СВЕТ
ЗВУК
С Г1 ц □
J U 1, и
' ИМ
МР
ПУ
Организация
взаимодействия
человека
с техническими
средствами АСУ
СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
Организация
взаимодействия
человека
с техническими
средствами АСУ
Серия	Под редакцией
В семи книгах В. Н. Четверикова
7	В. М. Гасов А. В. Меньков
книга	Л. А. Соломонов А. В. Шигин
СИСТЕМНОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ
СРЕДСТВАМИ
Москва
«Высшая школа» 1991
ББК 32.965
0-64
УДК 681.5
Рекомендовано Государственным комитетом СССР по народ-
ному образованию для использования в учебном процессе
В. М. Гасов, А. В. Меньков,
Л. А. Соломонов, А. В. Шигин
Рецензенты: кафедра автоматизированных систем управления
производством Киевского политехнического института (зав. кафед-
рой — проф. А. А. Павлов); проф. IO. Н. Мельников (Московский
энергетический институт)
0605010201—168
О--------------—
001(01)—91
72-90
ISBN 5-06-001641-2
© Коллектив авторов, 1991
ВВЕДЕНИЕ
Современные методы проектирования деятельности пользователей
АСУ сложились в рамках системотехнической концепции проектиро-
вания, в силу чего учет человеческого фактора ограничился решением
проблем согласования «входов» и «выходов» человека и машины. Вместе
с тем при анализе неудовлетворенности пользователей АСУ удается
выявить, что она часто объясняется отсутствием единого, комплекс-
ного подхода к проектированию не только систем взаимодействия,
но и процесса функционирования АСУ в целом, и в частности опера-
тивного состава АСУ.
Использование системного подхода позволяет принять во внимание
множество факторов самого различного характера, выделить из них те,
которые оказывают наибольшее влияние с точки зрения имеющихся
общесистемных целей и критериев, и найти пути и методы эффективного
воздействия на них. Системный подход основан на применении ряда
основных понятий и положений, среди которых в первую очередь
следует выделить понятия системы, иерархии, потоков информации.
Важным является также требование подчиненности целей и критериев
подсистем общесистемным целям и критериям. Системный подход поз-
воляет рассматривать анализ и синтез различных по своей природе и
сложности объектов с единой точки зрения, выявляя при этом важней-
шие характерные черты функционирования системы и учитывая наибо-
лее существенные для всей системы факторы. Значение системного
подхода особенно велико при проектировании и эксплуатации таких
систем, как автоматизированные системы управления, которые по суще-
ству являются человеко-машинными системами, где человек выпол-
няет роль субъекта управления.
Системный подход при проектировании представляет собой комп-
лексное, взаимосвязанное, пропорциональное рассмотрение всех фак-
торов, путей и методов решения сложной, многофакторной и много-
вариантной задачи проектирования интерфейса взаимодействия. В от-
личие от классического инженерно-технического проектирования при
использовании системного подхода учитываются все факторы проекти-
руемой системы — функциональные, психологические, социальные и
даже эстетические.
Автоматизация управления неизбежно влечет за собой осуществле-
ние системного подхода, так как она предполагает наличие саморегу-
лирующейся системы, обладающей входами, выходами и механизмом
управления. Уже само понятие системы взаимодействия указывает на
необходимость рассмотрения окружающей среды, в которой она должна
функционировать. Таким образом, система взаимодействия должна
рассматриваться как часть более обширной системы — АСУ реального
времени, тогда как последняя — системы управляемой среды.
Свойства системы не сводятся к сумме свойств компонентов,
3
так как последние взаимодействуют между собой и их свойства про-
являются в их взаимодействии, взаимоотношениях. Применительно к
человеко-машинным системам это проявляется в том, что эффектив-
ность интерфейса взаимодействия определяется не отдельно взятыми
биологическими и психологическими свойствами оператора и техниче-
скими свойствами АПК СОИ и АПК АСУ, а совокупностью свойств
человека и техники, выявляющихся только в процессе взаимодействия.
Компоненты, составляющие систему, обладают помимо присущих им,
как бы природных, качеств, еще и системными качествами. Системное
качество — это свойство компонента системы, которое выражается через
интегративные свойства совокупности и целостности системы.
В настоящее время можно считать доказанным, что главная задача
проектирования интерфейса взаимодействия заключается не в том,
чтобы «вписать» рационально человека в контур управления, а в том,
чтобы, исходя из задач управления объектом, разработать систему
взаимодействия двух равноправных партнеров (человек-оператор и
аппаратно-программный комплекс АСУ), рационально управляющих
объектом управления.
По просьбе авторов § 3.4 написан канд. техн, наук С. М. Акпам-
бетовой, а § 1.2 и 3.6 — мл. научн. сотр. Б. С. Горячкиным.
Авторы приносят свою искреннюю признательность коллективу
кафедры АСУП Киевского политехнического института (зав. кафедрой
проф., д-р техн, наук А. А. Павлов), а также проф., д-ру техн, наук
Ю. Н. Мельникову за ценные критические замечания, сделанные ими
при рецензировании данного пособия.
ГЛАВА 1
ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Современные АСУ представляют собой сложные человеко-машин-
ные системы, в которых содержатся средства сбора информации от
объекта управления, вычислительные средства, объединенные в аппа-
ратно-программный комплекс (АПК АСУ), производящие обработку
информации в целях подготовки альтернативных вариантов управ-
ленческих решений, системы отображения информации, управленче-
ский персонал, осуществляющий процесс принятия решения, системы
ввода управляющих воздействий и передачи их на управляемый
объект. Комплексный характер взаимодействия компонентов АСУ в про-
цессе управления требует и комплексного, системного подхода к про-
ектированию как отдельных компонентов системы, так и системы в
целом. Комплексный характер решения задач управления, комплексный,
системный характер проектирования средств взаимодействия человека
с техническими средствами АСУ потребовали введения концепции
интерфейса взаимодействия человека с техническими средствами. Про-
ектирование этого интерфейса как сложной системы должно прово-
диться на базе системного подхода. Основные принципы системного
проектирования сложных систем достаточно полно разработаны и по-
этому в данной главе они рассматриваются применительно к проекти-
рованию именно интерфейса взаимодействия.
1.1. Комплексный характер процесса
управления в АСУ
В настоящее время автоматизированные системы уп-
равления (АСУ) получают все большее распространение,
внедряясь во все новые и новые сферы управленческой
деятельности человека. Создан обширный ассортимент
технологических средств, позволяющих реализовать все
этапы сбора, обработки, преобразования, передачи,
хранения и отображения информации персоналу АСУ,
активно участвующему в выработке управленческого
решения, выдачи команд и контроле за их выполнением.
АСУ включает в себя как непременного участника управ-
ления человека, через которого происходит замыкание
системы в единый непрерывный контур управления.
Автоматизированные системы управления строятся в
большинстве случаев по иерархическому принципу, со-
5
гласно которому на каждом уровне решаются задачи
управления, находящиеся в сфере компетенции данного
уровня, при этом для нижерасположенного уровня реше-
ния верхнего уровня являются либо задачами управле-
ния, подлежащие решению на этом уровне, либо дирек-
тивами по отношению целей и ресурсов на их выпол-
нение. В процессе решения задач управления возникают
вопросы, требующие согласования как между уровнями,
так и между управленческим персоналом одного уровня.
Помимо управленческого персонала, называемого в даль-
нейшем оперативным составом АСУ, в состав системы
входят исполнительные компоненты, расположенные на
нижних уровнях иерархии управления. Исполнительные
компоненты или системы могут быть, в свою очередь,
как полностью автоматическими (системы автоматиче-
ского регулирования), так и АСУ нижнего уровня, от-
ветственность в которых за исполнение управленческого
решения возложена на человека-оператора. В сложных
АСУ можно выделить четыре уровня (уровень стратеги-
ческого управления, тактического управления, исполни-
тельский уровень и уровень систем автоматического
управления), если иметь в виду в качестве примеров
такие АСУ, как системы управления воздушным движе-
нием, космическими объектами, крупными производства-
ми и т.п. На рис. 1.1 приведена укрупненная структур-
ная схема АСУ подобного типа.
Оперативное управление на любом уровне иерархиче-
ской АСУ включает в себя следующие элементы.
1.	Реальный объект или процесс, полное состояние
которого описывается /V-мерным пространством при-
знаков.
2.	Комплекс датчиков и систем телеизмерения состоя-
ния системы. Количество этих компонентов — п. Обычно
n<,N. Данные преобразуются в n-мерную модель реаль-
ного объекта и воспроизводятся на средствах отображе-
ния информации в виде n-мерного образа — информа-
ционной модели объекта управления (ИМ).
3.	У оперативного состава (операторов управления)
на основе восприятия ИМ, априорных знаний и допол-
нительной информации, неучтенной в ИМ, вырабатывает-
ся психический образ реального объекта (ситуации) —
концептуальная модель (КМ).
4.	Решение задачи управления (обычно вырабаты-
вается совместно человеком-оператором на основе КМ и
АПК, использующего модели поведения объекта и зало-
6
Рис. 1.1. Укрупненная структурная схема АСУ реального времени
женные в него при проектировании), реализуемое либо
в виде воздействия на органы управления, либо в виде
команд, отдаваемых подчиненному персоналу.
Из рис. 1.1 видно, что человек-оператор является за-
мыкающим звеном системы управления, т. е. субъектом
управления, а АПК АСУ является инструментальным
средством реализации его управленческой (оперативной)
деятельности. По определению В. Ф. Венды [4], АСУ
представляет собой гибридный интеллект, в котором опе-
ративный (управленческий) состав и АПК АСУ явля-
7
ются равноправными партнерами при решении сложных
задач управления.
Рациональная организация труда операторов АСУ
является одним из важнейших факторов, определяющих
эффективное функционирование системы в целом. В по-
давляющем большинстве случаев управленческий труд —
опосредованная деятельность человека, поскольку в усло-
виях АСУ он ведет управление, «не видя» реального
объекта. Между реальным объектом управления и чело-
веком-оператором находится информационная модель
объекта (средства отображения информации). Поэтому
возникает проблема проектирования не только средств
отображения информации, но и средств взаимодействия
человека-оператора с техническими системами АСУ, т. е.
проблема проектирования системы, которую мы называем
интерфейсом взаимодействия.
Интерфейс взаимодействия человека с техническими
средствами АСУ может быть структурно изображен так,
как это показано на рис. 1.2. Он состоит из аппаратно-
программного комплекса интерфейса и протоколов взаи-
модействия. Аппаратно-программный комплекс обеспечи-
вает выполнение функций:
преобразование данных, циркулирующих в АПК АСУ,
в информационные модели, отображаемые на средствах
отображения данных;
регенерация информационных моделей;
обеспечение диалогового взаимодействия человека
с техническими средствами АСУ;
преобразование воздействий, поступающих от челове-
ка-оператора, в данные, используемые системой управле-
ния;
физическая реализация протоколов взаимодействия
(согласование форматов данных, контроль ошибок
и т. п.).
Протоколы взаимодействия определяют способ взаи-
модействия человека с информационной моделью (систе-
мой отображения информации) и полем рабочих воздей-
ствий (клавиатурой, рычагами, кнопками и т. п.). Прото-
колы — это свод правил, определений знаков и символов,
методик и инструкций, определяющих взаимодействие.
Аппаратно-программный комплекс интерфейса функцио-
нирует по определенным процедурным правилам, он обес-
печивает непосредственную связь через границу (ин-
терфейс) между техническими составляющими системы
управления и человеком. Протоколы определяют взаимо-
8
п>ект управления
Рис. 1.2. Информационно-логическая схема интерфейса взаимодействия
действие между несоединяющимися непосредственно час-
тями: информационная модель — человек — поле рабо-
чих воздействий.
Назначение протоколов состоит в том, чтобы обеспе-
чить механизм достоверной и надежной доставки сообще-
ний между человеком-оператором и системой отображе-
ния, а следовательно, между человеком-оператором и
системой управления. Протокол — это набор процедур
обмена информацией между параллельно выполняемыми
процессами в реальном масштабе времени. Эти процессы
(функционирование АПК АСУ и оперативная деятель-
ность субъекта управления) характеризуются отсутстви-
ем, во-первых, фиксированных временных соотношений
между наступлением событий и, во-вторых, взаимозави-
симости между событиями и действиями при их наступ-
лении.
Функции протокола связаны с обменом сообщениями
между этими процессами. Формат, содержание этих
сообщений образуют логические характеристики прото-
кола. Правила же выполнения процедур определяют те
действия, которые выполняют процессы, совместно участ-
вующие в реализации протокола. Набор этих правил
является процедурной характеристикой протокола. Ис-
пользуя эти понятия, мы можем теперь формально опре-
делить протокол кёк совокупность логических и про-
цедурных характеристик механизма связи между процес-
сами. Логическое определение составляет синтаксис, а
процедурное — семантику протокола.
Вводом понятия интерфейс взаимодействия человека
с техническими средствами АСУ мы подчеркиваем не
только комплексный (системный) характер взаимодейст-
вия человека-оператора с аппаратно-программным ком-
плексом АСУ, но и не всегда очевидный факт главенст-
вующего положения человека в системе управления, так
как он действительно является субъектом управления.
Выполняя роль замыкающего звена в контуре управле-
ния, человек не должен сводить свои функции к роли
бездумного придатка технической части системы управле-
ния («кнопочная психология»), тем более не должны
сводить его функции к такому виду деятельности проек-
тировщики систем. Человек, работая в контуре управле-
ния, выполняет роль не компонента сложной технической
системы, а субъекта сознательной деятельности, роль
интегрирующего звена, объединяющего функционирова-
ние разнородных компонентов технической системы в це-
10
лях управления реальными объектами. Любая достаточно
крупная автоматизированная система управления (будь
то система управления воздушным движением, система
управления гибкими автоматизированными производст-
венными линиями или даже система технологического
управления атомной электростанцией) является не толь-
ко технической, но социотехнической системой, в которой
сведение человека-оператора до уровня «винтика»,
«придатка» к системе чревато непредсказуемыми послед-
ствиями. Справедливо пишет В. П. Зинченко: «Нередки-
ми становятся случаи, когда, несмотря на удобство и
формальную правильность, соответствующую эргономи-
ческим и технико-эстетическим требованиям расположе-
ния средств индикации и органов управления, человек,
оказывается не в системе управления, а вне ее, он более
не совершает действия с некими реальными объектами,
а всего лишь более или менее успешно манипулирует
органами управления».
Принципиальным подходом к проектированию интер-
фейса взаимодействия является подход, при котором
«социо», человек становится главным не только с точки
зрения целей и назначения системы управления, но и с
позиций функционирования, деятельности человека в сис-
теме управления, чтобы он был не при системе деятель-
ности, а внутри нее, в противном случае социотехнические
системы теряют свойства «социо» и «человек» и превра-
щаются в чисто технические.
Путь к этому подходу был достаточно долгим, да и
сейчас отдельные его этапы часто проявляются в практи-
ке конкретного проектирования систем взаимодействия.
Можно отметить три этапа развития инженерно-психо-
логического проектирования систем взаимодействия.
На первом этапе, назовем его техническим, вопрос об
инженерно-психологическом проектировании средств вза-
имодействия вообще не ставился. Это этап принципиаль-
ного создания технических устройств автоматизации и
механизации процессов деятельности человека, будь то
в сфере производства или в сфере управления,
т. е. в сферах производственной или интеллектуальной
деятельности. При этом главные усилия разработчика,
создателя системы направлены на саму реализацию за-
мысла при его техническом воплощении, а проектиро-
вание средств взаимодействия сводится к простому
выбору средств индикации и органов управления, даю-
щих человеку-оператору принципиальную возможность
11
выполнять функции, возлагаемые на него. Практически
при проектировании технических средств автоматизации
и механизации свойства человека, его способности и не-
достатки как звена контура управления практически
не учитывались или учитывались в весьма слабой степе-
ни. Проектировщики негласно считали, что человек мо-
жет все. Уровень развития инженерной практики того
времени порой подтверждал этот принцип. Примеров
такого подхода можно привести достаточно много, даже
из практики проектирования настоящего времени.
По мере освоения опыта деятельности человека-
оператора в таких системах, усложнение средств авто-
матизации и механизации, ускорение процессов управ-
ления сложными техническими системами привели к по-
ниманию не только ограниченных возможностей опера-
торов, но и к необходимости согласования средств взаи-
модействия с психофизиологическими свойствами чело-
века, к необходимости разумного распределения функций
между человеком и аппаратной частью системы управ-
ления. Возникла наука «Инженерная психология», на-
чали развиваться эргономические подходы к проекти-
рованию средств взаимодействия. Проектирование средств
индикации и органов управления, систем отображения
информации стали проводить с учетом психофизиологи-
ческих свойств человека-оператора. Это повысило эффек-
тивность систем автоматизированного управления, умень-
шило процент ошибочных действий операторов, позволи-
ло перейти на новый уровень автоматизированного уп-
равления, существенно расширить сферу автоматизации
и механизации производственной деятельности.
Существенной особенностью следующего этапа явля-
ется взгляд на человека-оператора как на обучаемый,
программируемый компонент автоматизированной систе-
мы управления. Достаточно эргономически разумно и
технико-эстетически правильно спроектировать систему
взаимодействия и любой человек-оператор будет в со-
стоянии качественно выполнить возложенные на него
функции в системе. Достижения такого подхода очевид-
ны. Назовем этот этап технократическим подходом
к проектированию, поскольку, несмотря на учет психо-
физиологических свойств человека-оператора, приматом
при таком подходе являются технические компоненты
системы управления. Действительно, человек является
обучаемой, программируемой частью системы управле-
ния, а не субъектом управления, осуществляющим
12
предметную деятельность. Если техническая часть систе-
мы управления может выработать альтернативные ва-
рианты управленческих решений, то можно возложить на
технику и сам процесс принятия решения. Иными слова-
ми, при таком подходе возникает возможность абсолюти-
зации вычислительной техники (в частности, АПК АСУ —
компьютеров, используемых в ней), возможность сведе-
ния функций человека-оператора к функции манипуля-
тора кнопками, стремление к «безлюдной технологии
управления». А это значит, что субъектом управления
становится не человек, не «социо», а техническая часть
системы, человек вытесняется из сферы управления, йз
сферы предметной деятельности. Кроме того, этот под-
ход основан на проектировании средств взаимодействия
по отношению к некоему «среднему человеку», т. е.
не учитываются индивидуальные особенности членов
оперативного состава АСУ. Этот подход — технический
подход к человеку как к необходимому компоненту
(звену) системы.
Новые средства трудовой, управленческой деятельно-
сти предъявляют новые, нередко чрезмерные, требования
к человеку в оперативно-технической сфере, к его моти-
вации, возможностям и способностям, т. е. к внутренним
средствам деятельности человека. А это значит, что
дальнейшее использование технократического подхода в
свете недостатков, подчеркнутых выше, может привести
к непредсказуемым последствиям. В последнее время
в эргономике, при проектировании сложных автоматизи-
рованных систем управления, использующих автоматизи-
рованные технологии управления, начал успешно разви-
ваться системно-деятельностный подход, целью которого
является проектирование деятельности и разработка
идущих от человека требований к ее внешним средствам.
При этом подходе сохраняется полная адекватность
между предметным содержанием деятельности человека-
оператора (субъектом управления) и различными фор-
мами знакового, символьного, модельного его отображе-
ния. Так, реализуемые на дисплеях информационные
модели сохраняют роль «окон» в мир, где существует
управляемый человеком объект. Как пишет В. П. Зин-
ченко, сквозь информационные модели «просвечивает»
реальная предметная ситуация и при этом не теряется ее
предметное содержание, не затрудняется ее осмысление
и понимание человеком. Системно-деятельностный подход
позволяет перейти к индивидуализации средств взаимо-
13
действия, поставить вопрос (и решить его) о профессио-
нальной пригодности операторов, расширить сферу при-
менения АСУ. При этом подходе человек является субъ-
ектом труда, субъектом управленческой деятельности,
а технические устройства, компьютеры, аппаратно-про-
граммные комплексы являются средствами предметной
деятельности, помогающие, облегчающие его деятель-
ность.
1.2. Общесистемные требования к интерфейсу
взаимодействия
В последнее время в связи с широким внедрением
автоматизированных систем различного назначения резко
возрос интерес к информационным процессам в сложных
технических комплексах, которые являются объектом
системотехники. Изучение объектов и явлений как систем
вызвало формирование нового метода в науке — систем-
ного подхода. Последний с его конкретными видами
реализации (системным анализом, исследованием опера-
ций и кибернетикой) используется в качестве основного
метода системотехники.
При создании сложных автоматизированных систем
управления в рамках системного подхода все чаще
практикуют системное проектирование, на ранних ста-
диях которого поднимаются вопросы эргономического
обеспечения, таящего в себе большие резервы повыше-
ния эффективности и надежности всей системы. Это
связано со всесторонним учетом человеческого фактора
в процессе проектирования.
Учет требований к подсистемам, звеньям, элементам
и в целом ко всей системе «человек — машина», опре-
деляемых характеристиками человека-оператора и опти-
мизацией его деятельности, необходим для обеспече-
ния рационального распределения функций в системе,
соответствия технических средств АСУ возможностям че-
ловека по приему и переработке информации и осу-
ществлению управляющих воздействий, оптимальных для
жизнедеятельности и работоспособности показателей
рабочей среды и др. Так как выполнение этих требо-
ваний осуществляется на начальной стадии проектирова-
ния и любая даже незначительная их корректировка или
игнорирование в дальнейшем может привести к весомым
ошибкам и, в частности, к несоответствию проекта техни-
ческому заданию, мы вправе распространить их на всю
систему и назвать общесистемными.
14
Данное утверждение тем более справедливо, когда
речь идет о человекосистемном варианте проектирования
при системном подходе, для которого характерна гла-
венствующая роль человека перед техникой, а именно о
таком подходе повествуется в настоящей книге. В этом
случае особое значение приобретает такой компонент
системы, как интерфейс взаимодействия человека с тех-
ническими средствами АСУ. В 1.1 приводился состав
(см. рис. 1.2) и функции интерфейса и его звеньев.
Общие требования к интерфейсу взаимодействия сво-
дятся к следующему. В процессе создания изображения
на экране видеодисплейного устройства определяется ка-
чественная сторона формирования концептуальной мо-
дели человека-оператора. Требования по воспроизведе-
нию информационной модели могут быть классифици-
рованы, как показано на рис. 1.3.
Генерирование изображения с помощью аппаратно-
программного комплекса позволяет получать не только
двумерные спроецированные на плоскость изображения,
но и реализовать картинную трехмерную графику с ис-
пользованием плоскостей и поверхностей второго порядка
с передачей текстуры изображения. Несмотря на то
что формирование на экране видеодисплея изображения
трехмерного объекта обеспечивает значительно большую
детализацию и реальность, на практике распространены
плоские изображения в связи с тем, что трехмерная
графика из-за недостаточного развития вычислительной
техники и средств отображения является перспективной
формой представления информации.
В зависимости от вида воспроизводимого изображе-
ния следует выделить требования по алфавиту ИМ, по
способу формирования символов и по разновидности
использования элементов отображения. Используемый
алфавит характеризует тип модели, ее изобразительные
возможности. Он определяется классом решаемых задач
и задается числом и типом знаков (цифр, букв, условных
знаков, графем и др.), количеством градаций яркости,
ориентацией символов, частотой мерцания изображения
и др.
Алфавит должен обеспечивать построение любых
информационных моделей в пределах отображаемого
класса, т. е. основным требованием, предъявляемым к ал-
фавиту, является его функциональная полнота. Необ-
ходимо также стремиться к уменьшению избыточности
алфавита, так как это приводит к усложнению аппарату-
15
Рис. 1.3. Классификация требований к формированию информа-
ционных моделей
ры и программ дешифрации и генерации элементов и
увеличивает длину описания ИМ.
Способы формирования знака классифицируются в
соответствии с используемыми элементами отображения
и делятся на моделирующие, синтезирующие и генери-
рующие. Для знака, который формируется на экране
ЭЛТ, предпочтительным является матричный формат,
т. е. синтезирующий способ, когда формирование идет из
более простых элементов отображения. Последние в об-
щем случае могут быть точечными элементами, конту-
рами знаков, сегментами, графемами.
Наблюдение за экраном видеодисплейного устрой-
ства позволяет оператору построить изображение ре-
жима системы, которое формируется на основе обучен-
ности, тренировки и опыта (концептуальная модель),
следовательно, возможно сравнение этого изображения
с изображением теоретическим в соответствии с ситуа-
цией. Сопоставление этих двух картин позволяет выявить
возможное несоответствие между ними. Требование аде-
16
кватности, изоморфизма, сходства пространственно-вре-
менной структуры отображаемых объектов управления и
окружающей среды определяет эффективность модели.
Между информацией и индикацией должна быть логи-
ческая связь и преподносимое изображение должно сохра-
нять характерные признаки представляемой величины,
т. е. быть достоверным, а точность воспроизведе-
ния — не ниже точности обработки техническими сред-
ствами, обеспечивающими ввод данных [3].
Частота регенерации, определяющая быстродействие
формирования ИМ, а следовательно, и возможность
функционирования системы в интерактивном режиме,
оказывает влияние практически на все компоненты
системы, связанные с обработкой и отображением ин-
формации. Воспроизведение изображения осуществляет-
ся на основе его цифрового представления, которое
содержится в блоке памяти, называемом буфером регене-
рации.
Производство каждого кадра, обладающего большим
количеством элементов, требует значительных затрат
процессорного времени, поэтому в интерактивных систе-
мах, работающих в реальном масштабе времени, изо-
бражение необходимо возобновлять обычно 30 раз в
секунду, а иногда и чаще. Чем больше времени зани-
мает передача каждого элемента изображения, тем мень-
ше может быть общее число передаваемых элементов,
т. е. меньше объем выводимой на экран информации.
В случае формирования цветных синтезированных
изображений, увеличивающих информационную емкость
средств отображения, встают вопросы способа формиро-
вания цвета, делящиеся на пространственный и опти-
ческий, в основу которых положено суммирование, сме-
шение цветов, а также установление или возможность
использования фиксированного количества цветов, опре-
деляемого алфавитом признаков модели. Три цвета —
красный (/?), зеленый (б)и синий (В)—являются основ-
ными, так как ни один из них нельзя получить смешением
двух других. Любой другой цвет может быть получен
смешением основных в определенных пропорциях:
Н = aR + (3G + уВ ,
где а, р, у — коэффициенты, указывающие пропорции
смешения.
Многообразие формы и композиции изображений
позволяет представить изображение в виде разнообраз-
17
ных моделей. Различают позиционное, структурное и
комбинированное представления изображений.
Для позиционного описания изображений, представ-
ляемых в виде неделимых элементов разложений, важно
определить описание взаимосвязей между этими элемен-
тами и возможную фрагментацию моделей при их записи
или хранении. При структурном представлении изобра-
жений, где имеются наборы объектов, определяемых
на основе базисных элементов, приобретают значение
вопросы использования и спецификаций связи между
субъектами и качественного описания их формы. В целях
использования преимуществ позиционного и структурного
представлений существует несколько моделей, позволяю-
щих реализовать комбинированное представление изоб-
ражений.
В процессе взаимодействия человека с техническими
средствами оператор на основании принятой и проанали-
зированной информации принимает необходимое решение
по управлению. Процедура принятия решения является
центральной на всех уровнях приема и переработки
информации. Более подробно этот вопрос рассмотрен
в 2.2. После принятия решения от человека-оператора
поступает управляющее воздействие, которое далее пу-
тем преобразований попадает в систему управления
(см. рис. 1.2).
Управляющее воздействие проходит через поле рабо-
чих воздействий, где находятся органы управления. Для
ввода информации оператором используются различные
типы органов управления, каждый из которых предназ-
начен для выполнения определенных функций (кнопки,
клавиши, тумблеры, поворотные выключатели и переклю-
чатели и т. д.).
До недавнего времени наиболее распространенным
был раздельный способ ввода в систему «человек — маши-
на» различных команд управления. Для его реализации
используется монофункциональная клавиатура. Число
органов управления в такой клавиатуре определяется
числом возможных команд, используемых для управле-
ния системой, и достигает нескольких сотен. В данном
случае под клавиатурой понимаются как совокупность
отдельных органов управления, так и совокупность алго-
ритмов ввода необходимой для управления информации.
Общие требования к таким клавиатурам состоят в сле-
дующем:
органы управления, входящие в клавиатуру, должны
18
соответствовать характеру решаемых оператором задач и
его психофизиологическим, биомеханическим и антропо-
метрическим характеристикам;
органы управления в клавиатуре должны распола-
гаться таким образом, чтобы свести к минимуму коли-
чество и длину управляющих движений, а также время
их выполнения;
несмотря на непрерывное усложнение систем и обус-
ловленное этим увеличение длины алфавита вводимых
символов, клавиатура должна быть компактной и уме-
щаться в зоне досягаемости моторного поля.
Принимая во внимание, что человеку-оператору часто
приходится проводить анализ возникших ситуаций управ-
ления системы в условиях дефицита информации и
времени, а особенно при работе в реальном времени,
разработчики систем пытаются облегчить процесс управ-
ления за счет обеспечения эффективного образного диа-
лога с пользователем. Это достигается за счет исполь-
зования в качестве устройств индикации графических
средств отображения, т. е. в процессе управления реали-
зуется графическое взаимодействие.
Для создания эффективных диалоговых систем без-
условно необходима и психологическая подготовка поль-
зователя, что выражается в готовности к взаимодей-
ствию с системой. Психологически важно, чтобы человек-
оператор чувствовал контакт с машиной, сам непосред-
ственно обращался к ней. В интерактивных системах
такая связь действует с жестким контролем ошибок
машины. Оперативный обмен между человеком и ЭВМ
осуществляется относительно небольшими порциями ин-
формации, причем очередной запрос формируется на ос-
нове анализа предыдущих. Взаимодействие человека-
оператора с ЭВМ обычно подчиняется определенному
сценарию диалога (рис. 1.4).
Сценарий диалога представляет собой алгоритм взаи-
модействия. Его проектируют, исходя из задач, решаемых
графическим средством отображения, характера и функ-
ций человека в процессе управления, технических воз-
можностей средства отображения. Диалог в данном слу-
чае осуществляется отображением графических ИМ,
которые характеризуют состояние объекта управления,
внешней среды и способов воздействия на них.
На рис. 1.5 представлена схема диалога интерактив-
ной графической системы.
Пользователь общается с СОИ на входном языке
19
Рис. 1.4. Схема сценария диалога
Рис. 1.5. Схема диалога интерактивной графической
системы
диалога с использованием языка графического програм-
мирования. С помощью последнего формируется дисплей-
ный файл, где представляется вся выводимая на экран
информация. После генерации каждый вновь созданный
объект вводится в базу данных. Сформированная инфор-
мационная модель воспринимается человеком-операто-
ром. Взаимодействие человека с техническими сред-
ствами, взаимодействие материала, отображаемого на
индикаторе, с системами зрительного анализатора опера-
тора связано с выполнением ряда функций, с одной
20
стороны, и с возникновением проблемы восприятия ИМ,
с другой. Восприняв и осмыслив информацию, пользо-
ватель после принятия решения воздействует на органы
управления. Цикл замкнулся.
Взаимодействие между несоединяющимися непосред-
ственно частями определяется протоколами взаимодей-
ствия. Особенности восприятия информации, памяти,
мышления человека и закрепление им вновь приобретен-
ных навыков есть не что иное, как одна из разновиднос-
тей общих инженерно-технологических требований к сис-
теме «человек — машина», а именно психологических,
поэтому в качестве общих требований к протоколам
взаимодействия можно рассматривать психологические
требования. Они учитывают возможности участия чело-
века в информационном взаимодействии в системе, их
влияние на легкость и быстроту формирования навы-
ков человека, а также на объем и скорость восприятия
и переработки информации человеком.
