Когнитивная графика для организации директорного управления магистральными нефтепроводами. Ч. 2

Появление и развитие средств компьютерной когнитивной графики (ККГ) [1] открывает для сферы интеллектуальной поддержки принятия управляющих решений принципиально новые графические возможности. Благодаря этим возможностям лица оперативно-диспетчерского персонала (в дальнейшем лица, принимающие решения - ЛПР) в процессе анализа изображений (их содержания, формы, размеров и цвета), могут добиваться резкого сокращения времени для оценки состояния объекта контроля и управления (ОУ) и принятия правильных и своевременных управляющих решений.

Применение ККГ в человеко-машинных системах диспетчерского контроля и управления (СДКУ) не только увеличивает скорость передачи информации для ЛПР и повышает уровень ее понимания, но и способствует развитию таких важных для диспетчерского персонала трубопроводных систем качеств, как интуиция, профессиональное «чутье», образное мышление.

Интуиция, как и «профессиональное чутье», в системах человеко-машинного управления довольно тесно связаны с образным мышлением и играют значительную роль в формировании первичных гипотез о проблемах, возникающих на объекте управления и путях поиска адекватных управляющих решений. В то же время, интуиция, «профессиональное чутье» и образное мышление - три независимых механизма, которые могут взаимодействовать в тех случаях, когда первый и второй инициируют проявление третьего.

Образное мышление ЛПР входит как существенный компонент процесса управления во все без исключения виды человеческой деятельности, в том числе и в оперативно-диспетчерскую деятельность. Основная функция образного мышления ЛПР - оперирование с когнитивными образами, представляющими состояния объекта управления, в процессе решения конкретных задач контроля и управления. Реализация этой функции у СДКУ обеспечивается представлением на экране динамических когнитивных образов состояния объекта управления. А у ЛПР - обеспечивается специальными механизмами визуального мышления [2] как способа творческого решения проблемных задач в плане образного моделирования, а именно: контроля состояния образов, оценки степени отклонения состояния образов от штатного и установления причин возникновения таких отклонений.

Образное и визуальное мышление оперируют не словами, а образами. Это не означает, что здесь не используются словесные знания в виде определений, суждений и умозаключений. В образном и визуальном мышлении слова используются лишь как средство выражения, интерпретации уже выполненной оценки поведения образов, определяющих визуально образ состояния объекта управления.

В реальном процессе мышления (оценке, складывающейся на ОУ) одновременно присутствуют как образная, так и «понятийная» логика, причем это не две самостоятельные логики, а единая логика протекания мыслительного процесса у ЛПР. Сам когнитивный образ, которым оперирует мышление ЛПР, по своей природе гибок, динамичен и отражает в виде пространственной образной картины реальное состояние ОУ.

Понятия и образы, которыми оперирует мышление, составляют две стороны единого процесса. Будучи более тесно связанными с отражением реальной действительности, когнитивный образ дает знание не об отдельных изолированных сторонах (свойствах) этой действительности, а представляет собой целостную мысленную картину состояния объекта управления в целом или любой его части.

Вопросам построения когнитивного образа, позволяющего на одном экране контролировать несколько технологических участков магистрального или магистральных нефтепроводов (ТУ МН) посвящена настоящая статья.

Задачи когнитивной компьютерной графики для интеллектуальной поддержки деятельности оперативного диспетчерского персонала

Известно, что уже к началу 80-х годов прошлого столетия относится возникновение метафоры [3]: «человеческий мозг - это комбинация трех биокомпьютеров, связанных между собой сложными взаимоотношениями».

Первый биокомпьютер, который условно определяется как левое полушарие мозга, - это традиционная вычислительная машина, предназначенная для обработки вербализуемой (представляемой текстом) информации. В ее функции входит поиск, сортировка, классификация и обобщение. Эта машина выполняет функции логического блока, организуя процедуры логических рассуждений. Она же связана с процедурами общения на естественном языке.

