計測自動制御学会東北支部 第178回研究集会（1998．11．20）
資料番号178−5

タスク分析に基づくインタフェース高度化手法の実験用加速器への応用

第二報：プロトタイプインタフェースの作成

App［icatjonoftaskanaJysisnethodft】rMMI
improvementtoexperirTlentaJaccehratorfa亡i］ity
O倉持嘉徳．高橋信．松山成男．藤沢政臥 北村正晴
OKuramochj Yoshinori，TakahashiMakoto，Matsuyama Shigeo，

FuJisawa Masanori，Kitamura Masaharu
東北大学

Touhoku universit：yキーワード：タスク分析（t■askanalysis），マンマシンインタフェース（脱n−JnaChinei口tCrface），実験用加速器（e叩eri皿entalaccelarator）

連絡先＝〒98臣8579 宮城県仙台市青葉匡字青葉01東北大学 工学部 量子エネルギー工学科
接エネルギーシステム安全工学講座 北村研究室 倉持嘉徳
Tel肝ax二022（217）7907，El□ail：mochi削uke，qSe．tOhoku．ac．jp

1．背景
大規模システムにおけるインタフェースの重要性は、安全性の確保のためだけではなく、より効

2．インタフェース設計指針

2．1AdaptableInterface Design
本研究で対象にしている加速器システムにおい率的なシステムの運用を実現するためにも着目すて想定されるユーザは、運転に慣れていない初心べき側面である。本研究では、タスク分析に基づ者から、長年の経験を通じて憤れきっている熟練

くインタフェース高度化の手法を、実験用の加速者に渡る広い幅を持っている。そのため、特定の器に適用し研究を行っている。第一報［りでは、実熟練度のレベルを想定してインタフェースを設計際の加速器の運転の内容を詳細に解析し、熟練度することはできない。
このように、スキルのレベルが広く分布するによる操作の流れの相違や、熟練運転員の操作の流れの規範的なモデルを作成した結果に関して述ユーザに対応させるためのインタフェースを実現べた。そして、このタスク分析の結果に基づき、加する方法としては、以下のような考え方がこれま

速器インタフェースに関して以下のような指針をで提唱されている。

得た。
（1）パラメータの統合的な表示の重要性

・許容度の大きいインタフェ岬ス設計（2〕熟練運転員の換作モデルに基づく支援の提供（3〕PCによるログの収集及びデータベースの構築

熟練度を問わず、同程度に使いやすい許容度の大きいインタフェースを目指す考え方であり、車（4）多変数最適化問題の視覚的な支援のインタフェースがその典型であろう。このタイプのインタフェースの問題点としては、平均的な本報告では、これらの指針に基づき開発を行ってユーザを仮定するために、平均的に良いインタいるプロトタイプインタフェースと加速器システフェ…スとなってしまっている点であり、不満をムへの実装の現状について述べる。

持つユーザは少なくない場合が多い。

・適応型インタフェース

システムがユーザの熟練度を動的に推定し、それに併せてインタフェースの表示内容や操作方法

2．2 インタフェ→ス仕様
前述の指針に基づき、本研究で構築するインタフェースは、以下のような仕様とした伯を動的に変更するインタフェースの考え方である。
実現できれば魅力的な枠組みであるが、熟練度の動的な推定は困難な課題であるし、動的な適応が引き起こすユーザの混乱という要素も十分に検討する必要がある。［2］これに対して、本研究では、ユーザが主体となってインタフェースの構成を選択できる適応許容型インタフェース仏daptableInterfac巳）の考え方を（1）伽erview画面と各コンポーネント画面の階層構造とする

本インタフェースは、システム全体の状態把握に有効と考えられる伽erview画面と、各コンポーネント毎の画面の大きく二つの階層により構成する0verview画面は常に固定的な表示を行い、どのような局面においてもそれを参照することで最低ザに初期段階で出来るだけ多くの選択肢を提供し、限必要な情熱ま得られるような構成とする。伽er−vl印画面では、ユーザが容易に状態の把握が可能なように、システムのミミック図に対応した形である程度インタフェース構成に関する選択の自由パラメータを表示するものとする。

導入する。適応許容型インタフェースでは、ユーを許す枠組みである。単に、選択肢を増やすだけでは讃択のための認知的な負荷が増大するだけで、感影響のみが現れる怖れがあるが、次のような方針を導入することで、ユ山サによる選択が全体としてのパフォーマンスの向上につながると考える。

