Человеко-машинный интерфейскак важнейший компонент архитектурыперспективных эргатическихсистем управления

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Кибернетика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Н. В. Корнеев, А. М. Минитаева
Человеко-машинный интерфейс как важнейший компонент архитектуры перспективных эргатических систем управления
Аннотация: в статье дается описание проблемы эксплуатации эргатических систем управления (ЭСУ), где важнейшим компонентом архитектуры перспективных ЭСУ является человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), в максимальной степени учитывающий человеческий фактор — психологические, физиологические и анатомические аспекты человеко-машинного взаимодействия с учетом всего комплекса решаемых функциональных задач.
Ключевые слова: человеко-машинный интерфейс, эргатические системы управления, искусственный интеллект, вычислительные системы.
Современный этап развития автоматизированных систем характеризуется более широким применением интеллектуальных компьютерных технологий в процессах обработки информации, принятия решений и управления. Проблематика применения встроенного компьютерного интеллекта открывает новое направление научных исследований в области автоматизации ЭСУ. Развитие данного направления предполагает кардинальные изменения функциональной структуры процессов управления, создание необходимой теоретической базы для постановки и решения конкретных научно-технических задач. Одна из закономерностей научно-технического прогресса — ускоренное возрастание сложности и масштабов технических систем, степени их влияния на техносферу. Проблема их эффективности и безопасной эксплуатации приобретает первостепенное значение и не может решаться вне сферы автоматизации, в которой исключительно важную роль играют эргатические системы управления (ЭСУ). К данному классу систем относятся автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления в производственной сфере, управляеме человеком системы дистанционного управления манипуляционными роботами, радиолокационными станциями, системы телеуправления в ручном режиме и др.
Функционирование современных ЭСУ протекает в динамичной и потенциально опасной внешней среде, в условиях жестких требований к правильности и качеству принимаемых оперативных решений, что закономерно порождает негативные факторы для человека-оператора (ЧО) — сенсорные, эмоциональные и интеллектуальные перегрузки. В связи с этим одна из важнейших проблем разработки высокоэффективных ЭСУ заключается в оптимальном распределении функций между ЧО и техническими средствами с учетом психофизиологических возможностей человека.
В простых случаях машина обеспечивает ЧО информацией о реальной обстановке и осуществляет трансформацию его действий в сигналы управления исполнительными механизмами. Для многих видов ЭСУ основными являются ручной и полуавтоматический режимы управления. При этом предъявляются высокие требования к операторам: к их сенсомоторным реакциям, тренированности и координации движений, способности мгновенно ориентироваться и принимать решения в критических ситуациях и автоматически выполнять эти решения. На более высоких уровнях автоматизации ЭСУ компьютер замещает человека при выполнении ряда функций. Наиболее гибкое взаимодействие человека и машины обеспечивается в адаптивных ЭСУ.
Корнеев Николай Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры информационная безопасность и программной инженерии, заместитель декана факультета информационных технологий РГСУ.
Базовое образование: инженерный факультет Тольяттинского государственного университета.
Тема докторской диссертации: «Методы прогнозирования и снижения вибрации гибких систем турбоагрегатов».
Основные публикации: «Принципы построения современных технических систем с элементами искусственного интеллекта» (2008), «Интеллектуальная система управления транспортным средством с учетом личностных особенностей водителя» (2008), «Концепция разработки и создания интеллектуальных человеко-машинных систем управления на транспорте» (2009).
Сфера научных интересов: автоматические системы управления в энергетике, управляющие информационные и телекоммуникационные системы, системы управления с использованием искусственного интеллекта, управление социальными системами. e-mail: niccyper@mail. ru
Свойство адаптации ЭСУ заключается в приспособлении к изменяющимся условиям работы как внутри самой системы, так и по отношению к внешней среде, в изменении режима функционирования в соответствии с новыми условиями. В адаптивных эргатических системах осуществляется не жесткое, а гибкое распределение информационно-управляющих функций между человеком и машиной.
До недавнего времени свойство адаптации эргатических систем реализовалось благодаря приспособительным возможностям человека, гибкости и пластичности его поведения, возможности его изменения в зависимости от конкретной обстановки. В настоящее время на повестку дня ставится вопрос о реализации машинных механизмов адаптации средствами компьютерного интеллекта: интеллектуальная информационно-управляющая среда ЭСУ должна изменять свои параметры и функции в зависимости от текущего конкретного психофизиологического состояния человека и показателей эффективности его деятельности.
