От железного шкафа к дисплею:
как изменился человеко-машинный интерфейс на АЭС

Беседовал Андрей ВЕЛЕСЮК

Проектирование интерфейсов сегодня очень востребовано: в мире умных колонок, телевизоров и часов сложно найти устройство, которое бы не было вычислительной машиной. Но в разработке человеко-машинного интерфейса для таких сложных технологических объектов, как АЭС, есть свои особенности. Учитывая уровень сложности станций и высокую степень ответственности операторов за их безопасную эксплуатацию, здесь очень важно создать эффективный интерфейс, помогающий быстро оценить ситуацию и принять правильное решение.

Начальник отдела функционального анализа, ЧМИ и эргономики АО «Русатом — автоматизированные системы управления» доктор технических наук Алексей Анохин рассказал о том, какую эволюцию пережил человеко-машинный интерфейс в атомной отрасли, куда он движется и как не сделать из него новогоднюю елку.

Фото: Росатом, Flickr.com
Какие аппараты сейчас совмещают функции человеко-машинного интерфейса и вычислительной машины?

Интерфейсом обладает любое устройство, имеющее в своем составе хотя бы индикаторный светодиод. Диод горит — включено, не горит — выключено. Так что сегодня трудно найти устройство, которое не имело бы хотя бы простенького интерфейса.

Стоит отметить также, что вещи и устройства, которыми мы пользуемся, становятся умнее. Высокопроизводительные чипы со сложным программным обеспечением есть уже везде — в автомобилях, холодильниках, часах, фотоаппаратах, не говоря уже о смартфонах. Мощность современного смартфона превышает мощность вычислительной машины, которая во времена моего студенчества занимала площадь небольшого спортзала.

Однако чем сложнее устройство, тем больше функций оно предоставляет. Чтобы владелец мог эффективно пользоваться ими, производитель должен заботиться о нем: предугадывать его реакции, представлять себе его задачи. Поэтому сегодня мало создать вычислительное устройство с многофункциональным дисплеем. Нужно, чтобы человек понял все замыслы разработчика, нашел способы активации всех необходимых ему функций. Например, мы уже много лет пользуемся мобильными телефонами и знаем последовательности действий, стандартные реакции этих аппаратов, которые не прописаны нигде. Но представьте себя на месте человека, который никогда не держал смартфона в руках: для него работа с таким сложным аппаратом будет стрессом.
Биография
Алексей Никитич Анохин — доктор технических наук, профессор. Окончил Московский инженерно-физический институт, после чего в течение 30 лет работал в Обнинском институте атомной энергетики, где прошел путь от аспиранта до заведующего кафедрой автоматизированных систем управления.

Преподавательское «амплуа» — сложные человеко-машинные системы и информационные технологии. Сегодня работает заместителем директора департамента — начальником отдела функционального анализа, ЧМИ и эргономики АО «Русатом — автоматизированные системы управления».

В сферу его научных интересов входят методы системного анализа, человеко-машинный интерфейс и эргономика. Исследует и развивает идею применения новых способов представления информации для повышения осведомленности операторов о состоянии технологического процесса на атомной станции. Имеет более 180 публикаций, включая монографию «Вопросы эргономики в ядерной энергетике» и множество статей в высокорейтинговых журналах и трудах конференций.

Занимается общественно-научной деятельностью, направленной на продвижение эргономики и профессионального сообщества эргономистов в России.

Избран президентом Российской эргономической ассоциации, представляет сообщество в международных организациях по эргономике.

Член рабочих групп и технических комитетов Росстандарта, МЭК, МАГАТЭ.
Что представляет собой сегодня человеко-машинный интерфейс для АЭС?

Человеко-машинный интерфейс на АЭС прошел длительную эволюцию. Начинался он с больших железных шкафов, фасады которых были усеяны приборами, кнопками, переключателями, лампами и табло. В верхней части размещались большие технологические схемы, элементы которых — символы насосов, задвижек и клапанов — загорались разными цветами, чтобы проинформировать операторов о состоянии оборудования. Такой ЧМИ был малоинформативным и с трудом поддавался модернизации.

