Моделирование инструментальных двигательных действий оператора

В течение 80−90 годов прошлого века большое внимание исследователей в области искусственного интеллекта и инженеров по знаниям привлекала задача автоматизации профессиональных навыков человекаэксперта в узкой предметной областисоздание систем, основанных на знаниях, экспертных систем [УотерменБрукин и др.- Таунсенд и др.- НейлорДжексонКоровин и др., 1991]. Фундаментальной основой' экспертных систем стало признание того, что приблизиться к профессиональным высотам деятельности человекаэксперта можно, только используя его (человека-эксперта) знания [Сергеев, 2004b].

Однако существуют навыки, на развитие и совершенствование которых ушло гораздо больше сил и времени, чем на профессиональные. Это навыки, лежащие в основе двигательной активности человека, которые не менее востребованы при реализации технических систем, таких как роботы, манипуляторы, автопилоты, автономные мобильные системы. Реализация более «мягкого» и интеллектуального управления такими объектами может значительно повысить эффективность функционирования таких систем и расширить области их применения.

Хотя двигательная активность присуща любому здоровому человеку, реализовать даже некоторые её элементы в автономных или автоматизированных системах трудно. Достаточно посмотреть на результаты «ROBOCUP- 2003,2004» [www.robocup.org], чтобы убедиться в скромных успехах моделирования двигательной активности человека, несмотря на отдельные успехи роботов фирм SONY (SDR-4x) и Honda (Asimo). Ситуация складывается таким образом, что полнофункциональные технические системы не могут реализовать свои мобильные возможности в силу ограниченности своих «интеллектуальных» возможностей.

С большими проблемами сталкиваются создатели роботов при решении задачи «осознания» роботом внешней ситуации и «принятия решений» в соответствии с ней [Берштейн и др., 1986; 1989; 1993; 1998]. В частности, необходимо решать задачу составления и корректировки в реальном масштабе времени плана двигательных действий [Сергеев, 2004b].

Исследованием двигательной активности в настоящее время занимаются специалисты в области физиологии, биомеханики, спортивной медицины. Однако направлены они, в основном, на усовершенствование элементов обучения и совершенствование двигательной активности в спорте, на создание технических устройств с удобными органами управления и на прочие аналогичные приложения.

Как и в классических экспертных системах, мы сузим задачу до моделирования конкретных действий для получения приемлемых для реализации результатов. Мы будем моделировать не целиком двигательную активность человека, а создадим возможность для моделирования конкретных двигательных действий оператором. Итак, какие же именно возможности и способности нас интересуют. По внешним признакам их можно разделить на область восприятия и область реализации целенаправленных двигательных действий. Имеются две полярные возможности рассмотрения восприятия и реализации двигательных действий: рассмотрение этих областей с минимальной функциональной нагрузкой, только с точки зрения механизма означивания терминальных атрибутовсвязывание этих максимально функционально нагруженных функций в единую цепочку, моделирующую двигательные действия.

В области восприятия уникальны следующие возможности человека-оператора:

— возможности отличать при необходимости предметы друг от другараздельное восприятие окружения;

— возможности определять взаимное положение объектов в пространстве;

— возможности объединять совокупность различных объектов в единую «осмысленную» общность;

— возможности по отдельным доступным элементам классифицировать объект или совокупность объектов;

— возможности «представлять» свое положение в пространстве и взаимное расположение объектов в период временного отсутствия информации от сенсоров;

— возможности восприятия вышеперечисленного в движении;

— возможности восприятия темпоральных характеристик внешних событий и процессов.

В области реализации двигательных действий нас будут интересовать следующие возможности [Сергеев, 2004b]:

— пространственное согласование сложных двигательных действий;

— темпоральное согласование сложных двигательных действий;

— непрерывная корректировка заранее спланированных действий.

Полное моделирование этих возможностей двигательной активности в настоящее время представляет неразрешимую задачу. А вот задачу моделирования отдельных свойств, применительно к конкретному двигательному действию, автор считает решаемой.

