Глава 8. Голография в системе человек-машина

Симбиоз человека и машины

Мы живем в век научно-технической революции. Основная особенность ее - все более широкая автоматизация физического и умственного труда. В наши дни усилился процесс внедрения техники в человеческое общество. Судьбы людей все теснее переплетаются с "судьбами" машин и механизмов. Уже сегодня на каждого жителя нашей планеты приходится в среднем более ста технических устройств. Управлять непрерывно усложняющимися машинами становится все труднее.

Считается, что пристальное изучение работы человека в системах управления началось в конце сороковых годов XX в. и связано исключительно с научно-технической революцией. Однако это не совсем так. Еще в двадцатые годы в нашей стране развернулось широкое движение за научную организацию труда (НОТ). Тогда же проводились исследования по разработке и практическому внедрению наиболее рациональных и прогрессивных методов управления машинами, усовершенствованию и реконструкции орудий труда. В. И. Ленин считал внедрение НОТ одной из главных задач молодой Советской Республики.

Конечно, в наши дни научная организация труда проходит в новых условиях, резко отличных от того периода. Но и сегодня забвение основных принципов НОТ, в которых заключается идея оптимального согласования звеньев системы человек - машина, подчас приводит к нежелательным последствиям. Причем сам человек иногда оказывается слабейшим звеном всей системы управления.

В авиации резко возрос диапазон скоростей и высот полета. Стали известны факты необычных, труднообъяснимых ошибок, которые допускал летный состав. Штурманы снимали с приборов неправильные показания, летчики хватались не за те рычаги, ошибались при нажатии кнопок.

Аналогичные тревожные сигналы стали поступать с промышленных предприятий.

В последние два десятилетия наблюдался быстрый рост скоростных и мощностных характеристик "машинной армии". Это привело к тому, что машины начали предъявлять операторам "нечеловеческие" требования.

Летчик не успевал следить за показаниями десятков приборов и индикаторов, манипулировать сотней переключателей. Из-за инерции зрения экипаж иногда не мог избежать столкновения с наземными препятствиями.

Начали раздаваться даже голоса: раз "человеческий элемент" стал тормозом прогресса, то он должен быть отстранен от управления техникой. "Человек и медленно думает,- говорили некоторые,- и плохо запоминает, он не умеет толком считать, часто ошибается и быстро устает. Поэтому надо заменить человека полностью автоматизированной машиной!" Родился технократический лозунг "Долой человека!".

Затем мотив "Долой человека" стал исчезать со страниц печати. Оказалось, что автоматы могут далеко не все, что и сам человек в общем-то не так уж плох. Выяснилось, например, что он хорошо учитывает вероятность событий и может предсказать их развитие, что объем памяти у него значительно больше, чем у вычислительных машин, и что держит он свою память в постоянной "боевой готовности", и многое другое. Вывод о несостоятельности человека оказался явно преждевременным, и лозунг "Исключить человека из системы управления" заменил лозунг "Симбиоз человека и машины". Такое реалистическое решение пришло далеко не сразу, а в результате длительной и кропотливой совместной работы ученых и специалистов различных областей знания: медицины, биологии, математики, теории автоматического регулирования, психологии и физиологии. Возникла новая прикладная дисциплина: инженерная психология.

Инженерная психология (или, как ее еще называют, эргономика) является одной из тех дисциплин, которые рождаются на стыке наук: в ней тесно переплетаются методы и задачи областей, стоящих далеко друг от друга в любой классификационной схеме наук.

Инженерная психология выявляет общие принципы инженерного проектирования комплексных автоматизированных систем типа человек - машина, их оптимальные конструкции и технические характеристики с учетом возможностей оператора. Она исследует также психофизиологические потенциальные возможности человеческого организма, разрабатывает научные методы отбора и обучения операторов на специальных тренажерах. И здесь голографии предстоит сказать свое веское слово.

При управлении сложными процессами (например, различными летательными аппаратами и др.) практически нельзя предусмотреть всех неожиданных ситуаций, которые могут иметь место, и в соответствии с ними составить программу, поэтому в этих условиях все большее значение преобретает обратная связь через человека-оператора. Назначение систем отображения информации состоит в том, чтобы давать ответы на вопросы, которые интересуют оператора. Поэтому отображение информации на индикаторе должно осуществляться в форме, наиболее удобной для восприятия и осмысливания.

На основе полученной информации оператор задает программу машине через устройство ввода данных. Устройство ввода информации позволяет оператору взаимодействовать с вычислительной машиной. Когда оператору необходимо получить или преобразовать какие-либо данные или когда он должен подать какую-нибудь команду, скорость и эффективность ввода и вывода информации из машины являются важнейшими характеристиками системы. Они в значительной степени предопределяют успешность решения поставленной задачи.

Таким образом, системы отображения информации предназначены обслуживать операторов, которые в свою очередь являются одним из элементов системы человек-машина. При разработке системы необходимо связать в единый комплекс оператора, вычислительную машину, отображающее устройство и устройство ввода данных, учитывая как физические характеристики машины, так и психологические и физиологические характеристики человека-оператора.

Трехмерный голографический индикатор

Окружающий нас реальный мир представляет собой трехмерное пространство, любая точка, поверхность или объем которого могут быть заданы функцией трех независимых переменных величин - координат. При отображении реального мира с помощью воспроизводящих устройств необходимо стремиться к тому, чтобы довести до наблюдателя полную информацию о всех трех измерениях объекта. Наиболее удобным для этой цели является объемное изображение.

Вместе с тем существует большое количество процессов (функции трех и более переменных), которые могут быть представлены в виде некоторой объемной модели (вектор в пространстве, одна или несколько точек в объеме, кривая линия и т. п.), где каждое измерение через определенный масштаб связано с одной из независимых переменных величин. Это позволяет получить наглядную картину процесса с целью наблюдения и изучения его. Например, при контроле движения некоторых объектов в пространстве или частиц в заданном объеме последние могут быть представлены на индикаторе в виде отдельных светящихся точек [3], Для лучшего восприятия законов перемещения объектов целесообразно воспроизводить их следы, а мгновенные скорости изображать в виде векторов. Подобное представление информации на объемном индикаторе позволяет оператору быстро проанализировать и оценить обстановку.

Однако по целому ряду объективных причин в процессе развития устройств отображения информации оказалось наиболее простым создание плоских изображений. Более того, разработка устройств для воспроизведения объемных изображений натолкнулась на целый ряд весьма сложных проблем. Поэтому до последнего времени в большинстве случаев отображение многомерных функций осуществлялось с помощью плоских устройств (осциллография, двумерная индикация и т. д.). Полная же информация о рельефе функции доводится до наблюдателя косвенными методами (с помощью нескольких проекций, аксонометрического изображения и т. п.).

В связи с тем все более остро ставится вопрос создания устройств объемного отображения, и значительно возрастает объем информации, который необходимо доводить до наблюдателя в единицу времени. Скорости наблюдаемых процессов могут быть очень велики, а время для оценки сложившейся ситуации и принятия определенных решений оператором достаточно мало. Совершенно очевидно, что использование в этих сложных условиях плоских индикаторов для отображения процессов, происходящих в объеме, малоэффективно, так как для мысленного представления пространственной картины процесса по двумерному изображению требуется затрата дополнительного времени.

Использующиеся в управлении воздушным движением до настоящего времени методы плоского отображения информации не позволяют быстро оценить обстановку при высокой плотности воздушного движения и больших скоростях летательных аппаратов, что весьма важно, например, в аэродромной зоне. Несмотря на имеющиеся большие достижения в деле создания средств знакового отображения, для диспетчера представляет значительные трудности в весьма короткое время воссоздать картину воздушного пространства на основе анализа отображаемой на знаковой электронно-лучевой трубке картины воздушной обстановки.

Наглядная объемная динамическая модель пространства существенно облегчит и ускорит действия диспетчера в сложных условиях.

Следует отметить, что подобная динамическая объемная модель могла бы быть чрезвычайно полезна в других системах управления обстановкой. Появление трехмерных индикаторов не означает отказ от использования имеющихся средств знакового отображения. Трехмерные индикаторы не смогут обеспечить доведение до диспетчера всего рабочего объема информации. Перспективность заключается в совместном разумном использовании этих двух устройств отображения, при котором будут реализованы сильные стороны каждого вида аппаратуры.

Изучение траекторий частиц при быстро протекающих процессах ядерных исследований потребовало создания систем регистрации и обработки событий в искровых или пузырьковых камерах. Применение объемного голографического индикатора для указанных целей совместно с оперативным запоминающим устройством позволит неограниченно растянуть во времени интересующие этапы процесса.

Представляет интерес использование трехмерных индикаторов в качестве выходных устройств в ЭВМ. В настоящее время для оперативного вывода информации из ЭВМ начинают применяться электронные печатающие устройства. При этом возможно получение как цифр, букв и специальных знаков, так и построение графиков. Быстродействие таких устройств очень высоко. Однако имеется весьма большое число задач, связанных с табулированием функций двух переменных. Для анализа результатов решения подобных задач требуется значительное время в связи с необходимостью построения объемной модели кривых так называемого рельефа функции. В настоящее время это осуществляется построением рельефа на плоскости в аксонометрии или другими способами. Подключение на выход ЭВМ голографического индикатора и соответствующее управление им со стороны ЭВМ позволит вести наблюдение и анализ результатов решения без потерь времени, связанных с последующим построением рельефа функции.

Можно указать еще на целый ряд областей науки и техники, где использование голографических объемных индикаторов принесло бы ощутимый эффект. В медицинской электронике широко используется так называемый вектор-кардиограф для анализа деятельности человеческого сердца. Сейчас в этих приборах на экране ЭЛТ создается двумерное изображение. Вектор напряженности электрического поля сердца в зависимости от состояния сердечной деятельности имеет различную длину и различную ориентацию по отношению к осям человеческого тела. Наличие голографического индикатора, позволяющего наблюдать объемную картину распределения электрического поля сердца, сделает интерпретацию такого изображения значительно легче и действенней, чем при двумерной проекции на обычных вектор-кардиографах.

Интроскопия (как биологических, так и технических объектов) дает возможность с помощью ультразвука просматривать различные неоднородности внутри твердых тел. До настоящего времени наблюдение картины неоднородности производится по множеству сечений, вычерченных на бумаге.

Аналогичные приемы применяются при определении объема и формы рудного тела с помощью каротажных установок в геологии.

В связи с перспективностью разработки в Советском Союзе и за рубежом проводятся исследования голографических объемных индикаторов.

Основная характеристика трехмерного индикатора - качество восприятия наблюдаемого объема. Конечно, оценка здесь может быть только чисто субъективная, тем не менее изображения на трехмерных индикаторах по этому параметру можно и необходимо сравнивать друг с другом. В одном случае объем мысленно синтезируется по специфической информации изображения, воспроизводимой на плоском экране. В другом, используя свойство бинокулярного зрения (двумя глазами), имеется возможность воспроизведения псевдообъемного (иллюзорного) изображения. При этом наблюдение изображения производится только из одной определенной точки, для которой сохраняются пропорции различных измерений. Однако здесь исключается возможность обзора изображения с разных сторон. Объемные индикаторы дают изображение, которое является своеобразным макетом в трехмерном пространстве.