Отсюда вытекают требования по энергетическим и
пространственным характеристикам зрительного анализа-
тора, по времени восприятия информации, по насыщен-
ности ИМ.
К первым относятся требования по диапазону воспри-
нимаемых яркостей, где выделяется три уровня яркости
(адаптирующая, слепящая и фоновая), по контрасту изо-
бражения и по относительной видности.
Цвет является наиболее сложным и спорным аспектом
зрительного восприятия. Когда говорят о цветовом ощу-
щении, подразумевается аспект зрительного восприятия,
позволяющий оператору отличать один объект или деком-
позиционный элемент ИМ от другого, если различие
между ними обусловлено только различием спектрально-
го состава исходящего от них света. Цветность может
измеряться с помощью графика цветностей, который
принят Международной комиссией по освещению в
1931 г.
Требование к разрешающей способности средств ото-
бражения определяется разрешающей способностью
зрения человека, которое сложным образом связано с
яркостью, контрастом, длительностью воздействия стиму-
ла. Завышение этих требований нецелесообразно ни с
технической, ни с психологической точек зрения, так же
как и занижение разрешающей способности, ограничи-
вающей возможности воспроизведения больших объемов
информации [3]. Причем оценивать разрешающую спо-
21
собность можно как по величине, так и по однородности
разрешения по экрану.
Кроме разрешающей способности пространственные
характеристики зрительного анализатора можно оценить
по числу объектов, которые может охватить оператор
в течение одной зрительной фиксации. Количество одно-
моментно воспринимаемой информации, содержание
этих сообщений и длительность ее сохранения не должны
превышать возможностей ограниченной по объему опера-
тивной памяти человека, хотя в зрительном образе
может отражаться значительно большее число объектов.
В зависимости от времени восприятия информации
предъявляются требования к критической частоте мель-
кания и времени информационного поиска. На критиче-
скую частоту влияют уровень адаптации глаза к яркости
индикатора, инерция зрительного восприятия, яркость эк-
рана, размер и конфигурация знаков. Длительность
информационного поиска определяется временем нахож-
дения на ИМ заданного элемента. Движение воспро-
изводимого на экране изображения объекта может при-
вести к ухудшению его различимости за счет уменьшения
разрешения изображения или за счет уменьшения вре-
мени, в течение которого оно остается доступным для
его исследования.
Важной информационной характеристикой зрительно-
го восприятия ИМ является ее насыщенность, т. е.
количество информации одного индицируемого сообще-
ния. Так как объем оперативной памяти и пропускная
способность человека-оператора имеют граничные значе-
ния, необходимо оптимизировать информационные пото-
ки, обеспечивать оптимальный информационный баланс
и не приводить к таким явлениям, как дефицит или
перегрузка информацией. Перегрузка создается восприя-
тием быстроменяющейся, требующей быстрой реакции
информации, а также трудновоспринимаемой буквенно-
цифровой индикации. Недогрузка оператора приводит
к ослаблению или даже выключению внимания, к потере
ритма, ошибкам.
Общесистемные требования к интерфейсу взаимодей-
ствия человека с техническими средствами АСУ, осно-
ванные на требованиях эргономического обеспечения,
могут быть обращены и к другим компонентам и звень-
ям системы, могут иметь разную значимость в зависи-
мости от целевого назначения системы и условий ее
функционирования. Одни могут быть однозначны, напри-
22
мер требования к клавиатуре управления, другие иметь
комплексный характер, например психологические требо-
вания к протоколам взаимодействия.
1.3. Показатели качества взаимодействия
операторов в АСУ
В АСУ как человеко-машинной системе (СЧМ) первостепенное
значение имеет взаимодействие человека и технических средств,
от рационального построения которого в значительной степени зави-
сит качество функционирования системы. Взаимодействие человека и
технических средств в СЧМ осуществляется с помощью устройств
отображения информации (УОИ) и систем отображения информации
(СОИ). УОИ создают с помощью средств ввода, преобразования,
хранения, обработки и индикации информации динамические информа-
ционные модели управляемых или контролируемых объектов. СОИ —
комплекс средств визуального воспроизведения информации и алго-
ритмов специальной обработки и подготовки информации для решения
человеком задач контроля и управления.
Любая СЧМ призвана удовлетворять те или иные потребности
человека и общества. Для этого она должна обладать определенными
свойствами, которые закладываются при проектировании СЧМ и
реализуются в процессе эксплуатации. В соответствии с ГОСТ
2.116—71 под свойством СЧМ понимают ее объективную способность,
проявляющуюся в процессе эксплуатации. Количественную характерис-
тику того или иного свойства системы, рассматриваемого примени-
тельно к определенным условиям ее создания или эксплуатации,
называют показателем качества СЧМ.
В СССР разработана определенная номенклатура показателей
качества промышленной продукции. Она включает в себя восемь
групп показателей, с помощью которых можно количественно оценить
различные свойства продукции. К ним относятся: показатели назна-
чения, надежности и долговечности, технологичности, стандартизации
и унификации, а также эргономический, эстетический, патентно-пра-
вовой и экономический показатели (ГОСТ 22851—77).
Рассмотрим показатели, которые влияют на деятель-
ность человека в СЧМ или зависят от результатов его
деятельности.
Точность работы оператора — степень отклонения из-
меряемого оператором параметра системы от своего
истинного, заданного или номинального значения [10].
Количественно этот параметр оценивается погрешностью,
с которой оператор измеряет, устанавливает или регули-
рует данный параметр:
АЛ = Лн — Лоп ,
где Ан — истинное или номинальное значение параметра;
ЛОп — фактически измеряемое или регулируемое операто-
ром значение этого параметра.
Значение погрешности, превысившее допустимые пре-
23
делы, является ошибкой и ее следует учитывать при
оценке надежности.
Различают систематическую и случайную погрешно-
сти. Систематическая погрешность оператора оценивает-
ся величиной математического ожидания отдельных по-
грешностей. Ее можно устранить или скомпенсировать
поправкой. Случайная погрешность оценивается величи-
ной среднеквадратической погрешности:
°оп =V -Т~Т.2 (Л/ — Лер)2,
i = 1
где п — число измерений; Л/ — результат /-го измерения;
1 п
Лср = —S Ai — среднее арифметическое значение ре-
П i= 1
зультатов измерений.
Точность работы оператора зависит от многих факто-
ров: характеристик сигнала, степени сложности задач,
условий и темпа работы, функционального состояния
нервной системы, индивидуальных особенностей, квали-
фикации, обучения оператора, времени непрерывной ра-
боты, утомляемости и других факторов. Точность опера-
тора растет с увеличением времени его обучения (тре-
нировки) и с некоторого момента достигает установив-
шегося максимального значения.
Точность У О И характеризуется также систе-
матической и случайной погрешностями. Систематические
погрешности, как правило, могут либо устраняться, либо
учитываться с помощью поправочных таблиц и графиков.
Случайные погрешности вызваны воздействием различ-
ных случайных факторов и исключить их невозможно.
Точность воспроизведения УОИ входных данных дол-
жна быть не ниже точности обработки ее техническими
средствами, производящими ввод входных данных. Тре-
бования, предъявляемые к точности УОИ, зависят от
конкретных задач, решаемых системами, и возможностей
оператора. Для многих УОИ коллективного пользова-
ния, где информация в основном оценивается качествен-
но, требования к точности отображения менее жесткие.
Для УОИ индивидуального пользования, применяемых
для количественной оценки информации, точных расче-
тов, точных графических построений и т. п., требования к
точности предъявляются весьма высокие.
При независимости случайных погрешностей операто-
24
ра и УОИ, суммарная среднеквадратическая погреш-
ность системы «оператор — УОИ»
Or = V СГУОИ + СГоп ,
где ауои — среднеквадратическая погрешность отображе-
ния информации УОИ; аоп — среднеквадратическая по-
грешность восприятия оператора.
Так как погрешность оператора не может быть мень-
ше определенной величины aOnmm, а погрешность УОИ
может быть уменьшена за счет усложнения оборудова-
ния, то требования к точности УОИ соизмеряют со
значением погрешности оператора. По значению погреш-
ности Поп и требуемому значению ох может быть опре-
делена оуои, в соответствии с которой формируются
требования к точности функциональных узлов и блоков
УОИ. Обычно средняя относительная квадратическая по-
грешность для УОИ задается в пределах от 0,1 до 0,5 %.
Точность является одним из показателей, применимым
только к количественной информации и характеризую-
щим ее по значению ошибки. Решение, конечный резуль-
тат которого содержит ошибку, большую установленной
погрешности, считается ошибочным. Однако вероятность
такого решения показателем «точность» в полной мере не
определяется. Достоверность — вероятность искажения
информации при реализации определенных операций
(или монотонная функция этой вероятности), т. е. веро-
ятность события, заключающегося в том, что реальная
информация в системе не совпадает (в пределах задан-
ной точности) с некоторым ее истинным значением [11].
К признанной (условно постоянной) информации (такой,
например, как шифры, коды, обозначающие определен-
ные понятия) понятие «точность» вообще неприменимо.
Для такого вида информации по существу единственной
оценкой качества обработки является достоверность.
При автоматизированной обработке данных информа-
ционные элементы автоматизировано™ решения (исход-
ные данные, программы обработки, условно-постоянная
информация) искажаются при заполнении документов,
записи команд программ на бланках и регистрации их
на магнитных носителях, при передаче данных по кана-
лам связи, вводе и обработке на ЭВМ, ведении масси-
вов условно-постоянной информации и т. д. При этом
различают ошибки на уровне символа (символьные),
на уровне слова, на уровне сообщения (форматные).
25
Символьные ошибки выражаются в переходе истинного символа
в некотором разряде слова в ошибочный. Искажение одного симво-
ла — однократная ошибка, двух и более — многократная. Транскрип-
ция (замена символа) и транспозиция (перестановка символа)
являются наиболее массовыми ошибками, которыми в основном и
определяется уровень достоверности информации.
Форматные ошибки представляют собой искажение длины слова,
сообщения. Однократная простая форматная ошибка отражает уве-
личение (уменьшение) длины слова на один разряд, многократная —
на два и более. Пропуск (добавление) одного слова — сложная одно-
кратная форматная ошибка, двух и более — сложная многократная
форматная ошибка.
Основными источниками ошибок при автоматизиро-
ванной обработке информации являются: человек, техни-
ческие средства обработки данных, входные данные.
В информационном плане деятельность человека включает в себя
процедуры восприятия, интерпретации воспринятого и моторной реак-
ции.
Ошибки восприятия обусловливаются как механизмом чтения,
при незнакомом тексте человек анализирует каждый символ, при
знакомом тексте восприятие производится по словам, так и пара-
метрами анализируемой информации: геометрическими размерами
символов, их графической структурой, длиной алфавита, частостью
появления отдельных символов, слов, их разборчивостью, сложностью
форм документов и т. д.
Ошибки интерпретации представляют собой неверное истолко-
вание правильно воспринятой информации. Моторные ошибки опреде-
ляются главным образом характеристиками различных органов уп-
равления, удобством работы с ними, степенью приспособленности их
к взаимодействию с человеком. Во многих случаях ошибки интерпре-
тации при анализе неотделимы от моторных, поскольку проявляются
через неверные команды на исполнительные органы.
Свойство человека ошибаться является функцией его психофизио-
логического состояния. Интенсивность ошибок во многом определяется
параметрами внешней среды, в которой человек работает.
Доля ошибок, вносимых техническими средствами в информацию,
зависит от помехоустойчивости и надежности аппаратуры, уровня
внешних и внутренних помех, внешних условий и организации эксплу-
атации и в среднем не превышает нескольких процентов от общей
массы ошибок.
Входные данные в автоматизированных системах проходят ряд
этапов обработки: подготовку первичного документа; преобразование
и перезапись данных на промежуточные документы; перезапись ин-
формации на машинный носитель; ввод информации в ЭВМ, в том
числе в режиме диалога; машинную обработку данных по алгоритмам,
реализующим математические модели; вывод информации из ЭВМ.
На любом из этапов обработки могут возникать ошиб-
ки. В силу случайного характера ошибок, что справедли-
во как для передачи данных, так и для других этапов
преобразования информации, наиболее приемлемой для
26
оценки достоверности является вероятность искажения
алфавитно-цифрового символа (АЦС):
Ра — tla,/Na ,
где па — число искаженных АЦС; Na — общее число
обработанных АЦС.
Однако показатель Ра целесообразно использовать
для оценки однократных символьных ошибок. Комплекс-
ную оценку достоверности рациональнее производить на
уровне слов и более крупных смысловых отрезков.
Например, при обработке объема информации из 100 шестираз-
рядных слов и искажении символьными ошибками трех АЦС
Ра = 3/(6-103) = 0,5-10“3 .
Этот показатель будет одним и тем же в случае искажения трех
символов и в одном слове, и в двух, и в трех, что для потребителя задачи
не является равноценным.
В другой задаче обрабатывается 100 четырехразрядных слов и в
одном из них, например 9312, допущена однократная форматная ошиб-
ка— пропущена цифра 1, тогда число будет 0932, а = 2,5* 10-3.
Если сравнить количество несовпадающих разрядов в истинном и иска-
женном словах, как это делается при анализе достоверности кодовой
двоичной комбинации, представляющей один АЦС при передаче данных,
то их будет три: символ 1 перешел в 3, символ 3 — в 9, оказался пропу-
щенным старший разряд слова — символ 9. Если же в этом слове
пропущена цифра 2 (т. е. число стало 0931), то это равносильно
четырехкратной символьной ошибке, и т. д. В зависимости от своего
положения форматная ошибка будет вызывать различное число символь-
ных ошибок в указанном смысле, хотя Ра остается неизменным.
Для сравнительной оценки эффективности различных
мероприятий по повышению достоверности и вариантов
построения технологического процесса обработки данных,
определения уровня искажений в некотором объеме
Na информации возможно использовать вместо показателя
Ра вероятность ошибки Рош (любого вида) — число оши-
бок всех видов, приходящихся на один АЦС в определен-
ном объеме информации, т. е.
РОШ Пош /Nа > Na—.
При оценке качества различных методов контроля
в случае искажений определенных видов (например, транс-
позиция символов в слове, слов в сообщении и т. п.)
возможно введение некоторых других показателей.
В [11] получена приближенная формула для вероят-
ности ошибки в n-разрядном сообщении при заданном
законе распределения ошибок в предположении, что
сообщение не может быть искажено несколькими пакета-
ми, пакеты ошибок возникают независимо друг от друга,
27
расстояние между соседними ошибочными символами
в пакете не должно превышать величины, определяемой
минимальной длиной сообщения из рассматриваемого
множества передаваемых сообщений:
т = 1
где т — длина пакета ошибок; Рт — условная вероят-
ность появления пакета ошибок длиной т\ р — вероят-
ность искажения двоичного символа; q — средняя плот-
ность ошибок в пакете.
Под пакетом понимают последовательность символов,
ограниченную ошибочными символами и содержащую
ошибочные символы, распределенные в пакете с плот-
ностью q^A.
Надежность человека-оператора определяет его спо-
собность выполнять в полном объеме возложенные на
него функции при определенных условиях работы [10,
13]. Надежность человека-оператора характеризует его
безошибочность, готовность, восстанавливаемость и
своевременность.
Безошибочность человека-оператора оценива-
ется вероятностью безошибочной работы, которая опре-
деляется как на уровне отдельной операции, так и на
уровне алгоритма в целом. Вероятность Р, безошибочно-
го выполнения операций /-го вида и интенсивность
ошибок Л/, допущенных при этом, применительно к
фазе устойчивой работы определяется на основе статис-
тических данных:
rj _ Nj П-ouij а ___ Лот/'
где Af/, Мош/ общее число выполненных операций /-го
вида и допущенное при этом число ошибок; Г/ — среднее
время выполнения операции /-го вида.
Вероятность безошибочного выполнения алгоритма
при последовательно выполняемых операциях и экспо-
ненциальном распределении времени выполнения опера-
ции
- S ^1т1к1	- S O-pjKi
Ралг = е '=1	= е
где Kj — число выполняемых операций /-го вида; г —
число различных видов операций (/= 1,г).
28
Коэффициент готовности характеризует
вероятность включения человека-оператора в работу
в любой произвольный момент времени
kon = 1 — Tq/T ,
где TQ — время, в течение которого человек не может
принять поступившую к нему информацию; Т — общее
время работы человека-оператора.
Восстанавливаемость оператора оценива-
ется вероятностью исправления им допущенной ошибки:
Рв = РкР ОбнРи ,
где Рк — вероятность выдачи сигнала схемой контроля;
Робн — вероятность обнаружения сигнала оператором;
Ри — вероятность исправления ошибочных действий при
повторном выполнении алгоритма.
Этот показатель позволяет оценить возможность
самоконтроля оператором своих действий и исправления
допущенных им ошибок.
Своевременность действий оператора оцени-
вается вероятностью выполнения задачи в течение задан-
ного времени:
РСв = Р{т^/зад} = J ,
о
где /(т) — функция распределения времени решения зада-
чи человеком-оператором; тзад — лимит времени, превы-
шение которого рассматривается как ошибка.
Надежность УОИ и СОИ определяется как
свойство устройства и системы выполнять заданные
функции, сохраняя во времени значения установленных
показателей в заданных пределах при заданных условиях
эксплуатации [8]. Надежность УОИ является сложным
свойством, которое в зависимости от назначения УОИ и
условий его применения может включать свойства безот-
казности, ремонтопригодности, долговечности, обслужи-
ваемости и сохраняемости в отдельности или определен-
ное сочетание этих свойств как для устройства в целом,
так и для его частей.
Важнейшими показателями надежности УОИ являют-
ся показатели безотказности, ремонтопригодности и обслу-
живаемости, Основными показателями безотказности
УОИ являются наработка на отказ Т и вероятность
безотказной работы в течение заданного времени Р(/);
29
ремонтопригодности — среднее время восстановления Тй
и вероятность восстановления в течение заданного време-
ни работоспособности УОИ Рв (/); обслуживаемости —
среднее время профилактического обслуживания TQ
и вероятность выполнения профилактического обслужи-
вания УОИ в течение заданного времени Pq (/).
При многофункциональных и сложных УОИ пока-
затели безотказности, ремонтопригодности и обслужи-
ваемости определяются для каждой функции и блока
УОИ.
В качестве комплексных показателей, характеризую-
щих совместно безотказность, ремонтопригодность и
обслуживаемость, используют коэффициент готовности
kr и коэффициент оперативной готовности по z-й функции,
/-му блоку и УОИ в целом. К комплексным показателям
можно отнести показатели, оценивающие снижение эф-
фективности сложного УОИ из-за его возможных отка-
зов. Такой показатель можно представить в виде отно-
шения эффективности при данном уровне надежности
УОИ к потенциальному ее значению при абсолютной
надежности устройства.
В процессе взаимодействия технических средств СОИ
и человека-оператора возможны как отказы техники, так
и ошибки оператора. Методы оценки надежности, позво-
ляющие априорно или апостериорно учесть надежность
деятельности человека при наличии отказов техники
в системе, приведены в § 3.7.
Быстродействие оператора при взаимодействии с тех-
ническими средствами определяется временем прохож-
дения информации по замкнутому контуру из последо-
вательно соединенных технических звеньев системы и
человека-оператора и оценивается продолжительностью
цикла регулирования:
Гн = Гоп + 2 Ti,
i = 1
где Гоп — время решения задачи оператором, т. е. время
от момента появления сигнала до момента окончания
п
управляющих воздействий; 2 Л — время задержки ин-
i = 1
формации в технических звеньях системы.
Время Гоп определяется либо экспериментальным
путем, когда имеется реальная система или ее имитатор,
либо расчетным (аналитическим) путем для проектируе-
мых систем.
30
Деятельность оператора по заранее определенному
алгоритму может быть представлена как совокупность
времен, необходимых для получения человеком инфор-
мации от средств отображения и выполнения ответных
действий:
Топ = Топ вос “1“ Топ реш 4” Топ обн 4” Топ мот ,
где Гоп вос — время восприятия сигнала (латентный пе-
риод — интервал времени, отделяющий реакцию опера-
тора от момента подачи раздражителя); ГОпРем — время
принятия решения; ГОПОбн — время обнаружения нужного
органа управления; Гоп мот — время осуществления мо-
торного действия на орган управления.
Для прогнозирования времени решения задачи опе-
ратором или его составляющих разработано несколько
методов, различающихся по точности, сложности, необхо-
димому количеству исходных данных. Основными из них
являются информационный, последовательно-структур-
ный, сетевой [13].
На ранних этапах проектирования для прикидочной
оценки Топ нашел применение информационный
метод, отличающийся относительной простотой, но и
низкой точностью. В основу метода положена линейная
зависимость между временем решения задачи операто-
ром и количеством перерабатываемой при этом инфор-
мации:
Топ = а + ЬН = а + H/Von ,
где а — скрытое время реакции (в зависимости от вида
реакции его значение колеблется в пределах 0,2—0,6 с);
b — время переработки одной единицы информации;
Von — средняя скорость переработки информации опера-
тором (2—4 ед/с); Л — количество перерабатываемой
оператором информации.
Каждое из слагаемых, входящих в выражение для
определения времени решения задачи оператором Гоп,
может быть рассчитано по приведенной зависимости.
Быстродействие технических средств,
взаимодействующих с оператором, характеризуется либо
временем обновления информации, либо временем реак-
ции системы на запрос. Под временем обновления
информации понимают интервал времени с момента
ввода информации до момента отображения. Это время
определяется временем ввода и обработки информации,
временем формирования и выдачи информации на экран
и зависит от очередности задач, решаемых системой.
31
Под временем реакции на запрос
понимают время с момента поступле-
ния команды на отображение нужной
информации до момента ее воспроизве-
дения на УОИ. Это время определяется временем
выборки информации из ЗУ и зависит от длины очереди
и приоритетности запросов. При превышении времени
реакции на запрос на 2—3 с ухудшаются с психологи-
ческой и операционной точек зрения условия принятия
решения оператором и повышается вероятность того, что
оператор может забыть, какие данные он запросил.
п
Оценка быстродействия технических средств 2 Л
/ = 1
производится с учетом времени формирования сообще-
ния информации, в течение которого в ЭВМ подготавли-
вается требуемый массив информации к передаче на
устройство отображения и времени выдачи отображае-
мой информации на экран, в течение которого устройст-
во отображения принимает информацию, преобразовы-
вает ее в конфигурацию высвечиваемых символов и
отображает на экране.
При заданном времени цикла регулирования Гц и
известных значениях Tt применяемых технических уст-
ройств требуемое быстродействие оператора должно удо-
влетворять условию
- 2 Л = Тл ,
I = 1
где Гл — лимит времени, отводимый' оператору для
решения задачи.
Пропускная способность человека (УОп) характеризу-
ет время, в течение которого оператор постигает смысл
воспринимаемой органами чувств информации и опре-
деляет ее объем. Пропускная способность человека
зависит от психофизиологических особенностей его, типа
решаемой задачи, степени участия оператора в работе
системы, технических и эргономических параметров аппа-
ратуры (объема выводимой информации, яркости симво-
лов, контрастности, размеров) и т. д.
Для оценки пропускной способности человека-опера-
тора используются методы теории информации. Их при-
менение основано на представлении оператора в каче-
стве канала связи, передающего информацию со средств
отображения на органы управления. Количество инфор-
мации Н — основное понятие теории информации:
32
И = - 2 P<log2P<,
i = I
где Pi — вероятность появления Z-го сигнала; п — общее
число различных сигналов.
При равновероятности всех сигналов Pi= \/п и для
данного п количество информации будет максимальным:
Н = log2n .
Для различных действий оператора (поиск сигнала,
считывание показаний с прибора, производство вычисле-
ний, управляющие движения, прием информации с по-
мощью телефона, селекторной и других видов связи, прием
письменной информации и т. п.) определение количества
информации производится по частным формулам. Коли-
чество информации, воспроизводимое УОИ, обычно не
равно его информационной емкости. Равенство возможно
лишь в случае равновероятности появления любого из
символов алфавита в любой позиции информационного
поля. Экраны дисплеев обычно удовлетворяют этому
условию.
Под информационной емкостью УОИ
понимают максимальное количество ин-
формации, которое может быть на н е*м
отображено. Значение информационной емкости
УОИ зависит от структуры информационного поля,
количества позиций в нем и числа символов в алфавите,
закрепленном за позицией.
При использовании алфавитов с одинаковым числом
символов для любой из позиций информационного поля
УОИ информационная емкость его определяется из
выражения
Н — yVlog2M ,
где N — количество позиций, занимаемых элементами
отображения в пределах информационного поля; п —
число состояний, в которых может находиться каждый
элемент (длина алфавита).
Количество одновременно отображаемых элементов
определяется из соотношения
кт
N=—'
где L\ и L2 — линейные размеры экрана; 1\ и /2 — линейные
размеры одной из позиций, занимаемой элементом отобра-
жения.
2—983
33
Для примера рассмотрим экран, на котором помещается N = 1Q3
знаков, причем алфавит содержит 32 русских буквы, 10 арабских
цифр, 5 арифметических знаков и 13 знаков препинания. Информация
отображается построчно в виде текста. Информационная емкость
такого экрана
Н= 103log260 = 5-907.103 бит.
Для случая точечного отображения информации на экране ЭЛТ,
когда полный растр изображения образует число точек, равное
п = 5-105, а оператор различает восемь ступеней яркости изображения,
информационная емкость экрана
Н= 5-105log28 = 15-105 бит.
Зная количество информации, можно согласовать ско-
рость поступления ее от технических средств К с про-
пускной способностью человека Уоп.
Для неискаженной передачи информации должно соб-
людаться условие
КпЖ .
В случае равновероятности поступления символов
пропускная способность оператора при считывании такой
информации определяется из выражения
Уон = AHog2n/7\
где N — число правильно опознанных символов; п — дли-
на алфавита (число символов для СОИ); Т — время ото-
бражения всей поступившей информации.
Если оператор может быть представлен как канал без памяти
(печатание на машинке, корректорская работа, выполнение арифме-
тических операций и т. п.), то Von = 10 4-70 бит/с, если же как канал
переработки информации с кратковременной памятью, то пропускная
способность оператора составляет примерно 2—4 бит/с [13]. Последний
режим наиболее характерен для деятельности оператора.
Напряженность деятельности человека-оператора в си-
стеме СЧМ является следствием сложности выполняемой
работы (операционная напряженность) и действия отри-
цательных эмоциогенных раздражителей (эмоциональная
напряженность). Эмоциональная напряженность характе-
ризует состояние подсистемы энергетического обеспечения
центральной нервной системы и является областью иссле-
дования психоневрологов (здесь не рассматривается).
Операционная напряженность определяется характером и
значением информационной нагрузки. Оценка информаци-
онной нагрузки выполняется с помощью ряда характери-
зующих ее показателей: коэффициента загруженности,
периода занятости, коэффициента очереди, длины очереди
34
сигналов, времени ожидания начала обработки сигнала,
скорости поступления информации*.
Коэффициент загруженности выражает
долю времени, занятого оператором непосредственной
работой за пультом управления:
Л = Гр/Гобщ<0,75 ,
где Гр — время, в течение которого оператор занимается
обработкой поступающей информации; ГОбщ — общая дли-
тельность работы оператора за пультом управления.
Для учета чередования периодов работы и отдыха
вводится понятие периода занятости Гзан непрерывной, без
пауз, работы:
Лан <0,25 ч.
Появление очереди в обработке информации приводит
к снижению качества деятельности оператора, что оцени-
вается коэффициентом очереди р, характери-
зующим долю сигналов, обработанных оператором в усло-
виях очереди на обслуживание:
р = ЛГ0/ЛГ<0,4,
где Nq — число сигналов, обработанных оператором в ус-
ловиях очереди на обслуживание; N — общее число
поступивших сигналов.
Длина очереди сигналов, одновременно
требующих внимания оператора, не должна- превышать
объема оперативной памяти. Предельно допустимое
значение длины очереди равно трем.
Время ожидания Гож начала обработки сигнала
определяет допустимое запаздывание в обработке сигнала,
исходя из допустимого времени пребывания информации
в звене «человек-оператор» Гпр.Доп и времени обработки
сигнала оператором Топ.
Предельно допустимая скорость поступления информа-
ции не должна превышать пропускной способности чело-
века-оператора.
Время реакции при оценке качества взаимодействия
оператора с техническими средствами АСУ характеризует
Психологическое состояние оператора или готовность его
к выполнению определенной работы. Работа оператора
в большинстве случаев представляет собой совокупность
* См.: Смоляров А. М. Системы отображения информации и инже-
нерная психология. — М.: Высшая школа, 1982.
2**	35
различных видов сенсомоторных реакций, т. е. дискретных
движений оператора на действие какого-либо раздражи-
теля. Сенсомоторная реакция (координация) осуществля-
ет связь восприятия и движения и подразделяется на
три типа: простая, сложная и реакция на движущийся
объект.
При простой сенсомоторной реакции оператор отвечает
заранее известным простым одиночным движением на
внезапно появляющийся, но заранее известный сигнал.
При сложной реакции требуемое действие оператора
определяется видом и характером поступившего сигнала.
Например, каждому из сигналов соответствует нажатие
своей клавиши. Время реакции складывается из двух
составляющих: латентного (скрытного) периода и времени
движения (моторного акта), причем сенсорная и мотор-
ная компоненты имеют общий участок на оси времени.
Реакция на движущийся предмет (опе-
рация слежения) является наиболее распростра-
ненным видом сенсомоторной координации.
Различают сопровождающее и компенси-
рующее слежение. При первом виде слежения
оператор воспринимает весь ход измерений входного и
выходного сигналов и сводит к нулю разностную ошибку,
при втором — оператор воспринимает только разность
между входным и выходным сигналами и стремится
свести ее к нулю. Как разновидность первого вида выде-
ляют слежение с предвидением, при котором оператор вос-
принимает не только текущее значение входного сигнала,
но и закон его изменения на некоторый период времени
вперед.
Оценка деятельности оператора в процессе слежения производится
такими показателями, как время инерции, время нахождения метки
на цели, ошибки слежения и плавность слежения, значения которых
зависят от скорости движения цели, первоначального рассогласования
и времени слежения. При сопровождающем слежении (слежении с пре-
следованием) [10] время инерции составляет 0,65—1,25 с (наибольшее
для скорости движения цели иц<8 мм/с в поле зрения), время нахож-
дения метки на цели — 5—7 % всего времени слежения, средняя
ошибка слежения — 0,15—0,2 с при иц=2 мм/с и 0,05—0,15 с при
цц= 10 мм/с. Плавность процесса слежения характеризуется частотой
1,5—5 Гц.
Помимо частных показателей используются также обобщенные,
позволяющие дать интегральную оценку деятельности оператора.
Для описания поведения человека-оператора в процессе слежения
используются методы теории автоматического управления (ТАУ),
при которых оператор рассматривается как звено системы слежения
с передаточной функцией в простейшем случае:
36

Tp+ I
где k — коэффициент усиления оператора; т — латентное запаздывание
(т«0,2 с); Т — постоянная времени (Т« 0,125 с), характеризующая
инерцию в образовании моторного действия.
Недостатком методов, использующих аппарат ТАУ, является
их линейность, а человек-оператор является существенно нелинейным и
нестационарным звеном системы слежения, обладающим такими
свойствами, как стохастичность, утомляемость, адаптивность и др.
Вопросы для самоконтроля
1.	Прокомментируйте понятие «кнопочная психология».
2.	Прокомментируйте понятие «протокол взаимодействия» на при-
мере вашего опыта работы за пультом ЭВМ.
3.	Аналогичны ли такие характеристики случайных погрешностей,
как математическое ожидание и среднеарифметическое значение по-
грешности? Совпадают ли они численно?
4.	Можно ли, зная пропускную способность человека при чтении
текста, определить потребное время для подготовки к экзамену или
зачету?
5.	По каким требованиям, перечисленным в § 1.2, следует оцени-
вать качество изображения на экране телевизора?