Наиболее показательным примером для демонстрации (реализации) предлагаемой модели двигательной активности являются технические объекты, которые имеют техническую возможность частично или полностью, автономно или под управлением оператора выполнять двигательные действия, аналогичные тем, которые выполняет человек. Это могут быть объекты, которые имеют кинематическую схему, аналогичную «человеческой», роботы — антропоиды, манипуляторы. Интересны также другие приложения, когда человеческие возможности остаются скрытыми в механизмах ничего общего не имеющих с человеческими. Например, интеллектуальное управление приводами, управление видеокамерой, реализация плавного управления рулями. Продолжением внедрения человеческих возможностей в технические системы является интеллектуальное управление" не только в смысле интеллектуализации алгоритмов, но и в реализации управления конкретными приводами робота.

Перечислим предметные области, в которых применимы описываемые модели — двигательных действий оператора.

Группа 1 — неавтономные антропоцентрические системы с наличием двигательных действий для технического объекта (системы) по кинематической схеме отличной от человеческой: модели, для анализа двигательных действия оператора, обучающие модели (вождение автомобиля, самолета, управление краном, экскаватором.) — модели, исправляющие (сглаживающие) действия оператора (управление манипуляторами, восстановление нарушенной двигательной активности, корректирующие протезы.);

Группа 2 — неавтономные антропоцентрические системы с наличием двигательных действий для технических объектов (систем), по кинематической схеме схожими или имитирующими человекаоператора: модели управления роботами, манипуляторами.

Группа 3 — автономные антропоидные технические системы с наличием особых требований к реализации двигательных действий.

Модели, имитирующие двигательные действия оператора в автономных объектах (системах) [Ленский и др.] или предоставляющие автономные, в том числе и аварийные режимы.

Группа 4 — автономные системы с необходимостью реализации двигательных действий без особых требований к ним.

То есть существует совокупность задач, которые человек оператор выполняет, присутствуя на объекте или удаленно. Присутствуя на объекте, оператор использует свои возможности восприятия внешних объектов для осуществления конкретных двигательных действий. Как правило, это достаточно сложные действия или действия со сложными механизмами и двигательные действия являются лишь компонентами решения таких задач.

Целью внедрения таких моделей двигательных действий является осуществление эффективного контроля за действиями оператора, улучшение удаленного автоматизированного решения задач (в том числе и с задержкой реализации управляющего воздействия), а так же реализация автономного функционирования таких систем.

Предлагаемая модель двигательных действий создана на основе исследований авторов, описанных в источниках, приведенных ниже:

— общие принципы построения моделей поддержки принятия решений и систем управления с элементами искусственного интеллекта: Поспелов Д. А [Поспелов, 1981; 1988; 1989], Поспелов Г. С. [Поспелов Г. С., 1988], Амамия М., Танака Ю. [Амамия и др.], Вагин В. Д. [Вагин 1988; Вагин и др. 2004], Тарасов В. Б. [Тарасов], Розен В. В. [Розен];

— способы представления и оперирования знаниями и данными: Берштейн JT.C., Коровин С. Я., Мелихов А. Н., [Берштейн и др., 1990; 1994аМелихов и др., 1990а], Зиновьев А. А. [Зиновьев], Кесс Ю. Ю. [Кесс, 1986], Корнеев В. В., Гареев А. Ф., Васютин С. В., Райх В. В. [Корнеев и др.], Левин Р. [Левин и др.], Люгер Джорж Ф. [Люгер], Минский М. [Минский], Нейлор К. [Нейлор], Нильсон Н. [Нильсон], Осуга С. [Осуга], Пойа Дж. [ПоЙа], Поспелова Д. А. [Поспелов, 1989; 1990а- 1990b- 1990с] [ГаазеРапопорт], Поспелов Г. С. [Поспелов Г. С., 1988], Таунсенд К., Фохт Д. [Таунсенд], Тыугу Э. Х. [Тыугу], Тэрано Т., Асаи К., Сугэно М. [Тэрано и др.], Уотермен Д. [Уотермен], Уэно X., Кояма Т., Окамото Т., Мацуби Б., Исидзука М. [Уэно и др], Фостер Дж. [Фостер], Элти Дж., Кумбс М. [Элти и др.], Togai М., Watanabe Н. [Togai and etc., 1986a-b];

