3
Эргономические аспекты синтеза систем отображения внешней обстановки оператору при дистанционном управлении автономными мобильными роботами
Сыркин Леонид Давидович
доктор психологических наук, кандидат медицинских наук
профессор, кафедра медицинской психологии, Государственный социально-гуманитарный университет
Усов Виталий Михайлович
доктор медицинских наук
ведущий научный сотрудник, Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина
Аннотация
Авторы подробно рассматривают аспекты человеко-машинного взаимодействия оператора с группой автономных мобильных роботов, в частности оптимизированных с эргономических позиций способов отображения человеку-оператору информации для принятия решений в режиме дистанционного контроля. Исследуются эргономические аспекты применения режимов визуализации, облегчающих восприятие и перекодирование навигационной обстановки для оперативного «включения» оператора в управление в супервизорном режиме при выявлении в ходе визуального контроля коллизий автономных мобильных роботов. Исследованы базовые подходы к построению средств деятельности с опорой на теоретические взгляды о системе регуляции деятельности оператора с учетом профессий, близких по содержанию выполняемой деятельности. Методология исследования объединяет методы эргономики, системного анализа, инженерной психологии, психологии труда, проектирования человеко-машинных интерфейсов. Основными результатом проведенного исследования является эргономическая характеристика средств деятельности операторов в процессе динамического наблюдения перемещений мобильных роботов в зоне контроля с учетом имеющихся разработок для близких аналогов профессий, а также приоритетные направления проработки человеко-машинного интерфейса систем коммуникации оператора с одним или группой автономных мобильных роботов.
Ключевые слова: эргономика, психология труда, человеко-машинный интерфейс, инженерно-психологическое проектирование, индикация внешней обстановки, автономный мобильный робот, человеко-машинное взаимодействие, психофизиология, эргономическая экспертиза, психологическое проектирование
The authors of the research focuse on the aspects of human-computer interaction between an operator and a group of autonomous mobile robots, in particular, optimized ergonomic ways of displaying information to a human operator in the decision-making process in the remote control mode. The authors study ergonomic aspects of imaging modes used to facilitate perception and transcoding to navigation for a quick inclusiong of an operator into the management in the supervisory mode in case there is interference with autonomous mobile robots determined in the course of the visual control. The authors analyze basic approaches to arranging activity means relying on theoretical views regarding regulation of the activities of the system operator taking into account occupations with similar activities. The research methodology combines ergonomics methods, systems analysis, engineering psychology, labour psychology, and design of human-machine interfaces. The main result of the research is the ergonomic description of activity means used by operators in the course of case monitoring over mobile robots in a given control zone taking into account available developments for similar professions as well as description of the priority areas for developing HMI operator communication systems with an autonomous mobile robot or a group of autonomous mobile robots.
Keywords:
ergonomics, labour psychology, man-machine interface, engineering-psychological design, external environment indication, autonomous mobile robot, man-machine interaction, ergonomic expertise, psychophysiology, psychological design
оператор робот информация человек машина
Введение
В настоящее время активно ведутся исследовательские и проектные работы в области робототехники, включая создание роботов-помощников (роботов-ассистентов). Этот вид предназначен для широкого использования в операциях, выполняемых на основе точных навигационных данных о конкретной территориальной области, наличии удобных маршрутов для передвижения.
Данные, необходимые для уточнения карт поверхности, могут быть получены на основе выполнения операций разведки и патрулирования территории группой автономных мобильных роботов (АМР), оснащенных бортовым оборудованием для локального позиционирования и навигации [1-6].
Во многих задачах принципиально важным положением является требование постоянного контроля человеком-оператором (ЧО) активности АМР. Этот контроль должен осуществляться преимущественно в дистанционном режиме, и при этом необходимо предусматривать средства обеспечения ЧО визуальной обратной связью на основе индикации телеметрических данных с борта АМР для своевременного обнаружения и разрешения возможных коллизий. Объективные трудности принятия ЧО решений в условиях информационных ограничений, задержек получения информации об активности группы АМР требуют специальных исследований в области человеко-машинного интерфейса.
Сегодня у специалистов нет единого подхода к построению управления группой роботов, и в этом аспекте актуально изучение роли человека в этом процессе при решении специфичных и ответственных задач.
Проявление повышенного интереса к применению групп роботов различного назначения связано с тем, что такие группы, как правило, обладают значительными преимуществами по сравнению с одиночными роботами (в смысле общей производительности и экономии времени). Появление АМР порождает новые вопросы к общеметодологическим проблемам исследования эргатических систем, поскольку очевидна необходимость совершенствовать человеко-машинный интерфейс при возрастающих интеллектуальных возможностях искусственных агентов [7-9].
