Статья:

Визуализация в управлении техническим объектом

Конференция: XLIX Студенческая международная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Денисова А.С. Визуализация в управлении техническим объектом // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XLIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 9(49). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/9(49).pdf (дата обращения: 23.07.2019)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Визуализация в управлении техническим объектом

Денисова Анна Сергеевна
студент, Балтийский федеральный университет имени И. Канта, РФ, г. Калининград

 

Рассматриваются возможности расширения технологий визуализации на системы поддержки принятия решений (СППР) средствами когнитивной графики. Приводятся примеры применения визуализации объекта управления. Сделан ввод о возможности применения средств визуализации доля субъекта управления на основании психофизических особенностей восприятия человеком информации.

Разнородность окружающего нас мира порождает сложные и слабо структурируемые задачи. Б.А. Кобринский отметил изменение характера задач во всем мире в целом, их многокритериальность [1]. Помимо многокритериальности такие задачи связаны как с количественными, так и с качественными переменными, притом последние имеет большее влияние[2].

Деятельность по принятию решений, связанных с таким типом задач, оказывается крайне трудной, затруднены процессы анализа ситуации и выбора оптимального варианта для заданных целей. Принятие управленческих решений подразумевает взаимодействие между субъектом и объектом управления. Психологические исследования показывают, что ЛПР – лицо, принимающее решения – в условиях информационных перегрузок и неструктурированных задач зачастую использует примитивные и противоречащие правила решения задач. Это обуславливает необходимость поддержки приятия решений для таких лиц.

Функции поддержки принятия решений выполняют и коллективы людей, такие как военные советы, коллегии министерств, аналитические центры и т.д. Как и в реальном мире коллективное решение выигрывает перед индивидуальным, так и системы, моделирующие коллектив экспертов, дают более качественное решение проблемы. Такие системы будем называть «виртуальными коллективами» – искусственными гетерогенные системами с самоорганизацией, способные интегрировать разнородную информацию, поступающую из множества источников, и на ее основе предоставлять рекомендации ЛПР [3].

Визуализация – путь к эффективному нахождению решений в любых ситуациях, она помогает мозгу строить новые нейронные связи [4]. Любая информация, необходимая для принятия решения проходит через нашу «операционную систему», которая является последним уровнем визуализации.

Уже опоминавшееся исследование Кобринского [1] такой плохо структурированной области как медицина, отмечает, что визуальное восприятие информации может дать следующие эффекты для специалиста, принимающего решения: инсайт – феномен (частный случай гештальта) и восстановление ряда аналогий и ассоциаций. В последнем случае образ выступает спусковым крючком для развития цепочки понятий и ситуаций из опыта.

Смотреть и видеть – это разные вещи, Дэн Роэм [5] предлагает инструмент мышления – «глаза мышления», которые извлекают прагматику из информации, полученной другим инструментом – глазами. Технология визуального мышления состоит из нескольких этапов. Для начала глазами мы считываем информацию в целом, «глаза мышления» разделяют визуальный сигнал нам по различным «путям обработки», чтобы после обработки по частям собрать полную и целостную картину полученной информации.

Согласно Башлыкову [6] образное мышление, выражаемое в визуальных образах, работает активно в тех случаях, когда ситуация весьма неопределенная, в неструктурированной области и в условиях информационных перегрузок. Оно позволяет целостно взглянуть на проблему и картину, позволяя перепрыгнуть через некоторые неизвестные факты и данные, что несколько сближает это с интуицией и понятием инсайта.

Визуализация может выражаться и средствами когнитивной компьютерной графики [9], которая обращается напрямую к когнитивным моделям человека. Решения принимаются на их основе, когнитивные модели – неотъемлемая часть социальной реальности, они формируют, конструируют саму реальность, «картину мира» человека.

Информационные технологии, выраженные СППР, являются продолжение левополушарного, логического мышления человека, роль же ЛПР – объединить оба мышления, левополушарное и правополушарное.

Известный специалист в области искусственного интеллекта Д. А. Поспелов [7] отмечает, что мышление человека – единый процесс, в котором одновременно задействованы механизмы как правого, так и левого полушарий человеческого мозга. Есть лишь различные функции мышления, которые условно разбиваются на две группы: правостороннего и левостороннего мышлений. Вся базовая логика принятия любых решений не учитывала неразделимые образы, порождаемые правым полушарием. Высшим уровнем мышления правого полушария является символикообразное мышление, которое отвечает за формирование символов, группируя их в системы по аналогиям и ассоциациям.