— представление и использование нечетко определенных знании и данных: особо и отдельно Заде Л. А. [Заде, 1974; 1976; 1980], Аверкин А. Н., Головина Е. Ю, Сергиевский А. Е. [Аверкин и др, 1997], Беллман Р. [Беллман и др., 1976], Берштейн Л. С., Мелихов А. Н., Коровин С. Я. [Берштейн Л.С. др., 1989а, Ь, 1990; 1992; 1993; 1994а- 1994b- 1999а, Ь- 2001; 2003а, Ь, с, d, еМелихов и др., 1986; 1990а, Ь, с], Боженюк А. В. [Боженюк, 1999d], Борисов.

A.Н., Алексеев А. В., Крумберг А. О., Меркурьев Г. В. [Борисов и др. 1982; 1989], Ежкова И. В. [Ежкова и др.], Ковалев С. М. [Ковалев, 1982] Баронец.

B.Д., Тэрано Т., Асаи К., Сугэно М. [Тэрано и др.], Ульянов С. В., Язенин.

A.В [Ульянов, 1991; 2001], Ягер Р. [Ягер под ред.]- -представление знаний о пространстве и времени:

Кандрашина Е. Ю, Поспелов Д. А. [Кандрашина и др.], Ковалев С. М. [Ковалев, 2000а, b- 2001а, Ь, с- 2002а], Еремеев А. П. [Еремеев и др., 2000]- -исследования представления структур данных и знаний (в том числе и нечетких) с помощью графов и гиперграфов: Берж К. [Берж, 1962], Берштейн JI.C. [Берштейн, 1975; 1976; 1982а, ЬБерштейн и др., 1999а], Боженюк А. В. [Боженюк, 1999d], Зыков А. А. [Зыков и др., 1974], Касьянов.

B.Н., Евстигнеев В. А. [Касьянов и др.], Кормен Т., Лейзерсон. Ч., Риверст Р. [Кормен Т. и др.], Кристофидис Н. [Кристофидис], Мелихов А. Н., Курейчик В. М., Черняк М. М. [Мелихов и др., 1974; 1977а, Ь- 1980; 1981; 1986; 1990а, Ь, с], Оре О. [Оре, 1986], Харри Ф., Палмер Э. [Харри и др.], Цой С., Цхай С. М. [Цой и др.], Шилов А. А. [Шилов];

— техническое зрение, распознавание образов и обработка видеоинформации: Гостев И. М. [Гостев], Зенкин А. А. [Зенкин], Казанов М. Д. [Казанов], Мартинес Ф. [Мартинес], Матвеев И. А., Мурынин А. Б. [Матвеев и др.], Рахманкулов В. З., Ахремов А. А., Герасимов, Новиков О. А. [Рахманкулов и др.], Фу К. [Фу].

Цели и задачи исследования. Целью исследования является создание набора средств и методики для моделирования элементов двигательных действий оператора в автономных технических или технологических объектах или системах.

Основными задачами, стоящими перед исследователем, являются: 1. Разработка и исследование набора средств эффективного представления инструментальных двигательных действий оператора. Разработка структуры модели инструментальной двигательной активности оператора, а также механизма взаимодействия компонентов в реальном масштабе времени.

2. Разработка средств символьного представления взаимного расположения предметов и «осознания» своего местоположения, разработка средств символьных вычислений при перемещении предметов или изменении своего местоположения;

3. Разработка средств представления в модели темпоральных характеристик внешних событий и процессов, выбор средств представления согласованных управляющих воздействий в реальном масштабе времени.

