Інтелектуальні методи та засоби візуалізації позаштатних ситуацій в складних системах

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Єрохін Андрій Леонідович

УДК 681.518:004.93

ІНТЕЛЕКТУАЛЬНІ МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ПОЗАШТАТНИХ СИТУАЦІЙ В СКЛАДНИХ СИСТЕМАХ

Спеціальність 05.13.23 - системи та засоби штучного інтелекту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Бондаренко Михайло Федорович Харківський національний університет радіоелектроніки, ректор, завідувач кафедри програмного забезпечення ЕОМ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Зєлик Ярема Ігорович, Інститут космічних досліджень Національної академії наук та Національного космічного агентства України, провідний науковий співробітник відділу системного аналізу та керування;

доктор фізико-математичних наук, професор Макаренко Олександр Сергійович, Інститут прикладного системного аналізу МОН і НАН України, заступник начальника відділу прикладного нелінійного аналізу;

доктор технічних наук, професор Машталір Володимир Петрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, декан факультету комп'ютерних наук.

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, кафедра системного програмного забезпечення, Міністерство освіти і науки України

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, тел. 702-14-46.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук С.Ф. Чалий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку складних інформаційних, електричних і інженерних систем характеризується різким збільшенням багатовимірних параметрів контролю, при цьому постійно підвищуються вимоги до надійності роботи систем і оперативності аналізу рішень людиною-оператором. У той же час важливою частиною складної технічної системи, особливо під час позаштатної ситуації, як і раніше є людина-оператор, від когнітивних операторських функцій якої залежить життєздатність усієї системи. Необхідно вдосконалювати інтерфейси інтелектуальних систем на основі побудови і дослідження моделей інтелектуальної діяльності людини з використанням сучасних підходів до візуалізації, що дозволить поліпшити якість взаємодії людини і машини.

Тому актуально розробити підхід до візуалізації позаштатних ситуацій, який дозволив би на якісному когнітивному рівні подавати інформацію про режими роботи складної людино-машинної системи, використовуючи принцип „графіка відкриває дані”, який активізує творчі метапроцедури правопівкульного мислення людини. Значний вплив на розвиток методів, моделей і засобів для інтелектуальних систем обробки та подання інформації зробили дослідження вчених: Е.В.Бодянського, М.Ф.Бондаренка, В.І.Васильєва, Т.К.Вінцюка, В.В.Грицика, Ю.І.Журавльова, А.Д.Закревського, Я.І.Зєлика, О.О.Зєнкіна, В.П.Кожем'яко, В.П.Машталіра, А.А.Молчанова, Д.А.Поспєлова, Є.П.Путятіна, І.Б.Сіроджи, Ю.П.Шабанова-Кушнаренка, В.А.Широкова, М.І.Шлезінгера, S.Bow, H.Lewkowitz, B.Javidi, A.Konar, R.Shepard, R.Solso та ін. Великий внесок у розвиток методів і засобів аналізу та управління складними інженерними, електричними й інформаційними системами в перехідних і позаштатних режимах їхньої роботи внесли вчені В.І.Арнольд, В.А.Вєніков, О.Г.Гриб, А.Г.Євдокимов, О.С.Макаренко, Е.Г.Петров, А.Д.Тевяшев, R.Gilmor, B.Mandelbrot, T.Overbye та ін.