ГЛ AB A 2
МОДЕЛИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
В КОНТУРЕ УПРАВЛЕНИЯ
Один из принципов деятельности человека в любой сфере приме-
нения его творческих возможностей базируется на том факте, что
прежде чем принимать осознанное решение, он создает модель объекта
управления, модель возникшей ситуации, модель поведения и действий
самого человека, а если нужно, то и другие модели. Это относится
как к управленческой деятельности, так и к деятельности человека в
процессе проектирования. В данной главе рассматриваются два типа
моделей: модели деятельности человека в системе управления, позво-
ляющие оценить качество проектных решений, принимаемых проекти-
ровщиком при создании интерфейса взаимодействия, и модели принятия
решений, позволяющие вырабатывать альтернативные варианты управ-
ленческих решений. При этом адекватность моделей реальной деятель-
ности человека относительна, так как достаточно полная адекватность
той или иной модели реальным ситуациям в системе управления
может быть подтверждена только натурными или полунатурными
экспериментами. Однако на ранних стадиях проектирования исполь-
зование средств моделирования позволяет качественно оценить правиль-
ность проектных решений и избежать крупных просчетов при системо-
техническом проектировании аппаратно-программного комплекса интер-
фейса взаимодействия человека с техническими средствами АСУ,
а следовательно, и АСУ в целом.
2.1. Модели процесса взаимодействия
человека-оператора
в контуре управления
Организация АСУ, т. е. ее структура, функции и спосо-
бы реализации, определяются характером и содержанием
процесса управления.
Сформулируем вначале саму проблему управления.
Пусть имеется система, состоящая из одного или несколь-
ких управляемых объектов. Система находится под влия-
нием возмущающих воздействий, выводящих систему из
нормального режима работы, и управляющих воздействий,
улучшающих качество функционирования системы. Мно-
жество возмущающих и управляющих воздействий можно
представить в виде векторов f(f) и (/(/) соответственно.
38
Состояние управляемой системы в любой момент времени
определяется вектором состояний х(/):
х(/) = Х{х(/о) JGo, /),*/(/о, /)} ,	(2.1)
где /о — начальный момент интервала наблюдения.
Уравнение (2.1) называется уравнением связи. В прак-
тических задачах для большинства случаев каждый па-
раметр, входящий в уравнение связи, ограничен, т. е.
изменения х(/) и y(t) ограничены замкнутыми областями
пространства состояний Л(/) и пространства управления
в(/):
х(/) GE Л(/),	(9 9)
^Ё(/).	( •
Управление считается качественным, если в процессе
его достигается некоторая наперед заданная цель. Мате-
матически это можно сформулировать как достижение
экстремума некоторого функционала
Е = E{x(t), t}	(2.3)
при наличии уравнения связи и ограничений (2.2). Урав-
нение (2.3) — это уравнение целевой функции или целевая
функция.
Выберем в качестве показателя эффективности (каче-
ства управления) величину Q, зависящую от отклонения
реального вектора состояния х(/), от его расчетного (ожи-
даемого) значения xp(t):
Q = Q{EP — Е} ,	(2.4)
где Ер — расчетное значение показателя цели управления;
Е — его действительное значение.
Тогда формулировка задачи управления будет сле-
дующей: выбрав идеальный вектор состояния хр (t^ найти
и реализовать вектор управляющих воздействий у (/) (ал-
горитм управления), обеспечивающий наивысшее каче-
ство управления в смысле экстремума функционала (2.4)
при наличии заданных (предполагаемых) ограничений.
Расчетное значение хР(/) следует определять по (2.1).
Однако точные уравнения связи обычно неизвестны и
заменяются уравнениями математической модели объекта
управления:
Хр ([) = М{х* (/о), f* (fo, t), у* (to, ,	(2.5)
39
где х*(/) — реальный вектор состояния с учетом ошибок
наблюдения и помех; y*(t) — конкретно реализуемый век-
тор управляющих воздействий.
Связь объекта управления, математической модели
объекта и вычислительных и управляющих блоков системы
управления выглядит так, как показано на структурной
схеме (рис. 2.1). На схеме не показано распределение
функций компонентов схемы между компонентами системы
управления и, в частности, между человеком (оператив-
ным составом системы управления) и АПК АСУ. Эта зада-
ча распределения зависит от степени автоматизации
самого процесса управления.
Рис. 2.1. Структурная схема системы управления
Согласно психологической теории деятельность отве-
чает определенным потребностям человека и характери-
зуется каким-то мотивом. Деятельность осуществляется
действиями, которые направлены на достижение конкрет-
ного результата и определяется сознательно поставлен-
ными целями. Действие выполняется различными опера-
циями, состав которых зависит не от цели, а от условий,
в которых цель должна быть достигнута. Таким образом,
40
различаются три уровня макроструктуры деятельности:
деятельность, действия, операции.
Структура любой психологической деятельности опре-
деляется ее элементами, характером связей между этими
элементами и способом их организации. В психологии
под элементами понимают оперативные единицы инфор-
мации. В. П. Зинченко и Г. М. Зараковский определили
их как семантически целостное образование, формирую-
щееся в результате обучения и создающее возможность
симультанного (одномоментного) и целостного опериро-
вания с объектами внешнего мира независимо от числа
содержащихся в них признаков. А. И. Галактионов
в [5] предложил считать их при описании деятельности
оперативного состава АСУ оперативными единицами
деятельности (ОЕД). Согласно [5], ОЕД могут быть
технологическими, функциональными, информационными,
интегральными и т. п. Так, для оператора АСУ техно-
логическими процессами технологические ОЕД — это
агрегаты, технологические участки, направление мате-
риальных потоков и т. п.; функциональные ОЕД —
включение (отключение), увеличить (уменьшить) поступ-
ление материального потока; информационные ОЕД —
отклонение параметров, сигналы оповещения, интеграль-
ные ОЕД — визуальные образы (мнемосхемы) и т. п.
Можно различить следующие модели деятельности.
Т ехнологические модели — это субъективное восприя-
тие (представление) человеком-оператором технологиче-
ского процесса, которым он управляет, а для проекти-
ровщика деятельности — субъективное представление о
процессе деятельности оператора. Такая модель оформ-
ляется в виде технологической схемы. На основе этой
модели может быть построена производственно-техноло-
гическая модель психической деятельности оператора.
Функциональная модель — это образ причинно-след-
ственных связей между изменениями и нарушениями
в управляемой системе и необходимыми управляющими
воздействиями. Оформляется такая модель в виде графа
или логических схем взаимосвязей. Эта модель служит
для выявления возможных задач управления. Часто
эта модель является основой для построения формали-
зованных алгоритмов принятия решений.
Информационная модель может иметь два толкова-
ния. Во-первых, собственно информационная модель —
это визуализованное представление на средствах отобра-
жения информации объекта управления. Информацион-
41
ная модель в этом случае должна наиболее адекватно
представлять объект управления, а с другой стороны,
быть достаточно удобной для формирования у оператора
концептуальной модели проблемной ситуации управле-
ния. Второе толкование информационной модели связано
с понятием информационного потока. В этом случае она
отображает (представляет) процесс прохождения инфор-
мации и ее преобразования через компоненты системы
управления, т. е. процесс преобразования информации
об объекте управления на основе алгоритмов преоб-
разования информации и принятия решений. Часто эта
модель оформляется в виде модели информационных
потоков (например, модель документооборота в АСУ
организационного типа).
Традиционно процесс принятия решения в психологии
пытались разложить на составляющие: по психическим
процессам (восприятие, память, мышление), по опера-
циям (алгоритмическое описание, древовидные графы
принятия решения), блокам операций или функциям.
Каждое из этих описаний методологически основано на
допущении аддитивности составляющих процесса психи-
ческой деятельности операторов. Причем в каждом слу-
чае при построении моделей деятельности исходят из
аналогии деятельности человека с функционированием
машины типа некоторого конечного автомата. Совершен-
но прав Б. Ф. Ломов, указывая, что такая детализация
имеет на определенном этапе положительное значение,
однако допущение аддитивности составляющих, концеп-
ция последовательности действий оператора не всегда
справедлива. Об этом будет сказано далее.
На рис. 2.2 показаны последовательные уровни дета-
лизации анализа деятельности оператора. Наиболее об-
щим уровнем является соотнесение «входов» человека —
внешних факторов — и его «выходов» — результатов
деятельности. Результатом такого представления являет-
ся описание деятельности в виде некоторых функциональ-
ных зависимостей, в состав которых могут входить и
психофизиологические параметры человека-оператора.
Такой подход основывается на концепциях кибернети-
ки — сопоставление информационных «входов» и «выхо:
дов» человека (рис. 2.2, а). Следующий уровень
(рис. 2.2,6) связан с выявлением психологических фак-
торов, определяющих влияние параметров внешних воз-
действий по входу на выходной результат действий
оператора и позволяющих найти наиболее существенные
42
из них для их целенаправленной оптимизации при инже-
нерно-психологическом проектировании деятельности опе-
ратора. Третий уровень (рис. 2.2, в) предполагает
представление детерминированных функций человека или
части психологической структуры его деятельности в виде
структурной схемы. На основе такого подхода разрабо-
тан обобщенный метод представления деятельности
операторов. Нами этот метод будет использован при
построении кибернетической модели АСУ. В некоторых
частных случаях ряд блоков может быть детализован до
уровня алгоритма и операции. Такое представление приня-
то при операционно-психологическом подходе. Оно услов-
но показано на рис. 2.2, г.
Рис. 2.2. Уровни детализации модели деятельности человека-
оператора
Различные уровни детализации обусловливают появ-
ление разнообразных моделей формализованного описа-
ния деятельности человека-оператора. Рассмотрим не-
сколько наиболее характерных видов моделей человека-
оператора.
Первая модель соответствует первому уровню детали-
зации. Деятельность человека рассматривается как еди-
ное целое. Принимается допущение о непрерывности
его деятельности. Часто такой подход основан на исполь-
зовании теории систем автоматического управления.
В качестве примера опишем модель функционирования
оператора в системе слежения за изменяющимся во вре-
мени параметром объекта управления.
Оператор сопровождения с помощью марки, на поло-
жение которой он воздействует через орган управления,
43
следит за изменяющимся положением отметки, посту-
пающей от объекта управления. Одним из способов
слежения является способ компенсации рассогласова-
ния. Пусть Д(/) — рассогласование, которое наблюдает
человек-оператор в момент времени /. Эта ошибка вклю-
чает в себя и высокочастотные флуктуации, вызываемые
шумами, действующими на вход системы и генерируемы-
ми внутри системы. Человек реагирует не на мгновенное
значение Д(/), а на некоторое сглаженное значение, при
этом он учитывает возможное в будущем состояние
объекта управления, т. е. на упрежденную на время
Ту ошибку Ду(/). Представление об упрежденной ошибке
Ду(0 формируется в сознании человека с некоторым
запаздыванием т3. В соответствии со значением Ду(/)
оператор воздействует на органы управления.. При этом
он может перемещать их или с ускорением, пропор-
циональным указанной ошибки, или на величину, про-
порциональную самой ошибке. В сознании человека пред-
ставление о перемещении органов управления по усили-
ям, прикладываемым к ним, формируется также с некото-
рым запаздыванием т3. Этот сигнал обратной связи Дос(0
оператор сравнивает с величиной Ду(/). Несовпадение их
и вызывает необходимость вмешательства оператора в
функционирование системы слежения. Учитывая сказан-
ное, передаточная функция человека-оператора примет
вид
Гч($) =
(1 +Tys)WJs)e-^s
ks2 + msne TjS
где 1^ч($) — передаточная функция человека-оператора,
работающего в контуре слежения; tt^c(s) — передаточная
функция сглаживания ошибки Д/; k — коэффициент про-
порциональности, играющий роль коэффициента усиле-
ния; т — коэффициент обратной связи; п — характерис-
тика вида обратной связи: п = 0, если оператор поддер-
живает пропорциональность между ошибкой и перемеще-
нием органа управления (п = 1 — при скоростной обрат-
ной связи и п = 2 при обратной связи по ускорению).
Структурно передаточная функция человека-операто-
ра представлена в виде схемы на рис. 2.3, на которой
Ф — угол поворота органа управления.
Представление человека-оператора непрерывной мо-
делью его деятельности позволяет включать ее в модель
системы управления и, проводя моделирование замкну-
44
той системы, оценивать качество проектирования. Пояс-
ним это положение примером.
В проведенных Институтом психологии АН СССР ис-
следованиях деятельности человека, управляющего дина-
мическими объектами, было показано, что параметры
объекта влияют не только на структуру и качество
операторской деятельности, но и на развитие определен-
ных функциональных состояний. Так, если объект управ-
ления описывается апериодическим звеном, то с увели-
чением параметра объекта Т (характеристика инерциаль-
ности объекта) начинала возрастать психическая напря-
женность. Причем при значениях Т>3 с напряженность
становилась непродуктивной. При дальнейшем увеличе-
нии Т напряженность непрерывно возрастала (см. гра-
фик на рис. 2.4, а). Известны случаи, когда при больших
Т (более 2 мин) операторы могли управлять таким
объектом не более 2 ч, а затем наступал срыв. С увели-
чением непродуктивной напряженности точность работы
уменьшалась, возникали ошибки. Аналогичная картина
была получена, когда объект описывался колебательным
звеном. В этом случае уменьшение основного параметра
объекта — коэффициента колебательности — приводит так-
же к росту непродуктивной напряженности (см. график
на рис. 2.4,6). Снижение степени колебательности уве-
личивало его устойчивость, но резко снижало характе-
ристики управляемости, и он становился как бы мало-
чувствительным к управляющим действиям оператора.
В исследованиях качества деятельности оператора дина-
мических объектов установлено, что если объект управле-
ния описывается линейными дифференциальными урав-
нениями с постоянными коэффициентами, то на качество
деятельности оператора влияют главным образом значе-
ния коэффициентов при «старших» производных. Чем
выше эти значения, тем ниже качество деятельности
(по критериям точности и быстродействия). Возникает
Рис. 2.3. Передаточная функция человека-оператора
45
Рис. 2.4. Графики напряженности деятельности человека
у операторов и непродуктивная психическая напряжен-
ность.
Из сказанного следует, что, моделируя совместное
функционирование объекта и оператора, можно прогно-
зировать состояние психологической напряженности, а
следовательно, и принимать меры по ее уменьшению
путем изменения технических параметров объекта управ-
ления, его лучшей конструкторской проработки.
В большинстве АСУ оперативный состав работает
в непрерывном времени, но начинает обслуживание и
заканчивает его в конкретные моменты времени, т. е.
работает дискретно, выполняя подряд некоторый набор
действий. Так, рассматривая процесс принятия решения
оператором АСУ реального времени, можно представить
этот процесс в виде кибернетической модели, структурная
схема которой приведена на рис. 2.5. На основе инфор-
мации, отражаемой на средствах отображения информа-
ции в виде информационной модели объекта управления,
человек-оператор, воспринимая ее, формирует концепту-
альную модель (психический образ) объекта управления,
оценивает отклонения реальной ситуации на объекте
от ожидаемой, вырабатывает альтернативные варианты
управленческого решения, выбирает наилучшее в некото-
ром смысле решение, формирует управляющие воздей-
ствия и передает (вводит их) на объект управления.
Совершенно естественно возникло предложение пред-
ставить модель человека-оператора в виде последова-
тельной структуры его действий в процессе переработки
информации. На основе концепции последовательности
действий можно построить модели трех типов: информа-
46
Рис. 2.5. Структурная схема кибернетической модели управления
ционную, на основе которой моделируется процесс содер-
жательной (смысловой) обработки информации, времен-
ную модель, в которой оцениваются временные затраты
оператора при выполнении действий, и комбиниро-
ванные модели, в которых кроме временных затрат учи-
тывается и некоторый смысловой аспект перерабаты-
ваемой информации.
Концепция последовательности действий связана
с моделью временных затрат при выполнении опера-
тивной деятельности. Условно можно представить, как
это показано на кибернетической модели, деятельность
как совокупность логически завершенных (законченных)
операций. Отсюда
Гд = 2 tonj ,	(2.6)
где — время выполнения конкретного действия от
момента его начала до его завершения; /оп/ — время
выполнения /-й операции, входящей в это действие.
При построении (2.6) использовано предположение об
аддитивности времени выполнения операций, что не
является всегда справедливым.
Из практики работы операторов в АСУ (кстати, и
из личного опыта) известно, что время выполнения
однотипных, даже часто повторяющихся операций, не
является строго постоянным, оно переменно, случайно.
Иными словами, следует говорить о вероятностном ха-
рактере времени выполнения действия. В общем случае
это время зависит от многих факторов и причин и может
быть записано в виде функции, содержащей эти причины
и факторы. В первом приближении можно оценить его
средним временем выполнения функции (операции) —
47
fon/. Индекс у Топ свидетельствует о том факте, что опера-
тор как бы обслуживает некоторое требование, поступив-
шее к нему от системы управления. Учитывая, что АСУ
функционирует непрерывно, можно говорить о потоке
требований, поступающих к оператору на обслуживание,
причем интервалы времени между двумя последовательно
поступающими требованиями в общем случае могут быть
случайными по длительности. В теории массового обслу-
живания такой поток требований характеризуется таким
параметром, как интенсивность потока X — количество
требований (событий) в единицу времени. Вероятность
появления определенного числа событий (требований)
на заданном интервале Т может быть описана различны-
ми законами распределения. Один из распространенных
законов распределения — закон Пуассона, согласно кото-
рому эта вероятность для k событий:
а время между двумя последовательными событиями рас-
пределено согласно функции распределения плотности
вероятности т:
/(/) = Хе-х' .
Для этого закона характерно, что математическое ожи-
дание времени между двумя событиями Л1[т] и дисперсия
его £)[т] равны
Л4[т] = 1/Z, £>[т] =	.
Учитывая, что от = V£>[т], где о, — среднеквадратиче-
ское значение интервала времени между событиями,
имеем соотношение
М[т] =	,
которое можно использовать для анализа реальных пото*
ков требований на соответствие его пуассоновскому (про-
стейшему) потоку событий.
По аналогии, приняв величину р = 1 /топ за интенсив-
ность, можно говорить о потоке обслуживания опера-
тором поступающих к нему требований, а следовательно,
и о законе распределения времени обслуживания. Если
принять в качестве закона распределения поток Пуассо-
на, то
/(/) = не"**',
48
т. е. время обслуживания распределено по экспонен-
циальному закону. Во многих случаях это достаточно
близкое к реальному распределение.
Рассмотренное выше позволяет описать модель
функционирования оператора при выполнении им диск-
ретных действий при непрерывном функционировании его
в системе управления в терминах теории массового
обслуживания. Действительно, если представить операто-
ра как некий прибор обслуживания (схема на рис. 2.6, а),
то на вход его поступает непрерывный во времени поток
требований. Прибор обслуживания (оператор) может на-
ходиться в двух состояниях: занят — обслуживает требо-
вание, свободен — ожидает очередное требование. Если
требование поступает в тот момент, когда он занят, то
либо оно пропускается (требованию отказывают в обслу-
живании и оно покидает систему), либо оно становится
в очередь на обслуживание. По теории массового
обслуживания поведение такой системы может быть
описано системой дифференциальных или алгебраических
линейных уравнений. Правило составления таких уравне-
ний будет описано ниже. Для нашего случая, если тре-
Рис. 2.6. Схемы моделей функционирования оператора
49
бованию отказывают в обслуживании, алгебраические
уравнения имеют вид
О = — Хро + HPi >
О = — ppi + Хро ,	(2.7)
Ро + Pi = 1 ,
где ро — вероятность новому требованию застать опера-
тора свободным от обслуживания предыдущей заявки;
pi — вероятность того, что новое требование застанет опе-
ратора занятым.
Если новое требование застанет прибор обслуживания
занятым, то оно покидает систему необслуженным (т=0).
Решая систему уравнений (2.7), находим выражения для
определения р0 и р\\
Ро = 1/(1 + р); pl = р/( 1 + р),
где р = Х/ц — загрузка системы.
Вероятность р0 и pi позволяет определить некоторые
технические характеристики работы оператора. Так, про-
пускная способность оператора равна числу требований,
заставшим оператора свободным, а количество пропущен-
ных требований равно количеству случаев, когда требо-
вание застанет оператора занятым. Формулы для опреде-
ления этих характеристик имеют вид:
Хобс — Хро — Х/(1~|~р) ; Хпот — X—Хобс — Хр/(1-|~р) ,
где Хобс — пропускная способность оператора; Хпот — ин-
тенсивность потока пропущенных требований.
Рассмотренная выше простейшая модель человека-
оператора не отражает многих особенностей функциони-
рования человека при выполнении им управленческих
действий.
Так, в общем случае поведение человека-оператора при
выполнении им какой-либо функции можно описать двумя
действиями: процессом восприятия сигнала (требования)
и процессом его обслуживания, т. е. выполнение функции
распадается на фазу восприятия и фазу обслуживания,
которые протекают последовательно, независимо и длятся
в среднем время твос и тОбс соответственно. Структурная
схема модели в терминах теории массового обслуживания
приведена на рис. 2.6, б. В отличие от обычной двухфазной
системы массового обслуживания (СМО), обе фазы
модели не могут работать независимо, так как человек-
оператор, обслуживая требование, обычно «отключается»
50
от восприятия новой информации. Поэтому в модели,
приведенной на рис. 2.6, б, предусмотрена блокировка
первой фазы второй фазой на время обслуживания (стрел-
ка на схеме). Такие модели в теории СМО называются
моделями с блокировкой. В этих моделях принято пред-
положение об аддитивности составляющих времени обра-
ботки требования. Действительно, для двухфазной (много-
фазной) модели СМО время обработки (среднее его
значение)
Тобр = Твое “1“ Тобс ,
где Твое и Тобс — среднее время восприятия и обслуживания
соответственно.
Однако в действительности человек во время выполне-
ния им действий по решению не «отключается» полностью
от процесса восприятия информации, возникающей на
средствах отображения, какие-то психические процессы
обработки им информации могут протекать и параллельно,
а это значит, что предположение об аддитивности не всегда
справедливо. Об этом необходимо всегда помнить, интер-
претируя результаты моделирования для их использования
при проектировании.
В процессе выполнения человеком управленческих
функций могут возникать ошибки, которые человек-опера-
тор обнаруживает самостоятельно. При их исправлении
он вынужден возвращаться вновь к выполнению уже
сделанного. Кроме того, даже в однотипных ситуациях
управления, но при разных исходных данных он может
либо пропускать какие-нибудь операции, либо выполнять
их повторно. Это означает, что обслуженное требование
покидает прибор обслуживания с некоторой вероятностью
по одной из двух цепей. Структурная схема подобной
модели приведена на рис. 2.6, в. Модели такого вида
называются в теории СМО стохастическими сетями СМО.
Здесь pij вероятность выхода обслуженного требования по
данному направлению. На рис. 2.6, в приведена модель че-
’ловека-оператора для следующего гипотетического слу-
чая. В процессе формирования управленческого решения
оператор с некоторой вероятностью p2i вновь обращается
к средствам отображения информации либо для подтверж-
дения правильности восприятия им информации, либо для
повторного ее анализа. После акта повторного восприятия
информации он с некоторой вероятностью либо продолжа-
ет формирование решения, либо начинает формировать
его заново. Вероятности Р21 и р i з зависят от содержательной
51
стороны обрабатываемой оператором информации, поэто-
му такая модель деятельности человека-оператора явля-
ется комбинированной моделью, отражающей как времен-
ные, так и информационные аспекты его деятельности.
Временные параметры деятельности человека-операто-
ра, вероятности появления ошибок в его деятельности за-
висят от психофизиологических факторов. Так, время вы-
полнения человеком некоторой функции может
быть определено по формуле
Тобс = /(Гн, г) ,
как некоторая функциональная зависимость от усталости,
длительности его непрерывной деятельности (параметр
Гн), от напряженности его работы (количество требований
г, ожидающих его решения). Имея такие или подобные
зависимости, можно их использовать при построении моде-
лей человека-оператора.
Комбинируя представленные на рис. 2.6 простые моде-
ли в сложные структуры, можно получать модели различ-
ной сложности, но при этом следует всегда помнить об ог-
раниченной их адекватности реальной деятельности
человека-оператора.
Применение моделей подобного типа довольно разно-
образно. В [5] рассмотрена модель изменения подготов-
ленности оператора при выполнении им некоторых ОЕД
при условии, что интенсивности усвоения при обучении и
забывания постоянны и не зависят от времени. Обозначим
через so, $>, •••» $2k состояния знания ОЕД, а через si,
$з, ...» $2*+i — состояния незнания их. Размеченный граф
состояний с указанием переходов из состояния в состояние
приведен на рис. 2.7, когда на некотором интервале вре-
мени имеет место одно восстановление знаний или одно
повторение некоторой ОЕД. По графу состояний (см.
подробнее § 3.4) записываем следующую систему диффе-
ренциальных уравнений, описывающую изменение подго-
товленности оператора:
P'0(t) = - ХоРо(0 , Р'М = ц>Р>(0 - wt),
P^t) = ХоРо(0 - н>р>(0, Рз(0 = ^2(0 .	
где X и ц — соответствующие интенсивности восстановле-
ния и забывания знаний.
Применив для решения этой системы уравнений пре-
образование Лапласа:
Г{Л(/)} = Л($) ; L{P<(/)} = sP/(s) - Л(0),
52
Po(t) P,(t)	P2(t)	P3(t)
Рис. 2.7. Размеченный граф состояний
получаем
^.(5)=-ih/’o(s), P3(s)=4-P2(s)-
Используя обратное преобразование Лапласа, получа-
ем выражение для коэффициента готовности оператора
к выполнению возложенной на него функции (готовности
к выполнению ОЕД):
К. (О = Ро (I) + Рг (/) = [ 1 +	+
4- Wl е~) ' J_____________________е~И|'	(2 9)
(ло-Л.Хи, -ХоГ	(Ло -	)0и - И1)е ’
где Кг (/)— коэффициент готовности.
Рассмотрим конкретный пример. Пусть в момент време-
ни t = 0 некоторая ОЕД усвоена оператором. Интенсив-
ность забывания ее при этом Хо = 0,20 мес-"1, т. е. среднее
время поддерживания знаний составляет То = 5 мес. Затем
знания восстанавливаются с интенсивностью pi = 0,5 ч-"1,
т. е. среднее время восстановления знаний Тв = 2 ч =
= 0,0028 мес. Интенсивность забывания знаний после
этого восстановления Xj = 0,10 мес~1сХо. Определим
коэффициент готовности оператора к выполнению данной
ОЕД в момент времени t = 12 мес. В соответствии с (2.9)
Кг=0,68. Такое значение Кг показывает, что оператор с
указанными характеристиками изменений знаний в период
времени /= 12 мес в состоянии выполнить в среднем
68 оперативных ЕД из 100, предъявленных ему в слу-
чайные моменты времени.
Рассмотренные модели деятельности человека-опера-
тора не во многих случаях могут быть описаны аналити-
ческими выражениями. Когда это сделать нельзя, то при-
ходится прибегать к имитационному моделированию.
Имитационные модели деятельности человека-оператора
следует строить на тех же принципах, которые исполь-
зованы нами в этом параграфе.
53
2.2.	Методы принятия управленческих решений
Универсальность процедуры принятия решений и при-
меняемого при этом математического аппарата позволяет
в равной степени использовать излагаемый ниже материал
как в контуре взаимодействия человека с техническими
средствами АСУ, так и при проектировании этого взаимо-
действия, в частности при разработке структурной схемы
интерфейса взаимодействия, выборе комплекса техниче-
ских средств, лучшего алгоритма решения задач и т. п.
Проблема принятия решений составляет суть любой
целенаправленной человеческой деятельности. Вместе
с тем она, несмотря на все многообразие возможных
условий и ситуаций, в которых осуществляется выбор,
носит достаточно универсальный характер.
Для ситуаций, в которых происходит выбор решений,
характерно [14]:
1)	наличие цели (целей). Необходимость принятия
решения диктуется только наличием некоторой цели, кото-
рую следует достичь. Если цель отсутствует, то не возни-
кает и необходимости принимать какое-либо решение;
2)	наличие альтернативных линий поведения. Решения
принимаются в условиях, когда существует более одного
способа достижения поставленной цели. Каждый из спо-
собов может характеризоваться различными степенями и
различными вероятностями достижения цели, требовать
различных затрат;
3)	наличие ограничивающих факторов. Естественно,
что лицо, принимающее решение, не обладает бесконечны-
ми возможностями. Все множества ограничивающих фак-
торов можно разбить на три основные группы:
экономические факторы — денежные средства, трудо-
вые и производственные ресурсы, время и т. п.;
технические факторы — габариты, вес, энергопотреб-
ление, надежность, точность и т. п.;
социальные факторы, учитывающие требования чело-
веческой этики и морали.
Процесс принятия решений. Процесс принятия управ-
ленческого решения — это преобразование исходной ин-
формации (информации состояния) в выходную информа-
цию (информацию управления — приказ). Решение может
быть формальным и творческим. Принято считать, что если
преобразование информации выполняется с помощью
математических моделей, то выработанное решение счита-
ется формальным, если решение появляется в результате
54
скрытой работы интеллекта человека, принимающего
решение, то оно — творческое.
Такое деление в достаточной степени условно, nQ-
скольку чисто формального или чисто творческого решения
не существует. Если решение вырабатывается с помощью
математической модели, то знания и опыт человека (эле-
менты творчества) используются при ее создании, а инту-
иция (элемент творчества) — в момент, когда он задает
то или иное значение параметра исходной информации
или выбирает из множества альтернативных вариантов,
полученных с помощью математической модели, один
в качестве решения на управление. Если основным
инструментом выработки решения является интеллект
человека, то формальные методы, носителем которых
практически является вся наука, скрыто присутствуют
в его знаниях и опыте.
В соответствии с подразделением на творческие и
формальные все множество проблем, сопутствующих
любому процессу принятия решений, условно делится на
два класса: проблемы концептуального характера и проб-
лемы формально-математического и вычислительного
характера [14].
К концептуальным проблемам относятся сложные
логические проблемы, которые невозможно решить с при-
менением только формально-математических методов и
ЭВМ. Часто эти проблемы уникальны в том смысле, что
они решаются впервые и не имеют прототипов в прошлом.
Концептуальные проблемы обычно решаются на уровне
руководителей с привлечением группы экспертов, в каче-
стве которых выступают высококвалифицированные спе-
циалисты из различных областей науки и практической
деятельности. При решении концептуальных проблем наи-
больший вес имеют не формально-математические методы,
а эрудиция, опыт и интуиция людей. Формальные методы
играют вспомогательную роль как средство, облегчающее
и организующее эвристическую деятельность людей. К чис-
лу концептуальных относятся, в частности, такие пробле-
ма, как анализ и выбор целей, выявление совокупностей
показателей, характеризующих следствия принятого ре-
шения, выбор из их числа критериев оптимальности и т. п.
Формализация эвристических процедур является содер-
жанием так называемой неформальной теории принятия
решений.
В дальнейшем мы будем предполагать, что цели
управления, соответствующие им критерии оптимальности
55
и ограничения заданы и обсуждению не подлежат. Иными
словами, мы будем заниматься изучением лишь количест-
венной или формальной теории принятия решений.
Процесс принятия решений является сложной итераци-
онной процедурой. Структурная схема процесса принятия
решения представлена на рис. 2.8.
Общая постановка задачи принятия решения. Пусть
эффективность выбора того или иного решения опреде-
ляется некоторым критерием F, допускающим количест-
венное представление. В общем случае все факторы,
от которых зависит эффективность выбора, можно разбить
на две группы:
контролируемые (управляемые) факторы, выбор ко-
торых определяется лицами, принимающими решения, Хь
Х2, .... X/;
неконтролируемые (неуправляемые) факторы, характе-
ризующие условия, в которых Осуществляется выбор
и на которые лица, принимающие решения, влиять не
могут. В состав неконтролируемых факторов может вхо-
дить и время t.
