HMI – eволюцията на връзката човек-машина

• Бъдещето на комуникацията между човека и машината през 2025 г. изглежда повече от вълнуващо
  
  
• Начините, по които взаимодействаме с индустриалните системи и роботи, стават все по-интуитивни, естествени и лесни за възприемане и изпълнение
  
  
• С новото хилядолетие идва епохата на уеб базираните, мобилните и сензорните интерфейси, а посоката на бъдещите иновации вече се задава от изкуствения интелект

Мозъчно-компютърни интерфейси, изкуствен интелект и разширена реалност, интелигентни виртуални асистенти, гласов и жестов контрол, носими устройства, смарт повърхности, нискоенергийни концепции в контекста на устойчивостта – бъдещето на комуникацията между човека и машината през 2025 г. изглежда повече от вълнуващо! Начините, по които взаимодействаме с индустриалните системи и роботи, стават все по-интуитивни, естествени и лесни за възприемане и изпълнение, а възможностите са практически безгранични.

Основни етапи в развитието на човеко-машинните интерфейси

С напредъка в научноизследователската, развойната дейност и инженерството интеракцията между хора и технологии непрекъснато се усъвършенства. От механични уреди и елементи, като лостове, колела и бутони в края на 19 в., през първите компютърни интерфейси в периода от 50-те до 70-те години на миналото столетие, до графичните потребителски интерфейси (GUI), които стават популярни през 90-те – средствата за комуникация между операторите и устройствата изживяват истински еволюционен скок само за около век, а необходимият набор от специализирани умения за програмиране и управление постепенно се “олекотява”.
С новото хилядолетие идва епохата на уеб базираните, мобилните и сензорните интерфейси, а познатите бутони постепенно биват изместени от тъчскрийн екраните, виртуалните клавиатури, жестовото и гласовото взаимодействие и интеракцията чрез хаптична обратна връзка. Настоящият етап в еволюцията на тази динамично развиваща се област е белязан от бума на изкуствения интелект, с който все по-популярни стават иновативни инструменти, като чатботовете, виртуалните асистенти и AI базираните интерфейси с адаптивни или прогнозни алгоритми. В бъдеще експертите очакват разширената и смесената реалност, мозъчно-компютърните и невроинтерфейсите да разкрият нови хоризонти пред връзката между човека и машината, като позволят още по-интуитивно и директно управление чрез мозъчни сигнали, погледи и дори само посредством емоции.

В индустрията човеко-машинните интерфейси (ЧМИ/HMI) изминават сходна пътека на развитие. Механичните превключватели, аналоговите панели и физическите контролни табла постепенно биват заместени от PLC и SCADA системи, LED екрани и монитори, които на свой ред отстъпват място на графичните операторски терминали и HMI панелите. Преносими или удобно монтирани към съответната машина, станция или линия, индустриалните тъчскрийн устройства осигуряват детайлна визуализация на протичащите технологични процеси, работните параметри, ключовите статистики и събития.

През последните две десетилетия основна тенденция е интеграцията на HMI и SCADA платформите с индустриални мрежи, облачни архитектури, CRM, ERP, MES и MOM системи, които събират данни от всички полеви сензори, устройства и машини, за да позволят цялостна оптимизация на производството, централизирано управление и усъвършенствани функции, като превантивен мониторинг и прогнозна поддръжка. В разгара на Industry 4.0 и епохата на изкуствения интелект човеко-машинните интерфейси стават все по-интелигентни и адаптивни – чрез AI и ML алгоритми те анализират поведението на оператора, за да се самооптимизират. Все по-популярни в индустрията стават умни устройства, като AR/VR очилата и шлемовете, които улесняват отдалеченото обслужване на индустриално оборудване и обучението на операторите. Водеща тенденция са повсеместната свързаност и мобилните HMI приложения, които позволяват връзката човек-машина да се осъществява от всяка точка във или извън предприятието, а жестовият и гласов контрол допълнително занижават бариерите пред автоматизацията и дигитализацията. В този контекст все по-важен елемент от разработката на индустриални HMI системи става и киберсигурността.

