uzluga.ru
добавить свой файл

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА В УПРАВЛЕНИИ СЛОЖНЫМИ СИСТЕМАМИ



Г. В. Новожилов1, А. Ф. Резчиков2, В. А. Твердохлебов2


1ОАО «Авиационный Комплекс им. С.В.Ильюшина», Москва, Россия

2Институт проблем точной механики и управления РАН, Саратов, Россия


Обеспечение безопасности полета воздушного судна (ВС) относится к задачам авиационно-транспортных систем (АТС). Основные концепции и технологии обеспечения безопасности полета ВС изложены в работе [1].

Исследование сложных человеко-машинных систем (СЧМС) и поиск новых подходов и средств построения моделей СЧМС, проведенные в ИПТМУ РАН, позволили разработать комплексы причинно-следственных связей (КПС), в которых представлена структура причинно-следственных связей между взаимодействующими объектами ([2]). Для этого введена новая более полная структура причинно-следственных связей (группа причины, включающая причину и условие 1 реализации причинно-следственной связи, и группа следствия, включающая следствие и условие 2 после реализации причинно-следственной связи, связанных ядром в форме описания связи на рассматриваемом уровне полноты и точности) и определена алгебра причинно-следственных связей. Основным объектом, представленным в работоспособной модели СЧМС, полагается процесс функционирования, определенный изолированными вариантами взаимосвязей и взаимодействий шести базовых частных процессов (командно-информационный, управляющий процесс; процесс действий исполнителей (экипажей, диспетчеров, операторов и т.п.); процесс функционирования техники и оборудования; процесс энергообеспечения; процесс обеспечения СЧМС сырьем, комплектующими, грузами, пассажирами; процесс взаимодействий с внешней средой (метеоусловиями и др.)) и взаимодействий базовых процессов в сочетаниях по два, по три, … , всех шести процессов. Полученные 63 частных процесса рассматриваются как изолированные для того, чтобы эффективно использовать в построении модели СЧМС теоретические и практические знания в форме теорем, отношений, гипотез, статистики и т.п. из области приложений.

Иерархическая по полноте и точности последовательность КПС (последовательность моделей СЧМС) приводит к границе полезности моделей СЧМС в форме КПС. До этой границы в КПС определены причинно-следственные связи и взаимодействия компонентов СЧМС и процессов в СЧМС, а не сами процессы функционирования. В разработанном методе построения модели процесса функционирования СЧМС (см.[2,3]) достаточно полный и точный КПС используется для разработки модели, в которой ядра связей групп причины и групп следствий представляются подходящими математическими средствами: дифференциальными или интегральными уравнениями, логическими уравнениями, дискретными структурами (графами, таблицами, матрицами и т.д. с интерпретацией). Для этого общий процесс функционирования СЧМС и 63 варианта его декомпозиции на частные процессы представляются последовательностями причинно-следственно связанных событий. Моделями событий полагаются элементы множества , где W1, W2, … , Wk - множества значений свойств R1, R2, … , Rk выбранных для представления свойств процесса функционирования СЧМС и предшествующего определения частных процессов. Полагается, что конкретный процесс функционирования  = < w(1), w(2), … , w(c) > , где и 1 ≤ t ≤ c , определяется последовательным уточнением на основе пополняемой информации последовательности бинарных отношений ρ1 , ρ2 , …, ρс-1 , где (w(t), w(t+1))ρt , 1 ≤ t ≤ c . Для уточнения бинарных отношений предлагается использовать фильтры в форме , , , ρ ∩ σ , где , σ  WW и - операция умножения бинарных отношений . Точное определение последовательности  достигается, если .

Для решения задач контроля и диагностирования применимы основные положения технического диагностирования: выбор множества учитываемых неисправностей, построение моделей для элементов множества неисправностей, определение контрольных и диагностических процедур на основе методов распознавания моделей с использованием "умозрительных, Э.Мур" экспериментов. Принципиальное отличие контроля и диагностирования СЧМС заключается в наличии в СЧМС человеческих звеньев как в управлении, так и в реализации управленческих решений. В КПС действия исполнителей представлены базовым процессов и взаимодействиями этого процесса в сочетаниях совмещений с другими процессами.