Дэвид Сиббет [4] считает, что всю информацию человек пропускает через «операционную систему», которая формируется на базе отдельных образов, формирующих метафоры, аналогии и как следствие ментальные модели. Именно структурированные ментальные модели образуют нашу «операционную систему».

Форма, смысл и отношение между этими тремя категориями соединены неделимо в образе [8], образ – категория сознания и формируется он там же, визуальное отображение образа увидеть невозможно.

Башлыков [6] рассматривает когнитивную графику при создании когнитивного образа – «глобуса Башлыкова» для отображения состояния реактора ВВЭР-1000 атомного энергоблока, который показан на рисунке 1. Переменными состояния глобуса являются параллели, меридианы, оси по полюсам и экватору и скорость вращения глобуса относительно оси по полюсам, пятна на глобусе.

 

Рисунок 1. Глобус Башлыкова – визуальная метафора состояния энергоблока

 

В [9] для отображения состояния рабочего тела в основных узлах контуров Водо-Водяного Энергетического реактора использован когнитивный образ крупного морского млекопитающего – кита. Данные образы перемещаются по траекториям, соответствующим движению рабочего тела.

Для анализа многомерных данных, получаемых при обследовании больных с заболеванием бронхиальной астмы, используется когнитивный образ «звезды» [10]. При ухудшении она увеличивается, ее лучи могут удлиняться в разных направлениях.

Примером так же может послужить метафора молекулы для визуализации графа вызовов [11]. Алгоритм визуализации графа позволил отобразить и интерпретировать графы с сотнями вершин благодаря трехмерности и проведения аналогий с естественными природными процессами.

Символ, являясь семиотическим концептов, так же может служить средством отображения объекта управления. Символ идет по семиотическому пути от образа, в нем есть четкая и обозначенная связь между формой и смыслом [8]. Графическое отображение для символа естественно. Плехановская теория иероглифов утверждает, что наши ощущения и представления вовсе не являются отражением объективного мира, а субъективными символами, не дающими никакого точного представления о материальном мире [12].

Метафора же позволяет перенести устройство и механизм работы одного на объект на другой, тем самым позволяя познать новый объект путем сравнения с уже известным [8]. Метафора отвечает возможности человека схватывать и распознавать сходство между очень разными типами объектов. Мыслительный процесс инициируется графическим образов, в основе которого лежит метафора. Предъявляя эксперту изображения можно запустить процесс «разматывания» клубка ассоциаций, запустить процесс образного мышления [1].

Достаточно много метафор представлено для визуализации процесса параллельных вычислений. В [13] описывается система визуализации функционирования параллельного вычислителя на базе метафоры гостиницы. Отель представляет мультипроцессорную систему целиком. Комнаты в отеле представляют отдельные процессоры. Связь между процессорами представляется за счет внутригостиничной телефонной сети. В комнатах-процессорах находятся чемоданчики, представляющие процессы, которые размещены на этих процессорах и которые можно перемещать с монитора на монитор.

Дэвид Сиббет [4] для эффективной работы предприятия предлагает следующие метафоры как описание работы предприятия: «моя работа как сад» и «моя работа как компьютер». Первая позволяет предприятию представить клиентов как разные растения, а вторая позволяет рассмотреть работу самой организации, распознать ее «операционную систему» и программы, которыми она пользуется.

Если рассматривать процесс управления как взаимодействие объекта и субъекта, то взаимодействие между ними происходит с помощью языка. Язык профессиональной деятельности (ЯПД) представляет собой одновременно результат размышлений и модель внешнего мира индивида. Именно ЯПД рассматривается в качестве объекта гибридизации в лингвистическом подходе для создания ГиИС [14]. В рамках языковых теорий [8; 15; 16] ЯПД выполняет следующие функции: формализацию правил построения высказываний, представление знаний для выполнения рассуждений и обеспечения коммуникации носителей языка.

В ЯПД в настоящее время все больше используют визуализацию как средство активации обоих полушарий головного мозга человека, эксперты и ЛПР оперируют визуальным мышлением, вводятся такие термины как «визуальное управление», «визуализация данных», «визуальная фасилитация», «когнитивная графика» и т.д. Технологии визуализации помогут в ЯПД преодолеть проблемы неполноты и неструктурированности информации и предоставить оператору информацию в легкодоступном и интуитивно понятном формате.

Согласно теории когнитивного триединства, составляющих визуализации [17] любая информация, воспринимаемая глазами, представляется многомерным визуальным объектом, включающим в себя как графические объекты, так и текстовые. Информация совмещает в себе три когнитивные составляющие: дискретную составляющую, представленную в виде текста прагматичную и вербализируемую информацию, иллюстративную вербализированную информацию (схемы, рисунки и т.д.) и континуальную образную, художественную информацию.