Неконтролируемые факторы в зависимости от инфор-
мированности о них подразделяют на три подгруппы:
детерминированные неконтролируемые факторы — не-
случайные фиксированные величины, значения которых
полностью известны, At, Л2, ...» Ар;
стохастические неконтролируемые факторы — случай-
ные величины и процессы с известными законами рас-
пределения У1, У2, Yq\
неопределенные неконтролируемые факторы, для каж-
дого из которых известна только область, внутри которой
находится закон распределения, значения неопределенных
факторов неизвестны в момент принятия решения, Zi, Z2,...,
Zr.
В соответствии с выделенными факторами критерий
оптимальности можно представить в виде
F = F(Xh х2, ..., X/, Л1, Л2, Лр,У1}У2, ...,У„ Zi, Z2„.„ Zf, /).
Величины X, Л, У, Z в общем случае могут быть скаля-
рами, векторами, матрицами.
Значения контролируемых (управляемых) факторов
обычно ограничены рядом естественных причин, например
ограниченностью располагаемых ресурсов. Математически
эти ограничения записываются в виде
Si = g/(Xi, Х2, ..., X/, Л1, Л2, ..., ЛР1-, У1, У2, ...
..., Z1} Z2, ..., ZG, t) {<, =, i = TT^. (2.1)
56
Стимулы к
появлению
проблем
Определение
р-►	целей и
критериев
J Определение
ограничений
Составление
—>	списка
альтернатив
Сбор
—> информации и —
прогноз
Формулировка
проблемы
Разработка
постановки
задачи
Разработка
математичес-
кой модели
Выбор метода
решения и
разработка
алгоритма
Оценка аль -
тернатив и
выбор опта -
мальной
Оценка
полученного
результата
Анализ
решения
Принятие
решения
Исполнение
решения
Рис. 2.8. Структурная схема процесса принятия решения
Условия (2.1) определяют области йхн йх2, Qxi про-
странства, внутри которых расположены возможные (до-
пустимые) значения факторов Xi, Х2,	X/.
Аналогично могут быть ограничены и области воз-
можных значений неконтролируемых факторов. Поскольку
критерий оптимальности есть количественная мера степе-
ни достижения цели управления, математически цель
управления выражается в стремлении к максимально
возможному увеличению (или уменьшению) значения кри-
терия F, что можно записать в виде
F->max (или min) .
Средством достижения этой цели является соответст-
вующий выбор управлений Xi, Х2, X/ из областей
Йхн йх2, ..., йх, их допустимых значений.
Таким образом, общая постановка задачи принятия
решений (ЗПР) может быть сформулирована следующим
образом: при заданных значениях и характеристиках фик-
сированных неконтролируемых факторов Аь Л2, Ар, У|,
У2, ...» Yq с учетом неопределенных факторов Zi, Z2, ..., Zr
найти оптимальные значения Xiopt, X2opt,X/opt из областей
Йхи йх2, йх/ их допустимых значений, которые по воз-
можности обращали бы в максимум (минимум) критерий
оптимальности F.
Классификация задач принятия решений. Воспользу-
емся классификацией [14], в основу которой положены
три важных классификационных признака (рис. 2.9):
количество целей управления и соответствующих им
критериев оптимальности;
наличие или отсутствие зависимости критерия опти-
мальности и ограничений от времени;
наличие случайных и неопределенных факторов, этот
признак называют признаком «определенность — риск —
неопределенность».
По первому классификационному признаку ЗПР де-
лятся на одноцелевые или однокритериальные (скаляр-
ные) и многоцелевые или многокритериальные (вектор-
ные) ЗПР.
По второму классификационному признаку ЗПР делят-
ся на статические (не зависящие от времени) и динами-
ческие (зависящие от времени) ЗПР. Динамическим ЗПР
присущи две особенности:
в качестве критерия оптимальности в динамических
ЗПР выступает не функция, как в статических ЗПР, а
функционал, зависящий от функций времени;
58
Рис. 2.9. Классификация ЗПР и методов их решения
в составе ограничений обычно присутствуют так назы-
ваемые дифференциальные связи, описываемые дифферен-
циальными уравнениями.
По признаку «определенность — риск — неопределен-
ность» ЗПР подразделяют на три больших подкласса:
принятие решений в условиях определенности, или
детерминированные ЗПР. Они характеризуются однознач-
ной детерминированной связью между принятым решением
и его исходом;
принятие решений при риске, или стохастические ЗПР.
Любое принятое решение может привести к одному из
множества возможных исходов, причем каждый исход
имеет определенную вероятность появления. Предполага-
ется, что эти вероятности заранее известны лицу, при-
нимающему решения;
принятие решений в условиях неопределенности. Любое
принятое решение может привести к одному из множе-
ства возможных исходов, вероятности появления которых
неизвестны.
Общая постановка однокритериальной статической
детерминированной ЗПР. Пусть исход управляемого меро-
приятия зависит от выбранного решения (стратегии
управления) и некоторых неслучайных фиксированных
факторов, полностью известных лицу, принимающему
решение. Стратегии управления могут быть представлены
в виде значений и-мерного вектора X = (хь х2, .... хп),
на компоненты которого наложены ограничения, обуслов-
ленные рядом естественных причин и имеющие вид
i= ; m{<, = , >}n ,
где Ai — некоторый массив фиксированных неслучайных
параметров.
Условия (2.2) определяют область Qx допустимых
значений стратегий X.
Эффективность управления характеризуется некото-
рым численным критерием оптимальности F:
F = F(X, С) ,	(2.3)
где С — массив фиксированных, неслучайных параметров.
Массивы Ai и С характеризуют свойства объектов,
участвующих в управлении, и условия протекания управ-
ления.
Перед лицом, прини_мающим_ решение, стоит задача
выбора такого значениях = (xi,%2, ...,хл) вектора управле-
60
ния X = (xi, х2, ...»xrt) из области Qx его допустимых зна-
чений, которое максимизирует значение критерия опти-
мальности F, а также значение F этого максимума
F= F(X,C) = maxF(X,C),	(2.4)
где область Qx представляется условием (2.2).
В (2.4) символы F и X обозначают максимально до-
стижимое в условиях (2.2) значение критерия оптималь-
ности F и соответствующее ему оптимальное значение
вектора управления X.
Совокупность соотношений (2.2), (2.3) и (2.4) пред-
ставляет собой общий вид математической модели одно-
критериальной статической детерминированной ЗПР.
Задача в такой постановке полностью совпадает
с общей постановкой задачи математического программи-
рования. Поэтому весь арсенал методов, разработанных
для решения задач математического программирования,
может быть использован для решения задач принятия
решений данного класса. Мы не будем здесь из-за не-
достатка места останавливаться на обзоре соответствую-
щих методов решения.
Рассмотрим пример однокритериальной статической детерми-
нированной ЗПР.
Пусть необходимо отображать некоторое количество информаци-
онных моделей (например, картографическую информацию). Для отобра-
жения любой из моделей всегда требуется решать п различных задач
3\, 32, Зп (отображение символов, отображение векторов, поворот
и перемещение изображения, масштабирование и т.п.). Все задачи
взаимно независимы. Для решения этих задач могут быть использованы
т различных микропроцессоров Л4|, М2, ..., Мп. В течение времени Т
микропроцессор Л1/может решить а,, задач типа 3t (/= 1, я ; / = 1,т	),
т. е. решить задачу 3; несколько раз по одному и тому же алгоритму,
но для различных исходных данных.
Информационную модель можно отображать только в том случае,
если она содержит полный набор результатов решения всех задач
31, 32, Зп.
Требуется распределить задачи по микропроцессорам так, чтобы
число информационных моделей, синтезированных за время Г, было
максимально. Иначе говоря, необходимо указать, какую часть времени
Т микропроцессор М, должен занимать решением задачи 3t.
Обозначим эту величину через xz/ (если эта задача не будет решать-
ся на данном микропроцессоре, то хч = 0).
Очевидно, что общее время занятости каждого микропроцессора
решением всех задач не должно превышать общего запаса времени Г,
«доля» — единицы. Таким образом, имеем следующие ограничительные
условия:
п	____
Sx.j < 1; / = 1, m .
61
Общее количество решений М задачи 3t, полученных всеми микро-
процессорами вместе,
т	---
М = 2 atjX4> i= .
i= ।
Так как информационная модель может быть синтезирована
лишь из полного набора результатов решения всех задач, то количество
информационных моделей F будет определяться минимальным из
чисел Nt.
Итак, имеем следующую математическую модель: требуется найти
такие х,/, чтобы обращалась в максимум функция F
т	___
F = min 2 a>ixi!> 1 — 1, п »
1	i= ।
при
n
2	/= 1, m, x17>0.
i= 1
Общая постановка однокритериальной статической за-
дачи принятия решений в условиях риска. Как отмечалось,
каждая выбранная стратегия управления в условиях
риска связана с множеством возможных исходов, причем
каждый исход имеет определенную вероятность появления,
известную заранее человеку, принимающему решение.
При оптимизации решения в подобной ситуации
стохастическую ЗПР сводят к детерминированной. Широ-
ко используют при этом следующие два принципа: искус-
ственное сведение к детерминированной схеме и оптими-
зация в среднем.
В первом случае неопределенная, вероятностная кар-
тина явления приближенно заменяется детерминирован-
ной. Для этого все участвующие в задаче случайные
факторы приближенно заменяются какими-то неслучай-
ными характеристиками этих факторов (как правило, их
математическими ожиданиями).
Этот прием используется в грубых, ориентировочных
расчетах, а также в тех случаях, когда диапазон возмож-
ных значений случайных величин сравнительно мал.
В тех случаях, когда показатель эффективности управле-
ния линейно зависит от случайных параметров, этот
прием приводит к тому же результату, что и «оптимизация
в среднем».
Прием «оптимизация в среднем» заключается в пере-
ходе от исходного показателя эффективности Q, являюще-
гося случайной величиной:
Q= QQ(,A,yi,y2, ..„уд),
62
где X — вектор управления; А — массив детерминирован-
ных факторов; уь у2, ...» уя — конкретные реализации слу-
чайных фиксированных факторов Уь У2, ...» Уд к его осред-
ненной, статической характеристике, например к его мате-
матическому ожиданию Af[Q]:
F = MQ] =	А, У1, у2, .... уд)Х
У2, y4)dyi, dy2, dyq = F(X, А, В) . (2.5)
Здесь В — массив известных статистических характе-
ристик случайных величин Уь У2, ...» Уд', {(У\,У2, —>Уд) —
закон распределения вероятностей случайных величин
Г1, г2,Уд.
При оптимизации в среднем по критерию (2.5) в каче-
стве оптимальной стратегии X будет выбрана такая
стратегия, которая, удовлетворяя ограничениям на об-
ласть Q.v допустимых значений вектора X, максимизирует
значение математического ожидания F = M[Q] исходного
показателя эффективности Q, т. е.
F = F (X, Л, В) = maxF (X, Л, В) =
= maxAl[Q(X, A, yh у2, .... уд)] .	(2.6)
Л
В том случае, если число возможных стратегий i ко-
нечно^/ = 1, / и число возможных исходов / конечно (j =
= 1, J ), то выражение (2.6) переписывается в виде
F = F(X) = rnaxJFW] =	[ .S. (2.7)
где Qij — значение показателя эффективности управления
в случае появления /-го исхода при выборе I стратегии
управления; Pij — вероятность появления /-го исхода при
реализации /-й стратегии.
Из выражений (2.6) и (2.7) следует, что оптимальная
стратегия X приводит к гарантированному наилучшему
’результату только при многократном повторении ситуации
в одинаковых условиях. Эффективность каждого отдель-
ного выбора связана с риском и может отличаться от
средней величины как в лучшую, так и в худшую сторону.
Сравнение двух рассмотренных принципов оптимиза-
ции в стохастических ЗПР показывает, что они представ-
ляют собой детерминизацию исходной задачи на разных
уровнях влияния стохастических факторов. «Искусствен-
ное сведение к детерминированной схеме» представляет
63
собой детерминизацию на уровне факторов, «оптимизация
в среднем» — на уровне показателя эффективности.
После выполнения детерминизации могут быть исполь-
зованы все методы, применимые для решения однокри-
териальных статических детерминированных ЗПР.
Рассмотрим пример однокритериальной статической задачи при-
нятия решений в условиях риска.
Для создания картографической базы данных необходимо кодиро-
вать картографическую информацию. Использование поэлементного ко-
дирования приводит к необходимости использования чрезвычайно
больших объемов памяти. Известен ряд методов кодирования, позво-
ляющих существенно сократить требуемый объем памяти [например,
линейная интерполяция, интерполяция классическими многочленами,
кубические сплайны и т.п.; см. кн. 4 настоящего сериала]. Основным
показателем эффективности метода кодирования является коэффициент
сжатия информации. Однако значение этого коэффициента зависит от
вида кодируемой картографической информации (гидрография, границы
административных районов, дорожная сеть и т. п.). Обозначим через
Qij(i= 1,и, /= 1,/и) значение коэффициента сжатия z-ro метода ко-
дирования для /-го вида информации. Конкретный район, подлежащий
кодированию, заранее неизвестен. Однако предварительный анализ кар-
тографической информации всего региона й опыт предыдущих разра-
боток позволяют вычислить вероятность появления каждого из видов
информации. Обозначим через Л вероятность появления /-го вида,
т
Pj = 1. Тогда, используя метод оптимизации в среднем, следует вы-
/ ।
брать такой метод кодирования, для которого
- F = max У, PtQ4\ i = 1, п
‘ /= ।
Принятие решений в условиях неопределенности. Пре-
жде всего отметим принципиальное различие между сто-
хастическими факторами, приводящими к принятию реше-
ния в условиях риска, и неопределенными факторами,
приводящими к принятию решения в условиях неопре-
деленности. И те, и другие приводят к разбросу возможных
исходов результатов управления. Но стохастические фак-
торы полностью описываются известной стохастической
информацией, эта информация и позволяет выбрать луч-
шее в среднем решение. Применительно к неопределен-
ным факторам подобная информация отсутствует.
В общем случае неопределенность может быть вызвана
либо противодействием разумного противника, либо недос-
таточной осведомленностью об условиях, в которых осу-
ществляется выбор решения.
Принятие решений в условиях разумного противодей-
ствия является объектом исследования теории игр. Мы
здесь не будем касаться этих вопросов.
64
Рассмотрим принципы выбора решений при наличии
недостаточной осведомленности относительно условий,
в которых осуществляется выбор. Такие ситуации принято
называть «играми с природой».
В терминах «игр с природой» задача принятия решений
может быть сформулирована следующим образом. Пусть
лицо, принимающее решение, может выбрать один из т
возможных вариантов своих решений: Х|, хг, ...» *т и пусть
относительно условий, в которых будут реализованы воз-
можные варианты, можно сделать п предположений:
!/ь У2, ...» Уп- Оценки каждого варианта решения в каждых
условиях (х/, yi) известны и заданы в виде матрицы
выигрышей лица, принимающего решения: А = |aj.
Предположим вначале, что априорная информация
о вероятностях возникновения той или иной ситуации
(// отсутствует.
Теория статистических решений предлагает несколько
критериев оптимальности выбора решений. Выбор того
или иного критерия неформализуем, он осуществляется
человеком, принимающим решения, субъективно, исходя
из его опыта, интуиции и т. п. Рассмотрим эти критерии.
Критерий Лапласа. Поскольку вероятности возник-
новения той или иной ситуации (// неизвестны, будем их
все считать равновероятными. Тогда для каждой строки
матрицы выигрышей подсчитывается среднее арифметиче-
ское значение оценок. Оптимальному решению будет соот-
ветствовать такое решение, которому соответствует мак-
симальное значение этого среднего арифметического, т. е.
F = F(X, Y) = max(l/n) £ ан .
1	j _ |
Критерий Вальда. В каждой строчке матрицы выби-
раем минимальную оценку. Оптимальному решению соот-
ветствует такое решение, которому соответствует макси-
мум этого минимума, т. е.
Y)= max min ан.
Этот критерий очень осторожен. Он ориентирован на
наихудшие условия, только среди которых и отыскивает-
ся наилучший и теперь уже гарантированный результат.
Критерий Сэвиджа. В каждом столбце матрицы нахо-
дится максимальная оценка max ан и составляется но-
1 <, 1
вая матрица, элементы которой определяются соотноше-
нием
3—983
65
rij = max aj — atj .
I tn
Величину rij называют риском, под которым понимают
разность между максимальным выигрышем, который
имел бы место, если бы было достоверно известно, что
наступит ситуация £//, и выигрышем при выборе решения
Xi в условиях yj. Эта новая матрица называется матри-
цей рисков. Далее из матрицы рисков выбирают такое
решение, при котором величина риска принимает наи-
меньшее значение в самой неблагоприятной ситуации,
т. е.
F — F(X, Y) — min max Гц = min max ( max ац —
1 itn 1 j П	I	I /X 1 C i C m
- ац) 
Сущность этого критерия заключается в минимизации
риска. Как и критерий Вальда, критерий Сэвиджа очень
осторожен. Они различаются разным пониманием худшей
ситуации: в первом случае — это минимальный выигрыш,
во втором — максимальная потеря выигрыша по сравне-
нию с тем, чего можно было бы достичь в данных усло-
виях.
Критерий Гурвица. Вводится некоторый коэффициент
а, называемый «коэффициентом оптимизма», O^a^l.
В каждой строке матрицы выигрышей находится самая
большая оценка max ац и самая маленькая min ац.
\^j^n
Они умножаются соответственно на а и (1 - а) и затем
вычисляется их сумма. Оптимальному решению будет
соответствовать такое решение, которому соответствует
максимум этой суммы, т. е.
F = F(X, У) = ^ах [a max + (1 — а)^ min а<7] .
При а=0 критерий Гурвица трансформируется в
критерий Вальда. Это случай крайнего «пессимизма».
При а = 1 (случай крайнего «оптимизма») человек, при-
нимающий решение, рассчитывает на то, что ему будет
сопутствовать самая благоприятная ситуация. «Коэффи-
циент оптимизма» а назначается субъективно, исходя из
опыта, интуиции и т. п. Чем более опасна ситуация,
тем более осторожным должен быть подход к выбору
решения и тем меньшее значение присваивается коэф-
фициенту а.
66
Примером принятия решений в условиях неопределенности может
служить рассмотренная выше задача выбора метода кодирования
картографической информации, когда вероятности появления того или
иного вида этой информации неизвестны.
Многокритериальные задачи принятия решений.
Пусть, как и прежде, необходимо выбрать одно из мно-
жества решений X из области Qx их допустимых значе-
ний. Но в отличие от изложенного выше, каждое выбран-
ное решение оценивается совокупностью критериев f2,
..., fk, которые могут различаться своими коэффициента-
ми относительной важности Хь Х2, ...» X*. Критерии
fqt q= называют частными или локальными крите-
риями, они образуют интегральный или векторный кри-
терий, оптимальности F — {fq}. Коэффициенты Xg, q =
= l,fe, образуют вектор важности А = {Хд}. Каждый
локальный критерий характеризует некоторую локальную
цель принимаемого решения.
Оптимальное решение X должно удовлетворять соот-
ношению
F = F (¥) = opt [Г(Х)Л] .	(2.8)
л ь2 х
где F — оптимальное значение интегрального критерия;
opt — оператор оптимизации, он определяет выбранный
принцип оптимизации.
Область допустимых решений Qx может быть разбита
на две непересекающиеся части:
Qx — область согласия, в которой качество решения
может быть улучшено одновременно по всем локальным
критериям или без снижения уровня любого из крите-
риев;
Qx — область компромиссов, в которой улучшение ка-
чества решения по одним локальным критериям приводит
к ухудшению качества решения по другим.
Очевидно, что оптимальное решение может принад-
лежать только области компромиссов, так как в области
согласия решение может и должно быть улучшено по
соответствующим критериям.
Выделение области компромисса сужает область воз-
можных решений, но для выбора одного-единственного
варианта решения далее следует раскрыть смысл опера-
тора оптимизации opt выражения (2.8) или, как говорят,
выбрать схему компромисса. Этот выбор осуществляется
субъективно.
Рассмотрим основные схемы компромисса, предпола-
3**
67
гая вначале, что все локальные критерии нормализованы
(т. е. имеют одинаковую размерность или являются без-
размерными величинами) и одинаково важны. Рассмот-
рение удобно вести, перейдя от пространства Qx
выбираемых решений X к пространству Qf возможных
(допустимых) локальных критериев F = {fb f2, ...» fk},
деля его, как это было сделано выше, на область согла-
сия и область компромиссов.
Тогда сформулированную ранее модель оптимизации
(2.8) можно переписать в виде
F = F(X) = opt [F(X), Л] = opt [F, Л] .
Л с: *6	г Ьб р
Основными схемами компромисса являются принцип
равномерности, принцип справедливой уступки, прин-
цип выделения одного оптимизируемого критерия, прин-
цип последовательной уступки.
Принцип равномерности провозглашает целесооб-
разность выбора такого варианта решения, при котором
достигалась бы некоторая «равномерность» показателей
по всем локальным критериям. Используют следующие
реализации принципа равномерности: принцип
равенства, принцип максимина, принцип квазиравенства.
Принцип равенства формально выражается следую-
щим образом:
= = = f2 = •" = ’
т. е. оптимальным считается вариант, принадлежащий
области компромиссов, при котором все значения локаль-
ных критериев равны между собой.
Однако случай f\ = f2 = ... = fk может не попасть в
область компромиссов или вообще не принадлежать
к области допустимых вариантов.
Принцип максимина формально выражается следую-
щим образом:
F = opt F = max min f„.
F€=qkf
В случае применения этого принципа из области
компромиссов выбираются варианты с минимальными
значениями локальных критериев и среди них ищется
вариант, имеющий максимальное значение. Равномер-
ность в этом случае обеспечивается за счет «подтяги-
вания» критерия с наименьшим уровнем.
Принцип квазиравенства заключается в том, что стре-
68
мятся достичь приближенного равенства всех локальных
критериев. Приближение характеризуется некоторой ве-
личиной 6. Этот принцип может быть использован в
дискретном случае.
Следует отметить, что принципы равенства, несмотря
на их привлекательность, не могут быть рекомендованы
во всех случаях. Иногда даже небольшое отклонение
от равномерности может дать значительный прирост
по одному из критериев.
Принцип справедливой уступки основан на сопостав-
лении и оценке прироста и убыли величины локальных
критериев. Переход от одного варианта к другому, если
они оба принадлежат области компромиссов, неизбежно
связан с улучшением по одним критериям и ухудшением
по другим. Сопоставление и оценка изменения значе-
ния локальных критериев может производиться по
абсолютному значению прироста и убыли критериев
(принцип абсолютной уступки), либо по относительному
(принцип относительной уступки).
Принцип абсолютной уступки может быть формально
выражен с помощью следующей записи:
F= optF ={F/ 2 Д/,->2 ДД},
где — подмножество мажорируемых критериев, т. е.
таких, для которых Af/>0;	— подмножество мино-
рируемых критериев, т. е. таких, для которых А/\<0;
Д/j, А/\ — абсолютные значения приращения критериев;
/ — символ «такой, для которого». Таким образом, целе-
сообразным считается выбрать такой вариант, для которо-
го абсолютное значение суммы снижения одного или не-
скольких критериев не превосходит абсолютного значения
суммы повышения оставшихся критериев.
Можно показать, что принципу абсолютной уступки
соответствует модель максимизации суммы критериев
k
F = opt F = max 2 fg 
Недостатком принципа абсолютной уступки является
то, что он допускает резкую дифференциацию уровней
отдельных критериев, так как высокое значение инте-
грального критерия может быть получено за счет высо-
кого уровня одних локальных критериев при сравни-
тельно малых значениях других критериев.
69
Принцип относительной уступки может быть записан
в виде
=	2(+Л> 2(
F е	j е у(+) ie /( ’
где X/ = АЖ..; Х< = bfi/f-™ — относительные измене-
ния критериев; f/rnax, Дтах — максимальные значения кри-
териев.
Целесообразно выбрать тот вариант, при котором
суммарный относительный уровень снижения одних кри-
териев меньше суммарного относительного уровня повы-
шения других критериев.
Можно сказать, что принципу относительной уступки
соответствует модель максимизации произведения крите-
риев
k
F = opt F = max П fq-
Принцип относительной уступки весьма чувствителен
к величине критериев, причем за счет относительности
уступки происходит автоматическое снижение «цены» ус-
тупки для локальных критериев с большой величиной и
наоборот. В результате проводится значительное сглажи-
вание уровней локальных критериев. Важным преимуще-
ством принципа относительной уступки является также
то, что он инвариантен к масштабу изменения критериев,
т. е. его использование не требует предварительной нор-
мализации локальных критериев.
Принцип выделения одного оптимизируемого критерия
формально может быть записан следующим образом:
при условиях
<7 = Т,1, i^q ,
где fi — оптимизируемый критерий.
Один из критериев является оптимизируемым и вы-
бирают тот вариант, при котором достигается максимум
этого критерия. На другие критерии накладываются огра-
ничения.
Принцип последовательной уступки. Предположим,
что локальные критерии расположены в порядке убы-
вающей важности: сначала основной критерий fi, затем
другие, вспомогательные критерии f2, /з, .... Как и ранее,
70
считаем, что каждый из них нужно обратить в максимум.
Процедура построения компромиссного решения сводится
к следующему. Сначала находят решение, обращающее
в максимум главный критерий f\. Затем, исходя из
практических соображений, например из точности, с ко-
торой известны исходные данные, назначают некоторую
«уступку» Д/1, допустимую для того, чтобы обратить в
максимум второй критерий f2. Налагаем на критерий fi
требование, чтобы он был меньше, чем fimax— A/i, где
Лтах — максимально возможное значение fi, и при этом
ограничении ищем вариант, обращающий в максимум
/2. Далее снова назначают «уступку» в критерии f2, ценой
которой можно максимизировать f3, и т. п.
Такой способ построения компромиссного решения
хорош тем, что здесь отчетливо видно, ценой какой
«уступки» в одном критерии приобретается выигрыш
в другом. Свобода выбора решения, приобретаемая
ценой даже незначительных «уступок», может оказаться
существенной, так как в районе максимума обычно
эффективность решения меняется очень слабо.
Ранее предполагалось, что лучшим считается большее
значение локальных критериев, т. е. решалась задача
максимизации интегрального критерия.
В том случае, если лучшим считается меньшее зна-
чение критериев, то от задачи минимизации следует
перейти к задаче максимизации путем умножения инте-
гральной функции F на — 1 и замены F на F' = —F.
Если ряд критериев необходимо максимизировать, а
остальные минимизировать, то для выражения интеграль-
ного критерия можно использовать соотношение
°Pf F = max Г ( П f,) ( П f ?) "']
либо
optF=rnax[ £ А,+( S ,
г ейД ]	\ q = i 4- 1 / J
где fq, q= 1, I — локальные критерии, которые необхо-
димо максимизировать; fq, q = I + 1, k — локальные
критерии, которые необходимо минимизировать.
Способы нормализации критериев.
Проблема нормализации критериев возникает во всех
задачах векторной оптимизации, в которых локальные
критерии оптимальности имеют различные единицы
71
измерения. Исключение составляют те задачи, в которых
в качестве схемы компромисса применяется принцип
относительной уступки.
В основу нормализации критериев положено понятие
«идеального вектора», т. е. вектора с «идеальными» зна-
чениями параметров
Г(и) = {/Н,^и),...,^и)} .
В нормализованном пространстве критериев вместо
действительного значения критерия fq рассматривается
безразмерная величина
. q=~k.
Если лучшим считается большее значение критерия и
если
^и)#=0, то f<H)6=[0, 1] .
Успешное решение проблемы нормализации во многом
зависит от того, насколько правильно и объективно
удается определить идеальные значения /^и). Способ вы-
бора идеального вектора Г(и) и определяет способ
нормализации. Рассмотрим основные способы нормали-
зации.
Способ 1. Идеальный вектор определяется заданными
величинами критериев
р = f (зад) = {^(зад)| ,
Недостатком этого способа является сложность и
субъективность назначения F(3£U), что приводит к субъек-
тивности оптимального решения.
Способ 2. В качестве идеального вектора выбирают
вектор, параметрами которого являются максимально
возможные значения локальных критериев:
/?(«) _ /?тах _ f2max, ...» Лтах} .
Недостатком этого способа является то, что он суще-
ственно зависит от максимально возможного уровня ло-
кальных критериев. В результате равноправие критериев
нарушается и предпочтение автоматически отдается ва-
рианту с наибольшим значением локального критерия.
Способ 3. В качестве параметров идеального вектора
принимают максимально возможный разброс соответст-
вующих локальных критериев, т. е.
ПИ) = М,ах -	, q=~k.
72
Известны и другие способы нормализации.
Нормализация критериев по существу является пре-
образованием пространства критериев, в котором задача
выбора варианта приобретает большую ясность.
Способы задания и учета приоритета
критериев. Приоритет локальных критериев может
быть задан с помощью ряда приоритета, вектора при-
оритета, весового вектора.
Ряд приоритета R является упорядоченным множест-
вом индексов локальных критериев
jf={l,2....fe} .
Критерии, индексы которых стоят слева, доминируют
над критериями, индексы которых стоят справа. При этом
доминирование является качественным: критерий fi всег-
да более важен, чем f2, и т. д.
В том случае, если среди критериев имеются равно-
приоритетные, они выделяются в ряде приоритета скоб-
ками, например:
{1,2, (3.4),	.
Приоритет^критериев может быть задан вектором
приоритета Л = {Х|, Х2, ..., М, компоненты которого
представляют собой отношения, определяющие степень
относительного превосходства по важности двух соседних
критериев из ряда приоритета, а именно: величина hq
определяет, на сколько критерий fq важнее критерия
Если некоторые критерии fq и fq+\ равнозначны, то
соответствующая компонента Л7= 1. Для удобства вы-
числений обычно полагаю^ Хл= 1.
Вектор приоритета Л определяется в результате
попарного сравнения локальных критериев, предвари-
тельно упорядоченных в соответствии с рядом приоритета
Очевидно, что любая компонента вектора приоритета
Л удовлетворяет соотношению
lq^ 1 , q = 1, k .
Весовой вектор
а = {аь а2, ..., а*}
представляет собой /г-мерный вектор, компоненты кото-
рого связаны соотношениями
___ k
0<а^1 , q= l,fe; £ а<7 = 1 .
q = 1
73
Компонента а, вектора а имеет смысл весового
коэффициента, определяющего относительное превосход-
ство критерия fq над всем^ остальными.
Компоненты векторов Лиа связаны соотношениями
^7 = aq/0С(? + 1 •
Приоритет критериев проще задавать с помощью
вектора приоритета, поскольку его компоненты определя-
ются сравнением важности только двух соседних крите-
риев, а не всей совокупности критериев, как при задании
весового вектора. Причем это удобно делать последо-
вательно, начиная с последней пары критериев, положив
kk — 1. Можно показать [14], что при Xk— 1
ь	k k
a,= ПЦ Z ПХ,)"1.
Если приоритет критериев задан в виде ряда, то при
выборе оптимального варианта применяют принцип «жес-
ткого приоритета», при котором осуществляется после-
довательная оптимизация. При этом не допускается
повышение уровня критериев с низкими приоритетами,
если происходит хотя бы небольшое снижение значения
критерия с более высоким приоритетом.
Если заданы вектор приоритета Л или весовой вектор
a , то при выборе оптимального варианта можно исполь-
зовать принцип «гибкого приоритета». При этом оценка
варианта производится по взвешенному векторному кри-
терию, где в качестве компонент вектора критериев
[fi, /г, fk} используются компоненты вектора {txjfi,
аг/г, •••, ал/4- В этом случае могут быть применены
все рассмотренные принципы выбора варианта в области
компромиссов (принципы равенства, справедливой ус-
тупки и т. д.) с заменой fq на aqfq.