4. Разработка способа представления’положения и перемещения объектов на плоскости и в пространстве в условиях неточности данных, предоставляемых сенсорами.

5. Представление в модели уникальных возможностей (способностей) человека, таких как:

• изменяющиеся ограничения мобильных и силовых возможностей оператора, приспособление модели к таким изменениям- 4.

• обеспечение возможности изменения лингвистического описания (представления) в реальном масштабе процесса моделирования (управления);

• обеспечение возможности сведения данных от различных источников к единому лингвистическому значению (значению лингвистической переменной).

6. Разработка эффективных алгоритмов функционирования моделей инструментальной двигательной активности оператора.

Методы исследований. Для решения задач моделирования использованы методы теории нечетких множеств и нечеткой логики, темпоральной логики и фреймовой теории.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые предложена полнофункциональная модель инструментальных двигательных действий реального масштаба времени для реализации в автономных мобильных технических объектах (системах).

2. Разработана графовая и гиперграфовая модель выполнения фреймовых трансформаций в системах фреймов для обработки визуальной информации в автономных мобильных системах для решения таких задач, как ориентирование в окружающей обстановке, планирование перемещения в пространстве. Активность фреймовых моделей ранее обеспечивались выводами в межфреймомых сетях, что не соответствует изначальному трактованию фреймов, как структуры для представления стереотипных ситуаций.

3. Впервые разработана темпоральная подсистема (ТПС) реального масштаба времени модели инструментальных двигательных действий оператора. ТПС создана посредством объединения отношений нескольких темпоральных теорий. Для использования в реальном масштабе времени в ТПС введены отношения с различных позиций наблюдателя и отношения нечетко определенных исторических темпоров.

4. Впервые предложен способ представления положения объектов на плоскости и в пространстве в условиях неточности данных, предоставляемых сенсорами, с помощью одной сложной лингвистической переменной в нечеткой лингвистической системе координат. Для описания перемещения объектов на плоскости и в пространстве введены нечеткие переменные третьего порядка. Предложенный способ представления положения и перемещения объектов отличается от используемых другими авторами (совокупности разложения по одномерным ЛП) близостью к предметной области — операторскому представлению положения и перемещения мобильных объектов.

5. Впервые введены специальные типы лингвистических переменных для представления изменения мобильных и силовых возможностей оператора, обеспечения возможности изменения лингвистического описания в реальном масштабе процесса моделирования и сведения данных от различных источников к единому представлению. Используемые ранее лингвистические переменные ограничивали возможности моделирования динамических процессов для мобильных объектов в реальном масштабе времени в условиях неполноты и недостоверности данных.

6. Разработаны алгоритмы логического вывода с использованием специальных типов ЛП (сложных, сдвоенных, составных), операций сужения лингвистического описания атрибутов, метода уточнения лингвистического описания атрибутов, адекватно представляющие инструментальные двигательные действия и отличающиеся от известных возможностью модификации описания атрибутов в процессе функционирования модели.

Разработаны программые и программноаппаратные комплексы для демонстрации и исследования предлагаемых методик. Разработаны и внедрены в эксплуатацию реальные программноаппаратные комплексы, что подтверждено актами внедрения, представленными в приложении.

Практическая ценность. Практическую ценность представляет как совокупность методов, объединенных в модель инструментальной двигательной активности оператора, так и использование отдельных предложенных методов при проектированнии автономных систем с элементами принятия решений.

Предложенные методы являются универсальными и могут быть использованы для систем управления автономными мобильными объектами и при проектировании распределенных информационноуправляющих систем.

Теоретические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы в четырех научноисследовательских работах, научным руководителем и основным исполнителем которых являлся автор.