В роботі розглядається клас складних систем з канальною структурою, у яких можна виділити множину рівнів ієрархії, складну багаторівневу систему управління, мережну архітектуру, гетерогенні вузли і канали для транспорту цільового продукту і які мають основну функцію - доставку цільового продукту каналами системи. До таких систем відносяться інженерні, електричні, інформаційні мережі тощо. Дослідження, проведені в дисертаційній роботі, спрямовані на розробку методів і засобів інтелектуалізації складних людино-машинних систем з канальною структурою під час позаштатних ситуацій. Це дозволило розробити моделі і методи перетворення та візуалізації інформації під час позаштатних ситуацій і створити нові засоби інтелектуалізації комп'ютерних інтерфейсів складних людино-машинних систем. Важливими задачами моделювання інтелектуальної діяльності людини і пов'язаною з цим розробкою систем і засобів інтелектуалізації комп'ютерних інтерфейсів є також створення методів забезпечення оптимального рівня психофізіологічного стану людини-оператора шляхом неінвазивного впливу, а також активації когнітивних функцій, у першу чергу, функції уваги. Таким чином, створення методів, моделей і засобів ідентифікації і візуалізації позаштатних ситуацій у складних людино-машинних системах є актуальною задачею під час моделювання інтелектуальної діяльності людини-оператора і розробки засобів інтелектуалізації комп'ютерних інтерфейсів і систем комп'ютерного аналізу, а також синтезу зорових образів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконане на кафедрі програмного забезпечення ЕОМ Харківського національного університету радіоелектроніки відповідно до планів науково-дослідних робіт: “Розробка математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для проектування інтелектуальних систем обробки аудіо, відеосигналів, природно-мовної і аналітичної інформації” (№ДР0100U005436, виконавець); “Моделі механізмів інтелекту людини та їхнє застосування в інформаційних системах зі штучним інтелектом” (№ДР0103U001545, виконавець); “Розробка і впровадження цифрового вимірювача параметрів режимів роботи електричних мереж”, що проводилася Північно-Східним науковим центром НАН України на замовлення Мінпаливенерго України (договір №917/11 від 29.02.99, №ДР0199U001147, виконавець); “Розробка цифрової системи вимірювання якості електричної енергії в системах електропостачання” відповідно до договору №022-201 від 05.11.2001 р., №ДР0101U008263, яка виконувалась згідно до державного замовлення за підрозділом “Прикладні наукові і науково-технічні розробки за пріоритетними напрямками” (КФК 040201, виконавець); плану спільної науково-технічної діяльності відповідно до договору №1 від 05.03.2005 р. про науково-технічне та навчальне співробітництво між Харківським національним університетом радіоелектроніки і науково-виробничою фірмою “Кольородинаміка” (м.Харків).

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є підвищення ефективності людино-машинної взаємодії в складних системах під час позаштатних ситуацій та оперативності аналізу рішень за рахунок створення методів і засобів візуалізації позаштатних ситуацій в складних системах з канальною структурою. Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, сформульовано мету, основні задачі досліджень і наукову новизну одержаних результатів. Розглядається практичне значення результатів дисертації та реалізацію і впровадження розроблених в роботі методів та засобів візуалізації. Наводяться відомості про публікації та апробацію роботи.

Перший розділ присвячено аналізу стану і тенденцій розвитку методів і засобів ідентифікації і візуалізації складних людино-машинних систем (СС) та постановці задач дослідження.

В роботі розглядається клас складних людино-машинних систем з канальною структурою, як систем, що мають множину рівнів ієрархії і, як наслідок, складну багаторівневу систему управління, і в яких можна виділити мережну архітектуру, гетерогенні вузли і канали для транспорту цільового продукту. Закон функціонування такої системи з погляду на основну функцію описується у вигляді кортежу , де - вихідний вектор системи, - вхідний вектор, - вектор екзогенних змінних, - вектор ендогенних змінних. Основні дії людини-оператора під час позаштатної ситуації полягають у діагностиці і прийнятті рішення, а найкращим способом подання людині-операторові інформації про стан системи є візуалізація режимів, оскільки такий підхід дозволяє активізувати когнітивні реакції, що підвищує оперативність і якість аналізу і прийняття рішення. Особливо ефективним такий підхід стає під час ідентифікації позаштатних ситуацій. Психологія мислення розглядає два способи представлення людині інформації - у вигляді послідовності символів та у вигляді цільного образу (зображення), що в сукупності забезпечує феномен людського мислення.

Показано, що існуючі методи і засоби візуалізації станів складних систем (ілюстративні, засновані на розгортковому або тільки неперервному принципах) не орієнтовані на когнітивну візуалізацію позаштатних ситуацій, що призводить до інформаційної невизначеності та неготовності людини-оператора до аналізу і прийняття рішень під час позаштатних ситуацій.

Під візуалізацією розуміється побудова моделі представлення інформації людині. Об'єктом візуалізації є багатовимірні процеси в системі, і особливе значення представляють для візуалізації позаштатні ситуації (ПС).

Під позаштатною ситуацією з погляду на виконання основної функції класу систем, які є предметом дослідження, - постачання цільового продукту, будемо розуміти таке відхилення параметрів СС, що призводить до переходу системи від поточного стану до іншого, який належить до множини небажаних станів системи.

Складні системи з канальною структурою характеризуються наявністю каналів, що утворюють множину входів-виходів, які можуть бути визначені в системі за типами і структурами зв'язків-відношень між підсистемами. Канали можна підрозділити на системні (СК), що складаються з множин елементарних каналів (ЕК). Еволюція системи S у багатовимірному фазовому просторі характеризується множиною змін у системі параметрів їхніх входів-виходів A і B, що представлені декартовим добутком підмножин , де - підмножина вхідний об'єкт; - вихідний об'єкт системи .