Примером многокритериальной задачи принятия решений может
служить рассмотренная задача выбора метода кодирования карто-
графической информации в следующей интерпретации. Алгоритмы,
реализующие тот или иной метод кодирования (линейная интерпо-
ляция, интерполяция классическими многочленами, кубические сплай-
ны и т.п.), характеризуются следующими локальными критериями:
погрешность интерполяции — f\, время реализации алгоритма — /г, тре-
буемый объем памяти — f3 и т. п. Пусть для проектировщика эти
локальные критерии в данной ситуации имеют следующую относитель-
ную важность: Z|, 12, Х3 и т. п. соответственно. Тогда, при исполь-
зовании метода абсолютной уступки лучшим будет такой метод
кодирования, для которого (для случая трех локальных критериев):
74
F == max^ — 2	,
где i — i-й метод кодирования (t = 1, n );
11X2I3
4” ^<2^3 4” ^<3 *
X2X3
I1X2X3 4” ^<2^3 4” ^3 *
__	^3
ljX.2^3 4” ^2^-3 4” ^-3
X3 = 1 .
Вопросы для самоконтроля
1.	Постройте в терминах теории массового обслуживания модель
деятельности преподавателя при приеме им экзамена или зачета
у группы студентов.
2.	Всегда ли оптимизация в среднем гарантирует принятие
наилучшего решения в конкретном случае?
3.	Каким критерием выбора решения вы пользуетесь, решая
задачу подбора одежды, если вы отправляетесь отдыхать в знакомую
местность; незнакомую местность?
4.	Объясните на каком-либо примере возможность сведения много-
критериальной задачи принятия решения к однокритериальной.
ГЛ AB A 3
МЕТОДЫ СИСТЕМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Проектированию интерфейса взаимодействия человека с техниче-
скими средствами АСУ присущи все этапы проектирования сложных
систем, и в частности автоматизированных систем управления. Как
и АСУ, интерфейс взаимодействия включает в себя информационное,
математическое, лингвистическое, программное и техническое обеспе-
чение, а также вопросы проектирования деятельности человека как
основного звена системы управления. После того как определены
функции всей автоматизированной системы управления, проектирование
системы взаимодействия осуществляется достаточно автономно, и по-
этому естественно использовать весь теоретический и практический
опыт проектирования АСУ для проектирования интерфейса взаимо-
действия человека с техническими средствами. В данной главе речь
идет в основном об этапе общесистемного или системного проекти-
рования, называемом часто макропроектированием сложных систем.
3.1.	Этапы проектирования
и организации работ
Системы взаимодействия человека с техническими
средствами являются составной частью автоматизиро-
ванных систем. Поэтому в соответствии с принципами
системного подхода их проектирование следует рас-
сматривать в неразрывной связи с проектированием всей
системы.
Стандартом установлены следующие стадии создания
автоматизированной системы: техническое задание; тех-
нический проект; рабочий проект; внедрение.
Стадия «Техническое задание» включает в себя:
изучение и анализ объекта автоматизации с целью
выявления основных направлений совершенствования ме-
тодов управления и их автоматизации;
разработка технических предложений, определяющих
целесообразность и порядок проведения дальнейших
работ;
разработка, согласование и утверждение технического
задания, являющегося основным исходным техническим
76
документом и устанавливающим требования к проекти-
руемой системе и порядок ее разработки и внедрения;
разработка эскизного проекта, содержащего принци-
пиальные конструктивно-технические решения и дающего
конкретное представление о системе, принципах ее рабо-
ты и будущих характеристиках.
Содержание и организация работ определяется вы-
бранной методологией проектирования, основными разно-
видностями которой являются индивидуальное и типовое
проектирование. При типовом проектировании «Техниче-
ские предложения» и «Эскизный проект», как правило,
отсутствуют.
В основные функции системотехника на этой стадии
входят:
разработка перечня работ по всем этапам обследо-
вания объекта автоматизации;
методическое руководство этими работами;
организация совместной работы с заказчиком;
анализ и обобщение материалов обследования;
согласование с заказчиком требований технического
задания;
разработка и согласование с заказчиком сетевого
графика создания системы;
разработка, согласование и утверждение основных до-
кументов: «Технические предложения», «Техническое за-
дание», «Эскизный проект».
Техническое проектирование осуществляется на осно-
вании утвержденного технического задания на разработ-
ку системы. Цель технического проектирования — опре-
деление основных технических решений, дающих полное
представление о создаваемой системе и позволяющих
оценить ее соответствие требованиям технического зада-
ния. В отличие от эскизного проектирования, где
требуется существование нескольких вариантов, в техни-
ческом проекте определяются единственные решения
основных вопросов.
Стадия заканчивается выпуском, рассмотрением и
утверждением технического проекта заказчиком.
Цель рабочего проектирования — уточнение, детали-
зация и частичная практическая реализация основных
решений по созданию автоматизированной системы, при-
нятых на стадии технического проектирования. На этой
стадии выпускается вся рабочая документация, по кото-
рой реализуется система, проводятся ее отладка, испы-
тания и передача в эксплуатацию. Разрабатываются ра-
77
бочие программы и инструкции по их использованию,
инструкции по эксплуатации технических средств, долж-
ностные инструкции персоналу.
Заключительная стадия — внедрение. Основные цели
работ, выполняемых на этой стадии:
экспериментальная проверка решений, принятых при
проектировании системы, в условиях ее опытной эксплу-
атации и устранение выявленных недостатков;
оценка наиболее важных эксплуатационных харак-
теристик системы;
получение персоналом системы практических навыков
ее использования;
передача системы заказчику в опытную эксплуата-
цию.
Стадия внедрения включает в себя следующие этапы:
ввод системы в опытную эксплуатацию; опытная эксплу-
атация системы заказчиком; ввод системы в промышлен-
ную эксплуатацию.
Если для создания системы необходима разработка
специальных приборов, устройств, машин и т. п., то ста-
дии внедрения естественно предшествует стадия изготов-
ления этих приборов и устройств. Это, в свою очередь,
вызывает появление этапов испытания и сдачи, комплекс-
ной стыковки и т. п.
Рассматривая процедуру проектирования с точки зре-
ния внутреннего содержания выполняемых работ, выде-
ляют:
этап общесистемного или системного проектирования
(его называют также этапом макропроектирования или
этапом внешнего проектирования). Содержание этого-
этапа и будет предметом дальнейшего изложения;
этап технического проектирования (микропроектиро-
вание, внутреннее проектирование), которое состоит в
разработке всех видов обеспечения автоматизированных
систем: информационного, эргономического, лингвистиче-
ского, математического, программного и технического
обеспечения.
Рассмотрим более подробно этап общесистемного
проектирования с этих позиций.
Разработка автоматизированной системы начинается
с оценки и прогноза состояния внешней среды [9]. Под
внешней средой понимают совокупность управляемых
объектов и объектов обслуживания, а под состоянием
этой среды — динамические характеристики совокупности
управляемых объектов и объектов обслуживания или
78
управляемого процесса. Поскольку внешняя среда
подвержена эволюции, необходимо прогнозировать ее
развитие на период внедрения и жизненного цикла
системы.
Далее переходят к формулировке целей создания сис-
темы (см. 3.2). Одновременно с этим выбирают и обос-
новывают критерии эффективности и ограничения.
На основе полученной информации разрабатывается
общая математическая модель управления. Поскольку,
как правило, автоматизированные системы создаются для
реализации достаточно большого числа целей, возникает
необходимость в разработке частных математических
моделей управления конкретными объектами.
При разработке частных математических моделей до-
лжны соблюдаться основные условия иерархической де-
композиции:
согласованность уровней;
подчиненность целевых функций низшего уровня целе-
вым функциям высшего уровня;
переход результатов решения задач высшего уровня
в ограничения для задач низшего уровня.
Частные математические модели являются основой
для построения концептуальной модели, содержанием
которой является перечень функций, выполняемых авто-
матизированной системой, и ее структура.
Иерархическая декомпозиция частных математиче-
ских моделей позволяет определить структуру системы
управления, в которой функции управления распределены
по уровням.
Таким образом, на этом этапе производится опре-
деление функций, выполняемых системой, и разрабаты-
вается ее общая структурная схема.
Этим заканчивается этап концептуального проектиро-
вания, результаты которого являются исходными данны-
ми для этапа логического проектирования.
В результате логического проектирования определя-
ются: перечень задач, реализующих функции управления;
граф информационно-логической взаимосвязи между за-
дачами; совокупность алгоритмов, реализующих данные
задачи; временные оценки реализации алгоритмов.
Заключительным является этап физического проекти-
рования, на котором, исходя из результатов логического
проектирования, необходимо найти:
логическую структуру и физическую организацию
информационной базы;
79
логические схемы алгоритмов и физическую орга-
низацию программной системы;
расписание движения информации во внемашинной и
внутримашинной частях системы.
Проектирование собственно системы взаимодействия
человека с техническими средствами включает в себя все
описанные выше этапы, но имеет некоторые отличия.
Оно начинается сразу после определения функций авто-
матизированной системы. Все это множество функций
необходимо распределить между человеком и технически-
ми средствами (см. 3.4).
Далее переходят к этапу инженерно-психологического
проектирования, на котором вырабатываются требова-
ния, предъявляемые к техническим средствам интерфей-
са взаимодействия с учетом психологических свойств
человека.
На этапе эргономического проектирования выполня-
ются следующие основные работы [4]:
выявление функциональных и информационных связей
между операторами и уровнями иерархической системы
управления;
подробное описание функций оператора, способов и по-
следовательности решения задач, составление требований
к скорости и точности действий с учетом динамиче-
ских и эксплуатационных свойств управляемого объекта;
выбор наиболее представительной информации, необ-
ходимой оператору для эффективного выполнения своих
функций;
составление алгоритмов переработки информации
оператором;
анализ потоков сигналов при различных режимах
работы объекта и согласование их интенсивности с
реальной пропускной способностью оператора;
распределение сигналов по их важности, частоте
появления, принадлежности к различным автономным
элементам объекта;
выбор порядка подачи сигналов на систему отобра-
жения информации.
В результате разрабатывается структурная схема
интерфейса взаимодействия.
После этого разрабатывается техническое задание
на все обеспечивающие подсистемы как всей автомати-
зированной системы, так и системы взаимодействия.
Техническое задание может быть и общим.
По утвержденному техническому заданию с привлече-
80
Разработчики АС
________1_________
Оценка и прогноз .
состояния внешней
среды
Разработчики СВ
нормирование требоВа-
ний к человеку-one - *
ротору Св
Определение целей
АС
Инженерно - психологии. __
проектирование СВ
Определение функций
АС
Эргономическое
проектирование СВ
Разработка структур-
ной схемы АС
Разработка структур
ной схемы СВ
1ание
Разработка ТЗ на
проектирование
ИО АС
ИО СВ
МО и ПО АС
МО и ПО СВ
ЛО АС
КТС АС
ктс СВ
КТС АС
ЛО АС
ктс СВ
МО и ПО АС
ЛО св
ЛО св
ИО АС
> МОиПО св
ИО св
Проектирование
Проектирование
Математики
Программисты 0
Специалисты по
° техническим средствам
Рис. 3.1. Основные этапы проектирования и взаимодей-
ствия специалистов:
АС — автоматизированная система; СВ — система взаимодейст-
вия, КТС — комплекс технических средств, ИО, МО, ПО, ЛО —
информационное, математическое, программное и лингвистиче-
ское обеспечение соответственно, ТЗ — техническое задание
4-983
нием соответствующих специалистов осуществляется про-
ектирование.
На рис. 3.1 показаны основные этапы и взаимодей-
ствие специалистов различных профилей.
3.2.	Определение целей функциони-
рования системы
Системный подход предполагает, что разработка лю-
бой системы должна начинаться с определения цели,
которой данная система должна достигнуть. Цель —
первична. Система и создается только для ее достижения.
Цель системы определяется факторами, внешними
по отношению к данной системе. Отсюда следует, что
определение цели предполагает проведение более общих
исследований, связанных с анализом внешней среды.
Глобальная цель, поставленная перед системой, по-
рождает в общем случае множество частных (локаль-
ных) целей, поскольку, как правило, глобальная цель
непосредственно не достижима, и необходимо выделить
ряд подчиненных ей частных целей, достигая которых
можно прийти и к заданной общей цели. Локальные
цели, таким образом, выступают как средства дости-
жения глобальной цели.
Процесс формирования множества локальных целей
не формализован. Одной и той же глобальной цели могут
отвечать различные множества потенциальных локаль-
ных целей. Пока не выработана однозначная про-
грамма достижения главной цели, на множестве потен-
циальных локальных целей действует лишь отношение
достаточности, когда можно утверждать, что некоторое
подмножество целей достаточно для достижения данной
цели. Исследование множества потенциальных целей,
отсеивание и выбор, постепенное сужение круга рассмат-
риваемых локальных целей, установление отношений по-
рядка между различными локальными целями позволяет
в конце концов сформировать упорядоченное множество
целей, отвечающее вполне определенной программе
достижения главной цели. Процесс упорядочивания мно-
жества целей — важнейший этап проектирования систе-
мы, во многом определяющий ее структуру и обще-
системные характеристики.
Системе может быть задано и несколько глобальных
целей. В этом случае должен быть также задан
(или выбран на уровне проектирования) принцип ком-
82
промисса, например, указанием последовательности дос-
тижения целей (сначала более важных, а затем менее
важных).
В процессе функционирования цель системы может
меняться. Соответственно этому должны меняться
структура или (и) способ функционирования системы.
Цель обусловливает структуру и поведение системы.
Применительно к системам взаимодействия человека
с техническими средствами целью систем взаимодействия
могут быть [12]: информирование, заключающееся в вы-
даче справок, документов и т. п. в процессе общения;
управление, состоящее в выдаче совета или результата
принятия решения в процессе общения.
Наличие цели — основополагающий принцип не толь-
ко для процесса проектирования системы, но и для конт-
роля функционирования созданной системы. Если систе-
ма не обеспечивает реализации заданной цели или не-
достаточно своевременно реагирует на ее изменение,
то можно считать, что система спроектирована неудачно,
она должна быть либо модернизирована, либо заменена
другой. Отсюда следует, что:
цель должна быть сформулирована таким образом,
чтобы ее можно было оценить (задать) количественно;
в системе и в процессе проектирования должен быть
предусмотрен некоторый «механизм», позволяющий оце-
нить степень достижения заданной цели.
Из этих условий вытекает необходимость количествен-
ной оценки цели, для чего используются критерии эф-
фективности. Часто допускают ошибку, не делая разли-
чия между целью системы и критерием эффективности,
вкладывая в них одинаковый смысл [7]. Цель системы
определяет ее назначение, смысл ее функционирования.
Цель выражает нашу точку зрения (заказчиков или
проектировщиков системы) на то, для чего создается
система, какие функции она должна выполнять. В от-
личие от этого критерии эффективности позволяют опре-
делить, количественно хорошо или плохо работает систе-
ма, насколько успешно она выполняет свои функции.
Критерий эффективности — количественная оценка того,
как работает система.
Применительно к автоматизированным системам все
множество критериев можно подразделить на три боль-
шие группы [9]:
интегральные, которые носят общий характер и дают
оценку от внедрения системы за весь период ее службы.
4**
83
Это, как правило, критерии экономической эффектив-
ности;
дифференциальные, которые носят более локальный
характер и предназначены для оценки работоспособности
автоматизированной системы за определенный, но доста-
точно большой отрезок времени. Это так называемые
критерии технической эффективности;
точечные, которые характеризуют качество функцио-
нирования системы в данный момент времени. Это так
называемые оперативные критерии качества управления.
С их помощью вырабатываются решения по оптимизации
процесса управления в каждый текущий момент времени.
Примерами критериев экономической эффективности
могут быть: среднегодовой экономический доход за счет
внедрения системы, суммарная стоимость системы, пери-
од абсолютной окупаемости системы, скорость окупае-
мости и т. п.
Критерии оценки технической эффективности системы
взаимодействия подробно рассмотрены в 1.3 настоящего
пособия (точность, надежность, достоверность, пропуск-
ная способность и др.).
Оперативными критериями качества управления мо-
гут быть число заявок, поступающих на обслуживание,
число обслуженных заявок, число необслуженных заявок,
длина очереди и т. п.
В системах управления с иерархической структурой
цели и критерии эффективности подсистем разного уров-
ня не обязательно в точности совпадают. Часто критерий
эффективности системы или одна из его составляющих
являются целью подсистемы. В свою очередь, критерий
эффективности этой подсистемы может быть целью под-
системы более низкого уровня и т. п.
Таким образом, в соответствии с иерархией системы
можно представить некоторую иерархию целей и крите-
риев эффективности. Разделение целей по понижающим-
ся уровням называют деревом целей. Одним из возмож-
ных методов построения дерева целей является метод
сценариев [7].
Сценарий представляет собой качественное, словесное
описание проблемы. Его рекомендуется разбивать на три
части: в первой рассматривается сложившаяся ситуа-
ция — определяются ограничения, влияющие на разви-
тие организации, возможные области расширения актив-
ности; во второй рассматриваются перспективы развития,
т. е. будущее состояние рассматриваемой области, каким
84
оно представляется в настоящее время; в третьей (основ-
ной) приводится описание того, какой может стать
данная организация к определенному сроку и какими
способами можно этого достигнуть.
Могут быть подготовлены несколько различных сце-
нариев, на основе которых после обсуждения прини-
мается некоторый окончательный вариант.
Подготовленный сценарий используют для построе-
ния дерева целей. Последнее представляет собой иерар-
хическую систему, на разных уровнях которой форму-
лируют цели и задачи, требующие решения в подсисте-
мах соответствующего уровня. Исходя из сценария,
дерево целей строят поэтапно, сверху вниз, уровень за
уровнем на логической основе таким образом, чтобы
мероприятия, проводимые для решения задач нижесле-
дующего уровня, обеспечивали достижение целей выше-
стоящего. Аналогично может быть построено дерево кри-
териев.
Одно из достоинств дерева целей — возможность по-
лучения путем экспертных оценок коэффициентов отно-
сительно важности целей и мероприятий, направленных
на их достижение. Для этого каждой из k сформу-
лированных целей высшего уровня присваивается некото-
рый весовой коэффициент aq. Для однородности резуль-
татов вводят нормализующее условие
k
S а, = 1 .
Я = 1
Затем рассматривают типы мероприятий, направлен-
ных на достижение этих целей,- и устанавливают
коэффициенты Sqj относительной важности /-го меро-
приятия для достижения q-й цели, причем
S Sqi= 1 , q = Tfe ,
/ = ।
где ti — количество типов мероприятий.
Коэффициент относительной важности мероприятий
п	___
fj — S a.qSqi , / = 1, п .
Я = 1
Аналогично рассматривают цели и мероприятия на
более низких уровнях. Общее значение R коэффициента
относительной важности некоторого элемента дерева на
85
любом уровне определяется произведением коэффициен-
тов всех элементов вдоль данной ветви, соединяющей
рассматриваемый элемент с соответствующим элементом
самого верхнего уровня.
Таким образом, можно получить логически обосно-
ванное разделение общей проблемы высокого уровня на
более мелкие и учесть их взаимовлияние.
3.3.	Модели проектирования структуры
На этапе общесистемного проектирования одной из
главнейших задач является задача проектирования
структуры.
Применительно к человеко-машинным системам наи-
более распространенным является случай, когда принци-
пы построения системы, выполняемые функции и компо-
ненты системы оказываются заданными. Тогда задача
синтеза оптимальной структуры заключается в опре-
делении оптимального отображения множества выполня-
емых функций на множество взаимосвязанных элементов.
Рассмотрим эту задачу более подробно.
Для определения оптимальной структуры исходными
данными [16] для решения оптимизационной задачи
являются следующие:
1.	Выполняемые системой функции, которые могут
быть формализованы в виде множества решаемых задач
£ = {£,J, i = 1,/. Каждая из задач Et может состоять
из qi этапов: ф- = 1, Qz . Для каждой из задач Ei долж-
ны быть заданы возможные варианты ее решения 6/, где
б/= 1, А/ .
Множество задач, решаемых системой, в частности
возлагаемых на интерфейс взаимодействия, и их характе-
ристики определяются на этапе анализа системы управ-
ления и ее целей.
2.	Связи между задачами и их этапами, которые
могут задаваться в виде графа се. Дуги графа ge ха-
рактеризуют соотношения следования, существующие
между решаемыми задачами и их этапами, и соответ-
ствуют направлениям информационных потоков.
3.	Множество возможных узлов системы М = {Л4/},
/= 1,7, и связей между ними, которые задаются в виде
графа ом. Вершины графа отображают узлы, а други —
связи между узлами системы.
4.	Виды и характеристики технических средств, при-
менение которых возможно в системе, и пусть А =
86
= {al} — множество возможных технических средств и
I = 1, L— тип технического средства.
5.	Внешние для системы источники и потребители
информации по всем этапам задач.
Задача определения оптимальной структуры состоит
в нахождении оптимального состава узлов системы М и
связей между ними <тм, в нахождении возлагаемых на
технические средства задач и вариантов их решения £,
6, распределении их по уровням и узлам системы и выбо-
ре комплекса технических средств Д, при которых мак-
симизируется эффект от внедрения задач, т. е.
max
и(е.4
при Е.^Е,	А^А,
где Wq, — эффект от внедрения ф-го этапа f-й задачи при
использовании 6/-го варианта его решения; Xq„M,.at —
переменная, принимающая значение 1, если qt-й этап
/-й задачи при использовании 6f-ro варианта его реали-
зации решается в Л4/-м узле с помощью а-го техниче-
ского средства /-го типа и = 0 в противном
случае.
Оптимальная структура обычно определяется при ог-
раничении на ресурсы, на техническую реализацию, на
загрузку технических средств, на своевременность реше-
ния задач, т. е.
S Rqt,M,.at,kXqltMhai Rk ,
где k = 1, К— тип ресурсов; Rk — количество ресурсов.
2	РМ;,а/ ,
6.,
где — интенсивность (частота) решения ф-го этапа
Ei-й задачи при 6/-м варианте решения; — загрузка
а-го технического средства /-го типа в Л1/-М узле;
tqt,Mhat — время выполнения qi-ro этапа Ei-й задачи в
Л4/-м узле с помощью а/-го технического средства при
6/-М варианте решения, причем
/ \ ----- 1
lqt,Mhat — Vq,(^ql,Mhai) ^.q„Mhai ,
где Vq\ — трудоемкость (либо объем) qt-ro этапа Ei-й
задачи при бгм варианте решения; cqt,M„ai — интенсив-
ность выполнения ф-го этапа Ei-й задачи с помощью
а/-го технического средства.
87
Временные ограничения для различных задач могут
иметь более сложный вид и требуют анализа работы
различных узлов.
Например, для оперативных задач необходимо, чтобы
вероятность превышения времени решения допустимой
величины была не более заданной еф, т. е.
P^tq^M^di 4“ TqltMhai tqt ) Sqt ,
где — время ожидания решения в Л4/-м узле.
Поскольку множество возможных комбинаций конеч-
но, теоретически существует возможность отыскания оп-
тимального варианта распределения.
В действительности же реализовать эту возможность
довольно затруднительно, так как в реальных задачах Е
и М обычно велики, из-за наличия ограничений алго-
ритмы формирования комбинаций и оценки этих рас-
пределений достаточно сложны, эффективность системы
является функцией очень большого количества факторов.
В настоящее время не существует единого метода
решения экстремальных задач подобного типа. Для их
решения применяется большое количество методов и вы-
бор одного из них зависит от конкретных условий постав-
ленной задачи.
Сложность решения задачи синтеза оптимальной
структуры приводит к тому, что на практике ставят
и решают более частные задачи синтеза, например, та-
кие, как определение оптимального распределения возла-
гаемых на систему функций по заданным уровням и
узлам системы, определение оптимальных вариантов
реализации функций в системе, выбор комплекса техниче-
ских средств, обеспечивающего качественную реализа-
цию функций, и т. д.
Рассмотрим некоторые частные постановки задач
формализованного распределения множества решаемых
задач между различными узлами системы при различных
критериях и ограничениях.
I. Частные критерии оптимизации
1.	Минимизация затрат на реализацию задач в сис-
теме
/ /
min S S	(3.1)
i= i/ = i
где i = 1,/ — множество задач, реализуемых в системе;
88
j = \t J — множество обслуживающих узлов системы;
Wij — затраты на реализацию r-й задачи в /*-м узле.
tz	( I; Хц = 1, если Z-я задача
Кроме того, пусть о
выполняется в /-м узле и хц = 0 в противном случае.
2.	Минимизация общего времени решения всех задач
системы
/ j
min S S tijXii,	(3.2)
i = l j = l
где tij — время решения r-й задачи в /-м узле.
3.	Минимизация максимального времени решения за-
дач в системе
min (max £ 67%^
(3.3)
Возможна оптимизация по более сложным критериям,
включающим в себя (3.1) — (3.3), а также использова-
ние критериев более общего типа, таких, как получение
максимальной прибыли, обеспечение требуемого времени
готовности системы и т. д.
II. Ограничения в частных задачах
синтеза
1.	На связи между задачами, т. е. задан граф О£.
2.	На связи между узлами, т. е. задан граф ом.
3.	На общие затраты на реализацию задач в системе:
/ j
S S	.	(3.4)
/=!/=!
4.	На затраты на реализацию задач в узлах:
S	^дои, / = Г7.	(3.5)
i = 1
5.	На загрузку каждого узла
S W;/<p„/ = ТД,	(3.6)
i = 1
где X/ — интенсивность поступления Z-й задачи на реше-
ние.
Возможны дополнительные требования к равномер-
ности загрузки узлов.
89
6.	На общее время решения этих задач
S S	(3.7)
i = । J = ।
7.	На время решения отдельных задач
j	____
У,	i = 1,1 .	(3.8)
/= ।
III.	Первая частная задача синтеза
оптимальной структуры системы
Необходимо так распределить i задач, /=!,/,
между / узлами, /=!,/, чтобы обеспечить минимум
общих затрат (3.1) или минимум общего времени реше-
ния (3.2) при выполнении ограничений на загрузку
каждого из узлов (3.6), или на затраты в каждом
j-м узле (3.5).
Математическая модель этой задачи может быть
записана следующим образом: найти
/ j
min 5 S ^ij	(3.9)
i = 1 / = ।
при
/ __________________________________
S ацХц^Ьь j= 1, J ;	(3.10)
i = 1
J	___
S xx/ = 1, i = 1, / ;	(3.11)
/ = ।
В этих соотношениях ax/ — затраты (время решения)
i-й задачи в /-м узле; bj — допустимые затраты (загруз-
ка) в /-м узле; переменная хх/- = 1, если /-я задача реша-
ется в /-м узле, и Xij = 0 — в противном случае; условие
(3.11) означает, что каждая задача должна решаться
только в одном узле.
Итак, заданы матрица ||aj| и вектор \bj\.
Наиболее удобным для решения данного класса задач
является метод «ветвей и границ». Применительно к дан-
ной задаче он заключается в направленном движении по
вершинам дерева, полученного путем фиксирования части
переменных (хх/- = 0 или 1).
90
Вершины первого уровня получают, поочередно закреп-
ляя первую задачу за первым узлом, вторым и т. д., т. е.
фиксируя хц = 1, для j = 1, 2, 3... при i = 1.
Вершины второго уровня получают, фиксируя х% = 1
для j = 1, 2, 3... при i = 2 и т. д.
Для каждой вершины находят оценку
S ац+ S aih	(3.12)
i<i*
где i* — число рассмотренных уровней ветвления
aij = minaXj.
/
Стратегия ветвления может быть улучшена за счет ис-
пользования специфических свойств рассматриваемой за-
дачи, что существенно при решении задач большой размер-
ности.
Вначале из матрицы коэффициентов \\а^\\ системы
(3.9) исключаем все элементы, для которых выполняется
условие	i= 1,/, j= 1,7. При этом возможны
следующие случаи, когда в некоторой строчке:
исключены все элементы ах/, тогда решение отсутствует;
остался лишь один элемент он обязательно входит в
оптимальное решение, если оно существует; значение bj за-
меняется на bj — aij и этот элемент в дальнейшем поиске
не участвует;
осталось несколько элементов, они участвуют в даль-
нейшем поиске оптимального решения.
IV.	Вторая частная задача синтеза
оптимальной структуры
Необходимо так распределить i задач, i ±= 1,7, между
j узлами, / = 1,7, чтобы обеспечить минимум общих за-
трат (3.1) или минимум общего времени решения (3.2)
при выполнении ограничений на общее время реше-
ния (3.6) или общие затраты (3.4) соответственно.
Математическая модель этой задачи может быть за-
писана следующим образом: найти
/ j
minS	(3.13)
Х=1 /=1
при
/ J
S	(3.14)
1=1 /=1
91
S Xij — 1
/=1
(3.15)
f o
Xq-( j
В этих соотношениях: ctij — затраты (время решения) i-й
задачи в /-м узле; Ьц — время решения (затраты) f-й зада-
чи в /-м узле; В — общее время решения (затраты) всех
задач.
Для решения этой задачи прежде всего берутся мини-
мальные элементы в каждой строке матрицы коэффициен-
тов ||а<7|| и проверяется выполнение условия (3.14) для
соответствующих элементов матрицы коэффициентов
НМ-
Если условие (3.14) выполняется, то это и будет опти-
мальным решением. Если условие (3.14) не выполняется,
то из матрицы коэффициентов ||а/7|| и \\Ьц\\ исключают те
элементы, которые не могут войти ни в одно допустимое ре-
шение. Для этого последовательно рассматриваются все
элементы матрицы ||6<7|| и проверяется условие
/-!	1	___
£bii + bti + S б,7<в, / = i, /, / = 177, (3.16)
где bij — минимальный элемент в соответствующей строке;
btj — рассматриваемый элемент, /=/=/.
Иначе говоря, каждая из задач последовательно за-
крепляется за каждым из узлов и проверяется выполне-
ние условия (3.14) в лучшем случае.
Если условие (3.16) нарушается, то соответствующий
элемент Ьц не входит в допустимое решение и он исключа-
ется из матрицы H&ijH. Из матрицы ||а//|| исключается соот-
ветствующий элемент а//.
Из условия (3.15) следует, что в каждой строке может
/ j
быть только один элемент, поэтому min 5 2 без
/=| /=1
/ j
учета выражения (3.14) равен 2 min 2 Отсюда
/=|	/=1
если для элементов одновременно выполняется условие
ац > aij и bi, bij(h£j)t то эти элементы могут быть исклю-
чены из рассмотрения.
Хотя исключение элементов не всегда приводит к опти-
мальному решению, объем вычислений резко сокращается.
92
Далее используется метод «ветвей и границ». В отличие
от предыдущей задачи ветвление осуществляется с учетом
ограничения (3.14), что существенно сокращает число
рассматриваемых вариантов. Оценка для каждой цершины
находится по элементам матрицы (3.13) аналогично пре-
дыдущей задаче (3.12). Ограничение при этом имеет вид
S bij + S bih
(3.17)
где i* — уровень ветвления; Ьц = minfej.
V.	Третья частная задача синтеза
оптимальной структуры
Необходимо так распределить i задач, 1=1,/, между
/ узлами, /=1,/, чтобы обеспечить минимум общих за-
трат (3.1) или минимум общего времени решения (3.2)
при выполнении ограничений на общее время реше-
ния (3.7) и загрузку узлов (3.6), либо на общие затра-
ты (3.4) и загрузку узлов (3.6) соответственно.
