Теоретические основы исследования
В.И. Рожков (СПб ГУПТД), А.А. Лахай (ООО «ПетербургГаз»)
Особенности проектирования информационных моделей АСУ газораспределительной сети мегаполиса с учетом эргономических требований
При создании информационных моделей средств отображения информации (ИМ СОИ) пультов управления АСУ ТП с использованием SCADA-технологий разработчики программного продукта зачастую игнорируют выполнение эргономических требований при их создании 1), не задумываются о том, каким образом диспетчера будут работать с предлагаемыми ИМ, в полной ли мере они отображают протекание технологических процессов (ТП) и удобны ли для их восприятия. На этапе проектирования ИМ СОИ отсутствует практика разработки структуры и алгоритмов деятельности операторов, хотя задача оптимального распределения функций между оператором и машиной, а также между операторами в процессе выполнения функциональных задач должна решаться уже на этой стадии. Невыполнение этих требований приводит в конечном итоге к увеличению времени на принятие решений операторами при появлении нештатных ситуаций в процессе эксплуатации. При выполнения данного исследования были проанализированы существующие ИМ СОИ АСУ газораспределительной сети (ГРС). Выявленные недостатки были оценены с точки зрения выполнения эргономических требований. В результате проделанной работы были созданы новые ИМ. Проведение системного анализа деятельности диспетчеров, осуществляющих контроль функционирования АСУ ГРП с использованием ИМ, позволило авторам на основе полученных данных сформировать алгоритмы их деятельности с использованием математического аппарата обобщенного структурного метода [1]. Построение оптимальных информационных моделей СОИ АСУ ГРП способствовало улучшению качества диалога между операторами и системой «человек-машина» (СЧМ), сократило время устранения неисправностей при обнаружении нештатной ситуации. В целом применение данного подхода существенно улучшило качество эксплуатации СЧМ и ускорило время выезда аварийной бригады на объект для устранения неисправности.
|
|
|
Перечень принятых сокращений: ГРП - газорегуляторный пункт, ГРС – газораспределительная станция, ТФЕ – типовая функциональная единица, ОСМ ФСТ – обобщенный структурный метод функционально-структурной теории.
When creating an ACS interface using SCADA technologies, software developers often tend to underestimate the importance of ergonomics requirements. This leads to an increase in the amount of time for the perception of emergency situations by dispatchers of gas distribution stations, their decision-making to eliminate emergency situations at the points of the gas distribution network of the city. Construction of algorithms for dispatcher operators using a generalized structural method allowed to identify the causes of this phenomenon, to build optimal information models, to improve the quality of the dialogue between operators and the man-machine system and reduce the time of decision-making in case of emergency situations.
|
|
|
List of abbreviations adopted: GCP- gas control point, GDS - gas distribution station, ТFU - typical functional unit, GenSM FST - generalized structural method of functional-structural theory.
Описание технологического объекта управления
Газораспределительная сеть (ГРС) мегаполиса - это система трубопроводов и оборудования, служащая для транспортировки и распределения газа в городах и населенных пунктах. Газ в газораспределительную сеть поступает из магистрального газопровода через газораспределительную станцию.
Газорегуляторный пункт (ГРП) - это комплекс технических средств, состоящий из технологического оборудования, механизмов для регулировки давления газа и системы автоматизации и управления процессом. Основное назначение оборудования ГРП: снижение входного давления природного газа и поддержание заданного давления газа на выходе вне зависимости от величины его расходования. ГРП является основным объектом автоматизации, информация о работе оборудования которого передается посредством интернет-связи в диспетчерский пункт.
По применяемым технологическим схемам различают следующие типы ГРП [3]:
-однониточные пункты, оборудованные одной линией редуцирования газа;
|
|
|
-многониточные, оборудованные двумя и более подключенными параллельно линиями редуцирования газа (такое устройство используется при необходимости достижения максимальной надежности и задания параметров производительности работы ГРП);
-с байпасом, т.е. резервной линией редуцирования, которая используется во время ремонта основной линии.
Кроме того, ГРП можно классифицировать и по другим параметрам, например, по возможности понижения давления газа.
Одноступенчатые газорегуляторные пункты. В таких типах ГРП давление газа с входного до рабочего регулируется редуктором с одной ступенью регулирования параметром.
