|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІ`ТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Григорецький Володимир Олексійович
УДК 658.52.011.56:656.7.022
АВТОМАТИЗАЦІЯ ДІАГНОСТИКИ ІНФОРМАЦІЙНИХ МОДЕЛЕЙ
АВІАДИСПЕТЧЕРА В ПРОЦЕСІ ДОПУСКУ ДО САМОСТІЙНОЇ
РОБОТИ
Спеціальність 05.13.06 – автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Державній льотній академії України Міністерства освіти і науки України, м. Кіровоград.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор
Неділько Сергій Миколайович,
Державна льотна академія України,
завідувач кафедри обслуговування
повітряного руху.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Бєляєвський Леонід Степанович
Національний транспортний університет,
заслужений діяч науки і техніки України,
лауреат Державної премії,
професор кафедри;
кандидат технічних наук, доцент
Осадчій Сергій Іванович
Кіровоградський національний
технічний університет, завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів.
Провідна установа: Науково-виробнича корпорація
“Київський інститут автоматики”
Міністерства промислової політики України,
м. Київ.
Захист відбудеться 01.07.2005 р. о 14 год в ауд. 333. Національного транспортного університету
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розіслано 30.05.2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради О.І. Мельниченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Останні десятиліття у світовій системі обслуговування повітряного руху характеризуються процесом автоматизації основних та допоміжних функцій, що виконуються авіадиспетчерами, враховуючи як безпосереднє управління повітряним рухом (УПР), так і питання, пов'язані з навчанням, підготовкою і перепідготовкою авіафахівців. Проблема людського фактору при УПР є особливо актуальною. Процес УПР потребує застосування підвищених вимог до людей, що безпосередньо здійснюють радіолокаційний чи процедурний контроль за польотами повітряних суден. Це пояснюється жорсткими вимогами до часу прийняття рішень та надійності операторів через високу швидкість процесів, що відбуваються в системі, та підвищений рівень небезпеки для життя людей. Тому безпека і ефективність повітряного руху суттєво залежать від підбору кандидатів, що найкраще зможуть справлятися з майбутньою роботою.
Але процес допуску авіадиспетчерів до самостійної роботи після отримання освітнього рівня “спеціаліст” у навчальному закладі в даний момент є одним з найменш досліджених і автоматизованих. Дотепер не розглядали як єдиний процес, що вимагає комплексного врахування різних факторів, всю послідовність необхідних дій при стажуванні. Тому на даний момент вирішення з позицій системного підходу задачі автоматизації процесу допуску авіадиспетчерів до самостійної роботи є досить актуальним питанням, що потребує свого термінового вирішення. Правильно організований вибір кандидатів при прийомі на роботу на конкретне робоче місце дозволяє вже з самого початку відсівати осіб, що не відповідають вказаним вимогам і зберегти кошти та час, що необхідні для їх навчання та стажування. Організація ж самого процесу стажування на основі автоматизованого контролю стану інформаційних моделей особи людини-стажиста дозволить з індивідуальних позицій підходити до оцінки часу, необхідного для стажування, та об’єктивно оцінювати поточний рівень готовності стажиста до самостійної роботи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках НДР 36Б41.6 "Дослідження структури процесу управління повітряним рухом з метою реалізації гарантійного підходу до підготовки авіадиспетчерів” - № ДР 0196U013139; 36Б47.2000 “Розробка державних стандартів освіти в галузі підготовки фахівців з обслуговування повітряного руху (ОПР) і льотної експлуатації (ЛЕ)” - № ДР 0100U004669; 37Б50.02 “Розробка методів, моделей та алгоритмів системи підтримки прийняття рішень оператора авіаційної поліергатичної системи (диспетчера управління повітряним рухом)" - № ДР 0102U002421.
Мета і завдання дослідження. Мета роботи – підвищення рівня професійної готовності авіадиспетчера за рахунок автоматизації управління процесом допуску до самостійної роботи.
Для досягнення мети роботи поставлені й вирішені наступні задачі:
- розробка структури нормативної моделі авіадиспетчера для допуску до самостійної роботи на робочому місці і поточної моделі авіадиспетчера;
- оцінка значимості чинників і розробка алгоритму кількісної оцінки рівня професійної підготовки авіадиспетчера при автоматизованому оцінюванні;
-. розробка алгоритмів взаємної конвертації кількісних і якісних оцінок рівня професійної підготовки авіадиспетчера при традиційному методі стажування;
- розробка структури і алгоритму роботи автоматизованої системи управління допуском авіадиспетчера до самостійної роботи.