Второй биокомпьютер - правое полушарие - напоминает некоторое аналоговое устройство, в котором решение достигается за счет протекания некоторого непрерывного процесса, в реализации которого большую роль играет случайность. Здесь происходит обработка всей информации, которая не вербализуется, а остается на уровне подсознания.

Если о двух первых биокомпьютерах мы можем примерно сказать, где они находятся и что делают, а также создать, хотя бы в будущем, аналоги, то для третьего биокомпьютера такой ясности нет. Известно лишь то, что биокомпьютеры правого и левого полушарий практически все задачи решают совместно, привнося каждый свои возможности. Это сотрудничество организовывается и согласуется третьим биокомпьютером. Пока не представляется возможным подобрать для него технический аналог или создать математическую модель.

Однако как раз на стыке вербализуемой - текстовой и невербализуемой - графической информации и возникли идеи ККГ. Это позволяет сделать вывод о том, что в плане работ по созданию систем поддержки принятия решений именно ККГ ближе всего к моделированию некоторых функций, выполняемых третьим биокомпьютером - мозгом человека.

В человеко-машинных системах информационной поддержки принятия решений (СППР) [4,5] компьютерная когнитивная графика может использоваться в качестве средства визуализации идей состояний объекта контроля и управления, которые у ЛПР еще не получили какого-либо точного выражения.

Дадим краткую классификацию основных ветвей ККГ. В основу классификации положим тезис о том, что ККГ позволяет моделировать отдельные функции третьего биокомпьютера нашего мозга.

В зависимости от моделирования тех или иных функций этого биокомпьютера условно разделим ККГ на три направления.

Первое направление занимается теми областями, где задача вербализируема, но не решаема или трудно решаема без применения некоторых нетрадиционных методов, например, экспертных систем.

Второе направление - моделирование когнитивных процессов, связанных с пониманием и обработкой текстово-графической информации, т.е. разработка систем типа «Текст - рисунок» и «Рисунок - текст».

Третье направление - назовем его «системы восприятия и оценки» - во многом сходно с первым. Однако, здесь критична не столько сложность задачи, сколько объем исходной информации и время, дающееся на принятие решения.

Так, на пульт диспетчера как ЛПР, управляющего сложной технологией в реальном времени может выводиться информация от нескольких тысяч датчиков дискретного и непрерывного типа, а для ее отображения используется множество видеообразов (мнемосхем, таблиц, графиков и т.п.). При этом ЛПР должен осмыслить всю эту информацию и, в случае возникновения аномальной ситуации, распознать ее, диагностировать причины, спрогнозировать пути развития и принять адекватное ситуации решение о коррекции поведения соответствующих подсистем объекта управления. Принятие неадекватных или неправильных решений может привести к тяжелым материальным или даже людским потерям, время же имеющееся на обдумывание, исчисляется минутами. Поэтому люди, выполняющие роль диспетчеров в таких ситуациях, зачастую испытывают стрессовые перегрузки и допускают ошибки. Для снижения таких нагрузок на помощь человеку-диспетчеру может прийти система представления информации, основанная на идеях ККГ.

Известный специалист в области искусственного интеллекта Д.А. Поспелов сформулировал три основных задачи когнитивной компьютерной графики [6,7].

Первой задачей является создание таких моделей представления знаний, в которых была бы возможность однообразными средствами представлять как объекты, характерные для логического мышления, так и образы-картины, с которыми оперирует образное мышление.

Вторая задача - визуализация тех человеческих знаний, для которых пока невозможно подобрать текстовые описания.

Третья - поиск путей перехода от наблюдаемых образов-картин к формулировке некоторой гипотезы о тех механизмах и процессах, которые скрыты за динамикой наблюдаемых картин.

