Software & Systems

Использование в тренажере имитационных моделей с ограниченной адекватностью является одной из основных причин возникновения конфликта применения тренажеров, заключающегося в некорректном определении содержательного компонента учебных планов тренажной подготовки (ТП) – количества тренировок на средствах тренажа. Вследствие ограниченной адекватности тренажеров наблюдаются взаимозависимые события:

-     происходит приобретение операторами неверных навыков по эффективным способам и тактическим приемам применения эрготехнических радиоэлектронных средств (РЭС);

-     осуществляется искаженное оценивание отрабатываемых операторами учебных упражнений.

Искаженное оценивание происходит из-за несоответствия между оценками обученности операто- ров на тренажерах и на штатной технике (ШТ) по единым упражнениям. Причина несоответствия оценок обученности Â(К) операторов на средствах тренажа в наличии неучтенных навыков, которые порой являются вредными, хотя воспринимаются как необходимые [1].

Из теории психологии и педагогики [2] известно, что навыки – это умение выполнять целенаправленные действия, доведенное до автоматизма в результате сознательного многократного повторения одних и тех же движений или решения типовых задач.

Применительно к ТП операторов сознательное многократное повторение ими одних и тех же движений или решение типовых задач осуществляется в процессе тренировок на средствах тренажа.

Однако также известно, что действия мож- но классифицировать как правильные (положительные) и неправильные (отрицательные, ошибочные) [3].

При этом под положительными и отрицательными понимают такие действия операторов, которые обеспечивают соответственно положительный (повышение функции полезности) и отрицательный (снижение функции полезности) эффект применения эргатических объектов.

Поэтому целесообразно ввести понятия навыков согласно классификации их действий [4]:

-     положительные навыки C (доведенные во время тренировок до автоматизма положительные действия);

-     отрицательные навыки E (доведенные во время тренировок до автоматизма отрицательные действия).

С учетом этого конфликт оценки уровней обученности Â(К) заключается в наличии ошибок идентификации навыков, так как часть положительных навыков C воспринимается как отрицательные навыки E и, наоборот, часть отрицательных навыков E – как положительные навыки C.

Для формализации этих ошибок уместно ввести следующие понятия:

-     ложные действия (ошибка первого рода) – это действия, которые идентифицируются как положительные, хотя на самом деле они отрицательные;

-     пропущенные положительные действия (ошибка второго рода) – это действия, которые идентифицируются как отрицательные, хотя на самом деле они положительные.

Согласно такой классификации ошибок идентификации действий, которые, безусловно, преобразуются при доведении действий до автоматизма в ошибки идентификации навыков, уместно ввести определения ошибочных навыков:

-     ложные навыки F – это доведенные во время тренировок до автоматизма отрицательные действия, которые идентифицируются как положительные;

-     пропущенные положительные навыки D – это доведенные во время тренировок до автоматизма положительные действия, которые идентифицируются как отрицательные.

Обобщенная классификация возможных навыков, приобретаемых операторами на средствах тренажа, представлена на рисунке 1.

По своей сути эта классификация навыков образует полную группу событий. Ввод такой обобщенной классификации навыков позволил в соответствии с [4] конкретизировать факторы существования Â(К), которые представлены на рисунке 2.

Очевидным является то, что если первые три фактора, присущие как тренажерам, так и ШТ, в силу однородности их происхождения при оценке уровня навыков могут быть скомпенсированы (они не влияют на расхождение оценок навыков, приобретаемых на тренажерах и реальной технике при выполнении условия их идентичности), то последний проявляется только на тренажерах и не может быть скомпенсирован как первые три.

Необходимо отметить, что ложные F и пропущенные правильные D являются объективной реальностью независимо от отсутствия возможности их наблюдаемости и следствием ограниченной адекватности тренажеров.

Так как наличие конфликта обученности Â(К) приводит к возникновению конфликта планирования ТП с использованием тренажеров, актуальной является разработка метода формирования содержательного компонента учебных планов, защищенного от данных конфликтов, существующих из-за их ограниченной адекватности.

Сама адекватность является сопутствующим признаком конфликта применения тренажеров. Но так как существующая понятийная база по оценке адекватности тренажеров не позволяет представить ее в виде индикатора сопутствующего признака конфликта применения тренажеров, пер- востепенной задачей является определение ее количественной формы, которая позволила бы устранить конфликт оценок обученности.

Понятие адекватности тренажеров

В настоящее время имеется ряд работ, в которых делаются попытки проверки адекватности как имитационного моделирования, так и самих тренажеров [5]. Однако эти попытки ограничиваются определением факта адекватности или неадекватности проверяемых систем, что не может быть использовано для выявления приобретаемых на них навыков в соответствии с введенной обобщенной классификацией.

