдений с применением методов линейного оценивания состояния динамических систем.

Формирование оценок эффективности функционирования ЭСУ осуществляется па завершающем этапе оценивания на основании предварительно сформированных оценок качества результатов и рациональности деятельности человека-оператора в эргатической системе управления.

В общем случае задача формирования оценок эффективности функционирования ЭСУ ЛА является задачей агрегирования (свертки) множества частных показателей функционирования сложной иерархической динамической системы. Поэтому процедура этих оценок также должна иметь иерархическую структуру, учитывающую взаимовлияние показателей функционирования подсистем одного уровня и их вклад в обобщенный показатель эффективности функционирования ЭСУ.

Пусть оценивается функционирование ЭСУ Л А при выполнении некоторого /-го полетного задания (/=7,..., Л^; А^-общее количество оцениваемых ПЗ), состоящего из ЫЕ элементов. Каждый у-ый элемент полетного задания {¡-1,..., Лу содержит участков, имеющих свои отличительные признаки начала и окончания. Пусть далее, для каждого к-то участка (к=1.....Л'у) определены эталонная траектория и Л'у групп показателей и

нормативов оценивания функционирования эргатической системы управл ния ЛА, причем эти частные показатели представлены в относительнь единицах и удовлетворяют условию

рих, е[ 0,1], (5 где/)цЛ>/ - /-ый частный показатель оценивания функционирования ЭСУ Л из А -ой группы показателей на у-ом участке /-то элемента полета (1-1.....Ир

В диссертации разработан алгоритм, основанный на комбинаторт топологической интерпретации функционирования ЭСУ, в соответствии которой показатели />/.//с,/ могут рассматриваться как вершины симплищ ального комплекса.

Положим, что погрешности определения частных показателей явл: ются случайными величинами с симметричными законами распределен! вероятностей и нулевыми средними значениями. Тогда, вводя барицентр! ческие координаты (/¡.].к.1 вершин можно вычислить расстояние си,}.к.1 меж/] точкой и барицентром /и/'.у,к,1 рассматриваемого симплекса:

т\,),к,1 - 1//V; (5;

цЦ.кЛ = рЦ.кШ; (5!

а=<££ЩтЦ.к.1 - ЧЦ,к,Г)г)ха = 1ЩТ1ИХ1 - ри.к./)2)112, (5<

1 jkl 1 где N количество вершин симплициального комплекса.

Значение с1 характеризует отклонение фактического функционнров: ния от эталонного. Показателем эффективности функционирования ЭС целесообразно принять меру близости g фактического функционирования эталонному, которую можно задать формулой

Е = 1 с1, (61

применение которой позволяет определить балльную оценку:

с = (61

Поскольку не все частные показатели можно считать равновесными точки зрения их вкладов в общий показатель оценивания, то сначала ос} ществим гомогенизацию показателей, т.е. в каждой группе частных показ; телей оценивания выделим такие подгруппы, внутри которых показател оценивания можно считать равновесными с точки зрения влияния на общи показатель оценивания для этой подгруппы. Выделенные гомогенизацие подгруппы будем называть однородными подгруппами показателей оцени вания.

Общие показатели оценивания однородных подгрупп определяютс согласно выражений вида (59). Тем самым внутри каждой группы буде сформирован кортеж из общих показателей оценивания однородных по/1 групп.

Следующим шагом является ранжирование общих показателей оцени вания однородных подгрупп рассматриваемой группы. При этом опредс. ляются основные (ведущие) и дополнительные (ведомые) показатели корн жа показателей оценивания группы, т.е. упорядочение показателей по сил влияния на общий показатель оценивания группы. Ранжирование показатс лей является одной из наиболее трудно формализуемой операцией, для вы

полнения которой применяют, как правило, методы экспертного оценивания. Наряду с этим при оценивании эргатических систем управления имеется ранжирование, которое может быть названо естественным и обусловлено целенаправленностью функционирования ЭСУ на каждом пространственно-временном участке. Естественное ранжирование применительно к ЭСУ ЛА основано на априорных знаниях об ее эталонном функционировании.

В работе показано, что показатели оценивания функционирования ЭСУ Л А на участке полета имеют следующее естественное ранжирование:

1-ый уровень - терминальные показатели р"'у качества результатов;

2-ой уровень - интервальные показатели р"у качества результатов;

3-ий уровень - показатели рациональности деятельности летчика рг, причем каждый последующий уровень является дополнительным для предыдущего.

