Основные концепции анализа и проектирования систем «человек-машина»
В настоящее время в инженерной психологии, а также в смежных с нею научных дисциплинах и направлениях (эргономика, психология труда и управления, теория эргатических систем, теория надежности и эффективности СЧМ и др.) разработан целый ряд концепций анализа, описания и проектирования систем «человек—машина». Эти концепции различаются используемым математическим аппаратом, составом необходимых исходных данных, различными взглядами на роль и место человека в СЧМ. Такое положение является достаточно точным отражением современного уровня развития инженерной психологии, поскольку в зависимости от конкретных условий специалист по инженерной психологии (конструктор, организатор производства, специалист по эксплуатации) может выбрать и использовать ту или иную из существующих концепций. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть наиболее конструктивные из возможных концепций (теорий, подходов). Все они условно делятся на две большие группы: психологические и кибернетические (рис. 3.3).
Наиболее общей из них является концепция, основанная на использовании деятельностного подхода [55, 56]. С ее позиций категория деятельности выступает как начало, содержание и завершение процессов анализа, организации, проектирования и оценки СЧМ. При этом категория деятельности выступает в качестве предмета:
■ объективного научного изучения;
■ управления, т. е. того, что подлежит организации в сложную систему функционирования и оценки;
■ проектирования, основной задачей которого является выявление способов и условий оптимальной реализации определенных видов деятельности;
■ многоплановой оценки, осуществляемой в соответствии с различными критериями (надежность, быстродействие, удовлетворенность трудом, комфортность и т. п.).
Рис. 3.3. Основные концепции анализа и проектирования СЧМ.
В рамках этой концепции разработан микроструктурный подход (от греч. mikros — малый и лат. structure — строение) к анализу деятельности. Сущность микроструктурного подхода состоит в выделении компонентов (единиц анализа), сохраняющих свойства целого, и установлении между ними типов взаимоотношения или координации. Набор (алфавит) компонентов должен быть достаточно широк для того, чтобы охватить процесс в целом; каждый из компонентов должен обладать не только качественной, но и количественной определенностью.
Микроструктурный подход оперирует понятиями операции, функционального блока, фазы процесса, кванта восприятия или действия. Каждый из компонентов отличается по ряду параметров: место в структуре деятельности, информационная емкость, время выполнения, тип преобразования информации, возможные связи с другими компонентами и средой.
Наиболее распространенный прием микроструктурного подхода состоит в том, что время выполнения работы делится на ряд интервалов и предполагается, что в каждом из них выполняются те или иные преобразования входной информации, осуществляемые определенными функциональными блоками. Микроструктурный подход является возможным прототипом проектирования отдельных функций операторской деятельности [55, 215].
Одной из первых психологических концепций была предложенная в 1967 году Б.Ф. Ломовым концепция проектирования деятельности [цит. по 92]. Суть ее состоит в том, что проект деятельности оператора (и вообще любого работника) должен выступать как основа решения всех остальных задач проектирования СЧМ. Эта концепция базируется на рассмотренных в первой главе методологических принципах (гуманизации труда, активного оператора, комплексности и др.).
Целый ряд задач анализа, описания и проектирования СЧМ может быть решен на основе использования структурно-психологической концепции [17, 143]. Основной смысл ее состоит в соотнесении структуры технических средств деятельности оператора и психологических факторов сложности (ПФС) выполнения им своих функций, в частности сложности решения оперативных задач. С позиций данной концепции проектирование технических средств рассматривается как процесс анализа и материализации априорных стратегий решения задач с целью оптимизации ПФС. Их оптимальный уровень достигается путем многоуровневой взаимной адаптации людей и технических средств. Оптимальными значениями ПФС считаются те, которые обеспечивают достижение цели (решение задачи) при минимальном значении внешнего критерия сложности (времени решения задачи, числа ошибок, показателей психофизической напряженности и др.).
Оптимизация ПФС достигается путем создания системы адаптивного информационного взаимодействия между оператором и ЭВМ, работающей по принципу гибридного интеллекта. Он достигается путем разумного сочетания естественного интеллекта человека и возможностей современных ЭВМ. При этом человек и ЭВМ рассматриваются как равноправные партнеры по информационному взаимодействию. Оптимизации ПФС способствует также применение трансформационной теории обучения. Согласно ей процесс обучения не носит традиционно используемый характер; на кривой обучения имеются плато (пологие участки), соответствующие переходуна новый, более высокий уровень овладения деятельности. Последнее одновременно способствует и достижению более оптимальных значений ПФС.
Анализ взаимодействия априорных и реальных стратегий поведения оператора и соответствующих им уровней ПФС позволяет расширить рамки инженерно-психологического проектирования — не только распространить его на предварительный выбор характеристик системы, но и сделать проектирование непрерывным, последовательно решающим задачу оптимизации СЧМ и после реализации предварительного проекта, т. е. в ходе эксплуатации системы [17].