Математическая модель этой задачи может быть запи-
сана в следующем виде: найти
/ j
min S S йчхч	(3.18)
/=| /=1
при
/ J
S	(3.19)
1=1 /=1
J	___
S G/X/C Ch i= 1,J;	(3.20)
/=|
j
S xt/ = 1;	(3.21)
/=i
_( o
Xfj — | i
Для решения этой задачи прежде всего из матриц коэф-
фициентов ||а£/||, ||6,/1| и ||о,|| исключаются элементы, кото-
рые заведомо не могут войти в оптимальное решение. Ис-
ключение элементов Ьц и с£/- из матриц систем (3.19) и
(3.20) осуществляется аналогично рассмотренному выше,
т. е. исключаются все элементы, для которых не выполняет-
ся условие типа (3.16). Оценка для матрицы (3.18) нахо-
дится аналогично оценке (3.12) в первой задаче.
93
Рассмотрим пример решения первой частной задачи синтеза опти-
4	4
мальной структуры. Найти min 2 S ачхч ПРИ ограничениях
1=1	/=!
4	4
2 ачхч С S хч = !*» хч — 0V1;
t = I	/= 1
8
5
1
2
5
3
7
3
6
2
3
8
4
2
4
5
; bj; = | 3 2 5 3 |.
В соответствии с ранее рассмотренным алгоритмом производим
упрощение IlaJI, для чего исключаем элементы, для которых выполня-
ется условие	Первая строчка после исключения не содержит
ни одного элемента, т. е. первая задача не может быть решена, значит
решение отсутствует.
Пусть bj =|3 6 5 3|. Тогда после соответствующего исключени.
||а4/| имеет вид
—	5 —	—
—	322
1	— 3	—
2	3—	—
Первая строчка содержит только один элемент Я|2 = 5, следова-
тельно, он обязательно войдет в решение. В отличие от рассмотренного
ранее примера мы сняли условие, что один узел может быть занят толь-
ко одной задачей. Ресурс на второй узел 6, следовательно, остается
резерв 6 —5 = 1.
Далее процедура аналогична рассмотренной выше, но каждый раз
ищем минимальные элементы в столбцах и проверяем, не перегружен
ли данный узел.
Итак, Xi2 = 1, тогда
а0 =
1
2
3	2	2
— 3 —
3 — -
bj= 13
2 5 31; /= 2, 3, 4.
Выбираем минимальные элементы в каждой строке. Загрузка не
превышает заданную. Окончательно
	0 10 0		0 10 0
хч =	0 0 10 10 0 0	ИЛИ x'j =	0 0 0 1 10 0 0
	10 0 0		10 0 0
Значение целевой функции в первом случае 5-|-2-|-1+2 = 10,
во втором 5-|-24-14-2= 10. Варианты равнозначны.
94
Рассмотрим числовой пример решения задач минимизации общих
затрат при ограничениях на общее время решения, т. е. требуется
найти
min 2 S aix‘i
=1
при
/ J
J
У Xij — 1; Xij = О V 1 •
j= ।
Пусть
(3.22)
	3 7 2 4		1,5 3 2 9	
	4 8 13		2 6 5 10	
Яу =	5 9 6 2	; bij =	3 7 6 11	; В<20.
	6 10 7 1		4 8 7 12	
	7 5 3 1		4 9 8 5	
Сначала находим минимальные элементы в каждой строке мат-
рицы Ца^Н и проверяем, удовлетворяется ли условие (3 22) по
одноименным элементам матрицы ||6J|:
5
2 Ьц = 24-54-114-12+5>20 .
।= 1
Условие (3.22) не выполняется и задачу «в лоб» решить не
удается. Приступим к упрощению матрицы. Для матрицы ||6J| после-
довательно для всех элементов проверяется условие
S^j4-^4- s	Z= 1,/; j= 1, J ,	(3.23)
i = 1	i = I + I
где bij — рассматриваемый элемент; Ьц — минимальные элементы строк.
1,54-24-34-44-4 = 14,5
i = 1;
13
34-13=16
24-13=15
94-13=22
Элемент Ьц = 9 не удовлетворяет условию (3.23), он исклю-
чается из матрицы II6JI и одноименный элемент Д|4 исключается из
матрицы ||a»j||. Аналогичная процедура выполняется для i = 2, 3, 4, 5.
Так как в каждой строчке может быть только один элемент и в
обеих матрицах осуществляется минимизация, то если одновременно
выполняются условия
ClijZXlil и bijZ>bu ,
то эти элементы могут быть исключены из рассмотрения.
После соответствующих упрощений матрицы имеют вид:
95
3-2
4 — 1
5----
6----
7 5 3
a
1,5 — 2 —
2 — 5 —
3-------------
4--------------
4	9	8	5
Из матрицы ||a(/|| выбираем минимальные элементы и подсчиты-
ваем время решения: 24-54-34-44-5= 19 <20. Задача решена. Если бы
это не удалось, пришлось бы вести ветвление и каждый минимальный
вариант проверять на условие (3.22). Ответ:
0 0 10
г _ 0 0 1 0
Xli~ 1 000
0 0 0 1
3.4. Распределение функций между
человеком-оператором и техническим
обеспечением АСУ
Признание необходимости ведущей роли за человеком
в АСУ является следствием изучения конкретного опыта
внедрения АСУ различного типа. Фактически объем так
называемой рутинной работы, которой приходится зани-
маться оперативному составу (управленческому аппара-
ту), не уменьшается с внедрением в управление ЭВМ.
Однако использование ЭВМ в управлении коренным об-
разом меняет формы умственного труда человека. В нас-
тоящее время концепция полной автоматизации пере-
работки информации, возникшая на заре развития кибер-
нетики и вычислительной техники, не выдержала испыта-
ния временем прежде всего в связи с задачами творче-
ского характера. Добавим к тому, что и концепция,
согласно которой человек — это автомат, перерабатыва-
ющий информацию, также не выдержала испытания фак-
тами. Отсюда следует методологический вывод, что при
проектировании АСУ необходимо выделить задачи, ре-
шаемые человеком, и задачи, решаемые ЭВМ, и на осно-
ве этого решать вопрос о передаче ЭВМ доступных ей
задач и сохранении за человеком таких задач, которые
на определенном этапе развития АСУ могут решаться
только человеком. Особое значение приобретает аспект
взаимодействия человека и ЭВМ при решении таких
задач, процесс решения которых оказывается разделен-
ным между человеком и ЭВМ.
Особенность задачи распределения функций, сущест-
венно влияющая на постановку задачи и на выбор мето-
да ее решения, состоит в том, что она нестатическая:
96
она меняется в процессе разработки и поэтапного внед-
рения АСУ. Внедрение АСУ начинается с внедрения
пускового комплекса задач и завершается внедрением
последней очереди задач, которая, в свою очередь,
не завершает развития АСУ в дальнейшем. На каждом
этапе этого процесса меняется и задача распределения
функций как между оперативным составом, так и между
оператором и техническими средствами АСУ, что влияет,
в свою очередь, на проектирование интерфейса взаимо-
действия.
Эффективность распределения функций на каждом
этапе будет зависеть от того, на каком этапе развития
АСУ и по какому комплексу задач управления проводит-
ся распределение функций. Причем распределение на
каждом этапе может оцениваться разными показателями
эффективности. Так, на этапе внедрения пускового
комплекса задач АСУ факторами, оказывающими отри-
цательное влияние на эффективность распределения, мо-
гут являться: «психологический барьер» у работников
системы управления по отношению к новым методам
работы, возникшим в связи с использованием ЭВМ;
низкие уровни автоматизации процесса управления, огра-
ничивающие возможности эффективного использования
ЭВМ; недостаточно высокий уровень контакта (взаимо-
действия) человека с техническими средствами АСУ.
В дальнейшем значение показателя эффективности рас-
пределения функций увеличивается, что обеспечивается
в основном оптимальным подбором на каждбм этапе
задач управления, подлежащих разработке и внедре-
нию, использованием при распределении функций накоп-
ленного опыта функционирования управляемой системы в
условиях АСУ, эффективным проведением работ по
устранению перечисленных выше факторов, отрицательно
влияющих на показатель эффективности распределения
функций.
Распределение функций управления в АСУ должно
основываться, во-первых, на инженерно-психологической
оценке и использовании результатов изучения психиче-
ских способностей человека, во-вторых, на системном
подходе к использованию ЭВМ, по которому ЭВМ в сфе-
ре управления рассматривается как равноправный парт-
нер человека-оператора, выполняющего функции управ-
ления.
Таким образом, объектами при распределении функ-
ций управления на определенном этапе развития АСУ
97
являются: множество задач, внедряемых на р-м этапе
разработки АСУ; множество функций, выполняемых при
решении этих задач; оперативный состав или отдель-
ный оператор; технические средства АСУ (ЭВМ) —
партнер.
Определяющим фактором при распределении функций
является набор параметров человека и ЭВМ, определя-
ющий качество выполнения возложенных на них функ-
ций. Сравнительный анализ деятельности человека в
сфере управления и технических характеристик ЭВМ
показывает, что, например, в задачах поиска решений,
когда эти задачи хорошо формализованы, ЭВМ превос-
ходит человека по скорости и точности. ЭВМ оснащена
долговременной и практически неограниченной памятью,
не обладает эмоциями, может работать длительное вре-
мя. Зато человеку присущи такие особенности, как опыт
и интуиция, быстрая ориентация при возникновении кон-
фликтных ситуаций, возможность корректировки своих
действий, возможность работать с недостаточно досто-
верной и полной информацией об объекте управления.
Но, с другой стороны, ограниченные психические воз-
можности человека не позволяют ему в достаточно
короткий срок принять и обработать тот объем инфор-
мации, который необходим для выработки оптимального
решения по управлению; время восприятия и анализа
информации человеком довольно большое для современ-
ных темпов управляемого процесса; присущие человеку
эмоции (усталость, плохое настроение и др.) также
влияют на качество принимаемых решений; ограничен
объем человеческой памяти и т. д.
В литературе приводятся разнообразные данные по
анализу управленческой деятельности человека и исполь-
зования ЭВМ в сфере управления. Выводы по такому
анализу сформируем в виде табл. 3.1, которая может
быть использована при решении вопросов, связанных с
распределением функций.
Как известно, решение задачи управления осуществ-
ляется по определенным алгоритмам. Алгоритм задачи
характеризуется набором необходимых функций управле-
ния, указанием последовательности выполнения их, набо-
ром информационных и временных параметров задачи,
определенных для каждой функции алгоритма ее выпол-
нения. Анализ каждой функции с точки зрения реализу-
емости ее на ЭВМ позволяет судить о степени ее фор-
мализации. Одни функции могут быть формализованы,
98
Таблица 3.1
Показатель	Человек	ЭВМ	Совместное выполнение управленческих функций
Способность ра-	Высокая ги-	Практически не-	Человек, ком-
ботать в неожи-	бкость и при-	возможно запро-	бинируя про-
данных ситуациях	способляемость	граммировать все случайности	граммы и мето- ды, направляет работу системы
Использование	Способен вое-	Практически не-	Человек кор-
недостаточной ин- формации	создать цело- стное событие	возможно	ректирует ре- шение ЭВМ
Выбор способа	Возможнос-	Возможности	Человек вы-
действия	ти выбора ве- лики	выбора ограни- чены	бирает дейст- вия, ЭВМ их реализует
Скорость выпол- нения вычисли- тельных операций	Сравнитель- но мала	Высокая	Человек на- правляет вы- числения
Точность выпол- нения операций	Низкая	Любая	Определяется алгоритмом
Надежность	Низкая	Удовлетворите- льная	Выше, чем у компонентов системы
Работоспособ- ность	Зависит от утомляемости	Постоянная	ЭВМ как бы «страхует» че- ловека, помо- гает ему
другие пока не поддаются формализации. По результа-
там такого анализа можно судить о возможности рас-
пределения функций на качественном уровне: формали-
зуемые функции передать ЭВМ, а неформализуемые
закрепить за человеком.
В общем случае функции управления, выполняемые
при решении любой задачи управления, можно классифи-
цировать на основные и вспомогательные.
К основным отнесем следующие функции:
определение цели решения задачи, критериев оценки
результатов решения и ограничений;
анализ и обработка информации;
принятие решений по управлению;
организация выполнения управленческого решения;
контроль выполнения решения.
К вспомогательным функциям отнесем функции, кото-
рые отражают процессы, способствующие качественному
и своевременному выполнению основных функций:
99
сбор и отображение данных;
подготовка исходных данных для обработки;
оформление служебной документации;
передача управленческих решений.
Распределение функций управления между человеком
и АПК АСУ должно проводиться с учетом следующих
факторов:
степени формализации функций управления;
трудоемкость выполнения функций при решении за-
дач;
количество измеримых возможностей человека и
ЭВМ.
На основе анализа первого фактора можно сделать
качественные выводы о возможной реализации функций
управления человеком и ЭВМ. Учет второго и третьего
факторов позволяет реализовать количественный подход
к проектированию распределения функций и выбора
степени автоматизации управления.
Приведем в качестве иллюстрации пример, показы-
вающий, что на основе системно-деятельностного подхода
можно практически любую задачу управления предста-
вить в виде укрупненного алгоритма ее решения. Пример
представляет собой описание деятельности диспетчера
управления воздушным движением при решении задачи
предварительного планирования полетов самолетов в зо-
не ответственности диспетчера. Действия, связанные с
вычислительными операциями, будем обозначать как
вычислительный оператор В/. Основное его отличие —
однозначная адресация управления другому вполне опре-
деленному оператору. Логические операторы, применяю-
щиеся при проверке различных условий при принятии
решений, обозначим Л/. Граф-схема обобщенной техно-
логии работы диспетчера планирования приведена на
рис. 3.2. Дадим характеристику основным операциям
при предварительном планировании:
В| — прием, контроль, коррекция, сортировка и фик-
сация информации. В качестве основных источников ин-
формации являются расписание движения самолетов,
заявки на полеты вне расписаний, структура воздушного
пространства и нормативы загрузки воздушных трасс,
точек их пересечения, секторов управления, прогноз
метеорологической обстановки, данные об ограничениях
на полеты, сведения о регламентированных работах ра-
диотехнических средств управления воздушным движени-
ем, дополнительные ограничения в приеме-выпуске
100
Рис. 3.2. Граф-схема обобщенной технологии работы
диспетчера
самолетов на аэродромах, летно-технические характерис-
тики самолетов, технология выполнения ими полетов,
данные по аэродромам (длина и количество взлетно-
посадочных полос, соответствие их покрытий классу са-
молетов, характеристика средств посадки, пропускная
способность и т. п.);
Лг — принятие решения о составлении суточногс
плана, которое производится по истечении установлен-
ного срока или по указанию вышестоящих инстанций
(план составить или нет);
Вз — составление суточного плана, в максимальной
степени отвечающего регулярности и экономичности по-
летов по совокупности самолетов, для которой произ-
водится планирование;
Л4 — проверка соответствия ожидаемой загрузки эле-
ментов воздушного пространства нормам по пропускной
способности;
В$ — корректировка плана изменением эшелонов,
маршрутов полета, времени вылета с возможно мень-
шими потерями в экономичности полётов и нарушениями
регулярности;
Лб — согласование плана с другими ведомствами;
В? — составление и рассылка сообщений по плану,
отображение информации;
Вз — прием, контроль, коррекция, сортировка и фик-
сация информации о ходе выполнения суточного плана,
фактических метеоусловиях, информации об общей воз-
101
душной обстановке, включающей загрузку воздушных
трасс, районов аэродромов, состояние запасных аэро-
дромов, работу аэропортов и т. п.;
Лэ — принятие решения о перепланировании движе-
ния на оставшуюся часть суток в случаях массовых
нарушений суточного плана по метеоусловиям либо при
поступлении большого количества срочных заявок на
полеты;
B\q — составление предварительного плана на остав-
шуюся часть суток, в основу которого положен дейст-
вующий суточный план.
С целью создания формализованного метода проектиро-
вания распределения функции введем понятия: алго-
ритмические операторы функций и задач
и А? (/=1, и); физические операторы, предназначенные
для выполнения алгоритмических Фи и Фа, где Фм —
человек-оператор (/ = 1, Н) и Фа — ЭВМ.
Технология реализации i-й задачи или функции фор-
мализуется графом Gi = ({Л^}, P{Af}), представляющим
собой множество алгоритмов Af и связей между ними
Г{А?}. Графу Gi соответствует матрица состава задачи
P(/V), элементы которой равны:
р _ f 1, если А? для j = 1, m—1 ;
li I 0, в противном случае;
р =({£.	*}. если Г{Л,?): Лр->{Л|,	Л*} ¥=0,
1т | 0, в противном случае.
Это выражение формализует информационную и логи-
ческую связность f-й задачи с другими задачами.
Распределение функции между человеком-оператором
и АПК АСУ на качественном уровне представим в виде
так называемой матрицы реализуемости функций Р(Ф),
размерностью (2Xw). Элементы матрицы Р/, равны:
р _ 11, если	/^{й, а);
li |0, в противном случае.
Для описанного выше примера матрица реализуемо-
сти функций имеет следующий вид:
102
Матрица построена без учета дополнительных функций и
задач, появляющихся при конкретном закреплении тех
или иных функций за конкретным физическим операто-
ром. Так, например, при закреплении алгоритмического
оператора В7 за ЭВМ, что весьма рационально, появится
дополнительная функция — проверка документации, вы-
данной электронной вычислительной машиной, челове-
ком-оператором.
Единичные столбцы матрицы Р(Ф) определяют воз-
можные варианты распределения функций.
Распределение функций между человеком-оператором
и АПК неизбежно может вызвать необходимость рас-
пределения (перераспределения) функций между долж-
ностными лицами оперативного состава системы. Воз-
можность классификации оперативного состава по долж-
ностям (руководитель, специалист, функциональный или
технический исполнитель) позволяет осуществить при
этом такой же подход, который рекомендуется для
распределения функций между человеком и ЭВМ.
По аналогии, с матрицей Р (Ф) можно составить
матрицу реализуемости функций между типами должно-
стей оперативного состава.
Технические характеристики решения алгоритмиче-
ских операторов на ЭВМ, количественные (измеримые)
возможности операторов управленческого состава АСУ
(некоторые параметры их уже приводились, другие дос-
таточно подробно исследованы в литературе) позволяют
установить нормативы на выполнение отдельных функ-
ций.
Методологический вывод следующий — проектирова-
ние распределения функций должно проводиться в на-
правлении исследования по количественным признакам
объектов распределения некоторого множества вариан-
тов распределения функций, получаемого по матрице
реализуемости, и выбора из этого множества рациональ-
ного варианта в смысле заданного критерия качества.
При распределении функций управления на качест-
венном уровне по матрице Р (Ф) определяются варианты
распределения между оперативным персоналом и АПК.
Каждому варианту соответствуют так называемые сферы
влияния каждой группы физических операторов. Есте-
ственно, распределение функций должно быть таковым,
чтобы границы сфер влияния 5(Ф/), /^{й, а}, деятельно-
сти операторов и АПК не пересекались, т. е. в системе
не должно быть дублирования работ, не считая тех
юз
случаев, когда это вызвано необходимостью повышения
надежности.
При реализации количественного подхода к проекти-
рованию распределения функций, используя нормативы
на конкретные «иды управленческой деятельности чело-
века-оператора, технические параметры вычислительных
средств, информационные, временные и точностные пара-
метры задач и функций, устанавливается загруженность,
оперативного состава системы. Возможные варианты
распределения уточняют в соответствии с ограниченными
возможностями человека. Количественный подход пред-
полагает также количественную оценку вариантов рас-
пределения. Исследования в этой области показывают,
что критерием качества распределения должен явиться
показатель, характеризующий качество функционирова-
ния системы. Таким показателем может быть инфор-
мационная производительность системы управления —
количество задач управления, решаемых в единицу вре-
мени. При этом различают интегральную 6и(Т) и динами-
ческую 6Д (А/^Т) производительности по отношению
ко времени (интервалу), в течение которого она измеря-
ется. В частности, в качестве критерия качества рас-
пределения можно принять пропускную способность
системы. Она показывает, как система справляется в
динамике с решением задач и какая часть задач управ-
ления решается на различных интервалах и при наличии
в системе конфликтных ситуаций, что с точки зрения
оценки функционирования системы на этапе ее проекти-
рования является определяющим.
В формализованном виде задача распределения функ-
ций на &-м этапе разработки или развития АСУ может
быть поставлена в следующем виде.
Найти такое распределение функций между опера-
тивным составом и АПК АСУ при решении п задач
управления:
{А?->Ф/},/= 1, m для VA?, 4 = 177Г;/^{О; а) , (3.24)
которое обеспечивает максимум пропускной способности
системы
{би(Г), 6д(А/<=Г)}->тах
(3.25)
при ограничениях:
1)	в системе не должно быть дублирования функций
5(ФЛ)П$(Фа) = 0, S(0A-)QSOM = 0.	п 9fn
h' ф h", {h', h"} el, H,
104
где 5(Ф/) — граница сферы влияния Ф/-оператора в сфе-
ре управления;
2)	простой системы Тф не должен превышать допусти-
мого значения tJ, т. е.
(3.27)
3)	нагрузка человека-оператора Vt не должна превы-
шать нормативного значения И, т. е.
(3.28)
4)	все задачи должны быть решены к заданным ди-
рективным срокам на интервале [О, Г].
Фактически решение задачи распределения функций
в АСУ в приведенной постановке заключается в проек-
тировании рационального распределения, описываемого
графом
СФ = (Ф, Гф) ,	(3.29)
Ф= у Ф/, a}yh= 1777,
ГФ: Ф,,-*-Ф5, q Ф s, {qy s) {1, Я; а) ,	(3.30)
где Н — количество людей оперативного состава.
В графе (3.29) отображение (3.24) описывается
функцией, отражающей зависимость связей между физи-
ческими операторами системы от временной или логиче-
ской последовательности и информационной связности
задач и от распределения функций между оперативным
составом и АПК:
Гф = /[Г{А?},{А^Ф/}], A*e=Af,	(3.31)
Формализация объектов распределения и связей меж-
ду ними позволяет свести задачу распределения функций
к поиску отображения элементов множества {А[-опера-
торов} во множестве физических операторов {Ф/} при
полном соответствии количественных параметров задач
управления и характеристик как человека, так и конкрет-
ных ЭВМ. Например, для множества {Af} ^Af и {Ф/} вы-
полняется
{Л^Ф,} = f(qu) ; j = T^rn, l(={h,a},
где qu — полное соответствие между А?- и Фгопера-
торами.
В свою очередь, qu = (А?, Ф/, zx), где — множество,
определяющее закон, в соответствии с которым устанав-
ливается qu. Полное соответствие достигается, если
105
17P2z =£0, nplz^HP2z ,
где npiz и nP2z — области определения значений соот-
ветствия.
Область определения соответствия определена харак-
теристиками задач АСУ, область значений соответст-
вия — характеристиками физических операторов систе-
мы. Множество z определено двумя подмножествами:
z = ziU-22; Z\ — подмножество, устанавливающее распре-
деление функций между человеком-оператором и АПК
на качественном уровне. Причем для некоторых функций
распределение их по матрице Р(Ф) устанавливается
жестко. Для функций, имеющих единичные столбцы мат-
рицы Р(Ф), распределение их должно определяться с уче-
том: возможности автоматизации совокупности функций
по конкретной задаче, логически связанных между собой;
трудоемкости выполнения функций.
Для каждого оператора	которому по матрице
Р(Ф) соответствует единичный столбец, необходимо уста-
новить трудоемкость выполнения его человеком и АПК —
tjh и tja соответственно. Причем /// есть функция от
объема обрабатываемой информации vi, и требуемой
точности результатов обработки <ъ. Считая, что затраты
tji обеспечивают заданную точность ot, можно принять
следующее решение по распределению выбранной функ-
ции:
при	Af-^Фи,
При tja<tjh A'f-^Фа.
Возможность автоматизации совокупности функции,
логически связанных между собой, предполагает приня-
тие решения о передаче всей совокупности функций
АПК, в отдельных случаях независимо от трудоемкости
выполнения отдельных функций из данной совокупности.
Элементы подмножества Zi имеют значения:
_ {1, если Af -+Фа;
“ |0, если А^-^Фи ;
Zi = {zi/}, / = 1, т для V А? ;
Z2 — подмножество, определяемое количественной мерой
распределения по z\. Элемент подмножества — это фак-
тически временные затраты на реализацию функций
г2/= viiXtl ,
где	ta} — нормативы обработки информации
при выполнении /*-й функции.
106
Таким образом, установив полное соответствие между
А?- и Ф/-операторами и проверив полученное распре-
деление на выполнение ограничений (3.26) — (3.28),
получим два подмножества функций, выполняемых при
решении п задач на временном интервале [О, Т].
Первое подмножество — это функции, распределенные на
АПК: {Л^->Фа} для всех задач с индексами i == /, д';
п'^п (и/ — количество задач, подлежащих автоматиза-
ции). Второе подмножество — это функции, подлежащие
выполнению оперативным составом системы: {А^->Фл}
для всех задач с индексами i = 1, и, h = 1, Я.
Распределение функций между работниками опера-
тивного состава проводится по аналогичной схеме, но с
учетом классификации должностных лиц, по типам
должностей и видов деятельности, характерных для
каждого типа должности.
Получаемые таким образом варианты распределения
функций проверяются на выполнение ограничений (3.27)
и (3.28) постановки задачи. Для полной оценки конкрет-
ного распределения необходимо обеспечить выполнение
ограничения (3.27) и (3.28), что возможно только в усло-
виях экспериментального функционирования системы в
целом. В настоящее время получение требуемых харак-
теристик на этапе проектирования АСУ можно произвес-
ти на основе имитационного моделирования, результаты
которого позволяют выбрать рациональный вариант рас-
пределения функций.
3.5.	Определение пропускной способности
системы взаимодействия
Исходя из того, что человек-оператор в системе уп-
равления осуществляет операции, связанные с обра-
боткой информации, то совершенно логично определять
его работу количеством информации, перерабатываемой
им в единицу времени. Если каждая ОЕД вызывает одну
задачу управления, то под количеством информации,
обрабатываемой человеком в единицу времени, можно
понимать число задач управления, решаемых человеком-
оператором в единицу времени, — его пропускную спо-
собность или информационную производительность.
Пропускная способность системы взаимодействия мо-
жет быть количественно оценена тремя методами: анали-
тическим, имитационного моделирования и полунатур-
кого моделирования. Все три метода основаны на замене
107
в той или иной степени компонентов системы их фор-
мализованными моделями. Модель системы взаимодейст-
вия в общем случае должна состоять из трех частей:
модели внешней среды, осуществляющей генерацию
ОЕД, модели аппаратно-программных средств интерфей-
са взаимодействия и модели человека-оператора. В ана-
литических моделях эти компоненты реализованы в виде
соответствующих аналитических зависимостей. Имитаци-
онные модели программными или физическими сред-
ствами имитируют процесс функционирования системы
взаимодействия и деятельность человека-оператора. При
полунатурном эксперименте человек-оператор осуществ-
ляет деятельность на макетных образцах аппаратно-про^
граммной части интерфейса, связанных моделями, ими-
тирующими поведение внешней среды. 'Перечисленные
модели используются на разных стадиях проектирования,
они позволяют получать количественные оценки прини-
маемых проектных решений.
Наиболее широкое распространение при анализе и
синтезе систем с непрерывно-дискретным характером
функционирования получили модели, описываемые на
основе принципов и терминов теории систем массового
обслуживания (СМО). Это описание было использовано
в 2.1 при создании моделей деятельности человека-
оператора.
При построении модели системы взаимодействия в
терминах СМО необходимо провести ряд предваритель-
ных работ:
1)	выявить элементы в системе, выполняющие роль
приборов обслуживания;
2)	определить характер и параметры входного по-
тока, т. е. параметры последовательности возникновения
ОЕД, поступающей от управляемой системы (сформи-
ровать модель внешней среды);
3)	определить- характер и параметры потока обслу-
живания для каждого прибора обслуживания, входящего
в состав модели;
4)	определить возможность образования очередей
ОЕД к приборам обслуживания и характер дисциплины
обслуживания очереди;
5)	определить порядок прохождения требований
(ОЕД) через приборы обслуживания, т. е. сформировать
структуру сложной СМО. Во многих случаях она будет
представлять собой стохастическую сеть системы массо-
вого обслуживания;
108
6)	оформить полученную модель графически и опре-
делить класс СМО, к которому принадлежит модель.
Эти работы обязательны при построении как аналити-
ческих, так и имитационных моделей системы взаимо-
действия.
Математические зависимости, описывающие процесс
функционирования модели СМО, могут быть получены
на основе следующей методики:
1.	Составить полный перечень состояний системы,
т. е. определить множество S. В любой момент времени
система может находиться только в одном из состояний
S/^S. Индекс состояния определяется числом требова-
ний, связанных с системой. Например, So — все приборы
обслуживания свободны, очереди требований нет.
2.	Определить направления перехода СМО из состоя-
ния S/ в состояние S/ и наоборот. Следует помнить, что
система не может переходить сразу в несколько- состоя-
ний (даже в стохастической сети), а сами переходы
происходят мгновенно.
3.	На основании п. 1, 2 построить граф состояний,
в котором состояние S; представлено вершиной S/, а
переход из состояния S, в состояние S/ — дугой, связы-
вающей эти состояния. Направление дуги указывает
направление перехода.
4.	Разметить граф состояний. Для этого каждой вер-
шине графа припишем вероятность т. е. вероят-
ность нахождения системы в этом состоянии в момент
времени /, а каждой дуге, соединяющей вершину St
с вершиной Sj, — интенсивность потока переходов систе-
мы из S/ в S/, т. е. Xq(/).
5.	Используя мнемоническое правило*, составить
систему дифференциальных уравнений относительно ве-
роятностей pj(t) по размеченному графу состояний.
Правило составления системы дифференциальных
уравнений: число дифференциальных уравнений равно
числу состояний в размеченном графе. В левой части каж-
дого уравнения стоит производная вероятности состояния,
а в правой части содержится столько членов, сколько дуг
связано с вершиной данного состояния. Каждый член в
правой части равен произведению интенсивности потока
переходов, соответствующей конкретной дуге, умноженной
на вероятность того состояния, из которого она исходит.
♦ Предложено Е. С. Венцель в кн.: Исследование операций. —
М.: Советское радио, 1972.
109
Если дуга направлена из рассматриваемой вершины, то
соответствующий член имеет знак минус, если направлена
в вершину — знак плюс.
Полученная система дифференциальных уравнений до-
полняется уравнением
2 Р/(0= 1,	(3.32)
/=о
которое играет роль нормировочного уравнения.
Решая систему уравнений, определяем вероятности
значение которых позволяет найти технические ха-
рактеристики моделируемой системы взаимодействия.
Во многих случаях СМО представляет собой эргатиче-
скую систему (на графе состояний все вершины имеют хотя
бы один выход), для которой характерно существование
установившегося режима в процессе функционирования, а
для установившегося режима производные от вероятности
состояний равны нулю и величины pj(t) и Xz/(/) не зависят
от времени t. Это условие позволяет описать поведе-
ние СМО системой алгебраических уравнений вида
0= —2 ^о’Р/4"2 hkjPk,	(3.33)
I	k
которая получена по графу состояний на основе мнемониче-
ского правила, аналогичного изложенному в п. 5. Вероят-
ности pj, получаемые при решении системы уравне-
ний (3.33), называются финальными вероятностями. Ре-
шение системы (3.33) существенно легче системы диффе-
ренциальных уравнений, поэтому п. 5 методики часто не
выполняют, а сразу записывают систему уравнений (3.32),
убедившись, что граф является эргодическим.
В качестве примера использования изложенной методи-
ки рассмотрим модель функционирования системы взаимо-
действия группы операторов с АПК АСУ. АПК обрабаты-
вает эти задания и передает на средства отображения
информацию, затребованную оператором. После освоения
полученной информации оператор формирует следующее
задание для АПК. Процесс идет непрерывно — операторы
вырабатывают управленческие решения. Структурная схе-
ма модели приведена на рис. 3.3, а.
