Автоматизированное проектирование силовых трансформаторов - Проблемы функционирования человека в САПР

В (16) отмечается: «ЭВМ являются быстродействующими, точными и неразумными устройствами. Люди действуют медленно, неточно, но обладают умом. Вместе они могут творить чудеса, граничащие с невероятностью. Однако ЭВМ могут выполнять только то, что предписывают им люди...».
САПР создается как человеко-машинная система, в которой для автоматизации умственно-формальных процессов деятельности специалистов используются возможности вычислительной техники. Процесс проектирования в системе организуется таким образом, чтобы повысить отдачу умственного труда человека, стимулировать его творческую деятельность.
При этом возникают некоторые социальные эффекты [17]. Использование САПР превращает инженера-проектировщика, чьими инструментами были счетная линейка, арифмометр и кульман, в пользователя САПР, использующего ЭВМ с набором периферийных устройств. Содержание работы таких людей радикально меняется, хотя и может иметь различный характер, например, если высококвалифицированная работа, требующая знаний и точности, но небольшого воображения, передается машине и выполняется пакетом программ системы, то инженеры, постоянно занимающиеся такой работой, становятся операторами, вводящими данные в машину и получающими для анализа результаты. В развитых диалоговых системах, где проектные решения принимаются человеком, а промежуточная обработка данных выполняется машиной, ритм работы радикально меняется. Здесь, как отмечалось выше, проектировщик нередко испытывает значительные перегрузки, так как темп работы задается ЭВМ.
Таким образом, проектировщики достаточно высокого уровня с помощью САПР оказываются в состоянии повысить свою производительность труда и качество продукта. Однако их работа при этом становится более напряженной, поскольку они лишаются периодов восстановления, которые до внедрения САПР определялись выполнением рутинной работы. Так, по некоторым данным доля творческой деятельности в общем бюджете времени проектировщика, не использующего САПР, составляет всего 15%; с трудом формализуемая рутинная работа составляет 42%, формализуемая рутинная работа — 35%, остальное — вспомогательные и подготовительные работы. Следовательно, с внедрением САПР потребность в проектировщиках низкой квалификации, круг обязанностей которых ограничивался именно рутинной работой, будет уменьшаться.
Вот почему некоторая оппозиция по отношению к САПР со стороны потенциальных инженеров-пользователей неизбежна. Ослабить ее можно посредством:
включения будущих инженеров-пользователей в работы по составлению технических условий и заданий на разрабатываемые САПР;
постепенного ввода в действие САПР с учетом реакции и приобретаемого опыта пользователей на каждой стадии;
проведения обширной программы обучения, которая подготовит инженеров к их новой роли.
Одним из результатов обучения должно явиться понимание инженерами того, что САПР является следствием и в то же время орудием социальных изменений.
Однако даже в этих условиях у людей возникает опасение в обесценивании имеющегося у них многолетнего опыта вследствие автоматизации. Возникает парадоксальная ситуация: ЭВМ, одной из целей которой является повышение статуса профессии проектировщика за счет освобождения ее от нетворческих элементов, на практике вызывает боязнь утраты престижа [17].
Решение отмеченных проблем необходимо, так как на современном этапе развития САПР присутствие человека в этих системах и его активное участие в проектно-конструкторских работах предполагается достаточно широко. Такое положение имеет объективную основу: проектные процедуры носят как алгоритмический, так и эвристический характер, что исключает на современном этапе развития САПР их полную автоматизацию [12].
Что же определяет специфику труда проектировщика в САПР?
Задачи проектирования существенно отличаются от чисто вычислительных задач, хотя последние являются составной частью процесса проектирования. Эти отличия заключаются прежде всего в том, что в большинстве случаев оказывается весьма затруднительным дать формальную постановку задачи, и поэтому человек должен сам доопределять эту задачу на основе своего опыта, интуиции и т. д. Кроме того, если в традиционных, сложившихся сферах применения ЭВМ между машиной и специалистом, использующим ее, находится еще, как правило, программист-оператор, то в автоматизированных системах проектирования это исключено по двум причинам. Во-первых, из-за массового характера проектной деятельности, в которой одновременно участвуют большие коллективы специалистов, и, во-вторых, проблема коммуникации в системе «человек — человек — ЭВМ» оказывается более сложной, чем в системе «человек — ЭВМ».
Все это потребовало разработки нового подхода к проблеме организации интерфейса человека в САПР, определяющей качественно новые условия деятельности человека в режиме автоматизированного проектирования. Решение данной проблемы имеет два аспекта: совершенствование связей между проектировщиками в режиме автоматизированного проектирования и между человеком и машиной.
Первый аспект обусловлен необходимостью работы над сложным проектом коллектива проектировщиков примерно с тем же разделением функций по конструктивным элементам и уровням иерархии проекта, какое имеет место в обычном неавтоматизированном проектировании. Различие состоит в том, что конструктор работает за своим дисплеем без помощников и вспомогательного персонала.

Рис. 1.5. Схема связи пользователя с ЭВМ:
П— проектировщик; Т — терминал; УС — устройство сопряжения; ОС — операционная система; МО — математическое обеспечение

Одновременная работа с проектом нескольких проектировщиков значительно повышает требования к программному обеспечению САПР, которая в этом случае должна иметь специальную подсистему, выполняющую функции координатора в коллективном процессе принятия решений. Примером такой подсистемы является программа КОНКОРД [18], предназначенная для совершенствования связей между участниками группового решения задачи, взаимодействующими друг с другом с удаленных терминалов.
Что касается второго аспекта, а именно связей между человеком и машиной, то для ее реализации в первую очередь необходимо качественное периферийное оборудование, средства отображения и приема информации, а также дистанционная связь терминалов с центральным процессором (рис. 1.5). Кроме того, проектировщику должны быть созданы комфортные условия для работы с системой. От этих условий во многом зависит устранение социальных и психологических факторов, препятствующих внедрению САПР. Уровень комфортного взаимодействия проектировщика с системой характеризуется информационной обусловленностью процесса принятия решения.
Обеспечение комфортных условий проектировщику при работе с САПР осуществляется за счет настройки и модификации средств отображения и приема информации и, главным образом, посредством персонифицированного информационного взаимодействия с проектировщиком. Это предполагает изменяющуюся интенсивность информационного потока, направленного к человеку в зависимости от квалификации проектировщика, его психофизиологического состояния и результатов текущей деятельности. Такое взаимодействие должно быть организовано так, чтобы каждый специалист работал близко к своему пределу компетентности и текущему показателю утомленности, но не выше их.

Таблица 1.1

В табл. 1.1 приведена характеристика информационного обмена между, проектировщиком и системой на некоторых этапах проектирования [19].
Из таблицы видно, что существуют по крайней мере два вида взаимодействия проектировщика с системой:
взаимодействие, обусловленное вводом — выводом сравнительно больших объемов информации, что происходит нечасто и не вызывает особых затруднений у проектировщика;
совместное взаимодействие человека с машиной на этапе собственно процесса проектирования.
Диалог необходим как средство реализации взаимодействия двух партнеров (проектировщика и ЭВМ) при решении проектной задачи [20], которое невозможно без итеративного процесса*.

* Итеративный процесс — неоднократное повторение применения какой-либо математической операции или их совокупности.

Диалог в САПР трактуется как такой процесс обмена сообщениями между двумя субъектами, при котором существует постоянная смена ролей информатора и реципиента. Информатор — это субъект, имеющий информацию, которая требуется на данном этапе взаимодействия, и выдающий ее, а реципиент — субъект, не имеющий этой информации и воспринимающий ее. Часто такое определение дополняют еще требованием оперативности обмена информацией, когда время ожидания субъектом очередного сообщения партнера не нарушает процесса его мышления и не вызывает желания прекратить взаимодействие [21, 22].
При диалоге человека с машиной должны существовать следующие условия:

1. Цель, для достижения которой инициируется диалог. При этом следует различать основную цель, которую ставит всегда человек, и промежуточные цели, которые могут быть поставлены машиной.
2. Поочередное выполнение человеком и ЭВМ роли информатора и реципиента.
3. Достижение взаимопонимания между партнерами, проявляющееся в знании каждым из них языка, с помощью которого происходит обмен информацией.

