Системы виртуальной реальности для поддержки принятия государственных решений
Райков А.Н.

Информационно-технологическая поддержка сложных социально-политических и экономических решений требует особого подхода к обеспечению естественности восприятия информации лицами, принимающими решения. Этому служат системы виртуальной реальности, которые направлены на обеспечение конкретизации абстрактного представления этих лиц о решаемой проблеме и стимуляцию ее углубленного понимания на основе представления информации в виде, напоминающем окружающую реальность. Показано современное состояние развития систем виртуальной реальности.

Эффективность применения информационных систем поддержки государственных решений (СПГР), основные аспекты оценки которой рассмотрены в работе [1], во многом определяется способностью этих систем обеспечить кумулятивность (одномоментность, сконцентрированность) представления широкого спектра разнородной аналитической и справочной информации лицам, принимающим решения (пользователям СПГР).

Принятие решения — это волевой акт, заключающийся в обоснованном выборе пользователями наилучшего решения из имеющихся альтернативных вариантов, которые подготовлены заранее или построены в процессе обсуждения решаемой проблемы.

Информационно-технологическая традиция определения понятий "обоснованное решение" или "наилучшее решение" обычно сводится к формулированию и расчету некоторого количественного или логического критерия оценки качества принимаемого решения. Выбор решения сводится, например, к формализованному исследованию альтернативных вариантов развития событий на основе числового эксперимента или логического имитационного моделирования. В основу описания вариантов развития ситуации берутся дискретные признаки исследуемой ситуации: ее характеристики, технико-экономические показатели, реквизиты. При этом могут использоваться наглядные средства построения диаграмм, карт, графиков. Вместе с тем известно, что на принятие государственного решения очень большое и даже определяющее влияние оказывает интуитивный фактор. Поэтому в понятиях "обоснованное решение" или "наилучшее решение", скорее, больше субъективно-психологического, когнитивного, чем формализованного, количественного.

При создании систем поддержки принятия решений исследователи уделяют определенное внимание неколичественным аспектам оценки их качества. Для решений государственного уровня, объекта управления которых являются нечеткие ситуации социально-политической и экономической природы, такой подход имеет особое значение. Вместе с тем неколичественные подходы на практике, как правило, сводятся к формально-логическому представлению исследуемой ситуации и характеризующих ее аспектов.

Важное место в этих подходах отводится экспертным системам, основанным на знаниях (базах знаний). Выбор решения сводится к интерактивному решению задачи логического вывода различных альтернатив в зависимости от задаваемых исходных данных. Логический инструментарий при этом может иметь достаточно сложную надстройку — применяются нечеткие, многозначные, интуиционистские и модальные логики, используется немонотонный вывод, для неалгоритмизируемых задач рассматриваются параллельные вычисления и пр. Большинство зарубежных систем поддержки решений использует логический инструментарий для решения достаточно сложных задач, таких, например, как принятие решений в конфликтных ситуациях, связанных с освобождением заложников.

В основе создания указанных информационных подходов к поддержке принятия решений лежит, как правило, одно определяющее условие: подготавливаемое решение должно иметь ретроспективные аналоги, прецеденты. Исследуемая ситуация и ее прецеденты должны быть тщательно изучены и формально описаны с использованием некоторого языка и метода моделирования, позволяющего накапливать знания, выявлять логическую закономерность и прогнозировать развитие событий в зависимости от выбранного решения. Формальное описание прецедентов осуществляется путем формирования множества описаний отдельных конкретных случаев в виде, например, анкет или логических предложений (так называемый case-based метод).

