Особенности n классификация СЧМ

Под системой в общей теории систем (системологии) понимается комплекс взаимосвязанных и взаимо­действующих между собой элементов, предназначен­ный для решения единой задачи [213]. Системы могут быть классифицированы по различным признакам. Одним из них является степень участия человека в работе системы. С этой точки зрения различают авто­матические, автоматизированные и неавтоматические системы. Работа автоматической системы осуществля­ется без участия человека. В неавтоматической систе­ме работа выполняется человеком без применения технических устройств. В работе автоматизированной системы принимает участие как человек, так и техни­ческие устройства. Следовательно, такая система пред­ставляет собой систему «человек—машина».

На практике применяются самые разнообразные виды систем «человек—машина». Основой их класси­фикации могут явиться следующие четыре группы при­знаков: целевое назначение системы, характеристики человеческого звена, тип и структура машинного зве­на, тип взаимодействия компонентов системы [60]. Эта классификация приведена на рис. 3.1.

Целевое назначение системы оказывает определя­ющее влияние на многие ее характеристики и поэтому является исходным признаком. По целевому назначе­нию можно выделить следующие классы систем:

■ управляющие, в которых основной задачей человека яв­ляется управление машиной (или комплексом);

Рис. 3.1. Классификация систем «человек—машина».

■ обслуживающие, в которых человек контролирует состо­яние машинной системы, ищет неисправности, произво­дит наладку, настройку, ремонт и т. п.;

■ обучающие, т. е. вырабатывающие у человека определен­ные навыки (технические средства обучения, тренажеры ит. п.);

■ информационные, обеспечивающие поиск, накопление или получение необходимой для человека информации (радиолокационные, телевизионные, документальные си­стемы, системы радио- и проводной связи и др.);

■ исследовательские, используемые при анализе тех или иных явлений, поиске новой информации, новых заданий (моделирующие установки, макеты, научно-исследова­тельские приборы и установки).

Особенность управляющих и обслуживающих си­стем заключается в том, что объектом целенаправлен­ных воздействий в них является машинный компонент системы. В обучающих и информационных СЧМ на­правление воздействий противоположное — на чело­век. В исследовательских системах воздействие имеет и ту, и другую направленность.

По признаку характеристики «человеческого зве­на» можно выделить два класса СЧМ:

■ моносистемы, в состав которых входит один человек и одно или несколько технических устройств;

■ полисистемы, в состав которых входит некоторый кол­лектив людей и взаимодействующие с ним одно или комп­лекс технических устройств.

Полисистемы в свою очередь можно подразделить на «паритетные» и иерархические (многоуровневые). В первом случае в процессе взаимодействия людей с машинными компонентами не устанавливается какая-либо подчиненность и приоритетность отдельных чле­нов коллектива. Примерами таких полисистем может служить система «коллектив людей — устройства жизнеобеспечения» (например, система жизнеобеспе­чения на космическом корабле или подводной лодке). Другим примером может быть система отображения информации с большим экраном, предназначенная для использования коллективом операторов.

В отличие от этого в иерархических СЧМ уста­навливается или организационная, или приоритетная иерархия взаимодействия людей с техническими уст­ройствами. Так, в системе управления воздушным дви­жением диспетчер аэропорта образует верхний уровень управления. Следующий уровень — это командиры воз­душных судов, действиями которых руководит диспет­чер. Третий уровень — остальные члены экипажа, ра­ботающие под руководством командира корабля.

По типу и структуре машинного компонента мож­но выделить инструментальные СЧМ, в состав кото­рых в качестве технических устройств входят инстру­менты и приборы. Отличительной особенностью этих систем, как правило, является требование высокой точности выполняемых человеком операций.

Другим типом СЧМ являются простейшие чело­веко-машинные системы, которые включают стацио­нарное и нестационарное техническое устройство (раз­личного рода преобразователи энергии) и человека, использующего это устройство. Здесь требования к че­ловеку существенно различаются в зависимости от типа устройства, его целевого назначения и условий при­менения. Однако их основной особенностью является сравнительная простота функций человека.

