Визуализация в управлении техническим объектом

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.

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.