Главным требованием к процедуре формирования оценки эффективности выполнения участка полета является неулучшение показателей оценивания л-го уровня за счет показателей оценивания (п+1)-го уровня, что легко выполнимо при формировании итогового показателя в аддитивном виде с отрицательными весовыми коэффициентами для слагаемых, пришедших от (п+1)-го уровня. Тогда алгоритм формирования показателя р3 оценивания эффективности выполнения участка полета приобретает рекуррентный характер и описывается соотношениями:

и е

Кз = Рг- И: ~ Р у + ё' = Р у + «/&? = Рэ- (62)

где я,- е [-1, 0], / = /, 2. Коэффициенты «, и а2 в алгоритме (62) задают уровень влияния показателей нижнего уровня на оцениваемый. Их значения в свою очередь могут быть поставлены в зависимость от значений показателей этого нижнего уровня, т.е.

(63); а2-а2(^3). (64)

Вид функциональных зависимостей (7.91), (7.92) в общем случае произволен.

В работе в качестве примера рассмотрен частный случай определения значений коэффициентов межуровневых влияний, когда функции влияния (63) и (64) имеет вид (в последующих выкладках номера уровней опущены, а показатели р уир у обозначаются как ру):

а = -(сс + р&7), (65)

где у - константа, характеризующая форму кривой функции влияния, при ограничениях:

а = 0, если g=]; а = -гру, если g=0, (66)

где е - коэффициент, характеризующий максимальное значение снижения показателя оценивания.

Подставляя ограничения (66) в выражение (65) получаем:

а = -*ру(1-/). (67)

Соотношениями (62)...(67) определяется алгоритм формирования показателей оценивания эффективности функционирования ЭСУ ЛА на

участке полета. Следует подчеркнуть, что в этом алгоритме две группы коэффициентов в формулах вида (67), а именно: Е1, 82 и у\, 72, должны бьт предварительно определены экспертным путем.

Последовательно применяя алгоритм вида (62)...(67) к оцениванию отдельных элементов полета и к полету в целом, получим показатели оценивания эффективности функционирования ЭСУ ЛА при выполнении каждо го элемента и полета в целом. Возможность такой процедуры оценивант обусловлена тем фактом, что симплициальный комплекс, построенный ш показателях р^.м, допускает многократное барицентрическое подразделе ние, конечным результатом которого является множество симплексов, вершины которых принадлежат однородным подгруппам частных показателе! оценивания. В более общем случае, когда функции плотностей распределения вероятностей погрешностей частных показателей р^.ю не являются симметричными, оценки (57)...(60) становятся смещенными. В диссертации получена процедура вычисления показателя эффективности для этого случая.

Восьмая глава содержит материалы математического моделирования и анализа алгоритмов, разработанных в главах 3, 6 и 7.

Статистические характеристики погрешностей на выходе поликаскадного рекуррентного фильтра, полученные в результате математического моделирования на ЭВМ, достаточно хорошо согласуются с требованиями ь точности, выдвинутыми перед применением алгоритма синтеза, так например, вместо ожидаемого значения коэффициента снижения уровня шумов равного 0,20, при моделировании получено значение 0,17 (см.рис.4 и 5). Полученные оценки критерия Стьюдента, коэффициентов асимметрии и эксцесса (рис.6) свидетельствуют, что отклонение аппроксимирующей функции от идеального процесса не является статистически значимым, а погрешности аппроксимации имеют функцию распределения, близкую к нормальному закону распределения с нулевым средним значением, что позволяет говорить о достаточно высокой достоверности предлагаемых алгоритмов аппроксимации и синтеза поликаскадных рекуррентных фильтров.

Моделирование подтвердило, что наличие ошибок параметров концептуальных моделей летчика сказывается не только на изменении траектории ручки летчика, но и на остальных траекторий угловой скорости и угла причем рассогласования между эталонными и фактическими траекториями достигают значительных размеров, и эти ошибки приводят к недостижение цели управления (рис.7). Вычисленные значения затрат мускульной энергии летчика на реализацию управляющих воздействий существенно зависят и от динамических свойств ЛА, и от свойств системы передачи управляющей воздействия, что свидетельствует о хорошей чувствительности предлагаемого показателя затрат к изменению свойств объекта управления, причем появление погрешностей в концептуальных моделях летчика приводит к увеличению.его затрат на достижение поставленной цели управления и к снижению показателя рациональности его деятельности (рис.8).