Сегодня основным средством контроля и управления стал компьютерный дисплей. У каждого оператора блочного пункта управления их шесть или более. Основная форма представления информации — мнемосхемы (изображения структуры технологических систем в виде условных символов — мнемознаков). С помощью компьютерных манипуляторов вроде трекбола или мыши операторы выполняют навигацию и управляют оборудованием, нажимая виртуальные кнопки. Такие устройства ввода, как джойстики или штурвалы, на АЭС практически не используются, в отличие, например, от авиации, где команды имеют аналоговый характер.

Сегодня операторам пунктов централизованного управления на АЭС приходится контролировать тысячи единиц оборудования и управлять ими. Они координируют десятки взаимосвязанных процессов, видят и сопоставляют десятки, а то и сотни параметров, мгновенно «узнают» множество ситуаций, которые могут возникнуть на АЭС. А еще нужно общаться между собой, вести журнал и выполнять другие обязанности. И самое главное — не совершать ошибок. Операторы удалены от объекта управления и не соприкасаются с оборудованием, а значит, человеко-машинный интерфейс — это, по сути, их глаза и руки. От того, как спроектирован интерфейс, насколько он нагляден и адекватен представлениям человека об объекте управления, во многом зависят надежность и эффективность действий оперативного персонала.

Чтобы несколько операторов в пункте управления находились в едином информационном пространстве и понимали, чтó происходит в зоне ответственности других, перед ними установлена большая видеостена, на которую проецируется обзорная информация о состоянии АЭС в целом. Если дисплейный интерфейс отказывает, то операторы переходят к традиционным, аппаратно-реализованным пультам и панелям, расположенным тут же, в так называемой резервной зоне управления.

В отличие от панелей, выпускавшихся в 1950−70-х годах, современные панели выполнены по мозаичной технологии. Это означает, что фасад панели набирается из типовых миниатюрных элементов размером, кратным 2,5×5 см. В число этих мозаичных элементов входят стрелочные или светодиодные индикаторы, табло, переключатели и кнопки.
При разработке таких интерфейсов учитываются психологические и физиологические аспекты?

Безусловно, ведь необходимо помнить, что человек очень быстро устает, подвержен эмоциям и стрессам, отвлекается в сложных ситуациях. Он не способен быстро считать и оперировать цифровой информацией. Его память избирательна и иногда подводит.

Для учета особенностей человека необходимо понимать характер его деятельности. Если говорить упрощенно, работа оператора АЭС включает восприятие информации, принятие решения и его реализацию, то есть совершение управляющих действий. Человек не может постоянно находиться в напряжении, он отвлекается, расслабляется. И для того чтобы человек гарантированно увидел необходимую информацию, нужно привлечь его внимание, например, звуком или миганием света.

Отображая информацию для восприятия человеком, необходимо учитывать его ментальную модель, ограничения скорости и объема восприятия, особенности визуального распознавания. Поэтому информацию нужно представлять в образном, легко воспринимаемом виде — так, чтобы ее легко было понять и использовать в дальнейшем. Распознавая ситуацию и принимая решение, человек должен вовлечь в анализ всю необходимую информацию, вспомнить то, что заложено в его памяти. Все это может происходить под давлением времени и других стрессогенных факторов. Мы должны учитывать это и не показывать лишнюю информацию, дабы не рассеивать внимание человека, не отвлекать его второстепенными деталями.

Когда человек переходит к управлению оборудованием или системой, наша задача состоит прежде всего в том, чтобы уберечь его от ошибок, от случайных непродуманных действий. Естественно, добавляются еще и антропометрические соображения — человеко-машинный интерфейс должен быть досягаемым и находиться в зоне комфортного обзора. Человек должен сидеть в нормальной позе, не причиняющей вреда здоровью. Более того, при разработке ЧМИ необходимо учитывать культурный аспект — ту среду, где будет работать интерфейс. Совершенно очевидно, что культурные стереотипы и ментальность граждан Финляндии, Индии и Египта различны.
Каковы основные этапы проектирования человеко-машинного интерфейса для АЭС?

