science-review.ru
Биотехнические системы (БТС) приспособлены для решения прикладных задач в двух назначениях, которые определяются положением в них человека. В первом из них человек выполняет роль управляющего звена, т. е. выполняет функции человека-оператора (ЧО) и от его действий зависит работа всего технического комплекса [1, 2, 3], а во втором – он сам может выступать в роли объекта познания/управления [4,5]; эту функцию определим как функцию человека-пациента (ЧП). В первом варианте такие системы используются для реализации интересов человека при решении им же поставленных задач, например, на производстве, при выполнении научных исследований, обработке информации, развлечениях и других, а во втором – БТС призваны оценивать и поддерживать его здоровье как в обычных условиях, так и во время выполнения им трудовой деятельности.
В статье рассмотрены возможные варианты подключения к человеку технических комплексов (ТК), формирующих совместно с ним биотехнические системы. Для этого используются специализированные каналы взаимосвязи, при разработке которых необходимо учитывать особенности трёх взаимодействующих подсистем – человека, рабочей среды и технических устройств. В зависимости от задач, которые решает человек, структуры этих каналов различаются, а от качества их выполнения зависит эффективность работы всей биотехнической системы в целом.
Человеческий фактор в управлении техническими системами
Не всякую техническую (искусственную) систему, находящуюся под управлением человека, следует относить к биотехнической в полной мере, как непосредственно управляемую человеком. Известны автоматические технические комплексы, которые вообще работают без участия человека в соответствии с вложенными в них программами, однако эти программы и сами автоматические комплексы разработаны и изготовлены человеком. Следовательно, несмотря на различные целевые функции, к биотехническим в равной степени следует отнести все известные на сегодня системы разного назначения; все существующие технические комплексы отражают представления человека об их устройстве, назначении, качестве работы и эксплуатационных характеристиках.
Совокупность свойств человека, влияющих на эффективность функционирования технических систем, объединяется под общим термином “человеческий фактор”, который всегда присутствует в любых изделиях, созданных человеческим разумом. И так будет всегда, так как живой объект с другими свойствами и характеристиками имел бы вокруг себя иные устройства и системы, приспособленные к этим свойствам и характеристикам. Следовательно, все, что делает человек, создавая различные технические изделия, подчинены его интересам и отражают его свойства, как разработчика, изготовителя или пользователя(не обязательно того, кто создавал конкретное техническое устройство). Такие изделия отражаются присущие человеку свойства, в них используется интеллектуальный потенциал и опыт подобных разработок не одного человека, а опыт и знания всего человечества. Поэтому так важна задача изучения особенностей организма и поведения человека для дальнейшего совершенствования его технического окружения.
Для оценки степени включения человека в процесс достижения целей, ради которых создаётся БТС, в [1, 2] введено представление об “уровне биотехничности”, характеризующем степень приспособления технических средств к человеку. Тогда за “нулевой” уровень следует принять такой, при котором они и организация работы с ними вообще не рассчитаны на участие человека в трудовом процессе, или они созданы без его участии. Однако на сегодня трудно представить работающие технические системы, с которыми человек вообще не был бы связан. В реальных условиях жизни на Земле искусственных систем с нулевым уровнем биотехничности вообще нет, но степень участия человека в процесс управления этими средствами может быть разной, что и учитывает этот показатель для той или иной биотехнической системе. Количественно определить этот показатель пока не представляется возможным, но в то же время качественные оценки приспособленности технической части БТС к человеку, который ею пользуется, вполне возможны и даже целесообразны, так как позволяют выявить недостатки и предложить пути совершенствования этих систем.
Включение человека непосредственно в процесс управления техническим комплексом, когда с ним связана работа всего комплекса, возможно только за счёт повышения уровня биотехничности. Для этого необходимо включить дополнительные технологические операции, позволяющие согласовать характеристики человека с параметрами технических блоков, входящих в БТС, они и определяют техническую часть биотехнической системы, а в сложных случаях необходим ещё целый ряд дополнительных приёмов повышения надёжности работы человека [ ]. Кроме того, на качество работы человека влияют изменения состояния рабочей среде (РС), параметры которой оказывают значительное влияние на трудовой процесс. Поэтому контроль состояния среды и поддержка оптимальных рабочих условий, а также текущий контроль состояния человека, на каком бы месте в БТС он не находился, позволяет повысить качество и эффективность выполнения поставленной задачи.
