информационные процессы в системах управления

Информационные процессы в системах управления
Р.Д.Колесников, к.т.н., доцент
Детерминированность процессов поражения в аварийном объекте определяет
детерминированность информационных процессов в контуре управления. Вместе с тем
создаётся семантическая неопределённость, порождающая основные проблемы
разработки АСУ структурно сложными аварийными объектами.
Освоение атомной энергетики, как и любого прорывного направления,
связано с тяжелейшими авариями, вызывающими мировой резонанс. Страх
перед последствиями аварий заставляет сворачивать в ряде государств
программы развития атомной энергетики.
На операторов в условиях аварий обрушиваются огромные потоки
информации. Любые их ошибки чреваты серьёзнейшими последствиями.
Невозможность найти решение возникающих проблем в сложных системах
человек-машина методами инженерной психологии привёл к её системному
кризису [2]. Тем не менее, по-прежнему пытаются решать эти сложнейшие
проблемы, опираясь на достигнутые результаты инженерной психологии [1],
т.е. путём поиска, отбора и тренировок «сверхчеловека».
Суть кризиса инженерной психологии не в плохих методах, а в том, что
оператор в силу превышения его психофизиологических возможностей не
способен решать задачи управления такой сложности. Единственный выход автоматизировать сложнейший информационный процесс - процесс
управления борьбой за живучесть объекта. Для этого необходимо
разобраться в сущности самого информационного процесса.
Процесс циркуляции информации в контуре управления
Информационные процессы в системах управления – это процессы её
получения, преобразования и передачи.
Основная функциональная схема информационных процессов в
системах управления приведена на рис.1.
Решающая система
Известительная
система
Исполнительная
система
Объект управления
Рис.1. Основная функциональная схема обработки
и передачи информации в системах управления
объектами
На рис.1 показаны объект управления и управляющая система, состоящая из
следующих систем: известительной, решающей и исполнительной. Объект
управления и управляющая система представляют собой функциональный
комплекс, который принято называть «система управления», по крайней мере
в случаях, когда решаются задачи управления.
В системе управления информация в общем случае циркулирует по
замкнутому контуру. Представляет интерес выяснение обстоятельств
(причин и следствий возникновения и существования) циркуляции.
Известно, что «всеобщим свойством материи является отражение».
Сейчас трудно сказать, что именно имелось в виду под термином
«отражение». Однако очевидно, что, например, в неживой природе нет
ничего, что было бы способно создавать, воспроизводить или
трансформировать некий смысловой образ, т.е. собственно «отражать». Эти
функции свойственны живым существам и специально создаваемым
управляющим системам.
Циркуляция информации в системах управления происходит за счёт
всеобщего свойства материи – реакции на воздействие. Итак, в системах
управления информация циркулирует по контуру управления за счёт реакций
каждого из четырёх элементов (рис.1) на входные сигналы. Результатом этих
реакций являются их выходные сигналы. Поэтому факт циркуляции
информации позволяет условно считать, что и объект управления является
«преобразователем информации».
Любая система управления создаётся для достижения определённых
«целевых» состояний объекта управления из исходных и реализуется путём
решения (решающей системой) определённых конкретных задач управления
процессом перевода объекта из исходного состояния в целевое состояние.
Для решения задач управления необходима информация о состоянии
объекта управления, связанная непосредственно и однозначно с решаемой
задачей управления. Назовём её «целевой» информацией I0.
Анализ процесса циркуляции информации в контуре управления
позволяет сделать следующие важные выводы:
1. Решение задач управления возможно, только если и именно потому, что
реакция объекта на воздействие изучаема и может быть предсказана. Это
обстоятельство даёт возможность заранее разработать алгоритм управления
по целевой информации.
Возможность изучить и предсказывать реакции объекта на управляющие
воздействия исполнительной системы – это одно из основных свойств, а
также необходимое условие создания и безаварийного применения любой из
систем управления от простейшего ручной системы регулирования до
сложнейших, в том числе АСУ ССАО.
