Основы эрготехнического подхода к формированию электронной образовательной среды

ОСНОВЫ  
ОСНОВЫ  

ЭРГОТЕХНИЧЕСКОГО ПОДХОДА 
ЭРГОТЕХНИЧЕСКОГО ПОДХОДА 

К ФОРМИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ 
К ФОРМИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

МОНОГРАФИЯ
МОНОГРАФИЯ

Москва 
РИОР

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ

С.О. Крамаров, В.В. Храмов,  
Е.В. Гребенюк, А.А. Бочаров

УДК 681.3.06(07) + 06 
ББК 32.844я73
         О-75

УДК 681.3.06(07) + 06 
ББК 32.844я73

Основы эрготехнического подхода к формированию электронной 
образовательной среды : коллективная монография / С.О. Крамаров, 
В.В. Храмов, Е.В. Гребенюк, А.А. Бочаров. — Москва : РИОР, 2021. — 
160 с. — (Научная мысль). — DOI: https://doi.org/10.29039/02086-9
ISBN 978-5-369-02086-9
В монографии рассмотрены проблемы анализа и синтеза электронной 
информационно-обучающей среды как эргатической системы. Рассмотрены 
вопросы создания, развития и оценки таких систем, а также 
информационное сопровождение процесса построения и применения 
искусственного интеллекта, в том числе и при защите информации. 
В монографии приводятся теоретические обоснования исследований 
информационных объектов, где раскрывается механизм построения 
математической модели учебного процесса в вузе и объясняется понимание 
системы образования как системы систем, а также информационных 
процессов, связанных с этим. Приведенные в монографии исследования 
являются основой для создания новых и эффективных 
роботизированных организационных и организационно-технических 
систем в образовании.
Монография предназначена для научных и педагогических работников, 
аспирантов, магистрантов и инженеров, специализирующихся в 
области управления образовательными направлениями, включая интеллектуально-
адаптивное управление сложными робототехническими 
системами.

ISBN 978-5-369-02086-9

© Крамаров С.О.,  
Храмов В.В.,  
Гребенюк Е.В.,  
Бочаров А.А.

О-75

А в т о р ы :
Крамаров С.О. — доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ 
«Южный федеральный университет» (Ростов-на-Дону);
Храмов В.В. — кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, 
ЧОУ ВО «Южный университет (ИУБиП)» (Ростов-на-Дону);
Гребенюк Е.В. — аспирант, БУ ВО «Сургутский государственный университет»;

Бочаров А.А. — аспирант, ЧОУ ВО «Южный университет (ИУБиП)»

Р е ц е н з е н т ы :
Соколов С.В. — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО СКФ МТУСИ 
(Ростов-на-Дону);
Тёмкин И.О. — доктор технических наук, профессор, НИТУ «МИСИС» (Москва) 

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АГС 
— антропогенные системы;

АС 
— автоматизированная система;

ВС 
— вычислительная система;

ВТ 
— вычислительная техника;

ИМ 
— информационный массив;

ИО 
— информационный объект;

ИП 
— информационное поле;

ИПИТ — инфологический подход к информационным технологиям;
ИС 
— информационная система;

ЛПР 
— лицо, принимающее решение;

ОУ 
— образовательное учреждение;

ПО 
— программное обеспечение;

ПС 
— программное средство;

РПС 
— разрушающее программное средство;

САПР — система автоматизированного проектирования;
СДО 
— система дистанционного образования;

СЗИ 
— средства защиты информации;

ТЗ 
— техническое задание;

ФП 
— функциональное преобразование;

ЭИОС — электронная информационно-обучающая среда;
ЭТС 
— эрготехническая система.

ВВЕДЕНИЕ

Информационный подход при анализе и синтезе сложных систем, 

функционирующих на основе физических эффектов и информацион-
ных технологий обработки данных, позволяет с равноправных пози-
ций рассматривать все естественные и искусственные (антропоген-
ные) системы. Это обстоятельство, безусловно, объединяет между 
собой различные области знания — от социологии до физики.

Данный подход основан на применении общих структурных меха-

низмов ориентации на человека-пользователя и на соответствии ос-
новным целям и принципам архитектуры объекта, т.е. на таком уров-
не решения информационных задач, который позволяет с позиции 
целесообразности (сообразно целям функционирования сложных 
объектов), не отвлекаясь на детали, определяемые условиями их су-
ществования, выявить (или распознать) общую информационную 
структуру объекта.