Прежде чем начать проектирование ЧМИ, необходимо понять, каковы задачи будущего пользователя, какими навыками и знаниями он обладает. Очень важно понять профессиональный контекст, в котором формировался пользователь.

Приведу пример из американской эргономики, где для кодирования открытого и закрытого состояния задвижек использовались красный и зеленый цвета. Однако в атомной энергетике применялся один код, а на атомном флоте — противоположный. Когда операторы с подводных лодок после демобилизации приходили на атомную станцию, они совершали ошибки.

Проектирование операторского ЧМИ начинается с разработки его концепции, определения способов слежения за процессом, управления оборудованием, степени автоматизации, необходимой для данного объекта. Следующий шаг — создание так называемого руководства по стилям, в котором определяются значения цветов, условные знаки, размеры, шрифты, принципы компоновки и другие элементы визуального и акустического кодирования информации.

Важно разработать прототипы, с которыми могли бы поработать аналитики и будущие пользователи. Прототип — это еще не полноценный интерфейс, а лишь имитация его основных черт. В ходе работы с прототипом становится понятен настрой пользователя, то, насколько быстро он готов перейти на этот интерфейс. Здесь возможны эксперименты с измерением скорости реакции будущих пользователей, с использованием систем айтрекинга, регистрации физиологических параметров. На прототипе обычно сразу становятся видны очевидные ляпы разработчика. То, что казалось удачным решением при разработке руководства по стилям, на прототипе превращается в хаос и «новогоднюю елку».
А если испытание прототипа прошло нормально?

Начинается рутинная работа по разработке видеокадров, перекрестных ссылок, диалоговых объектов. На современной АЭС видеокадров сотни, а диалоговых объектов — тысячи. Естественно, каждый результат разработки проходит тестирование, обсуждение с операторами, многократные проверки.

При проектировании операторского человеко-машинного интерфейса очень важно не только понять, каковы насущные потребности пользователя, но и предугадать его будущие запросы. По сути, разработчику ЧМИ необходимо влезть в шкуру оператора, понять устройство АЭС, понаблюдать за прогонами аварийных сценариев на тренажере, выйти вместе с операторами в ночные смены, посидеть в пультовой, когда ничего не происходит, и не заснуть при этом.

Постановка подобных экспериментов — с прототипом или с готовым интерфейсом — очень непростая задача, требующая высокой квалификации аналитика в части теории измерений, математической статистики и организации многофакторных экспериментов. Однако, если удается это сделать, то результаты во многом могут предопределить направление дальнейшего развития идей.
Восемь «золотых правил» ЧМИ

Американский исследователь в области человеко-машинного взаимодействия Бен Шнейдерман в книге Designing the User Interface сформулировал восемь «золотых правил» проектирования пользовательских интерфейсов. Вот они.

  • Будьте последовательны: действуйте одинаково, используйте одинаковые названия, элементы управления в идентичных или похожих ситуациях.
  • Учитывайте возможности опытных пользователей: предложите им альтернативные способы управления программой с помощью «горячих» клавиш и макросов.
  • Используйте обратную связь: программа должна реагировать на каждое действие оператора.
  • Создавайте законченные диалоги: объедините последовательные действия оператора в логические группы с началом, серединой и концом. На каждом этапе поддерживайте обратную связь.
  • Используйте простые процедуры обработки ошибок: насколько возможно, спроектируйте систему так, чтобы пользователь не мог допустить серьезных ошибок, а при обнаружении ошибки предложите простые и понятные механизмы ее устранения.
  • Обеспечьте простой механизм отмены действий: он уменьшает беспокойство пользователей. Единицей обратимости может быть разовая акция, ввод данных или целая группа действий.
  • Создайте у пользователя впечатление, что он управляет всеми процессами: спроектируйте систему так, чтобы оператор был инициатором действий, а не ведомым.
  • Уменьшите загрузку кратковременной памяти: особенности человеческой памяти накладывают ограничения на количество, размеры и скорость чередования элементов управления.

Как оценивают результаты ­работы?

