Подключение к человеку технических средств в биотехнической системе
УДК
615.471: 617.7
Санкт-Петербургский
государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
ПОДКЛЮЧЕНИЕ
К ЧЕЛОВЕКУ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ В БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Попечителев Е.П.
Аннотация
Рассмотрены проблемы объединения человека и
технических устройств в единую биотехническую систему (БТС), приведены
классификация и структура каналов взаимодействия этих элементов в БТС разного
назначения. Выделено два наиболее часто встречающихся варианта: каналы для
подключения в БТС человека-пациента и каналы для включения человека-оператора
как управляющего звена БТС. Приведены примеры разных биотехнических систем в
различными каналами взаимосвязи.
Биотехническая система, объект управления,
человек-оператор, человек-пациент, технические комплексы, рабочая среда, каналы
взаимодействия, типы каналов.
Введение
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:
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:
.
в которой - 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.
На рис. 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 подключению 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 «ЧПÛЧО»
приведена на рис. 2.
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 ) и
управление через изменение параметров рабочей средой (команды ). Командные
сигналы {КСЧП} и {КСРС} передаются через пульт управления
состоянием человека-пациента ПУ в блоки воздействия БВЧП и БВРС.
Управляющие воздействия YЧП и YРС 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 {Y }ЧП, создаваемых
на основании принятых человеком-оператором решений, и отражены два пути
подведения воздействий к ОУ: с помощью прямого воздействия на ЧП - поток
воздействий {YЧП} и
воздействия на него через изменения параметров рабочей среды - поток
воздействий {YРС}, поэтому:
{Y}ЧП
= {YЧП} + {YРС}.(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. 2 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..2), 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.
2) и связи этих блоков с ЧП и ЧО (широкие стрелки на рис. 2).
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 клавиатура
Кл2ЧО (например, экран монитора и клавиатура компьютера).
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. 3), 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.
Человек-оператор в БТС (рис. 3, 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. 3, 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.
человеческий фактор биотехнический комплекс
Список литературы
1.
Попечителев Е.П. Человек в биотехнической системе: учебное пособие [Текст] /
Изд-во СПбГЭТУ, 2006. - 160 c.
.
Падерно П.И., Попечителев Е.П. Надёжность и эргономика биотехнических систем
[Текст] / Под общей редакцией проф. Е.П. Попечителева. - СПб.: ООО
“Техномедиа”, Изд-во “Элмор”. - 2007. - 264 с.
.
Основы инженерной психологии: Учебник для студентов ВУЗов / Под ред. Б. А.
Душкова. Екатеринбург: Академический Проект, 2002.
.
Попечителев Е.П. Проблемы синтеза биотехнических систем // Медтехника. - №2
(278) 2013. - c. 1-6
.
Кореневский Н.А., Попечителев Е.П. Биотехнические системы медицинского
назначения - Старый Оскол: Изд-во ТНТ, 2014. - 685 с.
.
Попечителев Е.П. Каналы взаимодействия биологических и технических звеньев в
биотехнических системах // Известия ЛЭТИ, вып.318. - 1982. - с. 14-22
.
Попечителев Е.П. Системный анализ медико-биологических исследований [Текст] /
Е.П. Попечителев. - Старый Оскол: ТНТ 2014. - с.
.
Попечителев Е.П. Технологии обучения и оценки уровня готовности к совместной
работе малых групп операторов // Вестник Костромского госуниверситета им. Н.А
Некрасова.
- Т.
15. - 2009. - с. 3-8.