Розглянемо властивості множин елементарних каналів: 1) дискретності рахункових множин і в СК; 2) взаємної спряженості входів-виходів і для кожного ЕК , з чого випливає ізоморфізм відображень ; 3) інформаційної незалежності ЕК. Необхідно визначити лінійно-незалежний набір, що включає обмежену кількість сигналів для побудови моделі сигналів з дискретним часом , де - множина моментів часу. Набір a представляється послідовністю з векторів: - вектори технологічних параметрів зі скалярними змінними ; - вектори коригувань параметрів управління зі скалярними змінними ; - вектори параметрів планування зі скалярними змінними; - вектори коригувань параметрів планування зі скалярними змінними ; - вектори, що описують базові операторські функції людини-оператора (психофізіологічного стану - ПФС); - вектори коригувань психофізіологічного стану. Невирішеними залишаються проблеми за наступними напрямками:

1) розробка методів і моделей візуалізації позаштатних ситуацій, що активізують когнітивні функції людини-оператора і підвищують якість ідентифікації позаштатної ситуації шляхом візуалізації;

2) розробка концепції і формального апарату, що реалізує функції ідентифікації та візуалізації позаштатної ситуації, а також нових моделей інтелекту, що реалізують когнітивні і реактивні функції (функція уваги, сенсомоторні реакції тощо).

В другому розділі розробляються формальні моделі складної системи з канальною структурою під час позаштатних ситуацій. Як і будь-яка система, СС характеризується множиною вхідних і вихідних параметрів. Вхідні параметри розділяються на керуючі і зовнішні стохастичні впливи (СВ), при цьому складна система еволюціонує в n-вимірному просторі, у якому стан стабільності в ідеалі представляється точкою, що обирається за початок координат багатовимірного простору. У реальних системах стійкість СС - це баланс між відносною стабільністю і нестійкістю. Реальні флуктуації параметрів системи завжди відмінні від нуля, тому ідеальний “нуль” системи є тільки підмножиною множини станів для флуктуацій параметрів > 0. У залежності від СВ зміна флуктуацій викликає послідовність переходів СС із нульового рівня до деякого граничного рівня. Для усієї системи управління механізми гомеостазу забезпечують стійкість всіх рівнів станів СС всередині флуктуаційного коридору параметрів. Нормовані значення флуктуацій параметрів режимів роботи системи об'єднаємо в так звану флуктуаційну капсулу (ФК). Вихід кожного з параметрів СС із ФК - це перехід системи з квазістійкого до нестійкого стану. Для аналізу взаємодій СС і СВ розглядаються два класи реакцій системи: 1) зміна амплітуд флуктуацій параметрів СС; 2) опосередкована реакція ПФС під час СВ.

Розглянемо властивості системного каналу моделі "підсистема-надсистема", для якої елементи будь-якого (s=1,2,…,n) класу еквівалентності на вході позначимо як , а тотожні їм елементи виходу - . Елементи виходів-входів системного каналу мають низку властивостей, які сформулюємо у вигляді аксіом: А1. Підмножини і виходу-входу у є дискретними і непересічними. А2. Підмножини і сполучені одна одній, тобто відображення є ізоморфним: . A3. і є інформаційно незалежними, якщо , то . A4. і задані і фіксовані на двовимірному метричному просторі. A5. Зв'язок між елементами і встановлюється за допомогою відношення у вигляді декартового добутку множин .

В структурі багаторівневої СС підсистеми і, які розташовані на k-му рівні, пов'язані відношеннями координації, а з надсистемою на (k+1)-рівні - відношеннями субординації. Підсистемою на виході формується підмножина параметрів . Після передачі цих параметрів на вхід надсистеми вони переходять в нову якість параметрів входу. Можлива сепарація елементів в підмножини за ознаками. Вказані множини утворюють класів еквівалентності. Розглянемо множини системних каналів, за допомогою яких елементи виходу з -го рівня відображаються на відповідний вхід -го рівня (для відношень субординації), і множину каналів між підсистемами , для відношень координації. Будь-який стохастичний вплив взаємодіє з підсистемами і і з їхніми зв'язками-відношеннями.