Как показано в работах [1, 2], подобные подходы при создании СПГР применительно к реформируемой российской экономике имеют ограниченное применение из-за:

• большой информационной открытости процессов поддержки принятия решений, приводящей к постоянному изменению исходных данных;
• необходимости большего акцентирования внимания на поддержке процессов постановки задач, чем на их решении известными методами;
• большой уникальности (неповторимости) каждого решения, отсутствия прецедентов, что препятствует построению баз знаний и моделей;
• субъективности критериев оценки решений и наличия в технологиях явных элементов интуитивного характера, что не позволяет эффективно пользоваться формализованными методами;
• высоких требований к оперативности подготовки и принятия решений при разреженности и противоречивости исходной информации;
• влияния девиационных процессов на принятие решений, приводящих к изменению заранее намеченного плана обсуждения решаемой проблемы;
• хаотичности поведения объекта управления и процессов принятия решений, требующей применения нетрадиционных методов оценки устойчивости процессов принятия решений.

Эти причины можно классифицировать в два множества по признаку степени формализуемости процесса. В первое множество войдут причины, связанные с учетом субъективных, психологических факторов, во второе — с факторами информационно-формальными, программно-техническими, математическими. Для входящих в указанные множества причинами существуют различные средства и методы решения связанных с ними проблем. На них мы останавливались в ряде уже опубликованных работ (см., например, ссылки к работам [1, 2].

Нетрадиционную сложность, не рассмотренную специально нами ранее, составляет проблема преодоления психологического барьера к использованию информационно-формальных и технических средств поддержки принятия решений, интерактивного взаимодействия средств и методов совместного решения проблем, относящихся к двум указанным множествам. Это связано, прежде всего:

• с привычкой пользователей больше доверяться своей интуиции, знаниям и опыту, чем навязываемому извне предложению или подходу по решению того или иного вопроса;
• с существенно более богатым (и не всегда объяснимым) содержанием реальной действительности по сравнению с предлагаемыми на основе применения формальных методов описаниями альтернатив решений;
• с большими трудностями построения дружественного интерфейса между пользователями и формальным описанием моделируемой реальности.

Необходим эффективный интерфейс между психологическим и формальным, интуитивным и алгоритмизируемым методами групповых экспертных процедур и традиционными методами моделирования. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения.

В рамках этого рассмотрения особое место занимают вопросы, связанные с адекватностью представления пользователя о решаемой проблеме: соответствует ли это представление реальной действительности, каково понимание пользователем показываемых ему модели и описания проблемы? Зачастую при всей широте охвата и глубине понимания рассматриваемого вопроса пользователь физически не в состоянии в отведенный промежуток времени кумулятивно осознать весь представляемый ему средствами СПГР материал. Эти обстоятельства существенно снижают уровень доверия пользователя к СПГР, делают достаточно высоким уровень абстракции обсуждения проблемы.

Большинство современных средств визуализации материалов и средств мультимедиа ориентированы на работу с одним (персональным) пользователем. СПГР же должна быть преимущественно ориентирована на работу с группой пользователей, когда эффективность принятия решений во многом определяется синхронностью взаимодействия всех участников обсуждения. Здесь важен фактор одновременности и одинаковости понимания одного и того же вопроса или его аспекта всеми участниками обсуждения. Важен фактор "резонанса", когда консенсус в принятии группового решения достигается при одновременной адекватности соотношения реальной действительности тем понятиям, которые сформировались в сознании обсуждающих на основе оперативного осмысления увиденного и услышанного в СПГР.

Использование же традиционных средств отображения коллективного доступа и аудиопредставления информации в СПГР, во-первых, не ориентировано на дифференцированное представление информации пользователям, находящимся в различных местах аудитории и не всегда имеющим одинаковое представление об обсуждаемых аспектах проблемы. Во-вторых, пользователи в СПГР, как правило, не рассматриваются как лица, желающие активно (в рамках своего понимания проблемы) влиять на процесс презентации (представления) материалов, вносить существенные изменения в заранее намеченный план обсуждения проблемы.

