DOI: https://doi.org/10.3389/frobt.2026.1698570
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41755889
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Roya Bakzadeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: التفاعل بين الإنسان والآلات والسلامة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الاحتياجات المعلوماتية الحرجة وتفضيلات الاتصال لفرق إنقاذ المناجم لإبلاغ تصميم الأنظمة الروبوتية للاستجابة للطوارئ تحت الأرض. من خلال مقابلات شبه منظمة مع عشرة خبراء في إنقاذ المناجم، تستخدم الدراسة التحليل الموضوعي لاشتقاق توصيات تصميم رئيسية. أكد المشاركون على أهمية البيانات الوضعية في الوقت الحقيقي، وواجهات الإنسان-الروبوت القابلة للتخصيص، والقدرات الوظيفية المحددة مثل رسم الخرائط، واكتشاف الغاز، والاتصال. تسلط النتائج الضوء على أوجه القصور في أنظمة التفاعل الحالية بين الإنسان والروبوت وتوفر رؤى قابلة للتنفيذ لتطوير تقنيات تتماشى مع الاحتياجات التشغيلية للمستجيبين.
تختتم الدراسة بإطار عمل لتصميم واجهات الإنسان-الروبوت المتوافقة معرفيًا التي تعمل كشركاء معرفيين بدلاً من شاشات بيانات سلبية. تشمل الموضوعات الرئيسية ضرورة وجود تخطيطات بصرية بديهية، وتيرة تحديث مرنة، وأولوية التنبيهات الحرجة لدعم اتخاذ القرار تحت الضغط. أعرب المشاركون عن رغبتهم في التحكم والتحقق من المعلومات، داعين إلى واجهات تسمح بالتعديلات اليدوية والتعليقات. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على نمذجة واختبار قابلية الاستخدام لهذه التوصيات التصميمية لتعزيز الوعي بالوضع، وتقليل الحمل المعرفي، وتحسين اتخاذ القرار في سيناريوهات الإنقاذ عالية الضغط.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للروبوتات في عمليات البحث والإنقاذ (S&R) في المناجم تحت الأرض، خاصة في السيناريوهات عالية المخاطر حيث قد يكون التدخل البشري خطيرًا أو غير ممكن. على الرغم من التقدم في تكنولوجيا الروبوتات، لا تزال هناك تحديات كبيرة بسبب الظروف البيئية القاسية في المناجم تحت الأرض، مثل الغبار والغاز والظلام، مما يعقد التنقل والاتصال والوعي بالوضع. تتطلب بروتوكولات الإنقاذ الحالية من الأفراد المدربين دخول المناطق الخطرة، وغالبًا ما يعتمدون على بيانات محدودة واتصالات متقطعة، مما قد يعيق اتخاذ القرار الفعال. يُقترح دمج الأنظمة الروبوتية كحل لتعزيز جمع البيانات والوعي بالوضع، ومع ذلك، فإنه يقدم مجموعة من التحديات الخاصة به، بما في ذلك موثوقية الاتصال وقابلية استخدام الواجهة.
تؤكد الورقة على أهمية توافق الأنظمة الروبوتية مع الاحتياجات العملية وتدفقات العمل لفرق إنقاذ المناجم. تحدد فجوة في الأبحاث الحالية بشأن التوقعات والتفضيلات المحددة لهؤلاء المحترفين فيما يتعلق بالتفاعل بين الإنسان والروبوت (HRI) وتصميم الواجهة. لمعالجة ذلك، تستخدم الدراسة مقابلات شبه منظمة مع المنقذين ذوي الخبرة لجمع رؤى حول احتياجات تبادل المعلومات وتفضيلات التحكم لديهم عند التفاعل مع الروبوتات الإنقاذ. تهدف الأبحاث إلى تحويل الروبوت من مجرد أداة إلى شريك معرفي تعاوني، مما يعزز فعالية الأنظمة الروبوتية في الاستجابة للكوارث من خلال مبادئ التصميم المتمحور حول المستخدم.
الطرق
توضح قسم المنهجية النهج المنهجي المستخدم في البحث، موضحة كل من الإطار النظري والتقنيات العملية المستخدمة. تعتمد الدراسة على تحليل كمي، مستفيدة من الأساليب الإحصائية لتقييم البيانات المجمعة. يتم ذكر الأدوات والبرامج المحددة المستخدمة لتحليل البيانات، مما يضمن إمكانية إعادة الإنتاج والشفافية في عملية البحث.
بالإضافة إلى ذلك، يصف قسم الطرق تقنيات العينة، ومعايير اختيار المشاركين، وإجراءات جمع البيانات. يؤكد على أهمية الحفاظ على الصرامة في التصميم التجريبي لتقليل التحيزات وتعزيز صلاحية النتائج. بشكل عام، تم هيكلة المنهجية لتوفير أساس قوي لنتائج البحث، مما يسهل فهمًا واضحًا للعمليات التي تؤدي إلى الاستنتاجات المستخلصة.
