Визуальная поддержка когнитивной деятельности оператора

УДК 004.5
ВИЗУАЛЬНАЯ ПОДДЕРЖКА КОГНИТИВНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАТОРА
А.Н. Анохин (anokhin@obninsk.ru)
А.С. Ивкин (tov.aries@mail.ru)
Обнинский институт атомной энергетики НИЯУ
МИФИ, Обнинск
Статья посвящена вопросам интеллектуальной поддержки
операторов атомных электростанций (АЭС). В качестве способа
поддержки рассматривается активизация образного (визуального)
мышления, позволяющая разгрузить ментальную деятельность в
целом. Выполнен обзор понятий и методов визуализации образов.
Сформулирован перечень релевантных образов для операторов
АЭС. Предложен образ для управления важным технологическим
узлом АЭС с энергоблоком РБМК-1000.
Введение
Деятельность человека, связанная с контролем и управлением
сложными техническими системами, сопряжена с высокой когнитивной
нагрузкой. Для оценки состояния системы человек должен сопоставить
большое количество параметров, извлечь из памяти эксплуатационные
пределы, выявить тенденцию и динамику событий. Принимая решение, он
должен учесть множество факторов и предугадать возможные последствия.
Вся история техники сопровождается попытками облегчить
умственный труд человека. Сначала эту роль выполняла автоматика,
взявшая на себя рутинные операции слежения и регулирования одного
или нескольких параметров. Затем появились программируемые
компьютеры, выполнявшие расчеты на основе численных математических
моделей. В начале 1950-х гг., исходя из возможностей техники того
времени, П. Фиттс сформулировал простой принцип распределения
функций между человеком и машиной: отдать человеку все то, в чем он
превосходит машину, и наоборот. Был сформирован список преимуществ
машины и человека, получивший название «список Фиттса» [Кантовиц и
др., 1991]. В дальнейшем этот список разрастался и усложнялся, однако
его основная идея оставалась без изменений: человек силен в плохо
формализованных, а компьютер – в хорошо формализованных случаях.
С появлением технологий искусственного интеллекта и развитием
когнитивных наук наметилось вовлечение компьютера в сферу
неформального мышления. И наоборот, человек, стремясь поддерживать
свою вовлеченность в процесс и во избежание монотонии, время от
времени берет на себя хорошо автоматизированные рутинные функции. В
начале 70-х гг. в противовес принципу преимущественных возможностей
появляется принцип взаимодополняемости: нужно не распределять
функции, а организовывать совместную деятельность человека и машины
так, чтобы происходило взаимное усиление их возможностей [Голиков и
др., 1996]. Взаимная адаптация человека и машины подробно рассмотрена
в монографии [Венда, 1990]. На сегодняшний день в управлении
техническими системами сложились два направления организации
совместной интеллектуальной деятельности человека и компьютера.
Первое – системы интеллектуальной поддержки оператора, основанные
на знаниях. Такие системы выполняют часть когнитивной нагрузки
человека: они самостоятельно оценивают ситуацию, принимают решение
и рекомендуют человеку совершить определенные действия. Однако в
серьезных случаях именно оператор несет всю полноту ответственности за
принимаемые решения и их последствия. Это означает, что оператор
должен либо полностью доверять системе, либо вынужден каждый раз
проверять ее решение, т.е. заново проходить весь путь ее рассуждений.
Второе направление состоит в том, что машина «ничего сама не
делает» и лишь стимулирует интеллект человека, помогая ему мыслить
быстрее и эффективней. Основная идея этого подхода состоит в том,
чтобы визуализировать ментальную модель процесса, сложившуюся у
человека. Представляемый человеку образ должен быть таким, чтобы
пробудить так называемое «визуальное» или «перцептуальное» мышление
[Арнхейм, 1994]. Известны два подхода к визуализации – когнитивная
графика и экологический интерфейс. Цель данной статьи состоит в
анализе возможностей этих подходов и в демонстрации одной из них на
примере управления технологической системой АЭС.
1. Понятие образа в когнитивных науках
Фундаментальным вопросом в исследовании образного, ассоциативного
или визуального мышлении человека является осмысление понятия
«образ» и его роли в процессе мышления. Попытки решить эту задачу
предпринимались на протяжение всего развития когнитивных наук – от
гештальтпсихологии до искусственного интеллекта. Данная работа не
претендует на новый вклад в эту сферу. Здесь лишь констатируются
существующие типологии образов, встречающиеся в публикациях.
В современной литературе, развивающей научные представления об
образах, следует упомянуть работы Ю.Р. Валькмана и Б.А. Кобринского.