Тоді під відмовою в СС будемо розуміти будь-яке порушення систем зв'язків у підсистемах і . Для моделювання процесів виникнення відмов у СК під час СВ використано моделі спотворень інформації у вигляді комбінаторних перетворень інформації та перетворень груп підстановок. В системному каналі процеси передачі параметрів з виходу підсистем у надсистеми здійснюються за допомогою оператора об'єднання прообразів виходів на -му рівні СС та оператора підстановок , який змінює відношення впорядкованості між множинами виходу-входу. Тоді . Розглянемо локальну систему координат та оператор перетворень підстановок, що відображає > . Тоді для матриць входу і виходу оператор = >. Відобразимо на матриці входу деяку двовимірну матрицю , елементи якої перетворюють у підмножину впорядкованих растрових елементів =, де - матриця в растровій формі; - дискретні фрагменти функції, відображені на . Введемо впорядкованість у вигляді двох непорожніх підмножин, які обмежені знизу і зверху, так, для усіх підмножина , а підмножина . Тоді для будь-якого елемента відносно підмножин і може бути заданий порядок їхнього розташування в повновпорядкованій множині . Такі дві ортогональні, обмежені знизу і зверху підмножини можна виділити і для множини . Збереження відношення упорядкованості припускає, що для будь-якого відношення пари чисел співпадають як для елемента так і для в системі обраних координат. Якщо відношення впорядкованості зберігаються частково чи не зберігаються повністю, то це означає незбігання пар в системах координат . Для цього випадку умова тотожності збережеться лише в області значень усіх , для яких в системі співпадають пари чисел, у протилежному випадку тотожності немає, а мова може йти тільки про еквівалентність. Після перетворень підстановок функція на набуває вигляду , де - матриця перетвореної функції в растровій формі подання, - оператор відображення, а - дискретні фрагменти функції, відображені на . Операторові може бути надане числове значення коефіцієнта , що визначає ступінь комбінаторних підстановок на : , де - число елементів підстановок у ; - загальне число елементів в .

Задаючи значення коефіцієнта в межах , можна генерувати спотворення, для чого достатньо додати функції будь-яке афінне перетворення на . Для перевірки адекватності моделі спотворень у системному каналі складної системи був проведений експеримент на спеціальних установках, що складаються з множин ЕК і СК у вигляді волоконно-оптичної системи з канальною структурою. В результаті експериментальної перевірки виявилося, що візуальне розпізнавання простих геометричних фігур у режимі статичної проекції спотвореного зображення можливе при порушенні впорядкованості елементарних каналів на рівні не більше 0.3.

При цьому ступінь невпорядкованості визначався як відношення , де Уb_p- число елементів параметрів виходу невпорядкованих щодо ортогональної системи в і впорядкованих у своїй системі ; S - загальне число елементів у СК.

Встановлено, що універсальним концептуально й адекватним у прикладному сенсі є підхід, заснований на формалізації складних людино-машинних систем з канальною структурою у вигляді об'єднань елементарних і системних каналів. Дослідження властивостей складного системного каналу, складеного з підмножини системних каналів, за допомогою яких елементи виходу з кожного поточного рівня відображаються на відповідний вхід наступного рівня системи, дає можливість розробити формальну модель випадкових відмов у складній системі на основі комбінаторних та підстановочних перетворень інформації, що дозволяє підвищити якість ідентифікації ПС у системі, запропонувати структурну схему бази знань позаштатних ситуацій у СС і на основі побудованих формальних моделей запропонувати концепцію візуалізації ПС, аналізувати можливі варіанти рішення і знаходити найкраще або припустиме рішення.

У третьому розділі розробляються алгебро-логічні методи ідентифікації і візуалізації позаштатних ситуацій у складних системах з канальною структурою. Розглянемо позаштатну ситуацію в складній системі. На основі алгебри скінченних предикатів і предикатних операцій аксіоматично задамо алгебру позаштатних ситуацій. А6. Для випадку, коли позаштатна ситуація відсутня, задамо відповідність між входом і виходом, при цьому, якщо метрика чітка, то можна віднести дану ситуацію до позаштатної ситуації класу А з утворенням предикатної множини А. А7. Для позаштатної ситуації задамо відповідність 1 вхід - n виходів. При цьому, якщо входи і виходи нетотожні, то з'являється позаштатний стан, що визначений раніше як ПС. Тоді основна задача алгебри позаштатних ситуацій формулюється як ідентифікація і класифікація таких невідповідностей - позаштатних ситуацій. Для змінної метрики дану ситуацію будемо відносити до ПС класу B. Предикатна множина класу B - це предикати з розмитими складовими. Якщо неможливо встановити метрику, то дану ситуацію будемо відносити до ПС класу С. А8. При переході флуктуаційного параметру за границі предикату класу B його предикатна змінна переходить у предикатну змінну більш високого класу.