Многоступенчатые газорегуляторные пункты. В системах с высоким давлением один регулятор может не справляться с функцией понижения. В этом случае регулировка происходит в несколько ступеней с помощью
_______________________________________
1) Информационная модель — модель объекта, представленная в виде информации, описывающей существенные для данного рассмотрения параметры и переменные величины объекта, связи между ними, входы и выходы объекта и позволяющая путём подачи на модель информации об изменениях входных величин моделировать возможные состояния объекта [2].
|
|
|
установки одного или более регуляторов.
В зависимости от выходных параметров газа ГРП классифицируют следующим образом:
- с высоким входным давлением газа, когда он понижается с высоких (0,3–1,2 МПа) или средних (5 кПа – 0,3 МПа) параметров до низких (менее 5 кПа);
- со средним давлением на входе, при таком понижении давление на выходе составляет 0,005-0,3 МПа;
Пункты могут быть тупиковыми или закольцованными. Закольцованная схема применяется для увеличения надежности газоснабжения объектов и заключается в объединении нескольких ГРП. Считается, что чем больше установок закольцовано, тем выше надежность системы. Тупиковой считается схема, когда нецелесообразно использование более одного ГРП для газоснабжения потребителя.
В данной статье рассматриваются стационарные ГРП, в которых оборудование размещается в специализированных зданиях или отдельных помещениях, работающее с различными выходными параметрами газа, по тупиковой и закольцованной схеме.
В следствии многообразия типов ГРП, разнообразия применяемого в ГРП оборудования, информация, которую должен переработать диспетчер при оценке состояния оборудования ГРП и появлении нештатных ситуаций, требует от него широких знаний не только в области конструктивных особенностей ГРП, но и применяемого в нем оборудования и контрольно-измерительных приборов.
Актуальность исследования
По мере развития микропроцессорной техники ее внедрение в АСУТП различного назначения становится все более актуальным. Внедрение новых программных продуктов с использованием SCADA-систем, позволяющих разрабатывать ИМ СОИ различных АСУТП, существенно облегчило труд разработчиков программного продукта. К сожалению, привлечение инженеров-программистов для разработки новых ИМ СОИ АСУ выявило отсутствие у них не только знаний в области эргономики в целом, но и незнание эргономических требований к разработке ИМ в частности. Следствием этого явилось появление программных продуктов с низкими эргономическими характеристиками.
Операторам АСУТП при работе с ИМ СОИ, выполненными без учета эргономических требований, приходится затрачивать больше времени на поиск и обнаружение неисправностей оборудования, выявление отклонений параметров в аварийных или нештатных ситуациях. Это ведет к задержке принятия решений, что неотвратимо сказывается на качестве обслуживания оборудования и может привести к губительным последствиям как для самой АСУТП, так и для окружающей среды. Важность учета человеческого фактора при создании рабочих мест операторов диспетчерских пунктов отмечалась многократно различными авторами [4,5]. Необходимость выполнения эргономических требований и оценка качества организации рабочего места оператора и ИМ нашло отражение в ряде государственных стандартов: ГОСТ Р 50948-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»; ГОСТ 27833-88 «Средства отображения информации. Термины и определения»; ГОСТ 21958-76 «Система "человек-машина". Зал и кабины операторов. Взаимное расположение рабочих мест. Общие эргономические требования»; ГОСТ 23000-78 «Система "человек-машина". Пульты управления. Общие эргономические требования» и других.
В проведенном исследовании в качестве технологического объекта управления рассматривается ГРС мегаполиса и ее система диспетчеризации. Объектом исследования в соответствии с принципами эргономики является деятельность диспетчеров по управлению системами ГРС, а предметом исследования – информационные модели технологического объекта управления, реализованные посредством SCADA-систем.
Теоретические основы исследования
Перед проведением эргономической оценки качества ИМ АСУ ГРС были проанализированы предлагаемые способы решения подобных задач в литературе. Так, в статье [8] изложен метод проектирования экологического интерфейса, который предлагается применить при построении новых ИМ. Данный метод основан на следующих видах анализа ИМ, описанных ниже.
Традиционными методами анализа, используемыми при создании ИМ, являются метод анализа предметной области (Work Domain Analysis, WDA) и метод иерархического анализа задач (Hierarchical Task Analysis, HTA). Метод WDA нацелен на исследование технологического объекта вне контекста управления этим объектом. Задача метода состоит в функциональной декомпозиции объекта и его описании путем построения иерархической структуры объекта с указанием применяемого оборудования в виде структурной схемы взаимодействия оборудования.
Метод HTA, наоборот, рассматривает объект как черный ящик и концентрируется на действиях оператора по контролю и управлению. При использовании этого метода производится иерархическая декомпозиция деятельности оператора до уровня простых операций с последующим анализом процесса исполнения этих операций с разных точек зрения: когнитивной сложности, качества интерфейса, дефицита времени и др.
Для решения задач исследования в полной мере подошел обобщенный структурный метод [1], в который входят основные положения обоих методов (НТА и WDA) и с помощью которого, используя принципы системного подхода, можно построить необходимые для анализа структуры деятельности операторов. Одной из них является функционально-информационная схема, отражающая взаимодействие человека с информационными моделями АСУ ГРС, отображающими работу диспетчера при работе с технологическим оборудованием в процессе функционирования систем ГРП.
Для оценки качества функционирования СЧМ, к которой относится рассматриваемая система ГРС мегаполиса, авторами статьи предложено применить обобщенный структурный метод (ОСМ) функционально-структурной теории, разработанной проф. Губинским А.И., основанный на изучении алгоритмов деятельности человека-оператора и количественной оценке качества его деятельности [1,6].
Под алгоритм деятельности оператора СЧМ понимается предписание, определяющее содержание и последовательность действий оператора в системе "человек-машина" (ГОСТ 26387-84. Система "человек-машина". Термины и определения.)
В соответствии с ОСМ ФСТ надежность деятельности человека в СЧМ определяется надежностью выполнения им функций по управлению техническими средствами и их обслуживанию. При этом надежность деятельности человека обычно представляется в виде структурной и функциональной надежности. Под структурной надежностью понимается свойство человека сохранять работоспособность в течение заданного времени в определенных условиях. Функциональная надежность определяется как свойство человека выполнять предписанные функции в соответствии с заданными требованиями в течение определенного периода времени и в тех же условиях. Эта надежность позволяет оценить качество деятельности человека в конкретных СЧМ.
При анализе процесса выполнения человеком своих функций в СЧМ одним из показателей качества деятельности является число безошибочно выполненных операций. Поскольку ошибки обусловлены вариабельностью характеристик человека, этот показатель должен носить вероятностный характер. При наложении ограничений на количество ошибок показатель приобретает надежностный смысл. Составляющую функциональной надежности, характеризующую свойство человека выполнять предписанные функции в соответствии с заданной программой, принято называть функционально-программной надежностью.
Так как время выполнения отдельных операций – величина случайная, то другим показателем качества выполнения функций будет быстродействие. При наложении ограничений на время выполнения человеком операций показатель своевременности приобретает надежностные характеристики. Составляющую функциональной надежности, характеризующую свойство человека выполнять предписанные функции в заданные интервалы времени, называют функционально-временной надежностью.
Кроме того, показателем качества деятельности человека является точность выполнения им предписанных функций. Составляющую функциональной надежности, характеризующей свойство человека выполнять предписанные функции с заданной точностью, называют функционально-параметрической надежностью.
При оценке упомянутых выше составляющих функциональной надежности следует исходить из того, что любая деятельность человека в СЧМ может быть описана трехуровневой системой:
• Нижний уровень представлен операционными единицами;
• Средний уровень – функциональными единицами;
• Верхний уровень – программными единицами.
Под операционной единицей понимают отдельный психофизиологический акт или комбинацию, до которой расчленяются действия или деятельность человека.
Совокупность операционных единиц, представляющая собой в структуре деятельности человека функционально самостоятельный блок операций, составляет функциональную единицу, а группа или комбинация функциональных единиц, объединенных в законченную программу, составляет программную единицу.
Показателями функционально-программной надежности операционных единиц является вероятность безошибочного (β1) и ошибочного (β0=1 - β1) выполнения операций, а показателями функционально-временной надежности операционных единиц - вероятность своевременного выполнения операций, т.е. выполнения ее за время t, не превышающее предельно допустимое время τ: β1(τ)=Р{t≤τ} и вероятность несвоевременного выполнения операций β0(τ)= [1- β1 (τ)].
Количественные показатели надежности человека на уровнях функциональных и программных единиц могут быть получены на основании анализа структуры его деятельности. Такой анализ реализуется в следующем порядке:
• Деятельность человека декомпозируется на программные, функциональные и операционные единицы
• Экспериментальным путем определяют надежностные показатели операционных единиц (безошибочность и время выполнения операций)
• Через известные характеристики декомпозированных элементов вычисляют надежностные показатели деятельности на уровне программ.