Для ясности в понимании предлагаемой количественной формы оценки адекватности тренажеров, позволяющей разрешить существующую проблему, обоснуем ее на примере задачи по оценке адекватности тренажеров операторов управления воздушным движением (ВД).

Известно, что тренажеры операторов авиационных комплексов управления ВД предназначены для привития и поддержки у операторов навыков по оценке информации X и принятию решений x на использование средств управления ВД. Основой построения данных систем является имитационное моделирование на ЭВМ процессов, происходящих в реальных полетах летательного аппарата при решении соответствующих задач управления ВД. Однако известно, что любая имитационная модель является некоторым прообразом реального процесса и полученные с ее помощью результаты необходимо проверять на предмет адекватности.

Адекватность означает идентичность, неразличимость двух предметов, явлений, процессов по определенным признакам, показателям [5].

Следует заметить, что адекватность можно представить как случай близости модели к объекту. Если имеется возможность ввести метрическое пространство математических образов, описывающих модель и объект, то в качестве меры близости модели к объекту целесообразно использовать метрическое расстояние r(M0, M) между точками метрического пространства M0 и M, соответствующими объекту и модели [5]. Расстояние в метрическом пространстве должно удовлетворять трем условиям:

r(M0, M)=0                                                          (1)

тогда и только тогда, когда M0 и M – аксиома тождества;

r(M0, M)=r(M, M0)                                            (2)

тогда и только тогда, когда M0 и M – аксиома симметрии;

r(M0, M1)+r(M1, M2)³r(M0, M2)                      (3)

тогда и только тогда, когда M0 и M – аксиома треугольника.

Исходной информацией для оценки адекватности имитационной модели являются входные и выходные сигналы моделируемого объекта и функционал модели. По известным функционалу модели и входным сигналам объекта могут быть получены выходные сигналы модели.

Очевидно, что в данной ситуации адекватность имитационной модели объекту (действительности) может быть оценена только путем сравнения совокупностей входных-выходных сигналов объекта и модели. Расстояние, по которому оценивается идентичность имитационной модели и объекта, должно определяться по данным входных и выходных сигналов.

Если предположить, что входные сигналы объекта x и имитационной модели xм одинаковы (x=xм, в детерминированном случае они совпадают, в стохастическом имеют одинаковые вероятностные характеристики), то основная исходная информация для оценки адекватности задается результатами измерений выходных сигналов объекта W(x) и его модели Wм(x).

Обычно оценка адекватности результатов имитационного моделирования объекта сводится к определению рассогласования (невязки) между выходными сигналами объекта W(x) и его модели Wм(x) [5], то есть

e(x)= W(x)– Wм(x).                                             (4)

Невязка e(x) не удовлетворяет условиям (1)–(3), но, если от нее взять модуль, она будет соответствовать метрическому расстоянию. Поэтому в дальнейшем e(x) будем называть условной мерой близости модели и объекта.

Очевидно, что при проведении серии испытаний модели и объекта значение математического ожидания условной меры близости модели и объекта M{e(x)} может оказаться равным нулю, хотя на самом деле все ее значения отличны от нуля, что может привести к неверным выводам об адекватности модели. Поэтому при оценке адекватности имитационной модели пользоваться соотношением (4) можно ограниченно. Оно вполне может быть использовано в процессе формализации (представления в математической форме) метрического расстояния между результатами моделирования и откликами реального объекта [6].

Таким образом, под адекватностью результатов имитационного моделирования реального объекта следует понимать метрическую меру близости между выходными сигналами объекта и соответствующими им выходными сигналами ее модели: e(x)=½W(x)–Wм(x)½, где W(x)={Wi(x)}n и Wм(x)= = {Wмi(x)}n – отклики объекта и имитационной модели (получены в ходе i-го физического и имитационного экспериментов, i = 1, 2, ..., n) [6].

Математическая модель M абсолютно адекватна объекту M0, если метрическая мера близости равна нулю [6], то есть e(x)=0. В силу ряда причин (принципиального различия модели и объекта, неопределенности исходных данных, погрешности реализации модели на ПЭВМ, измерительных и вычислительных погрешностей и т.д.) вероятность выполнения условия e(x)=0 является, как правило, нулевой.

Поэтому пользуются условием адекватности [7] следующего вида:

,                                (5)

где e*(W(x)) – требуемая точность имитационной модели объекта (при решении, например, задач управления ВД может выбираться по тактико-технических соображениям).

При выполнении условия (5) считается, что математическая модель адекватна объекту с точностью e*(W(x)). Пользоваться имитационной моделью рекомендуется, если вероятность выполнения условия (5) больше 0,5 [7].