Эти три задачи ККГ с позиций информационных технологий поддержки принятия решений следует дополнить четвертой задачей. Она заключается в создании условий для развития у ЛПР профессионально-ориентированных интуиции и творческих способностей путем построения пользовательского интерфейса, основанного на методах когнитивной графики.

Дуализм мышления ЛПР при принятии решений и образное представление информации для принятия решений

Человеческое сознание использует два механизма мышления. Один из них позволяет работать с абстрактными цепочками символов, с текстами и т.п. Этот механизм мышления обычно называют символическим, алгебраическим или логическим. Второй механизм мышления обеспечивает работу с чувственными образами и представлениями об этих образах. Его называют образным, геометрическим, интуитивным. Физиологически логическое мышление связано с левым полушарием человеческого мозга, а образное мышление - с правым полушарием.

Каждое из полушарий человеческого мозга является самостоятельной системой восприятия внешнего мира, переработки информации о нем и планирования поведения в этом мире. Левое полушарие представляет собой как бы большую и мощную ЭВМ, имеющую дело со знаками и процедурами их обработки. Речь, мышление словами, рационально-логические процедуры переработки информации и т.п. - все это реализуется именно в левом полушарии. В правом же полушарии реализуется мышление на уровне чувственных образов: эстетическое восприятие мира, музыка, живопись, ассоциативное узнавание, рождение принципиально новых идей и открытий и т.п. Весь тот сложный механизм образного мышления, который нередко определяют одним термином «интуиция», и является правополушарной областью деятельности мозга.

Нередко правополушарное мышление связывают с деятельностью в искусстве. Иногда это мышление даже называют художественным. Однако, и более формализованные виды деятельности в существенной мере используют интуитивный механизм мышления. Любопытны высказывания крупных ученых о роли интуиции в научной деятельности. «Подлинной ценностью, - говорил А. Эйнштейн [8], - является, в сущности, только интуиция. Для меня не подлежит сомнению, что наше мышление протекает, в основном, минуя символы (слова) и к тому же бессознательно». А. Пуанкаре высказывается еще более определенно: «... для того, чтобы создать арифметику, как и для того, чтобы создать геометрию или какую бы то ни было науку, нужно нечто другое чем чистая логика. Для обозначения этого другого у нас нет иного слова, кроме слова «интуиция» [9].

Различие между двумя механизмами мышления можно проиллюстрировать принципами составления связного текста из отдельных элементов информации: левополушарное мышление из этих элементов создает однозначный контекст, т.е. из всех бесчисленных связей между предметами и явлениями оно активно выбирает только некоторые, наиболее существенные для данной конкретной задачи [3]. Правополушарное же мышление создает многозначный контекст, благодаря одновременному охватыванию практически всех признаков и связей одного или многих явлений. Иными словами логико-знаковое мышление вносит в картину мира некоторую искусственность, тогда как образное мышление обеспечивает естественную непосредственность восприятия мира таким, каков он есть.

Это фундаментальное различие между лево- и правополушарной стратегией переработки информации имеет прямое отношение к формированию различных способностей. Так, для научного творчества, т.е. для преодоления традиционных представлений, необходимо восприятие мира во всей его целостности, что предполагает развитие способностей к организации многозначного контекста (образного мышления). Существуют многочисленные наблюдения, что для людей, сохраняющих способности к образному мышлению, творческая деятельность менее утомительна, чем рутинная, монотонная работа. Люди же, не выработавшие способности к образному мышлению, нередко предпочитают выполнять механическую работу, причем она им не кажется скучной, поскольку они как бы «закрепощены» собственным формально-логическим мышлением. Отсюда ясно, как важно с ранних пор правильно строить воспитание и обучение, чтобы оба нужных человеку типа мышления развивались гармонично, чтобы образное мышление не оказалось скованным логикой, чтобы развивался творческий потенциал человека.