Показано, что погрешность определения показателя рациональности операторской деятельности летчика нелинейно зависит, во-первых, от ин-

струментальных погрешностей датчиков, измеряющих параметры перемещения ручки летчика, во-вторых от погрешностей априорной информации о динамических свойствах объекта управления и канала пере дачи управляющих воздействий и, в-третьих, от достоверности математической модели, принятой для описания управляющего процесса (поскольку в формулах определения дисперсии участвуют соотношения, полученные на основе этой математической модели). Погрешности показателей затрат и, следовательно, показателя рациональности прямо связаны с величиной и интенсивностью перемещения ручки летчика (т.е. с величиной усилия, прикладываемого летчиком к ручке управления для совершения желаемого маневра), причем чем выше это усилие, тем большее значение принимает погрешность определения упомянутых показателей. Дисперсия показателя рациональности операторской деятельности является взвешенной суммой дисперсий показателей эталонных и фактических затрат летчика на выполнение управляющего движения;

Алгоритмы оценивания переменных пространства профессионального состояния летчика являются, по существу, алгоритмами параметрической идентификации и если выдвинуто требование реализации алгоритмов оценивания в темпе реального времени, то предпочтительным является рекуррентный алгоритм оценивания переменных пространства профессионального состояния. Ошибки оценивания зависят на только от погрешностей ввода коэффициентов, но и от динамики управляемого процесса, что проявляется через элементы матрицы О. Рекуррентный алгоритм, погрешности оценивания которым характеризует ковариационная матрица Р, будучи алгоритмом калмановского типа, обладает одним отрицательным свойством -возможной расходимостью процесса оценивания, причиной которого в нашем случае могут быть ошибки численных значений коэффициентов, участвующих в формировании динамической матрицы системы. Если рекуррентным алгоритмом используются точные значения упомянутых коэффициентов, то погрешности оценивания обусловлены только имеющимися шумами системы и случайными погрешностями в канале наблюдения.

Проверка работоспособности АТФС, выполненная на примере расчета топологических характеристик ЭСУ общего вида при отсутствии и при наличии связей, отражающих потоки неинструментальной информации человека-оператора, показала, что предлагаемый метод обладает высокой чувствительностью к изменению функциональной структуры системы (уровень связи симплексов в рассмотренных структурах отличается почти в 2 раза для комплекса источников и почти в 3 раза для комплекса стоков). При этом уровень связи отдельных симплексов для рассмотренных структур ЭСУ существенно различны как для комплекса источников, так. и для комплекса стоков. Это различие особенно велико для симплекса, представляющего эргатическую часть ЭСУ, причем уровень связи человека-оператора с системой увеличивается при полном учете потоков неинструментальной информации в 5-7 раз. Это дает основание говорить, что метод анализа топологии функциональных структур, примененный к эргатическим системам

управления, позволяет ввести численную меру для оценивания уровня тивности человека-оператора в процессе выполнения им трудовой деяте ности.

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

Заключение

Главным результатом диссертационной работы следует считать р работанные в ней методологические основы, теорию и математические г дели для оценивания состояния эргатических систем управления, обеспс вающие построение инструментальных средств в виде математического программного обеспечения автоматических и автоматизированных сист информационной поддержки управления состоянием эргатических сисз управления, что является решением поставленной в работе актуальной ; учной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Полученные в работе результаты и выводы можно обобщить в с дующем виде:

1. Реализация процессов управления состоянием эргатической систе; в настоящее время осложнена вследствие, во-первых, отсутствия единой 1 тодологии создания систем оценивания состояния ЭСУ и недостаточнс уровня развития теории функционирования эргатических систем управ ния и связанной с ней теории оценивания состояния ЭСУ и ее составн частей, во-вторых, недостаточной определенности в математических опи ниях динамики состояния человека как субъекта деятельности в эрга' ческой системе управления и практическое отсутствие алгоритмически обеспечения процессов оценивания состояния ЭСУ и ее составных частей, в-третьих, отсутствия теоретических и прикладных разработок в облас синтеза систем информационной поддержки принятия решений при упр лении состоянием ЭСУ на этапе ее целевого функционирования;