النتائج
كشفت نتائج التحليل الموضوعي عن ستة موضوعات رئيسية مستمدة من ترميز النصوص المتعلقة بوظائف الروبوت والاتصال بالبيانات في سيناريوهات إنقاذ المناجم. بدأت التحليل بنهج استقرائي، مما أدى إلى توليد 75 رمزًا أوليًا تم تجميعها لاحقًا في موضوعات أوسع من خلال المناقشات بين الباحثين لضمان التوافق والترابط. تشمل الموضوعات النهائية، كل منها مصقولة لتوضيح أفكارها المركزية:
1. **رسم الخرائط**: تركز على أهمية المعلومات المكانية الواضحة، بما في ذلك جوانب مثل القابلية للعبور، والمخاطر، ورصد البيئة.
2. **بيانات الغاز والبيئة**: تسلط الضوء على الحاجة إلى مؤشرات خطر قابلة للتفسير، تتناول قياس الغاز، والتصور، والتنبيهات الأمنية.
3. **الثقة والموثوقية**: تؤكد على أهمية الشفافية وآليات التحكم، بما في ذلك الإشراف البشري والتجاوزات اليدوية.
4. **تكرار التحديث والاستقلالية**: تتناول الحاجة إلى فترات تحديث مناسبة ومعايير المهمة، المتأثرة بالاستقلالية المعتمدة على الأحداث.
5. **مظهر الواجهة**: تهتم بتصميم وقراءة تقديم البيانات، مما يضمن البساطة والوضوح في التنبيهات والتخطيطات.
6. **الإدخال البشري وتحرير الخرائط**: تركز على أدوار المشغلين في تحرير الخرائط والتحكم، مع التأكيد على أهمية الإدخال اليدوي وتمكينهم.
بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد ثمانية وعشرون موضوعًا فرعيًا لتوضيح تفضيلات أنواع البيانات والصيغ، مما يوفر فهمًا شاملاً لأولويات المشاركين في سياق عمليات إنقاذ المناجم.
المناقشة
ت outlines قسم المناقشة في الورقة البحثية التطور المنهجي لاستبيان يهدف إلى تعزيز التفاعل بين الإنسان والروبوت في عمليات إنقاذ المناجم تحت الأرض. تضمنت هذه العملية نهجًا من ثلاث مراحل: تحليل بروتوكولات المجال المعتمدة من إدارة سلامة وصحة المناجم (MSHA) والمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH)، ومراجعة تقارير الكوارث التاريخية في المناجم لتحديد الفجوات التي يمكن أن تحسن فيها الروبوتات السلامة، وصياغة أسئلة المقابلة مع ملاحظات الخبراء. ركز الاستبيان النهائي على كل من الوظائف المحددة والاستفسارات الأوسع بشأن دور الروبوتات في مهام الإنقاذ، مما يضمن التوافق مع الاحتياجات الواقعية.
تمت عملية تجنيد المشاركين بعد الحصول على موافقة مجلس المراجعة المؤسسية (IRB)، مستهدفة الخبراء ذوي الخبرة الواسعة في عمليات إنقاذ المناجم. استخدمت عملية الاختيار أساليب العينة الملائمة وعينة كرة الثلج، مما أدى إلى إجراء مقابلات مع عشرة محترفين ذوي خبرة، كان لدى معظمهم خبرة مباشرة مع حالات الطوارئ في المناجم. استمرت المقابلات، التي استغرقت حوالي ساعة لكل منها، وتمت كتابتها وتحليلها باستخدام التحليل الموضوعي، مما سمح بتحديد الأنماط الرئيسية في توقعات وتفضيلات الخبراء بشأن الأنظمة الروبوتية. تم تعزيز التحليل أيضًا من خلال نماذج معرفية معتمدة، مثل الوعي بالوضع (SA)، ونظرية الحمل المعرفي (CLT)، ونظرية الموارد المتعددة (MRT)، لاشتقاق توصيات تصميم قابلة للتنفيذ تعالج المطالب المعرفية لعمليات الإنقاذ. تؤكد النتائج على ضرورة التصميم المتمحور حول المستخدم في واجهات الروبوتات، مما يبرز أهمية رسم الخرائط المفهومة والمفصلة، وبيانات الغاز القابلة للتنفيذ، والشفافية في موثوقية النظام لتعزيز الثقة وتحسين اتخاذ القرار في البيئات عالية الضغط.
DOI: https://doi.org/10.3389/frobt.2026.1698570
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41755889
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Roya Bakzadeh et al.
Primary Topic: Human-Automation Interaction and Safety
Overview
This research investigates the critical informational needs and communication preferences of mine rescue personnel to inform the design of robotic systems for underground emergency response. Through semi-structured interviews with ten mine rescue experts, the study employs thematic analysis to derive key design recommendations. Participants emphasized the importance of real-time situational data, customizable human-robot interfaces, and specific functional capabilities such as mapping, gas detection, and communication. The findings highlight deficiencies in current human-robot interaction systems and provide actionable insights for developing technologies that align with the operational needs of responders.
