Адекватность режимов функционирования управляемой эргатической системы с переменной структурой по показателю эффективности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК [629.5.05:007.5]:[621.397.13:004.353]

И. Н. Левоев, А. С. Хроненко, В. В. Сологубов

АДЕКВАТНОСТЬ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ ЭРГАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ ПО ПОКАЗАТЕЛЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ

I. N. Levoev, A. S. Khronenko, V. V. Sologubov

SUFFICIENCY OF OPERATIONAL MODES OF CONTROLED ERGATIC SYSTEM WITH THE VARIABLE STRUCTURE BY THE EFFICIENCY PARAMETER

Функции управления эргатической системой и показатели их эффективности, такие как энергетические затраты, коэффициент полезного действия судна, число вынужденных остановок судового оборудования, рассматриваются через системы автоматического управления без учета «человеческого фактора» и с ним на современных транспортных и промысловых судах. Для оценки величины снижения эффективности системы учитываются срывы технологического процесса вследствие внешних и внутренних угроз, которые вызывают переход из автоматического режима управления в ручной. Оценить возможные исходы при наблюдениях за параметрами состояния позволяет предлагаемое решение задачи по поиску вероятностных показателей оценки отношения адекватности для режимов управления системой с переменной структурой по показателю эффективности, сводящееся к задаче вероятностной оценки принадлежности.

Ключевые слова: эргатическая система, показатель эффективности, человеческий элемент, режимы, параметры состояния, оценка отношения адекватности, вероятностная оценка принадлежности.

The functions of the control of the ergatic system and their efficiency parameters, such as energy costs, the efficiency of the vessel, the number of internally stops of the vessel’s equipment are considered through the automatic control systems excluding the "human factor" and with it on modern commercial and fishing vessels. To evaluate the effectiveness of the system’s reduction the process failures are taken into consideration due to external and internal threats that cause the change of modes from automatic to manual. The proposed solution of the task of finding probabilistic indicators of the assessment of the adequacy ratio for control modes of the system with variable structure of the efficiency indicator, coming to the task of the probabilistic assessment of the membership, makes possible an assessment of the possible outcomes during observations of the state parameters.

Key words: ergatic system, indicator of efficiency, human element, modes, state parameters, assessment of the adequacy ratio, probabilistic assessment of the membership.

Введение

Современные промысловые и транспортные суда оборудуются такими системами автоматического управления, которые при обеспечении навигационной и промысловой безопасности предусматривают возможность перехода от автоматического на неавтоматический режим управления и наоборот, при непосредственном участии судового специалиста (оператора). Если резервируются управляющее устройство и исполнительный усилитель, то судовой специалист может дистанционно или непосредственно управлять как исполнительным механизмом, так и управляющим устройством. Если же резервируется исполнительный механизм, то судовой специалист может только вручную управлять исполнительным механизмом непосредственно по месту его установки. При этом информацию о поведении объекта управления судовой специалист может получать от системы обработки и отображения данных (СООД), состоящей из цифрового информационно-вычислительного устройства и встроенных в него электронных средств отображения, работающих в рамках используемых программных продуктов.

Система отображения информации доводит до судового специалиста информацию о характере выполнения судовой операции в удобном для восприятия виде и дает сигналы о выходе управляемых параметров этой операции за некоторые нормативные границы. В современных ис-

следованиях по обеспечению безопасности и эффективности судовых операций акцент делается в первую очередь на влиянии ошибок судового специалиста при выполнении судовых операций с помощью автоматических систем управления, резервированных «человеческим элементом». Однако для российских промысловых и транспортных судов существует достаточно высокая вероятность срыва технологического (транспортного или промыслового) процесса вследствие внешних и внутренних угроз техническим средствам без учета ошибок «человеческого элемента».

Структура эргатической системы

Структуру эргатической системы управления с переменной структурой представим блок-схемой (рис.). Для этой системы управления судовым технологическим процессом или его компонентой в качестве показателя эффективности управления целесообразно использовать такие технологические показатели эффективности, которые характеризуют работу подобных систем только при наличии технических отказов в величинах, оценивающих качество ведения судовой операции. Примерами таких показателей могут быть энергетические затраты, коэффициент полезного действия судна, число вынужденных остановок судового оборудования [1].