2. Сформированные в работе обобщенные системно-динамические д дели эргатических систем управления, введенные на их основе классы о нок функционирования ЭСУ и разработанный метод анализа связнос функциональных структур в совокупности образуют методологическ основу для развития теории разработки моделей и алгоритмов систем о нивания состояния ЭСУ;

3. Конкретизация значения понятия состояния применительно к эр тнческим системам управления позволило ввести в рассмотрение понят профессионального состояния человека-оператора, что в свою очередь да возможность рассматривать человека-оператора как формальный спстч ный объект наряду с техническим компонентом ЭСУ;

4. Разработанный метод анализа топологической связности функщ нальных структур позволяет определить новый вид оценок состояния чeJ века-оператора - уровень включенности ЧО в процесс функционировав эргатической системы управления, и тем самым впервые дает возможно! ввести числовую шкалу в инженерно-психологический принцип активне оператора;

5. Доказаны теоремы о структурной, хроно- и динамической композициях эргатических систем управления, что позволило строго обосновать допустимость осуществления пространственно-временного разбиения ЭСУ на функциональные субсистемы и независимое оценивание их состояния;

6. Развиваемая в работе системно-динамическая теория оценивания операторской деятельности позволила впервые дать обобщенную математическую формулировку понятий постоянной и переменной концептуальных моделей человека-оператора, имевших до сих пор только содержательное описание, и на этой основе разработать общий подход к конструированию пространства профессионального состояния ЧО, что дает возможность приступить к разработке моделей и алгоритмов оценивания переменных пространства профессионального состояния субъекта деятельности в конкретной предметной области;

7. Применение разработанных теоретических положений к ЭСУ ЛА позволило создать обобщенные математические моделей, отображающие концептуальные модели летчика при управлении летательным аппаратом, и сконструировать обобщенное пространство его профессионального состояния, которые дополнили единую методологическую базу создания систем информационной поддержки управления состоянием применительно к ЭСУ ЛА и дали возможность определить в общую структуру и основные функции алгоритмического обеспечения оценивания ЭСУ ЛА;

8. Установлено, что системы оценивания состояния ЭСУ ЛА необходимо должны содержать подсистему предварительной обработки измеренных данных, в которой основным звеном является модуль высокоточной фильтрации информации (по возможности в темпе реального времени), и подсистему оценивания состояния ЭСУ ЛА, алгоритмическое наполнение которой, обязательно включает в себя модули оценивания переменных пространства профессионального состояния летчика, а также модули оценивания качества результатов, рациональности и эффективности операторской деятельности летчика, что вызвало необходимость разработки соответствующих моделей и алгоритмов фильтрации и оценивания;

9. Разработаны и исследованы новые процедуры синтеза и алгоритмы обработки дискретных данных, основанные на рекуррентной аппроксимации входной информации и позволяющие получать результаты обработки с заданной точностью в темпе реального времени (чем обеспечивается реализация основной функции подсистемы предварительной обработки), новые модели и алгоритмы оценивания переменных пространства профессионального состояния летчика при управлении угловым движением ЛА и оригинальные алгоритмы формирования оценок качества результатов, рациональности управляющих движений и эффективности деятельности летчика при выполнении полетного задания, что обеспечивает реализацию основных функций подсистемы оценивания состояния ЭСУ ЛА.

10. Достоверность полученных результатов подтверждается выполненным математическим моделированием и анализом разработанных алгоритмов, а также апробацией и внедрением синтезированных компонентов си-

стем оценивания состояния ЭСУ на предприятиях авиационной промы ленности, в организациях МО РФ и РАН;

11. Техническая новизна разработок подтверждается 14 авторски свидетельствами на способы и устройства.

Содержание диссертационной работы отражено в 78 публикаци основными из которых являются:

1. Безбогов A.A. О теоретико-информационных критериях оцен функционирования систем "человек-техника" И Исследование и модели] вание деятельности человека-оператора. - М.: Наука, 1981. - С. 6-16.

2. Безбогов A.A., Мазур Л.И., Меркулов В.П. Об одном методе ав' матической оценки эффективности операторской деятельности // Иссле; вание и моделирование деятельности человека-оператора. - М.: Наука, 19 - С. 76-80.

