книги / Автоматизированное управление формированием сенсомоторных навыков у операторов технологических установок с применением компьютерных тренажеров
..pdfЗдесь γнав. – рекомендуемая скорость формирования навыка
(скорость научения [63, 104–105]), определяющая планируемую траекторию повышения интегрального показателя качества при повторенииупражнения, что рассмотрено детально в параграфе2.4.
Приведенные выше зависимости для формирования множества рекомендаций реализуются продукционными правилами ви-
да (a1 [0;1] , b1 [0;1] , |
c1 [0;1] , |
d1 [0;1], a2 [0;1] , b2 [0;1] , |
||||||
c2 [0;1] , d2 [0;1]): |
|
|
|
|
|
|
||
ЕСЛИ a K пор. |
≤ K |
овл. |
≤ a K пор. , |
ТО «устанавливается набор |
||||
1 овл. |
|
|
2 |
овл. |
|
|||
рекомендаций Mрек(1) |
. », |
|
|
|
|
|
|
|
ЕСЛИ b K экс. ≤ K |
овл. |
≤ b K |
экс. , ТО «устанавливается набор ре- |
|||||
1 овл. |
|
|
2 |
овл. |
|
|||
комендаций Mрек(2) |
. », |
|
|
|
|
|
|
|
ЕСЛИ c K трм. |
≤ K трм. ≤ c K трм. |
, ТО «устанавливается набор |
||||||
1 пор. r |
|
|
r |
|
2 |
пор. r |
|
|
рекомендаций Mр(3)ек. », |
|
|
|
|
|
|
||
ЕСЛИ d K агр. |
≤ K агр. ≤ d |
K агр. |
, ТО «устанавливается набор |
|||||
1 пор. s |
|
|
s |
|
2 |
пор. s |
|
|
рекомендаций Mрек(4) . ».
Методикаобеспечивает индивидуализациюпроцесса обучения. Например, для выработки сенсомоторного навыка подъема и опускания груза в КТК портального крана предусмотрено отдельное упражнение. На первом этапе формирования навыка необходимо научиться выполнять операцию безаварийно (навык считается сформированным после трех успешных повторений упражнения
подряд на каждом этапе, Kовл. =1). В табл. 2.2 представлены примеры результатов (Kовл. ) последовательного повторения упражнения
на данномэтапе формирования навыкадля трехобучаемых. Траектории формирования навыка на данном этапе для каж-
дого обучаемого индивидуальны (см. табл. 2.2). Каждому оператору требуется различное число повторений упражнения для успешного завершения этапа. В зависимости от результатов каждого из
61
повторений в блоке 3.4 будет сформировано соответствующее управляющее воздействие.
|
|
|
Таблица 2.2 |
Результаты последовательного повторения упражнения |
|||
|
|
|
|
Номер |
Результаты (Kовл. ) |
Результаты (Kовл. ) |
Результаты (Kовл. ) |
выполнения |
обучаемого № 1 |
обучаемого № 2 |
обучаемого № 3 |
упражнения |
|||
1 |
0,39 |
0,18 |
0,49 |
2 |
0,67 |
0,31 |
0,66 |
3 |
0,93 |
0,42 |
0,91 |
4 |
1 (успешно) |
0,58 |
1 (успешно) |
5 |
1 (успешно) |
0,74 |
0,96 |
6 |
1 (успешно) |
0,86 |
1 (успешно) |
7 |
– |
0,93 |
1 (успешно) |
8 |
– |
1 (успешно) |
1 (успешно) |
9 |
– |
1 (успешно) |
– |
10 |
– |
1 (успешно) |
– |
В блоке 3.4 на основе накопленной статистики о результатах обучения операторов за определенный промежуток времени автоматически пересчитываются значения всех или некоторых параметров, введенных изначально в блоке 4, с применением методов интеллектуального анализа данных (например изменяются вид и значения
параметров кривой научения для расчета Kовлэкс.. ). Может определять-
ся психофизиологическое состояние обучаемого (например степень его утомления, напряженности работы) по косвенным параметрам (частота переключений органов управления, частота ошибок и т.д.) для принятиярешенияо продолженииработы наКТК.
2.2.5.Формирование рекомендаций (блоки 3.5 и 3.6)
Вблоке 3.5 ситуация Yсит. (tz ), возникшая в момент времени tz , соотносится с расчетной траекторией Bпл. выполнения упражне-
ния, и определяется отклонение сит. (tz ) от траектории, т.е. вы-
числяется сит. (tz ) = fсит. (Yсит. (tz ), Bпл. ) .