Розглянемо властивості ФК параметрів режимів системи. Введемо скінченний предикат впізнавання ПС , де - число елементів підстановок на поверхні виходу, для яких для всіх параметрів (kl) відповідні фрагменти функції залишаються всередині або поза ФК, - функція входу СС з канальною структурою, - функція виходу. Вважаємо, що для будь-якого з (kl)-параметрів, що виходить за границі ФК, предикат набуває нульового значення . Тоді для квазістійкого стану значення предикату одиничне. На основі алгебри предикатних операцій введемо предикатну операцію впізнавання предиката за змінною a_i (i=1..n):

важаємо, що для кожного з (kl)-параметрів, що виходить за межі ФК, предикат впізнавання ПС: , а для відносно стійкого стану значення предикату одиничне. У загальному вигляді двовимірна матриця, складена з відповідних предикатних змінних параметрів, що залишилися всередині ФК або вийшли за її межі, буде складатися з одиничних і нульових елементів. Згодом число флуктуацій параметрів, що вийшли за межі ФК, збільшується і число нульових значень предикатів також збільшується.

На основі диз'юнктивно-кон'юнктивної алгебри предикатів та предикатних операцій запропонована алгебра предикатних операцій з базисними операціями диз'юнкції і кон'юнкції і базисними елементами - предикатами впізнавання ПС, які вирішують наступні задачі: 1) формульний запис взаємодій систем ПФС під час дослідження інтелектуальної діяльності людини-оператора; 2) вираження структури рішення в процесі вироблення рішення людиною-оператором під час ПС; 3) побудова моделей складних систем під час ПС з метою підвищення оперативності прийнятого рішення; 4) побудова моделей флуктуаційної капсули параметрів і на її основі розробки методів і моделей візуалізації позаштатних ситуацій у системі з канальною структурою.

Розглядаються питання побудови порогових обчислювальних пристроїв для ідентифікації позаштатних ситуацій у системі. Визначені всі можливі порогові розбивки та окремо розглядається k-значний випадок для впізнавання нормального режиму, позаштатної ситуації, r-передаварійних ситуацій і аварійного режиму (k=r+3), а множина виходу В_k= {.

Пропонується метод моделювання ПС у складній людино-машинній системі з канальною структурою, заснований на введенні спотворень в каналах моделі складної системи, що ґрунтується на наступних принципах: 1) перетворення первинної інформації на вхідній поверхні в растрову структуру входу; 2) введення в передавальний тракт елементарних каналів системи довільних перекручувань, що порушують впорядкованість положень координат елементів виходу щодо елементів входу; 3) формування на вихідній поверхні растрової структури виходу перетвореної інформації.

Задамо систему координат для матриці [А] у вигляді ортогональних осей ( ) і () з початком координат в елементі _. Відповідно для матриці [В] координатні осі будуть (для усіх ) і (для усіх ) з початком координат в . Прообраз інформації представимо як функцію нових координат , співвіднесених із власною системою. Представимо прообраз у вигляді системи скінченних предикатів з елементами розкладання за рядком вихідної системи координат та аналогічно для розкладання за стовпцями. Введемо предикат впізнавання порушення регулярності змінної , заданої за константою . При виконанні умови збігу координат положень змінної і константи в матриці одержимо предикат . При розбіжності координат змінної з константою одержимо предикат .

Визначимо області існування предикатів, як . Тоді для будь-якого СК виконується умова фіксації елементів на A. Розглянемо оператор передачі фрагментів прообразів інформації з входу А на вихід B. Якщо на всьому просторі для елементів і виконуються відповідно умови і , то оператор не виконує умови впорядкованості при передачі фрагмента інформації з інформаційних каналів . Тоді

При перетворенні відбувається порушення впорядкованості з'єднаних елементів. Можна стверджувати, що локальні системи координат нееквівалентні одна одній і не можуть бути з'єднані за допомогою афінних перетворень. Таким чином, у системі передачі інформації в СК існують перетворення перестановок, а квантор існування буде складатися із скінченного числа одиниць і нулів. Представимо відношення між входом і виходом у вигляді:

.

Розглянемо предикатну змінну відповідності умові регулярності, що логічно зв'язує між собою елементи входу зі з'єднаними з ними елементами виходу. При цьому збіг координатних пар чисел визначає , а при розбіжності - . Матриця предикатних змінних визначає взаємну відповідність (або невідповідність) елементів входу-виходу. Для випадку, коли усі, одержуємо дві еквівалентні системи скінченних предикатів за умови збігу їхніх локальних систем координат. Тоді матриця складається з одиниць, у цьому випадку одержимо модель СК, що адекватно передає інформацію зі свого входу на вихід.

Розглянемо випадок, коли усі предикати . Якщо для усіх виконується умова , то матриця містить тільки нульові елементи. Жоден з елементів, які складають предикатну змінну входу і є впорядкованими в локальній системі координат і , не збігається з жодним з елементів виходу в цій же системі. У загальному вигляді область існування системи предикатів буде мати вигляд

.