2. Без наличия полной (достаточной, исчерпывающей) целевой информации
решение соответствующей задачи управления невозможно. Смысл этого
ограничения не изменится, если его сформулировать следующим образом:
содержанию решаемых для достижения определённых целей управления
задач управления должна однозначно соответствовать целевая информация,
предоставляемая в полном объёме. Предоставление целевой информации в
полном объёме – это основная функция известительной системы.
3. Несмотря на вероятностный характер, например, возможных внешних
воздействий, отказов и т.п., особенностью систем управления как
информационных систем является обеспечение однозначности реакции
решающего устройства на целевую информацию (определённость, или
детерминированность, алгоритма управления).
Реализация этих положений обеспечивает спроектированной системе
управления свойства целенаправленности на решение поставленной задачи
управления по представляемой в полном объёме целевой информации,
однозначности
выработанных
решающей
системой
управляющих
воздействий и предсказуемости
реакции объекта управления на эти
воздействия.
Таким образом, правильно спроектированная система управления
является детерминированной системой. Рассмотрим эти положения более
детально.
Функциональная схема автоматизированной системы управления
Пульт дистанционного управления
Средства
отображения
информации
Оператор
Органы управления
Автоматическая
управляющая
система
Система сбора и
унификации
информации
Объект
управления
Исполнительные
устройства
Линии со стрелками - система передачи информации
Рис.2. Система управления объектом
На рис.2 представлена функциональная схема автоматизированной
системы управления. На этой схеме можно указать два контура управления:
контур
автоматического
и
контур
дистанционного
управления,
осуществляемого оператором.
При управлении объектом можно указать два основных потока
смысловой информации: поток известительной информации и поток
командной (управляющей) информации. Эти потоки «разрываются» в
решающей системе, где известительная информация преобразуется в
командную по алгоритмам (законам) управления.
Особенностью контура дистанционного управления является наличие
человека-оператора, средств отображения информации (СОИ) и органов
управления. На СОИ по существу представляется модель объекта, в реальном
времени отображающая его текущее состояние во всех режимах его
использования.
На данной схеме показана связь с выхода автоматической системы на
вход СОИ. Её назначение состоит не только в передаче информации
оператору о вмешательстве автоматической системы в управление,
например, по аварийным сигналам, но и в визуализации рекомендаций
оператору по управлению.
Заметим, что для управления ССАО создаются достаточно сложные
многоуровневые
организационно-технические
«структуры»
с
так
называемым (в инженерной психологии) «коллективом операторов» [2]. В
дальнейшем, чтобы подчеркнуть, что это обстоятельство имеет существенное
значение, термин «оператор» будем использовать в кавычках.
Смысловое содержание энтропии в системах управления
Понятие энтропии при изучении различных процессов связывают с
представлением процесса деградации объектов от некоторого уровня с
определённым потенциалом (с определёнными возможностями). Процесс в
направлении деградации приводит к увеличению энтропии, а контрпроцесс к
снижению энтропии.
Естественно считать, что если необходимый для решения любых задач
потенциал (возможности) не заложен изначально, то это «врождённая»
деградация (энтропия). Если же эти возможности утрачены объектом,
например, вследствие поражающих воздействий на него, то это
приобретённая деградация (энтропия). Эта терминология хорошо отражает
неспособность систем в полной мере решать задачи по предназначению (как
следствие проектирования), их моральное (относительное) и физическое
устаревание, процесс поражения и др.
В теории информации понятие энтропии обоснованно связывают с
понятием информационной неопределённости, обусловленной отсутствием
или снижением количества необходимых для решения задач сведений.
Получение этих сведений снижает энтропию системы.
Рассмотрим с этих позиций энтропийные и информационные процессы
в управляющей объектом системе.
Энтропия и информация в известительной системе
Объект управления является источником информации. Он содержит её
в полном объёме по всем задачам. Поэтому семантическая энтропия
(неопределённость) объекта управления как источника информации (по
отношению к самому себе) тождественно равна нулю. Объект может дать о
себе любую информацию.