Интеллектуальная поддержка деятельности оператора ЭСУ реализуется компьютерными технологиями. Здесь могут быть использованы различные инструменты искусственного интеллекта, включая экспертные технологии. Такие системы являются системами реального времени с динамической базой знаний, которая может наращиваться в процессе функционирования ЭСУ. Экспертная система в режиме консультации выдает оператору необходимые советы и подсказки.
Однако машина не может конкурировать с человеком в слабоструктурированных ситуациях, поэтому в сложной и изменчивой среде функционирования ЭСУ оператор неизбежно будет являться ведущим звеном в управляющем тандеме «человек — компьютер». Одних лишь сенсомоторных и психофизических кондиций и навыков оператора недостаточно для эффективного управления — необходимо также учитывать и использовать его интеллектуальные ресурсы. Поэтому эволюционирование ЭСУ неизбежно будет основываться на принципах гибридного интеллекта [1] - симбиотической интеграции функциональностей искусственного (компьютера) и естественного (оператора) интеллектов.
Важнейшим компонентом архитектуры перспективных ЭСУ является человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), в максимальной степени учитывающий человеческий фактор — психологические, физиологические и анатомические аспекты человеко-машинного взаимодействия с учетом всего комплекса решаемых функциональных задач.
Процесс управления должен осуществляться на основе информационной модели объекта и окружающей среды, формируемой в основном за счет средств отображения информации. Однако существуют границы операторских возможностей, за которыми восприятие информации ЧО и его действия затруднены или становятся невозможными [1−3], вследствие чего необходимо рассматривать проблему ЧМИ через фильтр ограничений. ЧМИ должен обеспечивать оптимальный информационный баланс и не приводить к таким нежелательным явлениям, как дефицит или излишек информации.
Он должен осуществлять адаптивную фильтрацию информационных потоков: в зону внимания ЧО должна вводится только лишь релевантная оперативная информация, отвечающая текущей цели управления.
Современные ЧМИ включают компьютерный пользовательский интерфейс. С увеличением сложности операторской работы возрастают требования к функциональным и эргономическим аспектам пользовательского интерфейса. Многообразие всех этих требований возможно учесть лишь на пути создания интеллектуального многомодального интерфейса. Многомодальный интерфейс естествен для межчеловеческого общения. Человек сам выбирает какой канал для передачи какого типа информации ему наиболее удобно использовать в данный момент. Многомодальные интерфейсы могут параллельно обрабатывать несколько потоков информации. Различные формы вывода визуальной и звуковой информации обеспечивают устойчивый интерактивный диалог с пользователем [3]. Современный диалоговый интерфейс организуется с применением речевого интерфейса, компьютерных технологий 3D-визуализации и виртуальной реальности.
Интеллектуализация интерфейса направлена на обеспечение гибкого и адаптивного взаимодействия оператора с компьютером, управление активностью и формами ведения диалога. В его функцию входит также обеспечение диалога на ограниченном естественном языке. Считается, что естественный интерфейс между человеком и компьютером будет достигнут тогда, когда они смогут говорить друг с другом.
Основным информационным каналом для оператора является визуальный. В связи с этим самого при-
Минитаева Алина Мажитовна, кандидат технических наук, доцент кафедры информационная безопасность и программной инженерии РГСУ.
Базовое образование: механический факультет Омского государственного университета путей сообщения.
Тема кандидатской диссертации: «Разработка программных модулей для автоматизации проектирования токарных переходов на основе декомпозиции движений, выраженных векторными функциями в параметрах станочных систем».
Основные публикации: «Применение программных продуктов ERP-систем при преподавании экономических и управленческих дисциплин» (2011), «Разработка метода экологического мониторинга транспортных двигателей» (2011), «Задачи организации человеко-машинного интерфейса с учетом интеллектуализации взаимодействия человека и вычислительного комплекса» (2012).
Сфера научных интересов: математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей. e-mail: aminitaeva@mail. ru
стального внимания для понимания процессов человеко-машинного взаимодействия заслуживает концепция экологической оптики, разработанная Гибсоном (J. J. Gibson) [5].
Голосовой интерфейс является наиболее естественным и простым способом взаимодействия человека с компьютером [1−4]. Он дополняет (а в ряде случаев исключает) зрительный канал передачи информации, разгружая нервную систему ЧО. Базовые функции голосовых сервисов: командное управление и информирование о состоянии системы и внешней среды, подтверждение выполнения команд, выдача инструкций-подсказок. Голосовой интерфейс играет важную роль в обеспечении безопасности эргатиче-ской системы: голосовые сообщения дают возможность адекватно воспринимать информацию и принимать правильные решения в критических ситуациях.