Оценка ЧМИ, как и любая эргономическая оценка, довольно сложный и трудно формализуемый процесс, сочетающий количественные и качественные методы, объективные измерения и субъективные суждения. Согласно сегодняшним представлениям, то, с чем работает человек, должно не только обеспечивать эффективность, качество и надежность его деятельности, но и приносить ему чувство удовлетворенности. Поэтому в оценку интерфейса вовлекаются все более широкие методы и средства.

Тем не менее основная задача операторского интерфейса — обеспечить своевременное выполнение человеком поставленных задач с заданным качеством и сохранением работоспособности.

Для этого последовательно проверяются все основные качества ЧМИ:

  • палитра используемых цветов, их сочетаемость, согласованность со стереотипами;
  • визуальные параметры: яркость, контрастность, читаемость, различимость;
  • способы кодирования информации: условные знаки, пиктограммы, размерное кодирование;
  • компоновка информации, плотность ее расположения, взаимные визуальные связи;
  • факторы управления вниманием: наличие анимации, выделение цветом, контрастом, размером.
По-хорошему, в оценке ЧМИ должны участвовать даже такие категории, как вкус, эстетика, стиль. Естественно, проверяются не только внешние, но и функциональные характеристики интерфейса. Анализируется то, насколько быстро и легко пользователь может решить задачу с его помощью. Сколько действий потребуется, насколько они трудоемки, сложна ли навигация. Если в первой части оценки участвуют чек-листы и эксперты, то во второй возможно применение объективных средств измерений, таких как хронометраж, наблюдение, айтрекинг, измерение физиологических параметров.

Ну и, конечно, один из главных критериев для оценки интерфейса — это отзывы операторов. Далеко не всегда это те слова, которые разработчик хотел бы услышать. Однако даже если они кажутся обидными и несправедливыми, мы должны внимательно их выслушать и попытаться встать на место пользователя.

Вам попадался неадекватный человеко-машинный интерфейс, и если да — в чем выражалась его неадекватность?

Неадекватность ЧМИ — это результат неучета специфики работы человека, его характеристик, профессиональных и культурных стереотипов. Это может проявляться в самых разных аспектах. Например, цветовые решения: красный текст на синем фоне. Отвлечение внимания человека — постоянное мелькание на экране ярких цветовых пятен.

Превышение объема информации над способностями восприятия — например, лавинообразная сигнализация, когда перед оператором загораются одновременно десятки сигнальных сообщений. Нарушение стереотипов: для увеличения значения параметра нужно крутить ручку не по часовой стрелке, а против нее. На моем смартфоне информация о погоде — символы атмосферных явлений и температура — представлена белым цветом на светло-голубом фоне. Ее попросту не видно.

Неадекватный интерфейс не обязательно компьютерный. Иногда мне вручают визитные карточки, где телефоны написаны светло-серым по белому шестым шрифтом.

В сфере операторского интерфейса есть более сложные примеры, когда информация визуализируется без учета того, как она в дальнейшем будет использоваться. Например, оператору нужно сравнить два параметра, а они разнесены по разным углам экрана или находятся на разных видеокадрах, к тому же представлены разными способами. Хотя при этом оба визуализированы грамотно: хорошие контраст, размер.
Дональд Норман,
основатель Nielsen Norman Group, бывший вице-президент Apple:

— Причиной серьезных происшествий обычно называют человеческий фактор. Но тщательный анализ показывает, что часто причинами неприятностей становятся плохой дизайн или неправильная сборка оборудования.

Дизайнеры и монтажники не уделили достаточного внимания потребностям пользователей, поэтому непонимание и ошибки практически неизбежны. Неважно, чтó это: кухонная плита или атомная электростанция, автомобиль или самолет, обогреватель или компьютер — пользователи сталкиваются с одними и теми же проблемами. Во всех случаях недочеты дизайна приводят к субъективным ошибкам. Если у вас возникают проблемы с какой-то вещью, это не ваша вина, а вина дизайнера.


Из книги «Дизайн привычных вещей»
Для коммуникации с машинами во всем мире используют современные технологии. Как с этим обстоят дела в атомной отрасли?