На основі метода алгебро-логічної ідентифікації позаштатних ситуацій у вигляді алгебри предикатних операцій над матрицями впізнавання порушень регулярності розроблено методику визначення типу і місця аварійної події в складній системі електропостачання та програмно-апаратні засоби для фіксації та аналізу аварійних ситуацій, які були експериментально перевірені та показали переваги над існуючими методиками та пристроями для реєстрації аварійних подій в складних системах електропостачання, оскільки дозволяють, окрім реєстрації параметрів сигналів, ідентифікувати тип та визначати місце аварійної події і автоматично формувати протоколи аналізу ПС.

У четвертому розділі розробляються метод візуалізації позаштатних ситуацій та модель флуктуаційної капсули параметрів складної системи з канальною структурою, в якій під час взаємодії системи і СВ відбувається зміна амплітуди флуктуації, принаймні, одного параметра, що виходить за границі ФК при цьому багатовимірна сфера буде мати локальне випинання оболонки. У випадку множини флуктуацій з'являються множинні викиди флуктуацій. Вихід параметра системи за межі флуктуаційної капсули характеризує перехід системи з квазістійкого до нестійкого стану. Формалізуємо модель ФК, для чого введемо нормування амплітуд флуктуацій за максимальним значенням, тоді ФК перетвориться в одиничну багатовимірну сферу. Радіус амплітуд флуктуацій . Локальний викид флуктуації для кожного К параметра - це перевищення . У просторі параметрів СС є предикати норми P=1, якщо в системі є баланс цільового продукту.

Баланс цільового продукту - перебування суми всіх ін'єктованих у складну систему функцій цільових продуктів і функцій спожитих цільових продуктів за умови перебування цієї суми в межах деякого флуктуаційного коридору. Якщо зазначена сума (інтегральна характеристика) виходить за межі визначеного людиною-оператором флуктуаційного коридору, то будемо говорити про виникнення небалансу (предикат норми не дорівнює одиниці). Введемо предикатні змінні

.

За допомогою предикатних змінних у квазістійкій системі всі стани флуктуацій представляються дискретною множиною одиничних і нульових елементів, відображених на оболонці одиничної багатовимірної сфери. Поява в дискретній множині, принаймні, одного нульового елемента визначає появу одного перевищення амплітуди флуктуації параметра, здатного порушити регулярність. Введемо впорядкованість множини у вигляді двовимірної матриці предикатних змінних . При аналізі цих матриць число можливих нульових предикатів для кожного двовимірного перетину ФК характеризує інтегральну стійкість системи до СВ, а структура предикатних змінних - диференціальну стійкість до них.

Таким чином, аналіз структури системи зв'язків-відношень припускає можливість визначення важливості кожного з параметрів окремо й у сукупності з іншими. За зростанням важливості параметри системи можна розділити на три групи: 1) параметри, зміни яких роблять досить малий вплив на стійкість системи; 2) інерційні до стохастичних впливів параметри, що не встигають за визначений час відреагувати на ці сили; 3) параметри, корекція амплітуд яких повинна бути забезпечена механізмами внутрішньосистемної стабільності і за рахунок зовнішніх цілеспрямованих впливів. Параметри першої і другої груп можливо виключити з розгляду. Для флуктуацій параметрів третьої групи, що мають у матриці нульові значення предикатних змінних, внутрішньосистемна стабільність забезпечується тимчасовим цілеспрямованим переходом системи управління до гетеростатичного управління.

Розглянемо модель флуктуаційної капсули параметрів режимів складної системи. Побудуємо одиничний багатовимірний багатогранник, утворений об'єднанням підмножин флуктуацій параметрів СС з початком координат, поміщеним у центр перетину їхніх діагоналей. Оскільки параметри управління за допомогою прямих і зворотних зв'язків взаємодіють з технологічними параметрами, то їх віднесемо до однієї множини. Для параметрів планування і ПФС людини-оператора також існує множина параметрів коригувань , що забезпечує оптимальні значення цих параметрів. Максимальні нормовані підмножини и_i, т, t, Р є вершинами багатовимірних багатогранників Ц(И), (О), (T) і відповідно (Р), вкладених один в одного. Оболонка, обмежена зазначеними вершинами, утворює флуктуаційну капсулу, при цьому сама оболонка капсули має такі параметри, що здатні повернути ФК до вихідного квазістабільного стану. Такими параметрами будемо вважати множину скалярних значень параметрів управління технологічних параметрів і множину значень параметрів коригувань , що впливають на параметри планування і ПФС людини-оператора .