Агентные технологии открывают новые перспективы решения проблемы конструирования интеллектуального интерфейса. Интерфейсные агенты создают единую интегрированную коммуникационную среду, обеспечивают гибкость интерфейсу — адаптируемость структуры и сценария развития диалога применительно к выполняемому заданию и текущим процессам ввода-вывода информации.
Формирование грамматики диалога должно основываться на онтологической модели рабочей среды ЭСУ. Интерфейсные агенты способны одновременно (параллельно) выполнить ряд задач, включая корректировку или блокировку ошибочных действий оператора, ведущих к фатальным ошибкам.
Ситуационно-целевое управление. Ситуационный подход, берущий начало от аппарата ситуационного исчисления Маккарти (J. McCarthy) и модельной теории мышления Д. А. Поспелова и В. Н. Пушкина [4], находит широкое применение в сфере организационного управления, а также в системах искусственного интеллекта.
Ситуация — конкретный набор обстоятельств, которые влияют на систему в данное конкретное время. Ситуационная модель дает формальное описание мира с помощью ситуаций, в которых предстоит действовать ЭСУ. В модели учитываются те динамические факторы в структуре объекта и внешнего мира, которые действительно влияют на последующее развитие ситуаций.
Классическое ситуационное управление подчиняется двухступенчатой схеме «ситуация — действие». Алгоритм управления явно не задается, а реализуется на ситуационной сети, под которой понимается ориентированный взвешенный граф переходов по эталонным ситуациям, определяемый исходной и целевой ситуациями. Дуги графа отражают смену ситуаций и вызывающие ее информационно-управляющие процессы.
Компьютерная поддержка работы оператора требует разработки формальной модели функционирования ЭСУ. Деятельность Ч О носит сознательный характер — оператор осознает цель своих действий в каждой конкретной ситуации, способы достижения цели и предвидит результат. Следовательно, для описания работы оператора сложной эргатической системы необходимо применять четырехступенчатую схему «ситуация — цель — план — действия». Поскольку каждая ситуация порождает определенную локальную цель действий, то в итоге глобальная цель функционирования ЭСУ достигается посредством отработки перманентно возникающих локальных целей.
Компьютеризация процесса ситуационно-целевого управления сводится к решению цепочки следующих задач: 1) мониторинг ситуаций- 2) генерация локальной цели- 3) формирование оперативного плана действий- 4) выполнение запланированных действий. В рамках агентного подхода ситуационно-целевое управление воплощается двухуровневой иерархической структурой: каждая из выделенных функциональных задач делегируется соответствующему агенту исполнителю, а действия последних координируются вышестоящим агентом. В данную группу агентов включаются также интерфейсные агенты, реализующие интерактивную оболочку ситуационно-целевого подхода.
В рассмотренной цепи эргатических функций «ситуация — цель — план — действия» крайне проблематичным оказывается механизм оперативного планирования действий. Такое планирование должно предписывать выполнение последовательности операций над изменением состояния системы «машина — среда» в текущей ситуации и должно учитывать особенность психологии ЧО: восприятие им рабочей среды, структуру информационных и мыслительных процессов. Таким образом, здесь налицо весьма специфический тип планирования, которое предлагается интерпретировать как сценарное планирование. Под сценарием понимается упорядоченная последовательность сцен. Сцена определяется стереотипной ситуацией, сложившейся вследствие наступления некоторого набора событий, и действиями в данной ситуации. Сценарий разворачивается в процессе функционирования системы.
Сценарное планирование заключается в разработке альтернативных сценариев будущего и создании на их основе гибких долгосрочных планов действий. Все альтернативные сценарии формируются на основе исследования окружающей среды на наличие предопределенных элементов и ключевых неопределенностей, и комбинировании исходов последних. Сценарное планирование рассматривает все сценарии как одинаково возможные в будущем. Сценарный подход придает гибкость стратегиям управления, помогает сократить время реагирования на изменение ситуаций.
Приведенные формулировки понятий сценария и сценарного планирования близки по смыслу к тем,
которые используются в когнитивной психологии [1] и, в частности, когнитивной теории сценариев Шенка С. Schank) и Абельсона Р. АЬеЬоп). Сценарное планирование также является одним из наиболее эффективных системных инструментов стратегического менеджмента, которые позволяет хозяйствующим субъектам управлять неопределенностью будущего [5]. Сценарные модели, по сути, являются одним из способов представления знаний [3]. Следовательно, те агенты, на которые возлагаются функции сценарного планирования, по своему интеллектуальному уровню должны относиться к так называемому классу когнитивных агентов [2].
Необходимость исследования интеллектуальных систем при их функционировании в реальном мире привело к постановке задачи создания интегральных роботов. Проведение таких работ можно считать вторым этапом исследований по исскуственному интеллекту.
Эта структура состоит из трех комплексов вычислительных средств (см. рис. 1). Первый комплекс представляет собой совокупность средств, выполняющих программы (исполнительную систему), спроектированных с позиций эффективного решения задач, имеет в ряде случаев проблемную ориентацию. Второй комплекс — совокупность средств интеллектуального интерфейса, имеющих гибкую структуру, которая обеспечивает возможность адаптации в широком спектре интересов конечных пользователей. Третьим комплексом средств, с помощью которых организуется взаимодействие первых двух, является база знаний, обеспечивающая использование вычислительными средствами первых двух комплексов целостной и независимой от обрабатывающих программ системы знаний о проблемной среде.
Рис. 1. Структура трех комплексов вычислительных средств
Исполнительная система (ИС) объединяет всю совокупность средств, обеспечивающих выполнение сформированной программы. Интеллектуальный интерфейс — система программных и аппаратных средств, обеспечивающих для конечного пользователя использование компьютера для решения задач, которые возникают в среде его профессиональной деятельности либо без посредников либо с незначительной их помощью. База знаний (БЗ) — занимает центральное положение по отношению к остальным компонентам вычислительной системы в целом, через БЗ осуществляется интеграция средств вычислительных ситем (ВС), участвующих в решении задач.
В Стэнфордском исследовательском институте и некоторых других местах были разработаны экспериментальные роботы, функционирующие в лабораторных условиях. Проведение этих экспериментов показало необходимость решения кардинальных вопросов, связанных с проблемой представления знаний о среде функционирования, и одновременно недостаточную исследованность таких проблем, как зритель-
ное восприятие, построение сложных планов поведения в динамических средах, общение с роботами на естественном языке. Эти проблемы были более ясно сформулированы и поставлены перед исследователями в середине 70-х гг, связанных с началом третьего этапа исследований систем искуственного интеллекта. Его характерной чертой явилось смещение центра внимания исследователей с создания автономно функционирующих систем, самостоятельно решающих в реальной среде поставленные перед ними задачи, к созданию человеко-машинных систем, интегрирующих в единое целое интеллект человека и способности вычислительных машин (ВМ) для достижения общей цели — решение задачи, поставленной перед интегральной человеко-машинной решающей системой.
Таким образом разработка интеллектуальных систем управления вычислительных комплексов с учетом алгоритмизации взаимодействия оператора, объекта, окружающей среды и системы управления на базе современных высокопроизводительных микропроцессоров, позволит реализовать актуальные задачи организации человеко-машинного интерфейса с учетом интеллектуализации взаимодействия человека и вычислительного комплекса, построения и развития автоматизированных информационных систем организации и диагностирования психологического и физиологического обеспечения безопасности работы человека, а также создаст предпосылки для развития отечественной концепции разработки управляющих вычислительных систем с искусственным интеллектом и д. р., перспективных отечественных вычислительных машин и других комплексных, программных средств.
Литература:
1. Венда В. Ф. Системы гибридного интеллекта: эволюция, психология, информатика. — М.: Изд-во Машиностроение, 1990.
2. Городецкий В. И., Грушинский М. С., Хабалов А. В. Многоагентные системы. Журнал «Новости искусственного интеллекта», № 2. — 1998. — С. 64−116.
3. Корнеев Н. В. Интеллектуальная система управления транспортным средством с учетом личностных особенностей водителя. Журнал «Техника машиностроения», 2008, № 3. — С. 54−57.
4. Корнеев Н. В. Концепция разработки и создания интеллектуальных человеко-машинных систем управления на транспорте. — Журнал «Машиностроитель», 2009, № 12. — С. 37−40.
5. Корнеев Н. В. Принципы разработки и создания интеллектуальных систем управления на транспорте с учетом алгоритмизации взаимодействия оператора, объекта, окружающей среды и системы управления на базе современных высокопроизводительных микропроцессоров. — Журнал «Ученые записки РГСУ», № 9, 2011. — Ч. I. — С. 211−215.
6. Макаров И. М. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления. — М.: Изд-во Наука, 2006.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой