הערכת היבטי שימושיות של פתרון מציאות משולבת לניתוח מקיף בתרחישי תעשייה 4.0

פתרונות מציאות מדומה (פתרונות VR) חשובים יותר ויותר בתחומים שונים. לעתים קרובות, עם פתרונות VR (כולל מציאות מדומה, מציאות משולבת ומציאות רבודה), הביצוע של משימות ונהלים יומיומיים רבים יוקל יותר. לדוגמה, בתחום הרכב, הליך התצורה של מכונית יכול להיות נתמך על ידי שימוש במציאות מדומה¹ (VR). חוקרים ואנשי מקצוע חקרו ופיתחו מספר רב של גישות ופתרונות בהקשר זה. עם זאת, מחקרים החוקרים היבטי שימושיות הם עדיין נדירים. ככלל, יש לבחון את ההיבטים לאור שתי שאלות מרכזיות. ראשית, יש להעריך האם פתרון VR אכן עולה בביצועיו על גישה שאינה עושה שימוש בטכניקות VR. שנית, מכיוון שפתרונות VR מסתמכים בעיקר על התקני חומרה כבדים ומורכבים, יש לחקור לעומק פרמטרים כמו נוחות השחיקה והמאמץ המנטלי. בנוסף, יש לחקור תמיד את ההיבטים הנ”ל ביחס לתחום היישום המדובר. למרות שגישות קיימות רבות רואות את הצורך לחקור שאלות אלה², קיימים פחות מחקרים שהציגו תוצאות.

נושא מחקר בתחום VR, שהוא חשוב כיום, מסומן בניתוח אימרסיבי. הוא נגזר מתחום המחקר של ניתוח חזותי, אשר מנסה לכלול את התפיסה האנושית לתוך משימות ניתוח. תהליך זה ידוע גם בשם כריית נתונים חזותיים⁴. ניתוח אימרסיבי כולל נושאים מתחומי הדמיית נתונים, ניתוח חזותי, מציאות מדומה, גרפיקה ממוחשבת ואינטראקציה בין אדם למחשב⁵. היתרונות האחרונים בתצוגות המותקנות על הראש (HMD) הובילו לשיפור האפשרויות לחקור נתונים בצורה סוחפת. לאורך מגמות אלה, אתגרים חדשים ושאלות מחקר צצים, כמו פיתוח מערכות אינטראקציה חדשות, הצורך לחקור עייפות משתמשים, או פיתוח של הדמיות תלת-ממדיות מתוחכמות⁶. בפרסום קודם⁶ נדונו עקרונות חשובים של ניתוח אימרסיבי. לאור נתונים גדולים, שיטות כמו ניתוח אימרסיבי נחוצות יותר ויותר כדי לאפשר ניתוח טוב יותר של מאגרי נתונים מורכבים. קיימים רק מחקרים מעטים החוקרים את היבטי השימושיות של פתרונות ניתוח אימרסיביים. כמו כן, יש להתייחס גם לתחום או לתחום המדובר במחקרים אלו. בעבודה זו פותח אב טיפוס אנליטי אימרסיבי, ועל בסיסו פרוטוקול, החוקר את הפתרון שפותח עבור תרחישי תעשייה 4.0. בכך מנצל הפרוטוקול את שיטת ההתנסות², המבוססת על היבטים סובייקטיביים, ביצועיים ופיזיולוגיים. בפרוטוקול הנדון, ההיבטים הסובייקטיביים נמדדים באמצעות לחץ נתפס של משתמשי המחקר. ביצועים, בתורו, נמדדים באמצעות הזמן הנדרש ושגיאות שנעשו כדי לבצע משימות ניתוח. לבסוף, חיישן מוליכות העור מדד פרמטרים פיזיולוגיים. שני המדדים הראשונים יוצגו בעבודה זו, בעוד מוליכות העור הנמדדת דורשת מאמצים נוספים להערכה.

המחקר המוצג כולל מספר תחומי מחקר, במיוחד היבטים של מדעי המוח ומערכות מידע. באופן מעניין, שיקולים על היבטים של מדעי המוח במערכות מידע משכו לאחרונה תשומת לב של מספר קבוצות מחקר^7,8, מה שמראה את הדרישה לחקור את השימוש במערכות IT גם מנקודת מבט קוגניטיבית. תחום נוסף הרלוונטי לעבודה זו מהווה חקירת גורמים אנושיים של מערכות מידע 9,10,11. בתחום האינטראקציה בין אדם למחשב, קיימים מכשירים כדי לחקור את השימושיות של פתרון. שים לב שסולם שימושיות המערכת משמש בעיקר בהקשר זה¹². Thinking Aloud פרוטוקולים¹³ הם טכניקת לימוד נפוצה נוספת כדי ללמוד עוד על השימוש במערכות מידע. למרות שקיימות גישות רבות למדידת היבטי שימושיות של מערכות מידע, וחלקן הוצגו זה מכבר¹⁴ , עדיין עולות שאלות הדורשות לחקור מדדים חדשים או שיטות לימוד חדשות. לכן, המחקר בתחום זה פעיל מאוד^12,15,16.

להלן יידונו הסיבות מדוע לא נלקחו בחשבון בעבודה הנוכחית שתי שיטות נפוצות. ראשית, סולם שימושיות המערכת לא היה בשימוש. הסולם מבוסס על עשר שאלות¹⁷ וניתן למצוא את השימוש בו גם במספר מחקרי VR אחרים¹⁸. מכיוון שמחקר זה מכוון בעיקר למדידת לחץ¹⁹, שאלון הקשור ללחץ היה מתאים יותר. שנית, לא נעשה שימוש בפרוטוקול²⁰ של “חושבים בקול רם”. למרות שסוג פרוטוקול זה הוכיח את יעילותו באופן כללי¹³, הוא לא שימש כאן מכיוון שרמת הלחץ של משתמשי המחקר עשויה לעלות רק בשל העובדה שסשן החשיבה בקול רם חייב להתבצע במקביל לשימוש במכשיר VR כבד ומורכב. למרות ששתי טכניקות אלה לא היו בשימוש, תוצאות של מחקרים אחרונים אחרים שולבו במחקר הנדון. לדוגמה, בעבודות קודמות^21,22, המחברים מבחינים בין טירונים למומחים בלימודיהם. בהתבסס על התוצאות המוצלחות של מחקרים אלה, הפרוטוקול העומד לרשותנו משתמש בהפרדה זו המוצגת בין משתמשי המחקר. מדידת המתח, בתורו, מבוססת על רעיונות של העבודות הבאות 15,19,21,22.

בשלב הראשון, לצורך ביצוע המחקר, יש למצוא תרחיש מתאים של תעשייה 4.0 לביצוע משימות אנליטיות. בהשראת עבודה אחרת של המחברים²³, זוהו שני תרחישים (כלומר, משימות הניתוח), (1) זיהוי חריגים, ו-(2) זיהוי אשכולות. שני התרחישים מאתגרים, והם רלוונטיים מאוד בהקשר של תחזוקה של מכונות ייצור בתפוקה גבוהה. בהתבסס על החלטה זו, שישה שיקולים עיקריים הניעו את פרוטוקול המחקר המוצג בעבודה זו:

1. הפתרון שיפותח לצורך המחקר יתבסס טכנית על משקפי מציאות משולבת חכמים (ראו טבלת חומרים) ויפותח כיישום מציאות משולבת.
2. יש לפתח בדיקה מתאימה, המסוגלת להבחין בין טירונים למשתמשים מתקדמים.
3. מדדי ביצועים צריכים לקחת בחשבון זמן ושגיאות.
4. יש לפתח יישום שולחן עבודה, אשר ניתן להשוות לפתרון ניתוח immersive.
5. יש ליישם מדד כדי להעריך את רמת הלחץ הנתפסת.
6. בנוסף לנקודה האחרונה, יפותחו תכונות להפחתת רמת הלחץ בזמן שהמשתמש מבצע את ההליך של שתי משימות הניתוח שהוזכרו (כלומר, (1) זיהוי חריגים, ו- (2) זיהוי אשכולות).

בהתבסס על שש הנקודות שהוזכרו, פרוטוקול המחקר משלב את ההליך הבא. משימות זיהוי חריג וניתוח אשכולות צריכות להתבצע בדרך סוחפת באמצעות משקפיים חכמים של מציאות משולבת (ראה טבלת חומרים). לכן, פותחה אפליקציה חדשה. צלילים מרחביים יקלו על ביצוע מטלות ניתוח מבלי להגביר את המאמץ המנטלי. תכונה קולית תקל על הניווט המשמש ליישום המפותח של משקפי המציאות המשולבת החכמים (ראה טבלת חומרים). מבחן רוטציה מנטלי יהיה הבסיס להבחנה בין טירונים למשתמשים מתקדמים. רמת הלחץ נמדדת על סמך שאלון. ביצועים, בתורם, מוערכים בהתבסס על (1) הזמן הדרוש למשתמש עבור משימות הניתוח, ובהתבסס על (2) שגיאות שבוצעו על-ידי משתמש עבור משימות הניתוח. הביצועים בזכוכית חכמה של מציאות משולבת מושווים לביצוע אותן משימות ביישום שולחן עבודה דו-ממדי שפותח לאחרונה וניתן להשוואה. בנוסף, מכשיר מוליכות העור משמש למדידת רמת מוליכות העור כאינדיקטור אפשרי ללחץ. תוצאות מדידה זו כפופות לניתוח נוסף ולא יידונו בעבודה זו. המחברים גילו במחקר אחר עם אותו מכשיר כי נדרשים שיקולים נוספים²⁴.

בהתבסס על פרוטוקול זה, חמש שאלות המחקר הבאות (RQs) מטופלות:

RQ1: האם יכולות הדמיון המרחבי של המשתתפים משפיעות על ביצוע המשימות באופן משמעותי?
RQ2: האם יש שינוי משמעותי בביצועי המשימות לאורך זמן?
RQ3: האם יש שינוי משמעותי בביצועי המשימות בעת שימוש בצלילים מרחביים בפתרון הניתוח הסוחף?
RQ4: האם הניתוח האימרסיבי שפותח נתפס מלחיץ על ידי המשתמשים?
RQ5: האם ביצועי המשתמשים טובים יותר בעת שימוש בפתרון ניתוח מקיף בהשוואה לגישה דו-ממדית?

איור 1 מסכם את הפרוטוקול המוצג ביחס לשני קני מידה. זה מראה את האמצעים המפותחים והמשמשים ואת החידוש שלהם ביחס לרמת האינטראקציה. מאחר שרמת האינטראקציה מהווה היבט חשוב בעת פיתוח תכונות עבור סביבת VR, איור 1 יראה טוב יותר את החידוש של כל הפרוטוקול שפותח בעבודה זו. למרות שההערכה של ההיבטים בתוך שני הסולמות המשמשים היא סובייקטיבית, הערכתם הכוללת מבוססת על העבודה הקשורה הנוכחית ועל השיקולים העיקריים הבאים: עיקרון חשוב אחד מהווה את השימוש בהפשטות של סביבה לאינטראקציה טבעית, שבה המשתמש נעשה קשוב. ביחס לפרוטוקול הנדון, נראה כי הדמיה של ענני נקודה אינטואיטיבית למשתמשים וזיהוי דפוסים בעננים כאלה הוכר כמשימה הניתנת לניהול באופן כללי. עיקרון חשוב נוסף הוא כיסוי של affordances. לפיכך, השימוש בצלילים מרחביים כפי שנעשה בהם שימוש בפרוטוקול הנדון הוא דוגמה, שכן הם מתואמים עם קרבתו של אובייקט שחיפש. המחברים ממליצים לכוונן את הייצוגים באופן שרוב המידע ממוקם באזור הביניים, שהוא החשוב ביותר לתפיסה האנושית. הסיבה לכך שהמחברים לא כללו עיקרון זה הייתה לעודד את המשתמש למצוא את המקום הטוב ביותר בעצמו, כמו גם לנסות להתמצא במרחב ויזואליזציה של נתונים, שהוא גדול מכדי להיות מוצג בבת אחת. בגישה המוצגת, לא נעשו שיקולים נוספים של מאפייני הנתונים התלת-ממדיים שיוצגו. לדוגמה, אם מניחים שממד הוא זמני, ניתן היה להראות תרשימי פיזור. המחברים רואים סוג זה של ויזואליזציה בדרך כלל מעניין בהקשר של תעשייה 4.0. עם זאת, יש להתמקד בקבוצה קטנה למדי של הדמיות. יתר על כן, פרסום קודם כבר התמקד בניתוח שיתופי של נתונים. בעבודה זו, שאלת מחקר זו לא נכללה בשל מורכבותן של הסוגיות האחרות שנדונו במחקר זה. בהגדרה המוצגת כאן, המשתמש יכול לחקור את החלל immersive על ידי הסתובבות. גישות אחרות מציעות בקרים לחקור את המרחב הווירטואלי. במחקר זה, המוקד מוגדר על השימושיות באמצעות סולם שימושיות המערכת (SUS). פרסום קודם אחר ערך מחקר עבור מומחים כלכליים, אך עם משקפי VR. באופן כללי, והכי חשוב, מחקר זה מתלונן על שדה הראייה המוגבל עבור מכשירים אחרים כמו משקפי המציאות המשולבת המשומשים בעבודה זו (ראה טבלת חומרים). הממצאים שלהם מראים כי מתחילים בתחום VR היו מסוגלים להשתמש בכלי האנליטי ביעילות. זה תואם את החוויות של מחקר זה, אם כי בעבודה זו מתחילים לא סווגו יש חוויות VR או משחקים. בניגוד לרוב פתרונות המציאות המדומה, מציאות משולבת אינה מקובעת למיקום מכיוון שהיא מאפשרת לעקוב אחר הסביבה האמיתית. גישות VR כגון מזכירות את השימוש בכיסאות מיוחדים לחוויה של 360° כדי לשחרר את המשתמש משולחן העבודה שלו. מחברי המחקר מצביעים על כך שבעיות תפיסה משפיעות על הביצועים של ניתוח אימרסיבי; לדוגמה, באמצעות צללים. עבור המחקר הנדון, זה לא ריאלי, כמו משקפיים חכמים מציאות משולבת בשימוש (ראה טבלה של חומרים) אינם מסוגלים להציג צללים. פתרון עוקף יכול להיות רצפה וירטואלית, אבל הגדרה כזו הייתה מחוץ לטווח של מחקר זה. מחקר סקר בתחום האנליטיקה האימרסיבית זיהה פיזור תלת-ממדי כאחד הייצוגים הנפוצים ביותר של נתונים רב-ממדיים. בסך הכל, לא ניתן למצוא את ההיבטים המוצגים באיור 1 המורכבים כעת לפרוטוקול החוקר היבטי שימושיות של ניתוח אימרסיבי עבור תרחישי תעשייה 4.0.