Пользователей комплексных моделирующих систем, как показывает практика, не всегда устраивает универсальный интегрирующий интерфейс, позволяющий обращаться к различным неоднородным средствам обработки данных и визуального представления информации. Пользователи более адекватно воспринимают эти средства без опосредования их универсальным интерфейсом. При условии, конечно, что каждое отдельное средство имеет свой дружественный интерфейс, разработанный с учетом специфики обрабатываемой этим средством информации. Пользователь желает как можно больше чувствовать себя активным управляющим звеном в процессе принятия решений, а не пассивным созерцателем представляемой ему информации. Это, наверное, сейчас наиболее значимая парадигма, которая должна учитываться при создании технологий интеграции разнородных средств поддержки принятия решений.

В СПГР указанная парадигма имеет свою специфику, связанную с тем, что эти системы должны быть ориентированы на группы пользователей. Каждое решение должно быть согласовано в группе. Это вопрос больше лежит в плоскости психологической, чем в формально-технологической. Согласование групповых решений на основе средств СПГР целесообразно осуществлять с использованием методов и средств поддержки групповых экспертных процедур. При этом каждый шаг обсуждения, выбор ключевых факторов проблемы, критериев их оценки для ранжирования важности желательно осуществлять с использованием известных программно-математических методов анализа данных (см., например, работу [31].

Существенно сложнее решить проблему повышения уровня адекватности реальной действительности тем понятиям, которые формируются в сознании принимающих решение на основе оперативного осмысления представляемого в СПГР материала. Для повышения этого уровня, по нашему мнению, целесообразно обеспечить максимально естественное представление элементов рассматриваемого материала, максимально "приблизить" принимающих решение лиц к реальной действительности. В условиях СНГР это требуется сделать в небольшой аудитории (зале, комнате), где принимаются решения, оборудованной соответствующими средствами представления информации.

В технологическом аспекте рассмотрения этой проблемы особый интерес представляют исследования и разработки средств обеспечения так называемой виртуальной реальности. В широком смысле, виртуальная реальность — это компьютерные технологии, позволяющие пользователям взаимодействовать с трехмерным, компьютерно-поддерживаемым пространством в реальном времени. При этом важно обязательное совместное присутствие трех основных факторов: активное двунаправленное диалоговое взаимодействие пользователей с искусственным представлением реальности (синтезированной реальностью), наличие трехмерной графики и звука, а также эффект погружения (в зарубежной литературе — immersion). Причем, главное здесь — это одновременное комбинирование указанных факторов в реальном времени.

В зарубежной и отечественной практике достигнуты определенные успехи в развитии средств и методов, реализующих указанные факторы в отдельности для различных достаточно сложных проблемных областей. Успешное же комбинированное функционирование в реальном времени этих средств обеспечено пока для достаточно ограниченного спектра проблемных областей, например, нейрохирургия, психотерапия, обучение вождению автомобиля.

Развитие средств обеспечения виртуальной реальности осуществляется, прежде всего, покомпонентно с учетом пяти человеческих органов чувств: зрения, слуха, осязания, запаха, вкуса.

Создание средств визуализации информации при разработке средств виртуальной реальности имеет своей целью достижение чувства присутствия принимающих решения лиц в реальном мире за счет предоставления им высококачественных образов. Для этого прежде всего обеспечивается, чтобы изменение образных сцен, отображаемых в реальном времени на экранах коллективного доступа, соответствовало изменению позиций рассмотрения этих сцен одним пользователем или, что существенно более сложно, — каждым участником группы пользователей. Обеспечивается как бы "погружение" пользователей в синтетическое окружение, что существенно отличает системы виртуальной реальности от интерактивной компьютерной графики или мультимедиа. Возможность достижения чувства присутствия пользователей в реальном мире, вызванное погружением в мир виртуальный, требует принципиального отличия визуально-графических систем, обеспечивающих виртуальность, от систем мультимедиа.