Следующим важным типом СЧМ являются слож­ные человеко-машинные системы, включающие поми­мо использующего их человека некоторую совокуп­ность технологически связанных, но различных по своему функциональному назначению аппаратов, уст­ройств и машин, предназначенных для производства определенного продукта (энергетическая установка, прокатный стан, автоматическая поточная линия, вы­числительный комплекс и т. п.). В этих системах, как правило, связанность технологического процесса обес­печивается локальными системами автоматического управления. В задачу человека входит общий контроль за ходом технологического процесса, изменение режи­мов работы, оптимизация отдельных процессов, на­стройка, пуск и остановка.

Еще более сложным типом СЧМ являются систе­мотехнические комплексы. Они представляют собой сложную техническую систему с не полностью детер­минированными связями и коллектив людей, участву­ющих в ее использовании. Для систем такого типа характерным является взаимодействие не только по цепи «человек—машина», но и по цепи «человек—человек—машина». Другими словами, в процессе сво­ей деятельности человек взаимодействует не только с техническими устройствами, но и с другими людьми. При всей сложности системотехнических комплек­сов их в большинстве случаев можно представить в виде иерархии более простых человеко-машинных систем. Типичными примерами системотехнических комплексов различного уровня и назначения могут служить судно, воздушный лайнер, промышленное предприятие, вычислительный центр, транспортная система и т. п.

В основу классификации СЧМ по типу взаимодей­ствия человека и машины может быть положена сте­пень непрерывности этого взаимодействия. По этому признаку различают системы непрерывного (напри­мер, система «водитель — автомобиль») и эпизоди­ческого взаимодействия. Последние, в свою очередь, делятся на системы регулярного и стохастического вза­имодействия. Примером системы регулярного взаимо­действия может служить система «оператор — ЭВМ». В ней ввод информации и получение результатов оп­ределяются характером решаемых задач, т. е. режимы взаимодействия во времени регламентируются харак­тером и объемом вычислений. Стохастическое эпизо­дическое взаимодействие имеет место в таких системах, как «оператор — система централизованного кон­троля», «наладчик — станок» и т. п.

Рассмотренная классификация СЧМ не является единственно возможной. Примеры иных подходов к решению этой задачи приводятся в специальной лите­ратуре [18, 26, 35, 38, 53, 137, 162].

Однако несмотря на большое разнообразие систем «человек — машина», они имеют целый ряд общих черт и особенностей. Эти системы являются, как правило, динамическими, целеустремленными, самоорганизую­щимися, адаптивными.

Системы «человек — машина» относятся к классу сложных динамических систем, т. е. систем, состоящих из взаимосвязанных и взаимодействующих элементов различной природы и характеризующихся изменени­ем во времени состава структуры и (или) взаимосвя­зей. Из этого следуют характерные особенности, при­сущие СЧМ как сложной динамической системе:

■ разветвленность структуры (или связей) между элемента­ми (человеком и машиной);

■ разнообразие природы элементов (в состав СЧМ могут входить человек, коллектив людей, автоматы, машины, комплексы мащин и т. д.);

■ перестраиваемость структуры и связей между элемента­ми (например, при нормальном ходе технологического процесса оператор лишь следит за ходом его протекания, т. е. включен в контур управления как бы параллельно; при отклонении от нормы оператор берет управление на себя, т. е. включается в контур управления последова­тельно);

■ автономность элементов, т. е. способность их автономно выполнять часть своих задач.

Системы «человек — машина» относятся также к классу целеустремленных систем. В общем случае счи­тается, что система действует целеустремленно, если она продолжает преследовать одну и ту же цель, изме­няя свое поведение при изменении внешних условий [213]. Существенной особенностью целеустремленных систем является их способность получать одинаковые результаты различными способами. Системы этого класса могут изменять свои задачи; они выбирают как-сами задачи, так и средства их реализации. Целеустремленность СЧМ обусловлена тем, что в нее включен человек. Именно он ставит цели, определяет задачи и выбирает средства достижения цели.