Задамо підмножину векторів флуктуацій технологічних параметрів , де - впорядковані за меридіанами і широтами одиничної сфери кутові коефіцієнти векторів; - нормовані скалярні значення векторів; - стохастичні впливи на СС відсутні. Оскільки основними впливами на СС є СВ і параметри ПФС людини, то для подальшого розгляду використаємо два положення: 1) результуюча взаємодія технологічних параметрів з параметрами управління і параметрів планування з параметрами коригувань, не впливають на положення векторів , тобто не змінюють координат відповідних вершин на поверхні ФК; 2) результуюча взаємодія метричних параметрів із СВ і ПФС людини призводить до зміни положень векторів.

Умовою виходу СС у позаштатний режим буде вихід скалярної змінної за одиничний інтервал і вихід вектора за максимальне значення з множини . Розглянемо флуктуаційну капсулу параметрів. Введемо стохастичне збурення TS. За рахунок перетворення одновимірних інтервалів у двовимірну підмножину , одержуємо двовимірний розподіл усіх флуктуацій технологічних параметрів ц_i, які змінюються під впливом стохастичного збурення TS. Як двовимірну множину оберемо еліпс, у якого великий діаметр відповідає інтервалові, а малий - визначає флуктуації векторів технологічних параметрів при взаємодії із впливами TS.

Розглянемо варіант, коли зміна флуктуації параметра складає , де - максимально можлива його зміна при стохастичному впливові, що не призводить до позаштатної ситуації. Зміна флуктуації скалярної змінної зазначеного параметра щодо великого діаметра - . Вважаємо, що за рахунок параметрів управління не відбувається виходу СС зі штатного режиму. Тоді параметри і можуть бути обрані як критерії позаштатних і передаварійних ситуацій у СС.

Відобразимо підмножину векторів параметрів на сферичній поверхні одиничної сфери (на дотичній площині), при цьому проективні відображення векторів спільно зі скалярними змінними параметрів управління ізоморфні скалярній змінній : , що визначає можливість аналізу змін проекцій векторів і їхніх флуктуацій для розпізнавання передаварійних і аварійних ситуацій. Для зручності розгляду формальної моделі надамо кожній з множин деякий колір, наприклад, для параметрів - червоний колір, параметрів планування і його коригувань - зелений, параметрів ПФС людини-оператора - синій, одержавши, таким чином, RGВ-тріаду основних кольорів. Тоді, з урахуванням колірної параметризації і за наявності СВ, які змінюються в межах штатних ситуацій у СС, одержимо

.

_{Розглянемо метод візуалізації позаштатних ситуацій в складній системі з канальною структурою. ФК може бути представлена у вигляді одиничної сфери, такої, що:}

- в стані нормального функціонування всієї СС або кожної з її підсистем у межах штатних ситуацій капсула забарвлена в адитивно-білий колір;

- за відсутності СВ зміни параметрів будуть призводити до збільшення або зменшення інтенсивностей червоного і зеленого кольорів, що призводить до збільшення жовтої компоненти при адитивному змішуванні; зміни ПФС людини-оператора призведуть до збільшення або зменшення інтенсивності синього кольору, у результаті чого колір ФК набуває адитивно-жовтого відтінку;

- за наявності СВ за рахунок появи областей прецесій векторів у забарвленні ФК будуть з'являтися різноманітні додаткові відтінки, відмінні від адитивно-білого.

Розглядається класифікація параметрів СС за ступенем її реакції на СВ: 1) підклас сильних взаємодій; 2) підклас слабких взаємодій; 3) підклас опосередкованих взаємодій. Під час аналізу ПС можливі декілька типів взаємодій, що визначають множину ситуацій під час функціонування складної системи з канальною структурою:

- технологічний параметр у штатному режимі функціонування СС проектує на поверхні одиничної сфери околицю ;

- технологічний параметр за рахунок взаємодії із СВ слабкої взаємодії змінює своє положення і виходить у зону передаварійної ситуації, при цьому на поверхні сфери проектується -околиця;

- технологічний параметр за рахунок взаємодії з СВ із сильною взаємодією змінює своє положення і виходить у зону передаварійної ситуації, при цьому на поверхні сфери проектується околиця.