3. Безбогов A.A., Мазур Л.И., Меркулов В.П. Система оперативн экспресс-оценки эффективности операторской деятельности летчика II I следование и моделирование деятельности человека-оператора. - М.: Hayi 1981.'- С. 80-84.

4. Безбогов A.A., Меркулов В.П. Автоматизация оценки деятельное летчика на тренажере // Тез.Всесоюзной НТК, Пермь, ВС НТО, 1982. -147-148.

5. Безбогов A.A. Автоматизация процессов оценки эффективности ( стем "человек-машина" // Психол.ж., 1983, т.4, № 2. - С. 45-50.

6. Безбогов A.A. и др. Автоматизация оценки уровня обученное оператора на тренажере II Психол.основы тренажеростроения. - Ерев; ЕГУ, 1984.-С. 104-106.

7. Безбогов A.A. Теория систем и оценка обученности в систем "оператор-тренажер-инструктор" // Психол.основы тренажеростроения. Ереван: ЕГУ, 1984. - С. 69.

8. Артюхин С.Ю., Безбогов A.A., Виноградов Р.И. Автоматизаи оценки уровня обученности операторов на тренажерах II Психол.осно тренажеростроения. - Ереван: ЕГУ, 1984. - С. 104-106.

9. Безбогов A.A. Некоторые вопросы автоматизации оценки эфф< тивности функционирования систем "человек-техника" И Кибернетика и в числит, техника. Вып. 61 - Киев: ИК АН УССР, 1984. - С. 63-67.

10.Безбогов A.A. Анализ топологии функциональных структур эр| тических систем.// Кибернетика и вычислит.техника. Вып.68. - Киев: ИК Р УССР, 1985.-С. 61-67.

П.Артюхин С.Ю., Безбогов A.A. Методы оценки деятельности ki монавта-оператора // Гагаринские научные чтения по авиации и космон: гике 1983, 1984 годов: Тез. докл. - М.: Наука, 1985. - С. 72.

12.Артюхин С.Ю., Безбогов A.A. О влиянии некоторых факторов г лета на характер управляющих воздействий космонавта-оператора // IV i учные Гагаринские чтения по авиации космонавтике: Тез.докл. - М.: Инс мед.-биол.проблем, 1985. - С. 88-89.

13.Безбогов A.A., Дубовый Л.М., Заброди» Ю.М. Проблемы создания технических средств подготовки операторов. - Деп. ВИМИ, 1986, сер. "AT", вып.05, реф. № ДД1178.

Н.Исаева Т.Б., Безбогов A.A. Результаты исследования взаимосвязи успешности деятельности с индивидуально-личностными особенностями человека-оператора// XV Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике: Тез.докл. - М.: Инст-r мед.-биол.проблем, 1985. - С. 173.

15.Безбогов A.A. Системология оценивания функционирования систем "человек-техника" // Межотрасл. научно-техн. сб., сер. " Эргономика ", п/я А-1420, 1987.-С. 3-10.

16.Безбогов A.A. и др. Автоматизация процессов подготовки летчика на авиационном тренажере с учетом индивидуальных качеств обучаемого II Психол. проблемы подготовки специалистов. - М.: ИП АН СССР, 1988, С. 201-209.

17.Безбогов A.A. Проблемы построения автоматизированных систем управления подготовкой летчика на тренажере// Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: Тез.докл. - М.: 1988. - С. 17-18.

18.Безбогов A.A., Кобельков Н.О. Построение автоматизированных систем оценивания и диагностики деятельности летчика на авиационном тренажере // Сб. мат-лов межвуз. НТС "Анализ и синтез авиационных эрга-тических систем". - Киев, КВВАИУ, 1989. - С. 54-60.

19.Безбогов A.A. Системный подход в анализе функционирования СЧТ // Принципы и методы повышения эффективности тренажерной подготовки. - М.: ИП АН СССР, 1990. - С. 83-92.

20.Безбогов A.A. Рекуррентное восстановление полезного сигнала дискретного датчика. - Деп. в/ч 11520,Спр.№ 4817,Сб.реф.,вып. 14, сер. Б,

1990.

21.Безбогов A.A. Топология дискретных линейных динамических систем с управлениями и наблюдениями. - Деп. в/ч 11520, Спр.№ 4860, Сб.реф., вып. 14, сер. Б, 1990.