Сегодня если не каждый день, то уж каждый год точно появляются новые средства взаимодействия человека с техникой. Сенсорные экраны, рукописный ввод текста с последующим распознаванием, речевой ввод, распознавание лиц и жестов сегодня уже некого не удивляют. Однако появляются и новые технологии контактного и бесконтактного взаимодействия, такие как ввод информации с использованием движения зрачков глаз, сверхмалых токов, возникающих вследствие активности коры головного мозга, сокращения мышц, дыхания.

Практически каждый физиологический параметр человека, каждое изменение состояния его организма могут быть измерены. И эти измерения могут нести информацию — достаточно откалибровать их и соотнести с определенным содержанием. Затем компьютеру будет достаточно лишь распознать этот паттерн. Но в случае с атомными станциями мы должны быть уверены, что компьютер поймет человека правильно, а человек правильно подаст команду.

В повседневной жизни человек может запросто ошибиться, манипулируя мышкой или сенсорным экраном, и жизнь «простит» ему эту ошибку. Однако цена ошибки на АЭС может оказаться значительно выше. Поэтому, несмотря на существенный прогресс в области технических и программных средств создания автоматизированных систем управления технологическим процессом АЭС, проектирование человеко-машинного интерфейса по-прежнему основано на принципах, сформировавшихся в эпоху приборных панелей с мнемосхемами. Далеко не все новейшие технологии и разработки эффективно работают в современных условиях.

Но если для таких консервативных отраслей, как атомная энергетика, все эти технологии кажутся довольно отдаленным будущим, то в гражданской сфере это уже реальность. Например, коллеги из Воронежского госуниверситета пытаются применить подобные технологии для реабилитации инсультных больных, для которых восстановление полноценного общения и продолжение работы актуальны и важны.

Мне приходилось слышать о системах с интеллектуальным интерфейсом. Что это такое?

Понятие «интеллектуальный интерфейс» довольно размыто. Сегодня принято говорить о трех «интеллектуальных» качествах ЧМИ. Первое — это его адаптивность: интерфейс по форме и содержанию приспосабливается либо к ситуации, либо к человеку.

Второе — это направленность интерфейса на поддержку когнитивной деятельности человека, облегчение понимания ситуации и принятия решений.

Ну и, наконец, третье — распознавание информации, вводимой человеком нетрадиционными способами: голосовые сообщения, движения глаз, жесты. Даже печатая на клавиатуре, человек может ошибиться, нечетко сформулировать запрос. Интеллектуальная система распознавания выявит эту ошибку или поймет запрос — так делают сегодня наиболее продвинутые поисковые системы.

Как и в какую сторону будут развиваться ЧМИ в атомной отрасли и какие вы видите драйверы развития?

В качестве основных драйверов развития ЧМИ я вижу прогресс в области средств коммуникации человека с компьютером и рост автоматизации управления АЭС. О первом драйвере мы говорили выше: это и контактные (манипуляторы, сенсорные панели, датчики, закрепленные на разных частях тела человека), и бесконтактные (видео-, аудио- и другая регистрация действий человека) технологии ввода информации.

Внедрение таких технологий — дело времени. Постепенно техника станет более надежной, распознавание измерений — более достоверным. Это сделает возможным ее применение на АЭС.

Второй драйвер — рост автоматизации — приведет к существенному изменению роли оператора на АЭС. Уже сегодня он освобожден от многих рутинных действий. Со временем их будет все меньше, и основной задачей оператора станет контроль за работой автоматики. Однако такой контроль невозможен без глубокого понимания состояния станции в каждый момент времени и того, адекватны ли действия автоматики сложившейся ситуации. В работе оператора будет все больше преобладать аналитическая составляющая. И интерфейс должен учитывать это и трансформироваться так, чтобы помочь оператору постоянно сохранять осведомленность и глубокое проникновение в суть ситуации.

Сейчас многие компании задаются вопросами, о которых я говорил. В организации, которую я представляю, АО «РАСУ», этому уже уделяется много внимания. Мы представляем свои наработки на крупнейших мировых научно-практических конференциях в области эргономики и ЧМИ для управления техническими объектами, участвуем в проектах, инициируемых МАГАТЭ. В любом случае, будущее этой области очень интересно.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА