Software & Systems

В ходе управления сложным технологическим процессом человеку-оператору приходится подчас контролировать показания значительного количества приборов. Причем он должен принять решение о применении некоторого управляющего воздействия, учитывая не только конкретные значения контролируемых параметров, но и их сочетания, поскольку, как правило, состояние процесса идентифицируется именно на основе совокупностей значений характеристических параметров.

Указанное обстоятельство предъявляет жесткие требования как к уровню знаний оператора об управлении процессом, так и к степени его внимания во время работы.

Традиционными способами поддержки работы оператора в современных системах управления с использованием ЭВМ являются агрегирование поступающей от объекта управления информации и текстово-графическое отображение этой информации на экране дисплея. Агрегирование подразумевает ту или иную первичную обработку датчиковой информации, которая затем визуализируется на экране в виде чисел, графиков, мнемосхем. Оператор должен в соответствии со своими знаниями и опытом интерпретировать полученную информацию и принять определенное решение.

Представляется, что одним из целесообразных путей повышения эффективности работы оператора является алгоритмическая поддержка процедуры интерпретации, т.е. выделение из этой, в целом творческой функции некоторых рутинных, формализуемых составляющих.

Целью данной работы и является разработка таких инструментальных средств, которые позволили бы частично формализовать процедуру качественной интерпретации поступающей информации и визуализировать результаты интерпретации.

Разнообразие совокупностей значений контролируемых параметров сложного технологического процесса, как правило, существенно шире разнообразия управляющих воздействий, доступных оператору. Отсюда следует, что, принимая решение, оператор руководствуется некоторыми обобщенными характеристиками процесса (подчас качественными), количество которых не должно превышать число возможных воздействий. Собственно, обобщенная характеристика зачастую отражает трудно-формализуемые зависимости между группами реальных параметров процесса; ее построение реализует упомянутую качественную интерпретацию.

Таким образом, задача поддержки работы оператора распадается на две взаимосвязанные: поддержку формирования обобщенных характеристик и на динамическую визуализацию образов, которые отображают состояние, соответствующее характеристикам.

Решая первую из задач, необходимо отдавать себе отчет в том, что построение точных обобщенных характеристик, т.е. сведение описания процесса к какому-либо набору ситуаций, каждой из которых соответствовало бы свое управляющее воздействие, а также свидетельствовало о полной формализуемости управляемого процесса и о возможности реализации чисто автоматического управления.

На практике же удается формально описать лишь часть знаний разработчиков и эксплуатационников об управляемом процессе. Отсюда следует, что контроль состояния процесса по его обобщенным характеристикам позволяет определять лишь тенденции развития процесса, идентифицировать некоторый класс состояний, но не каждое состояние процесса в отдельности.

Указанные соображения об ограниченных возможностях формальной интерпретации делают логичной следующую идею визуализации: это должен быть единый рисунок, отдельные части которого изменяются а зависимости от изменений значений обобщенных характеристик, причем характер изменения рисунка должен быть связан с оценкой характера развития процесса (например, тенденция к аварийному изменению параметров должна отображаться такой трансформацией рисунка, которая, естественно, интерпретируется оператором как ухудшение обстановки).

Таким образом, инструментальные средства построения системы отображения динамики сложного технологического процесса долж'ны обеспечивать:

-   формальное описание (на основе широкого класса математических функций) совокупного изменения значений произвольных подмно жеств параметров;

-   качественную интерпретацию, т.е. задание качественных значений обобщенных характе ристик, соответствующих формальным описа ниям;

-   графическое отображение, в псевдодинами ческом режиме, указанных обобщенных харак теристик, удовлетворяющее условиям цельнос ти рисунка и соответствия оценки характера развития процесса "общепризнанной" оценке типа изменения рисунка (его деталей).

Заметим, что если все показатели сложного процесса можно свести к единой оценочной величине, по значению которой можно однозначно понять, хорошо или плохо протекает процесс, то и отображение его хода можно строить в виде одномерного изменяющегося рисунка, например изображения лиц с меняющимися выражениями (от смеющегося до плачущего), куб с искаженными гранями и др.