Особое место среди сложных систем занимают эргатические (эрго-

технические) системы, основными, определяющими компонентами 
которых являются люди. С учетом того, что современные эргатические 
системы (ЭТС) включают в себя искусственные, созданные человеком 
компоненты, являющиеся зачастую продуктами интеллектуального 
труда, учет влияния «человеческого фактора» становится необходи-
мостью. Такие системы характеризуются принципиальной нечеткостью, 
нелинейностью, целенаправленностью и открытостью (А.И. Губинский, 
Г.В. Дружинин, В.А. Острейковский). Следовательно, только учет фундаментальных 
законов открытых систем и анализ общесистемных 
свойств позволяет строить адекватные модели ЭТС, проводить их эффективное 
исследование и эксплуатацию.

Окружающий человека мир заполнен эргатическими системами, 

которые можно классифицировать по самым разным признакам. Каждый 
вид эргатических систем имеет свои особенности, создается 
и функционирует по своим правилам и закономерностям, реализует 
различные требования к режимам работы и эффективности. От качества 
функционирования некоторых из них может существенно зависеть 

благосостояние, здоровье и даже жизнь людей. К ним относятся эрга-
системы в Вооруженных силах, на стратегических видах транспорта, 
в ряде отраслей оборонной, атомной, химической промышленности 
и т.п., а также в сферах информационного противостояния, получивших 
в ряде научных изданий название критических. Системы требований 
и ограничений, принятые в этих эргатических электронно-информационных 
обучающих средах (ЭИОС), диктуют выбор особой мето-
дологии для их описания, анализа и синтеза.

В настоящее время общепризнано (В.А. Острейковский), что в ЭТС 

с увеличением числа элементов и связей увеличивается и число исходных 
ситуаций, приводящих к «нештатным ситуациям», авариям и катастрофам. 
Системы защиты от них сами становятся сложными системами, 
характеризующимися взаимосвязанностью, взаимозависимостью 
и иерархичностью систем регулирования и управления, 
наличием оперативного персонала в контуре управления.

Бесконечное разнообразие конкретных решений информационных 

задач может быть достаточно полно представлено таким их конечным 
набором, который получается в результате применения нескольких 
фундаментальных принципов и позволяет классифицировать и формализовать 
исследуемые информационные объекты (ИО).

В самом общем случае все системы обладают общими закономерностями, 
которые «порождают два вида процессов: а) упорядочение 
и самоорганизацию и б) дезорганизацию систем. Если эти процессы 
уравновешивают друг друга, то система становится стабильной» [1].

При этом «под самоорганизацией понимается спонтанное возникновение 
и развитие структур, а под дезорганизацией — их разрушение. 
Данное определение получило наибольшее распространение в совре-
менной научной литературе. Законы самоорганизации и дезорганиза-
ции систем изучает наука, которая называется синергетикой» [2].

В концептуальной основе синергетики лежит так называемое свой-

ство «эмерджентности», при котором у системы имеются свойства, 
отсутствующие у каждой из ее частей, взятых по отдельности [2]. «При 
этом имеется в виду, что если мы знаем свойства каждой части, то ис-
ходя только из этого знания, нам не удастся предсказать всех свойств 
системы, образованной этими частями. Однако четкого представления 
о механизме возникновения и закономерностях развития системных 
свойств до сих пор не существует. В самой синергетике высказывания 
по этой проблеме (в рамках нелинейной динамики) носят характер 
интуитивной гипотезы об особой роли аттракторов, задающих само-
организующий режим поведения» [1].

Применительно к ЭИОС этот режим способен обеспечить повы-

шение безопасности (самозащищенности) и эффективности функцио-
нирования. Комплекс свойств самоорганизации и самозащищенности 
ЭТС определяется их способностью целесообразной адаптации к из-
меняющимся условиям при нарушении нормальной эксплуатации 
и деградации самих эргасистем.

В работах И. Пригожина, И. Стингерс, Д.К. Чернавского и др. вы-

явлена фундаментальная роль флуктуаций в реализации процедур са-
моорганизации сложных систем. Эти исследования дают возможность 
сформировать единую научную основу моделирования адаптации (це-
лесообразного реконфигурирования) различных по назначению 
и структуре ЭТС и их компонентов. При этом важно обосновать и вы-
вести параметр управления адаптивностью, который должен:

 
• учитывать особенности ЭТС (цели, области применения и т.п.);

 
• «чувствовать» динамику процессов самоорганизации в ЭТС;

 
• отражать влияние разнородных факторов на функционирова-

ние ЭТС: отказов оборудования, ошибок персонала, наруше-
ния нормальной (штатной) эксплуатации.

Очевидно, что для сложных систем этот параметр необязательно 

должен быть физически измеряемым и скалярным, но может быть 
реализован в виде некоторой модели (формулы, алгоритма, таблицы, 
структуры, графа и т.д.).

