ББК 32.973 13 страница

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ОПИСАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

На рис. 103 представлено упрощенное описание технологического процесса изготовления фруктовых консервов из косточковых плодов (автор технологии Е. Свешникова). Реальный технологический процесс может быть очень сложным. Обычно его описывают как головной процесс, содержащий большое число вставок. В качестве примера в головном процессе на рис. 103 показана вставка “Изготовление сиропа и мари­нада”, раскрытая на рис. 104.

В реальном техпроцессе часто встречаются одновременно протекающие процессы. Для их изображения на языке ДРАКОН применяется не только икона “параллельный процесс”, но и другие средства (учитывающие специфику технологических процессов), которые в данной книге не рассматриваются.

Дракон-схемы технологических процессов могут найти применение в следующих случаях:

! создание наглядных плакатов, дающих целостное представление о процессе во всей его многосложности и используемых в качестве демонстрационных материалов; при этом в иконе “комментарий” могут помещаться чертежи, фотографии, схемы установок, станков, сетей трубопроводов и другого оборудования;

! выпуск технологической документации;

! проектирование и моделирование технологических процессов;

! создание визуальной базы данных о техпроцессах;

! создание экспертных систем для проектирования технологических процессов, а также тренажеров для эксплуатационников;

! изготовление альбомов и каталогов технологических процессов для обучения или рекламы; можно рекомендовать формат бумажной стра­ницы альбома А3, имея в виду, что оригинал-макеты альбомов готовятся на лазерном принтере формата А3.

ЧТО ТАКОЕ МЕТОДОЛОГИЯ?

Джеймс Мартин подчеркивает необходимость различать два понятия: методика (technique) и методология (methodology).

Методика — это способ выполнения одной операции. Например, правила составления схем потоков данных — это методика.

Методология разработки систем охватывает набор задач (операций), которые необходимо решить в процессе создания системы. Существует много задач, при решении которых применяется много методик. Выход одной задачи часто является входом в другую. Применяя компьютеры при разработке систем, желательно полностью автоматизировать те задачи, которые поддаются автоматизации, а остальные выполнять автоматизированным способом, когда человек работает вместе с компьютером. Поток знаний, передаваемых от одной задачи к следующей, должен находиться внутри компьютеризованных инструментов всегда, когда это возможно. Методология RAD использует компьютеризованные средства и ручные методы, разумно связанные между собой, чтобы достичь две цели: большую скорость и высокое качество разработки. Методология определяет, в чем заключается каждая задача, как ее успешно выполнить, какие неприятности и опасности возможны в процессе работы и как их избежать.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОЛОГИЙ

Иногда высказывают мнение, что язык ДРАКОН хорошо описывает простые задачи и непригоден для изображения сложных проблем. Это неверно. ДРАКОН специально сконструирован, чтобы облегчить формализацию широкого спектра задач, включая самые сложные. Более того, чем сложнее проблема, тем больше выигрыш от использования языка ДРАКОН.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим методологию проектирования атомного реактора. Ясно, что это грандиозная, “запредельная” по сложности проблема. Целостный взгляд на методологию представлен

103 лев

Рис. 103. Технология изготовления фруктовых консервов из косточковых плодов

103 прав

104

на рис. 105. Дракон-схема на рис. 105 содержит большое число вставок, для обозначения которых в данном случае целесообразно ввести термин алгоритм-концепция. Например, во второй и четвертой ветке на рис. 105 имеются иконы-вставки “Расчет стационарных параметров первого контура атомного реактора” и “Расчет реактивностных аварий атомного реактора”. Соответствующие им алгоритмы-концепции показаны на рис. 106 и 107[19].