Стремление достичь максимально возможной автономности интеллектуальных агентов в тех областях, где они более эффективно, чем ЧО, выполняют специализированные трудовые операции, составляет один из трендов современной робототехники, систем искусственного интеллекта и информатики. Однако с позиций накопленного авиационной и космической эргономикой опыта необходимо проявлять разумную осмотрительность в новых областях применения АМР и детально прояснять принципиальный вопрос: каким образом и с помощью какого инструментария ЧО может контролировать активность АМР, какие средства необходимы для его информационного обеспечения.
Дальнейшее изложение подчинено цели получить психологическое описание средств деятельности оператора, контролирующего применение АМР, и на этой основе осуществить поиск средств информационной поддержки ЧО в дистанционном режиме контроля группы АМР при решении задач позиционирования и навигации.
Задачи изучения средств деятельности операторов, взаимодействующих с группой роботов
Одной из первоочередных задач психологического изучения средств деятельности ЧО, позволяющих осуществлять взаимодействия ЧО с группой роботов является определение состава данных, которые должны быть доступны ЧО при дистанционном контроле активности АМР.
В проведенном исследовании в качестве основного результата целенаправленной активности группы АМР, осуществляемой под контролем ЧО, рассматривалось построение постоянно обновляемой модели цифровой карты (МЦК), на основе которой в дальнейшем может создаваться и развиваться транспортная инфраструктура.
Задачу инженерно-психологического описания средств деятельности оператора при контроле активности АМР необходимо рассматривать в свете существующих вариантов визуализации ЦКМ на электронном индикаторе (ЭИ) и других видах приборов. Основой для использования ЦКМ при контроле ЧО активности АМР является преобразование к должному (воспринимаемому) виду телеметрических данных с борта АМР.
Понимание состава данных позиционирования, передаваемых для индикации ЧО, дает изучение типового оснащения АМР на основе ряда современных технических средств. При дальнейшем изложении предполагается, что позиционирование способны осуществлять сами интеллектуальные АМР, используя бортовые сенсоры, системы компьютерного зрения, дальнометрические приборы и прочее «бортовое оборудование», а производную, интегрированную от полученного состава данных картину получает ЧО через каналы телеметрии на рабочем месте, осуществляя при необходимости обратную связь на АРМ через диспетчерский пункт посредством выдачи команд в наиболее естественной форме командных предписаний [10-16].
Полученное предварительное описание информационного контента, служащего предметом коммуникации ЧО и группы АМР для информирования ЧО о текущем позиционировании АМР и одновременно является основой инструментария подготовки принятия решений ЧО, дает основание подвести промежуточные итоги. В дистанционном режиме ЧО получает от группы АМР динамически меняющуюся картину передвижения мобильных активных агентов в сложной внешней среде, в которой помимо естественных препятствий движению находятся искусственные конструкции инфраструктуры, и все эти данные формируются на основе телеметрической информации, передаваемой от АРМ. Эта оперативная информация в конечном итоге кумулируется и обобщается в МЦК, обновляемой по мере поступления новых данных. Для того, чтобы на основе этой информации ЧО мог вести ориентирование в пространстве, он должен быть способен определённым образом мысленно позиционировать себя либо в координатах «внешнего наблюдателя» («вид со стороны» на динамическую картину с мобильными объектами, например на навигационном ЭИ), либо позиционировать себя в систему координат, связанной с одним из мобильных объектов, наблюдать непосредственное окружение на обзорном ЭИ и вести контроль возможных коллизий с объектами, находящимися на разном удалении от наблюдателя. Можно констатировать, что в каждом из этих вариантов речь идет об образных представлениях ЧО, которые базируются на визуальном восприятии и перекодировании информации МЦК при том или ином способе ее отображения на ЭИ. Однако, в том случае, когда ЧО занимает позицию «вид со стороны» его деятельность, на наш взгляд, в большей степени напоминает работу диспетчера УВД, а при наблюдении рабочего окружения, визуализируемого в «эго-центрической» системе координат на подвижном объекте можно найти сходство с работой штурмана летательного аппарата (ЛА). Таким образом, можно принять рабочую гипотезу о том, что в качестве аналогов для психологического описания новых средств деятельности оператора при разведке и патрулировании лунной территории с помощью группы АМР можно рассматривать профессии штурмана ЛА, диспетчера УВД, а в отношении контроля работоспособности бортовых систем АМР - бортинженера.