62
В блоке 3.6 генерация рекомендаций (советующих воздействий) vрек. (tz ) при выполнении упражнения производится согласно
зависимости |
v |
(t |
z |
) = f |
рек. |
( |
сит. |
(t |
z |
), B |
, M ′ |
) , где |
M |
′ |
|
– набор |
|
|
рек. |
|
|
|
|
пл. |
|
рек. |
|
|
рек. |
|
|||||
возможных рекомендаций, при этом |
M |
рек. |
M ′ |
– |
|
множество |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рек. |
|
|
|
|
|
рекомендаций по результатам предыдущего выполнения. Рекомендации – это сигналы-указания различной модально-
сти (тактильные, звуковые, зрительные) о моментах выполнения обучаемым моторных действий, подающиеся на один из малозагруженных анализаторов.
В частном случае vрек. (tz ) представляет подачу обучаемому
сигналов на переключение рукояток управления в соответствии с наилучшим из возможных вариантов, например показ на экране пиктограммы о том, в какое состояние необходимо перевести некоторый рычаг Rl в момент времени tz . Также примерами реко-
мендаций являются звуковые сигналы на начало торможения и во время нарушений техники безопасности.
Рекомендации формируются с учетом того, что разница .тр. между реальной (Bрлн. ) и расчетной (Bпл. ) траекториями выполнения
упражнениядолжнабытьминимальной: тр. = fтр. (Bрлн. , Bпл. ) → min. Алгоритмы сравнения траекторий и формирования рекомендаций могут отличаться для различных технологических процессов и упражнений. Допустимы дополнительные ограничения, например, время выполнения упражнения Tрлн. не должно превы-
шать пороговое значение Tпор. : Tрлн. ≤ Tпор. .
Подобные советующие воздействия наиболее эффективны на начальных стадиях формирования навыков. Чем хуже обучаемый выполнил упражнение, тем более содержательные, детализированные советующие воздействия должны быть ему предоставлены (например, с фрагментами теории, с подробным объяснением действий).
63
Степень соответствия предложенной модели управления формированием сенсомоторных навыков реальному оборудованию зависит от точности реализации комплекса математических моделей оборудования и процессов, позволяющих имитировать управляемый технологический объект в реальном масштабе времени, а также от соответствия рабочего места обучаемых реальным рабочим местам операторов.
2.3. Определение подмножества оцениваемых показателей качества
Подмножество оцениваемых при выполнении обучаемым упражнения показателей качества определяется на основе их приоритетов, вычисляемых многокритериальным анализом:
1. В блоке 4 строится иерархия (в общем случае – неполная доминантная) в форме графа Gпр. для сравнения показателей
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
качества |
по |
|
|
ряду |
|
|
критериев: |
G |
|
= {< x , xкр. >| d =1, N |
кр. |
} |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пр. |
|
|
0 |
d |
|
|
|
|
|
||
{< xкр. , xкач. |
|
|
|
|
|
|
|
– общий критерий, по |
|||||||||||||||||||
>| d =1, N |
кр. |
,c =1, N кач.}, где x |
|||||||||||||||||||||||||
d |
dc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
которому сравниваются показатели; |
xкр. |
– |
частные критерии в |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
количестве |
N |
кр. |
; |
N кач. |
– число показателей |
xкач. X |
кач. |
, |
|
сравни- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dc |
|
|
|
|
|
|
|||
ваемых по xкр. . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. На основе |
G |
|
строятся матрица M |
пр. |
попарного сравнения |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
кр. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
критериев |
xкр. |
|
|
по |
отношению |
|
к |
|
x |
и |
множество |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Mмтрпр. . = {Mdпр. |
| d =1, Nкр.} |
матриц попарного сравнения показателей |
|||||||||||||||||||||||||
качества |
xкач. поотношению ккаждомуиз xкр. . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
dc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Множество |
приоритетов |
показателей |
качества |
Mпр. = |
|||||||||||||||||||||||
= {W пр. | i = |
|
|
|
} вычисляется в блоке 4 на основе M пр. |
и M пр. |
||||||||||||||||||||||
1, N |
кач. |
||||||||||||||||||||||||||
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кр. |
|
|
мтр. |
||||
в соответствии с этапами МАИ, что можно представить зависи-
мостью Wiпр. = fпр. (Mкрпр.. , Mмтрпр. . ) .
64
4. Модификация подмножества показателей качества осуще-
ствляется в блоке 3.4 согласно зависимостям X ′′ |
|
= X ′ |
X нов. , |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
кач. |
|
кач. |
кач. |
|
X нов. = f (X |
кач. |
\ X ′ |
, M |
пр. |
) , где X ′ |
– текущее подмножество ис- |
||||||
кач. |
кач. |
|
|
кач. |
|
|
|
|
|
|
||
пользуемых показателей (изначально X ′ |
= ); |
X ′′ |
– модифи- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
кач. |
|
|
кач. |
|
|
цированное подмножество; |
Xкачнов.. – подмножество показателей с |
|||||||||||
наибольшим приоритетом среди еще не использованных. |
|
|||||||||||
Значения матриц Mкрпр.. |
и Mмтрпр. . |
могут пересчитываться авто- |
||||||||||
матически в блоке 3.4 (см. рис. 2.2) на основе накопленной статистики о результатах обучения операторов за определенный промежуток времени.
2.3.1. Вычисление приоритетов показателей качества с применением метода анализа иерархий
Процесс определения приоритета (и аналогично – веса) для каждого из показателей качества, вычисляемых при работе обучаемого на тренажере, является примером многокритериальной задачи. С целью решения таких задач широко применяется метод анализа иерархий (МАИ). Преимущества МАИ обусловлены тем, что этот метод включает в себя хорошо обоснованные и простые правила, используемые в ходе принятия решений [99, 106, 107].
Процесс вычисления приоритетов показателей качества для некоторого упражнения с использованием МАИ представлен в форме диаграммы деятельности языка UML (рис. 2.6).
Следует рассмотреть на примере процесс определения приоритетов показателей качества (как последовательность этапов МАИ) дляупражнения, заключающегося вопускании груза на землю.
На первом этапе в настройках КТК с использованием графического интерфейса (без применения программирования)
строится иерархия:
1.Определяется общая цель, помещаемая в вершину иерархии
ипредставляющая значимость показателя качества в рамках конкретного упражнения (применительно копределению приоритета).
65
Рис. 2.6. UML-диаграмма процесса вычисления приоритетов показателей качества
2. На втором уровне иерархии находятся выбранные критерии, т.е. частные цели, по отношению к которым будут оцениваться альтернативы, а именно: сложность овладения относи-
тельно данного показателя качества (K1 ); важность овладения относительно данного показателя качества (K2 ).
3. На третьем, т.е. самом низком уровне иерархии, расположены альтернативы, представляющие возможные показатели качества выполнения упражнения: количество аварийных ситуаций (А1); точность установки груза (А2); плавность установки груза (А3); время выполнения упражнения (А4).
Построенная иерархия представлена на рис. 2.7.
На втором этапе сначала составляется матрица попарного сравнения критериев, расположенных на втором уровне, по от-
66
ношению к общей цели, находящейся на первом уровне. Затем составляются матрицы попарных сравнений показателей каче-
ства (т.е. альтернатив), находящихся на третьем уровне, по отношению к критериям, расположенным на втором уровне. Исходные значения для построения матриц заполняются в настройках КТК до начала практического этапа обучения.
Рис. 2.7. Построенная иерархия
Далее рассмотрен пример выполнения второго этапа МАИ для построенной иерархии (см. рис. 2.7).
Во-первых, требуется построить матрицу для попарного сравнения критериев, расположенных на втором уровне, по отношению к общейцели, находящейся на первом уровне(табл. 2.3).
Таблица 2.3 Сравнение критериев по отношению к общей цели
Цель |
K1 |
K2 |
|
K1 |
1 |
3 |
|
K2 |
1 |
3 |
1 |
|
|
|
|
Во-вторых, строятся матрицы попарных сравнений альтернатив (т.е. показателей качества), расположенных на третьем уровне, по отношению к критериям, находящимся на втором уровне (табл. 2.4 и 2.5).
67
Таблица 2.4
Сравнение показателей качества по отношению к критерию K1
K1 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
|||
A1 |
1 |
3 |
3 |
5 |
|||
|
|
|
|
|
|
||
A2 |
1 |
3 |
1 |
1 |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
A3 |
1 |
3 |
1 |
1 |
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
A4 |
1 |
5 |
1 |
3 |
1 |
3 |
1 |
|
|
|
|
|
|||
Таблица 2.5
Сравнение показателей качества по отношению к критерию K2
K2 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
|||
A1 |
1 |
1 |
3 |
1 |
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
A2 |
3 |
1 |
1 |
5 |
|||
A3 |
3 |
1 |
1 |
5 |
|||
A4 |
1 |
3 |
1 |
5 |
1 |
5 |
1 |
|
|
|
|
|
|||
Представленные матрицы (см. табл. 2.3–2.5) являются обратно симметричными. Так как при сравнении некоторого критерия или альтернативы (показателя качества) с самим собой имеет место равная значимость, то главная диагональ матрицы строится из единиц. Клетки матрицы заполняются в соответствии с субъективными суждениями принимающих решения экспертов.
