Разработка системы отображения диспетчерско-технологической информации с использованием технологии виртуального окружения

иркутским государственный университет путей сообщения

После усвоения материала осуществляется контроль знаний путем тестирования. Система обучения осуществляет тестирование по итерационной схеме. На первом шаге тест формируется на основе показателя yi , т.е. на основе показателей ГОС. При максимальной оценке тестирования cmax тестирование завершается, и результат тестирования сохраняются в базе данных обучаемых. При c<

cmax осуществляется вычисление Pi, определение показателя min для целевой функции, пересчет параметров МДБ и реализация целевой функции

d(P, y) ^ min путем формирования повторных порций обучения и новых тестов. Поскольку учебный материал в Web-учебниках сформирован по технологии «погружения» [6], т.е. сначала рассматриваются общие вопросы, а затем от них осуществляется переход к деталям, то при формировании новой порции обучения указываются ссылки на материал, который по результатам тестирования оказался плохо усвоенным. Формирование очередного теста осуществляется по результатам предыдущего. Процесс заканчивается при достижении целевой функцией заданного значения. Результаты каждого шага тестирования сохраняются в базе данных обучаемых.

Использование модели междисциплинарного баланса в адаптивной обучающей системе позволяет построить процесс обучения, направленный на последовательное и безусловное усвоение

учебного материала для нескольких взаимосвязанных дисциплин учебного плана.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Растригин Л. А., Эренштейн М. Х. Адаптивное обучение с моделью обучаемого. Рига : Зинатне, 1988. 160 с.

2. Аткинсон Р., Бауэр Г., Кротерс З. Введение в математическую теорию обучения : пер. с англ. М. : Мир, 1969. 486 с.

3. Буш Р., Мостеллер Ф. Стохастические модели обучаемости : пер. с англ. М. : Физматгиз, 1962.484 с.

4. Свиридов А. П. Основы статистической теории обучения и контроля знаний. М. : Высшшк. 1981. 262 с.

5. Носков С. И. Подход к разработке образовательных стандартов на основе модели междисциплинарного баланса // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2004. № 1. С. 104-109.

6. Петров Ю. И. Вопросы разработки компьютерных средств обучения // Новые информационные технологии в образовании : тр. Междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург, 2009. Ч. 1. С.47-49.

Брагута М. В., Ерёмченко Е. Н., Клименко С. В. УДК 621.337.1:004.514

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ДИСПЕТЧЕРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ С ОСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ

Введение. За последнее десятилетие в энергосистемах различных стран мира увеличилась потребность повышении наблюдаемости электроэнергетических систем (ЭЭС) с целью обеспечения их надежного и оптимального функционирования. На объектах электроэнергетики стала проводиться комплексная модернизация систем автоматизации и мониторинга, что привело к значи-

тельному увеличению потоков информации, консолидируемых диспетчерскими пунктами управления. На экранах коллективного пользования отображается лишь некоторая часть всей поступающей информации по состоянию ЭЭС. Диспетчерский персонал ЭЭС, атомных и тепловых станций должен воспринимать и обрабатывать колоссальные объемы постоянно изменяющихся дан-

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПОДХОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

ных. Но увеличение потока данных приводит к уменьшению информированности диспетчерского персонала по сравнению с предшествующим показателем данного критерия. Объяснением этого феномена служит сложность в восприятии предоставляемых данных и выделения необходимой для диспетчера информации для своевременного вывода системы из аварийного режима.

При возникновении нештатных и аварийных ситуаций оператору необходимо контролировать весьма сложную систему. Решение вопроса о повышении эффектности работы диспетчерского персонала лежит в разработке новой системы отображения информации, позволяющей отображать большой объем данных, обеспечивать выделение необходимой информации, функциональную увязку, структурирование, обеспечить эффективный поиск и навигацию.