Рис. 105—107 убедительно демонстрируют, что любую, сколь угодно сложную методологию можно изобразить с помощью простого и единообразного приема, который можно охарактеризовать как наглядную декомпозицию. Верхний уровень иерархии, показанный на рис. 105, можно рассматривать как вершину гигантской пирамиды, откуда открывается взгляд на проблему с высоты птичьего полета. Там же перечисляются все алгоритмы-концепции второго уровня, которые в нашей воображаемой пирамиде расположены на один шаг “ближе к земле”. Рассматривая алгоритм второго уровня (изображенные на рис. 106 и 107), легко заметить, что в них указываются алгоритмы-концепции третьего уровня, которые находятся еще ближе к земле, т. е. дают более детальное знакомство с проблемой. Постепенно спускаясь с вершины пирамиды к ее основанию, мы наблюдаем последовательную декомпозицию сложной проблемы на все более мелкие и подробные детали, которые
в конечном итоге (когда мы спустимся “на уровень земли”) дадут исчерпывающее и полное описание методологии как императивной про­блемы. При необходимости ее можно дополнить соответствующими декларативными описаниями.

Важным достоинством является тот факт, что язык не зависит от уровня иерархии — он один и тот же и на самом верху и у основания пирамиды. Благодаря этому достигается резкое упрощение описания задач любой сложности; в итоге “уму непостижимая” проблема превращается в относительно простую, ясную и наглядную.

Насколько известно автору, до сих пор практически отсутствовали эффективные эргономичные изобразительные средства, позволяющие одновременно решать две задачи: формализацию и визуализацию методологий. По этой причине целостный взгляд на методологию, как на детерминированный многоступенчатый процесс, имеющий начало и конец, по сути дела был недоступен широкому кругу специалистов и учащихся, оставаясь достоянием узкой группы суперспециалистов, которые “все держат в голове”. Из-за этого остальным участникам сложного проекта вынужденно отводилась роль винтиков творческого организма, которые должны знать свой “шесток”, но которым “не поло­жено” иметь целостное панорамное видение процесса во всей его многосложности. Язык ДРАКОН позволяет сделать важный шаг к устра-

105лев

Рис. 105. Методология “Проектирование атомного реактора”

105прав

106лев

Рис. 106. Алгоритм-концепция “Расчет стационарных параметров 1-го контура атомного реактора”. Данный алгоритм является вставкой во вторую ветку алгоритма на рис. 105

106прав

107лев

Рис. 107. Алгоритм-концепция “Анализ реактивностных аварий атомного реактора”. Данный алгоритм является вставкой в четвертую ветку алгоритма на рис. 105

107прав

нению этого недостатка, более эффективно организовать совместную работу участников сложного проекта и более разумно использовать интеллектуальные ресурсы их коллективного мозга.

 

СИСТЕМА “ЧЕЛОВЕК—МАШИНА”

В настоящем параграфе[20] обосновывается целесообразность использования языка ДРАКОН для формализованного описания систем “человек—машина”. Рассмотрим для примера разработку системы “экипаж—вер­толет”. Описание этой системы необходимо иметь при проектировании вертолета на этапе эскизного проекта для достижения трех целей.

Во-первых, для проведения эргономического анализа системы “человек—машина” при выборе вариантов:

! распределения функций между человеком и машиной;

! распределения функций между членами экипажа вертолета;

! состава оборудования;

! численности экипажа.

Во-вторых, для обеспечения специалистов информацией о работе различных подсистем системы “человек—машина” в штатных и аварийных условиях работы. В-третьих, для обучения операторов работе с системой.

В настоящее время при проектировании летательных аппаратов описание алгоритма работы системы “человек—машина” делается в текстовой форме в виде документа, который называется “Руководство по летной эксплуатации”, форма которого определена государственным стандартом. Этот документ выпускается слишком поздно — после окончания рабочего проектирования и обычно бывает приурочен к началу летных испытаний. Он представляет собой констатацию сложившихся в ходе проектирования алгоритмов работы системы “человек—машина” и не предназначен для достижения первых двух целей. Кроме того, текстовая форма документа не отвечает принципам симультанного восприятия, что затрудняет его использование для обучения персонала.