Мы не предполагали детально рассмотреть особенности перехода в супервизорный режим управления АМР и функции оператора, дистанционно управляющего мобильным роботом, так как это другой аспект изучаемой проблемы, который требует самостоятельного изучения [17].
К настоящему времени в авиации накоплен огромный опыт построения бортовых систем отображения информации (СОИ), а в ходе инженерно-психологических экспериментов определены и сформулированы основные принципы, которые принимаются во внимание при разработке ЭИ [18].
В свою очередь, эти подходы базируются на достижениях теоретической мысли отечественных авиационных психологов, которые сформулировали концепцию «образа полёта», как разновидности концептуальной модели, конкретизированной к особенностям летного труда, подтвердили ее в ряде натурных экспериментов и предложили конструктивные решения в области повышения безопасности полёта на основе учёта ограничений человеческого фактора [19].
В литературе отмечается, что, несмотря на многообразие подходов к проблеме отображения информации на бортовых ЭИ, можно выделить два основных варианта предъявления информации. Первый - «находит выражение в попытках сформировать картинный вид окружающего пространства, подобный тем визуальным картинам, которые мог бы наблюдать человек при прямом визуальном контакте». Второй ориентирован на «преимущественное представление полетной инструментальной информации в символической форме в виде шкал и индексов».
Сегодня, по-видимому, можно говорить только о предварительном рассмотрении вопроса выбора способа индикации, так как на этапе априорного описания средств деятельности многие детали просто невозможно предусмотреть и учесть. Тем не менее, есть основания полагать, что на практике будут использованы разработки многофункциональных цифровых индикаторов (МФЦИ), применяемые в современной авионике [18, 20, 21].
Наиболее значимые для организации человеко-машинного взаимодействия события в случае контроля активности группы АМР происходят на психологическом уровне восприятия ЧО обстановки и построения обобщенного «навигационного образа», как составной части «образа полета», который обеспечивает принятие решений [19, 22].
Эти вопросы составляют существо дальнейшего изложения, поскольку до настоящего времени указанные вопросы в достаточной степени не исследованы. При анализе состояния вопросы необходимо обращаться к опыту решения подобных проблем в смежных областях операторской деятельности, наиболее близкие из которых по составу и содержанию операторских задач и средств операторской деятельности были отмечены выше.
Базовый подход к психологической характеристике средств деятельности операторов в режиме контроля позиционирования мобильного робота
В связи с тем, что сегодня можно только в гипотетическом плане судить о предстоящих задачах оператора в отношении тех перцептивных и мыслительных действий, которые он будет осуществлять, взаимодействуя с группой АМР, возможным способом аналитического исследования является сопоставление с существующими профессиями. В числе наилучших кандидатов на эту роль, на наш взгляд, могут рассматриваться профессии штурмана высокоскоростного самолета (вертолета), особенно при движении в группе, и диспетчера различных транспортных систем, в первую очередь, системы управления воздушным движением (УВД). На этой основе могут быть проанализированы те средства деятельности, которые служат целям формирования навигационного образа и ведению навигации в сложной среде.
Психологическаясущность профессий диспетчера и штурманаисследовалась рядом отечественных ученых, хотя наибольшая активность таких работ пришлась на период развития реактивной авиации в 70-90 гг. [9, 23, 24], затем существенно снизилась в силу известных исторических и социально-экономических причин деградации многих отечественных высокотехнологичных областей и, соответственно, снижения активности ведения связанных с ними инженерно-психологических разработок.
Социальный заказ на эти работы был в свое время сформирован возрастающими требованиями по обеспечению безопасности полетов, в частности, в отношении предотвращения ошибок ориентирования ЧО [24-26]. Эти работы выполнены применительно к анализу психологического содержания штурманского труда.
Выборвкачестве аналогов профессий штурмана и диспетчера УВД связан, в первую очередь, с тем, что эти специалисты в своей работе при принятии решений опираются на три главных источника данных: карты местности, оперативно поступающие сведения о перемещениях мобильных средств, ментальные и образные представления самого ЧО о ситуации на основе ранее усвоенного опыта (обучения). В каждой конкретной специальности имеются значимые особенности, особенно, в части пространственно-временных ограничений деятельности, срочности выполнения действий, постоянствасостава контролируемых мобильных агентов, взаимодействия с другими членами рабочего коллектива (дежурной смены, экипажа и пр.), но в главном - в психологическом содержании образной регуляции деятельности и выраженном аналитически-расчетном компоненте умственных действий с опорой на работу с картографическими данными, на наш взгляд, они имеют большую общность, что позволяет использовать результаты изучения этих профессий для анализа средств деятельности ЧО, решающего задачи дистанционного контроля АМР.