Анализ показал, что уже введенных вариантов декомпозиции СЧМС и процесса функционирования СЧМС недостаточно и требуется декомпозиция контуров управления, соответствующих всем (или некоторым) частным процессам в СЧМС. Пусть общий процесс функционирования СЧМС представлен частными процессами P1 , P2 , … , P63 и каждый процесс P , 1 ≤  ≤ 63, определяется значениями свойств .

Декомпозицию каждого процесса P , 1 ≤  ≤ 63, определим как преобразование причинно-следственных связей значений свойств в функциональные связи. Для этого в последовательности  = < w(1), w(2), … , w(c) > , определяющей процесс функционирования СЧМС, выделим последовательности значений  = < w(1), w(2), … , w(c) > свойств , для каждого 1 ≤  ≤ 63. Для того, чтобы связи значений и , где 1 ≤ t ≤ c – 1, определить с требующимися полнотой и точностью рассмотрим функциональные зависимости величин , 1 ≤ i ≤ n , от аргументов в форме величин и сочетаний этих величин по две, по три, …, всех n величин.

Сложность, иерархическая структура и разнородность математических средств в предлагаемом методе построения модели СЧМС являются следствием большой сложности моделируемого объекта и стремления достичь общности получаемой модели (модели АТС, модели АЭС, модели крупного промышленного комплекса, модели сети железных дорог и т.п.).

Предлагаемые модель СЧМС и метод ее построения предназначены:

- для рассмотрения процесса функционирования СЧМС во взаимосвязи и взаимодействии доминирующих разнородных процессов;

- для представления общих и не полностью определенных причинно-следственных связей и зависимостей между процессами в СЧМС достаточно полными и точными их описаниями;

- для использования предлагаемых моделей в решении как вспомогательных задач контроля и диагностирования функционирования, так и в решении главной задачи обеспечения безопасности процесса функционирования СЧМС.

В работе [1] процесс полета ВС разделен на следующие этапы: руление со стоянки до торца взлетно-посадочной полосы (ВПП), разбег ВС до скорости отрыва, взлет, набор высоты до высоты заданного маршрута, полет по маршруту, снижение до круга, полет по глиссаде, пробег по ВПП и торможение, руление с ВПП на стоянку (см.рисунок) .





Рис. Связь элементарных причинно-следственных звеньев с частными целями и базовыми частями типового профиля полета (траектории полета), где Hi и Hij - отдельные стандартные этапы полета

Траектория движения воздушного судна, изображенная на рисунке представлена последовательностью стандартных этапов Hi и Hij, которым сопоставляются модели причинно-следственных связей в формах элементарных звеньев или компонент комплексов причинно-следственных связей. Точность математического описания процесса полета, как основного процесса в функционировании АТС, зависит от многих факторов, в том числе от сложности движения на отдельных стандартных этапах. Поэтому при разбиении полета на стандартные этапы следует стремиться к тому, чтобы движение на стандартном этапе было достаточно полно и точно обеспечено моделями каждого из 6 базовых процессов и рассматриваемых вариантов взаимодействий базовых процессов.

Полет ВС можно рассматривать как процесс функционирования сложной человеко-машинной системы (СЧМС), состоящий из шести базовых процессов и 57 процессов, порожденных их взаимосвязями и взаимодействиями. Такая декомпозиция общего процесса функционирования АТС на частные процессы позволяет :

- распределить общую задачу по конкретным задачам для частных процессов;

- достичь требующихся полноты, точности и однородности и компактности моделей;

- определять средства, режимы и форму получения контрольной и диагностической информации о процессах в СЧМС;

- эффективно использовать теоретические знания и опытные данные из области приложений;

- строить формализованное описание процесса функционирования СЧМС.

