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:

— 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:

.

в которой — состояние ЧП, оценённое на основании показаний блок измерительные преобразователи (БИП), (ИМ_ОУ)_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 (БИП_ЧП), подключённого к объекту управления, системы отображения информации (СОИ_ЧО) для представления человеку-оператору информации о состояния ОУ, блока управления (БУ_ЧП) состоянием этого объекта, включающего пульт управления (ПУ_ЧО) и генераторы воздействий (ГВ_БУ), 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 (ТЧ_БТС). Для того чтобы вся биотехническая система в целом смогла эффективно выполнять своё назначение, каждый из входящих в ТЧ_БТС 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 (ОУ_БУ) и первичные цепи измерительных преобразователей (ПЦ_ИП) 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 БИП_ЧП и БУ_ЧП. Два других два узла: устройство воспроизведения в составе СОИ (УВ_СОИ) и клавиатура пульта управления (Кл_ПУ) охватывают ЧО для обеспечения его работы; они отражены в пунктирных прямоугольниках в блоках УВ_СОИ и ПУ_ЧО. 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 ТЧ_БТС, 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 «ЧПЧО» приведена на рис. 2.

Состояние человека-пациента С_ЧП передаёт совокупность электрических сигналов {ЭС}_БИП измерительных преобразователей, включённых в состав БИП. После их обработки в СОИФК формируется информационная модель (ИМ _ЧП) этого состояния в виде множества показателей, которые с помощью системы отображения информации СОИ представляется на устройстве воспроизведения УВ_ИМ в виде визуального изображения (J_ИМ). По этим изображениям ЧО формирует множество суждений {F_ЧП}_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 ВК_ПУ (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 {КС_ЧП} и {КС_РС} передаются через пульт управления состоянием человека-пациента ПУ в блоки воздействия БВ_ЧП и БВ_РС. Управляющие воздействия _ЧП и _РС 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 С_ЧП до подведения воздействий { }_ЧП, создаваемых на основании принятых человеком-оператором решений, и отражены два пути подведения воздействий к ОУ: с помощью прямого воздействия на ЧП — поток воздействий {_ЧП} и воздействия на него через изменения параметров рабочей среды — поток воздействий {_РС}, поэтому:

{}_ЧП = {_ЧП} + {_РС}.(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 УВ_ЧО, П_ЧО и ПЦ_ОУ, ОУ_ГВ 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 УОИ_ЧО, 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 (ПЦ_ЧП). 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 УВ¹_ЧО, 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 КС²_ЧО, включающий устройство воспроизведения УВ²_ЧО и клавиатура Кл²_ЧО (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 — СУ_ЧП), и средства опосредованного управления его состоянием через управление параметрами рабочей среды (СУ_РС) путём изменения её характеристик. Часто такие системы должны не только оценивать параметры среды (первичные цепи ПЦ_РС измерительных преобразователей) в замкнутых объёмах пребывания ЧП, но и содержать технические средства изменения этих параметров (генераторы воздействий ГР_РС) в соответствии с применяемой технологией управления. Первая часть этих средств — СУ_ЧП — использует физические или информационные методы воздействия на ЧП через генератор воздействия ГВ_ОП. Вторая их часть — СУ_РС — изменяет физические параметры РС (например, температуру, влажность, давление, кислородосодержащие и т. п.) через генератор ГР_РС. Параметры РС поступают на ТСОС, а затем могут быть представлены вместе с другими характеристиками на УВ¹_ЧО 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 (ТСНС_ЧО). 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. 3, а) для управления его состоянием используются воздействия различной физической природы [ ], при этом оконечные устройства ГВ_ЧП — ОУ_ЧП — 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.

Человек-оператор в БТС (рис. 3, б) в основном занят информационной работой: анализирует поступающую через УВ_ЧО информацию, и на основании этого принимает решения, которые дальше передаёт в виде командных сигналов через пульт управления ПУ_ЧО в ГВ. У него есть возможность и другого способа управления состоянием ЧП — через блок СОИФК, используя УВ²_ЧО и Кл²_ЧО, 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 ГВ_РС, параметры воздействия задаёт ЧО через пульт ПУ¹_ЧО, к которому подключается и генератор ГВ_ЧП.

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.

2. 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.

3. Основы инженерной психологии: Учебник для студентов ВУЗов / Под ред. Б. А. Душкова. Екатеринбург: Академический Проект, 2002.

2. Попечителев Е. П. Проблемы синтеза биотехнических систем // Медтехника. — № 2 (278) 2013. — c. 1−6

3. Кореневский Н. А., Попечителев Е. П. Биотехнические системы медицинского назначения — Старый Оскол: Изд-во ТНТ, 2014. — 685 с.

1. Попечителев Е. П. Каналы взаимодействия биологических и технических звеньев в биотехнических системах // Известия ЛЭТИ, вып.318. — 1982. — с. 14−22

4. Попечителев Е. П. Системный анализ медико-биологических исследований [Текст] / Е. П. Попечителев. — Старый Оскол: ТНТ 2014. — с.

5. 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.