В связи с этим была предпринята попытка применить для решения задачи язык ДРАКОН. В частности, была разработана детальная дракон-схема, описывающая работу системы “экипаж—вертолет” при возникновении аварийной ситуации в воздухе — пожаре правого двигателя. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о полезности такого описания: оно сочетается с требованиями, предъявляемыми к математическому моделированию системы “человек—машина”, определению временной структуры деятельности членов экипажа, использованию микроструктурного анализа деятельности и т. д. Можно утверждать, что создание библиотеки дракон-схем проектируемой системы “человек—машина” — необходимый этап детального эргономического анализа при создании пилотируемых летательных аппаратов.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

Чем глубже человеческий разум проникает в тайны живой материи, тем яснее становится, что живые существа во многих случаях ведут себя, как информационные биомашины, перерабатывающие информацию с помощью биоалгоритмов. Опыт показывает, что биологические алгоритмы очень похожи на самые обычные алгоритмы, с которыми мы постоянно сталкиваемся в технике. А раз так, язык ДРАКОН может стать удобным средством для выражения и накопления знаний об информационных процессах, протекающих в живых организмах. Для иллюстрации приведем цитату из известной биологической книги, описывающую один из таких алгоритмов.

Описание этого алгоритма на языке ДРАКОН показано на рис. 108 (чтобы не утомлять читателя громоздкими биологическими терминами, автор несколько упростил текст и снабдил его некоторой долей юмора).

Вместе с тем следует специально подчеркнуть, что реальные биологические алгоритмы исключительно сложны. Традиционная для биологической литературы текстовая форма представления алгоритмических знаний вносит неоправданные трудности для читателей и является устаревшей. По мнению автора, язык ДРАКОН может оказать существенную помощь биологам. Создание бумажных альбомов и компьютерных библиотек биологических дракон-схем даст возможность улучшить

108лев

Рис. 108. Как размножаются жабы? Использование языка ДРАКОН для описания биологических процессов

108прав

форму представления биологических знаний, сделать ее более строгой и наглядной, позволит выявить и устранить алгоритмические пробелы
в знаниях, поможет укреплению позиций информационной биологии и облегчит дальнейшие исследования таинственного механизма функционирования живых организмов.

 

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ АЛГОРИТМОВ

Медики редко произносят слово “алгоритм”. А жаль! — ведь алгоритмы составляют значительную часть медицинских знаний. На рис. 109 представлен знакомый почти каждому пример — измерение кровяного давления (которое медики обозначают торжественным словом “сфигмоманометрия”). Этот алгоритм получен путем точного воспроизведения инструкции по выполнению сфигмоманометрии из руководства по клинической профилактике, подготовленного комитетом США по профилактической медицине [2]. Алгоритмическими описаниями полны многие медицинские руководства, например, описания иммунологических методов, клиническая лабораторная диагностика, микробиологические инструкции по идентификации микроорганизмов и многое другое. Вообще говоря, процесс обследования и лечения всегда представляет собой некоторую последовательность действий, следовательно, его можно рассматривать как технологический процесс или алгоритм.

По мнению автора, учебные альбомы и компьютерные библиотеки медицинских дракон-схем могли бы принести ощутимую пользу в медицинских научных исследованиях, врачебной практике и системе медицинского образования, не говоря уже об облегчении взаимопонимания медиков между собой и с медицинскими программистами.

ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Приведем еще несколько примеров, подтверждающих универсальность и “всеядность” языка ДРАКОН и демонстрирующих возможность его применения в различных сферах человеческой деятельности. Рисунок 110 иллюстрирует использование языка для изображения грамматических правил. На рис. 111 показан пример формализации простейших правил анализа стихотворений.

Следующий пример родился из маленького школьного “приключения”. Присутствуя на уроке в одной из московских школ, автор наблюдал за мучениями мальчика, решавшего задачу, показанную в иконе-комментарий на рис. 112. Чувствовалось, что он знает все формулы и догадывается об общем ходе решения, тем не менее у него никак не складывалась общая картина. Он не мог четко разбить задачу на отдельные этапы и выстроить из них упорядоченную последовательность, ведущую к победе. Почему? Что ему мешало? Заглянув через плечо, автор увидел в тетради “живописную мазню”. Правильные формулы прыгали

109

Рис. 110. Правила написания отрицательных местоимений

110

111

по странице, играя в чехарду: все было перечеркнуто и перевернуто вверх дном. Короче, это была плохая, неэргономичная, неупорядоченная зрительная сцена. Немудрено, что парень вконец запутался.

Обдумывая ситуацию, автор пришел к следующим предположениям. Во-первых, нужно эргономизировать зрительную сцену, придав ей форму дракон-схемы. Во-вторых, школьника нужно специально обучить, чтобы он запомнил визуальный образ дракон-схемы. В-третьих, решение задачи должно сводиться к заполнению пустых клеточек дракон-схемы; тогда запись решения волей-неволей окажется упорядоченной,
а “чехарда” станет попросту невозможной. В-четвертых, нужно учить школьников не только разбивать ход решения на отдельные этапы
(действия), но и придумывать для них краткие и точные заголовки.
В-пятых, следует объяснить, что эти заголовки следует записывать в иконах “имя ветки” и “комментарий”.

На основании этих предположений автор по согласованию с учи­тельницей изобразил решение, как показано на рис. 112. Чем же отли­чается решение на рис. 112 от традиционной записи? Выделим три наи­более важных отличия.

! Зрительная сцена имеет предельно четкую структуру. Она упорядочена и по вертикали, и по горизонтали.

! Все без исключения этапы решения и формулы имеют разъясняющие словесные заголовки. Последние записываются не где угодно, а в специальных рамочках, каждая из которых “знает свое место”.

! Обеспечена симультанность восприятия: в одном визуальном поле находятся: 1) условие задачи; 2) решение; 3) ответ.

Дракон-схема на рис. 113 появилась на свет при сходных обстоятельствах.

Большинство примеров на рис. 101—113 являются адаптирован­ными, описывающими крайне простые, даже примитивные алгоритмы. Использование “игрушечных” примеров связано с тем, что реальные ситуации слишком сложны и “не влезают” в книгу.

В качестве иллюстрации приведем названия реальных задач, для описания и решения которых целесообразно использовать техноязык.

! Расчет угла визирования по курсу и угла визирования по тангажу для определения углового положения линии визирования при полете ракеты.

! Последовательность работ и этапов, выполняемых при создании объектов вертолетной техники.

! Создание единой системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений.

! Алгоритм работы системы управления орбитального корабля “БУРАН” в режиме довыведения.

! Описание функций интеллектуальной автоматизированной системы ведения и анализа проектной документации.

! Термообработка тороидальных сердечников из железо-никелевых сплавов.

! Установка изделия (ракетоносителя с закрепленным на нем космическим кораблем) на пусковое устройство стартовой площадки.

! Расчет траектории электронов в статических электрическом и магнитном полях.

! Обработка информации, поступающей из прибора регистрации затмения солнца.

! Управление спринклерной системой реакторного отделения атомной электростанции.

! Проверка многослойных печатных плат.

113

! Изучение влияния радиации и высокочастотных воздействий на организм кролика.

! Художественная вышивка на швейной машинке.

! Малоотходная технология переработки свеклы.

Наибольшие для человека трудности возникают в сложных видах деятельности, когда человеческий ум, сталкиваясь с большими и разно­образными задачами, начинает давать сбои, следствием чего являются разного рода ошибки, недоработки, дефекты и упущения, взаимное непонимание, путаница, затяжки выполнения работ и срывы плановых сроков. Техноязык ДРАКОН дает возможность ослабить или устранить подобные неприятности. Позволяя значительно упростить форму представления задачи, делая ее обозримой и ясной, ДРАКОН приносит существенную пользу, заметно повышает производительность труда, ощутимо снижает издержки.

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Попытаемся взглянуть на рис. 101—113 под другим углом зрения. Почти все эти рисунки представляют собой конкретные примеры описания структуры деятельности в различных областях: металлообработке, химии, атомной энергетике, медицине и т. д.

Рисунки 101—113 описывают различные процессы, действия и события, которые на первый взгляд не имеют ничего общего. Если содержание этих рисунков представить в виде текстового описания, общая, инвариантная часть указанных процессов и событий как бы исчезает, становится скрытой, неявной, неуловимой. Образно говоря, язык ДРАКОН срывает шапку-невидимку с этого инварианта, делает его зримым, бьющим в глаза. В данном случае инвариантом является структура деятельности. Уточним сказанное. Любую деятельность можно описать с помощью дракон-схемы. При этом абстрактная дракон-схема является логическим инвариантом деятельности.

Способность абстракции, возможность увидеть единое в различном — важная способность человеческого ума. Инструменты, развивающие эту способность, содействуют увеличению “силы ума”.

Известно, что процесс обучения и образовательная среда учат человека извлекать знания из собственной деятельности, постигать принципы собственных действий и руководствоваться ими в новых ситуациях. Или, как говорят педагоги, осуществлять перенос знаний, занимающий огромное место в образовательном процессе и практической жизни. Язык ДРАКОН, формализуя структуру деятельности, позволяет легко выполнять перенос знаний и навыков, выявляя логические инварианты деятельности, закрепляя их в сознании и стимулируя более глубокое постижение принципов и структуры человеческих действий.

Внимательно анализируя рис. 101—113, абстрагируясь от содержания деятельности и концентрируя внимание на ее структуре и формальных аспектах описания, мы обнаруживаем “сходство в различном” и на конкретных примерах убеждаемся в том, что техноязык ДРАКОН действительно пригоден для описания структуры деятельности в самых разнообразных, непохожих друг на друга сферах деятельности. Преимущество состоит в использовании единой формы для представления технологических (императивных) знаний и описания структуры деятельности.

Для полноты картины заметим, что техноязык ДРАКОН позволяет описывать два класса процессов:

! деятельность (рис. 101—107, 109—113);

! естественные процессы, протекающие в живых организмах (рис. 108).

НУЖЕН ЛИ СТАНДАРТ ДЛЯ ОПИСАНИЯ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ?

И в нашей стране, и за рубежом сегодня отсутствует единый стандарт для описания деятельности (структуры деятельности), что во многих случаях создает путаницу и неразбериху. Разномастные и разнокалиберные описания, принятые в различных отраслях, часто имеют многочисленные недостатки, содержат пробелы и двусмысленности. Они неформализованы, ненаглядны, неудобны в работе и трудны для понимания. Зачастую описания вообще отсутствуют, а те, что есть, — устарели и не соответствуют действительности. Несмотря на низкое качество большинства описаний, трудоемкость их создания весьма велика. Все это вносит значительные трудности в работу, заметно снижает производительность труда, создает ненужные препятствия для общения и взаимопонимания между специалистами разных профессий.

Было бы желательно создать единый стандарт для описания структуры деятельности, снабженный компьютерной поддержкой и рассчитанный на постепенное внедрение во всех отраслях и предметных областях, где его применение может дать положительный эффект. На наш взгляд, при разработке стандарта целесообразно взять за основу техно­язык ДРАКОН.

Неприятность в том, что традиционные понятия “деятельность” [3, 4] и “алгоритм” [5], весьма полезные сами по себе, к сожалению, плохо приспособлены для решения поставленной задачи. Стремясь поправить дело, дадим три новых определения, которые, не претендуя на строгость (в данном случае она не нужна), позволяют выявить глубинную связь понятий “деятельность”, “алгоритм” и “техноязык”.

Деятельность — последовательность физических и информационных действий, учитывающая необходимые ограничения (условия) и позволяющая получать нужный результат за конечное число шагов (действий).

Алгоритм — описание структуры деятельности.

Техноязык — язык для описания структуры деятельности.