Системы «человек — машина» можно рассматри­вать и как адаптивные системы. Свойство адаптации заключается в приспособлении СЧМ к изменяющим­ся условиям работы, в изменении режима функцио­нирования в соответствии с новыми условиями. Для повышения эффективности СЧМ необходимо предус­мотреть возможность адаптации как внутри самой системы, так и по отношению к внешней среде. До недавнего времени свойство адаптации СЧМ реали­зовалось благодаря приспособительным возможнос­тям человека, гибкости и пластичности его поведе­ния, возможности его изменения в зависимости от конкретной обстановки. В настоящее время, на по­вестку дня ставится вопрос о создании СЧМ, в ко­торых свойство адаптации реализуется путем соот­ветствующего технического обеспечения. Речь идет о создании таких технических средств, которые могут изменять свои параметры и условия деятель­ности в зависимости от текущего конкретного психо­физиологического состояния человека и показателей эффективности его деятельности. Попытки решения этой задачи привели к появлению понятия взаимной адаптации человека и машины в системах управле­ния, или иначе — созданию систем адаптивного ин­формационного взаимодействия в СЧМ. Эта задача решается в рамках структурно-психологической кон­цепции анализа и проектирования СЧМ [17, 18]. Од­ним из конкретных способов реализации такого под­хода является профилактическое обслуживание СЧМ [102, 214].

Системы «человек—машина» относятся также к чис­лу адекватных (от лат. adaequatus — приравненный, рав­ный) систем. Под адекватностью понимается совокупность свойств системы, характеризующих ее приспособленность к выполнению данной задачи. Применительно к техничес­ким звеньям адекватность определяется:

■ правильной организацией СЧМ (наличие в структуре сис­темы необходимого оборудования, программных средств, каналов связи, обученного персонала и т. д.);

■ хорошими физическими характеристиками техники (ме­ханическими, энергетическими и т. п.);

■ средствами активации функционирования (устройства приведения в готовность, переключения работы с одного режима на другой и т. п.);

■ нормальными процессами (материально-техническое, метрологическое и др. виды обеспечения).

Применительно к человеку информационная адек­ватность определяется свойствами концептуальной модели. В основе этого вида адекватности лежат фун­кциональная организация и свойства анализаторов, центральной нервной системы, психофизиологические законы преобразования информации человеком в про­цессе деятельности. Физическая адекватность харак­теризует антропологическое и силовое соответствие человека решаемым задачам. Активационная адекват­ность определяется мотивами, установками, потребно­стями, заинтересованностью человека в выполнении данного вида деятельности, характером эмоциональных реакций, свойствами внимания. Базовая адекватность определяется функционированием вегетативных сис­тем (сердечно-сосудистой, дыхательной и др.), особен­ностями биохимических процессов и психическими состояниями. Разумеется, указанные четыре группы свойств не являются независимыми.

Активационная, физическая и базовая адекватность определяют в целом работоспособность человека. В та­кой трактовке данное понятие характеризует возмож­ности человека реализовать имеющийся у него в виде концептуальной модели «внутренний инструмент» и в виде эффекторов — «внешний инструмент» выполне­ния определенного вида трудовой деятельности [15].

И наконец, системы «человек — машина» можно отнести к классу самоорганизующихся систем, т. е. систем, способных к уменьшению энтропии (неопре­деленности) после вывода их из устойчивого, равно­весного состояния под действием различного рода возмущений. Это свойство становится возможным бла­годаря целенаправленной деятельности человека, спо­собности его планировать свои действия, принимать правильные решения и реализовывать их в соответ­ствии с возникшими обстоятельствами. Способность к адаптации и самоорганизации обуслбвливает такое важное свойство систем «человек — машина», каким является их живучесть.

Из всего сказанного видно, что рассмотренные особенности СЧМ определяются наличием в их соста­ве человека, его возможностью правильно решать воз­никающие задачи в зависимости от конкретных усло­вий и обстановки. Это лишний раз показывает, что исходным пунктом анализа и описания СЧМ должна быть целесообразная деятельность человека.

Важными понятиями, используемыми при анали­зе и исследовании системы «человек—машина» явля­ются функционирование, цель и оптимизация СЧМ. Функционирование СЧМ — процесс достижения по­ставленных перед СЧМ целей, состоящий из упоря­доченной совокупности операций, выполняемых как человеком, так и техническими устройствами. Цель функционирования задается (формируется) человеком (оператором, конструктором, организатором производ­ства и др.) и является системообразующим фактором, благодаря которому реализуется принцип обратной связи, которая позволяет корректировать промежу­точные результаты и направлять функционирование СЧМ на достижение этой цели [35, 137].