Методики виртуальной визуализации должны больше учитывать психологические аспекты активного и доминирующего поведения пользователей. Визуализация должна вызывать двигательную стимуляцию пользователя, сопровождаться физическими действиями пользователей или воздействиями на него извне. Пользователь должен чувствовать себя активным хозяином положения. Если он задумал произвести над имитируемым (виртуальным) окружением какое-либо действие, то он должен быть уверен, что образ окружения изменится. И, наоборот, если изменение виртуальной реальности предполагает некое физическое воздействие на пользователей, то имитация этого воздействия должна быть реализована (разумеется, в рамках пределов его безопасности).

В виртуальных системах, в которых удается обеспечить замкнутость исследуемого пространства, такие требования уже реализуются на практике. Например, в проблемной области исследования и Лечения акрофобии (боязни веса) поведенческая терапия включает комбинирование терапевтического расслабления больного с визуальным выставлением псевдореальных предметов до тех пор, пока ощущения боязни не ослабнут. При этом определяются вызывающие беспокойство стимулы, от визуального же выставления требуется, чтобы больной ощущал реальность.

В имитации процесса вождения автомобиля высококачественное погружение достигается за счет имитации полного спектра сенсорных намеков — визуальных, двигательных, слуховых, тактильных. Водителю предоставляется полная возможность управлять имитируемым автомобилем. Внешнее окружение .движущегося автомобиляг моделируется в деталях, включая геометрическую корректировку дороги, отображение изменяющихся данных на контрольных приборах и пр.

Виртуальная реальность имеет большие преимущества по сравнению с действительной реальностью. Прежде всего это возможность создавать любое окружение, даже такое, которое выходит за рамки допустимых пределов в реальности. Например, в примере с вождением автомобиля — это возможность .создавать виртуальные прототипы для будущих скоростных магистралей, дорожных устройств безопасности (до того, как физически эти устройства построят).

Для более сложных открытых систем дело обстоит сложнее. Особенно это касается таких систем, для которых трудно или небезопасно репродуцировать сложные комплексные ситуации и сценарии. Например, это имитация расширяющихся зон экологического бедствия или межнациональных конфликтов в результате непродуманных (непросчитанных) управляющих воздействий. Средства представления виртуальной реальности здесь могут ограничиться соответствующим видео- и аудиопредставлением виртуальной реальности (без затрагивания остальных трех органов чувств).

Виртуальная реальность позволяет также накапливать (собирать) декомпозированные элементы синтезированных образов реальности с учетом реакции на них принимающих решения лиц (одобрения или осуждения). Это позволяет избежать дорогостоящих и сложных, а иногда и просто недоступных измерений физической реальности.

Факторами успеха разработки и использования средств поддержки виртуальной реальности (соответствующих пока трем органам чувств: зрение, слух, осязание), скорее всего, являются:

наличие соответствующих управляющих и ответно-сигнальных интерфейсов, через которые принимающие решение лица, с одной стороны, управляют окружающей (синтезированной) реальностью, а с другой — ощущают воздействие на себя этой реальности;

максимально естественный и коррелируемый с ожидаемым отклик в реальном времени виртуального окружения на управляющее воздействие принимающего решение лица;

наиболее естественное синтезирование внешнего (виртуального) окружения, представляющего сцены из реальной жизни проблемной ситуации, по которой принимается решение.

Для замкнутых виртуальных систем моделирование и представление окружения, например, движение автомобиля, — это, прежде всего, решение алгебраических и дифференциальных уравнений движения с последующим мультипликативно-художественным синтезированием образов реальности (дорога, гора, лес, бензозаправочная станция и пр.). Для СПГР синтезирование образов должно проводиться на основе комбинирования фрагментов фотографических съемок реальной действительности с мультипликацией и графикой.