Достоверность научных и практических результатов работы подтверждается вычислительными экспериментами, имитационным и аппаратным моделированием инструментальной двигательной активности на специально разработанном програмно — аппаратном комплексе, результатами использования предложенных методов и алгоритмов в программно-аппаратных комплексах в соответствии с приложенными актами внедрения (Приложение 6).

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты изложены в статьях и монографиях, использованы при подготовке методических материалов и чтении лекций на кафедре Математического обеспечения применения ЭВМ и Военноморской кафедре ТРТУ.

Материалы работы использованы при создании программно-аппаратного комплекса распределенной обработки данных экологических гидрофизических и гидрохимических исследований акватории Азовского моря. Программо — аппаратный комплекс в составе бортовой системы управления и буйковой станции (Приложение 5) использован для исследования акватории Азовского моря в двух экспедициях на НИС «Акванавт», а также акватории Таганрогского залива.

Материалы работы использованы при создании «Автоматизированной системы управления технологическим производством нефтедобычи при кустовой системе обустройства скважин». АСУ ТП нефтедобычи внедрена на одном из нефтедобывающих предприятий Западной Сибири.

Для исследования теоретических положений диссертации разработана програмная модель нечеткого логического вывода с использованием уточнения лингвистического описания, а также программноаппаратный комплекс «Качающаяся платформа» (Приложения 2,3) [Зарницин и др., 2004].

Диссертация выполнена в соответствии с одним из основных направлений научно — исследовательских работ Таганрогского государственного радиотехнического университета «Формальные системы, искусственный интеллект и системы принятия решений». Автор классифицирует свою работу как решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение. Акты внедрения научных результатов прилагаются к диссертационной работе.

Основные результаты, выносимые на защиту: графовая (гиперграфовая) модель выполнения фреймовых трансформаций, используемая для описания изменения расположения внешних объектов при перемещении объекта моделирования;

— темпоральная подсистема с использованием взаимосвязи трех темпоральных теорий и обозначением позиции наблюдателя, способ построения темпоральных последовательностей или темпоральных плановмеханизм совместного функционирования (взаимодействия) фреймовых, темпоральных и нечетких подсистем модели инструментальной двигательных действий оператора;

— нечеткая полярная система координат для определения положения объекта на плоскости и в пространстве;

— нечеткая лингвистическая система координат для определения положения динамических объектовспособ кусочно-линейной модификации (преобразования) предметных шкал для приспособления описания атрибута с помощью лингвистической переменной к изменению условий функционирования модели;

— метод описания значений нечетко определенных атрибутов с использованием сдвоенной лингвистической переменной;

— метод описания значений нечетко определенных атрибутов с использованием составной лингвистической переменной;

— метод описания значений нечетко определенных атрибутов с использованием сложной лингвистической переменной;

— операция сужения лингвистического описания атрибутов для определения мобильных возможностей объектов со встроенными системами принятия решений;

— метод использования нечетких переменных третьего порядка для характеристики скорости изменения атрибутов, описанных лингвистическими переменными;

— метод уточнения и использования лингвистического описания в областях абсолютного доминирования термов.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались автором на следующих конференциях: международной конференции «International Fuzzy System and Intelligent Control Conference» (U.S.A., Louisville, 1992 г.) — Всесоюзной научно-практической конференции «Создание и применение гибридных экспертных систем» (Рига, 1990 г.) — «39 научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава ТРТИ» (Таганрог, 1992 г.) — научно-практической конференции «Интеллектуальные САПР» (Таганрог, 1992, 2002гг.) — Всесоюзной научно-практической конференции «Гибридные интеллектуальные системы» (Ростов-на-Дону, Терскол, 1991 г.) — научно-технической конференции «Нечеткие системы, инженерия знаний и разработка промышленных технологий» (Тверь, 1994 г.) — межвузовской научнометодической конференции «Компьютерные технологии подготовки специалистов военно-морского флота» (Санкт-Петербург, 1995 г.) — межвузовской научнотехнической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов» (Петродворец, 2000 г.) — международной конференции «Электроника и связь» (Киев, 2001 г.) — международном конгрессе «Искусственный интеллект в 21 веке», IEEE AIS" 01, 1САГ2001 (Дивноморское, 2001 г.) — межвузовской научнометодической конференции.