Часть процесса функционирования, выделяемая в интересах описания, оценки, проектирования эксплуа­тации или исследования СЧМ по некоторым признакам, наиболее важным для решения задачи, называется функцией СЧМ. Она включает в себя функции опера­тора и функции технической части СЧМ. По общей роли в процессе функционирования СЧМ функции могут быть основными или обеспечивающими. Основные функции непосредственно обеспечивают достижение цели СЧМ, их невыполнение ведет к недостижению цели. Обеспечивающие функции обеспечивают условия выполнения основных функций и, следовательно, про­цесс функционирования СЧМ в целом, т. е. это такие функции, необходимость выполнения которых диктует­ся не способом достижения цели, а необходимостью поддержания работоспособного состояния элементов СЧМ. Совокупность функций, являющихся частью функционирования СЧМ, выполняемых фиксированным неизменным составом элементов СЧМ и используемых в данной части процесса функционирования СЧМ, на­зывается режимом функционирования. Режим функци­онирования является рабочим, если поставлена цель получения продукта труда, для которого создана СЧМ. Режим функционирования СЧМ является вспомогатель­ным, если поставлена цель изменения состояния. К их числу относятся, например, режим хранения, подготов­ки, готовности к применению, восстановления работос­пособности, технического обслуживания, консервации, ремонта, транспортировки и др.

Цель СЧМ в общем случае представляет модель необходимого будущего кибернетической системы, яв­ляющаяся той формой отражения действительности, которая объединяет прошлое, настоящее и будущее. Для СЧМ помимо этого можно определить и цель второго уровня (по отношению к модели необходимого будуще­го состояния) как модель необходимого будущего по­ведения системы и цель третьего уровня как модель настоящего поведения СЧМ. Все три модели (цели) со­стояния и поведения СЧМ на практике могут быть закреплены в структурной организации технической части системы в виде:

■ конечного состояния технической части СЧМ (соответ­ствующего цели первого уровня);

■ динамического состояния технической части СЧМ (соот­ветствующего цели второго уровня);

■ фактического стереотипа поведения технической части системы (соответствующего цели третьего уровня).

Эти три вида состояний образуют естественную иерархию целей первого, второго и третьего уровней. В зависимости от сложности системы число уровней целей может быть значительно большим, чем в данном простейшем случае.

Сложная СЧМ состоит из множества подсистем, каждая из которых имеет свою иерархию целей в виде моделей конечного, динамического состояний и стерео­типа поведения технических и человеческих подсистем. Поэтому в СЧМ при конкретном ее функционировании цели «закреплены» в технической части структуры всей системы. Отсюда следует, что для системы в целом целостность ее структуры означает и целостность си­стемы ее целей всех уровней для всех ее подсистем (как фактических, так и потенциальных).

Поскольку при таком подходе для каждой из под­систем различается три уровня целей, то и целостность подсистем по таким целям целесообразно рассматривать состоящей из трех форм целостности, сопостав­ленных каждому из понятия цели [131].

Достижение поставленной перед СЧМ цели тесно связано с ее оптимизацией. Под ней в наиболее общем виде понимается определение совокупности частных показателей, при которых достигается экстремум не­которой целевой функции, характеризующей эффек­тивность СЧМ. С математической точки зрения оп­тимизация может быть условной, когда на искомые показатели накладываются некоторые ограничения, либо безусловной, когда этих ограничений нет. В пер­вом случае ищется условный экстремум, во втором — безусловный. Кроме того, оптимизация может вестись по одному показателю или нескольким показателям од­новременно, в последнем случае речь идет о многопа­раметрической (векторной) оптимизации. Поскольку СЧМ является сложным динамическим объектом, ра­бота которого обычно протекает в рамках определен­ных ограничений, а качество функционирования зави­сит от большого числа факторов, то для нее наиболее характерным является случай многопараметрической условной оптимизации. В математическом плане такая задача является наиболее сложной.

С формальной точки зрения задача оптимизации СЧМ формируется следующим образом. Есть некото­рая целевая функция

где — частные показатели деятельности оператора, работы машины и условий внешней среды. Требуется определить значения этих показателей, при которых функция Э достигает макси­мума. При этом на их значения накладываются неко­торые ограничения где , — области допустимых значений соответ­ствующих показателей. В общем случае решение рас­смотренной задачи оптимизации СЧМ представляет оп­ределенные трудности, поэтому обычно стараются провести возможные упрощения (сокращение числа искомых показателей, сокращение числа ограничива­ющих условий и др.). В зависимости от возможной сте­пени упрощения для решения задачи оптимизации СЧМ могут использоваться методы математического программирования, наискорейшего спуска, множителей Лагранжа и др.

Необходимо отметить, что термин оптимизация используется в инженерной психологии довольно ча­сто. Например, говорят об оптимизации деятельнос­ти оператора, оптимизации рабочего места, оптими­зации труда и т. д. Однако в большинстве случаев этот термин употребляется не в строгом смысле, а речь идет лишь о некотором улучшении того или иного па­раметра.

Выше были рассмотрены основные вопросы сис­темного подхода к изучению главного звена СЧМ — человека. На основании этого можно в общих чертах охарактеризовать некоторые важнейшие принципы системного подхода к изучению СЧМ. Суть их сводит­ся к следующему [60].

1. Возможно более полное и точное определение на­значения системы, ее целей и задач. Это требует, в свою очередь, анализа состава и значимости от­дельных целей, подцелей и задач; определения воз­можности их осуществимости и требуемых для этого средств и ресурсов; определения показате­лей эффективности и целевой функции СЧМ.

2. Исследование структуры системы, и прежде все­го состава входящих в нее компонентов, характе­ра межкомпонентных связей и связей системы с внешней средой, пространственно-временной организации компонентов системы и их связей, границ системы, ее изменчивости и особеннос­тей на различных стадиях существования (жиз­ненного цикла).

3. Последовательное изучение характера функциони­рования системы, в том числе: всей системы в целом, отдельных подсистем в пределах целого, изменчивости функций и их особенностей на разных стадиях существования системы.

4. Рассмотрение системы в динамике, в развитии, т. е. на различных этапах ее жизненного цикла: при проектировании, производстве и эксплуатации.

На последнем из этих принципов следует остано­виться особо. В ряде случаев рамки инженерной психологии неправомерно суживают, отводя ей лишь роль проектировочной дисциплины. Как отмечалось выше, проектировочная сущность инженерной психологии приобретает в настоящее время решающее значение. Однако только ею не ограничивается проблематика ин­женерной психологии. Для того чтобы были реализо­ваны все потенциальные возможности систем «чело­век — машина», необходим также правильный учет инженерно-психологических требований в процессе их производства и эксплуатации. Это приводит к необхо­димости создания единой системы инженерно-психо­логического обеспечения систем «человек — машина» на всех этапах их жизненного цикла.

Под инженерно-психологическим обеспечением понимается весь комплекс мероприятий, связанных с организацией учета человеческого фактора в процессе проектирования, производства и эксплуатации СЧМ. Проблема инженерно-психологического обеспечения имеет два основных аспекта: целевой и организацион­но-методический (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Содержание инженерно-психологического обеспечения СЧМ

Первый из них связан с непосредственным вы­полнением работ по учету человеческого фактора на каждом из этапов жизненного цикла СЧМ; его содержание целиком и полностью определяется проблема­тикой инженерной психологии. Второй аспект связан с организационно-методическим обеспечением работ по учету человеческого фактора. Он включает в себя разработку необходимых справочно-методических ма­териалов, с помощью которых можно выполнять эти работы, а также разработку нормативных документов, регламентирующих (в частности, утверждающих) сте­пень и полноту учета человеческого фактора при проек­тировании, производстве и эксплуатации СЧМ. При от­сутствии таких документов проведение работ по учету человеческого фактора не будет являться обязательным мероприятием, и поэтому задача инженерно-психологи­ческого обеспечения не может считаться полностью решенной.