Особенности представления информации в обучающих системах

Представление информации в обучающих системах или, другими словами, учебное представление информации (УПИ) является важнейшей операцией учебного моделирования и познавательного процесса в целом. Рациональное её воплощение с надлежащим методологическим, организационным, математическим и техническим обеспечениями создает хорошие предпосылки к раскрытию способностей человека (коллектива ладей), стимулирует и направляет взаимоуправляемую деятельность обучаемых и самих обучающих на достижение эффективных результатов. Ярким примером этому служат труды, подобные [8]. Необходимо их обобщение и развитие с учётом возможностей современной теории и практики создания человеко-машинных комплексов. Ниже дается изложение проблемы, связанное с УПИ как компонентом полного учебного моделирования [9].

Особенности УПИ в сопоставлении с известными процедурами отображения информации рабочего (производственного, проектного и т.п.) назначения определяются существенными различиями в целях, ограничениях, стимулах и во внутренних механизмах деятельности человека в роли учебного или рабочего звена соответственно модельных и натурных систем. Такого рода различия имеют место в составе многоцелевых натурно-модельных систем.

Одной из ведущих для учебной деятельности можно считать интерпретирующую функцию, всестороннее толкование, раскрытие смысла представляемой информация во взаимопереплетении с ранее усвоенными сведениями. Для рабочей же деятельности предписана в первую очередь преобразующая функция, сообразно которой и построены многие модели действий человека-оператора в системах управления. Заимствуя достижения из последней области, надо вместе с тем развивать специальные виды обеспечения УПИ с рассмотрением человека как интерпретирующего звена, а не только как преобразующего.

Образность представления информации. По своей природе человек наделен способностями быстро и надёжно воспринимать сложные изображения, имеющие структуру некоторых образов с естественными свойствами. Для учебного дела первостепенным является интерпретирующее формирование образов по их сжатым характеристикам типа опорных сигналов [8], служащих логическим каркасом при запоминании и извлечении больших объёмов сообщаемых сведений в сочетании с генерированием собственных суждений. Необходимо надлежащее системное воплощение УПИ, ибо большинство средств рабочего назначения непосредственно помогает в распознавании (но не в формировании) образов.

Комплексность представления информации. Требование сопоставительного воспроизведения в ходе обучения широкого многообразия ситуаций может быть удовлетворено объединением источников натурных, модельных и натурно-модельных данных в составе УПИ. При этом натурные данные являются результатами прямых и косвенных (расчётных) измерений входных, внутренних и выходных состояний и ограничений реальных объектов. Модельные данные получаются при математическом и физическом моделировании режимов протекания процессов совместно с моделированием их внешних условий. Объединение обоих источников информации приводит к натурно-модельным данным. Примером этому служат так называемые натурно-модельные блоки и опирающиеся на них обучающие системы [9].

В символической записи вышесказанному соответствуют, в частности, выражения

поясняющие общие структуры формирования натурных ( ), модельных ( ) и натурно-модельных ( ) векторных данных о внутренних и выходных состояниях . Определяющими величинами являются действительные ( ) значения состояний и выходных воздействий реального объекта , управляющие воздействия и измерительные помехи , а также возможные натурные данные с учётом их неполноты и запаздываний. В составе оператора содержатся в общем случае аппаратно и программно воплощенные средства измерений, включая датчики, линии связи, фильтры, компенсаторы, регистраторы и контролирующие модели. Последние используются для косвенных измерений некоторых компонент вектора по другим его натурным компонентам и посредством преобразования натурного вектора . В том и заключается отличие отдельного оснащения оператора от оператора с чисто модельными определяющими величинами формируемыми специальными генераторами сигналов. Блок имеет двухканальное информационное обеспечение сообразно натурным и модельным входам оператора , охарактеризованного в работе [9].

Наибольшей полезностью обладает средства УПИ со сравнительным анализом оперативно или, хотя бы, ретроспективно получаемых натурных и натурно-модельных данных. В частности, тренажеры могут и должны войти в АСУТП, АСУП и аналогичные автоматизированные комплексы с их последовательным многоцелевым развитием. Такого типа учебно-исследовательские контуры практически опробованы применительно к аглодоменным и сталеплавильным агрегатам и подтверждают эффективность избранного направления интеграции натурных и модельных объектов и видов деятельности.

Нормативность представления информации. Сама природа учебной деятельности обуславливает необходимость сочетания дескриптивных (описывающих) и нормативных (предписывающих) средств отображения воспринимаемых данных. Другими словами, следует не только воспроизводить распространенные на практике подсистемы, но и давать в сопоставлении новые разумные варианты с целью их изучения, доработки и последующего внедрения в дополнение или взамен первым. К примеру, такому освоению подлежат способы и устройства графического представления информации о физическом и химическом составах материалов и продуктов металлургических процессов. Весьма желательно также включение в УПИ особой подсистемы отображения правил и результатов функционирования нормативных каналов [9] в ходе показательного выполнения ими функций, которые относятся к предмету обучения. В настоящее время эти соображения отодвигаются часто на второй план, либо полностью игнорируются при неоправданном копирования обычных и автоматизированных комплексов рабочего назначения.