ВЫВОДЫ

1. Чтобы вскрыть основополагающую структуру человеческих знаний, нужно расчленить их на технологические (императивные) и декларативные. Подобное расчленение мы склонны рассматривать как генеральное деление знаний.

2. Ценность технологических (императивных) знаний состоит в том, что они теснейшим образом связаны с одним из наиболее фундаментальных понятий социально-гуманитарных наук — деятельностью.

3. Технологические (императивные) знания выявляют, закрепляют в сознании и объективируют структуру деятельности.

4. Важным свойством деятельности является существование глубинных логических инвариантов (структурных конструкций), выражаемых с помощью понятия “абстрактная дракон-схема”.

5. Традиционные способы описания деятельности не позволяют выявить глубинные инварианты; последние оказываются замаскированными, скрытыми, спрятанными от читателя. Это обстоятельство затрудняет перенос знаний и навыков, играющий важную роль в образовании и практической жизни.

6. Техноязык как особое средство, специально созданное для описания структуры деятельности, позволяет выявить и обнажить логические инварианты деятельности, сделать их явными, зримыми, доступными для всех людей.

7. Формализация знаний — труд, производительность которого играет важную роль (см. гл. 3). Если этот труд слишком сложен (производительность труда мала), то формализацию могут выполнять только специально подготовленные элитные специалисты; при таких условиях автоформализация практически невозможна. И наоборот, если данный труд удается облегчить, формализация становится посильной почти для каждого — только в этом случае создаются необходимые предпосылки для автоформализации.

8. Техноязык ДРАКОН кардинальным образом облегчает труд формализации и повышает его производительность. Следовательно, техно­язык пригоден для эффективной автоформализации технологических знаний.

9. Целесообразно создать единый межотраслевой стандарт для описания структуры деятельности. Стандарт должен опираться на техно­язык ДРАКОН, рассматриваемый как единое средство для описания структуры деятельности методом автоформализации технологических знаний.

10. Описание структуры деятельности и результаты формализации технологических знаний целесообразно хранить в компьютерной форме (в виде библиотек визуального гипертекста), а также в виде бумажных визуальных альбомов подходящего формата (например, формата А3).

Г Л А В А 14

Визуальный дракон-редактор

Овладение техникой визуализации научно-техни­ческой информации, умение представить ее в виде ясного и простого рисунка имеют большое значение.

Валерий Венда

ЗАЧЕМ НУЖЕН ДРАКОН-РЕДАКТОР?

Разумеется, в случае крайней нужды дракон-схему можно нарисовать и вручную. Однако это не лучший способ. Гораздо удобнее воспользоваться специальной программой, которая называется “ДРАКОН-редак­тор”. Если же нужно создать ДРАКОН-программу, ручное рисование вообще исключается. Без ДРАКОН-редактора ввести ДРАКОН-программу в компьютер невозможно.

В состав редактора входит меню графоэлементов (рис. 114). Чтобы нарисовать дракон-схему, пользователь сначала вызывает меню на экран персонального компьютера, а затем с его помощью рисует или, как говорят, конструирует дракон-схему. При этом важную роль играют так называемые заготовки.

ЗАГОТОВКА-ПРИМИТИВ И ЗАГОТОВКА-СИЛУЭТ

Чтобы вырастить огромное дерево, нужно бросить в землю маленькое семечко. Любая сколько угодно сложная дракон-схема тоже вырастает из “семечка”, которое называется заготовкой. Заготовки бывают двух сортов: одна используется для построения дракон-схемы “примитив”, из другой получается силуэт (рис. 115).

Вообще говоря, обе заготовки следовало бы поместить в меню. Однако в целях экономии применяется следующий прием: в меню находится только одна из них — заготовка-силуэт (рис. 114, вверху слева), а заготовка-примитив получается из нее в результате простой операции, описание которой мы для краткости опускаем.

Построение любой дракон-схемы выполняется за конечное число шагов путем соответствующих преобразований выбранной заготовки.