Декомпозиция общего процесса функционирования СЧМС на 63 частных процесса позволяет:

- рационально определять свойства и множества значений свойств, которые должны быть представлены в контрольной и диагностической информации;

- разработанные комплексы причинно-следственных связей применять к построению последовательности моделей СЧМС в диапазоне от общих, не точных и неопределенных представлений о целях, решаемых СЧМС задачах, используемых ресурсах и т.п. до конкретных моделей частных процессов;

- осуществлять переход от представления общего процесса функционирования СЧМС последовательностью обобщенных событий к их представлению последовательностями конкретных событий в конкретных частных процессах;

- формировать множество дефектов и функциональных отказов (ФО) СЧМС с отнесением их к конкретным событиям в этих процессах.

Задачи контроля и диагностирования является вспомогательными по отношению к задаче обеспечения безопасности функционирования СЧМС и для их точных постановок определяется множество учитываемых дефектов (ошибки в инструкциях, моделях, алгоритмах и программах командно-информационного управляющего процесс; неправильные действия экипажа, диспетчеров, операторов и т.п.; неисправности техники и оборудования; нарушения энергообеспечения; нарушения в обеспечении сырьем, комплектующими, грузами и т.д.; отрицательные состояния или воздействия внешней среды; сложные дефекты, порожденные сочетаниями других составляющих дефектов). Дефекты, возникающие или проявляющиеся в процессе функционирования СЧМС, могут изменять эффективность функционирования, развиваться в ФО, требующие использования средств парирования ФО. Как правило, аварии и катастрофы СЧМС развиваются по цепочке : дефект , функциональный отказ, неэффективное парирование ФО, авария или катастрофа.

Анализ фактических данных об авариях и катастрофах ВС показывает, что причинами наибольшего количества аварий и катастроф является человеческий фактор (80-85%) , т.е. решения и действия экипажа, диспетчеров, служб наземной подготовки ВС. Процесс P2 действий исполнителей принципиально отличается от остальных базовых процессов P1 , P3 , … , P6 . Во-первых, реализация одного и того же действия, формально определенного правилами, в реальной материальной среде никогда не реализуется одинаково, как это происходит в технических устройствах. Различие в реализациях правил могут быть несущественными (например, нажатие кнопки, включение тумблера правой или левой рукой пилота при разных траекториях движения руки) и существенными (например, неправильное нажатие кнопки или включение тумблера, выполнение действия с опозданием). Во-вторых, в отличие от технического устройства, в человеческих звеньях, участвующих в определении и реализации управления, правила действий могут доопределяться или изменяться. В-третьих, для некоторых событий в процессе функционирования СЧМС могут быть события, не учтенные в правилах управления. Только наличие человеческих звеньев позволяет расширять правила управления процессом функционирования СЧМС. В-четвертых, только человеческие звенья могут действовать по собственным правилам, исключая имеющиеся правила, задачи полета ВС, целевое предназначение СЧМС.

Особенности человеческих звеньев (возможность различных вариантов реализаций формально определенного правила действия; доопределение правил на основе контекста имеющихся знаний, опыта и навыков; возможность вводить новые правила действий, соответствующие целевому предназначению СЧМС; возможность выполнения действий, противоречащих правилам полета, задачам и целевому предназначению СЧМС) можно исследовать с использованием модифицированных моделей и методов технического диагностирования, комплексов причинно – следственных связей и структур бинарных отношений, представляющих связи событий в процессе функционирования СЧМС.

В работе [3] изложены основные положения, модели и методы построения формальных описаний СЧМС. В частности, содержится метод иерархически построенного описания процесса функционирования СЧМС и переход от такого описания к определению общего и частных процессов в СЧМС с использованием аппарата бинарных отношений, определяющих связи событий в процессах функционирования.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Новожилов Г.В., Неймарк М.С., Цесарский Л.Г. Безопасность полёта самолёта: Концепция и технология. –М.: Изд-во МАИ, 2007 – 196 с.

2. Резчиков А.Ф., Твердохлебов В.А. Причинно-следственные модели производственных систем. – Саратов: Изд-во «Научная книга», 2008. – 137 с. – ISBN 5-93888-920-0

3. Безопасность критических инфраструктур: математические и инженерные методы анализа и обеспечения. Под.ред. В.С.Харченко. Харьков. Изд-во Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского. ("ХАИ").2011г. 641с.