Положение человека на месте управляющего звена, т. е. выполняющего функции человека-оператора (ЧО), хорошо изучено в технической литературе [см., например, 1, 4, 5], к которым следует отнести:
– пользователя, когда его функции сводятся к включению-выключению техники и настройке её параметров к решаемой задаче;
– эксперта, оценивающего в целом качество работы технических средств и уровень подготовки обслуживающего персонала;
– управленца, определяющего программу работы всего технического комплекса в реальном времени с учётом всех факторов, от которых зависит работа комплекса.
На этом месте человек осуществляет трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с объектами управления (или исследования) не непосредственно, а через технические средства, которые с одной стороны формируют для него информационные модели объекта управления, а с другой – помогают передавать его решения в исполнительные устройства. В различных научных и практических изданиях представлены разнообразные способы и методы повышения эффективности работы человека на месте ЧО, при этом для его успешной работы необходимо выполнить преобразования:
– формы входных воздействий на ЧО, так как информация ему должна быть представлена в присущих ему сенсорных модальностях (в основном это зрение, слух, тактильные ощущения);
– специальные преобразования решений ЧО в виде командных сигналов, с помощью которых человек может изменять программы обработки информации или непосредственно управлять блоками управления состоянием человека-пациента.
В качестве объекта управления в БТС могут быть включены различные объекты, в том числе и сам человек как человек-пациент (ЧП), который в этом варианте становится предметом профессионального интереса для ЧО. На этом месте к нему подключается БИП, с помощью которых определяются параметры его текущее состояние, и, при необходимости, технические средства управления (ТСУ), оказывающие лечебное или корректирующие воздействия. Примерами такого положения могут быть:
– посетитель лечебно-профилактического учреждения при выполнении профилактических, диагностических, лечебных или реабилитационных мероприятий;
– кандидат на занятие определённого места в трудовом процессе, когда к нему предъявляются особые требования по психическим и психофизиологическим характеристикам или определяется его профессиональная пригодность к конкретной профессии;
– обучающийся при проверке уровня подготовки и овладения профессиональными навыками, оценке уровня готовности к выполнению конкретной работы, особенно в экстремальных условиях, когда к здоровью человека предъявляются повышенные требования.
Этот список примеров можно продолжать, потому что проблема оценки состояния здоровья человека и определение его личностных характеристик возникает в разных прикладных задачах, справиться с которыми может только он сам. Для этого варианта подключения технических средств к человеку преобразование состояния ЧП в информационную модель состояния происходит в соответствии с записью:
(2)
в которой (СЧП)БИП – состояние ЧП, оценённое на основании показаний блок измерительные преобразователи (БИП), (ИМОУ)ЧО – информационная модель ОУ, представленная ЧО на устройстве воспроизведения.
Чтобы получить от ЧП полную информацию о его состоянии и управлять этим состоянием, необходимо учитывать ещё два преобразования:
– информации о состоянии человека, которая содержится в параметрах разнообразных физических полях, сопровождающих жизнедеятельность организма человека;
– решений ЧО в непосредственное воздействие, на которое будет реагировать ЧП.
Эта задача также хорошо известна и обсуждена в доступной литературе [ ], а основные проблемы исследования и управления состоянием ЧП связаны с требованиями обеспечения безопасности здоровью человека как при выполнении исследований, так и при оказании лечебных и корректирующих воздействий.
Техническая часть биотехнической системы
При анализе структуры БТС, особенно, когда человек-оператор управляет сложным техническим комплексом, содержащим большое число различных устройств и блоков, трудно отделить в ней техническую часть, необходимую для организации работы человека и всегда присутствующую независимо от типа объекта управления (ОУ). В общем случае при решении любой задачи с помощью БТС нельзя обойтись без блока измерительных преобразователей (БИПЧП), подключённого к объекту управления, системы отображения информации (СОИЧО) для представления человеку-оператору информации о состояния ОУ, блока управления (БУЧП) состоянием этого объекта, включающего пульт управления (ПУЧО) и генераторы воздействий (ГВБУ), а также без системы обработки информации и формирования команд (СОИФК).
Все такие блоки представлены на рис. 1 для варианта БТС, в котором в качестве объекта управления выступает ЧП. Подстрочные индексы при обозначениях разных блоков для ЧП и ЧО отражают связь этих блоков с конкретным положением человека в БТС.
Перечисленные узлы должны быть в определённой степени универсальными, т.е. присутствовать в различных биотехнических системах, хотя их конкретное содержание может изменяться. Выделенные блоки вместе и образуют техническую часть БТС (ТЧБТС). Для того чтобы вся биотехническая система в целом смогла эффективно выполнять своё назначение, каждый из входящих в ТЧБТС блоков должен результативно выполнять вполне определённые функции.