В [Валькман и др., 2009] дана следующая классификация образов: 1) образ
восприятия – отражение внешнего объекта (сцены), воздействующего на
органы чувств; 2) образ представления – отражение (вспоминание)
объекта без его наличия (сенсорного контакта с ним); 3) образ
воображения – вымышленный образ, данный в представлении, но не
имеющий аналогов в реальной действительности. Валькман определяет
также четыре класса образов: правополушарные (в большей степени –
гештальты) и левополушарные (ментальные) образы; локальные образы и
образы мира внешней действительности (реальный мир) [Валькман, 2004].
Кобринский подразделяет образы на: 1) семантические (знаковые) и
2) визуальные или псевдовизуальные (мысленные). Еще одно введенное им
важное понятие: образные ряды – сходные проявления образа,
отвечающего одному понятию [Кобринский, 2012]. Трансформация образа
во времени образует временной образный ряд.
Одна из фундаментальных проблем в исследовании природы образов
состоит в том, что образ субъективен по своей природе. Даже образы,
основанные на визуальном восприятии одного и того же реального
объекта, могут быть совершенно различными у разных людей. Так
например, образ некоторого политика, певца или актера может быть
окрашен эмоциями, вследствие чего разные люди совершенно по-разному
«видят» его, даже когда речь идет о чисто внешних признаках. Попросите
влюбленного юношу описать внешность любимой девушки. Даже зная ее
внешность, вы можете не понять, о ком идет речь. А что тогда делать с
представляемыми и вымышленными образами, которых не существует в
реальной действительности? Их вариативность колоссальна.
В меньшей степени это касается образов, которые целенаправленно
формируются у человека. Так, если несколько людей обучаются по одной
программе, с помощью одних и тех же наглядных пособий, иллюстраций,
в одинаковом окружении, то есть большая вероятность, что у них
сформируются похожие образы. К числу таких образов для большинства
людей относятся образы молекул, цепной реакции, простуды и т.п.
Существенную роль в формировании образов играют устойчивые
стереотипы, например, «красный – горячий», «вправо – больше» и др.
Большинство образов являются имплицитным знанием. Тем не менее,
если мы хотим понять образное мышление, и тем более научить машину
его поддерживать, мы должны уметь описывать образы. Для реально
существующих образов самым наглядным является их графическое
представление – фотографии, рисунки. Более сложно обстоит дело с
воображаемыми или представляемыми образами (т.е. образами, с
которыми человек не имеет сенсорного контакта, либо образами, не
имеющими аналогов в реальном мире). В работе [Валькман и др., 2009]
показано, что такой образ может существовать как серия событий,
иерархическая структура, вербальная лингвистическая конструкция
(включая внутреннюю речь), сенсорное (визуальное, тактильное и др.)
представление.
Визуализация или формальное описание таких образов – непростая
задача. Даже для самых удачных примеров визуализации возникает
проблема адекватности и единства восприятия. Так, самой простой и
распространенной формой визуализации образов технических систем
являются мнемосхемы с устоявшимися мнемознаками, которыми
кодируются насосы, трубопроводы, задвижки и другое оборудование.
Однако и здесь могут возникать серьезные проблемы. Например, один из
руководителей АЭС жаловался, что операторы, видя на экране маленький
значок главного циркуляционного насоса, иногда забывают, что это
агрегат высотой в пятиэтажный дом.
2. Эволюция подходов к поддержке образного мышления
Гештальтпсихология. Родоначальником визуализации когнитивных
образов можно считать гештальтпсихологию. Основная идея, высказанная
одним из ее основателей – М. Вертгеймером, состоит в том, что восприятие
некоторого образа целиком (гештальта) не есть сумма восприятия его
деталей. Иначе говоря, существуют некие законы визуального, аудиального
и другого восприятия, «вынуждающие» человека отвлечься от деталей и
«увидеть» образ целиком. Способы обобщения воспринимаемой
информации и взгляда на нее с разных углов изложены в работе
[Вертгеймер, 1987]. Исполнителем процесса обобщения необязательно
является мышление. Так, в [Арнхейм, 1994] утверждается, что мышление
не обладает монополией на процессы различения, сравнения, обобщения и
т.п. Эти процессы свойственны элементарному восприятию.
Анализируя различные примеры представления информации,
выполненные по принципам гештальтпсихологии, можно сформулировать
следующий принцип формирования изображения: нужно конструировать
изображение так, чтобы наиболее существенная информация, которую
мы хотим сообщить пользователю, образовывала целостный образ,
воспринимаемый как гештальт. Итак, гештальтпсихология показала, что
часть мыслительных операций можно перенести на уровень восприятия.