Об’єкт дослідження – система стажування авіадиспетчера на робочому місці з метою його допуску до самостійної роботи.
Предмет дослідження – автоматизація комплексного оцінювання знань та вмінь авіадиспетчера при отриманні допуску до самостійної роботи.
Методи дослідження. В дисертаційній роботі при вирішенні задачі автоматизації допуску до самостійної роботи були використані методи теорії прийняття рішень, теорії графів; інженерної психології, при отриманні параметрів моделей – метод побудови функцій належності в нечітких умовах, заснований на обробці статистичних даних, математико-статистичний метод експертних оцінок, інфологічне моделювання та ін.
Наукова новизна одержаних результатів:
- вперше обгрунтовано концепцію формалізації і автоматизації процесів прийняття рішення про допуск авіадиспетчерів до самостійної роботи з точки зору забезпечення безпеки польотів;
- вперше на основі діючих нормативних документів і освітньо-кваліфікаційних характеристик авіадиспетчера розроблено структуру і визначено склад адекватних реальним умовам Державного підприємства з обслуговування повітряного руху України “Украерорух” нормативної і поточної інформаційних моделей авіадиспетчерів-стажистів з врахуванням можливості втрати навичок, а також моделі помилок;
- в результаті експериментальних досліджень встановлено залежності між елементами знань, умінь та навичок і можливими помилками авіадиспетчерів.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані принципи, методи оцінки і моделі складають науково-методологічну основу для створення автоматизованих систем управління в сфері забезпечення професійної придатності операторів особливо складних і небезпечних систем. Автором вперше запропонована принципова схема структури і алгоритм роботи автоматизованої системи управління допуском авіаційних диспетчерів до самостійної роботи, в основу роботи якої покладено алгоритми діагностики стану інформаційних моделей спеціалістів.
Результати дисертаційної роботи адаптовані і впроваджені у Харківському регіональному структурному підрозділі Державного підприємства з обслуговування повітряного руху “Украерорух”, у Державній льотній академії України в тренажерному комплексі управління повітряним рухом і в навчальному процесі у вигляді методики оцінки рівня професійної готовності авіадиспетчерів до самостійної роботи, вимог до підготовки авіадиспетчерів на тренажері при управлінні повітряним рухом в критичних та аварійних ситуаціях, що підтверджується 3 актами впровадження. Це дало змогу підвищити ефективність професійної підготовки авіадиспетчерів за рахунок підвищення якості вправ, що виконуються на тренажері, і алгоритмізації процесу допуску до самостійної роботи.
Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійного дослідження. В роботах, що виконані в співавторстві, особисто автором запропоновано:
- методику і алгоритм комплексної взвішеної оцінки рівня професійної підготовки авіадиспетчера з врахуванням результатів експериментальних досліджень і вимог нормативних документів;
- методику семибальної якісної оцінки інструктором рівня професійної підготовки стажиста на початковому етапі впровадження системи;
- алгоритм роботи модулю з визначення учбового навантаження за результатами вхідного контролю;
- схему інформаційних потоків системи допуску авіадиспетчера до самостійної роботи.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні положення дисертаційного дослідження оприлюднені й обговорені на IІI Міжнародній науково-технічній конференції “АВІА-2001” (Київ, НАУ, 2001), Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні інформаційні технології в управлінні і професійній підготовці операторів складних систем” (Кіровоград, 2003 р.), на засіданнях кафедр інформаційних технологій та обслуговування повітряного руху, науково-практичних конференціях викладачів та аспірантів Державної льотної академії України (2001–2005 рр.).
Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 8 друкованих робіт [1-8]: 4 статті у фахових наукових виданнях, що відповідають переліку ВАК, 2 тез доповідей на науково-технічних конференціях, а також підручник з грифом МОНУ (у співавторстві) і методичні вказівки. Результати роботи використані в звіті про НДР [9].
Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та чотирьох додатків. Список використаних джерел вміщує 96 найменувань. Робота містить 162 сторінки тексту, в тому числі 122 сторінки основного тексту, ілюстрованого 14 рисунками і 11 таблицями.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету, задачі та методологічну основу досліджень. Визначено наукову новизну та практичне значення роботи. Показано, яким чином здійснювалась апробація та впровадження результатів.