Рис. 1. Техническая часть БТС
На рискнке 1, кроме этих узлов, которые необходимы для выполнения главной её задачи, предусмотрены блоки, связанные с непосредственным подключением к человеку технических устройств, причём для разных положений человека преобразования, выполняемые этими блоками, различаются.
Два отмеченных узла: оконечные устройства блока управления (ОУБУ) и первичные цепи измерительных преобразователей (ПЦИП) необходимы для подключения к человеку-пациенту средств оценки и управления его состоянием. Они отражены на рис. 1 в пунктирных прямоугольниках, которые расположены внутри соответственно блоков БИПЧП и БУЧП.
Два других два узла: устройство воспроизведения в составе СОИ(УВСОИ) и клавиатура пульта управления (КлПУ) охватывают ЧО для обеспечения его работы; они отражены в пунктирных прямоугольниках в блоках УВСОИ и ПУЧО.
Без отмеченных технических узлов включить человека в структуру БТС невозможно, а при разработке таких узлов должна учитываться характеристики сенсорных и эффекторных модальностей человека, используемых для выполнения им работы. Эти узлы и входят в состав каналов связи человека и технических узлов [ ]; эти каналы на рис.1 обведены пунктирными линиями с широкими штрихами.
Широкие стрелки в этих каналах подчёркивают, что преобразования, происходящие внутри их различны.
Структура информационных преобразований, выполняемых в технической части БТС
Легко убедиться в том, что все преобразования, выполняемые в ТЧБТС, связаны с преобразованиями осведомительной или командной информации кроме этапа формирования управляющих воздействий. В качестве таких воздействий можно включать физические и другие факторы, позволяющие управлять состоянием объекта управления; но и здесь известны методы информационного воздействия, которые приводят к изменению состояния ЧП [ ]. Условная запись всех преобразований в цепи «ЧП ⇔ ЧО» приведена на рис. 2.
Рис. 2. Условная запись преобразований в цепи ЧП ⇔ ЧО
Состояние человека-пациента СЧП передаёт совокупность электрических сигналов {ЭС}БИП измерительных преобразователей, включённых в состав БИП. После их обработки в СОИФК формируется информационная модель (ИМЧП) этого состояния в виде множества показателей, которые с помощью системы отображения информации СОИ представляется на устройстве воспроизведения УВИМ в виде визуального изображения (JИМ).По этим изображениям ЧО формирует множество суждений {FЧП}ЧО (концептуальных моделей [ ]) о состоянии ЧП. Такие оценки в значительной степени зависят от подготовки ЧО к принятию решений, поэтому в обозначение введены два дополнительных идентификатора. Принимаемые суждения содержат и знания о выбранных командах для блоков воздействия.
Свои решения в виде командных сигналов {КС}ПУ ЧО через устройство ввода команд ВКПУ(чаще всего это клавиатура, рассчитанная на его моторную деятельность человека) пульта управления ПУ должен передать в блоки управления состоянием ЧП. У ЧО есть два способа управления состоянием ЧП: непосредственное управление (команды {FКЧП}) и управление через изменение параметров рабочей средой (команды {FКРС}). Командные сигналы {КСЧП} и {КСРС}передаются через пульт управления состоянием человека-пациента ПУ в блоки воздействия БВЧП и БВРС. Управляющие воздействия ψЧП и ψРС изменяют состояние ЧП в нужном направлении. В записи на рис. 2 стрелками обозначено направление развития процесса, причём тонкие стрелки определяют технические этапы преобразований, а широкие – преобразования, связанные непосредственно с ЧП и ЧО.
На рис. 2 представлена вся последовательность преобразований от оценки текущего состояния человека-пациента СЧП до подведения воздействий {ψ}ЧП, создаваемых на основании принятых человеком-оператором решений, и отражены два пути подведения воздействий к ОУ: с помощью прямого воздействия на ЧП – поток воздействий {ψЧП} и воздействия на него через изменения параметров рабочей среды – поток воздействий {ψРС}, поэтому:
{ψ}ЧП = {ψЧП} + {ψРС}. (1)
Анализ состояния и непосредственное управление состоянием ОУ самим человеком-оператором возможно только в очень частных задачах, а включить человека в структуру БТС в любом его положениях (так в качестве ЧО, так и как ЧП) напрямую тоже невозможно. Качественный характер и низкая точность дифференцирования человеком различных свойств внешних по отношению к нему объектов, ограниченность модальностей физических носителей информации, на которые может реагировать человек, затруднения при объективном учёте влияний рабочей среды (РС) на состояние управляемого объекта и ряд других факторов определяют низкий уровень организации непосредственного управления. Здесь в понятие «рабочая среда» включается всё внешнее окружение БТС, которое может повлиять на её работу.
Каналы связи человека с техническими средствами
Работа ЧО представляется наиболее затратной по отношению к использованию ресурсов организма человека, так как он несёт полную ответственность за выполнение поставленной задачи и от его состояния и знаний в значительной степени зависит качество работы БТС в целом. Для оптимизации работы ЧО требуется тщательная проработка всех сторон взаимодействия человека с ТК. От этого зависит ясное понимание человеком в реальном времени поставленной перед ним задачи, состояния объекта управления и рабочей среды, в которой он работает, ясное представление о собственном состоянии здоровья. От этих знаний в конечном счёте зависит успешность решения всей задачи в полном объёме.
На рис. 1 приведены только обязательные технические блоки БТС, а блоки УВЧО, ПЧО и ПЦОУ, ОУГВ позволяют частично реализовать проблему сочетания положительных качеств биологических и технических элементов при компенсации их недостатков, если при их проектировании учитываются свойства входящих в них разнородных элементов. Кроме этого, очень часто принимаемые решения зависят от состояния окружающей (рабочей РС) среды, поэтому и параметры среды целесообразно отображать на УОИЧО, для чего необходимо также предусматривать специальные технические средства.
В литературе имеется большое количество изданий, посвящённых сравнению возможностей человека и современных технических средств (см., например, [2], [7], и др.). Во всех этих изданиях подчёркивается мысль о том, что человек имеет существенные преимущества перед техническими системами, которые не позволяют исключить его из процесса управления. Но и технические средства за счёт скорости, точности и качества выполнения многочисленных операций превосходят человека. Вот здесь и возникает проблема в сочетании положительных качествах этих подсистем.
Отмеченные каналы связи не исчерпывают все необходимые узлы, которые требуется учитывать при оценке эффективности биотехнической системы, поэтому на рис. 3 представлена развёрнутая структура БТС. “Стержнем”, системообразующим фактором любой биотехнической системы исследований или управления является взаимодействующая пара элементов “
”, в этой записи отражён факт, что такой контакт осуществляется через рабочую среду. В развёрнутой структуре сохранены естественные связи, не соединённые с техническими узлами, и показаны новые связи и технические блоки, позволяющие повысить эффективность системы в целом.
Чтобы разобраться в структуре БТС, целесообразно выделить в этой структуре две ветки, разделяемые линией (линия АБ на рис. 3), одна из которых (верхняя) связана с получением и обработкой информации о характеристиках ЧП, а другая (нижняя) – с разработкой решений по управлению состоянием ЧП и осуществления этого управления. Целесообразно также отдельно выделить связи между техническими блоками БТС (тонкие стрелки на рис. 3) и связи этих блоков с ЧП и ЧО (широкие стрелки на рис. 3).
Для получения измерительной информации необходим переход от качественной оценки свойств ЧП к количественной характеристике его параметров, к объективизации процесса постановки диагноза. Для этого в верхней части БТС предусматриваются технические средства оценки состояния (ТСОС), которые обрабатывают сигналы с блока измерительных преобразователей (БИП), подключённых к ЧП через первичные цепи преобразователей (ПЦЧП). Диагностическая информация уже может быть представлена в виде множества цифровых показателей и записей процессов, на основании анализа которых базируется заключение ЧО о состоянии ЧП.
Далее существует две возможности: первая связана с оценкой, которую делает ЧО, для чего вся информация после обработки в ТСОС представляется на устройствах воспроизведения УВ1ЧО, а вторая связана с её передачей в технические средства программной обработки информации и формирования команд СОИФК. Разработка автоматизированных информационных систем освобождает ЧО от рутинной работы по обработке информации, а в ряде случаев позволяет решать задачи распознавания образов с целью поиска информативных признаков, классификации, прогнозирования по заранее составленным программам обработки. Такие системы могут формировать решения по воздействию на ЧП даже независимо от человека, хотя и под его контролем.