Когнитивная графика. Первоначальная идея когнитивной графики
состояла в том, чтобы стимулировать творческую когнитивную
деятельность человека. Идеологом и популяризатором этого направления
в нашей стране является А.А. Зенкин, изложивший основную идею в
монографии [Зенкин, 1991]. В этой книге идея когнитивной графики
иллюстрируется примером визуализации монотонно возрастающей
числовой последовательности в виде периодической функции. Для этого
каждое
число
последовательности
подвергается
двойному
преобразованию – делению с остатком на произвольно подбираемое число
и формированию на его основе двоичного признака. При этом, по оси X
откладывается остаток от деления, по оси Y – неполное частное, а
двоичный признак представляется цветом (или даже звуковым тоном).
Пример действительно впечатляет, однако выбор вида преобразования
не лежит на поверхности. Иначе говоря, достижение подобной
визуализации – необычайно остроумная творческая задача, решение
которой по силам далеко не всем. Вследствие этого, идея когнитивной
графики нуждалась в «приземлении», которое выражалось бы в
накоплении реальных примеров в разных областях деятельности. Такие
примеры можно найти в медицинской диагностике [Кобринский, 1998], в
управлении сложными техническими системами [Башлыков, 2008], в
визуализации состояния контуров атомной станции в виде стилизованной
диаграммы цикла Ренкина [Beltracchi, 1987, Новоселов, 2008] и др.
Экологический интерфейс. Основы этого подхода были заложены в
работе [Vicente et al., 1992]. В ней авторы попытались решить проблему
операторского поведения, основанного на знаниях, т.е. поведения в
ситуациях, когда отсутствует заранее известный алгоритм решения
задачи. Если такой алгоритм существует, то мы всегда можем определить
последовательность использования информации и, следовательно,
спроектировать удобный операторский интерфейс. При отсутствии
алгоритма операторы должны глубоко понимать суть происходящих
процессов и самостоятельно находить выход из ситуации. Более того,
авторы сделали упор на визуальное мышление как на одну из форм поиска
решения. В этом случае очень важно показать им эту самую суть
процессов в наглядной и простой для восприятия форме.
К. Вайсент и его коллеги создали множество примеров экологического
интерфейса для управления энергетическими, химическими, авиационными
объектами, автомобилями, медицинским оборудованием и т.п. Более того,
создание экологического интерфейса сегодня уже доведено до уровня
технологии [Burns et al., 2004]. Основу этой технологии составляют:
1) методика анализа предметной области, опирающаяся на понимание
устройства объекта управления и происходящих в нем процессов;
2) алфавит визуализации технологических параметров (величин),
требующих ментальной обработки.
3. Поддержка когнитивной деятельности операторов АЭС
На основании опыта общения с персоналом можно предположить
существование у операторов АЭС следующих ментальных образов:
образы структуры и устройства станции, сформированные в
результате обучения, анализа схем, чертежей, сенсорного контакта с
оборудованием; эти образы скорее всего сочетают в себе абстрактные
представления в виде технологических схем и визуальные представления
о том, как это выглядит в машинном зале;
образы протекающих процессов, сформированные так же, как
предыдущие;
образы реального оборудования, сформированные в процессе
сенсорного контакта с ним – зрительного, тактильного и аудиального;
образы взаимосвязей (конструктивных, функциональных, причинноследственных) состояния оборудования и технологических параметров,
сформированные в результате обучения и опыта реального и
тренажерного управления;
образы состояний, ситуаций и событий, сформированные в результате
обучения;
образы ситуаций, сформированные на основании собственного опыта и
по рассказам коллег (такие образы часто имеют эмоциональную окраску);
образы развития ситуаций, представляющие собой сценарии
развертывания событий и изученные в ходе теоретической подготовки,
работы на тренажере и по собственному опыту;
образы управляющих воздействий, т.е. возможных возмущений,
внесение которых способно нужным образом воздействовать на ситуацию.
На основании анализа существующих алфавитов кодирования
информации и визуализации образов, процессов, протекающих в
оборудовании АЭС, эргономического и функционального анализа
существующего операторского интерфейса был разработан визуальный
образ барабана-сепаратора АЭС с реактором РБМК-1000 [Анохин и др.,
2012]. Особенностью этого технологического узла является его сильная
уязвимость при любых возмущениях работы энергоблока. Эта уязвимость
проявляется в колебаниях уровня воды, которые могут спровоцировать
внеплановую остановку энергоблока. Задача оператора состоит в быстрой
оценке материального баланса, выявлении причин и тенденции изменения
уровня и во введении адекватного управляющего воздействия (добавить
или убавить поток поступающей воды).