В общем же случае, когда не удается однозначно упорядочить все характеристики процессов в единую последовательность, отображение состояния процесса также не будет одномерным, а должно содержать несколько элементов. Предлагаемая в данной работе система как раз и предназначена для отображения состояния подобных процессов. В качестве изображения, адекватно отражающего состояние процесса, была выбрана сцена, содержащая несколько элементов, каждый из которых связан с одной из обобщенных характеристик процесса. При этом необходимо, чтобы все элементы изображения, во-первых, стыковались друг с другом, во-вторых, изменялись в соответствии с переменой в связанной с ним характеристике. Если же изменения таковы, что состояние процесса (оцененное какой-либо характеристикой) достигает критической отметки, то и отображающая его сцена должна выглядеть таким образом, чтобы с одного взгляда понять критичность ситуации. В этом случае кроме визуальных изменений можно использовать и звуковые эффекты, привлекая внимание оператора.

Помимо организации визуализации описываемая система должна обеспечивать прием и хранение параметров процесса, доступ к ним в удобной для пользователя форме, функционирование пакетов первичной обработки, связь с системой принятия решений, помощь пользователю по работе с системой. Разнообразие функций системы, необходимость доступа из различных ее частей к взаимосвязанным параметрам и характеристикам, требование удобства использования накладывают свой отпечаток на выбор подхода к реализации. Для реализации системы был выбран гипертекстовый подход, обеспечивающий доступ к материалу в произвольной последовательности. Система визуализации была реализована с использованием системы LinkWay, которая является гипертекстовой, относящейся к наиболее мощной его разновидности — системам гипермедиа (hypermedia). Принципиальной особенностью систем гипермедиа является дальнейшее развитие идеи ассоциативно связанной текстовой информации: распространения данного толкования на графическую и звуковую, хранящуюся в ЭВМ в цифровой форме.

Итак, система отображения хода производственно-технологического процесса содержит:

—блок отображения результатов измерений в виде некоторого изображения, адекватного состоянию процесса;

—блок первичной обработки входных пара метров;

—блок настройки на проблемную область;

—подсистему имитации производственно-тех нологического процесса;

—блок выдачи справочной информации.

Первый из упомянутых блоков обеспечивает отображение совокупных изменений параметров в ходе технологического процесса в виде квазинепрерывнодеформируемого изображения, адекватно отражающего (в основном) состояние процесса. Программа генерации изображений готовит рисунки из заготовок и осуществляет выбор из них на основе анализа значений характеристик процесса. Рисунки заменяются на экране с частотой 2-3 секунды. Подготовка элементов изображения и его формирование описаны ниже.

Блок первичной обработки выполняет преобразование входных параметров процесса в его обобщенные характеристики. В качестве программ первичной обработки в настоящее время в системе работают программы вычисления многочленов и нахождения минимумов/максимумов входных параметров. Возможно подключение реальных прикладных программ первичной обработки.

Блок настройки осуществляет непосредственно настройку на конкретный процесс, на предметную область. Он функционирует в диалоговом режиме с указаниями пользователю, какие возможны варианты задания основных характеристик процесса. Диалог строится с учетом требования создания удобного интерфейса с пользователем. Реализуется механизм меню, осуществляется контроль корректности задания информации. Язык общения с пользователем допускает описание измеряемых параметров процесса, его обобщенных характеристик, соответствие параметров характеристикам и правила преобразования параметров.

Имитация производственно-технологического процесса применяется в системе при отладке отдельных ее частей, а также при отработке методов визуализации. Возможно задание конкретного значения любого параметра процесса с последующей визуализацией нового состояния имитируемого процесса. Имеется возможность предварительной подготовки последовательности наборов параметров системы и просмотра в динамике отображения на экране, соответсвующей им последовательности состояний процесса.

Блок выдачи справочной информации содержит основные сведения по работе с каждой из подсистем. Одной из особенностей блока является то, что допускается возможность при просмотре справочной информации наблюдения текущих значений соответствующих параметров или характеристик системы.