The study concludes with a framework for designing cognitively aligned human-robot interfaces that function as cognitive partners rather than passive data displays. Key themes include the necessity for intuitive visual layouts, flexible update pacing, and the prioritization of critical alerts to support decision-making under pressure. Participants expressed a desire for control and verification of information, advocating for interfaces that allow manual edits and annotations. Future research should focus on prototyping and usability testing of these design recommendations to enhance situational awareness, reduce cognitive load, and improve decision-making in high-stress rescue scenarios.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of robotics in underground mine search and rescue (S&R) operations, particularly in high-risk scenarios where human intervention may be perilous or unfeasible. Despite advancements in robotic technology, significant challenges remain due to the harsh environmental conditions of underground mines, such as dust, gas, and darkness, which complicate navigation, communication, and situational awareness. Current rescue protocols necessitate that trained personnel enter hazardous areas, often relying on limited data and intermittent communication, which can hinder effective decision-making. The integration of robotic systems is proposed as a solution to enhance data collection and situational awareness, yet it introduces its own set of challenges, including communication reliability and interface usability.
The paper emphasizes the importance of aligning robotic systems with the practical needs and workflows of mine rescue personnel. It identifies a gap in existing research regarding the specific expectations and preferences of these professionals concerning human-robot interaction (HRI) and interface design. To address this, the study employs semi-structured interviews with experienced mine rescuers to gather insights into their information exchange needs and control preferences when interacting with rescue robots. The research aims to transform the robot from a mere tool into a collaborative cognitive partner, thereby enhancing the effectiveness of robotic systems in disaster response through user-centered design principles.
Methods
The section on methodology outlines the systematic approach employed in the research, detailing both the theoretical framework and the practical techniques utilized. The study adopts a quantitative analysis, leveraging statistical methods to evaluate the data collected. Specific tools and software used for data analysis are mentioned, ensuring reproducibility and transparency in the research process.
Additionally, the methods section describes the sampling techniques, participant selection criteria, and data collection procedures. It emphasizes the importance of maintaining rigor in the experimental design to mitigate biases and enhance the validity of the findings. Overall, the methodology is structured to provide a robust foundation for the research outcomes, facilitating a clear understanding of the processes leading to the conclusions drawn.
Results
The results of the thematic analysis revealed six main themes derived from the coding of transcripts related to robot functionality and data communication in mine rescue scenarios. The analysis began with an inductive approach, generating 75 initial codes that were subsequently clustered into broader themes through discussions among researchers to ensure consensus and coherence. The final themes, each refined to articulate their central ideas, include:
1. **Mapping**: Focused on the importance of clear spatial information, encompassing aspects such as passability, hazards, and environmental monitoring.
2. **Gas and Environmental Data**: Highlighted the need for interpretable hazard indicators, addressing gas measurement, visualization, and safety alerts.
3. **Trust and Reliability**: Emphasized the significance of transparency and control mechanisms, including human oversight and manual overrides.
4. **Update Frequency and Autonomy**: Addressed the need for appropriate update intervals and mission parameters, influenced by event-triggered autonomy.
5. **Interface Appearance**: Concerned with the design and readability of data presentation, ensuring simplicity and clarity in alerts and layouts.
6. **Human Input and Map Editing**: Focused on the roles of operators in map editing and control, emphasizing the importance of manual input and empowerment.
Additionally, twenty-eight sub-themes were identified to further delineate preferences for data types and formats, providing a comprehensive understanding of participant priorities in the context of mine rescue operations.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the systematic development of a questionnaire aimed at enhancing human-robot interaction in underground mine rescue operations. This process involved a three-phase approach: analyzing established field protocols from the Mine Safety and Health Administration (MSHA) and the National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), reviewing historical mine disaster reports to identify gaps where robotics could improve safety, and drafting interview questions with expert feedback. The final questionnaire focused on both specific functionalities and broader inquiries regarding the role of robotics in rescue missions, ensuring alignment with real-world needs.
Participant recruitment was conducted following Institutional Review Board (IRB) approval, targeting experts with extensive experience in mine rescue operations. The selection process utilized convenience and snowball sampling methods, resulting in interviews with ten seasoned professionals, most of whom had direct experience with mine emergencies. The interviews, lasting approximately one hour each, were transcribed and analyzed using thematic analysis, which allowed for the identification of key patterns in experts’ expectations and preferences regarding robotic systems. The analysis was further informed by established cognitive models, such as Situational Awareness (SA), Cognitive Load Theory (CLT), and Multiple Resource Theory (MRT), to derive actionable design recommendations that address the cognitive demands of rescue operations. The findings emphasize the necessity for user-centered design in robotic interfaces, highlighting the importance of familiar, detailed mapping, actionable gas data, and transparency in system reliability to foster trust and improve decision-making in high-stress environments.