К нормативным элементам УПИ относятся и методические указания по выбору структур и настроек подсистем отображения данных. При графической регистрации их временных рядов рекомендуется масштаб мм в зависимости от значений чистого и инерционного запаздываний в основном канале регулирования объекта. Такой масштаб создает предпосылки к правильному сглаживанию рядов данных при выделении медленно меняющейся составляющей (тенденции) для выбора эффективных регулирующих воздействий. Интересно является выяснение правил визуального сглаживания скалярных и векторных рядов людьми с разной степенью подготовки и с разным стимулированием, сравнение результатов между ними и с нормативной процедурой выполнения рассматриваемой функции. Соответствующие исследования, проводимые самими обучаемыми и опытными специалистами, постепенно подводят к заключению о преимущественной принадлежности указанных правил к классу адаптивных робастных фильтров с критериально-ограничительным определением тенденций процессов. Существенную роль играет знаковый «автокорреляционный» критерий

(9.3)

где и sgn - релейные функции без гистерезиса и с положительным гистерезисом; и - помехозащищенные данные в -м и -м отсчётах (периодах) времени, - оценки полезного сигнала в виде тенденции временного ряда данных.

С использованием такого типа показателей успешнее осваиваются операции оценивания состояний и выбора решений в деятельности организаторов, технологов, наладчиков, испытателей, алгоритмистов.

Разнотемповость, многоструктурность, активность и индивидуальность представления информации. Сведения по этим особенностям содержатся в работах [9]. Для их практического воплощения, впрочем как и вышеизложенных характеристик, нужно идти по пути построения автоматизированных систем управления учебным представлением информации (сокращенно АСУ УПИ). Гибкое отображение данных предполагает чёткое выделение объектов управления и управляющих (контролирующих, регулирующих, планирующих) подсистем непосредственно информационного содержания. Вариант такой структуризации общей системы отображения информации приведён в работе [11]. Аналогичному рассмотрению АСУ УПИ со всеми видами обеспечения - методологическим, алгоритмическим, программным, техническим, организационным - должно уделяться особое внимание при создании, использовании и совершенствовании обучающих систем автономного действия и в составе многоцелевых комплексов.

При освоении правил управления процессами удовлетворительное функциональное пособие вполне достижимо, по нашему убеждению, с помощью геометрической, уменьшенной во много раз копии щита, на которой даны только наименования сигналов и установлена кнопка для вызова на графический дисплей диаграмм и отсчетов последовательно анализируемых сигналов (рис. 9.2). Соответствующая образом воспроизводится как бы обход оператором приборов и других средств воспроизведения информации на реальном щите КИПиА. Такой вариант мыслится имеющим хорошую перспективу для практического применения в составе лабораторных тренажеров на базе промышленных АСУТП, АСУП и интегрированных АСУ. При этом высокочастотные помеховые (шумовые) составляющие сигналов могут формироваться специальными генерирующими фильтрами без громоздкого запоминания их по реальным данным. Из последних выделяются и фиксируются лишь составляющие типа тенденций процессов, служащих основой для функционирования натурно-модельных и иных систем.

9.1.3. Простой вариант учебной нормативной модели
(применительно к управленческим задачам )

Принципиально важной является концепция построения и использования в составе МИОС учебных нормативных моделей в многовариантном представлении, отражающем переход от простого к сложному, от образного к логическому, от конкретного к абстрактному. Исходя из необходимости яснее показать сущность нормативной модели (алгоритмической процедуры) для задачи выработки управленческих решений и задачи прогнозирования управленческих результатов ограничимся рассмотрением одного из простых ее вариантов. Такого рода модель (рис. 9.3) включает четыре основных блока: получение а структуризация достоверных исходных данных (блок 1); выбор и интерпретация типопредставительных реализаций процесса (ТРП) (блок 2); корректировочное (по отношению к ТРП) определение искомого управленческого решения (блок 3); анализ реализуемости и представление к использованию найденного решения (блок 4). Рассмотрим содержание каждого из этих блоков.

Блок 1. Первоисточником данных, используемых нормативным и другими решающими каналами МИОС, является натурная система управления технологическим процессом. Получение данных о предшествующих (прошлых) реализациях управленческих расчетов и их результатах, включает проверку достоверности с целью обнаружения и отбраковки аномальных данных. Аномальными считаются данные, содержащие грубые ошибки измерений, регистрации, учета. Проверка достоверности в данной нормативной модели состоит в оценке выполнимости следующих условий:

- значение каждой -й переменной в -й момент времени должно соответствовать заданному диапазону значений, т. е. , где , - указанные преподавателем минимальное и максимальное достоверные значения -й переменной;

- значение каждой -й переменной в -й момент времени не должно отклоняться от медианы , найденной по трем предыдущим значениям (т. е. ), более чем на заданный процент ( по модулю );

- значение заданной функции переменных должно принадлежать некоторой области, определяемой из технических, технологических, экономических и других соображений. Данные считаются достоверными, если они удовлетворяют всем трем условиям.

Обнаруженные аномальные данные не вводятся в базу данных МИОС или вводятся в нее после предварительной коррекции.

Структуризация исходных данных осуществляется в соответствии с тремя основными этапами проектирования базы данных МИОС, а именно в соответствии с концептуальным, логическим и физическим проектированием [21].

Блок 2. Вы6op (ТРП) заключается в анализе его предыстории с целью отыскания и отбора такой его реализации, которую можно рассматривать как прототип по отношению к предстоящей (планируемой) реализации процесса. Правильный выбор ТРП позволяет вырабатывать эффективные управленческие решения, применяя при этом простые математические модели пересчетного типа.

В простой нормативной модели выбор ТРП осуществляется, исходя из технологических, экономических, экологических и других ограничений, к которым, в частности, относятся:

- соответствие ТРП интервалам "работоспособности" (адекватности) описанных ниже пересчетных формул, в качестве которых можно выбрать интервалы ±20% от фактических значений количественных характеристик ТРП;

- соответствие количественных характеристик ТРП интервалам их нормальных значений, взятых, например, из технологических инструкций;

- отсутствие в управленческих решениях грубых ошибок, следствием которых являются повышенные затраты сырья, топлива или аварийные ситуации;

- соответствие характеристик качества выходного результата требованиям стандартов;

- отсутствие нарушений экологических ограничений.

В общем случав задача выбора ТРП формулируется и решается как задача ограничительно-критериального типа. Причем в качестве критерия оптимальности ТРП целесообразно выбрать меру близости выбранной реализации - претендента на ТРП к другим реализациям, удовлетворяющим ограничениям. Мера близости для -й реализации процесса, характеризующейся множеством переменных, в данном случае представляет собой среднемодульное отклонение нормированных значений ее переменных от соответствующих переменных других реализаций процесса:

(9.4)

где - индексы реализаций в проверяемой группе, ; - индексы характеристик, относящихся к реализациям данной группы; , , - среднее, наибольшее и наименьшее в группе значение переменной ; , - нормализованное и исходное значение -ой переменной -ой реализации процесса; - весовые коэффициенты, отражающие относительный вклад отклонений учитываемых переменных.

Выбор центральногрупповой ТРП соответствует минимальному значению . Поскольку обычно имеется несколько реализаций близких к ТРП, можно в ходе выбора удовлетворить ряд дополнительных ограничений, например, по качественным признакам реализаций или по тем количественным признакам, которые не вошли в множество [22].

Блок 3. Корректировочные расчеты, необходимые в нормативном решающем канале МИОС, осуществляются, в случае простой учебной нормативной модели - УНМ, по пересчетным формулам следующего типа:

(9.5)

(9.6)

Здесь , - оценки -й компоненты решений и выходных воздействий (результата), соответствующие -му временному циклу; , , - значение -й компоненты внешних воздействий, решений, стимулирующих воздействий (стимулов) для -го цикла соответственно; - заданное значение -й компоненты; , , , , - заданное и измеренные или фактические значения -ой компоненты выходных, внешних воздействий, решений и стимулов для типовой реализации процесса (ТРП); - оценки коэффициентов. Данные соотношения позволяют без существенных затруднений вычислить искомое управляющее воздействие (решение) на базе решения , соответствующего ТРП или вычислить оценку выходных воздействий объекта деятельности на базе значений определяющих факторов, соответствующих ТРП.

Блок 4. Найденное с помощью выше приведенных соотношений решение анализируется с точки зрения возможности его практической реализации. Анализ сводится к проверке соответствия решения ограничениям реализующей подсистемы объекта деятельности, таким, например, как допустимое множество значений для каждой составляющей решения, функциональные ограничения, точностные ограничения. Реализуемость решения для -го временного цикла во многих случаях зависит также от решений, принимаемых на предшествующих циклах. Если решение не удовлетворяет условиям реализуемости, то осуществляется возврат к предыдущему блоку УНМ, с помощью которого вырабатывается новый вариант. Решение, удовлетворяющее условиям, передается в реализующую или использующую подсистему МИОС.