ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ДЛЯ СИСТЕМ ИСПЫТАНИЯ СЛОЖНЫХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Гучук В.В.

Институт проблем управления РАН


Номер: 12-1
Год: 2014
Страницы: 46-51
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

испытуемый объект, человек-оператор, визуализация, адекватное восприятие, информация, нештатная ситуация, examinee object, person operator, visualization adequate perception, information, emergency

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В процессе испытании сложных научно-технических изделий человек-оператор должен иметь полное представление о состоянии испытуемого объекта. Это огромный объем быстроменяющихся данных. В то же время надо обеспечить возможность адекватного восприятия представленной информации для принятия осознанных и эффективных управляющих действий, чтобы предотвратить возникновение аварийных ситуаций. Предлагаются конкретные решения обозначенной проблемы. Приводится пример использования этих решений.

Текст научной статьи

В комплексе мер по предотвращению возникновения нештатных и аварийных ситуаций при создании высоконадежных интерактивных систем управления испытаниями сложных научно-технических объектов, особое место занимает организация полноценного участия человека-оператора в процессе прогнозирования неблагополучного развития управленческой ситуации. Это особенно актуально в связи с отсутствием достаточной статистики и неполным представлением о свойствах испытуемых изделий. Необходимо обеспечить эффективное участие человека-оператора в процессе мониторинга и управления за счет такой визуализации, которая дает достаточно полное (валидное, компетентное) представление о текущем состоянии управляемого объекта, и в то же время позволяет человеку-оператору адекватно воспринимать представленную информацию и принимать осознанные и правильные действия. Работа является развитием ранее предложенных конкретных решений этой проблемы [1]. Особенности визуализации для обеспечения интерактивного режима Недопущение скатывания протекающих процессов в испытуемых изделиях в сторону необратимой нештатной ситуации осложнено особенностями перспективных научно-технических объектов [2], в первую очередь их малой изученностью, а также разнородностью большого числа характеризующих их параметров. Одно из решений в общем русле проблематики - такое представление данных, которое достаточно полно, но без излишнего нагромождения, отображает конкретную возникшую ситуацию и помогает человеку-оператору оперативно осуществлять обоснованные и эффективные решения в контексте возникшей ситуации. Назовем технология, реализующую такого рода представление, ситуационно-контекстной визуализацией (СКВ), или ситуационно-контекстным представлением контролируемых параметров. Основной смысл такой визуализации в том, что наблюдаемые параметры отображаются в обрамлении определяющих показателей, которые являются базовыми для оценки скатывания к нештатной ситуации, в том числе главным ориентиром для системы аварийной защиты. При этом для каждой конкретной ситуации в “базовой” зоне визуализации (т.е. в достаточно компактной области экрана, наиболее комфортной для визуального восприятия) формируется свой конгломерат параметров, включающий в себя актуальный на данный момент времени набор контекстных параметров (параметров, напрямую связанных с обнаруженным явлением существенного отклонения от нормативного или штатного функционирования системы) и фиксированный набор постоянно предъявляемых параметров. Возможен также выбор типа или способа представления параметров, наиболее отвечающего текущей задаче описания создавшейся ситуации [3]. СКВ дополняет совмещение нескольких наблюдаемых параметров идеологией ситуационно-ориентированных интерфейсов. Визуальное наблюдение за отдельными параметрами происходит на фоне содержательного представления ситуации в целом. Для обустройства интерактивного режима работы это имеет важнейшее значение, потому что алгоритмы анализа не в полной мере отработаны из-за отсутствия достаточной статистики, а человеку-оператору необходима уверенность, что ситуация находится под контролем и есть время для анализа происходящего, да и такая визуализация позволяет легче обнаружить влияние того или иного параметра на весь процесс управления. Рис. 1 иллюстрирует вариант такой визуализации, в которой основной первичный визуальный анализ заключается в оценке отклонения от нормативного значения (ООНЗ) определенных параметров. Рис. 1. Пример ситуационно-контекстной визуализации На рисунке: штриховые горизонтали - границы предусмотренных вариаций параметра, сплошные - границы предельно допустимых вариаций, штриховая вертикаль - момент смены контекста, а - потенциальный уровень нештатной опасности Lped; б - развертка во времени постоянно наблюдаемых параметров (на рис. показан один параметр); в - развертки во времени ситуационно-контекстных наблюдаемых параметров (показан один параметр), набор которых конкретен для каждой конкретной ситуации (до смены контекста человеку-оператору предъявляется набор ситуационно-контекстных параметров B1, а после смены - B2). Опыт эксплуатации сложных интерактивных систем с опасными и вредными условиями функционирования показывает, что человек-оператор инстинктивно при любых, даже незначительных, отклонениях в работе системы, первым делом оценивает состояние жизненно важных параметров, возможно напрямую и не связанных с обнаруженными ООНЗ, но сигнализирующих о наличии или отсутствии угрозы для жизни, в том числе для самого оператора [4]. Такие параметры конечно коррелируют с потенциальным уровнем нештатной опасности, но в определенных случаях целесообразно непосредственно представлять и их в базовой зоне. Потенциальный уровень нештатной опасности Lped можно записать в виде: Здесь Li - локальный уровень нештатной опасности (например, нормированная величина отклонение от стандартного значения) в узле, подсистеме или фрагменте системы, Ki - вес (вклад локального уровня нештатной опасности в общее состояние системы). Более эргономичным представляется использование нескольких дискретных потенциальных уровней, 3-7 в зависимости от конкретной реализации. В представленной зависимости отображена гипотетическая структура формирования общей оценки. В частном случае нештатная ситуация может явиться порождением сочетания двух и более факторов. Такие случаи еще более сложны для обустройства анализа. Самым разумным и действенным является конструирование показателей с использованием объективизированных экспертных оценок [5]. Такие оценки, в частности, используются при разработке алгоритмов диагностики и прогнозирования в сложных системах. Переход от одного к другому визуализационному набору осуществляется в соответствии с идеологией СКВ, и должен происходить с некоторым опережением по сравнению с моментом явного проявления конкретной нештатности, для чего целесообразно использовать технологию упреждающей критериальной адаптации [6]. Также необходимо экспериментальным путем находить разумный вышеупомянутый компромисс - нельзя перегружать поле зрения несущественными деталями, но представляемая информация должна достаточно полно отражать текущую ситуацию (при этом не всегда заранее можно оценить “несущественность” информации). Необходимо также обеспечить возможность быстрого доступа к любым параметрам системы, но не позволить человеку-оператору утонуть в их многообразии. Необходимо обеспечить возможность оперативного вмешательства человека в текущий процесс, но блокировать любые его действия, которые могут привести к необратимым негативным последствиям (еще один труднодостижимый компромисс, просто решаемый на последних стадиях развития нештатной ситуации, когда автоматика должна полностью отключать ручное управление и запускать алгоритмы выхода из нештатного состояния [3]). Эффект от применения предлагаемой визуализации демонстрирует рис. 2, на котором представлены этапы деятельности человека-оператора по локализации обнаруженного негативного явления. Представленная схема является упрощенной. В реалии последовательность действий может быть иной, могут отсутствовать определенные этапы, могут осуществляться и другие действия, однако рисунок позволяет оценить потенциал СКВ как бы в количественном разрезе. Рис. 2. Этапы деятельности человека-оператора без использования СКВ (а) и с ее использованием (б). В скобках - время, необходимое для выполнения этапа При использовании СКВ: - взгляд оператора не покидает “базовую” зону визуализации для оценки жизненно важных параметров (они в этой же зоне) и, поэтому T22 < T12. Выигрыш по времени невелик, но при работе в условиях жесткого лимита времени может оказаться полезным; - отсутствует поиск контекстных параметров (они в “базовой” зоне) и поэтому экономится время T13; - оценка локальной ситуации происходит быстрее (T24 < T14), т.к. контекстные параметры собраны вместе; - от оператора не требуется оценка общего состояния - экономится время T15; - принятие решения по реакции на ООНЗ может быть более обоснованным. Что касается времени на поиск причины возникновения ООНЗ T26, то для его сокращения предлагается использовать технологию, описываемую в следующем разделе. Визуальная поддержка логического анализа Из-за наличия неопределенностей и неполного представления о свойствах новых научно-технических объектов, человек-оператор в процессе их испытания должен оценить характер и особенности проявленных процессов, обнаружить взаимосвязь различных групп параметров и влияние значения отдельных параметров или их сочетания на скатывание системы к нештатным режимам, оценить устойчивость и управляемость системы в целом и т.д. Все это происходит в условиях жесткого лимита времени в рамках выработанного плана испытаний. Успешному решению этих задач может способствовать организация и визуальная поддержка встречного логико-иерархического анализа ситуации. На верхнем уровне (гипотетическом, огрубленном) - оценивается связь макроявления (например, значение базового, определяющего показателя) с наиболее вероятными порождающими причинами. Далее - подтверждение на более низком уровне каждого из выбранных вариантов потенциально возможными причинами, например, происходящими процессами в подсистемах, описанных измеряемыми параметрами. На нижнем уровне - выделение по измеряемым параметрам не совсем нормативно протекающих процессов в подсистемах, а на более высоком уровне проверка влияния этих процессов на смежные (непосредственно связанные) подсистемы и далее определение возможного участия всего предыдущего в наблюдаемом макроявлении. Структурная схема предлагаемого инструментария представлена на рис. 3. Рис. 3. Пример визуальной поддержки встречного логико-иерархического анализа На рисунке: степень затемнения прямоугольника в каждом элементе схемы (который будем именовать пиктограммой) соответствует степени отступления от нормы соответствующего элемента. Толщина связующих линий - степень актуальности этой связи. Номер перед точкой - номер уровня в иерархии, а после точки - порядковый номер на данном уровне. Для человека-оператора также отображаются наименования пиктограмм - процессов, узлов, явлений и т.д. и используется более широкий ассортимент средств, включая числовые данные, цветовые метки и т.п. При нисходящем анализе (I), т.е. при переходе от вышележащего уровня вниз, осуществляется “поиск причин”. В противном случае (II) производится “обнаружение последствий”. Анализируемая иерархия может быть функциональной (например, по выполняемым функциям с подчиненными связями) или построенной на основе причинно-следственных связей разной степени интегрированности, или композиционно-декомпозиционной с упорядочиванием типа “система - подсистема - блок - субблок…”. При анализе “сверху” осуществляется поиск причины произошедшего системного события, а при анализе “снизу” производится попытка обнаружения последствий локальных нарушений. Использование одновременного двунаправленного иерархического построения анализа производится с целью обеспечить более успешную диагностику системы. Если произошла “встреча” анализа “сверху” и анализа “снизу”, то получается однозначное решение, и оно достаточно обоснованное. Если “встречи” не произошло, необходим содержательный н неформальный перекрестный анализ, который может осуществить только человек. Возможно использование нескольких визуализированных структур для разных типов описания системы [2]. Известным инструментом визуальной поддержки для оперативного оценивания ситуации человеком-оператором являются мнемосхемы [7]. Свойства и особенности мнемосхем целесообразно использовать при организации визуальной поддержки встречного логико-иерархического анализа. Ведь в определенном смысле изображение, представленное на рис. 3, можно назвать “каузальной мнемосхемой”, которая как бы расширяет класс (или семейство) обычных мнемосхем. Мнемосхема - это визуализированная информационная модель процесса или системы, оформленная в виде структуры символов, отображающих элементы системы (или процесса) с их взаимными связями. Она - источник информации о текущем состоянии системы, характере и структуре протекающих в ней процессов, в том числе связанных с нарушением технологических режимов, нештатными ситуациями и т.п. Мнемосхемы помогают оператору, работающему в условиях большого количества поступающей информации, облегчить процесс информационного поиска, подчинив его определенной логике, порождаемой реальными связями параметров исследуемого объекта. В основу построения мнемосхем положен ряд принципов, выработанных в процессе многолетней практики их применения: - лаконичность, обобщение и унификация, автономность, структурность, использование привычных ассоциаций и стереотипов. Эти принципы должны по возможности использоваться и при создании каузальных мнемосхем, поскольку на последние возлагаются весьма сходные задачи. Заключение В работе затронуто несколько определяющих аспектов обустройства человеко-машинного интерфейса для систем испытания сложных научно-технических объектов. Предложена ситуационно-контекстная визуализация (СКВ), которая позволяет повысить эффективность работы человека-оператора и облегчает ему процесс принятия решений. Приведен пример такой визуализации. Описана организация визуальной поддержки логического анализа ситуации человеком-оператором и приведен пример, иллюстрирующий такую поддержку. Перечислены основные принципы, которыми следует руководствоваться для создания такой поддержки. Отдельные предложенные решения были использованы при разработке конкретной системы для испытания [8].

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.