При декомпозиции деятельности вначале выделяют основные блоки операций, при невыполнении или ошибочном выполнении хотя бы одного из которых цель не будет достигнута. Затем выделяют вспомогательные функциональные единицы, т.е. блоки операций, введение которых в структуру деятельности обусловлено требованием увеличения вероятности безошибочного выполнения операций и необходимости в которых не было бы при идеально надежной работе человека и технических средств.
Основные функциональные единицы деятельности и их характеристики безошибочности и быстродействия и формулы, по которым производится расчет количественных значений функциональных блоков, приведены в [1,6].
В соответствии с [1,6] к основным функциональным единицам относятся рабочие блоки операций, логические или альтернативные блоки и блоки операций задержки, а к вспомогательным – блоки операций, обеспечивающих диагностический и функциональный контроль. Описание основных функциональных единиц представлено в Табл. 1 [1,12].
Под сенсорной единицей деятельности понимают блок операций, описывающий функционирование человека по восприятию (считыванию) информации с помощью зрительного, слухового и других сенсорных входов.
Моторная единица – это блок операций, предусматривающий реализацию механических и речевых воздействий на органы управления, регулировки и т.д.
Логическая (альтернативная) единица представляет собой блок операций, описывающий процесс выбора человеком одной из двух или нескольких альтернатив на основании анализа информации, отображаемой различными средствами.
Блок операций задержки является функциональной единицей, предусматривающей предписанное инструкцией ожидание человеком момента, с которого он должен начать или продолжить выполнение своего алгоритма. Эта функциональная единица включает операцию задержки, необходимой для «переключения» человека на новый вид деятельности или выполнения новых операций, а также время ожидания, пока произойдет отработка необходимых функций используемыми техническими средствами.
Функциональный контроль включает реализуемые человеком операции по установлению правильности выполнения определенной основной единицы или нескольких основных единиц. В СЧМ с одним оператором эта функциональная единица означает контроль оператором своей собственной деятельности, а в системах с несколькими взаимосвязанными операторами – либо самоконтроль, либо контроль другого, чаще всего подчиненного оператора.
Диагностический контроль представляет собой выполняемую специалистом последовательность операций по установлению работоспособности технических средств, с которыми этот специалист взаимодействует в данной СЧМ.
Декомпозиции деятельности на функциональные и операционные единицы должно предшествовать составление алгоритма деятельности (АД) оператора в описательной форме с изложением всех его действий и указанием порядка их выполнения в зависимости от тех или иных условий. Для функционирующей СЧМ такой алгоритм составляется на основании инструкции и руководства по эксплуатации, а для проектируемой - на основе предыдущего опыта проектирования образца или аналога с соответствующими изменениями и дополнениями, связанными с особенностями новой проектируемой СЧМ.
При декомпозиции дробление деятельности выполняется «сверху вниз», т.е. начинается с выделения программных единиц, которые впоследствии декомпозируются на функциональные единицы, и, наконец, для определения показателей надежности функционирования единиц каждая из них представляется в виде совокупности операционных единиц.
Переход от словесного описания программы действий оператора или алгоритма его деятельности к формализованной записи заканчивается составлением структуры деятельности на уровне операционных единиц, для которых могут быть заданы количественные характеристики надежности их выполнения. Если деятельность человека в данной СЧМ неясна до уровня операционных единиц, то структура составляется до уровня функциональных единиц в виде совокупности типовых блоков, для которых известны аналитические выражения по определению характеристик функционально-программной и функционально-временной надежности. Указанные выше типовые блоки и расчетные зависимости для определения их характеристик приведены в [1,6].
По результатам расчетов АД операторов СЧМ с учетом полученных опытным путем количественных характеристик можно сделать вывод о ее соответствии заданным требованиям по надежности человеческого звена.
Под структурой деятельности оператора понимается пространственно-временная организация выполнения алгоритма деятельности человека-оператора. Эта организация складывается из двух групп процессов, существенно отличающихся по их роли в деятельности оператора. Первая группа — поведенческие информационные и биомеханические преобразования, составляющие суть трудового процесса; иначе — это последовательность выполняемых оператором действий. Вторая группа — процессы, обеспечивающие выполнение этих преобразований (действий) в психическом (мотивы, потребности, установки, характер эмоциональных реакций т. п.), энергетическом (протекание вегетативных процессов) и биохимическом отношениях. Другими словами, первая группа определяет внешнюю, видимую сторону структуру деятельности оператора, вторая группа — ее внутреннюю сторону, обеспечивающую выполнение требуемых действий [7].
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 122; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!