Проблема с оценкой состояния объекта возникает у оператора и
связана с тем, что он получает её с модели объекта – СОИ. Поэтому, вопервых, семантическая энтропия имеет место только в решающей системе
контура дистанционного управления (у оператора) и, во-вторых, её величина
зависит от качества СОИ.
На рис. 3 показана диаграмма представляемой на СОИ информации для
решения определённой задачи управления – достижение объектом целевого
состояния (Информационная диаграмма известительной системы).
IM
I0
IH
Рис.3 Информационная диаграмма известительной системы
Введены следующие обозначения:
IM – общее количество представляемой на СОИ информации (message);
I0 – необходимое для решения задачи количество (целевой)
информации;
IMG (=I0) – количество реально представляемой на СОИ необходимой
(целевой - goal) информации;
IH - количество нецелевой информации - семантической помехи
(hindrance).
С
помощью
информационной
диаграммы
рис.3
можно
проиллюстрировать условие возможности реализации управления объектом
по задаче:
(IMG  I0) ≤ IM. И (IMG  I0) ∈ IM.
Т.е. целевая информация IMG имеется в общем потоке информации IM
(IMG ∈ IM) и представлена в полном объёме (IMG  I0);
Если имеет место равенство IMG  I0  IM , то для управления предоставляется
только информация по задаче. Это «идеальный» случай.
Всякая информация, не являющаяся целевой информацией, но
предоставляемая в решающую систему в процессе управления, является
семантической помехой. IH = IM  IMG.
В этом случае для принятия решений по задаче целевую информацию
необходимо выявлять на фоне семантической помехи (фильтровать).
На рис.4 представлена информационная диаграмма известительной
подсистемы для общего случая представления информации.
IM
I0
IH
IMG
IMGL
IL
DG
IHL
Рис.4 Информационная диаграмма известительной подсистемы (общий
случай)
Дополнительно введены следующие обозначения:
DG – энтропия деградации («врождённой»);
IL – количество представляемой искаженной («ложной») информации;
IMGL – количество представляемой искаженной («ложной») целевой
информации;
IHL – количество представляемой искаженной («ложной») нецелевой
информации;
Энтропия деградации DG представляет собой разность между
потребным для решения задачи количеством (целевой) информации I0 и IMG –
количеством реально представляемой на СОИ целевой информации:
DG  I0  IMG.
При DG >0 решение задачи управления превращается в угадывание, что
по понятным причинам недопустимо.
«Врождённая» деградация является следствием ошибочного
проектирования известительной подсистемы. «Приобретённая» деградация
связана с происходящими по тем или иным причинам искажениями
сообщений. В результате может
появляться ложная информация, в
частности, являющейся искажённой целевой информацией - IMGL. Очевидно,
что и по этой информации решение задачи управления недопустимо.
Энтропия и информация в решающей подсистеме
В решающей системе правильно спроектированной и неповреждённой
автоматической системы нет информационной неопределённости. Сигналы
от известительной системы непосредственно преобразуются в соответствии с
законами (алгоритмами) управления в управляющие воздействия. Проблемы
возникают в контуре дистанционного управления и связаны с «оператором».
«Оператор» в общем случае решает две задачи. Первая – осознание и
оценка обстановки и принятие решения. Вторая связана с алгоритмом
принятия решения. Несколько упрощая ситуацию, можно сказать, что
«оператор» должен определиться с целевым состоянием объекта управления
и найти нужную информацию (целевую) для перехода в него, возможно, в
несколько этапов. Каждый из них будет в общем случае содержать
информационную и алгоритмическую части. Рассмотрим каждую из них.
Очевидно, что если «оператор» работает в условиях семантической
неопределённости HR с задачей усвоения целевой информации I0, то
эффективность этого процесса зависит от качества СОИ.
Восприятие целевой информации «оператором» приводит к снижению
смысловой энтропии решающей системы и повышению смыслового
потенциала управляющей системы в целом – её способности к
функционированию по прямому назначению.
Таким образом, рост количества усвоенной «оператором» смысловой
целевой информации увеличивает информационный потенциал системы
управления и снижает на соответствующую величину энтропию.
HR
H0
HRG
DG
HH
Рис.5 Энтропийная диаграмма «приёмника» информации – «оператора»
На рис.5 изображена энтропийная диаграмма «приёмника»
информации – «оператора». Введены следующие обозначения:
HR – информационная энтропия решающей подсистемы, связанная с
общим количеством представляемой на СОИ информации IM;
H0 – информационная энтропия решающей системы, связанная с
представляемой на СОИ необходимым для решения задачи количеством
(целевой) информации I0;
HRG – информационная энтропия решающей системы, связанная с
количеством реально представляемой на СОИ целевой информации IMG;
HH – информационная энтропия решающей системы, связанная с
величиной помехи IH.
Из этой диаграммы следует, что объективно существует задача
фильтрации ценной для управления информации из общего потока
информации. Сущность и эффективность фильтрации информации будут
рассмотрены ниже.
Алгоритмическая информация в решающей подсистеме
На рис.6 изображена информационная алгоритмическая диаграмма
«оператора».
IA
IA0
IAG
DAG
IAH
Рис.6 Информационная алгоритмическая диаграмма «оператора»
Введены следующие обозначения:
IA – общее количество алгоритмической информации;
IA0 – общее необходимое для решения задачи количество целевой
алгоритмической информации;
IAG – количество целевой алгоритмической информации, которой
реально владеет «оператор»;
IAH - количество нецелевой алгоритмической информации – помехи;
DA («врождённая» алгоритмическая деградация управляющей системы)
– количество недостающей целевой алгоритмической информации.
DA  IA0  IAG.
При DA>0 успешное решение задачи алгоритмизации управления
«оператором» сомнительно. По понятным причинам формирование
алгоритмов управления в процессе управления недопустимо. Они должны
быть известны заранее. Поэтому IA0 и IAG – это целевые алгоритмические
знания. Т.е. в правильно спроектированной системе алгоритмическая
энтропия недопустима.
«Врождённая» деградация является следствием ошибочного
проектирования
алгоритмической части решающей подсистемы,
неправильной подготовки и подбора «оператора».
Энтропия в исполнительной подсистеме
На рис. 7 представлена энтропийная диаграмма исполнительной
системы. Эта подсистема состоит из органов управления пульта управления
(исполнительных органов) и исполняющих «органов» («устройств»). Их
функцией является передача управляющих воздействий (v) на объект.
Энтропия в этой системе понимается как неопределённость в реализации
управляющих воздействий оператором. Легко представить соответствующую
ей информационную диаграмму исполнительной системы.
HV
HV0
HVG
DV
HHV
Рис.7 Энтропийная диаграмма исполнительной системы
Введены следующие обозначения:
HV – общая энтропия исполнительной системы, связанная с общей
неопределённостью в решении задачи реализации управляющих
воздействий.
HV0 – энтропия исполнительной подсистемы, связанная с передачей
управляющих воздействий, необходимых для решения задачи управления
(целевых).
HVG – энтропия исполнительной подсистемы, связанная с реальной
возможностью передачи управляющих воздействий, необходимых для
решения задачи управления (целевых).
DV – «врождённая» деградация исполнительной подсистемы.
DV  HV0 HVG.
При DV>0 успешное решение задачи исполнительной подсистемой
невозможно.
«Врождённая» деградация DV является следствием ошибочного
проектирования исполнительной подсистемы.
Из представленных диаграмм видно, что решение задачи управления
«оператором» возможно, если положение кругов, соответствующих I0
(желтого цвета) на всех диаграммах будет соответствовать положению,
представленному на рис.3.
Очевидно, что никакой семантической неопределённости в контуре
автоматического управления нет, поскольку задача управления решена. В
связи с этим уместно оценить процессы установления виновников аварий в
среде «операторов». Совершенно очевидно, что «оператор» обязан
выполнить те же по смыслу действия, что и автоматическая система, в
реальном времени. И эти действия конкретны в том смысле, что связаны с
конкретной аварией. Зачастую специалисты солидных организаций годами
спорят о правильности принятых «операторами» решений в конкретных
аварийных процессах. Значительно продуктивнее создать АСУ ССАО.