Развитие средств компьютерной техники и огромное разнообразие программных продуктов открывают новые возможности для создания современного пользовательского интерфейса в информационных системах поддержки принятия решений. Новые средства ввода, вывода, передачи, хранения и преобразования информации позволяют использовать речевой ввод и вывод, виртуальную реальность, мультипликационные и видеообразы, чертежи, карты, сложные трехмерные динамические графические образы и т.п., что существенно расширяет «полосу пропускания» информации при общении человека с компьютером.

Наиболее быстро читается человеком динамически синтезируемый образ, построенный на базе измеренных, вычисленных и справочных данных. Хорошо развитый у человека двумерный и трехмерный механизм распознавания образов, а также чувство симметрии позволяет очень быстро и эффективно воспринимать и обрабатывать различные виды данных, если они представлены как зрительные когнитивные (cognition- познавание) образы. Статическая составляющая когнитивных образов минимальна, основную информацию несет динамика (цвет, форма, расположение на экране) и ее эволюция. Наиболее эффективна когнитивная графика для быстрой оценки ситуации в целом, так как позволяет, не анализируя большого количества разнородных сигналов и их значений сделать вывод о нештатной ситуации, пути ее развития и адекватных управляющих решений. При построении образов желательно сгруппировать участвующие в его создании сигналы на однотипные и взаимозависимые, Каждая из этих групп параметров на экране должна представляться некоторым графическим когнитивным образом, например: сектором, гистограммой, крестом, кругом, петлей гистерезиса и т.п., несущими определенный технологический смысл и имеющий однозначную технологическую интерпретацию в ОУ.

Принципы построения когнитивного образа типа «калейдоскоп»

Аналогом когнитивного образа взят образ из детского калейдоскопа, где ребенок, крутя прибор, видит удивительный мир симметричных меняющихся цветных фигур. При этом в разработанном когнитивном образе было введено естественное для ЛПР ограничение на количество одновременно управляемых динамически меняющихся переменных в соответствии с законом Миллера Дж. А. (семь - плюс/минус два) [10].

Под технологическим участком (ТУ) магистрального нефтепровода (МН) понимается трубопровод с нефтеперекачивающими станциями (НПС), линейной частью (ЛЧ), связывающие два нефтехранилища в виде резервуарных парков (РП). Технологические участки могут относиться к разным нефтепроводам.

В качестве «когнитивного образа процесса перекачки нефти» по ТУ МН рассматривается подход, основанный на когнитивном образе «линия гидроуклона» [11] и ядре, представленном в виде диаграммы Кивиата [12]. «Линия гидроуклона» образно характеризует распределение давлений в стационарных и нестационарных режимах функционирования нефтепровода и показывает взаимосвязь с эпюрой несущей способности трубы и профилем трассы нефтепровода, где возможны ситуации появления точек перегиба (разрыв сплошности потока и образование полостей, заполненных парами перекачиваемой нефти).

Диаграмма Кивиата показывает в едином образе состояние множества контролируемых технологических участков одного или нескольких нефтепроводов и наличие в них нештатных ситуаций и сообщений об отклонениях от режима эксплуатации МН.

Мини-образ «линия гидроуклона» для ТУ 1 калейдоскопа представлен динамическим образом вида (рис. 1):

Рис. 1. Мини-образ «линия гидроуклона» для ТУ 1

Когнитивный образ ядра «калейдоскопа» для восьми ТУ представляет собой фигуру восьмигранника, представленную на рис. 2 .

Рис. 2. Вид ядра калейдоскопа в виде восьмиугольной диаграммы Кивиата

Каждый сектор этого восьмигранника представляет состояние конкретного технологического участка, которое представляется цветной триадой:

• первый элемент этой триады от центра (цвет - «желтый») представляет сообщения типа - «извещения», включающие события, не требующие принятия управляющих решений на конкретном ТУ МН;
• второй элемент этой триады от центра (цвет - «ярко-красный») представляет сообщения типа - «смена режима», включающие события, требующие принятия управляющих решений по изменению режима работы конкретного ТУ МН;
• третий элемент этой триады от центра (цвет - «темно-красный») представляет сообщения типа - «останов», включающие события, требующие принятия управляющих решений по остановке конкретного ТУ МН;
• штатное состояние ТУ МН (где нет сообщений вышеописанных типов) имеет цвет - зеленый.

В зависимости от тяжести событий на каждом ТУ МН его мини-образ «линия гидроуклона» (рис. 1) перекрашивается в соответствующий цвет, по которому диспетчер может определить приоритеты и выбрать конкретные управляющие действия.

Примеры работы когнитивного образа типа «калейдоскоп» представлены на рис. 3.

Рис. 3. Представление события типа «извещения по ТУ МН»

Рис. 4. Представление события типа «смена режима ТУ МН»

Рис. 5. Представление события типа «останов ТУ МН»

Примеры обобщенного представления состояния ТУ МН отображены на рис. 6 и рис. 7.

Рис. 6. Пример 1 обобщенного представления состояния ТУ МН

Рис. 7. Пример 2 обобщенного представления состояния ТУ МН

При необходимости уточнения выбранного действия диспетчер может путем «клика» «мышью» на соответствующий мини-образ «линия гидроуклона» перейти на полный когнитивный образ «линия гидроуклона» для конкретного МН, представленный на рис. 8. Последний рисунок, имея результаты оперативной диагностики состояния технологии перекачки на конкретном ТУ МН, позволяет диспетчеру в процессе оценки состояния и принятии управляющих решений более точно оценить состояние технологии и выбрать коррелированное с результатами диагностики управляющее решение [10].

Рис. 8. Окно оценки конкретной нештатной ситуации на конкретном ТУ МН и выбора адекватного нештатной ситуации управляющего решения

Выводы

Рассмотренный подход к реализации когнитивного образа типа «калейдоскоп» позволяет организовать более качественную интеллектуальную помощь лицам оперативно-диспетчерского персонала при управлении МН в нештатных ситуациях.

Литература

1. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика/ Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, 1991. 192 с.
2. Арнхейм Р. Визуальное мышление //Хрестоматия по общей психологии. М., Изд-во МГУ, 1981. — стр. 97-107.
3. Поспелов Д.А. Фантазия или Наука. На пути к искусственному интеллекту. М.: Наука, 1982.
4. Гвишиани В.А., Бритков В.Б., Башлыков А.А., Вязилов Е.Д. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений в нештатных ситуациях с использованием информации о состоянии природной среды. - М.: издательство «Эдиториал УРСС, 2001, 303 с.
5. Башлыков А.А. Человек в системе оперативно-диспетчерского управления и проблемы автоматизации процессов для интеллектуальной поддержки принятия решений. - М: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. ВНИОЭНГ. № 1/2014, стр. 11-19.
6. Поспелов Д.А. Когнитивная графика - окно в новый мир. // Программные продукты и системы. 1992. с. 4-6.
7. Башлыков А.А. Когнитивное управление как новая парадигма построения интеллектуальных систем человеко-машинного управления сложными и экологически опасными объектами и технологиями. - М: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. ВНИОЭНГ. № 2/2013, стр. 15-21.
8. Эйнштейн А. Физика и реальность. М.: Наука, 1965.
9. Пункаре А. О науке. М.: Наука, 1983.
10. Башлыков А.А. «Линия гидроуклона» как когнитивный образ для организации директорного управления магистральными нефтепроводами. - М: Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. ВНИОЭНГ. № 3/2015, стр. 4-11.
11. Миллер Дж. А., Магическое число семь, плюс или минус два, сб. «Инженерная психология», изд-во «Прогресс», 1964.
12. M. Pinzger, H. Gall, M. Fischer, and M. Lanza. Visualizing Multiple Evolution Metrics In Proceedings of the 2005 ACM symposium on Software Visualization Visualization of the software development process, Pages: 67 - 75.