Пусть оператор на восприятие информации, обдумыва-
ние решения, подготовку запроса к АПК и ввод его затра-
чивает в среднем время, равное топ. Будем считать, что это
задание находится в пультовой фазе. Примем, что каждый
оператор запускает только одно задание, тогда интенсив-
но
Рис. 3.3. Структурная схема взаимодействия операторов
с АПК СОИ (а) и граф состояний системы (б)
ность потока заданий от одного оператора Л = 1 /топ.
Среднее время обработки в АПК программы одного зада-
ния примем равным тОбс. Если задание находится в АПК, то
оно находится в системной фазе. Состояние системы вза-
имодействия определим числом заданий, находящимся в
системной фазе. Тогда имеем (п+1) состояние системы,
где п-число операторов; So — АПК ожидает ввода данных
для решения программ, т. е. все операторы находятся в
пультовой фазе; Si — одна программа находится в систем-
ной фазе (обрабатывается задание в АПК); S2— две
программы находятся в системной фазе (одна реализуется,
одна ожидает решения) и т. д. Граф переходов из состоя-
ния в состояние приведен на рис. 3.3, б. Принято, что
одновременно вводить задания два или более операторов
не могут: процесс событий — ординарный.
Определим интенсивности потоков переходов. В каж-
дый конкретный момент времени в системной фазе нахо-
дится j заданий, а в пультовой (п—/) заданий. Интен-
сивность потока переходов из пультовой фазы в систем-
ную опеределяется числом операторов, находящихся в
пультовой фазе. Тогда из состояния S/ в состояние S/+1
система переходит с интенсивностью Х/./+1 = (я—/)Х.
Пусть центральный процессор АПК работает в режиме
разделения времени, что означает получение каждой
программы 1// части времени процессора. Таким образом
111
все операторы приходят к концу системной фазы с интен-
1
сивностью — р, а каждый из j запросов с интенсив-
ностью р, где р = 1/тобс. Разметив соответствующим об-
разом граф состояний и убедившись, что процесс функци-
онирования системы эргатический, запишем
О = — пкро + ppi,
0= — [(и—/)Х+н]Р/+(«—/=1.П—1,
0 = црп4-Хрп_1.
Дополнив эту систему нормировочным уравнением
п
2 pj = 1, определим финальные вероятности рр
i—Q
Pl =
где х = Х/р — коэффициент соотношения фаз.
Знание вероятностей состояний позволяет определить
ряд технических величин, характеризующих качество и
эффективность функционирования системы управления в
этих условиях. Так, роль «абсолютной пропускной спо-
собности» системы взаимодействия в данном случае бу-
дет играть среднее количество задач, решаемых АПК в
единицу времени. АПК занят обработкой запросов с ве-
роятностью
Рзан = 1 — Ро-
Если он занят, он обслуживает р программ в единицу
времени и, следовательно, абсолютная пропускная спо-
собность АПК СОИ
Д = (1 -р0)р.
Вычислим среднее время «отклика» АПК СОИ на за-
прос оператора. Каждый оператор, находящийся в пуль-
товой фазе, порождает поток запросов с интенсив-
ностью X. В рассматриваемой СМО в среднем в пульто-
вой фазе находится (п—Ф) операторов, а в системной
фазе в среднем оэ операторов. Средний поток запросов к
АПК СОИ имеет интенсивность (и—й)Х. Все эти запросы
должны быть обслужены АПК. Тогда
(n—й)Х = (1— р0)р,
112
откуда
<ь = п — -£<1 — Ро),
а среднее время отклика
Тотк = ЮТобр.
Знание р/ позволяет выработать технически оправдан-
ные требования к параметрам, определяющим качество
функционирования АПК СОИ.
При построении аналитических моделей системы вза-
имодействия приходится вводить ряд существенных огра-
ничений, которые значительно уменьшают адекватность
модели по отношению к реальной системе. Ряд таких ог-
раничений может быть снят при использовании методов
имитационного моделирования.
В 2.1 приведены модели деятельности человека-опера-
тора, в которых процесс функционирования человека-
оператора и технических средств системы взаимодействия
интерпретируется как сетевая стохастическая сеть СМО.
Процесс функционирования сложной СМО можно промо-
делировать на ЭВМ, если программу моделирования со-
ставить на основе имитирования процесса поведения од-
нофазной СМО с ожиданием, ограниченным числом мест
в очереди, с вероятностным выходом заявок и возмож-
ностью блокирования обслуживания*.
Физические процессы, протекающие в одноканальной
однофазной СМО с ожиданием и ограниченным числом
мест в очереди т (0 т Л1), поясним на примере вре-
менной диаграммы (рис. 3.4). На вход системы в случай-
ные моменты времени поступают требования на обслужи-
вание. Моменты времени, в которые требования поступа-
ют на вход системы, будем называть критическими ситу-
ациями на входной оси времени (моменты fv, при v =
= 1, 3, 4, 5, 6 и 7 на диаграмме). Интервалы времени меж-
ду последовательными событиями обозначим твх/. Если
прибор обслуживания свободен, то требование сразу при-
нимается на обслуживание, в противном случае оно поме-
щается в очередь. Длительность обслуживания обозна-
чим Тобс/. Моменты начала и окончания обслуживания
* Программы разработаны 3. В. Поздняковой на языке ФОРТРАН
для ЭВМ типа ЕС и на языке БЕЙСИК для ПЭВМ. Описание принципов
построения программ в параграфе приведено на языке БЕЙСИК
(версия ЭВМ СМ).
5-983
113
Рис. 3.4. Временная диаграмма функционирования СМО
(/v при v = 1 и 3 и при v = 2 и 6 соответственно) явля-
ются критическими ситуациями на оси времени обслужи-
вания. Если требование в момент поступления застанет
очередь г, равной т, т. е. свободных мест в очереди нет,
то оно покидает систему необслуженным (tv при v =
= 4 и 5 для случая т = 0).
Для формирования программы, реализующей алго-
ритм моделирования однофазной СМО, введем ряд пере-
менных.
Входной оси времени поставим в соответствие пере-
менную
Ф/ — время до ближайшего поступления тре-
В1= • бования на вход независимой СМО;
0 — момент поступления требования.
Оси времени обслуживания поставим в соответствие
переменную
В2 =
6/ — время до ближайшего окончания обслу-
живания требования;
0 — момент окончания (начала) обслужива-
ния.
Состояние прибора обслуживания фиксируется с по-
мощью переменной
Р __ | 1 — прибор обслуживания занят;
| 0 — прибор обслуживания свободен.
114
Состояние блокировки прибора обслуживания опреде-
ляется переменной
У __ ( 1 — прибор обслуживания блокирован;
I 0 — в противном случае.
Текущее значение очереди к прибору обслуживания г
содержит переменная S, а число мест в очереди — пере-
менная S1.
Интервалы времени до ближайшей критической
ситуации на какой-либо оси времени определяются значе-
нием переменной Т1.
Так как унифицированный блок программы СМ01
предназначен для моделирования сложных систем, содер-
жащих N одноканальных однофазных СМО, то все пере-
менные, за исключением Г/, представляют собой одно-
мерные массивы, содержимое 7-й ячейки которых описы-
вает состояние 7-й СМ01 в момент tv. Моделирование
процесса функционирования сложной стохастической си-
стемы, содержащей N СМ01, осуществляется цикличе-
ским выполнением программы СМ01. Цикл организуется
по 7=1,М Схема программы СМ01 приведена на
рис. 3.5. Для размещения команд, отличающих 7-ю
СМ01 от (7 + /0-й, СМ01, предусмотрен выход на про-
цедуры ALIST, BLIST, CLIST, DLIST, FLIST, RLIST.
Кроме того, в этих процедурах размещаются операторы,
обеспечивающие регистрацию моделируемых параметров
системы.
Стохастические свойства программе моделирования
придает подпрограмма GEN генерации случайных чисел.
В СМ01 для задания требуемого закона распределения
случайных чисел используются переменные С1(7), С3(7) и
С5(7) — для входного потока требований и переменные
С2(7), С4(7) и С6(7) — для потока обслуживания, где С1
и С2 определяют вид закона распределения, а остальные
переменные — его числовые характеристики.
Программа СМО1 построена на блочном принципе и
содержит блоки, назначение которых в имитации дей-
ствий в моделируемой системе, происходящих реально в
моменты возникновения критических ситуаций. Опишем
действия алгоритма моделирования для каждого блока.
Блок А. Предназначен для моделирования входного
потока требований в независимой СМ01 и постановки их
в очередь. Выполняется при выполнении условия Bl (J) =
= 0. Состав команд:
5**
115
ю
800
Блок F
GO SOB 1100 -.
Диалоговый ввод
исходных данных
Ш т<Ь ---------------
IF	В1О)*0 /	60	ТО	500
IF	В2П1+0/	GO	ТО	970
IF Z(j}=1 / GOTO 970
IF	F(i)^1 J	60	TO	800
IF	SUI^OI	GO	TO	700
GO TO 500____________
IF S(7) >S1(J)/G0 TO 900
NEXT 0
390
900
910
920
930
990
950
960
970
980
990\
БлокТП
\G0 SOB 1200\
MOi s2k В
\G0 SOB 1300 п
Блок C
Go SOB 1900
Go to 470
9001
Блок R
G0S0B1500
60 TO 976

Wi/'lWl

WOO генератор
случайных
чисел
RETURN
two
FUST
RETURN
1200
AUST
RETURN
1300
BUST
RETURN
W/Z|
OUST
Return
iwr
RUST
rETuM'
1600 \—f и I
,uuu I Блок D I
Окончание процесса
моделирования и
печать результатов
Рис. 3.5. Схема программы СМО!
500Gl = Cl (J)\G2= СЗ (J)\G3 = C5 (J)
510GOSUB 1000
520Bl (J) = G
530 S (J) = S (J) + 1
Передача управления ALIST
Если на вход СМО1 поступает независимый поток
входных требований, то блок А выполняется в 7-й СМО1.
Если на СМО1 поступают требования лишь от других
СМО1, то блок А этой СМО1 выполняться не должен.
Последнее достигается первончальным занесением в
116
Bl (J) числа A > Тм, что «отключает» блок А этой
CM01. Такую CM01 называют зависимой.
Блок В. Предназначен для имитирования процесса
обслуживания требований. Выполняется при выполнении
условий B2(J) = О, Z(J) = 0 и F(J) = 0. Состав команд:
600 GI = С2 (J)\G2 = С4 (J)\G3 = С6 (J)
610 GOSUB 1000
620 В2 (J) = G
630 S (J) = S (J) - 1
640 F (J) = 1
Передача управления BLIST
В BLIST содержатся команды, устанавливающие
Z(J + К) = 1 в тех СМО1 (J + К), которые блокируют-
ся с началом обработки требования в J-й СМО1.
Блок С. Предназначен для имитирования простоя
прибора обслуживания. Выполняется при выполнении ус-
ловий B2(J) = 0, S(J) = 0 и Z(J) = 0.
700 В2 (J) = Bl (J)
Передача управления CLIST
Блок F. Предназначен для имитирования действий
при окончании обслуживания требования, передачи его
на вход СМО1, продолжающей обслуживания данного
требования и при необходимости снятия блокировки.
Выполняется при выполнении условий B2(J) = 0, Z(J) =
= 0 и F(J) = 1. Состав операций:
800 Передача управления FLIST
810 F (J) = 0
В FLIST располагаются три группы операторов, обес-
печивающих:
а)	передачу требования из СМО1 номера J в СМО1
номера (J + К). Например, команда S(J + К) =
= S(J + К) + 1 или с учетом матриц связей S (J1) =
= S (J1) + 1, где J1 = Fl (J), a Fl (J) — матрица связей
по выходу;
б)	передачу требования из СМО1 номера J в СМО1
номера Л = Fl (J) или номера J2 = F2(J) в зависимости
от значения вероятности передачи р, в этом случае ис-
пользуются две матрицы связи Fl (J) и F2(J);
в)	снятие блокировки тех СМО1, работа которых бы-
117
ла блокирована до окончания обработки требования в
данной СМО1, т. е. команды, обнуляющие Z(J3) соот-
ветствующих СМО1 J3^F3 (J ), где F3 (J ) — матрицы
блокировки.
Блок R. Предназначен для имитирования действий,
связанных с отказом требованию в обслуживании из-за
отсутствия мест в очереди. Выполняется при выполнении
условия S(J) 2> SI (J). Состав операторов:
900 S (J ) = S (J ) — 1
Передача управления RLIST
В RLIST содержатся команды, обеспечивающие вы-
полнение тех же действий, что и в FLIST, кроме
команд снятия блокировки. Для их выполнения органи-
зуются соответствующие матрицы связей.
Процессе выполнения в цикле по J программ
СМО1 (J) будут выявлены и обработаны все критиче-
ские ситуации во всех однофазных одноканальных СМО,
составляющих сложную стохастическую сеть, т. е. все
ситуации, возникшие в моделируемой системе в момент
времени tv. Для перевода модели из момента времени
/v в момент времени Л>+1 служит блок £), выполняемый
по завершении цикла по J.
Блок D. Предназначен при организации «протяжки»
времени моделирования. Состав операторов:
1600 Определить Т1 = min{Bl (J), В2(J)}
1650 В цикле по J = 1, N
Bl (J) = Bl (J) -Т1
B2(J) = B2(J) - Т1
B2(J) = 0, если F(J) = 0 и Z(J) = 0
1700Т = ТД-Т1
Передача управления DLIST
Процедуры LIST должны содержать все необходимые
команды, позволяющие регистрировать необходимые па-
раметры моделирования. Так, подсчитывая число выпол-
нений блока Д, можно определить количество поступив-
ших в систему требований от независимого источника,
а посчитав число срабатываний блока F для конкретной
J-й СМО1, получим число обслуженных этой СМО1
требований и т. п.
118
После выполнения блока D анализируется условие
окончания процесса моделирования, и если оно выполня-
ется, то на печать или на экран дисплея выводятся
результаты моделирования.
Известно, что для одноканальной однофазной СМО
должно выполняться соотношение
Мвх = Мобе “j“ Ппот + г + у,
где Мвх — число требований, поступивших на вход систе-
мы; Мобе — число обслуженных требований; ппот — число
требований, получивших отказ в обслуживании из-за
ограниченного числа мест в очереди; г — число требова-
ний в очереди; 7=1, если прибор обслуживания занят
и 7 = 0, если он свободен, на момент окончания процес-
са моделирования. Это соотношение позволяет не только
проверить правильность функционирования созданной
модели системы взаимодействия (оно должно выполнять-
ся не только для каждой СМО1, но и для систем!»! в це-
лом), но и получить сведения о моделируемых парамет-
рах. Так, пропускная способность системы может быть
определена либо по формуле
W* = Пвых^/Тм ,
где Мвых^ — число требований, появившихся на выходе
системы (k — номер замыкающей СМО1 модели) за вре-
мя моделирования Гм, либо по формуле
Р* == Мвых^/Мвх ,
где Мвх — число требований, поступивших на вход систе-
мы, ар* — статистическая оценка вероятности обслу-
живания.
В рассматриваемых моделях в качестве модели внеш-
ней среды используются генераторы потока случайных
событий. В случае необходимости можно создать специ-
фические генераторы событий, которые будут имитиро-
вать поведение внешней среды, более близкой к процессу
функционирования системы взаимодействия и деятельно-
сти человека-оператора.
3.6. Учет человеческого фактора
при проектировании программного
обеспечения АСУ
Широкое и многообразное применение вычислитель-
ной техники предъявляет все более высокие требования
к ее программному обеспечению (ПО). Современные
119
человеко-машинные системы следует рассматривать как
сложные автоматизированные системы управления, в ко-
торые наряду с контурами чисто автоматического регули-
рования, состоящими только из технических звеньев,
включены и функционируют контуры, замыкаемые через
человеческое звено. В настоящее время при создании
подобных систем значительно возрастает роль челове-
ческого фактора, а следовательно, эргономического обес-
печения системы, используемого на ранних стадиях
проектирования. Основной задачей эргономического обес-
печения является оптимизация взаимодействия между
человеком и машиной не только в период эксплуатации
человеко-машинных систем, но и при изготовлении и да-
же утилизации технических компонентов. Это достигается
в результате проведения и выполнения комплекса взаи-
моувязанных по значению, логике и последовательности
эргономических процедур и мероприятий, осуществляе-
мых в ходе разработки системы человек — машина и при
ее эксплуатации.
При создании сложных АСУ велико значение разра-
ботки программного обеспечения, так как именно про-
граммные средства создают интеллект компьютера,
делающий его способным решать самые крупные и
сложные научные задачи, управлять сложнейшими тех-
нологическими процессами. Программное обеспечение
расширяет возможности систем, является как бы про-
должением технических средств, порой скрывает изъяны
аппаратных компонентов вычислительной системы. По-
этому при разработке программного обеспечения обяза-
тельно следует учесть вопрос оптимального распределе-
ния функций между аппаратными и программными сред-
ствами (см. 3.3). Прежде чем приступить к проектирова-
нию программного обеспечения, необходимо быть уверен-
ным в должном учете человеческого фактора, в направ-
ленности эргономических принципов. Первоначально это-
го можно достичь путем установки определенных фун-
даментальных принципов на основе опыта работы и
здравого смысла. Ниже приведены эргономические
принципы, которые необходимо учитывать при создании
ПО АС У.
Принцип минимального рабочего усилия. Этот принцип
имеет два аспекта.
1. В связи с ужесточающимися требованиями по
интеллектуализации ПО АСУ, и как следствие, увели-
чивающейся сложностью структуры программного обес-
120
печения, с одной стороны, и с большими творческими
усилиями специалистов и высокой трудоемкостью, с дру-
гой — ставится задача минимизации затрат ресурсов со
стороны разработчика ПО. Это может быть достигнуто
путем создания определенной методики и технологии
создания, свойственной обычным производственным про-
цессам.
2. Ставится задача минимизации затрат ресурсов со
стороны пользователя. Человек-оператор (ЧО) должен
выполнять только ту работу, которая необходима, но не
может быть выполнена системой. Не должно быть повто-
рения уже сделанной работы, например, при вводе
данных, которые не должны вводиться более одного
раза, т. е. программный код должен быть многоразового
использования.
Данный аспект предъявляет соответствующие требо-
вания и к рабочей документации. Она должна обладать
доступностью, полнотой, целенаправленностью на реше-
ние определенной задачи или комплекса задач; структу-
рированностью. .
Должно быть исключено дублирование работы, что
применимо как к разработчикам ПО, так и к потреби-
телям.
Принцип максимального взаимопонимания. Система
должна обеспечивать полную поддержку пользователю.
Это выражается, во-первых, в том, что ЧО не должен
заниматься поиском информации, во-вторых, в том, что
выдаваемая на видеоконтрольное устройство информация
не должна требовать интерпретации или перекодировки,
что значительно может загрузить оперативную память
пользователя. Если в будущем будет создано програм-
мное обеспечение, которое в точности копировало бы
человеческое понимание языка, в частности, машинное
понимание устной речи либо разработка систем, объеди-
няющих естественные языки с формальными, то данный
принцип может быть упразднен.
Принцип минимального объема оперативной памяти
пользователя. От ЧО требуется, чтобы он запоминал
как можно меньше. Это объясняется тем, что скорость
переработки информации оператором, измеряемая в дво-
ичных единицах в секунду (бит/с) и его пропускная
способность Von, существенно ограничены. На них влияет
множество факторов, начиная от качества средства
взаимодействия человека с техническими средствами
АСУ и всей информационной моделью и кончая уровнем
121
напряженности операторской деятельности и общим
психофизиологическим состоянием человека. Например,
при чтении текста человек воспринимает примерно
16 бит/с, удерживая одновременно в оперативной памяти
(сознании) около 160 бит информации.
От ЧО нельзя требовать, чтобы он изучал что-то
ненужное для выполнения определенной задачи, знако-
мился с терминологией, не относящейся к этой задаче,
занимался вторичной обработкой полученной информа-
ции.
Принцип минимального расстройства человека-опера-
тора. Расстройство пользователя (имеются в виду произ-
водственные, а не иные, например, психологические
причины) может возникнуть: 1) из-за какого-то препят-
ствия в решении поставленной задачи; 2) из-за появле-
ния и обнаружения ошибок.
В первом случае причиной могут быть изменение
методики руководства, изменение программы, отвлечение
от работы, изменение приоритета выполняемых функций
или задач, аварийные ситуации и др. Для такого рода
сбоев целесообразно иметь методику самопроверки про-
граммного обеспечения и программного оборудования и
наличие обратной связи от системы, даже если конечные
результаты работы еще не видны. Например, перед
проведением изменений в накопленной информации
система должна показать результаты этих изменений и
запросить одобрение человека-оператора. Во втором слу-
чае система обязана быстро сообщить об ошибках и
по возможности указать случаи, где они могут появиться
еще. Для повышения производительности ЧО путем целе-
направенного поиска информации целесообразно сигнал
об ошибке отображать в точке аварийной фиксации
внимания. В заключение исправления ошибки система
должна возвратить операцию к той точке, где она была
прервана.
Принцип учета профессиональных навыков пользо-
вателя. В процессе эргономического обеспечения системы
на ранних этапах проектирования предусматриваются и
проводятся мероприятия, учитывающие облик некоторого
абстрактного человека, который планируется разработчи-
ками к взаимодействию с компонентами системы.
Это значит, что при разработке системы на основе
некоторых задаваемых в техническом задании исходных
данных о возможном контингенте кандидатов проектиру-
ется «человеческий компонент» с учетом требований и
122
особенностей всей системы и ее подсистем. После проф-
обучения у человека создаются концептуальные модели
об эксплуатируемых системах и звеньях этих систем, об
их состоянии и функционировании в различных условиях
и при различных воздействиях на них, а также о процес-
сах и закономерностях взаимодействия с ними. Формиро-
вание же концептуальной модели взаимодействия чело-
века и технических средств АСУ означает осознание и
овладение алгоритмами функционирования подсистемы
«человек — техническое средство» и, в частности, овла-
дение профессиональными навыками диалога с ЭВМ.
Перечисленные принципы учета человеческого факто-
ра при создании программного обеспечения АСУ на-
правлены на минимизацию необдуманных решений и не-
оправданных усилий человека-оператора в условиях ин-
терактивного режима взаимодействия с ЭВМ.
Принцип максимального различия человеческих ха-
рактеров. Мышление людей, их характеры различны,
поэтому терминальная информация от системы по-разно-
му может восприниматься пользователями. Проведенный
по соответствующим параметрам профотбор кандидатов
на проектируемую деятельность и дальнейшее их обуче-
ние не могут формализовать деятельность человека-
оператора и предсказать поведение отдельного индиви-
дуума в контуре управления. Поэтому целесообразно,
чтобы система содержала, к примеру, способы как
наглядного, так и слухового воздействия на конкретного
ЧО, различимые пользователем. Это могут быть светя-
щиеся или мерцающие сигналы на экране, светящийся
сигнал отдельно от экрана, зуммер, звонок и т. д.
Принцип максимальных допусков изменений окру-
жающей обстановки. Этот принцип имеет два аспекта.
1. Изменение окружающей обстановки за счет добав-
ления или ликвидации различных устройств, либо замены
программного оборудования. В данном случае приобрета-
ет особую значимость возможность использования ПО
с различными техническими средствами АСУ и разработ-
ка наиболее сложной части программного обеспечения —
операционных систем, так как последние представляют
собой комплекс средств, удобных как для работы при-
кладных программ, так и для использования внешних и
периферийных устройств ЭВМ.
2. Изменение окружающей обстановки за счет факто-
ров внешней среды. К «человеческой компоненте» систе-
мы человек — машина предъявляются соответствующие
123
требования или ограничения, которые обусловлены раз-
личными факторами внешней среды.
Принцип максимального контроля со стороны челове-
ка-оператора. Данный принцип можно охарактеризовать
следующими требованиями к функционированию ЧО:
1)	пользователь должен иметь возможность изменить
очередность обработки, выполняемой системой;
2)	пользователь должен контролировать последова-
тельность работы и особенно там, где нет последователь-
но определенных операций;
3)	пользователь должен иметь возможность созда-
вать свои программные модули и хранить в памяти
системы для использования в будущем.
Этот набор требований может быть продолжен в за-
висимости от назначения и специфики проектируемой
системы.
Рассмотренные принципы могут подвергаться пере-
смотру, их количество может быть увеличено (умень-
шено). Принимая во внимание, что ключевой проблемой
90-х годов является производительность и что роль эрго-
номического обеспечения и человеческого фактора будет
возрастать, следует учитывать данные принципы для эр-
гономического проектирования программного обеспече-
ния и программного оборудования систем человек —
машина.
3.7. Методы оценки надежности
при инженерно-психологическом
проектировании интерфейса
взаимодействия
Задача распределения функций между операторами и техническими
средствами рассмотрена в 3.4. Однако эта задача имеет и надежност-
ный аспект, которому уделено внимание в этом параграфе. Эта зада-
ча определяет принципы работы технических средств, их функциональ-
ные схемы и конструкцию, оборудование рабочих мест операторов, их
загрузку и режим работы, состав эксплуатационной документации,
требуемое количество и качество персонала. При решении задачи
распределения помимо основного критерия, вероятности достижения
поставленных перед системой целей необходимо учитывать и другие
критерии: реализуемость, стоимость, массу, мощность, надеж-
ность, простоту технического обслуживания и т. п.
При наличии различных подходов для решения задачи распреде-
ления, таких, например, как передача по возможности всех функций
человека машине или передача техническим средствам всех формали-
зованных функций человека и других (см. 3.4), можно выделить
следующие общие принципы решения этой задачи.
Принцип преимущественных возможностей,
124
предложенный П. Фитсом еще в 1951 г. и заключающийся в передаче
человеку тех функций, которые он выполняет лучше машины, а маши-
не — тех, которые она выполняет лучше человека, в современных
условиях рекомендует параллельную работу автомата, обеспечивающе-
го управление со всей возможной для него точностью, и человека,
наблюдающего за развитием ситуации, работой автомата и корректи-
рующего, а при необходимости перестраивающего его, проявляя при
этом свои творческие возможности, направленные на повышение
качества управления.
Принцип технической реализуемости предлагает
нереализуемые технические функции передать человеку и дополняет
первый.
Принцип оптимальной загрузки рекомендует такое
распределение функций, при котором оператор по темпу поступления
данных не испытывал бы ни сенсорного голода (потеря активности),
ни сенсорной перегрузки (пропуск сигналов). Этот принцип допускает
количественное решение задачи при наличии количественных оценок
потоков информации, поступающих к операторам в системе.
Принцип максимизации надежности системы
предполагает количественное решение задачи распределения функций,
поскольку можно построить функцию изменения надежности системы
при различных вариантах распределения функций по сравнению с ав-
томатическим вариантом. Показатели надежности должны реагировать
как на изменение загрузки операторов и включение их в систему, так и
на изменение состава и структуры технических средств.
Этот принцип отражает системотехническую сущность задачи
распределения функций.
Принцип максимизации эффективности приме-
ним для систем, в которых допустимо выполнение задачи с различными
уровнями качества, или систем, в которых отсутствие отказов техники
и ошибок операторов не гарантирует выполнения задачи. Максими-
зируется математическое ожидание выходного эффекта системы.
Принцип максимизации стоимости применим для
массовых систем и выражается в том, что на человека возлагается
множество механических стереотипных операций, которые технически
рализуются дороже, тем самым давая большой экономический
эффект.
В соответствии с принципом гуманизации труда
в противоположность предыдущему принципу человек привлекается
для выполнения творческих действий с освобождением от выполнения
механических, стереотипных, тяжелых, опасных видов труда.
Принцип ответственности имеет особое значение в
военных системах, где на человека возлагается ряд ответственных
функций, даже при наличии технических возможностей их полной
автоматизации.
СЧМ в своем развитии проходит три стадии: проектирование,
производство и эксплуатацию. Правильный и обоснованный учет
человеческого фактора на каждой из этих стадий способствует дости-
жению максимальной эффективности СЧМ и оптимизации ее выходных
характеристик.
В общем случае можно выделить пять этапов при проек-
тировании высоконадежных СЧМ (см. 3.1). На первом
этапе определяются желаемые характеристики всей системы и требуе-
мые характеристики человека, исходя из оптимальной работы системы.
На втором этапе определяются реальные характеристики человека,
которыми он обладает в данный момент, и производится сравнение
125
их с требуемыми. В случае несоответствия полученных характеристик
требуемым на третьем этапе производится отбор и обучение опера-
торов для достижения ими требуемого состояния (оптимизация систе-
мы за счет человека). Если заданное качество СЧМ не достигается
после отбора и обучения персонала, на четвертом этапе оптимизи-
руется режим профилактического обслуживания системы, включая
режим восстановления функционального состояния специалиста.
На последнем, пятом, этапе возможна модернизация или замена
техники.
Системный подход предполагает разложение
процесса проектирования на техническое, худо-
жественное и инженерно-психологическое проек-
тирование. Последнее заключается в решении всех вопросов, свя-
занных с включением человека в проектируемую систему. На раз-
личных этапах инженерно-психологического проектирования произво-
дится инженерно-психологическая оценка проекта, которой подлежат
основные характеристики СЧМ (надежность, быстродействие,
соимость и др.), условия работы оперативного и обслуживающего
персонала, конструкция системы и особенности организации рабочих
мест операторов и др. Такая оценка проводится на каждой из стадий
проектирования.
На ранних этапах инженерно-психологического проектирования
оценка надежности СЧМ служит основой для предварительного
определения состава КТ С и структуры СЧМ и разработки алгоритмов
деятельности оператора. На последующих этапах такая оценка позво-
ляет уточнить состав технических средств и алгоритмы работы опе-
ратора.
Оценка надежности СЧМ может про-
изводиться различными методами: ана-
литическими, экспериментальными,
имитационными. На этапах проектирования пре-
обладают расчетные методы, которые основаны на зна-
нии статистических данных о надежности и скорости
выполнения заданных функций оператором, о надежности
технических средств, влиянии различных факторов на на-
дежность СЧМ, взаимном влиянии оператора и техники,
о частотах наступления различных состояний СЧМ.
Для решения различных задач инженерно-психологи-
ческого проектирования разработан ряд проблемно-ори-
ентированных количественных методов оценки надежно-
сти СЧМ. Основными из них являются методы: обобщен-
но-структурный, операционно-психофизиологический, ста-
тистического эталона, системотехнический.
Обобщенный структурный метод. По определению [6]
этим понятием объединяется совокупность методических
принципов, математических моделей и методик для опи-
сания и оценки эффективности, качества и надежности
функционирования эргатических систем или отдельных их
звеньев (как человека, так и технических устройств),
126
применяемых при исследовании, проектировании, созда-
нии и функционировании эргатических систем.
Для описания эргатических систем вводится три типа
элементов: функциональные элементы, реализующие опе-
рации, которые требуют для своего выполнения расхо-
дования некоторых ресурсов — времени, стоимости и т. д.;
композиционные элементы, осуществляющие логико-фун-
кциональную взаимосвязь между операторами и не тре-
бующие никаких затрат ресурсов для своей реализации;
управляющие элементы, осуществляющие управление
реализацией функциональных и композиционных эле-
ментов.
Общая методика разделяется на методику подготовки
математических моделей и методику расчета. Первая
состоит в анализе исследуемой эргатической системы,
результатом которого является выявление типовых функ-
циональных структур (ТФС). Для ТФС, не имеющих
готовых математических моделей, они по определенным
правилам выводятся.
В соответствии с методикой расчета показателей
сначала уточняется вариант объекта оценки, т. е. либо
только надежность функционирования, либо производи-
тельность и надежность, либо надежность планирования
и обеспечения, производительность и надежность функ-
ционирования. Затем выявляется информация о техно-
логии выполнения составляющих процесса функциониро-
вания, т. е. либо только о процессе исполнения, либо
о процессах планирования, подготовки и исполнения.
После этого оцениваемые процессы представляют в виде
функциональных структур (F-структур исполнения, под-
готовки, планирования), образующих неуправляемые
функциональные сети, соотнося каждой функции или
операции оператор из составленного перечня функцио-
нальных, композиционных и управляющих элементов.