22.Безбогов A.A. Принцип системности Б.Ф.Ломова и оценивание функционирования систем "человек-техника" II Первые междун. научные Ломовские чтения: Тез. докл. - М: ИП АН СССР, 1991. - С. 145-146.

23.Безбогов A.A., Метла С.Л. Алгоритмизация процессов оценивания дискретной деятельности летчика при тренировках на авиационном тренажере // Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: Тез. докл. Всесоюз. конф. 5-7 сентября 1991г. - Пенза: ПДНТП,

1991. - С. 41-42.

24.Безбогов A.A. и др. Система оперативного контроля. - Авт. свид-во СССР № 129149, 1979.

25.Безбогов A.A. и др. Способ оценки качества пилотирования летательных аппаратов. - Авт. свид-во СССР № 786204, 1980.

26.Безбогов A.A. и др. Авиационный тренажер. - Авт. свид-во СССР №791057, 1980.

27.Безбогов A.A. и др. Устройство оценки напряженности пилота. Авт. свид-во СССР № 1365958, 1988.

28.Безбогов A.A. и др. Устройство определения качества пилотиров; ния на тренажере. - Авт. свид-во СССР № 273344, 1988.

29.Безбогов A.A. и др. Система объективного оценивания для авиацг онного тренажера. - Авт. свид-во СССР№ 301307, 1989.

30.Безбогов A.A. и др. Способ оценивания качества операторской де! тельности летчика. - Авт. свид-во СССР № 319108, 1990.

ЗКБезбогов A.A. и др. Система оценивания качества операторско деятельности летчика. - Авт. свид-во СССР№ 313735, 1990.

от ЭСУ

от ВСФ"

СИД

СИД ЭСУ

СИД ВСФ

спо_

СПОЭСУ

СПОВСФ

^¿.„СОС__^

СОСЭСУ

СОС ВСФ

БДС

о

СПС

<0=>[

СРР

г=г>

БЗМ

Рис. I .Структура системы информационной поддержки управления состоянием ЭСУ

СПО

ВД ППД

вех

ФД

сд

ФКИ

ФП

Рис.2.Структура системы предварительной обработки

Рис.З.Структура системы оцеиишшия состояния эргатической части ЭСУ

J2

E2n=10

■ n=50 □ n=100 Ип=500

■ n=1000

Рис.4.3ависимость коэффициента подавления Кф от количества членов разложения m и количества отсчетов п.

11=10 п=50 п=100 п=500 п=1000

Ыпогт(0,1) Brawn(0,1)

Рис.5.3авнсимость эмпирического среднеквадратического отклонения о or количества отсчетов п для нормального и равномерного законов распределения погрешностей.

1.00Е+00 8.00Е-01 6.00Е-01 4.00Е-01 2.00Е-01 О.ООЕ+ОО

0,5

1.5

2,5

►-С.К.О. -в—Student —Л—Asimmetry —К— Excess

3,5

1.00Е+00 8.00Е-01 6,OOE-O1 4.00Е-01 2.00Е-01 О.ООЕ+ОО

-♦-С.К.О. -S—Student -Д—Asimmetry —К-Excess

0,5

1,5

2,5

3,5

б.

Рис.б.Зависиыости среднеквадратического отклонения (С.К.О.), критерия Стьюдента (Studeut), асимметрии (Asirmnelry) и эксцесса (Excess) от времени для 1-го (а) и 2-го (б) каскадов.

60 40 20 0 -20

-60

50 40 30 20 10

30 -, 20 10 0

о - >.,... лл^-сПгг^^иС*^??^

0123456789 10

б.

-----

« _. /

-а-Д -—И

10

Рнс.7.Траекторин перемещения ручки летчика (а), угловой скорости (б) и угла (в) для глобальной (0) и текущей (¡) эталонных и фактической (О траектории.

/

1.20Е+00 1.00Е+00 8.00Е-01 6.00Е-01 4.00Е-01 2.00Е-01 О.ООЕ+ОО

рх=0.5;

(5ш=0.1;

Зи=0.05 !х=0.25

|!м=0.1 Пх-О.5 11111

рш=0.5 Ру-1.0 йг.....-1

Ь.

Рис.8.3аЕИсимость показателя затрат I от коэфф;щиентов Дм (а) и рх (Ъ).