Информология задач анализа проектирования средств получения, 

обработки и защиты информации может изучаться и развиваться на 
разных уровнях обобщения и детализации. В настоящей работе увяза-
ны различные ее методы при описании, трансформировании и реали-
зации (использовании) информационных объектов.

На основе анализа известных информационных теорий и предло-

женной автором концептуальной модели информационного объекта 
приведена систематизация стратегий анализа ИО, признаками кото-
рой являются организация процесса восприятия (получения, выявле-
ния и т.п.) информации при решении задач распознавания ИО и со-
ответствующие им типовые концептуальные модели. При этом про-
цесс анализа и синтеза рассматривается как общая информационная 
технология. Представление о системах получения, преобразования 
и защиты информации, предлагаемое существующие современные 
интеллектуальные технологии обработки данных позволили с единых 
позиций рассмотреть разнообразные естественные и искусственные 
информационные объекты — от системы образования до систем обе-
спечения безопасности информации.

Предметом данной монографии является совокупность методов 

и средств, последовательное использование которых обеспечивает 
формализацию информационных отношений в автоматизированных 
(в том числе и обучающих) системах, разработку на этой основе логи-
ческой и физической структур информационных объектов и их носи-
телей, выявление необходимого принципа действия и конструкции 
средств получения, целесообразного преобразования, интерпретации 
и защиты информации.

Одна из задач работы состоит в обобщении теоретических пред-

ставлений об информации и информационных объектах и создании 
комплексов ИО, включающих многие разнородные элементы, суще-
ствование которых хотя и описывается различным образом, но под-
чинено общим законам.

Применительно к стоящей в работе задаче основой теории ЭИОС 

являются три основных компонента:

1.  Представление области исследования в виде самых общих по-

нятий, определяющих общие элементы и иерархическое взаи-
модействие между ними.

2.  Методы и/или средства представления знаний об эргасистемах 

или совокупности этих знаний. К этой области относятся систе-
матизация общих формализмов, используемых в настоящее вре-
мя для представления знаний о различных структурированных 
информационных объектах, общие правила представления этих 
знаний, правила обращения с ними и правила извлечения новых 
знаний.

3.  Методология (совокупность согласованных методов), позволя-

ющая решать традиционные задачи, стоящие в теории инфор-
мационного представления объектов эргасистем и их синтеза.

Отсюда следует, что, базируясь на общей теории систем, теориях 

нечетких множеств, принятия решений, исследования операций, ис-
кусственного интеллекта и на тех возможностях, которые дает совре-
менная техника, этот подход позволяет в наименьшей степени учиты-
вать физическую природу элементов, образующих эргасистему, в го-
раздо большей степени уделяя внимание информационным 
отношениям между ними.

И хотя такая инвариантная теория ограничена тем, что не всегда 

позволяет напрямую решать какие-то практические задачи, ее эффек-
тивность приводит к тому, что изучение информационных структур 
(инфоструктур) позволяет переносить накопленные знания и методы 

из одной области в другую, тем самым ускоряя решение практических 
задач, позволяя не только выбирать наиболее рациональные правиль-
ные инфоструктуры систем, но и создавать общие методы решения 
задач в различных областях. При этом этап изучения общих свойств 
ЭТС, методы анализа и синтеза в различных сложных технических 
объектах эргасистем, выбранный при этом методологический аппа-
рат — это общее положение информологии и методов искусственного 
интеллекта, а совокупность методов — различные приемы, связанные 
с представлением и обработкой знаний по конкретным информаци-
онным объектам.

Практическое применение этих методов мыслится в сравнении 

различных структур систем, осуществлении анализа, представлении 
общих методов решения задач синтеза, определении стратегии синте-
за и создании определенной базы некоторой общей теории построения 
систем анализа (синтеза) сложных объектов.

Для демонстрации основных результатов работы, выводов и пред-

лагаемых направлений их использования специально выбраны такие 
разнородные объекты и процессы, которыми являются синтез ЭТС 
получения информации, анализ и синтез компонентов систем под-
держки образовательного процесса, а также создание и анализ сугубо 
информационных объектов, которыми являются программные сред-
ства защиты информации (СЗИ). При этом необходимо отметить, что 
звенья ЭС, в которых явно присутствует человек (эргаматы) характер-
ны для первых двух типов систем. В СЗИ же человек в большей степе-
ни присутствует через продукты его интеллектуального труда — про-
граммные средства.

Таким образом, предметом исследования являются как сами ин-

формационные объекты, о которых говорилось, так и информацион-
ная технология анализа и синтеза этих объектов, т.е. те общие правила 
и закономерности, по которым, рационально опираясь на современ-
ные возможности техники, можно создавать соответствующие ЭТС 
в интересах самых различных областей.

Анализируемые системы, таким образом, систематизированы 

и определяются при дальнейшем рассмотрении не по типам элемен-
тов, из которых они образуются как элементы отдельных преобразо-
ваний (конструктивные элементы, элементы модулей программ и т.д.), 
а по типу информационных отношений, связывающих эти элементы. 
Такой переход, с одной стороны, позволяет представлять в общем ва-
риантном виде более широкие классы информационных элементов, 
с другой — этот же подход позволяет выделить тот тип операций, ко-

торый возможен над формальными информационными структурами, 
представляющими теорию этих элементов. Такой подход позволяет 
перечислить то множество операций, которые возможны над элемен-
тами, образующими объекты, что закладывает базу для формального 
решения задач синтеза компонентов эргасистем.

Предметная область, исследуемый объект являются упорядоченной 

парой множеств. Первый элемент этой пары — это тип элементов 
(атомов), осуществляющий функциональное преобразование, либо 
тип, представляющий практическую конструктивную реализацию 
того, что осуществляет это функциональное преобразование. Второй 
элемент пары — это та структура отношений, которая между ними 
установлена. Отношения между ними могут быть трех типов. Пер-
вый — между ними нет никаких отношений, т.е. они представляют 
собой список, перечень; второй — если они связаны последователь-
ным или параллельным соединением по некоторой потоковой систе-
ме; третий — когда они представляют собой иерархическую систему 
отношений первого или второго типа.

Предлагаемый в данной работе информологический подход к тех-

нологии создания сложных объектов основан на применении общих 
структурных и информационных механизмов представления исследу-
емого объекта, набора операций, осуществляемых на этих формализ-
мах, и методов сравнения альтернатив. Делается акцент на использо-
вании внутрисистемных свойств самоорганизации (самозащищенно-
сти, саморегулирования и т.п.), приводящих либо к исключению 
«нештатных» ситуаций, либо к ослаблению их последствий, что дела-
ет данные исследования особенно актуальными для современных от-
ечественных ЭИОС.

В монографии обсуждается проблема теоретического обоснования 

единых методов информационного моделирования и процесса анали-
за и синтеза физических и информационных объектов, что может рас-
сматриваться как попытка построения основных положений и прин-
ципов теории анализа и синтеза.

При написании работы были выделены основные цели:

 
• обоснование определяющей роли информационного воздей-

ствия внешней среды в процессах целенаправленного образо-
вания и поддержания структур для ЭИОС;

 
• «создание общей концепции самоорганизации и стабилизации 

эргасистем, включающей качественное и количественное опи-
сание универсальных закономерностей возникновения систем-
ных свойств» [1]. 

Для достижения этих целей решались следующие основные задачи:

 
• выбор понятийного аппарата информационных объектов (ИО);

 
• классификация эргасистем как сложных информационных 

объектов;

 
• систематизация задач анализа и синтеза ИО на основе обоб-

щенной модели информационного обеспечения и набора тре-
буемых операций;

 
• разработка обобщенной иерархической модели представления 

исследуемого информационного объекта;

 
• разработка моделей информационного обеспечения и методи-

ки применения аппарата искусственного интеллекта для разра-
ботки схем анализа и синтеза компонентов эргасистем;

 
• исследование различных методик и систематизация приемов 

анализа и синтеза ИО;

 
• исследование критериев сравнения методик комплексной 

оценки свойств ИО;

 
• исследование и разработка процедуры планирования задачи 

исследования ИО;

 
• разработка схемы универсального анализатора свойств (УАС) 

и структуры ИО и создание на этой основе программного маке-
та интеллектуальной системы обнаружения закладок в PC;

 
• исследование возможности обобщения предложенной схемы 

УАС ПС и распространения ее на информационные объекты 
других типов;

 
• создание информационных критериев эффективности реше-

ния задач анализа и синтеза ИО.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использо-

вались теория множеств, теория графов, теория и методы исследова-
ния операций, объектно-ориентированное и логическое программи-
рование, современный информационный анализ, методы искусствен-
ного интеллекта и представления знаний [3].

На основании разработанных теоретических положений создан и ре-

ализован в виде отдельных функционально связанных подсистем (про-
грамм) макет анализатора информационных объектов — программных 
средств, позволяющий оценивать агрессивность ПС и наличие в нем 
различных программных закладок, способных осуществлять разруша-
ющие программные воздействия на информационную среду вычисли-
тельных систем. Использование таких средств позволяет обнаружить 
наличие в ПО компьютера не только известные вирусы, но и другие, 
еще не изученные программные закладки, в том числе и с РПС.