Для полученных таким образом сетей определяются
структуры, реализующие сеть (S-структуры) и взаимо-
действие элементов в ней.
Для каждого из элементов S-структуры подготавли-
вают исходные количественные характеристики по надеж-
ности, безошибочности и быстродействию. Затем в за-
висимости от выбранного варианта учета структурных
и функциональных отказов и наличия или отсутствия
контроля работоспособности и функционирования произ-
водят расчет исходных показателей по каждой функции,
127
представленной в функциональной сети в виде типовых
функциональных единиц (ТФЕ).
На основе исходных количественных характеристик
рассчитывают показатели надежности функционирования
в соответствии с принятым вариантом объекта оценки
путем постепенной «свертки» функциональной сети, пред-
ставленной в виде F-структур из ТФЕ.
Ограниченность метода проявляется в слабом учете
эвристического характера деятельности оператора и
взаимозависимости отдельных действий и в неучете
динамики изменения режимов с течением времени.
Операционно-психофизиологический метод (О П Ф-
метод). В основе операционно-психофизиологического
метода [1] лежит разложение деятельности оператора
на отдельные операции (действия), надежность выпол-
нения которых и их психофизиологическая напряжен-
ность известны, а затем интеграция их в единый процесс
с учетом влияния специфической напряженности (интен-
сивности, темпа поступления сигналов и др.) и взаимо-
влияния параллельных (совмещенных) и последователь-
ных операций друг на друга.
Деятельность оператора предлагается разложить на
следующие операции: получение исходной информации;
преобразование, обработка и принятие решения; ответ-
ные действия. Каждая из операций подразделяется на
типовые действия, количественные показатели надеж-
ности которых с учетом специфических особенностей,
вытекающих из психофизиологической сущности дея-
тельности человека, приведены в [1].
Психофизиологическими особенностями деятельности
оператора, приводящими к уменьшению вероятности
появления ошибок, являются: 1) контроль большинства
действий, выполняемых человеком, несколькими физиоло-
гическими системами (при работе с клавиатурой дви-
жение выполняется под контролем мышечно-суставной
системы, зрения, а иногда и слуха); 2) контроль, осу-
ществляемый человеком за выполняемым им действием
по внешним результатам действия (изменение тембра
звука, положения стрелки прибора и т.п.); 3) повтор-
ное выполнение действия вне зависимости от правиль-
ности и неправильности его первичного выполнения опе-
ратором. Влияние напряженности учитывается с по-
мощью таблицы поправок.
Оценка надежности операционно-психофизиологиче-
ским методом осуществляется поэтапно. Сначала из ал-
128
горитма решения задачи выделяются блоки, выполняе-
мые с участием оператора. Путем анализа этих блоков
производится дальнейшее деление их на элементарные
(простейшие) действия оператора, из которых строится
схема алгоритма деятельности оператора при решении
поставленной задачи.
Дальнейшее деление действий оператора осуществляет-
ся по критерию различия компонентов методами
психофизиологического анализа. Затем компоненты
деятельности оператора классифицируются по их психо-
физиологической сущности, определяются количествен-
ные значения показателей надежности их по соответст-
вующим таблицам сначала для оптимальных условий,
а затем в зависимости от внешних условий работы
путем учета коэффициентов влияния напряженности
деятельности на исходные значения этих показателей.
После этого, применяя определенные правила и прие-
мы композиции надежностных характеристик и учитывая
взаимовлияния параллельных или последовательных дей-
ствий на эти характеристики, производится синтез
структуры деятельности оператора и определение коли-
чественных оценок надежности, начиная с простых дей-
ствий и до комплексных действий.
Параллельно с выявлением структуры деятельности
составляется схема взаимодействия операций анализи-
руемого оператора с операциями других операторов
и технических средств. Процессы создания алгоритма
работы, схемы взаимодействия и структуры деятельности
взаимосвязаны и по мере их составления могут корректи-
роваться. Полученные оценки позволяют судить о воз-
можностях оператора и выполнении возложенных на
него функций при решении задач, стоящих перед систе-
мой в целом.
К недостаткам метода относят недостаточную экспе-
риментальную обоснованность всех коэффициентов, учи-
тывающих напряженность работы.
Метод статистического эталона [15] разработан для
анализа и синтеза рабочих мест оператора (размеры
пультов, размещение элементов управления на них, тип
элементов), поскольку применяющийся метод использует-
ся в основном для расчета повторяющихся высоко-
стереотипных операций на производстве. Статистическим
эталоном названа совокупность уравнений регрессии,
полученных на основе проведенных экспериментов, целью
которых являлось исследование влияния факторов one-
129
ративной и аппаратурной сложности на продолжитель-
ность безошибочного выполнения эталонных алгоритмов
на эталонной аппаратуре.
Исходными данными для расчетов операторской дея-
тельности (продолжительности безошибочного выполне-
ния алгоритма оператором) являются размещение эле-
ментов на рабочем поле, их тип, последовательность
использования в алгоритме и координаты размещения
оператора на рабочем месте, что в совокупности и опре-
деляет аппаратурную и оперативную сложность работы
оператора.
Эталонная аппаратура получается заменой элемен-
тов рабочего поля (транспарантов, сигнальных ламп,
измерительных приборов и т. д.) реальной аппаратуры
кнопками управления.
Эталонный алгоритм составляется из десяти операций
по нажатию кнопок эталонной аппаратуры в той последо-
вательности, которая предписана реальным алгоритмом.
Неполный эталонный алгоритм дополняется до десяти ли-
бо за счет операций предыдущей десятки, либо за счет
повторения нескольких первых операций.
Параметрами аппаратурной и оперативной сложности
являются:
1)	показатель оперативной неупорядоченности
9
h = S IM+i - Ml - 6,
1=0
где Nt — номер элемента, используемого при /-й операции
эталонного алгоритма; 6 — количество перемен знака
разности при последовательном расчете членов суммы;
2)	длина маршрута обслуживания
9
/ = S 4,
1=0
где 4 — длина отрезка от Z-го до (/-{-1)-го элемента;
3)	характеристика выделения каким-либо образом
(например, подсвечиванием) очередного элемента при
прохождении маршрута обслуживания: с выделением
(без выделения) очередного элемента. Этот параметр
сложности носит качественный характер;
4)	поле обзора
S = SBSf,
где sB, Sr — углы зрения оператора соответственно в вер-
тикальной и горизонтальной плоскостях;
130
5)	показатель группирования g, определяемый коли-
чеством рядов размещения элементов на пульте (па-
нели) ;
6)	показатель упорядоченности алфавита обозначе-
ний а, который равен 2,5, если обозначение элемента не
определяет положение элемента на пульте, равен 0, если
обозначение однозначно определяет положение элемента
и равен 1 в промежуточных случаях.
На основании полученных по приведенным формулам
значений параметров сложности рассчитывают значения
математического ожидания и среднего квадратического
отклонения продолжительности безошибочного выполне-
ния /-го эталонного алгоритма по следующим формулам:
5	5
/Пэ/ = По 4” S dkCkj', Gaj = do 4" S ^лСл/,
Л+1	/г=1
где do, do — постоянные уравнения регрессии; dk, di —
коэффициенты регрессии по fe-му параметру сложности;
Сц — значения рассчитанных параметров сложности
(Ci/ = S/; Сг/ = g', Сз/ = dj\ Сц = log/i/; С5/ = //).
По эталонным m3i и оэ/ вычисляют эталонные матема-
тические ожидания и СКО продолжительности безоши-
бочности выполнения всего алгоритма деятельности опе-
ратора. Для алгоритма (или его участка), состоящего
только из последовательных операций,
1Т1эа — 2 И1э/‘, Оэа — "у 2 ^э/,
где г — число эталонных алгоритмов, содержащих по
10 операций в каждом.
Реальные значения математического ожидания и СКО
продолжительности безошибочного выполнения алгорит-
ма деятельности оператора за реальным пультом опре-
деляется по формулам:
ГПа = ШэаЛ; (5а = -yj(53a^t
где А — коэффициент приведения, с помощью которого
вводятся поправки на отличие времени выполнения опе-
раций с реальными элементами от времени нажатия
кнопки (эталонного элемента).
Метод статистического эталона применим в том слу-
чае, если исходные данные возможно получить с по-
131
мощью унифицированного эксперимента по типовым дей-
ствиям, характерным для конкретной деятельности опера-
тора. Недостатком метода является слабый учет ошибоч-
ности психических операций алгоритма (психических
действий оператора).
В системотехническом методе [8] оценки надежно-
сти СЧМ человек представляется в виде компонента
системы. При этом выделяются следующие случаи оценки
надежности системы при взаимодействии технических
средств и человека-оператора при допущении, что от-
казы техники и ошибки оператора являются редкими,
случайными и независимыми событиями, что появление
более одного однотипного события за время работы си-
стемы от /о до /о+/ практически невозможно, что спо-
собности оператора к компенсации ошибок и безошибоч-
ной работе — независимые свойства оператора.
Если компенсация ошибок оператора
и отказов техники невозможна, то вероят-
ность безотказной работы системы
Pi(M = Рт(/0,/)Роп(/),
где Рт(/о, 0 — вероятность безотказной работы техниче-
ских средств в течение времени (/0, /о+0; Роп(0 —
вероятность безошибочной работы оператора в течение
времени t при условии, что техника работает безотказно;
/о — общее время эксплуатации системы; t — рассматри-
ваемый период работы.
При «мгновенной» компенсации оши-
бок оператора с вероятностью р вероят-
ность безотказной работы системы
Р2(/о, 0 = Л(/0, /){Роп(0 + [ 1 - Роп(0]р} .
В случае компенсации только отка-
зов технических средств вероятность безотказ-
ной работы системы
Р3(/о, /) = РОП(/)[РТ(/0, /) + Pk(tQ, /, 6)] ,
где /, 6) — условная вероятность безотказной рабо-
ты системы в течение времени (/о + /) с компенсацией
последствий отказов, при условии, что в момент 6(/о<2
<6</о + 0 произошел отказ.
Вероятность безотказной работы системы с ком-
пенсацией ошибок оператора и отказов
технических средств
Р4(/0, /) = {Pon(/) + [1 - Роп(/)]р}[Л(/о, /) + Р*(/о, /, б)] .
132
Выигрыш в надежности по вероятности безотказной
работы Gp за счет компенсации ошибок и отказов харак-
теризуется отношением
п _ Р4(/о,/)
Р ’
Выигрыш надежности увеличивается с ростом р и
Pk(tQ, /, 6), т. е. с увеличением уровня натренированности
оператора на компенсации отказов и ошибок.
При взаимодействии технических средств с человеком-
оператором возникает противоречивая ситуация [4].
С одной стороны, по мере усложнения оперативных задач
все меньшее число людей способно эффективно справ-
ляться с их решением в реальной обстановке, характе-
ризующейся минимумом резерва времени и максимумом
ответственности и сложности задач. С другой стороны,
обслуживание и управление техникой требует все воз-
растающего числа и мастерства операторов.
Преодолеть эти трудности предлагается в [4] двумя
путями. Первый путь — это многоуровневая адаптация
информационной техники к операторам в целях снижения
уровня сложности решения оперативных задач, второй
путь — развитие методов обучения, позволяющих осуще-
ствлять перевод от одной стратегии (метода, навыка)
к другой.
Одним из факторов, обусловливающих сложность задачи, явля-
ется величина оперативного объема отображения, выраженная как
число воспринимаемых человеком информационных элементов, отно-
сящихся к решаемой задаче. Строгое количественное определение
оптимальной величины оперативного объема отображения возможно
для средств отображения информации, состоящих из одинаковых
информационных элементов (пультов управления, укомплектованных
однотипными контрольно-измерительными элементами). Для мнемосхем
пока не удается соотнести величины оперативного объема отображения
с показателями деятельности оператора, вследствие большого разно-
образия информационных элементов, связей между ними и типов
решаемых задач.
Наряду с проблемой оптимального соотношения визуального
отображения условий возникшей оперативной задачи и не имеющей
отношения к ней информации встает вопрос о соотношении визуаль-
ного отображения условий нескольких одновременно возникающих
в системе независимых оперативных задач.
Для систем, в которых задачи оператора относительно просты и
чаще всего связаны не с принятием ответственных решений, а с
сенсомоторными реакциями действует принцип неналожения аварий,
в соответствии с которым оператор по инструкции имеет право при
одновременном возникновении двух и более серьезных нарушений не
заниматься определением нарушений и их устранением, а экстренно
133
отключать блоки, не считаясь с потерями от остановки и лишь
спасая систему от разрушения.
Для других систем, где операторы осуществляют слежение за
движущимися объектами, регулирование параметров, настройку
каналов связи и другие функции, отклонение от нормы одновременно
нескольких параметров является обычным. Информация о всех
нарушениях предъявляется ему одновременно. Оператор должен вы-
брать более срочные сигналы, создав из них приоритетную очередь.
В такой напряженной обстановке оператор не сможет добиться
высокой эффективности работы системы в целом.
Известен ряд формальных методов сравнительной оценки экстрен-
ности сигналов, например вычисление относительной величины откло-
нения параметров, что позволяет произвести предварительную обра-
ботку информации для оптимизации оперативного объема информации.
На СОИ должны появляться в первую очередь сигналы, требующие
наиболее экстренного оперативного вмешательства в количестве,
соответствующем оптимальному оперативному объему. Остальные сиг-
налы должны временно задерживаться в буферном ЗУ.
Для адаптации потока сигналов к оператору в случае
систем с компенсаторным слежением все сигналы об
отклонениях независимых параметров системы от нормы
делятся на несколько групп: аварийные сигналы, сигналы
об отклонениях в технологическом режиме, которые мо-
гут привести к аварии; сигналы об отклонениях второ-
степенных технологических параметров; сигналы о незна-
чительных отклонениях от правил технической эксплуата-
ции и т. д. Для обработки этих сигналов можно
предложить трехуровневый приоритет обслуживания:
сигнал проходит в полном информационном объеме вне
очереди; подробная информация задерживается в буфер-
ном ЗУ, проходит комплексный сигнал о факте ожида-
ния; вся информация задерживается в буферном ЗУ и
подается на СОИ лишь по вызову оператора.
Для анализа подобной человеко-машинной системы
можно применить теорию массового обслуживания.
В процессе разработки системы и ее СОИ должны быть
определены: закон распределения вероятностей и интен-
сивность потока сигналов, закон распределения вероят-
ностей и интенсивность обработки сигналов оператором;
длина очереди сигналов и продолжительность их ожида-
ния в буферном ЗУ, объем буферного ЗУ, оптимальное
число сигнальных информационных элементов, состав-
ляющих СОИ, с учетом исходных капиталовложений
(например, стоимости сигнальных элементов), уменьше-
ния производительности оператора при перегрузке его
информацией, потерь в работе оборудования, вызванных
задержкой в обработке информации различной важности.
134
Методика анализа статистических характеристик
потока сигналов, поступающих на устройство отображе-
ния, состоит из следующих операций:
1)	время наблюдения разбивают на интервалы rj;
2)	определяют приоритеты сигналов;
3)	в процессе наблюдения на шкале времени отме-
чают моменты поступления и снятия сигналов;
4)	проводится декорреляция сигналов, для чего
связанные между собой сигналы объединяют в группы,
рассматриваемые как комплексные сигналы, обозначаю-
щие единичные независимые события;
5)	подсчитывают число всех сигналов и число сигна-
лов каждой приоритетной группы за каждый единичный
интервал rj;
6)	равные количества сигналов за интервал т] сигна-
лов группируют и располагают в порядке возрастания;
7)	определяют математическое ожидание полученного
опытного распределения;
8)	вероятность, соответствующая каждому разряду
эмпирического распределения, сравнивают с табличным
значением вероятности того теоретического распределе-
ния, с которым сравнивается эмпирическое. Определяют
параметры, по которым сравниваются распределения
(совпадение средних значений, дисперсий и т. п.);
9)	выбирают и рассчитывают критерий согласия
распределений, задается точность совпадения распреде-
лений. Расчетное значение критерия согласи^ сравни-
вается с табличным для заданной точности совпадения
распределений;
10)	записывают закон распределения вероятностей по-
явления в системе различных количеств сигналов (об-
щих й по группам).
Одновременно такие же операции проделывают для
определения закона распределения времени обработки
сигналов человеком-оператором т. Полученные данные
являются исходными для расчета параметров СЧМ
как системы массового обслуживания.
Кроме аналитических методов теории массового об-
служивания для расчета параметров СЧМ могут быть
применены методы статистических испытаний, позволяю-
щие исследовать нестационарные процессы. При этом
функционирование системы моделируется на ЭВМ и за-
тем статистически оцениваются характеристики модели.
Второй путь преодоления трудностей, возникающих
при взаимодействии технических средств с человеком-
135
оператором, состоит в адаптации человека к технике.
Такая адаптация осуществляется путем отбора и обуче-
ния соответствующих специалистов, а в случае, если
функционирование системы обеспечивает группа специа-
листов-операторов, адаптация к технике проходит как
по линии оптимального взаимодействия на психологиче-
скую совместимость, так и по линии подбора рациональ-
ного профессионального состава группы.
Одним из важных аспектов адаптации человека к
технике является оперативное управление функциональ-
ным состоянием человека-оператора, под которым пони-
мают [8] комплекс наличных характеристик тех функций
и качеств, которые прямо или косвенно обусловливают
его трудовую деятельность. Даже у всесторонне здорово-
го и профессионально подготовленного оператора в про-
цессе управления техническим объектом по разным
причинам могут наступать неблагоприятные состояния,
ведущие к определенному нарушению надежности его
деятельности. Применение специальных фармацевтиче-
ских препаратов — наиболее традиционный способ уп-
равления функциональным состоянием операторов. При-
меняют также функциональную музыку, систему обрат-
ных связей, динамическое освещение рабочего места опе-
ратора, аутогенные тренировки и т. п.
Мероприятия по повышению надежности СЧМ про-
водятся и при создании и при эксплуатации систем.
При проектировании повышения надежности можно до-
биться схемными, конструктивными и эргономическими
методами. К схемным методам относят такие, как на-
пример, создание возможно более простых схем (техно-
логий), резервирование элементов и систем, создание
схем с широкими допусками на параметры элементов
и внешние воздействия. К конструктивным методам
относят такие мероприятия, как создание надежных
элементов и благоприятного режима их работы, правиль-
ный подбор параметров элементов и систем, принятие
мер по облегчению ремонта, учет опыта эксплуатации
аналогичных систем. Эргономические методы объединяют
мероприятия по организации труда человека-оператора
начиная от оптимальных форм шкал, рукояток, оптималь-
ного усилия на органы управления рабочих мест и т. д.
и кончая общими методами обеспечения качества
функционирования СЧМ. При эксплуатации систем мето-
дами повышения надежности является профилактическое
Вб
обслуживание, позволяющее предупреждать отказы тех-
ники и ошибки человека-оператора.
Невозможно значительно повысить надежность и эф-
фективность СЧМ отдельными разрозненными мероприя-
тиями. Только взаимосвязанные технические, эргономиче-
ские, экономические и организационные мероприятия
на всех этапах создания и эксплуатации СЧМ, составля-
ющие единую программу обеспечения надежности, поз-
воляют добиться значительного повышения надежности
и эффективности человеко-машинных систем.
Вопросы для самоконтроля
1.	Чем отличается этап общесистемного проектирования от этапа
технического проектирования?
2.	Является ли информационной моделью действительности изо-
бражение на экране телевизора и по каким признакам?
3.	Постройте временную диаграмму функционирования модели,
выполненной при ответе На вопрос 1 гл. 2, на примере приема экзамена
(зачета) у группы из пяти студентов: студенты приходят одновременно;
студенты приходят последовательно через равные промежутки времени.
4.	Постройте гипотетическое дерево целей и на конкретных
числах проиллюстрируйте формулы, приведенные на с. 85 (для трех-
уровневого дерева целей).
5.	Проверьте правильность математических выкладок в примере
на с. 94.
6.	Постройте граф состояний для модели работы оператора, при-
веденной на рис. 2.6, а, при m = 0; m = 2, и запишите систему
алгебраических уравнений. Можно ли записать систему алгебраических
уравнений для m = оо? Можно ли ее решить?
7.	Что такое бит информации? Сколько букв в секунду восприни-
мает человек при чтении текста (русский алфавит содержит 32 буквы)?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассматривая вопросы системного проектирования
взаимодействия человека с техническими средствами
АСУ на современном этапе развития теории и методов
управления сложными и суперсложными системами и
комплексами различного назначения, мы стремились под-
черкнуть объективное изменение роли и функций челове-
ка, как субъекта управления, занимающего главенствую-
щее положение в системе управления, деятельность
которого приобретает все более интеллектуальный харак-
тер. Именно рассмотренный в учебном пособии системно-
деятельностный подход, по нашему мнению, должен быть
положен в основу выработки требований к техническому,
информационному и программному обеспечению АСУ в
процессе решения задачи оптимизации взаимодействия
человека с техническими средствами при выполнении им
функций управления. С особой остротой эти вопросы
стоят в АСУ реального времени, где в условиях остро-
го дефицита времени человек-оператор вынужден осу-
ществлять решение исключительно сложных задач ситуа-
ционного управления на высоком интеллектуальном
уровне.
В этой связи следует отметить, что традиционно
используемые подходы к разделению функций между че-
ловеком-оператором и аппаратно-программным комплек-
сом АСУ претерпели существенные изменения: все более
широкий круг задач управления, решение которых свя-
зано с использованием искусственного интеллекта, воз-
лагается на этот комплекс АСУ; деятельность человека
приобретает явно выраженный творческий характер;
повышая сложность трудовой деятельности, такой под-
ход позволяет полнее использовать интеллектуальные
возможности современного человека.
При этом возникает ряд проблем, широко обсуждаю-
щихся в настоящее время в научной литературе, но не
138
имеющих пока научно обоснованных и всесторонне
апробированных решений. Прежде всего хотелось бы
отметить проблему организации групповой, коллективной
деятельности операторов в сложных многоуровневых
распределенных системах управления. Так, в частности,
отмечается: «...для многих АСУ практически совершенно
не обоснованы модели отображаемой информации при ее
распределении между средствами отображения информа-
ции коллективного и индивидуального пользования, воп-
росы подготовки массивов информации для средств
коллективного пользования, вопросы использования
средств типа больших экранов...» К этому необходимо
добавить, что сегодня требуют дальнейшей проработки
вопросы проектирования банков и баз графических
(в том числе и картографических) данных, систем
управления этими базами, операционных систем много-
машинных АПК АСУ, обеспечивающих диалоговый и
телекоммуникационный доступ и т. д. Еще не преодолен
взгляд на аппаратно-программный комплекс систем ото-
бражения информации как на периферийное устройство
ЭВМ со всеми вытекающими последствиями.
Расширение функциональных возможностей современ-
ных средств отображения и обработки информации,
использование образно-речевого диалога, внедрение ав-
томатизированных систем обработки и отображения
информации, обладающих определенными интеллектуаль-
ными возможностями, заставляет отказаться от обще-
принятых стереотипов в традиционной деятельности опе-
раторов, открывают новые, не доступные ранее перспек-
тивы и требуют проектирования самой деятельности
операторов в новых условиях. Так, установка аппара-
туры электронного картографирования на борту подвиж-
ных объектов принципиальным образом изменяет выпол-
нение процедур считывания местоположения, расстояний
и углов, расчета полетного времени, расхода горючего
и ,т. п.
В новых условиях поиск оптимального решения проб-
лемы организации интерфейса взаимодействия приобре-
тает характер комплексной задачи, решение которой
существенно осложняется необходимостью оптимизации
функционального взаимодействия операторов (или групп
операторов) между собой и с техническими средствами
АСУ в условиях изменяющегося характера их профессио-
нальной деятельности.
В этой связи хотелось бы подчеркнуть особую
139
актуальность проблемы моделирования взаимодействия
человека-оператора с техническими средствами АСУ.
Сегодня появилась реальная возможность с помощью
моделирования на современных или разрабатываемых
многофункциональных средствах обработки и отображе-
ния информации конкретизировать тип и характеристики
используемых информационных моделей, выявить основ-
ные особенности будущей деятельности операторов, сфор-
мулировать требования к параметрам аппаратно-про-
граммных средств интерфейса взаимодействия и т. п.
Говоря о проблемах взаимодействия человека с техни-
ческими средствами АСУ и практической реализации
интерфейса взаимодействия, нельзя опустить такой важ-
ный вопрос, как унификация и стандартизация. Исполь-
зование типовых проектных решений, модульного прин-
ципа проектирования систем отображения и обработки
информации приобретают все более широкие масштабы,
что, впрочем, вполне естественно. Однако наряду с несом-
ненными позитивными аспектами, перечислять которые
не имеет смысла, необходимо констатировать и некоторые
нежелательные результаты. В частности, сближение
представляемой оператору информационной модели
обстановки с его концептуальной (пусть даже полученной
в процессе обучения) моделью не всегда может
быть достигнуто с помощью унифицированных многофун-
кциональных средств, например машинной графики. Нам
представляется, что в рассматриваемой области к вопро-
сам унификации и стандартизации необходимо подхо-
дить с особой осторожностью и тщательным осмыслени-
ем, не забывать о роли оптимизации взаимодействия
человека с техническими средствами при решении им
оперативных задач управления конкретного класса и ти-
пов.
Можно указать и ряд других, не менее актуальных
проблем в области проектирования интерфейса взаимо-
действия, которые находятся в стадии решения или ждут
своей постановки. Но из-за ограниченного объема учеб-
ного пособия мы предлагаем читателю, заинтересовавше-
муся ими, самостоятельно почерпнуть необходимую
ему информацию из публикаций в научной литературе
по этому вопросу (к сожалению, немногочисленных),
в том числе и в приведенной в данной книге библиогра-
фии.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Авиационные цифровые системы контроля и управления/Под ред.
В. А. Мясникова и В. П. Петрова. — Л.: Машиностроение, 1976.
2.	Автоматизированные системы управления. Лабораторный прак-
тикум по техническим средствам/Под ред. проф. В' Н. Четверикова. —
М.: Высшая школа, 1986.
3.	Быстров Ю. А., Литвак И. И., Персианов Г. М. Электронные при-
боры для отображения информации. — М.: Радио и связь, 1986.
4.	Венда В. Ф. Инженерная психология и синтез систем отображе-
ния информации. — М.: Машиностроение, 1982.
5.	Галактионов А. И. Основы инженерно-психологического проек-
тирования АСУ ТП. — М.: Энергия, 1978.
6.	Губинский А. Н. Надежность и качество функционирования
эргатических систем. — Л.: Наука, 1982.
7.	Мамиконов А. Г. Основы построения АСУ. — М.: Высшая школа,
1981.
8.	Надежность и1 эффективность в технике. Справочник. Т. 1. —
М.: Машиностроение, 1986.
9.	Общесистемное проектирование АСУ реального времени/Под ред.
В. А. Шебалина. — М.: Радио и связь, 1984.
10.	Основы инженерной психологии/Под ред. Б. Ф. Ломова. —
М.: Высшая школа, 1986.
11.	Мельников Ю. Н. Достоверность информации в сложных
системах. — М.: Советское радио, 1973.
12.	Рыбаков Ф. И. Системы эффективного взаимодействия человека
и ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1985.
13.	Справочник по инженерной психологии/Под ред. Б. Ф. Ломо-
ва. — М.: Машиностроение, 1982.
14.	Теория прогнозирования и принятия решений/Под ред.
С. А. Саркисяна. — М.: Высшая школа, 1977.
15.	Фокин Ю. Г. Оператор — технические средства: обеспечение
надежности. — М.: Воениздат, 1985.
16.	Цвиркун А. Д. Структура сложных систем. — М.: Советское
радио, 1975.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................. 3
Глава 1. Принципы системного проектирования................ 5
1.1.	Комплексный характер процесса управления в АСУ . .	5
1.2.	Общесистемные требования к интерфейсу взаимодейст-
вия ................................................. 14
1.3.	Показатели качества взаимодействия операторов в
АСУ ................................................. 23
Глава 2. Модели деятельности человека в контуре управле-
ния ..................................................... 38
2.1. Модели процесса взаимодействия человека-оператора
в контуре управления.............................. 38
2.2. Методы принятия управленческих решений........... 54
Глава 3. Методы системного проектирования................. 76
3.1.	Этапы проектирования и организации работ......... 76
3.2.	Определение целей функционирования системы ....	82
3.3.	Модели проектирования структуры.................. 86
3.4.	Распределение функций между человеком-оператором и
техническим обеспечением АСУ......................... 96
3.5.	Определение пропускной способности системы взаимо-
действия ........................................... 107
3.6.	Учет человеческого фактора при проектировании про-
граммного обеспечения	АСУ....................... 119
3.7.	Методы оценки надежности при инженерно-психологиче-
ском проектировании	интерфейса взаимодействия . .	124
Заключение............................................... 138
Литература............................................... 141
Учебное издание
ОРГАНИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ АСУ
В семи книгах
Гасов Владимир Михайлович
Меньков Александр Викторович
Соломонов Лев Анатольевич
Шигин Анатолий Васильевич
Книга 7
СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
Заведующая редакцией Н. И. Хрусталева
Редактор И. Г. Волкова
Младший редактор Г. Г. Бучина
Художественный редактор В. И. Мешалкин
Художник В. В. Г арбузов
Технический редактор С. В. Талагаева
Корректор В. В. Кожуткина
ИБ № 8685
Изд. № СТД-685. Сдано в набор 12 04 90. Подп. в печать 21.01.91. Формат
84Х 108*/з2. Бум. кн.-журн. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем
7,56 усл. печ. л. 7,98 усл. кр.-отт. 7,46 уч.-изд. л. Тираж 38 000 экз. Зак. № 983.
Цена 55 коп.
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул ,
д. 29/14.
Ярославский полиграфкомбинат Госкомпечати СССР, 150049, Ярославль,
ул. Свободы, 97.
Организация взаимодействия человека с техни-
0-64 ческими средствами АСУ. В 7 кн. Кн. 7. Системное
проектирование взаимодействия человека с техни-
ческими средствами: Практ. пособие/В. М. Гасов,
А. В. Меньков, Л. А. Соломонов, А. В. Шигин; Под
ред. В. Н. Четверикова. — М.: Высш, шк., 1991.—
142 с.: ил.
ISBN 5-06-001641-2
В книге рассмотрены проблемы и методика системного проекти-
рования интерфейса взаимодействия человека с техническими сред-
ствами АСУ с учетом комплексного характера процесса принятия реше-
ний различного типа, показано формирование критериев качества
взаимодействия, рассмотрены модели процесса взаимодействия, мето-
дики распределения функций между человеком-оператором и аппарат-
но-программным комплексом, методы определения технических характе-
ристик интерфейса взаимодействия
0605010201-168	ББК 32.965
6Ф65
001(01)—91
55 н.
Организация
взаимодействия человека
с техническими средствами АСУ
ИНЖЕНЕРНО»
ПСИХОЛОГИЧЕСКОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ
СРЕДСТВАМИ
ЯЗЫКОВЫЕ
СРЕДСТВА
I ом
ДИАЛОГА ЧЕЛОВЕКА
С ЭВМ
ТЕХНИЧЕСКИЕ
СРЕДСТВА
ВВОДА-ВЫВОДА
ГРАФИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
ОТОБРАЖЕНИЕ
ИНФОРМАЦИИ
УПРАВЛЯЮЩИЕ
СИСТЕМЫ
ТЕЛЕОБРАБОТКИ
ДАННЫХ
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ [*]
АВТОМАТИЗИРО-
ВАННЫЕ
ИНФОРМАЦИ»
ОННЫЕ
СИСТЕМЫ
И ДИСПЛЕЙНЫЕ
КОМПЛЕКСЫ
а
Серия
в семи книгах
СИСТЕМНОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ЧЕЛОВЕКА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ
СРЕДСТВАМИ
Высшая школа'