Авторами исследуются системы отображения информации, предоставляющие макроскопические и микроскопические данные о состоянии ЭЭС: визуализация потоков мощности в целом (ситуационные схемы), а также визуализация отдельных элементов и их режимных параметров (однолинейные схемы) ЭЭС. В исследовательской работе использован подход построения систем отображения информации с применением трехмерного отображения наблюдаемой ЭЭС и технологии виртуального окружения (ВО), путем применения трехмерного и стереоскопического отображения информации, внедрения результатов которой позволит:

• создать новый класс тренажёров и систем отображения диспетчерско-технологической информации;

• сократить время обучения оперативного и эксплуатационного персонала путем «погружения» в виртуальную среду;

• уменьшить скорость отработки ориентационно-моторных навыков диспетчерского персонала;

• повысить качество используемых моделей отображения диспетчерско-технологической информации;

• частично снять ограничения, наложенные на информационное поле используемых технологий отображения диспетчерской информации.

До последнего времени было предложено лишь несколько технических приемов отображения информации в сфере оперативно-диспетчерского управления. Общей концепции, определяющей использование технологии ВО в приложениях данной предметной области не раз-

работано. Готовых решений применения систем ВО для задач отображения диспетчерской и технологической информации до настоящего временно не имеется.

Система отображения диспетчерской информации. В основу разработанной системы отображения диспетчерско-технологической информации (СОДТИ) положены принципы избирательности, иерархичности и функциональности. Избирательный принцип реализован путем возможности выбора оператором необходимой ему мнемосхемы в зависимости от текущей технологической ситуации и состояния технических средств контроля и управления. Иерархия СОДТИ заключается в построении системы по принципу «от общего к подчиненному» (сеть - энергоузел: подстанция, электростанция) [1]. За каждым уровнем СОДТИ закреплено определенное функциональное назначение. На первом уровне реализуются только информационные функции (отображение значений основных параметров, характеризующих технологический процесс в целом, обобщенная сигнализация режимных отклонений и нарушения работы оборудования). Мнемосхемы этого уровня содержат объем информации, позволяющий оценить ситуацию в целом. Также, в модели оборудования данного уровня включены вспомогательные элементы, предоставляющее интуитивно понятное отображение значений режимных параметров данного уровня.

На втором уровне реализуются информационно-управляющие функции. На этом уровне отображаются:

• состояние коммутационных аппаратов присоединения с точки зрения возможности осуществления переключений;

• электротехнические параметры присоединений и основного силового оборудования.

На данном уровне возможно проведение и отработка операций по оперативному переключению коммутационных аппаратов.

Функциональность СОДТИ заключается в:

• наглядном отображении функционально -технической схемы управляемого объекта и информацию об его состоянии в объеме, необходимом для выполнения оператором возложенных на него функций;

• отображении связей и характера взаимодействия управляемого объекта с другими объектами и внешней средой (подстанция -воздушная линия - подстанция);

• сигнализации о существенных нарушениях в

иркутским государственный университет путей сообщения

работе наблюдаемой ЭЭС;

• обеспечении быстрого выявления

возможности локализации и ликвидации неисправностей основного оборудования и аварийных ситуаций.

Основу мнемосхем всех уровней СОДТИ составляют трехмерные модели элементов (ТМЭ) реальной ЭЭС (статические и динамические) -представление контролируемого оборудования, его состояния и состояния технологического процесса, построенное на системе кодирования зрительной информации. Статические ТМЭ выполняют вспомогательную функцию и служат для однозначного восприятия персоналом взаимосвязи между отдельными технологическими участками, технологическими фрагментами и внутри них -между отдельным оборудованием. Динамические ТМЭ в пределах заданной геометрии контура отображают, как правило, состояние оборудования или процесса.

Программное обеспечение разработанной системы в целом построено на базе ОС Linux, основой служат программный инструментарий OpenSceneGraph и язык С++. В качестве аппаратных платформ были использованы высокопроизводительные вычислители (универсальные на базе Intel и геометрические на базе архитектуры NVIDEA). Разработанная система направлена на использование пассивных многопользовательских, ориентированных на большие аудитории, систем ВО.