Для достижения чувства максимальной естественности визуального восприятия синтезированной реальности должно быть обеспечено, прежде всего, неосевое стереоскопическое представление образов (желательно, для отображения образов на трех окружающих стенах и потолке). Неосевое представление необходимо для визуализации стереосцен перед группой пользователей. Однако современные системы пока успешно могут обеспечить представление трехмерного изображения только для одного пользователя из группы. Стереопредставление визуальной информации требует использования поляроидных очков, что не всегда удобно в условиях работы СПГР — участники обсуждения проблемы должны ясно видеть друг друга. Поэтому необходимы дальнейшие исследования в этой области. Например, в основу создания более сложных средств визуализации виртуальной реальности может быть положена голографическая технология записи и воспроизведения информации.

При включении в динамически изменяющийся виртуальный образ синтезированных художественно-мультипликативных сцен сейчас используются, например, интерполяционные алгоритмы обработки данных, основанные на кватернионе (четырехмерной ассоциативной алгебре над полем действительных чисел, имеющей скалярную и векторную трехмерную часть). Эти алгоритмы применяются для описания и последующего визуального представления процесса произвольного вращения трехмерного пространства вокруг начала координат.

Особую сложность в СПГР составляет построение адаптированных предикатных датчиков, снимающих показания движения тела, рук, голов, элементов лиц пользователей, принимающих решения. Здесь важна алгоритмическая интерпретация этих движений в "рамках контекста демонстрируемой проблемы. Может помочь в решении проблемы использование персептронного и нейросетевого подходов к распознаванию траекторий движения пользователей, однако алгоритмическая интерпретация результатов распознавания всё равно требуется — для "понимания" управленческого смысла жестов и последующего синтеза изменения виртуальных сцен.

В виртуальном аудиоспектре вопросов также важен фактор достижения чувства реальности, поскольку аудиопредставление, гармонично дополняя визуальное, явно усиливает это чувство. Для этого используется стереофоническое или квадропредставление звуковой информации. Здесь центральной проблемой является обеспечение полного звукового виртуального окружения, в котором источники звука пространственно локализуются, могут быть привязаны к виртуальному объекту и могут поддерживать их локализацию при движущемся окружении. Сейчас известны коммерческие системы, которые могут создавать трехмерное звуковое окружение с наушниками или рядами громкоговорителей.

Спектр частот, воспроизводимый звуковыми усилителями и воспроизводящими звуковыми колонками, по нашему мнению, в СПГР не должен ограничиваться традиционным интервалом 20—20 ООО Гц, а динамический диапазон воспроизводимых записей при этом должен соответствовать диапазону оригинала звука в живой природе. Для этого звукозаписывающее и воспроизводящее оборудование должно иметь соответствующие характеристики. Например, верхняя граница спектра частот должна быть не менее 40 000 Гц, поскольку формируемые в этом диапазоне звуковые вибротона также воздействуют на организм человека. Однако верхняя и особенно минимальная нижняя границы спектра звуковых частот должны выбираться с условием обеспечения, безопасности для здоровья.

Большинство создаваемых виртуальных систем ориентированы на одного пользователя и не поддерживают работы группы действующих совместно пользователей. Виртуальные системы погружают одного пользователя в синтетическое окружение. В такой ситуации пользователь часто ограничивается пассивной ролью с ограниченными возможностями для взаимодействия с другими пользователями, что малоприемлемо для СПГР. Пользователи СПГР активно взаимодействуют в процессе принятия решений как между собой, так и с демонстрируемым окружением.

Максимальная активность взаимодействия (интерактивность) — центральная тема создания систем виртуальной реальности. Показ виртуальных образов должен корректироваться, куда бы пользователь не двигался — эта задача не из ближайших. Более доступно решить задачу обеспечения пользователя СПГР возможностью интерактивно взаимодействовать с виртуальными образами и управлять объектами из этого окружения. Лицо, принимающее решение, должен работать в игровом режиме. Для этого, во-первых, каждое рабочее место пользователя должно быть снабжено управляющими устройствами (клавиатурой, джойстиком, сенсорным датчиком, пультом управления и пр.) для обеспечения возможности получения непосредственных управляющих воздействий на представляемую виртуальную реальность. Во-вторых, в СПГР должна быть предусмотрена возможность распознавания управляющих движений и директивных физических действий пользователей, к которым относятся определенные жесты, высказывания, повороты и кивки головы, смещение зрачков глаз и пр. Для анализа наиболее сложных движений сейчас используются оптические следящие системы, линейки светодиодов, ультразвуковые датчики. Для слежения за движением руки человека в реальном времени могут быть применены специальные перчатки. Очевидно, что в СПГР интерпретация распознанных действий должна осуществляться автоматизированно и экспертно соответствующими специалистами.