Грановская [15] рассматривает развитие и становление человеческого языка как переход от правополушарного мышления, в котором форма напрямую была связана со смыслом и выражалась в языке пиктограмм к левополушарному мышлению, в котором абстракция от реальных объектов породила язык символов (букв). Следующим этапом в становлении языка является некая надстройка над этими двумя подходами к формированию языка, включающая в себя отдельные элементы правополушарного и левополушарного мышлений.

Образное, правополушарное мышление породило пиктограммы, которые вне языковых барьеров и напрямую связаны с реальными объектами. Однако эти образования сохраняют связь не только с реальным объектом, но и с контекстом в широком смысле этого слова – деятельностью человека, что дает пиктограммам сходств с языком профессиональной деятельности.

Визуальный язык обращается к ментальным моделям человека. Ментальные модели формируются на базе образов, плюс опыт человека, его окружающая среда, получаем аналогии, которые уже трансформируются в ментальные модели. Визуальный язык объединяет свойства левого и правого полушарий нашего мозга, что позволяет с его помощью наиболее качественно представить информацию для управленца в процессе принятия решения.

Как и любой другой, «визуальный язык», по Д. Сиббету [18], или «язык визуальных образов», по У. Боумену [19], имеет свои ресурсы и возможности: словарь элементов формы, грамматику пространственной организации, идиомы объемной перспективы и синтаксис фразировки образов. Визуальный язык должен иметь структуру, основу которой составят какие-либо понятия или концепты, который составляют основу визуального мышления человека и позволят интуитивно схватывать семантику графического образа.

Сиббет [6] указывает следующие слова как основу нашего визуального интеллекта: образ, метафора, аналогия, ментальная модель и структура. На самом базовом уровне – образы, на их основе строится метафора – «образ, в основе которого лежит сравнение одного объекта с другим, не связанным м ним объектом на основе некого общего признака». Метафора отражает наше понимание мира. Детально проработанные аналогии превращаются в аналогии, на базе которых стояться ментальные модели человека, используемые им для принятия решений.

В языкознании базовая единица – семиотический концепт - связка представления (в том числе и визуального) и смысла и их соотношение, что и позволяет рассматривать концепт как базовое понятие для создания визуального языка. Семиотический концепт [8] – имена (классификаторы), выражающие знаковые отношения, то есть отношения между означающим (формой) и означаемым (идеальной категорией). Концепт построен по трехкомпонентной модели, двумя компонентами являются форма и смысл, третий – отношение, соединяющее эти два компонента. Базовым концептом является образ. Символ идет по семиотическому пути от образа, в нем есть четкая и обозначенная связь между формой и смыслом. Метафора идет по семантическом у пути от образа, на вскрывает латентную сущность объекта посредством скрытого сравнения его с другим, оперируя в сфере смысла.

Как уже говорилось ранее, визуальный язык должен иметь четкую структуру. Опираясь на работы [20; 18; 19] в [21] визуальный язык определяется как следующая семиотическая система:

                                                             (1)

где: – множества основных символов, синтаксических правил и знаний о предметной области (семантических правил), соответственно;

– множество правил вывода решений (прагматических правил);

 – правила изменения множества ;

 – правила изменения множества ;

 – правила изменения множества ;

 – правила изменения множества .

Рассмотрим множество VT:

,                                                                                       (2)

где:  – множество визуальных примитивов;

 – множество визуальных измерений, характеризующих визуальные примитивы;

 – множество визуальных отношений между одним и более примитивами.

Множество VT образует концептуально-визуальный базис для визуального языка, базовые геометрические примитивы или формы, из которых в последующем времени будут строиться визуальные высказывания. Для теории ролевых визуальных моделей [21], берется следующий базис, представленный на Рис. 2.

 

рис1

Рисунок 2. Концептуально-визуальный базис теории ролевых визуальных моделей

 

В основу базиса положена триада А.И. Уёмова («вещь – свойство – отношение»), ограничивая множество вещей вещами-ресурсами (ресурсами). Графически на Рис. 2 визуальный базис обозначен окружностью, описанной вокруг «порождающего» треугольника «ресурс – свойство – отношение». Ресурс – форма, изображающая вещь, предмет, имеющийся у субъекта визуального управления для решения задачи. Свойство – форма, изображающая имя, качество и физические свойства. Отношение – формообразующая категория, то, что образует ресурс из элементов. Отношение – то, что, будучи установленным между формами ресурсов, образует новые формы ресурсов. По внутренней стороне окружности расположены общепризнанные базовые формы (по часовой стрелке: треугольник, точка, куб, квадрат, прямоугольник, фигура человека, цилиндр, линия, стрелка, спираль, фигурная стрелка), которых в сочетании с плоскостью, цветом, и текстурой достаточно для визуального высказывания. Базовые формы «тяготеют» к категориям, расположенным в вершинах «порождающего треугольника».