Для проведения попарных сравнений критериев и альтернатив (показателей качества) в МАИ используется специальная шкала (табл. 2.6). С применением представленной шкалы суждения экспертов будут, с одной стороны, субъективными, однако с другой стороны – продуманными.
68
Таблица 2.6
Шкала относительной важности
Интенсивность 
относительной Описание
важности
1Равная важность, обозначающая равный вклад двух критериев или двух альтернатив (показателей качества) в общую цель
Умеренное превосходство, обозначающее, что опыт и сужде-
3ния определяют легкое превосходство одного критерия или альтернативы (показателя качества) над другим
Существенное (сильное) превосходство, обозначающее, что
5опыт и суждения определяют сильное превосходство одного критерия или альтернативы (показателя качества) над другим
Значительное превосходство, обозначающее, что одному из
7критериев или альтернатив (показателей качества) отдается настолько сильное предпочтение, что оно становится практически значительным
Очень сильное превосходство, обозначающее, что очевидность
9превосходства одного критерия или альтернативы (показателя качества) наддругимподтверждаетсянаиболеесильно
2, 4, 6, 8 |
Применяемые в компромиссных случаях промежуточные |
|
оценки между двумя близкими (соседними) суждениями |
||
|
||
|
Если при сравнении первого критерия или альтернативы (по- |
|
Обратныевеличи- |
казателя качества) со вторым получено одно из перечислен- |
|
ныприведенных |
ных выше значений, то при сравнении второго критерия или |
|
вышезначений |
альтернативы (показателя качества) с первым получается |
|
|
обратная величина |
Например (см. табл. 2.4) на пересечении строки, соответствующей альтернативе A2 и столбца, соответствующего альтерна-
тиве A4 , стоит значение 3. Это обозначает (см. табл. 2.6) умеренное превосходство альтернативы A2 над альтернативой A4 .
В ходе осуществления третьего этапа МАИ (называемого синтезом приоритетов) определяются локальные приоритеты альтернатив по отношению к каждому из критериев и локальные приоритеты критериев по отношению к общей цели.
Размерность первой матрицы (см. табл. 2.3) равна n = 2. Находится геометрическое среднее каждой строки этой матрицы:
69
ω1 = |
a11 a12 |
= |
1 3 ≈1,73, |
|||||
ω |
2 |
= |
a |
21 |
a |
= |
1 1 ≈ 0,58. |
|
|
|
|
|
22 |
|
3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Далее вычисляется нормирующий коэффициент: |
||||||||
r = ω1 + ω2 |
=1,73 + 0,58 = 2,31. |
|||||||
Затем вычисляется вектор приоритетов: |
||||||||
q |
|
= ω1 |
= 1,73 ≈ 0,75, |
|||||
21 |
|
r |
|
|
2,31 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
q |
|
= ω2 |
= 0,58 ≈ 0,25. |
|||||
22 |
|
r |
|
|
2,31 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
Таким |
образом, вычислен вектор приоритетов q2 = |
|||||||
= (0,75, 0,25) , в котором индекс 2 обозначает, что вектор приоритетов относится ко второму уровню иерархии. Вектора локальных приоритетов альтернатив по отношению к критериям K1
и K2 вычисляются аналогично, |
и они равны соответственно |
q31 = (0,52, 0,20, 0,20, 0,08) и q32 |
= (0,15, 0,39, 0,39, 0,07) . |
На четвертом этапе МАИ вычисляется отклонение от согласованности локальных приоритетов. На этом этапе для каж-
дой из построенных матриц рассчитывается отношение согласованности.
Для первой матрицы (см. табл. 2.3) вычисление отношения согласованности не требуется, т.к. сравниваются только два критерия относительно общей цели.
При вычислении отношения согласованности для второй матрицы (см. табл. 2.4) сначала рассчитывается сумма значений каждого столбца матрицы:
s1 =1+ 13 + 13 + 15 =1,87, s2 = 3 +1+1+ 13 = 5,33,
70