Блок-схема эргатической системы управления с переменной структурой:

СООИ - система оперативной обработки информации

Для оценки величины снижения эффективности функционирования системы при внутренних и внешних угрозах, вызывающих, по соображениям безопасности, необходимость перехода из автоматического режима управления в ручной режим управления или даже к остановке технологического процесса, будем использовать полумарковский процесс. Тогда можно принять, что мгновенное значение Z(t) некоторого технологического показателя эффективности системы с переменной структурой связано со значением управляемой величины ДО неслучайной функцией вида

т = / [!Ш (1)

Случайный процесс изменения управляемой величины при автоматическом управлении обозначим как Га(0, при неавтоматическом (ручном) управлении - Ур(^. Допустим, что процессы Га(0 и Гр(0 являются стационарными с плотностями распределения фа(у) и фр(у), математическими ожиданиями та и тр и дисперсиями о2а и а2р соответственно. Уточним выражение (1), записав его так:

ад = / [ВД].

Определение показателя эффективности и оценка адекватности режимов

При идеально надежном функционировании устройства управления показатель эффективности, например энергетические затраты, будет определяться следующим образом:

t да

= М|^^ = ИМ[2а (0] = 11 /(у)ф(у)«у.

0 —да

Показатель эффективности, но с учетом необходимости в ручном управлении системой, можно записать так:

ЖР =и 1 (у)ф*( у№ + и21 f(у)ф р( у№ ,

где и1 и и2 - веса (вероятности) соответствующих компонент.

Тогда показатель эффективности системы с техническими отказами, которые приводят к необходимости переключения с автоматического режима управления на ручной режим управления, будет оцениваться следующим образом:

АЖ = Жа —Жр =и2

I f (у)фа (уМу - | f (у)фр (У^У

—да

(2)

Для оценки адекватности режимов функционирования системы с переменной структурой по показателю эффективности (2) с переходом из одного режима в другой (адекватность режимов при замене управляющего устройства «человеческим элементом») рассмотрим один из простейших случаев оценки величины АЖ

Так, будем считать, что функция f линейна:

г = АУ) = с у + С2, (3)

где с1 и с2 - некоторые коэффициенты.

Подставив (3) в (2), получим

АЖ = и С1(та - тр).

При этом очевидно, что дисперсия процесса ДО при переводе системы на ручное управление при линейной функции А не влияет на показатели эффективности.

Для разработки модели адекватности между двумя режимами функционирования системы воспользуемся тем, что такое отношение можно считать состоявшимся, если АЖ ^ 0, а действительные значения параметров состояния х, при автоматическом режиме управлении находятся в заданном интервале:

= М [ х ] при х є[а, Ь1 ], і = I

п.

При переходе в режим ручного управления стремление АЖ ^ 0 также должно иметь место, а адекватность между двумя режимами функционирования системы достигается, если значения параметров ее состояния будут находиться в границах интервала, заданного так:

тр = м [ у. ] при У!=( х+4, )ф,, d1 Ъ !1 п, (4)

где 4, - погрешность измерения .-го параметра состояния системы при ее ручном управлении.

Тогда оценка адекватности режимов функционирования системы с переменной структурой по показателю эффективности может быть сведена к задаче вероятностной оценки принадлежности:

р{х, Ф,, ь, Ь! =1,п } ^ {у, =(х + 4 )ф,, ^ ], . = 1,п . (5)

При практической оценке отношения адекватности режимов управления системой, с учетом погрешностей измерения, необходимо априорно задать две конкурирующие гипотезы:

- Н0 - отношение адекватности между режимами управления системой имеет место с некоторой вероятностью ри;

- Н1 - отношение адекватности между режимами управления системой не имеет место с вероятностью ри = 1 - ри.

Тогда вероятностная оценка адекватности режимов управления с учетом выражения (5) может быть осуществлена путем сравнения х, и у, на заданных интервалах и выбора той или иной гипотезы об адекватности или неадекватности по показателю эффективности режимов управления системы. Вероятность правомочности сделанного выбора наиболее предпочтительной гипотезы будет соответственно равна:

да

да

—да

та

Рг < ^ У (У>, -, Уп ) dУl, -, ^«, Рг = 1 - Р^

где V (у 1, ..., у«) - совместная плотность вероятности значений параметров в контролируемых точках заданных интервалов.

При статистической независимости параметра х, и погрешности 4,, что в большинстве случаев соответствует действительности, плотность вероятности результатов измерений можно найти в виде композиции законов:

Г00 Г00 / \

v(УI,..., У«) =1 к I ©(х,..^ х«) q (у, - х,, к , у« - х«) dxl,..., ^ (6)

-да —да х '

где q(41, к, 4«) - совместная плотность вероятности погрешностей измерения и параметров состояния системы для автоматического режима управления.