Следовательно, для допуска имитационной модели к практическому использованию необходимо производить оценку вероятности выполнения этого условия. С учетом этого введем такое понятие, как вероятность адекватности имитационной модели объекту: вероятностью адекватности g(W(x)) модели объекту называется вероятность P выполнения того, что e(x)£e*(W(x)) [7], то есть

.        (6)

Другими словами, вероятность адекватности g(W(x)) модели объекту есть не что иное, как доверительная вероятность выполнения условия (5).

Для характеристики степени (вероятности) неадекватности имитационной модели объекту определим понятие вероятности  неадекватности: вероятностью неадекватности  имитационной модели объекту называется вероятность P выполнения того, что e(x)>e*(W(x)), то есть

Математически задача оценки адекватности имитационной модели действительности формулируется как задача оценки вероятности того, что значение отклика исследуемого параметра Wм(x) модели отличается от реального отклика W(x) объекта не более, чем на заданную величину e*(W(x)).

Известно, что для обеспечения адекватности имитационной модели в процессе ее создания возникает необходимость в идентификации объекта моделирования. Идентификация объекта, как правило, проводится с целью выявления функциональных связей между элементами его структуры и определения (уточнения) его характеристик. На основании этого производится корректировка имитационной модели. Точность идентификации оценивается некоторой функцией от меры близости системы и модели Q(e(x)), обычно называемой функцией потерь. Качество решения задачи оценки идентификации в среднем для заданной реализации входного сигнала x удобно оценивать условным математическим ожиданием от функции потерь для данного входного сигнала r(Q/x)}= = M{Q(e(x))}, обычно называемым условным риском. Он определяется близостью характеристик объекта и модели. Среднее качество решения задачи оценки адекватности при всех возможных входных сигналах характеризуется математическим ожиданием условного риска, равным безу­словному ожиданию функции потерь (средний риск): .

Если принять, что функция потерь имеет вид

то значение среднего риска

представляет собой не что иное, как вероятность адекватности (6).

Достоверность выявления функциональных связей между элементами структуры объекта и определения ее характеристик зависит от точности идентификации – вероятности адекватности моделирования объекта. Если в качестве входных x и выходных X(x) параметров для полета на ЛА принять соответствующие параметры xm и Xm(xm) тренажеров РЭБ, причем x = xm, то количественную оценку адекватности модулирующего устройства [6] следует производить в форме (4)

,           (7)

где  – требуемая точность имитационного моделирования в тренажере, при которой оператор не чувствителен к различию информационных параметров X(x) и Xm(x), определенная нормой годности тренажеров [7]:

.               (8)

Возможна такая ситуация, когда при определенных действиях x оператора условие годности тренажера (8) не выполняется. Однако в процессе тренировок на тренажере оператор может осуществить такие действия x¢, которые по содержа- тельной компоненте отличаются от требуемых действий x для сложившейся обстановки, определяющейся X, но и для них

.

Если действия x¢ по отношению к требуемым действиям x для сложившейся обстановки X приводят к снижению функции полезности ШТ , то эти действия x¢ являются отрицательными. А так как в процессе тренировок на тренажере отрицательные действия x¢ доводятся до автоматизма, по ним будут сформированы отрицательные навыки. С учетом этого при боевом применении ШТ по информации X оператор будет выполнять действия x¢, а не адекватные ей действия x.

Оценка адекватности g характеризует вероятность того, что оператор не будет чувствителен к различию между X(x) и Xm(x). А это не приводит к выполнению на тренажере действий, отличных от действий на ШТ, которые для последней являются правильными. Другими словами, величина g определяет потенциальный уровень положительных С навыков, приобретаемых оператором на тренажере.

Согласно соотношению (7), математически задача оценки адекватности моделирующего устройства тренажера формулируется как задача оценки вероятности предположения о том, что значения выходных имитируемых информационных параметров Xm(x) отличаются от значений реальных выходных информационных параметров X(x) при решении единых задач не более, чем на {0,1–0,15} X(x).

Таким образом, вероятность адекватности тренажера – это степень идентичности (неразличимости) информационных параметров и психолого-физиологических процессов тренажера по отношению к ШТ, при которой оператор совершает действия, соответствующие реальной обстановке.

Комплекс программных средств для анализа причинно-следственных факторов конфликта применения тренажеров эрготехнических РЭС

В рамках реализации требований к структурной конфигурации элементов конфликтно-устойчивой АСУ ТП операторов РЭС и для анализа причинно-следственных факторов конфликта применения тренажеров эрготехнических РЭС разработан комплекс программ для ЭВМ, часть которых имеют официальную регистрацию (рис. 3) [8–10].