Формальное описание элементов визуальных языков делает возможной реализацию автоматизированных рассуждений в интеллектуальных системах на визуальных языках. Представляет интерес не только решение, выраженное на визуальном языке, но также и описание работы субъекта управления, описанное средствами того же визуального языка.

 

Список литературы:
1. Кобринский, Б.А. К вопросу о формальном отражении образного мышления и интуиции специалиста слабо структурированной предметной области/ Б.А.Кобринский // Новости искусств. интеллекта. – 1998. – №3. – С.64–76. 
2. Simon, H.A. The new science of management decision./ H.A. Simon. – Englewood Cliffs,N.Y., Prentice – Hall Inc., 1975.
3. Колесников, А.В. Гибридные интеллектуальные системы с самоорганизацией: координация, согласованность, спор /А.В. Колесников, И.А. Кириков, С.В. Листопад. – М.: ИПИ РАН, 2014. – 189 с.
4. Сиббет, Д. Визуализируй это! / Д. Сиббет. – М.: Альпина-Паблишер. – 2014. – 276 с.
5. Роэм, Д. Практика визуального мышления. Оригинальный метод решения сложных проблем / Д. Роэм. – М.: Манн, Петров и Фарбер. 2014. – 396 с.
6. Башлыков, А.А. Образное представление сложных технологических объектов управления / А.А. Башлыков // Искусственный интеллект и принятие решений. – 2012. – №3. – С. 9–18.
7. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. – М.: Наука, 1986. – 268 с. 
8. Арутюнова, Н.Д. Язык и мир человека / Н.Д. Арутюнова. – 2-е изд., испр. – М.: «Языки русской литературы», 1999. – 896 с.
9. Новосёлов, Ю.В. Применение когнитивной графики в системах поддержки принятия решений для блока компенсации объёма на атомных станциях/ Ю.В. Новоселов.
10. Хачумов В.М., Виноградов А.Н «Разработка новых методов непрерывной идентификации и прогнозирования состояния динамических объектов на основе интеллектуального анализа данных».
11. Авербух, В.Л. Метафора интерфейса и метафора визуализации. Какая теория нам нужна? / В.Л. Авербух // International Conference Graphicon 2006, Novosibirsk Akademgorodok, Russia, http://www.graphicon.ru/.
12. Лосев, А.Ф. Проблема символа и реалистическое искусство / А.Ф. Лосев – 2-е изд., испр. – М.: Искусство, 1995. – 320с.
13. Tscheligi M., Musil S. An information manipulation environment for monitoring parallel programs / M. Tscheligi, S.Musil // Proceeding AVI `94 Proceedings of the workshop on Advanced visual interfaces, 1994. – P. 246–248.
14. Колесников, А.В. Гибридные интеллектуальные системы. Теория и технология разработки / А.В. Колесников. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. – 600 с.
15. Грановская, Р.М. Восприятие и признаки формы / Р.М. Грановская, И.Я. Березная, А.Н. Григорьева. – М.: Наука, 1981. – 208 с.
16. Попова З. Д., Стернин И. А. Лексическая система языка: Внутренняя организация, категориальный аппарат и приемы описания: учеб. пособие. – М.: Книжный дом «Либроком», 2011.
17. Рапуто, А.Г. Три когнитивных составляющих визуализации дидактических объектов / А.Г. Рапуто // Научный электронный архив. URL: http://econf.rae.ru/article/6314.
18. Sibbet D. Visual Leaders: New Tools for Visioning, Management, and Organization Change. – Hoboken, New Jersey: Wiley, 2013. 229 p.
19. Bowman W.J. Graphic communication. – New York: John Wiley, 1968. 210 p.
20. Narayanan N.H., Hubscher R. Visual language theory: Towards a human-computer interaction perspective // Visual Language Theory. – New York: Springer-Verlag, 1998. P. 81–128.
21. Колесников, А.В. Моделирование визуальных рассуждений в функциональных гибридных интеллектуальных системах / А.В. Колесников, С.В. Листопад, С.Б. Румовская, В.И. Данишевский // Научная электронная библиотека URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27346439.