Существующий интерфейс включает в себя традиционные цифровые и
аналоговые приборы, работа с которыми требует значительных
умственных усилий по сопоставлению параметров между собой,
суммированию и вычитанию двух- и трехзначных величин, извлечению из
памяти регламентной информации о допустимых пределах. Для перевода
этих операций на уровень «визуального мышления» созданный
графический образ включает в себя следующие элементы (рис. 1):
вертикальная (как должно быть) и наклонная (как есть) линии,
позволяющие сравнить величины подачи воды и отбора пара;
накопительная полоса, суммирующая подачу воды из нескольких
источников;
Рис. 1. Графический образ для контроля за барабаном-сепаратором
уставочные линии и зоны на шкалах, облегчающие оценку выявление
факта выхода параметров за допустимые пределы.
Эти графические элементы дополняются цветовым кодированием,
графиком и прогностической кривой, информацией об имеющемся запасе
времени и информацией о состоянии регулирующих клапанов подачи
воды (не показаны на рисунке). Созданный образ реализован в виде
динамического прототипа, функционирующего на основе численной
модели. В настоящее время ведутся работы по его апробации на
полномасштабном тренажере Ленинградской АЭС.
Заключение
В настоящей статье на основе имеющихся классификаций ментальных
образов сделана попытка систематизировать образы, складывающиеся у
операторов атомных станций, а также проблемы их описания и
визуализации. Рассмотрены существующие подходы и технологии
поддержки образного мышления – гештальтпсихология, когнитивная
графика и экологический интерфейс. Показан пример экологического
интерфейса для регулирования уровня воды в барабане-сепараторе
энергоблока АЭС с РБМК-1000, иллюстрирующий визуальную поддержку
когнитивных операций сравнения параметров между собой, с пределами и
суммирования величин.
Список литературы
[Анохин и др., 2012] Анохин А.Н., Ивкин А.С. Человеко-машинный интерфейс
для поддержки когнитивной деятельности операторов АС // Ядерные
измерительно-информационные технологии. 2012. № 1(41).
[Арнхейм, 1994] Арнхейм Р. Новые очерки по психологии искусства. – М.:
Прометей, 1994.
[Башлыков, 2008] Башлыков А.А. Когнитивная графика как средство образного
представления информации в человеко-машинных системах управления
сложными объектами // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной
промышленности. 2008. № 12.
[Валькман, 2004] Валькман Ю.Р. Контексты в процессах образного мышления:
определения, отношения, операции // Тез. докл. I Российской конференции по
когнитивной науке. Казань, 2004.
[Валькман и др., 2009] Валькман Ю.Р., Валькман Р.Ю., Исмагилова Л.Р. О
моделировании образного мышления: некоторые отношения и структуры
образов // Моделювання та інформаційні технології. 2009. № 52.
[Венда, 1990] Венда В.Ф. Системы гибридного интеллекта: эволюция, психология,
информатика. – М.: Машиностроение, 1990.
[Вертгеймер, 1987] Вертгеймер М. Продуктивное мышление – М.: Прогресс, 1987.
[Голиков и др., 1996] Голиков Ю.А., Костин А.Н. Психология автоматизации
управления техникой. – М.: ИП РАН, 1996.
[Зенкин, 1991] Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика. – М.: Наука, 1991.
[Кантовиц и др., 1991] Кантовиц В., Соркин Р. Распределение функций / В кн.:
Человеческий фактор. В 6-ти тт. – Т. 4. – М.: Мир, 1991.
[Кобринский, 1998] Кобринский Б.А. К вопросу о формальном отражении
образного мышления и интуиции специалиста слабо структурированной
предметной области // Новости искусственного интеллекта. 1998. № 3.
[Кобринский, 2012] Кобринский Б.А. Образные представления специалиста и
проблема их отражения в интеллектуальных системах // Тр. 2-й межд. конф.
«Открытые семантические технологии проектирования интеллектуальных
систем». Минск, 2012.
[Новоселов, 2008] Новосёлов Ю.В. Применение когнитивной графики в системах
поддержки принятия решений для блока компенсации объёма на атомных
станциях // Тр. 11-й нац. конф. по искусственному интеллекту. Дубна, 2008.
[Beltracchi, 1987] Beltracchi L. Integrated iconic display // Patent H289 (June 2, 1987).
– http://www.patentgenius.com/patent/H289.html#show-page4
[Burns et al., 2004] Burns C.M., Hajdukievicz J.R. Ecological interface design. – CRS
Press LLC, 2004.
[Vicente et al., 1992] Vicente K.J., Rasmussen J. Ecological interface design:
Theoretical foundations // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics.
1992. V. 22, № 4.