Неопределённость (энтропия) в контуре дистанционного управления при
управлении в нормальных режимах
Информацию об объекте, которая необходима «оператору» для
решения задач управления, можно разделить (по содержанию) на общую
априорную информацию (знания) и актуальную оперативную (целевую –
знания о конкретном состоянии объекта управления в конкретный момент
времени).
В системах дистанционного управления основная по содержанию
информация – это знания оператора. У допущенного к управлению оператора
неопределённость (энтропия) – это пробел в знаниях. Эта ситуация
возможна, но в данном случае не рассматривается.
Рассматривается неопределённость H0, связанная с потребностью в
конкретной целевой информации I0. Процесс ликвидации (устранения) этой
неопределённости H0 – это процесс осмысления получаемой с СОИ целевой
информации I0, в результате которого информация превращается в знание I0
«оператора». По существу это процесс смыслового декодирования.
Процесс передачи сообщений в контуре дистанционного управления в
нормальных режимах представлен на рис.8. Допустим, что оператор решил
изменить режим и начал выполнять необходимые для этого операции
управления. Изменение состояния объекта отображается на СОИ.
Средства
отображения
информации
Источники
информации
Оператор
Получатель
сообщений
Источник
сообщений
Объект
управления
Органы
управления
Исполнительные
устройства
Рис. 8. Процесс передачи сообщений в контуре дистанционного
управления в нормальных режимах
Оператор в этом процессе управления выступает как источник и как
приёмник сообщений. Он достоверно знает текущее состояние объекта, его
целевое состояние, состояние СОИ, алгоритм управления и управляющие
воздействия. Это означает, что АСУ «нормальным» объектом энтропия
(неопределённость) при решении задачи управления оператором H0  0.
Это интересная для понимания ситуация: информация циркулирует в
системе, а энтропия системы равна нулю. Объяснение можно
проиллюстрировать с использованием рис.8. Из него видно, что оператор
посылает «сообщения» сам себе. Поэтому для каждого очередного
сообщения, которое он получает, нет энтропии, которую это сообщение
должно устранить. Фактически же систему передачи при указанных условиях
можно представить проводом, исходящим из «источника сообщений»
(оператора) и входящим в «приёмник сообщения» (оператора).
Отсюда следует, на первый взгляд, странный, но очень важный вывод о
том, что для организации управления в нормальных режимах технические
средства передачи и отображения информации могут быть любыми. Важно,
чтобы они были. Их назначение  обеспечить информацией реализацию
алгоритма управления. Не имеет значения и глубина отображения
информации о состоянии объекта. Представление состояния объекта может
быть сколь угодно детализированным и, напротив, практически
отсутствовать вообще, так как достаточно лишь информации о начале и
конце процессов управления. Любая отдельная задача управления может
быть реализована способом программного управления.
В такой системе оператор может использовать свои знания, или
получать их в темпе с процессом управления в виде совета, подсказки
алгоритма и т.п. При построении системы важно соблюдение норм и
рекомендаций инженерной психологии [2].
Необходимо разобраться с влиянием семантической помехи на процесс
управления. Очевидно, что формально эта помеха огромна. В реальных
системах на одного оператора приходятся сотни источников информации.
Однако, в силу специфики заданных условий использования объекта, когда
оператор сам инициирует изменение его состояния, знает ответную реакцию
системы и наблюдает её, используя единицы источников информации,
проблем борьбы с этой помехой практически не возникает. Во всяком случае,
это
проблемы
подготовки
операторов,
четкого
соблюдения
стандартизированных требований инженерной психологии и других
требований. Но здесь нет нерешённых информационных проблем.
Таким образом, тот факт, что оператор является источником и
приёмником информации в замкнутом контуре управления в нормальных
ситуациях, говорит об отсутствии неопределённости (энтропии) в системе
управления. С информационной точки зрения надежные системы управления
надежными объектами в нормальных ситуациях не выдвигают
информационных проблем при их разработке и использовании.