また、本インタフェースは、将来的にはそれ単体でビーム輸送に関する全ての操作を行えるようにする予定であるが、現状では制御部分がハードウエアの制約上実装できないため、既存の制御盤と共存する形態とならぎるを得ない。提示する必要のある情報量と、表示盤設置場所のトレードオ（l）選択肢の進化的な淘汰

どのユーザにも選ばれないようなオプションは随時淘汰し、少しでも選択肢を減らす。

フから、二画面による表示を基本とすることとした。設置場所の制約に関しては液晶の表示パネルを利用することで、既存の制御盤と共存がはかれると考えている。

（2）初心者への選択肢の制限

初心者は、選択をするのに必要な経験も知識もない状態である。そのような初」L、者に選択肢を与（2）一つのパラメータに関して最低二つ以上の表示の方法を提供するえても、混乱を招くだけであろう。従って、初心数イ直の表示方法には多くの方法が考えられるが、者には、ある程度の熟練度に達するまで、選択肢ここではAdaptableインタフェースデザインの考を制限する。

え方を導入し、複数の表示方法から選択可能なようにする。

（3）選択を支援するシミュレーションの実現

実際の運転場面において、その場で適切なインタフェースを選択すること現実的な問題として不可能である。シミュレーションに基づく訓練を行持）ユーザには一つの操作を行う場合最低二つ以上の方法を提供する

操作方法に関しても、複数の操作の手段を提供うことで、事前に自分はどのタイプのインタし、そこからユーザが自分の熟練度とシステムのフェースを利用すべきなのかという感触を与え、状態に応じて選択できるようにする。

それを予め自分の好みのパターンとして保持しておくような枠組みが望まれる。

（4）システムログの収集及びデータベース化機能

前報のユーザの観察から、ビーム輸送パラメー以上の方針は、完全な形では現状のプロトタイプシステムには反映されていないが、今後の実用タの設定の第一段階は、運転条件の類似している過去のログデータを探Lて、そのパラメータを初化に向けて適応許容型の枠組みを更に検討してい期値として設定するという手順であるということく予定である。

が明らかになった。従来はログはユーザが手作業でログブックに記録していたが、この方法では誤りが生じやすく、そのデータを読んで設定する段補うために、二次元平面上でパラメータを動かし、階でも誤りが生じやすかった。今回のインタ

更にそれぞれの座標における目標ビーム電流値をフェース改善に伴い、ログに記録されているパラ視覚的に表示する機能を準備する必要があると考えた。この機能をダブルパラメータ調整モードとメータの多くを計算機に取り込みデータベースとして記録することは容易なこととなったため、本インタフェースではログの収集及び呼び出しを簡単に行えるように、ログの記録をデド夕べース化呼ぶ。運転者が重要と考える二つのパラメータの組を指定することで、その二つのパラメータを同時に操作することが可能となる。この換作の形態は、従来の制御盤における運転において、二つのする機能を導入した。これにより、これまで手作業で行ってきたログの記録及び呼び出しが瞬時に調整っまみを同時に動かしてビーム電流を最適化行えるようになり、大幅な省力化が実現できるとするという熟練者の行動を模擬する形態のインタ考えられる。

フェースと考えることが出来る。

（5）事変数最適化問題の視覚的な支援機寵

コープロトタイプインタフェース

ビーム輸送系のパラメータの調整は、与えられ3．1ソフトウエア環境

た制約条件の元で、目的とするターゲット電流を本システムにおいては、Adaptableなインタ最大化するという、多変数の最適化問題と捉えるフェースを実現することを目指しており、そのたことができる。前報において報告した熟練者の操めにはインタフェースの形態を自由に変更できる作にも見られるように、運転員は漸化的にこの間環境が必要となる。在来型のC什等を利用したプ宙を解いている。熟練者は、操作パラメータを少ログラミングでは、画面の再構成のためのプログしずっ動かしながら、それが目標とするターゲッラミングの労力が大きくなる可能性があるために、ト電流値にどのように影響するかを観察している。
ここで可制御パラメータの数は10個以上あるが、本研究では、計測制御用グラフィカルプロダラミ

タスク分析の結果から、運転者が同時に動かすこstruLnentS Co．Ltd．）を利用することとした。とのできるパラメータ数は高々2個程度であることが判っている。本研究では、運転者のこの繰りLabVIEWはデータの集録、制御、解析、表示を行なうためのグラフイかレプログラミングシステムで、返しによる最適化の過程を視覚的に支援する機能を提供することを目指している。この機能は、シ