Использование общедоступных программных инструментариев и специализированных технических средств позволило создать программный комплекс, структурная схема которого изображена на рисунке 1. Примеры отображения наблюдаемой ЭЭС представлены на рисунках 2-3.

Проблемы отображения диспетчерской информации. Эффективное управление сложными системами реального времени невозможно без адекватного восприятия оператором пространственно-временной обстановки в процессе своей работы. Большинство ошибок управления при взаимодействии между человеком и машиной связывают с человеческим фактором. Исторически проблема ориентации человека в сложной пространственно-временной обстановке, его способность понять ситуацию, спланировать решение и действовать впервые была поставлена в авиации, а затем распространилась на наземный транспорт, управление воздушным движением, ядерную энергетику, медицину, исследования космоса, системы ситуационного анализа и поддержки приня-

тия решения. Проблема получила название Situation(al) Awareness (буквально - ситуационная осведомленность). Такой перевод не передаёт содержания и смысла данного понятия и воспринимается как качество, присущее любому уровню осведомлённости о текущих процессах и любой управленческой деятельности. Отсутствие адекватного термина в русском языке препятствует глубокому исследованию данной проблемы и приводит к фрагментации усилий по внедрению нового подхода, увеличивая сложность исследования и разработки принципов построения систем наблюдения и управления сложными технологическими процессами.

Рис. 1. Структурная схема СОДТИ

В последние годы повышение ситуационной осведомленности (СО) стало одним из ключевых вопросов при разработке интерфейсных приложений между диспетчерским персоналом и контролируемой системой, концепций систем автоматизации, а также тренажерных комплексов, создаваемых для подготовки персонала в различных областях промышленности.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПОДХОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Рис. 2. Виртуальные модели наблюдаемой ЭЭС. Ситуационная схема с отображением загрузки воздушных линий по активной мощности

СО может рассматриваться как интернали-зированная ментальная модель текущего состояния системы, контролируемой оператором. Все данные, поступающие из многих внешних и внутренних систем должны быть объединены в единое целое. На основании этой картины состояния системы определяются все решения и управляющие воздействия на контролируемую среду. Ключевым моментом при разработке систем СО является понимание того, что подлинное осознание ситуации существует только в сознании человека-оператора. Поэтому предоставление диспетчеру больших объемов данных не будет приводить к успешным результатам, если эти данные не были обработаны для своевременного осознания человеком при сложившейся ситуации в наблюдаемой среде [2].

Важнейшими требованиями в реализации принципа Situational Awareness являются:

• обеспечение полноты и целостности восприятия информации, позволяющей создать полное представление о протекающих процессах в наблюдаемой среде;

• представление динамически меняющейся во времени информации в реальном масштабе времени (использование SCADA-систем);

• представление информации в максимально документальном виде - виде, максимально лишённом опосредованности и условностей;

• обеспечение свободной и мгновенной циркуляции информации без потери её детальности и без отрыва от общегеографического и ситуационного контекста;

• представление локализованной в пространстве информации под произвольными ракурсами;

• обеспечение возможности массового создания локализованных в пространстве и во времени данных.

Рис. 3. Виртуальные модели наблюдаемой ЭЭС.

Совмещение ситуационной схемы и однолинейных схем энергоузлов

Деятельность оператора по управлению любым объектом регулирования рассматривается как сложный поведенческий акт, включающий процессы восприятия и переработки информации, и формирования и выполнения на этой основе двигательных действий. В структуре сенсомоторного навыка управления объектом регулирования двигательный компонент является интегральным показателем, отражающим полноту и качество выделения, получения и переработки оператором информации, поступающей по каналам различных анализаторов. В конечном итоге почти вся информация, воспринятая оператором, реализуется в управляющих движениях. По этим причинам отсутствие в тренажерных комплексах адекватного воспроизведения человеко-машинного интерфейса, лишение человека-оператора возможности получения и развития ориентационно-моторных навыков, лишение его возможности реализации итоговой, интегральной двигательной функции переработки поступающей информации, с точки зрения дидактики в борьбе с аварийностью по вине персонала, совершенно недопустимо.