Пути реализации плана развития системы военного образования в гражданских вузах" (Нижний Новгород, 2001 г.) — международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям SCM" 01, SCM" 02 (Санкт-Петербург, 2001, 2002гг.) — международных научно-технических конференцях IEEE, AIS", CAD (Дивноморское, 2002, 2003, 2004 гг.) — Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи, 2003 г.) — Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (СанктПетербург, 2003 г.) — научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003гг.).

Публикации по теме диссертационной работы. По теме диссертационной работы опубликовано 44 печатные работы, в том числе две монографии в издательстве Ростовского государственного университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 286 страниц машинописного текста, содержит 106 рисунков и 14 таблиц.

Список литературы

включает 156 наименований.

ВЫВОДЫ.

В настоящей главе большое внимание уделено определению (описанию) нечеткого положения объекта в пространстве. Понятие составной ЛП обобщено для трехмерного варианта. Это позволяет строить достаточно сложные и эфективные системы управления сложными мобильными объектами.

В главе представлен набор инструментов для инженерии знаний при формализации достаточно широкого круга задач, связанных с управлением динамическими объектами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе впервые автором создана полнофункциональная модель инструментальных двигательных действий реального масштаба времени для реализации уникальных возможностей двигательной активности человека — оператора в автономных мобильных технических объектах (системах).

При создании модели автором разрешен ряд проблем, имеющих теоретическое и практическое значение, как в составе модели, так и отдельно.

1. Для решения задачи разработки средств символьного представления взаимного расположения предметов и «осознания» своего местоположения создана графовая и гиперграфовая модель выполнения фреймовых трансформаций в системах фреймов для обработки визуальной информации в автономных мобильных системах. Активность фреймовых моделей ранее обеспечивались выводами в межфреймовых сетях, что не соответствует изначальному трактованию фреймов, как структуры для представления стереотипных ситуаций.

2.Для представления в модели временных характеристик внешних событий и процессов, а также согласования управляющих воздействий в реальном масштабе времени впервые разработана темпоральная подсистема реального масштаба времени посредством объединения отношений нескольких темпоральных теорий и введения отношений с различных позиций наблюдателя.

3. С целью представления положения и перемещения объектов на плоскости и в пространстве в условиях неточности данных, предоставляемых сенсорами, впервые предложен способ представления положения объектов на плоскости и в пространстве с помощью одной сложной лингвистической переменной в нечеткой лингвистической системе координат. Для описания перемещения объектов на плоскости и в пространстве введены нечеткие переменные третьего порядка. Предложенный способ представления положения и перемещения объектов отличается от используемых другими авторами близостью к операторскому представлению положения и перемещения мобильных объектов.

4. Для представления в модели уникальных возможностей (способностей) человека, таких как осознание ограничений мобильных и силовых возможностей, сведение данных от различных источников к единому представлению, впервые введены специальные типы лингвистических переменных. Используемые ранее лингвистические переменные ограничивали возможности моделирования динамических процессов для мобильных объектов в реальном масштабе времени в условиях неполноты и недостоверности данных.

5. С целью обеспечения эффективности функционирования модели инструментальной двигательной активности оператора разработаны алгоритмы логического вывода с использованием специальных типов ЛП (сложных, сдвоенных, составных), операций сужения лингвистического описания атрибутов, метода уточнения лингвистического описания атрибутов, адекватно представляющие инструментальные двигательные действия и отличающиеся от известных возможностью модификации описания атрибутов в процессе функционирования модели.

6. Правильность теоретических положений диссертационной работы, предложенных методики и алгоритмов подтверждается имитационным моделированием на специально разработанном программноаппаратном комплексе «Качающаяся платформа».