27462

ارائه چارچوب كمي جهت تخصيص وظايف در سيستمهاي تعاملي انسان- ماشين با در نظر گرفتن عوامل انساني

دكتري

مهندسي صنايع-صنايع

1394

1401/03/28

محمد سعيدي مهرآباد

حميده رضوي- رسول نورالسنا

مهندسي صنايع و پيشرفت

تعامل انسان با ماشين تاريخچه‌اي بس طولاني دارد و از نياز انسان به تكنولوژي به عنوان ابزاري براي زنده ماندن شروع مي‌شود، تا به الآن كه تبديل به يك مشاركت همزيستي شده كه شكل نهايي آن را نمي‌توان پيش‌بيني كرد. در ادبيات موضوع، كمبود مدلي كمي جهت اعمال اثر عملكرد نيروي انساني و عوامل اثرگذار بر تعامل او با عامل ماشيني، در تصميم‌گيري‌هاي مربوط به سيستم‌هاي تعاملي انسان- ماشين (HMI) كاملا حس مي‌شود. در اين راستا، مطالعة حاضر به ارائه چارچوبي كمي جهت تعيين سطوح اتوماسيون فعاليت‌ها در سيستم‌هاي تعاملي انسان- ماشين كه تحت عنوان "تخصيص وظايف" شناخته مي‌شود، پرداخته است. چارچوب مطرح شده به دو قسمت كلي طراحي اوليه HMI و بهبود طراحي اين نوع از سيستم‌ها تقسيم‌بندي گرديده است. هدف بخش نخست، طراحي اوليه سيستم‌هاي تعاملي، يافتن بهترين گزينة طراحي از منظر هزينه‌هاي ساخت، پياده‌سازي و بهره‌برداري در كنار كنترل قابليت اطمينان سيستم در يك سطح قابل‌قبول است. لازم به ذكر مي‌باشد كه قابليت اطمينان سيستم متشكل از قابليت اطمينان عوامل آن، انسان و ماشين، توسط تكنيك آناليز درخت خطا در اين مرحله تخمين زده شده است. پس از تعيين گزينة طراحي مناسب، فاز دوم و يا بهبود طراحي سيستم HMI مطرح شده است. در اين بخش، با تمركز بر نيروي انساني و عوامل تأثيرگذار بر تعامل او با ماشين نظير بار كاري، آگاهي از وضعيت، اعتماد و مهارت، رويكردي با هدف تخصيص وظايف در حالت پويا و ارائه راهكاري جهت تعيين زمان و نحوه تغيير تخصيص ارائه شده است. در اين مرحله به دليل تغيير مداوم و عدم قطعيت نهفته در عوامل تأثيرگذار بر عملكرد سيستم، مدل‌سازي و تخمين متغير قابليت اطمينان سيستم بر اساس شبكة بيز انجام گرديده است. كاربرد و كارايي چارچوب پيشنهادي با پياده‌سازي مدل‌ و الگوريتم‌هاي ارائه شده بر روي طراحي بخشي از HMI موجود در اتاق كنترل نيروگاه فردوسي مشهد ارزيابي شده است. نتايج حاصل از فاز اوليه اين پژوهش نشان داده است كه بدون در نظر گرفتن محدوديت بودجه، گزينه‌هاي طراحي با سطح اتوماسيون بالا اغلب به عنوان گزينه‌هاي نخست انتخاب مي‌شوند. هر چند با توجه به ادبيات موضوع، انتخاب طرح تماماتوماتيك به عنوان گزينۀ نهايي معايبي به همراه دارد. در اين پژوهش با حفظ سطح قابل قبولي از عملكرد سيستم، راهكارهايي جهت رفع اين معايب بر اساس شاخص اهميت پارامترهاي كنترلي و ضرورت مشاركت عامل انساني در فرآيندهاي تصميمگيري و اجرا، ارائه شده است. علاوه بر اين، محدوديت بودجه و يا به طور كلي هزينه‌هاي اوليه گزينه‌هاي مختلف طراحي نيز يكي از عوامل تأثيرگذار بر اين تصميم‌گيري مي‌باشد كه در اين پژوهش مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. نتايج حاصل از فاز دوم نشان داده است كه اعمال تخصيص وظايف پويا با رويكرد پيشنهادي مي‌تواند در بهبود قابليت اطمينان سيستم به ميزان تقريبي 30% به ويژه در شرايط نامطلوب كاري تأثير بسزايي گذارد. همچنين آگاهي فرد از وضعيت نيز به طور ميانگين به ميزان40 درصد افزايش يافته است. چارچوب ارائه شده به مهندسين اتوماسيون ياري مي‌رساند تا بتوانند با در نظر گرفتن عوامل مختلف نظير قابليت اطمينان عاملين درگير در سيستم، هزينه و فاكتورهاي انساني، سطح اتوماسيون مناسبي را براي انجام امور اعمال نمايند بطوريكه سيستم طراحي شده، پايا، ايمن و مقرون به صرفه باشد.

1401/09/13

A quantitative framework for allocating functions in Human-Machine Interactive systems considering human factors

6/18/2023 12:00:00 AM

Human-machine interaction has a very long history, from man's need for technology as an instrument of survival, to the time of a symbiotic partnership whose ultimate form cannot be foreseen. In the related studies, less attention has been given to provide a quantitative approach for considering human performance and the "human-in-the-loop" factors in the human-machine interactive (HMI) systems. In this regard, this research proposed two-phase approach to decide the level of automation and solve the function allocation and authority sharing problems. At the first phase, a new function allocation optimization model incorporating both reliability and cost was developed. The model established a cost-effective design with an acceptable HMI performance calculated by the human-in-the-loop fault tree analysis. In order to improve system reliability and reduce ‘out-of-the-loop’ problems, the second phase of the present study focused on the dynamic function allocation (DFA) problems and the determination of the reallocation times known as the trigger mechanism and the way of reallocating as the allocation strategy. To handle uncertainty arising from the subjectivity of analysis and lack of data, the Bayesian network was used to model system performance. As a case study, the interaction of humans with a distributed control system used in a gas power plant was considered. The implication results of the first phase indicated that high machine reliability had led to the fact that the fully automatic design would be one of the best design choices for human-machine interactive systems without any budget limitation. However, based on the literature, high automation may have some human-out-of-the-loop shortcomings. Thus, this study proposed solutions to overcome these disadvantages based on the importance of the control parameters or the essence of human involvement in some decision-making and execution tasks. By applying the proposed DFA method in the second phase, system reliability would be improved by approximately 30%, specifically under time pressure, and inappropriate work environment. In addition, Situation awareness also increased by an average of 40% in the dynamic function allocation situations. This framework, as decision support, provides guidance for automation designers to design and improve a reliable, safe and cost-effective system.

سيستم تعاملي انسان- ماشين , تخصيص وظايف , آگاهي از وضعيت , قابليت اطمينان , اتاق كنترل , تكنيك آناليز درخت خطا , شبكة بيز

Human-Machine Interactive systems , Level of automation , Dynamic function allocation , Fault tree analysis , Bayesian Networks

Nooshin Atashfeshan

Dr. Mohammad Saidi-Mehrabad