Водещи пазарни и технологични тенденции

Актуални маркетингови проучвания изчисляват, че глобалният пазар на HMI решения понастоящем е в размер на около 5,5 млрд. щатски долара, с прогнози да надхвърли 9,2 млрд. долара до 2030 г. Човеко-машинните интерфейси в наши дни се разглеждат като комбинация от специализиран софтуер и хардуер, предназначена да осъществява връзката между човек и машина в потребителски, индустриални и бизнес приложения. Най-търсени в промишления сегмент понастоящем са HMI терминалите (основно с резистивни или капацитивни сензорни екрани) и индустриалните компютри (предимно панелни). Сред основните клиентски индустрии са автомобилостроенето, хранително-вкусовата, бутилиращата и опаковъчната промишленост, фармацевтичната индустрия, авиокосмическия сектор и отбраната, металообработката и машиностроенето, електронното производство и т. н.

Напредващата четвърта индустриалната революция отдавна се е разграничила от концепцията за заместване на човешките роли с механични системи. В модерните фабрики и заводи се случва тъкмо обратното – хора, машини и роботи работят във все по-тясна колаборация помежду си, допълвайки се взаимно. Автоматизацията поема тежките, уморителни, рискови и повторяеми задачи, докато човешкият фактор остава незаменим в дейностите, изискващи креативност, емоционална интелигентност, емпатия и стратегическо мислене. Ето защо съвременната еволюция на човеко-машинните интерфейси е подчинена на възможностите за гъвкаво, динамично и максимално ефективно взаимодействие между хората и кибер-физичните системи в качеството им на интелигентни машини – роботи, автономни и/или AI базирани платформи. Все по-често се поставя знак за равенство между интеракцията и колаборацията, а процесът от еднопосочно подаване на команди се превръща в двупосочна комуникация.

Основна тенденция, предопределяща по-нататъшното развитие на HMI технологиите, са колаборативните роботи, които служат като съвременен еталон за безопасно и ефикасно човеко-машинно взаимодействие. Непрекъснато нараства ролята в този процес и на изкуствения интелект, който се превръща в основен асистент при вземането на решения, осигурявайки бърза обработка, анализ и систематизиране на големи обеми от данни в реално време и преобразувайки ги в синтезирани препоръки и бизнес изводи. В бъдеще експертите очакват AI платформите още по-радикално да се усъвършенстват, допълвайки човешките възможности по нови начини. В тази връзка вероятно изобщо не е далеч моментът, в който хората в цеховете и складовете масово ще споделят работното си ежедневие например с автономни мобилни коботи с изкуствен интелект, съчетаващи най-доброто от безопасната човеко-машинна колаборация, интелигентната манипулация и автономните системи.

Не само при устройствата в ежедневието ни, но и при тези в индустрията концепцията за потребителски интерфейс (UI) еволюира във визионерската идея за цялостно потребителско преживяване (User Experience, UX). Този процес се подсилва от възможностите за обогатено взаимодействие между оператор и машина в реално време с помощта на добавена и разширена реалност, виртуални модели и симулации, дигитални двойници и други иновативни технологии.

Иновации с потенциал да дефинират бъдещето

Работните потоци на ниво предприятие, отдел или индивидуална линия могат да бъдат още по-персонализирани с развитието на HMI решенията в бъдеще. На база самооптимизиращи се AI интерфейси машините, станциите и роботите в работната зона на даден оператор ще могат да адаптират работния поток според личните му предимства и силни страни, като предлагат например индивидуални обучителни модули, препоръчват специфични задачи на база конкретната му експертиза или автоматично пренастройват системните параметрите според темповете и стила му на работа. И тъй като HMI платформите ще предлагат не просто интерфейс, а преживяване, логването на потребителя в машината или станцията (чрез гласова идентификация, лицево разпознаване или пък пръстов отпечатък например) ще позволява незабавна промяна и на графичните елементи, цветовите схеми, дизайна на менютата и дори машинното осветление според профила и предпочитанията му.

В т. нар. embedded (или вградени/интегрирани) потребителски интерфейси предстои тепърва да нарастват приложенията на разширената реалност (XR) по пътя към сливането на физическия и виртуалния свят в рамките на индустриалната метавселена. Според експертите настоящата година ще бъде повратна в този процес, тъй като от футуристична иновация насложените върху реалната среда 3D визуализации на детайли, обекти, дизайни, модели, графики, данни и друга съществена или допълнителна информация, съпътстваща дадена работна задача, ще се превърнат в неизменен елемент на човеко-машинното взаимодействие.