仮想計軌辞（ⅤⅠ）というソフトウェアモジュールを、ングルパラメータ調整モードとダブルパラメータ調整モードの二つから構成される。

ンダ環境である LabVIEW 5．0（Nati凸rla．t］T］−グラフィカルな方法で組み立てる方法論が採用されている。LabVIEWを利用することで、次のようなメリットが得られる。
（1）データ入出力部分のプログラミングが不要

0シングルパラメータ調整モード

このモードでは、可制御のパラメータを一つづつ現在値を中心に動かし、それが目標パラメータにどのように影響するかを示すモードである。ニの機能より運転者はどのパラメータを動かすこと〔2）視覚的なプログラミングによりデータの流れの把握が容易（3）様々な表示器・操作器があらかじめ準備されておりそれらを自由に組み合わせて利用可龍（4〕機能単位でのモジュール化が可能が最もビームの電流値を増やすために有効であるかを、一目で把握することが出来る。更に、各パラメータ値をグラフの下に配置したスライドバーで変更することで直感的な操作が行えるように工夫している。
0ダブルパラメータ調整モード

多変数の最適化問題では、関連する変数の関係が線形でない場合も考えられるために、上記のシングルパラメータ調整モードだけでは、十分最適な組み合わせに近づけない可能性もある。それを3．2 ハードウエア環境
既存の加速器システムの制御盤に改造を加え、関連するデータを計算機上に取り込む環境を整えた。現時点では、電源のハードウエアが計算機からの制御に対応していないために、LabVIEW側からの制御行為は行うことはできない状態であるが、近い将来実現する予定である。図1に、現時点でのハードウエアの構成を示す。
既存の制御盤の表示器からの信号を0〜10V変換するハードウエアを新たに増設し、その出力をAD

0veTVi甜 Displayでは、運転上重要なパラメータをビームの上流から順に表示し、それぞれのパラメータをアナログメータとデジタルメータの両方の形態で表示している。更に、これらのパラメータの中で特に着目したいパラメータを選択し、そのトレンドを表示することができる。
CoI沌ta爪ICm【0−10V

Fi苫■1HardwareConfigu閂・血n

また、メインのコントロールパネルはスライドパー、デジタルパネルメータのどちらでも操作口丁変換ボード（NationalInst．ruments AT−MIOL64Eリ龍であり、デジタルパネルメ←タは数値をキー3：64−Single−ended，32udifferential／500KHz／ ボードから直接入力することも可能であるが上下128it）を通じて計算機上に放り込むようになってのボタンをクリックすることにより値を微少に増いる。

減することもできる。これも表示器と同様に上流から順に配置している。

3．3 構築したプロトタイプインタフェース

システムログの収集及びデータベース化機能は、

本節では、構築したプロトタイプインタフェー
スの内容について述べる。現時点では本システム

ニの0verview DisplaYからアクセスできるようになっている。この機能は特定の時点での全てのは加速器システムとは直接接続されておらず、パラメータを一括してファイルに書き込み、それデータの取り込みも制御操作も行える状態ではない。しかしながら、事前にイ．ンタフエースの評価をデータベースとして蓄積することで、類似の条件で運転を行う場合の初期値の設定を支援する機を行う必要があるために、ビームの輸送系のシ能である。本システムでは、1ノabVIEWからミュレータをLa帥IEW上に構築し、模擬的な入出h（i仁rOSDft E‡CEL形式のデータを書き出し、EXCEL力に対するシステムの挙動を再現できるようにしのデータとしてデ帥夕べ−スを構築することとしている。

た。これにより、データの保持・管理・捜索は、強力かつ広範囲の分野で利用されているEXCELの機

図2に0v巳rView部分のディスプレーの表示例を能を利用できるというメリットがある。Windo耶環示す。

境では、LabVIEWからEXCELを呼び出す形式で利用

Fig・20veⅣiewDisplay

る。更に、万が一に備え、共通のバックアップデータベースを管理者が保有する形態としている。
次に多変数最適化問題の視覚的な支援機能について述べる。固3，引こシングルパラメータ調整モードの表示例を示す。
Slideli訂DigitalPan6】

Fig3SingleParaIⅢterControIMode（1）あるパラメータに対して、現在の値を中心にLてプラスマイナス双方向に少しづっ値を変化させた時のターゲットカレントの変化を見るという挙動は、熟練運転員に共通して観案されている。運転者は通常、どの制御器を操作すべきか表示情報だけからでは明らかではないような場合、このような換作を行うをことで、トライアンドエラー的に動かすべきパラメータとその方向を見出している。シングルパラメータ調整モードはこの運転員の行動を支援する機能であり、システム側が全ての可制御パラメータについて日動的に行い、ターゲット電流のレスポンスを視覚的に表示する。例
えば、囲3においてはSTRlやl−Q−Lensを操作するよりは0−一甘−Lensを操作したはうが、暫定的ではあるがターゲット電流を増加させることがきることが人目で判る訳である。このパネルにもスライドバーとデジタルパネルメータを配置し、リアルタイムで変化する情報を見ながら操作することができるようにしている。
次にダブルパラメータ調整モードについて説明する。図5にダブルパラメータ調整モードの表示例を示す。ダブルパラメータ調整モードは前述のように、密接に関連する二つのパラメータを同時に動かす熟練者の挙動をインタフェ山スとして支Fig．4SingleParaJTKterControIMode（2）することができるので、LabVIE町上で検索条件を指定し榛東をEXCELに命令し、検索結果のパラメー援する機能である。運転員は2つのパラメータを段階的に動かして、ターゲットカレントの分布を頭の中で再構成しビームの最適化を行っている。ダブルパラメータ調整モードは、このような熟練運タセットを呼び出して、それを制御パラメータと転員の操作を支援すること目的としており、二つのパラメータの組を二次元平面上の点で表し、そして一括してセットすることが可能となる。のパラメータの組に対応するターゲット電流値を本システムは複数の研究グループで利用される色の濃淡で表現している。運転員は、この濃淡のこととなるために、このデータベースの管理の方情報を参考にしながら、二次元平面上のカーソル法にも十分注意を払う必要がある。データベースを動かすことで、より適切なパラメータ設定を行の管理は、ユーザもしくは実験グループ単位でのうことが可能になる。

自己管理を原則とする予定である。様々な実験条件によってビームの調整法が異なるためと、他人のデータを破損する等のトラブルを防ぐためであシングルパラメータ調整モードに関しても、ダブルパラメータ調整モードに関しても同様である

Fig・5DoubleParameterControIModeが、パラメータを動かした時のターゲットビーム検証を行い、更に統合的な制御の実現へ向けて研電流値は、実際には制御量を動かして計測する必究を続けている予定である。

要がる。制御量を動かした時のレスポンス時間が多少あるために、評価すべきパラメータの組の数

本研究は文部省科学研究費補助金奨励研究（几）が増える毎に、図のような評価のための情報を得1075017引こよる援助を受けていることを付記する。

るにはある程度の時間が必要になる。この時間に関しては今後実機でのテストを通じて調整してい参考文献

く必要があるが、最初はより租．く全体の挙動を示［1］倉持嘉徳，高橋信，松山成男‥藤沢正則，北村

して、段階的に調整していくような方法や、ユー

正晴ニタスク分析に基づくインタフェース高度化手

ザ主導で探索空間を効率的に狭めていくような方法の実験用加速器への応用．第一報．タスク分析に法も必要なのではないかと考えている。

基づくインタフェースの必要条件の抽出．計測自動制御学会東北支部，資料番号177−16（19弛）

現時点においては、本プロトタイプインタ［2：］Takahashi，M．et．al．，仙tualAdaptive

フェースを利用した実際の運転を行う段階までに

Int巳rface：Basic CDnCePt．Proc．of 2nd IEEEは至っていないが、構築したプロトタイプインタ

ITlternationalW■orkshop on RobDt andIIuman

フェースを、熟練運転員に評価してもらった結果、極めて肯定的な評価を得ることができた。今年度

Comrnunication；RO一九IAⅣ 93（1993）．

中には、実際の運用を開始し、現実的状況においてのシステムの評価を行う予定である。
4．結論
本報告では、実験用加速器の運転に関するタス
ク分析の結果得られた指針に基づき開発を行っているプロトタイプインタフェースと加速器システ

ムへの美装の現状について述べた。A血ptabl巳なインタフェースという基本方針に基づき、LabVIEWを利用し作成したプロトタイプインタフェースは、熟練運転者から高い評価を得ることができた。今後は、実際の運用を通じて本システムの有効性の