Таким образом, применение технологии ВО (разработка прототипа системы диспетчерского управления и изменение концепции отображения информации путем использования трехмерного изображения, реализованная в СОДТИ) в данной области даст возможность снять множество ограничений, наложенных на объемы отображаемой информации, а также быстрого и эффективного развития ориентационно-моторных навыков обучаемого персонала за счет «погружения» в виртуальную среду.

Использование трехмерного предоставления информации способствует к уменьшению времени реакции и принятия решений диспетчерским персоналом. Это объясняется тем, что при двухмерном отображении информации большой объем

иркутским государственный университет путей сообщения

данных (вырабатываемая мощность, номинальная и резервная мощность для каждого генератора, перетоки по линиям, пропускная способность линий и др.) требует распределенного внимания и умственной обработки информации [3-6]. Для анализа режимов ЭЭС нет необходимости отображения точных значений наблюдаемых параметров ЭЭС.

Другим преимуществом графического отображения информации является выделение действительных, резервных и предельных параметров оборудования. Использование графического способа информации путем внедрения трехмерного отображения данных избавляет диспетчерский персонал от умственных расчетов и определения запаса параметров контролируемого оборудования

[7].

Также следует отметить, что использование трехмерного представления данных способствует улучшению организации информации во всем информационном поле. Внедрение третьего измерения и технологии ВО в классическую модель отображения диспетчерско-технологической информации, ограниченную буквенно-цифровыми индикаторами, позволяет:

• проводить оценку состояния ЭЭС «на расстоянии»;

• способствует увеличению эффективности работы диспетчерского персонала при решении задач, требующих информационной интеграции, уменьшая ментальную (умственную) модель контролируемой системы;

• способствует пониманию природы и характера происходящих процессов в ЭЭС.

Трехмерное отображение параметров режима и электрической схемы ЭЭС увеличивает точность принимаемых оператором решений, особенно при анализе больших систем путем организации данных о состоянии системы. Использование трехмерного изображения позволяет вводить четкое отображение информации, которое невозможно при использовании классических методов отображения диспетчерско-технологической информации.

Заключение. В статье представлены результаты исследования и разработки современной и перспективной технологии взаимодействия пользователя с системой отображения диспетчерской информации с использованием принципа СО и технологии ВО.

В разработанной СОДТИ предложен новый подход построения систем визуализации с применением технологии ВО, внедрения результатов которой позволит:

• создать новый класс тренажёров и систем отображения диспетчерско-технологической информации принципиально новой технологии;

• сократить время обучения оперативного и эксплуатационного персонала;

• уменьшить скорость отработки ориентационно-моторных навыков диспетчерского персонала;

• повысить качество используемых моделей отображения оперативно-диспетчерской информации; снять ограничения, наложенные на информационное поле используемых технологий, путем «погружения» оператора в виртуальную среду.

Можно выделить основные преимущества использования систем ВО в данной области:

• увеличение объемов отображаемой информации, которая может быть отображена на стандартных экранах, с учетом графических буквенно-цифровых обозначений,

• увеличение чувства присутствия оператора в пределах окружающей среды;

• помощь в навигации и поиске;

• помощь в решении задач, требующих информационной интеграции;

• разделение целей в глубинах трехмерной сцены;

• облегчение восприятия точных ментальных моделей управляемых систем.

Результаты проекта предполагается использовать в центрах подготовки диспетчерского и эксплуатационного персонала, а также на пунктах диспетчерского управления совместно с существующими системами консолидации информации, для решения проблем ограниченного информационного пространства и предоставления удобного инструментария для навигации и оперативного предоставления расширенного спектра информации, повышения эффективности автоматизированных систем управления, связанных с возможностью увеличения числа функций оперативно решаемых в диалоге человек-машина.

Разработанная СОДТИ, объединенная с реальными SCADA-системами, в основном, соответствует требованиям СО к системам. Однако необходимы дальнейшие исследования совместно в действующим диспетчерским персоналом. Можно ожидать, что по мере развития технологии ВО и искусственного интеллекта данный тип систем визуализации будет находить широкое применение для организации интерфейсов к автоматизированным системам управления технологическими процессами в промышленности.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПОДХОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Благодарности. Авторы благодарны Российскому фонду фундаментальных исследований (РФФИ) за частичное финансирование исследования в рамках гранта 09-08-01009-а.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Брагута М. В., Клименко С. В. Система визуализации диспетчерско-технологической информации на основе технологии виртуального окружения // Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования : материалы первой междунар. конф. 2008. Т. 2. С. 26-29.

2. Endsley M. R., English T. M., Sundararajan M. The Modeling of Expertise: the Use of Situation Models for Knowledge Engineering // International Journal of Cognitive Ergonomics. 1997. № 1(2). Р. 119-136.

3. Carswell C. M., Frankenberger S., Bernhard D. Graphing in Depth: Perspectives on the Use of Three-dimensional Graphs to Represent Lower-

dimensional Data // Behaviour and Information Technology. 1991. № 10 (6). P. 459-474.

4. Wickens C. D., Merwin D. H., Lin E. L. Implications of Graphics Enhancements for the Visualization of Scientific Data: Dimensional Integrality, Stereopsis, Motion, and Mesh // Human Factors. 1994. № 36. P. 44-61.

5. Wickens C. D., Carswell C. M. The Proximity Compatibility Principle: Its Psychological Foundation and Relevance to Display Design // Human Factors. 1995. № 37. P. 473-494.

6. Human Factors Analysis of Power System Visualizations / Overbye T. J., Wiegmann D. A., Rich A. M., Sun Y. // Proc. Hawaii International Conference on System Sciences. Maui, HI. 2001. P. 647-652.

7. Yantis S., Hillstrom A. P. Stimulus-driven atten-tional capture: Evidence from Equiluminant Visual Objects // Journal of Experimental Psychology : Human Perception and Performance. 1994. № 20. P. 95-107.

Краснощек А. А., Сольская И. Ю., Сольский С. Б.

УДК 656.2

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ИНТЕГРАЦИИ ПРЕДПРИЯТИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

В процессе структурного реформирования железнодорожного транспорта возникает необходимость интеграции производственно-экономической деятельности предприятий, реализующих сходные функции на разных территориях. Экономический эффект от такой интеграции предприятий обусловлен выделением двух составляющих:

1. Внешней по отношению к интегрируемым предприятиям.. Содержание внешнего эффекта может быть представлено в качестве макроэкономических индикаторов и определяться как фактом возникновения новых организационных структур, так и положительными тенденциями изменения тех или иных макроэкономических показателей.

2. Внутренней, т.е. проявляющейся по отношению к самим интегрируемым предпри-

ятиям. Проявление такого эффекта тесно связано с наличием институциональных ограничений1 и

обязательно регламентировано транзакционными

2

издержками . С позиции интеграционных процессов транзакционные издержки оцениваются как затраты на выполнение внешних контрактов, в противоположность с затратами, связанными с внутренними контрактами [4]. В рамках настоя-

1 Институциональные ограничения здесь понимаются как институциональные барьеры входа на рынок и определяются в частности как система лицензирования, государственного контроля за ценами и уровнем доходности

2 Эрроу К. Возможности и пределы рынка как механизма распределения ресурсов. В сб. THESIS. Т. 1. Вып. 2. 1994. С.53-69.