Друга ключова посока в развитието на HMI решенията през следващите години вероятно ще е свързана с втория стълб на предстоящата пета индустриална революция (освен човеко-машинната колаборация) – устойчивостта. Борбата с климатичните промени, енергийната ефективност и декарбонизацията ще стават все по-важни приоритети в индустрията на бъдещето, а основно предизвикателство пред разработчиците на HMI терминали ще бъде да намалят значително потреблението им на енергия без компромиси с производителността. Това ще е от критично значение при IoT и носимите устройства, а също и в машино- и автомобилостроенето, считат специалистите.

Що се отнася до функционалността на самите кибер-физични системи, благодарение на усъвършенстваните човеко-машинни интерфейси в бъдеще те ще могат все по-добре да разпознават емоциите на хората и дори да проявяват емпатия, убедени са маркетолозите. Чрез по-директна интеракция – посредством хаптична обратна връзка и сензорно взаимодействие, комуникацията между хора, интелигентни машини и виртуални обекти все повече ще може да наподобява човешкия допир и да се възприема по-естествено и лесно. Така дори в отдалечен режим на управление и/или колаборация хората биха могли да “усещат” текстури, сила и различни стимули, дори да не присъстват в дадена среда физически.

Цяла плеяда от нови възможности пред модерната индустрия на бъдещето разкриват и т. нар. мозъчно-машинни интерфейси (BMI), вариант на мозъчно-компютърното взаимодействие. Чрез тях операторът би могъл директно да комуникира с дадена машина с помощта на мозъчни сигнали или казано по просто – с “мисъл”, без да е необходимо да използва ръцете си за активиране на бутони, въвеждане на код и команди или дори за жестикулиране. Масовото популяризиране на тази технология би оставило в миналото редица традиционни устройства, като клавиатурите, контролните панели и тъчскрийн екраните.

Преди това да стане факт обаче, на значително развитие предстои да станем свидетели и при т. нар. естествени потребителски интерфейси (NUI), базирани на гласови и жестови команди, мимики и др. Чрез специализирани сензори и технологии за разпознаване на ключови думи и специфични движения на очите и горните крайници индустриалните машини и работни станции от следващо поколение биха могли да идентифицират намеренията на оператора, без да ангажират ръцете му, давайки му възможност междувременно да изпълнява друга ключова задача, различна от управлението.

С повишаването на интелигентността на машините експертите очакват в близко бъдеще да настъпи ерата на контекстно-осъзнатите, когнитивни и проактивни системи, базирани на усъвършенстван изкуствен интелект и дълбоко самообучение. Вместо непременно да чакат конкретна команда от оператора, те биха могли непрекъснато да анализират поведението му, както и да осъществяват мониторинг на средата и работните условия в реално време, за да отгатват потребностите му и евентуалната необходимост да му окажат съдействие. Подобна функционалност би била особено полезна например при идентифициране на признаци на умора, тревожност, объркване или пък затруднение у служителя при изпълнение на конкретна задача поради моментно състояние или по-висока степен на трудност. Така машината или роботът биха могли с точност да знаят кога да се намесят, за да предотвратят грешка, престой или дори инцидент, застрашаващ здравето и/или живота на работника.

Оборудвани с усъвършенствани човеко-машинни интерфейси и изкуствен интелект, колаборативните машини и роботи на бъдещето могат да направят работните места в индустрията много по-безопасни, достъпни и атрактивни не само за здравите и активни лица в трудоспособна възраст, но и за хората с увреждания, за неопитните млади специалисти, както и за редица работници, които заради възраст или професионално заболяване не биха могли да продължат да вършат работата си самостоятелно. Нещо повече – тази тенденция, която би обърнала знака на кадровия дефицит, би проправила пътя в производството и на т. нар. социални роботи, които в истинския смисъл на думата биха могли да бъдат наречени “колеги” от бъдещето, независимо дали дизайнът им е хуманоиден или пък не. С помощта на AI и обработка на естествен език те ще могат не само да съдействат на операторите при изпълнението на трудни, тежки и рискови задачи, но и да им правят компания, водейки с тях смислени разговори и запълвайки социалните липси, с които критиците поначало свързват индустриалната автоматизация.