Одной из тенденций применения вычислительной техники при анализе осведомительной количественной информации является интерактивный режим обработки; в этом режиме человек сам формирует программу обработки в реальном масштабе времени [ ]. Для управления СОИФК со стороны ЧО в системе предусматривается дополнительный канал связи КС2ЧО, включающий устройство воспроизведения УВ2ЧО и клавиатураКл2ЧО (например, экран монитора и клавиатура компьютера).
Рис. 3. Каналы взаимодействия в БТС
Инструментальные средства управляемых воздействий включены во вторую часть структуры БТС, в которую введены технические средства непосредственного управления состоянием ЧП (средства управления – СУЧП), и средства опосредованного управления его состоянием через управление параметрами рабочей среды (СУРС ) путём изменения её характеристик. Часто такие системы должны не только оценивать параметры среды (первичные цепи ПЦРС измерительных преобразователей) в замкнутых объёмах пребывания ЧП, но и содержать технические средства изменения этих параметров (генераторы воздействий ГРРС) в соответствии с применяемой технологией управления. Первая часть этих средств – СУЧП – использует физические или информационные методы воздействия на ЧП через генератор воздействия ГВОП. Вторая их часть – СУРС – изменяет физические параметры РС (например, температуру, влажность, давление, кислородосодержащие и т. п.) через генератор ГРРС. Параметры РС поступают на ТСОС, а затем могут быть представлены вместе с другими характеристиками на УВ1ЧО для информирования человека-оператора или быть переданными в СОИФК, где производится их обработка и учёт при принятии решений.
Таким образом, в структуре БТС в общем случае предусматриваются четыре канала связи, охватывающие ОУ, ЧО (два канала) и РС (рис. 4), через которую также можно управлять состоянием ЧП. Все отмеченные каналы обеспечивают оптимальное включение этих элементов в БТС и служат для выполнения всех функций по управлению всей системой.
Сложность систем, для которых невозможно заранее составить жёсткую программу управления, предугадать весь ход эксперимента, работа в условиях, когда могут возникнуть непредвиденные ситуации, требующие быстрой смены программы работы, затрудняют работу ЧО. В таких условиях он уже становится звеном, ограничивающим надёжность функционирования всей системы в целом, поэтому человек сам становится элементом, состояние которого контролируется и управляется с помощью специальных технических средств нормализации состояния (ТСНСЧО) [ ]. На рис. 2 этот канал подключён к ЧО (широкая пунктирная стрелка на рис. 2), но не раскрыт полностью; он содержит измерительные преобразователи и средства воздействия для оценки и для поддержания рабочего состояния человека-оператора такого же типа, как и рассмотренные выше, но значительно более простые, так как детальная диагностика состояния ЧО в этом случае не предусматривается.
Отмеченные каналы не выполняют никаких других функций, кроме согласования языков общения технических узлов с объектами другой, биологической природы и обеспечивают целостность всей системы. В этом состоит основное отличие структур биотехнических систем от чисто технических.
В положении ЧП (рис. 4, а) для управления его состоянием используются воздействия различной физической природы [ ], при этом оконечные устройства ГВЧП – ОУЧП – должны быть приспособлены к типу воздействия. Ответом на такое воздействие может быть два: один из них – это совокупность показателей состояния ЧП, регистрируемых с помощью БИП, второй выражается в параметрах поведения человека в ответ на воздействие, которые также легко зафиксировать с помощью специальных датчиков.
Рис. 4. Каналы связи для включения человека и рабочей среды в БТС
Человек-оператор в БТС (рис. 4, б) в основном занят информационной работой: анализирует поступающую через УВЧО информацию, и на основании этого принимает решения, которые дальше передаёт в виде командных сигналов через пульт управления ПУЧО в ГВ. У него есть возможность и другого способа управления состоянием ЧП – через блок СОИФК, используя УВ2ЧО и Кл2ЧО, входящие в состав этого блока. Кроме того, в структуре БТС присутствует ещё возможность управления состоянием ЧП через РС (рис. 4, г). Этот канал включает генератор воздействия ГВРС, параметры воздействия задаёт ЧО через пульт ПУ1ЧО, к которому подключается и генератор ГВЧП.
Заключение
Рассмотренные каналы связи обеспечивают подключение к человеку технических узлов разного назначения. Вместе с ним эти узлы и формируют биотехнические системы. Такие каналы сами выступают как биотехнические блоки, так как при их разработке необходимо учитывать свойства и характеристики человека и сочетаемых с ним технических элементов, Структура каналов связи разного назначения универсальная и может быть разработана независимо от назначения и функций той БТС, в которую они входят в качестве её подсистем.