У першому розділі проведено аналіз і обгрунтовано концепцію формалізації і автоматизації процесів прийняття рішення про допуск авіаційного диспетчерів до самостійної роботи з точки зору забезпечення безпеки польотів. Розглянуто особливості праці авіадиспетчера в умовах, що наявні на даний момент в Україні і в інших країнах світу, визначено основні задачі системи обслуговування повітряного руху і системи професійної підготовки диспетчерського складу України. Запропоновано принципово нову схему інформаційних потоків системи допуску авіадиспетчера до самостійної роботи, що враховує можливість не тільки набуття, але і втрати навичок, знань і умінь.
Інтеграція системи професійної підготовки авіадиспетчерів і системи профілактики авіаційних пригод з вини персоналу ОПР, що здійснюється на основі спільного використання бази даних професійної надійності системи УПР, дозволяє принципово по-іншому підійти до вирішення ряду задач, пов’язаних з підвищенням професійної надійності, але ставить цілий ряд нових вимог до моделей, що використовуються.
Рішення задачі гарантованого забезпечення професійної надійності авіадиспетчера методами комп’ютерних технологій навчання передбачає моделювання диспетчера як спеціаліста, тобто розробку такого формалізованого уявлення про нього, на основі якого можлива оцінка рівня його професійної придатності. В самому широкому смислі під моделлю спеціаліста розуміють множину точно представлених фактів, які дають опис різних сторін його стану: знання, уміння, навички, особистісні характеристики, професійні якості, типові помилки, стан здоров’я і т.і.
Традиційним підходом до моделювання спеціаліста в сучасних комп’ютерних технологіях навчання є побудова нормативної і поточної моделей та моделей помилок. Крім того, для авіадиспетчера як оператора складної системи управління також необхідно будувати моделі набуття/втрати навичок керування для нестандартних ситуацій різних класів. Вказані моделі складають основу бази даних професійної надійності фахівців з обслуговування повітряного руху.
На рис. 1 в спрощеному вигляді подано послідовність дій і схему інформаційних потоків для вирішення задачі автоматизації допуску диспетчера до самостійної роботи. Нормативна модель авіадиспетчера при цьому буде включати вимоги до його кінцевого стану після завершення стажування на момент допуску до самостійної роботи. Це комплекс знань, умінь і навичок (ЗУН), наявність яких визначає мету стажування – допуск до самостійної роботи.
Поточна модель, тобто знання про те, яким є стажист в даний момент, будується шляхом аналізу його поводження у процесі навчання і стажування, тому таку модель крім того називають поведінковою або динамічною. Вона змінюється разом зі зміною того, кого навчають. Механізмом побудови цієї моделі є діагностика.
Початковий стан поточної моделі стажиста формується за результатами вхідного контролю, що відповідає вимогам освітньо-кваліфікаційної характеристики майбутнього фахівця. Методи керування навчальною діяльністю базуються на процесі діагностики поточної інформаційної моделі стажиста і порівняння її стану з показниками нормативної моделі. Кінцевою метою стажування є досягнення і підтримка такого положення, коли стан поточної моделі стажиста в допустимій мірі відповідає вимогам його нормативної моделі.
Виконано аналіз методів побудови системи діагностики знань з точки зору можливості і ефективності їх застосування в автоматизованій системі управління допуском диспетчерів до самостійної роботи. Обгрунтовано доцільність використання модернізованої методики В.А. Петрушина для побудови діагностуючої системи.
У другому розділі розглянуто методологічні основи автоматизованої діагностики та ідентифікації інформаційних моделей авіадиспетчерів в процесі їх допуску до самостійної роботи. При діагностиці рівня професійної підготовленості диспетчерів враховується, що цей процес характеризується великою кількістю контрольованих параметрів, безперервністю процесу тренування в часі і великою кількістю індивідуальних способів діяльності. Для забезпечення якісного аналізу поточних інформаційних моделей діяльності стажистів сформульовано систему точного і достовірного оцінювання авіадиспетчерів, як під час практичної підготовки на тренажерах, так і під час виконання професійних обов’язків на робочому місці. Для цього визначено поняття професійно підготовленого авіадиспетчера, яке базується на вимогах нормативної моделі і фіксує еталонний рівень вимог до авіаційних фахівців за типовими показниками діяльності.
Під професійно підготовленим авіадиспетчером будемо розуміти такого авіадиспетчера, який задовольняє одночасному дотриманню наступних умов і нормативів:
М(АЗУН, АПВЯ, АПОМ, АМЕД)дисп ≥ М(АЗУН, АПВЯ, АПОМ, АМЕД)еталон
де: М(АЗУН)дисп,  ,  і  – відповідно, фактичні (індивідуальні) значення рівня знань, вмінь та навичок авіадиспетчера, рівня розвитку професійно важливих якостей, кількості та частоти помилкових дій та рівня дотримання медичних вимог;
- М(АЗУН)еталон – еталонний найменьший допустимий рівень знань, умінь та навичок авіадиспетчерів;
- М(АПВЯ)еталон – еталонний рівень розвитку професійно важливих якостей авіадиспетчерів, що дозволяє ефективно вирішувати найбільш складні і відповідальні професійні задачі (відсутні професійно-небезпечні психологічні і моральні якості і установки, що призводять до помилок і зривів у діяльності);
- М(АПОМ)еталон – встановлений (допустимий) норматив кількості та частоти помилкових дій авіадиспетчера при виконанні технологічних операцій;
- M(AМЕД)еталон – сукупність нормативних (сертифікаційних) медичних вимог до фізичних і психологічних властивостей авіадиспетчера.
При побудові інформаційної моделі в діяльності авіадиспетчерів виділено сукупність взаємозалежних блоків:
Кожний інформаційний блок ( ) характеризується своїми локальними цілями і правилами побудови ( ):
Рівень ЗУН авіадиспетчерів для кожного інформаційного блока визначається на основі сукупності показників (gk):
Процес прийняття рішення авіадиспетчерами характеризується сукупністю:
де UN – інформація, яка необхідна авіадиспетчерам в процесі прийняття рішення;  – сукупність можливих альтернативних рішень;  – критерії оцінки ефективності підготовки і прийняття рішень;  – правила вибору рішення; FДИСП – індивідуальні особливості авіадиспетчерів.
Умови, які необхідно врахувати при побудові алгоритму автоматизованої діагностики інформаційних моделей авіадиспетчерів визначено наступним чином:
1. Діагностика інформаційних моделей авіаційних фахівців повинна враховувати: узагальнені рівні навчання (підсумкова оцінка), обсяг і системність знань, швидкість, точність і міцність засвоєння навчального матеріалу.
2. У загальному випадку необхідно застосовувати дві критеріальні системи показників виконання авіадиспетчером своїх функцій: аналіз надійнісних характеристик авіадиспетчера і розгляд ефективності використання психофізіологічних резервів організму.
3. Оцінка якості діяльності авіадиспетчерів повинна включати наступні основні компоненти: показники точності (поточна помилка, середня помилка і інтегральна помилка), часові показники (латентний період реакції, час рухової реакції і повний час обробки інформації) і інформаційні показники (кількість і якість переробки інформації).
Сукупність критеріїв діагностики і вимоги до них подано у наступній формі:
де A – цілі і стандарти професійної підготовки;  – критерії, що визначаються на M;  – узагальнений стан авіадиспетчера (D) і середовища діагностики (S).
Для автоматизованої діагностики рівня готовності авіадиспетчерів на елементарному рівні типових професійних задач використовуються наступні критерії:
де  – безпомилковість (аналізується правильність і доцільність виконання технологічної операції у конкретній ситуації з ОПР);  – швидкодія (оцінюється час виконання технологічної операції від моменту надходження сигналу до закінчення керуючої дії);  – своєчасність (оцінюється виконання (невиконання) авіадиспетчером технологічної операції протягом нормативного проміжку часу);  – послідовність (аналізується відповідність виконання сукупності взаємозалежних технологічних операцій порядку, встановленому нормативними документами);  – точність (оцінюється погрішність виконання технологічної операції).
Для отримання якісних показників рівня професійної підготовленості використано математичний апарат теорії нечітких множин. Значення терм-множини лінгвістичної змінної “рівень професійної підготовленості” подано в табл. 1, а функції належності – на рис. 2.
Таблиця 1.
Значення лінгвістичної змінної “рівень професійної підготовленості”
Рис. 2. Функції належності термів лінгвістичної змінної
“Рівень професійної підготовленості”
У третьому розділі подано результати експериментальних досліджень, присвячених визначенню вимог до складу інформаційних моделей, що необхідні для вирішення задачі автоматизації прийняття рішення про можливість допуску авіадиспетчерів до самостійної роботи. Такі моделі складають основу бази даних професійної надійності персоналу служби управління повітряним рухом.