Неопределённость (энтропия) в контуре дистанционного управления в
аварийных ситуациях
Эти ситуации являются, в основном, следствием боевых и аварийных
(эксплуатационных) повреждений.
Средства
отображения
информации
Источники
информации
Оператор
(получатель сообщений)
Аварийный объект управления
(источник сообщений)
Рис.9. Процесс передачи сообщений при аварии в объекте управления
Трансформация процесса передачи сообщений при аварии в объекте
управления по сравнению с нормальным режимом иллюстрируется рис.9.
Источником информации становится объект, приёмником  по-прежнему
«оператор». В аварийном процессе объект управления постоянно
трансформируется сразу после начала процесса его поражения. В этом
процессе самым существенным является изменение его структуры,
проявляющееся в постоянном смещении грани между повреждённой и
неповреждённой частями объекта в сторону неповреждённой части.
На СОИ модель объекта будет меняться вслед за изменением состояния
самого объекта. Принципиально изменяются критерии управления, цели
управления, задачи управления, а с ними необходимая «оператору» целевая
информация и алгоритмы управления.
Таким образом, системы управления в аварийных ситуациях
принципиально отличаются от систем управления в нормальных ситуациях
тем, что в них генерируются сообщения, источником которых является
аварийный объект. Именно эти сообщения определяют потоки информации в
системе. «Оператор» должен «декодировать» их. Отсюда ясна актуальность
согласования в информационном аспекте СОИ и сложность алгоритмов с
возможностями оператора по решению задач управления.
Неопределённость (энтропия) в контуре дистанционного управления в
условиях возможных отказов
Одиночные отказы в объекте из-за его ненадёжности безусловно вносят
неопределённость в систему. С информационной точки зрения эта ситуация
представляется рис. 9. Однако есть специфика. Её суть можно пояснить,
используя аналогию в постановке задач контроля и диагностирования.
Задачей контроля является определение принадлежности состояния
контролируемого объекта одному из двух возможных: работоспособного и
неработоспособного. В задаче диагностирования неработоспособное
состояние разбивается на конечное множество (мощности n) выявляемых
системой диагностирования состояний. Проблема в том, что нет гарантии в
невозможности возникновения (n+1) – го неработоспособного состояния.
Аналогична ситуация с организацией управления при одиночных
отказах в объекте. Действия по ним оператора описываются в инструкциях.
Проблема в том, что невозможно описать все возможные аварийные
ситуации, связанные с одиночными («надёжностными») отказами.
Наложение отказов не рассматривается вообще. А эти отказы являются всего
лишь частным случаем комбинаций выхода из строя элементов объекта, при
поражении элементов разных его систем в одной зоне поражения.
Таким образом, основная проблема проектирования и применения АСУ
ССАО это информационная проблема, связанная с необходимостью
обеспечения управления при любой комбинации вышедших из строя
элементов объекта.
Выводы
Исследована сущность смысловой информации и энтропии в
известительной, решающей и исполнительной подсистемах управляющей
системы ССАО, их взаимозависимость и взаимодействие в процессе
циркуляции информации в системе управлении. Исследована сущность
смысловой помехи, ложной смысловой информации и «врождённой
деградации» системы управления ССАО. На основе этих исследований
обоснована детерминированная природа информационных процессов в АСУ
ССАО и сформулированы необходимые условия их функционирования.
Принципиальная разница информационных процессов в АСУ ССАО и
АСУ объектами в нормальных ситуациях состоит в отсутствии
информационной неопределённости в контурах управления последней.
Основная проблема проектирования и применения АСУ ССАО - это
информационная проблема, связанная с необходимостью обеспечения
управления при любой комбинации вышедших из строя элементов объекта.
Литература
1. Венда В.Ф. Инженерная психология и синтез систем отображения
информации. М.: «Машиностроение», 1982.
2. Ломов В.Ф. Научно-техническая революция и некоторые проблемы
психологии. Кибернетика. Дела практические. М.: Наука, 1984.