_{Для побудови ФК капсули аксіоматично задамо два положення: 1) результуюча взаємодія технологічних параметрів, параметрів планування і ПФС людини-оператора поза полем СВ не впливає на положення їхніх векторів , , тобто координати проекцій вершин векторів на поверхні капсули не змінюються; 2) результуюча взаємодія технологічних параметрів, параметрів планування і ПФС людини-оператора із СВ призводить до зміни положення проекцій вершин векторів на поверхні капсули.}

Після визначення можливих систем зв'язку параметрів СС із СВ і відповідних характеристичних функцій, задамо кожному з векторів такі кутові значення , , щоб відповідні вектори виявилися рівномірно розміщеними в екваторіальних зонах одиничної сфери. Для кожної двовимірної області на поверхні сфери визначимо всередині області три підмножини , де Д1, Д2, Д3 - верхні значення розмірів двовимірних областей (зон), що відповідають положенням векторів параметрів СС, які зміщуються під впливом СВ та визначають позаштатний режим; Д0 - зона штатної ситуації параметра СС.

Розроблені модель флуктуаційної капсули параметрів режимів складної системи та метод візуалізації позаштатних ситуацій розвивають концепцію візуального відображення оперативної інформації, яка ґрунтується на колірній параметризації та на відміну від існуючих розгорткових чи мнемосхемних способів візуалізації забезпечує когнітивно-графічне подання інформації в людино-машинному інтерфейсі.

У п'ятому розділі розглядається вирішення задачі моделювання й адаптації ПФС людини-оператора, як одного з важливих компонентів системи управління складною системою, а також обґрунтовується метод візуального кодування інформації.

Запропоновано метод активації когнітивних функцій людини-оператора, що дозволяє адаптувати систему ПФС людини до негативного впливу монотонії на основі використання двох класів систем ПФС за ступенем включення когнітивних функцій людини-оператора з використанням кольорових образів. Такий невербальний вплив здатний досягти рішення двох задач: 1) допомогти системі гомеостазу повернути систему ПФС із нестійкого до квазістійкого стану; 2) перевести ПФС до нового стійкого стану. Запропоновані методи та засоби проходили експериментальну перевірку на групі операторів та показали значне покращення когнітивних операторських функцій (перш за все, швидкості реакції).

Розроблено модель функції уваги людини-оператора, заснована на оцінці фактора несподіванки в актуальному зоровому полі на основі волоконно-оптичного СК, що моделює вхід відеосистеми та складається з рахункової множини елементарних світловодів з різними діаметрами поперечних перерізів. При цьому вхідні поперечні перерізи світловодів мінімального діаметру розташовуються в центрі поля зору і моделюють зону фавеа, усі світловоди з великим діаметром - периферійну зону.

Усі світловоди, розташовані в центральній зоні входу, своїми вихідними поперечними перерізами оптично погоджені з відеоприймачем та електрично пов'язані з процесором послідовної обробки відеосигналів. Усі світловоди периферійної зони СК оптично погоджені з відеоприймачем, що пов'язаний із процесором паралельної обробки відеосигналів. Для кожної точки безперервного (регулярного) зображення, заданого в двовимірному континуальному просторі, після її проективного перетворення, ставиться у відповідність точковий елемент. Позначимо візуальну інформацію і фактор несподіванки, що міститься в ній, у вигляді багатовимірного вектора з усередненими значеннями інтенсивності трьох основних кольорів, які спроектовані на вхід СК із координатами, заданими в локальній системі координат. Як критерій наявності в актуальному зоровому полі фактора несподіванки обирається зміна інтенсивності і швидкості переміщення деякої візуальної складової актуального зорового поля. До системи вводяться волоконно-оптичні детектори уваги, засновані на комбінаціях ЕК і СК та комбінаторній нерегулярності. Модель функції уваги ґрунтується на використанні комбінаторної нерегулярності в детекторах уваги, при цьому малі лінійні переміщення візуального об'єкта на вході волоконно-оптичного СК стрибком переходять у високоінтенсивний процес, який далі може детектуватися звичайними методами.

Розроблено метод візуального кодування інформації про ПС на основі відображення інформації з використанням колірного і графічного кодування основних параметрів функціонуючої системи. Використання візуальних систем кодування інформації з позицій сучасних систем і засобів штучного інтелекту, є одним з важливих напрямків, що дозволяє підвищити ефективність операторської діяльності людини-оператора. Формальна модель відображення інформації є одиничною сферою, утвореною множиною вершин одиничних векторів параметрів складної системи. Для розробки методу візуалізації оперативної інформації використана модель у вигляді плоскої розгортки північної або південної півкуль одиничної сфери. При цьому обираються три кільцеві зони розгортки з радіусами , де е - околиця полярної зони розгортки. Далі впорядкуємо множину проекцій векторів параметрів , , і . Розділимо розгортку на 3m рівномірно розподілених секторних зон . В результаті розподілу одержуємо рівномірне розміщення відображуваних параметрів , , і на трьох кільцевих зонах розгортки. Одиночна проекція кожного з векторів СС відображається в центрі у вигляді точки зі своєю -околицею.