Для отримання системи приоритетів підготовки авіадиспетчера було проведено експертне опитування щодо визначення вагових коефіцієнтів значимості елементів професійної підготовки. Експеримент був проведений у вигляді анонімного анкетування на базі Харківського регіонального структурного підрозділу Державного підприємства з обслуговування повітряного руху України “Украерорух”. В якості експертів виступили диспетчери 1-3 класу, які здійснюють безпосереднє керування повітряним рухом, зі стажем роботи не менш 5 років. Усього було опитано 50 респондентів. За результатами анкетування сформована загальна матриця групових переваг експертів і оброблено результати експерименту.
Для перевірки погодженості думок експертів використано коефіцієнт варіації і коефіцієнт конкордації Кендалла для нестрогого ранжування.
Для перевірки значимості ранжування була визначена статистична вірогідність коефіцієнта конкордації. Для цього була взята імовірність помилки Рош = 1% і знайдено фактичне і табличне значення χ2
В усіх випадках  .
Коефіцієнти варіації і конкордації показали стійку погодженість думок щодо елементів теоретичної і практичної підготовки в навчальному закладі. Думки з приводу значимості елементів підготовки в службі руху розійшлися. Експеримент показав, що практично всі пропоновані елементи підготовки в службі руху однаково важливі. Тому для одержання однозначності ранжирування було прийняте рішення про укрупнення окремих елементів і зведення їх до 3-4 рангів.
Для визначення вагових коефіцієнтів значимості елементів теоретичної і практичної підготовки, від рангів Ri до вагових коефіцієнтів ωi переходимо за допомогою методу ранжировок. Ваговий коефіцієнт визначався за формулою:
 ,
де  - проміжна оцінка;
Rij - ранг i-ого елемента для j-го експерта (Riгр – ранги групи);
n – число елементів підготовки.
Однак такий метод, що заснований на припущенні про лінійну залежність між рангом і відносною цінністю показника ефективності, не враховує важливої обставини. Аналіз нормативних вимог для визначення допуску до самостійної роботи показує, що серед елементів знань, умінь і навичок є значна частина таких, відсутність яких не допускається. Тому, з урахуванням розрахованих ваг, комплексна оцінка елементів професійної підготовки авіадиспетчерів буде мати вигляд:
 , де
- для елементів теоретичної підготовки в авіаційному навчальному закладі:
- для загальноосвітніх і професійно-орієнтованих елементів підготовки в авіаційному навчальному закладі:
- для елементів теоретичної підготовки в службі руху:
- для елементів знань і практичних навичок, необхідних на конкретному робочому місці в службі руху:
 ,
а ki приймає значення 1 в разі допустимого рівня оцінки, або 0 - в протилежному випадку.
Визначені експериментальним шляхом вагові коефіцієнти дозволяють здійснювати автоматизовану оцінку стану поточної моделі стажиста в процесі стажування з метою визначення моменту можливості його допуску до самостійної роботи на конкретному робочому місці.
Також методом анонімного експертного опитування було експериментально визначено залежності між елементами знань, умінь та навичок і типовими помилками при управлінні повітряним рухом. Було виділено сукупність можливих помилок авіадиспетчера на основі аналізу кваліфікаційної характеристики спеціаліста з УПР, плану навчального процесу на факультеті обслуговування повітряного руху Державної льотної академії України, посадових інструкцій диспетчерських пунктів служби руху, а також щоденника стажування та допуску до роботи диспетчера служби руху. На основі обробки анкетних даних побудовано матрицю взаємозв’язків між типовими помилками авіадиспетчерів та елементами ЗУН, якими ці помилки можна нейтралізувати. Для цього підраховувалась кількість зв’язків між помилками та ЗУН, що визначив експерт.
У четвертому розділі подано основні положення, що пов’язані з реалізацією запропонованих принципів, математичних і інформаційних моделей у вигляді алгоритмів роботи модулів автоматизованої системи управління допуском авіадиспетчера до самостійної роботи (АСУДД).
Автоматизоване отримання кількісно-якісних результатів діяльності авіадиспетчерів (рис. 3) передбачає виконання наступних процедур:
| 