Одной из основных характеристик диалога является оперативность, которая характеризуется продолжительностью времени от момента задания вопроса до момента получения ответа. При этом речь идет только об ответе ЭВМ, поскольку в процессе напряженной работы память человека оказывается перегружена, и он может изменить свою мотивацию, а также испытывает дискомфорт, если задержка ответа машины будет превышать 6—8 с.
Другим аспектом взаимодействия проектировщика с машиной является распределение функций между человеком и ЭВМ, которое, в идеале, должно осуществляться динамически в процессе взаимодействия на основе некоторых критериев эффективности (времени решения, стоимости решения и т. д.), В настоящее время распределение, как правило, определяется заранее на основе априорных предположений типа, например, такого, что человек располагает преимущественными по отношению к ЭВМ знаниями или ЭВМ быстрее выполняет вычислительные операции и т. д.
Что касается форм диалога, то самой идеальной для человека явилась бы форма естественного языка, т. е. возможность беседовать с машиной как. с человеком. Большую трудность в реализации этой формы представляет весьма сложная задача формализации входной информации на естественном языке. Поэтому при современном уровне развития вычислительной техники диалог на основе естественного языка оказывается нереальным. Следовательно, приходится накладывать ограничения на возможные способы общения проектировщика с машиной, что приводит к созданию специальных языков общения и реализации с их помощью различных форм диалога с ЭВМ. Эти формы зависят от числа и вида накладываемых ограничений.
Например, диалог, инициируемый ЭВМ, или как еще его называют «выбор меню» имеет место, когда проектировщик выбирает один из предлагаемых системой вариантов. Вся совокупность вариантов ответа заложена в систему заранее, и проектировщик лишь указывает конкретный вариант, отвечая машине ДА/НЕТ. Этот простейший диалог применяется, как правило, в наиболее простых САПР и дает возможность работы с ней специалистам практически без специальных знаний в области вычислительной техники.
Следующей по сложности формой диалога является так называемый ординарный диалог, который сейчас распространен довольно широко. Если в предыдущем случае инициатором диалога выступала лишь система, то здесь проектировщик, кроме ответов на запросы системы, получает возможность указывать режим работы, формы ввода — вывода данных, останавливать и запускать вновь систему по своей инициативе, а также задавать численные данные, необходимые для ее работы. Возможность общаться с системой проектировщик получает лишь в специально предусмотренных в программах местах (точках диалога), причем заранее оговариваются возможные ответы пользователя на запрос системы.

Рис. 1.6. Схема общения на основе директивного языка

Характерной чертой этих двух форм диалога является отсутствие специального математического обеспечения.
Более совершенной формой диалога является диалог на основе директивного языка. Запросы и ответы проектировщика формируются в виде директив, имеющих строго определенную структуру. Директива может выполнять самые разнообразные функции. Запросы системы поступают как в виде развернутых сообщений, так и в виде коротких кодов, идентифицируемых с рядом вероятных состояний системы (требованиями на ввод данных, подключением определенных устройств, указанием на ошибки проектировщика или сбой системы).
Данная форма диалога осуществляется в режиме с разделением времени и требует наличия специального математического обеспечения, состоящего из монитора ввода — вывода, интерпретатора директив языка и архива (рис. 1.6). Функция монитора заключается в инициировании интерпретатора, который обеспечивает расшифровку и выполнение директивы пользователя. Структура подобной диалоговой системы сложна, но и довольно совершенна. Директивный язык представляет возможность гибкого многовариантного использования программных модулей, включенных разработчиком в систему.
Наконец, последней формой диалога является диалог на основе процедурно-ориентированных языков типа БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ и др. Процесс общения пользователя с системой сводится в этом случае к написанию программы на соответствующем расширенном варианте процедурно-ориентированного языка.

Достоинством такой формы общения является предоставление проектировщику возможности изменения выполненных разработчиком программ и включения в систему новых программ самостоятельной разработки. Однако к пользователю предъявляются в этом случае наиболее высокие требования — практически он должен владеть программированием на алгоритмическом языке.
Таким образом, эффективность диалогового взаимодействия в САПР во многом определяется квалификацией проектировщика— пользователя системы.