Для обеспечения проектирования информационных систем, ориентированных на распределенную многопользовательскую обработку данных в процессе моделирования, разработан соответствующий стандарт (IEEE-1278), который регламентирует 27 различных протоколов данных, распределенных по шести группам, таким как: элементы данных и взаимодействия, управление моделированием, радиокоммуникации.

На интерактивный и распределенный режим работы при создании виртуальных систем ориентируется как видео-, так и аудиопредставление. При этом СПГР, ориентированные на поддержку совместной работы нескольких пользователей в одном помещении, принципиально отличаются от систем, ориентированных на поддержку работы одного пользователя. Это отличие, прежде всего, касается "обобщения" мнений различных пользователей по принимаемым решениям, а также интерактивно-управляющим воздействиям на процесс представления информации.

В области "обобщения" мнений пользователей при принятии решений имеется достаточно большое число научно-практических разработок. Это, прежде всего, известные методы и средства организации групповых экспертных процедур. При условии хорошей структуризации решаемой проблемы, выделения факторов и критериев оценки их значимости методы и средства групповых экспертных процедур достаточно успешно работают. В СПГР, однако, труднопреодолимую сложность пока составляет собственно выделение этих факторов и критериев. Но об этой сложности разговор отдельный — вне рамок настоящей статьи.

"Обобщение" же мнений (и желаний) пользователей по интерактивно-управляющим воздействиям на процесс представления информации в системах поддержки виртуальной реальности — вопрос достаточно новый, еще четко не сформулированный. Это, прежде всего, вопрос методического обеспечения и автоматизации:

• оперативного распознавания мнений пользователей, которые можно получить (воспринять) от них через комплексно-техническую имитацию визуальных, слуховых и осязательных каналов обработки информации;
• кодирования воспринятой информации в единой (для группы пользователей и обслуживающих систему операторов) системе классификации, координат, признаков, образов, знаков и пр.;
• семантического обобщения, "усреднения" (в реальном времени) закодированной информации и формирования собственно управляющих воздействий на процесс моделирования реальности и представления пользователям информации.
• воспроизведения — оборудование должно выбираться с учетом наиболее высококачественных международных стандартов.

Заключение. Информационно-технологическая поддержка сложных социально-политических и экономических решений требует особого подхода к обеспечению естественности восприятия информации лицами, принимающими решения. Этому служат системы виртуальной реальности, которые направлены на обеспечение конкретизации абстрактного представления этих лиц о решаемой проблеме и стимуляцию ее углубленого понимания на основе представления информации в виде, напоминающем окружающую реальность. Современное состояние развития систем виртуальной реальности при создании систем поддержки государственных решений помогает в определении ориентиров в выборе перспективных проектных решений.

Литература

1. Райков А.Н. Информационные системы поддержки государственных решений // Data Medium. 1995. № 2; 1996. № 3.

2. Райков А.Н. Интеллектуальные информационные технологии в аналитических исследованиях социально-политических объектов//НТИ. Сер. 2. 1994. № 11. С. 1-7.

3. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере. М.: Финансы и статистика. 1995. - 384 с.

4. Boman D.К. International Survey: Virtual-Environment Research// Computer. 1995. V. 28, № 6. P. 57-64.

---

&copy Информационное общество, 1996, вып. 1, с. 46-53.