В том случае, когда погрешности в выражении (4) можно отнести к разряду накапливающихся погрешностей, обусловленных, например, фактором усталости «человеческого элемента», то при рг Ф ри возможна констатация следующих несовместных отношений:

- верное отношение адекватности - у, е[с,, di ], , = 1, «; х, е[а,, Ь, ], , = 1, « - рВЗ (г);

- неверное отношение адекватности - у, £ [с!, di ], ,' = 1, «; х, £ [а,, Ь, ], ,' = 1, « - рВЗ (г* );

- отношение адекватности не обнаружено - у, е [с,, di ], ,' = 1, «; х, £ [а,, Ь, ], ,' = 1, « -рНО;

- ложное отношение адекватности - у, £ [с,, di ], , = 1, «; х, е [а,, Ь, ], , = 1, « -рЛО.

Если вероятности этих гипотез подчиняются равенству

рВ? + р£+ рно + рЛО = 1, то можно использовать равенства вида

(Г) (г)

рно = рг - Рв3, рЛО = ри - рВ3.

Тогда для вероятностной оценки отношения адекватности между режимами управления системой с учетом фактора усталости «человеческого элемента» можно привлечь две конкурирующие гипотезы:

- Н0 - адекватность существует с ненормированной плотностью значений параметра ©г (х1 ..., х«);

- Н1 - адекватность не существует с ненормированной плотностью значений параметра

©Г (х ,к ,х«).

Распределение смеси этих гипотез имеет вид

©(х. ..., х«) = ©г (х.,..., х«) + ©г (х.,...,х«),

\ , 5 «/ г \ , 5 5 «/ г \ , 5 ’«/’

причем верное заключение об «адекватности режимов функционирования определяется с вероятностью равной:

£?р кг©г(х,...,х«)^,...,<

Плотность вероятности значений параметров адекватных режимов функционирования системы записывается так:

©г (х..... х« )£.../> (х1.....х«

/ Уl,..., у«) v (у^к , у«) ^, ф«, (7)

где © (х1, ..., х« /уь... , у«) - совместная плотность вероятности значений параметра в контролируемых точках диапазона при условии, что результаты его измерений равныу1, ..., у« .

Условная плотность вероятности определяется так:

( , \ © (х^ к , х« ) © (х^ к , х« / уи ... , у« )

)(х, ,к, х«/ у1 , к,у«) = "гда-------------------------—-----------—---------------1-------------. (8)

1-дак |-да © (у, -, у«/ х1 ,-, х«) © (X,-, х«) ^,-, ^«

«

и при статистической независимости xi и 4>i эту условную плотность для результатов измерений (5) можно записать следующим образом:

ш (yi, • • •, Уп / xi, ..xn) = q (yi - xi, ..., yn - x„). (9)

На основании (5)-(9) можно найти

ШГ(х1, ••• , xn) = шг (xi, ••• , x„) ... q(У -x!, K ,Уп -xn) dyx,..., dyn

Заключение

Таким образом, полученные вероятностные показатели оценки отношения адекватности для режимов управления системой с переменной структурой могут быть использованы для оценки возможных исходов при наблюдениях за параметрами состояния.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зива И. И. Эффективность эргатических систем управления с целенаправленными изменениями структуры / И. И. Зива, В. В. Шутов, В. И. Меньшиков // Рыбное хозяйство. 2012. № 6. С. 70-72.

REFERENCES

1. Ziva I. I., Shutov V. V., Men'shikov V. I. Effektivnost' ergaticheskikh sistem upravleniia s tselenaprav-lennymi izmeneniiami struktury [Effectiveness of ergonomics systems management with targeted changes in the structure]. Rybnoe khoziaistvo, 2012, no. 6, pp. 70-72.

Статья поступила в редакцию 26.12.2013

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Левоев Иван Николаевич - Мурманский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судовождение»; ljovka@yandex.ru.

Levoev Ivan Nikolaevich - Murmansk State Technical University, Postgraduate Student of the Department "Marine Navigation"; ljovka@yandex.ru.

Хроненко Александр Сергеевич - Мурманский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судовождение»; shurik_sander@mail.ru.

Khronenko Alexander Sergeevich - Murmansk State Technical University, Postgraduate Student of the Department "Marine Navigation"; shurik_sander@mail.ru.

Сологубов Виталий Викторович - Мурманский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судовождение»; group313nf@gmail.com.

Sologubov Vitaliy Victorovich - Murmansk State Technical University, Postgraduate Student of the Department "Marine Navigation"; group313nf@gmail.com.