Назначение системы визуализации заключается не только в том, чтобы предоставить оператору информацию о состояний процесса, но и вызвать подсистему выработки рекомендаций по принятию решений о действиях в условиях аварии. Такие рекомендации формируются специальной программой анализа ситуации, разрабатываемой для конкретного технологического процесса и подключаемой к системе визуализации. Программа инициализируется либо автоматически, если в процессе работы любая из качественных величин превысила критический порог, либо по запросу оператора. Программе анализа передается информация о значениях входных параметров процесса, обобщенных характеристик, качественных величин и О зависимостях между ними. На основе переданной информации программа должна проанализировать ситуацию и выработать код ситуации, возвращаемый подсистеме визуализации. Используя такой код, подсистема отображает соответствующую ему информацию (рекомендации оператору) на экране. Возврат в систему для продолжения наблюдения за ходом процесса осуществляется либо по истечении интервала времени, либо после нажатия любой клавиши на клавиатуре.

Как уже говорилось ранее, возможны различные подходы к визуализации обобщенных характеристик (ОХ) технологического процесса. Рассмотрим два подхода, применяемые в системе ВИЗУАЛЬ - Статическая и Динамическая сцены.

Статическая сцена представляет собой базовую (фоновую) картинку, на которую накладываются отдельные элементы изображения, причем каждый элемент соответствует одной из обобщенных характеристик процесса. Каждый элемент может быть представлен в нескольких состояниях, отражающих, например, последовательное ухудшение качества соответствующей обобщенной характеристики.

Реализуя статическую сцену приходится, фактически, прорисовывать с помощью графического редактора или соответствующего алгоритма генерации изображения JVa отдельных микросюжетов, где N3 равно сумме количества состояний всех элементов. Заметим, что в качестве одного из элементов может выступать и базовая картинка.

Технология работы над системой отображения, основанной на указанном принципе может быть организована следующим образом.

Анализируется предметная область и выявляются обобщенные характеристики, число которых, по-видимому, не должно превышать 7-8. Выявляются диапазоны изменений обобщенных характеристик, для каждой из которых строится шкала оценки качества. В такой шкале, содержащей от 2 до 10-12 делений, указываются диапазоны, внутри которых значения обобщенных характеристик могут считаться постоянными (дискретизация обобщенных характеристик). Кроме того, на шкале указываются "критические точки" (уставки), при переходе через которые состояние обобщенных характеристик меняется качественно. Формируется сюжет сцены и вырабатываются рекомендации художнику по прорисовке состояний элементов и базовой картинки. На базовой картинке выделяются зоны (реализуются прямоугольные и непересекающиеся зоны), в каждой из которых будет представлен свой элемент. Допускается "плавание" элемента внутри отведенной для него зоны.

Далее, на основе анализа предметной области прорисовываются базовые картинки и элементы во всех возможных состояниях. Опыт показывает, что удобно рисовать все элементы в сходных по качеству состояниях вместе на одной картинке. Созданные реализации элементов "вырезаются" из картинки и записываются в виде отдельных файлов-спрайтов или файлов-подпрограмм, а также библиотеки файлов.

Процесс визуализации теперь сводится к следующему алгоритму:

ЦИКЛ по времени

Получила значения ОХ на данный момент времени;

ДЛЯ^ВСЕХ ОХ

Для ОХ, используя шкалу дискретизации, найти

дискретное значение Д;

Выбрать элемент Э, соответствующий значению Л; Для Э определит» позицию его вывода

на базовую картину; Вывести Э,-

Вычислить Оео6ое__Уеловие; КОНЕЦ Для_всех ОХ

ЕСЛИ Особое_Условие ТО

ВЫПОЛНИТЬ Осо6ое_Действие; КОНЕЦ ЕСЛИ

КОНЕЦ Цикл по времени

Несколько слов об Особом_Условни и Осо-бом_Действии. Большей наглядности визуализации можно добиться, если ввести в рассмотрение обобщенную функцию (например, тах{ОХ}, при условии, что увеличение значения ОХ приводит к ухудшению состояния системы), вырабатывающую Особое_Условие, на которое требуется немедленная реакция оператора или с которым связывается вызов экспертной (диагностической) или других подсистем. При визуализации а качестве Особого_ Действия могут использоватся звуковые сигналы, мерцание экрана и т.д. Диагностическая подсистема может вызываться сразу после непродолжительной визуализации сцены.

Использование статической сцены дает возможность поддерживать графический диалог с оператором, позволяя последнему отслеживать как общее состояние технологического процесса, так и оперативно узнавать о состоянии отдельных обобщенных характеристик, их точных значениях. Для этого оператору достаточно указать на экране на соответствующую зону (точнее, на элемент, присутствующий на экране), и он получает всю информацию об обобщенной характеристике в подробном виде. Использование подхода гиперкард дает возможность от изучения подробностей данной обобщенной характеристики легко перейти к изучению другой обобщенной характеристики или любой другой информации о состоянии технологического процесса.

Недостатком статической сцены является то, что здесь при визуализации не учитывается (sa исключением Особого_Условия) взаимное влияние одного элемента на другой, и сцена представляется как мозаика, составленная формально правильно, но зачастую бессмысленно.

Динамическая сцена представляет собой совокупность фрагментов мультипликационных (анимационных) фильмов, связанных единым сюжетом. На каждой динамической сцене, как и на статической, можно выделить зоны, отвечающие за одну из обобщенных характеристик. Динамические сцены оформляются так, что каждая из них может быть "зациклена", а место склейки практически незаметно. Одна динамическая сцена отличается от другой тем, что в них значения какой-то обобщенной характеристики будут различаться. Места склеек соседних по значениям обобщенных характеристик динамических сцен делаются по возможности незаметными, так что при визуализации, при изменении какой-то обобщенной характеристики динамические сцены сменяют одна другую достаточно плавно.

Формально число динамических сцен, необходимых для полной визуализации всех возможных переходов, равно полному произведению всех состояний на число элементов. Однако, используя сочетание статических и динамических сцен, удается существенно сократить число динамических сцен. При этом учитываются следующие соображения.

Во-первых, число состояний отдельных элементов можно значительно сократить. В рамках одного микросюжета элемент может отражать ряд последовательных состояний связанной с ним характеристики, не приводящей к качественному изменению обобщенной характеристики, то есть при сохранении статической сцены. Если оператор пожелает узнать точное значение обобщенных характеристик в данный момент времени, то ему может быть предъявлена статическая сцена, сходная с динамической, и, отталкиваясь от нее, он в состоянии выяснять точные значения соответствующих характеристик.

Во-вторых, может быть использован метод Особого_Условия. В этом случае оператору предъявляется динамическая сцена, отражающая качественное изменение состояния технологического процесса. При анализе такой сцены оператору требуется действовать. Таким образом, динамические сцены для критических состояний могут создаваться отдельно, не привязываясь к монотонности изменения некоторых обобщенных характеристик.

Первоначально реализованный вариант системы отображения хода технологического процесса основывался на той идее, что каждая из обобщенных характеристик отражается в виде отдельного фрагмента результирующей картины. Однако при всех своих преимуществах такой подход имеет недостаток, заключающийся в следующем. Он не позволяет явно отобразить ухудшение состояния технологического процесса при одновременном изменении в худшую сторону двух и более характеристик, распознать очевидное критическое состояние процесса при достижении несколькими характеристиками пороговых значений, если ни одна из них не достигает критического уровня. В связи с этим был реализован вариант системы, в котором имеется возможность выделения качественных величин, каждая из которых определяется по нескольким обобщенным характеристикам. Сцена, отображающая процесс, строится по значениям качественных величин. Вычисление последних по обобщенным характеристикам производится таким образом, чтобы их значения достигали критических (либо когда одна из определяющих обобщенных характеристик достигает максимального значения, либо когда все обобщенные характеристики некой группы перейдут пороговый рубеж). Набор характеристик, по которым вычисляется значение качественных величин, их объединение в группы, а также пороговые рубежи задаются в процессе диалога с системой и могут сохраняться во внешней памяти до следующего сеанса работы.