Программно-ориентированный комплекс оцен­ки адекватности автоматизированных информационных систем освоения эрготехнических объектов управления ВД [8] позволяет выполнять оценку адекватности имитационного моделирования в тренажерах операторов управления ВД (лиц группы руководства полетами) по информационному полю.

Программа оценки адекватности автоматизированной информационной системы освоения эрготехнического комплекса, имеющего иерархическую структуру построения, «Адекватность АИС и ЭТК-иерархия» [8], предназначена для оценки адекватности автоматизированных информационных систем подготовки операторов РЭС, имеющих иерархическую структуру.

Программа «Система оперативного объективного контроля действий операторов информационных комплексов управления ВД» [10] предназначена для оперативного объективного контроля действий операторов управления ВД на основе учета оценки адекватности автоматизированных информационных систем подготовки операторов управления ВД (лиц ГРП) в целях разрешения конфликтов использования ШТ и тренажеров в процессе практической подготовки операторов управле- ния ВД.

На рисунке 4 показан интерфейс системы оперативного объективного контроля действий операторов информационных комплексов управления ВД.

На основе разработанного комплекса програм- мных средств для анализа причинно-следственных факторов конфликта применения тренажеров эр- готехнических РЭС в целях повышения оперативности планирования тренажной подготовки, заключающейся в гибкой адаптации учебных планов с учетом индивидуальных особенностей обучаемых, целесообразно сформулировать рекомендации по управлению планированием практической подготовки операторов эрготехнических РЭС:

-     определение всех возможных вариантов подготовки операторов с использованием тренажеров;

-     оценка адекватности тренажеров операторов эрготехнических систем;

-     учет ограничений в использовании тренажных комплексов;

-     оценка экономической эффективности тренажных средств обучения;

-     оценка доли навыков, приобретаемых на различных типах тренажеров.

Таким образом, для разрешения существующего конфликта применения тренажеров необходимо производить оценку как уровня обученности, так и доли навыков, приобретаемых операторами на тренажных системах с учетом их адекватности по отношению к ШТ.

Литература

1.     Дудоров А.Д. Методика оценки тренажеров лиц группы руководства полетами в интересах повышения качества их под- готовки // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, формы и способы их боевого применения: сб. стат. Всерос. науч.-практич. конф. Воронеж: Изд-во ВАИУ, 2011. С. 92–98.

2.     Сысоев Е.С. Оптимизация тренажерной подготовки операторов сложных информационных радиоэлектронных систем управления воздушным движением // Информатика: проблемы, методология, технологии: матер. 11 Междунар. науч.-методич. конф. Т. 2. 2011. Воронеж: Изд-во ВГУ. С. 216–222.

3.     Лебедев В.В., Романов А.В. Теоретико-множественный подход к описанию функционирования эрготехнических радиоэлектронных средств // Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем: тр. 32 Всерос. науч.-технич. конф. Серпухов: Изд-во ВА РВСН им. Петра Великого, 2013. С. 118–122.

4.     Помазуев О.Н., Платонов А.Ю., Миронов А.М., Абу-Абед Ф.Н., Рюмшин А.Р. Методика определения показателей качества обнаружения радиолокационных станций // Программные продукты и системы. 2014. № 2. С. 118–124.

5.     Агапов Е.А. Проектирование автоматизированных информационных систем освоения эрготехнических комплексов // Эффективность автоматизированных систем управления авиацией, систем связи и РТО ВВС. Ногинск, 2012. С. 112–118.

6.     Дикарев В.А. Особенности профессиональной подготовки операторов при использовании компьютерных систем тренажа // XXXIV научные чтения, посвященные разработке творческого наследия К.Э. Циолковского: сб. стат. Всерос. науч.-технич. конф. 1999. Калуга: Калужский дом знаний, 1999. С. 181–184.

7.     Пономаренко В.А. Психология жизни и труда летчика. М.: Воениздат, 1992. 58 с.

8.     Сысоев В.В., Крутских П.П., Свинцов А.А. Математическая модель информационного конфликта // Радиотехника (журнал в журнале). 1999. № 3. С. 77–80.

9.     Губсков Ю.А., Прокофьев С.Н. Системная модель информационной конфликтно-устойчивой автоматизированной системы освоения эрготехнических комплексов // Информатика: проблемы, методология, технологии: матер. 12 Междунар. науч.-методич. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ. 2012. Т. 1. С. 109–112.

10.  Потапов А.Н., Пасмурнов С.М. Математическая модель количественного критерия оценки адекватности имитационного моделирования в тренажерах операторов эрготехнических систем // Вестн. Воронеж. гос. технич. ун-та. 2012. Т. 8. № 3. С. 4–8.