При разработке автоматизированных систем организационного типа (АСУП, ОАСУ и т. п.) весьма плодотворным оказывается использование концепции психологического обеспечения (ПО) АСУ [141]. Под ним понимается планирование, разработка, организация и реализация комплекса мероприятий по учету психологических факторов на всех этапах создания, внедрения и эксплуатации АСУ. Согласно этой концепции, любая АСУ рассматривается как сложная социотехническая система, которая не может эффективно функционировать, если она создается и эксплуатируется без учета психологического фактора. Его учет должен осуществляться на всех этапах проектирования, внедрения и эксплуатации АСУ. Создание АСУ должно начинаться с проектирования оптимальной (рациональной) человеческой деятельности. Важнейшим фактором, обеспечивающим эффективность функционирования разрабатываемой системы, является подготовка персонала АСУ. Она базируется на анализе, проектировании и синтезе (формировании) деятельности. Анализ деятельности осуществляется на этапе предпроектного обследования, а его результатом являются рекомендации на проектирование или совершенствование деятельности персонала АСУ. Проектирование деятельности осуществляется на этапах технического и рабочего проектирования, а его результатом являются должностные инструкции. Они должны разрабатываться с учетом обеспечения быстрейшей адаптации работника к эффективной деятельности в условиях АСУ. Синтез деятельности включает в себя профессиональный отбор, обучение, выработку индивидуальных и коллективных умений и навыков, а также обеспечение психологической совместимости всего персонала АСУ. Синтез деятельности должен начинаться на этапе технического проектирования и завершаться на этапе внедрения во взаимодействии с проектированием технической части АСУ. Его конечной целью является обеспечение фактической эффективной деятельности всего персонала АСУ.
При создании автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), деятельность оператора в которых носит сложный мыслительный характер, может быть использована концепция идеализированных структур деятельности [26]. Эта концепция базируется на данных о формализуемых человеком способах организации процесса контроля и управления объектом на разных уровнях обучения и в разных конкретных условиях. На основе концепции разработаны методы инженерно-психологического анализа и проектирования деятельности оператора АСУТП, базирующиеся на исходных данных о психологической структуре деятельности оператора (включающей сложные виды мыслительных задач), позволяющие свести к минимуму число операций (шагов) решения задач проектирования, ложность исходных данных на разных стадиях создания СЧМ.
Для анализа, описания и проектирования следящих систем может быть использована концепция инженерно-психологического проектирования полуавтоматических систем управления, использующих принцип слежения [173, 201]. Практическая реализация концепции связана с решением ряда проблем:
■ создание единого подхода к описанию функционирования технической части системы и деятельности оператора;
■ учет индивидуальных психофизиологических характеристик деятельности, различия между которыми носят, как правило, случайный характер;
■ учет динамики характеристик деятельности в процессе обучения;
■ отбор операторов, обладающих качествами, необходимыми для работы на конкретном объекте управления; из этого следует, что вопросы обучения и профессионального отбора выступают как этапы системного подхода к проектированию деятельности.
Реализация концепции потребовала уточнения понятия «передаточная функция оператора». Оказалось, что спектр ответных действий оператора содержит кроме требуемого сигнала и спектр дополнительных (малых) движений, необходимых оператору для познания и контроля процесса управления и названных дельтаремнантой. Малые движения являются одним из показателей психологических особенностей работы оператора в режиме слежения. Отсутствие формализованного описания свойств этих движений в большинстве математических моделей деятельности и обуславливает их неадекватность. Включение же их в математические модели позволяет учитывать психологические особенности деятельности человека в следящих системах.
В результате учета малых движений стало возможным аналитически оценивать долю погрешности, вносимую в ошибку выходного сигнала системы, как от функционирования человека-оператора, так и от разброса параметров любого из элементов технической части системы. Это дает возможность производить синтез системы по заданным требованиям. При этом учитываются и экономические показатели, что позволяет создавать наиболее экономичные системы «человек—машина».
Рассмотренные концепции отличает ярко выраженный их, если так можно выразиться, психологический характер. Они базируются на знании и учете психологических характеристик и свойств человека, а основу этих концепций составляет прежде всего проектирование деятельности оператора в системе «человек—машина». Помимо них существует еще ряд концепций, в основе которых лежит кибернетический подход к анализу и проектированию СЧМ.
Одна из таких концепций носит название организмической. Она разработана в рамках теории эргатических систем [53, 131]. В соответствии с организмической концепцией основой оптимальной кооперации человека и машины должны служить принципы организации живого, т. е. организма как феномена целесообразного живого в природе. Концепция основывается на двух основных положениях: 1) организм представляет собой соответствующим образом организованную совокупность функциональных систем (понятие о них дается в главе IV); 2) основные закономерности организации и функционирования каждой системы и всего организма и СЧМ в целом — одни и те же. Основное смысловое содержание организмического постулата формулируется следующим образом: создание оптимальных СЧМ в функциональном смысле эквивалентно оптимальной «достройке» организма оператора машинами как орудиями труда.
В рамках концепции предлагается определенная система принципов поведения биосистем. К их числу относятся принципы: активности, гомеостаза, автономности, иерархичности, доминанты, целостности, эволюции. Подробно они описаны в [53].
Сущность организмической концепции сводится к синтезу эргамата — системы, состоящей из человека и машины и выполняющей определенную работу действиями человека внутри системы. Поведение эргамата описывается системой дифференциальных уравнений. Задача синтеза эргамата заключается в определении числа и состава входящих в систему элементов (включая и человека) и их функциональных обязанностей.
Для решения задачи определяются обобщенные рабочие характеристики (ОРХ) оператора. Окончательный вариант структуры эргамата выбирают оптимизацией общецелевой системной функции при выполнении ограничений, накладываемых на соответствующие временные, точностные и надежностные ОРХ. Концепция нашла применение для расчета и оптимизации непрерывных систем ручного управления, в частности транспортных систем.
К кибернетическому направлению можно отнести и концепцию обеспечения качества функционирования (ОКФ) эргатических систем [102, 214]. Задача обеспечения требуемого уровня качества заключается в оценке (с помощью процедуры контроля) и устранении (путем проведения профилактического обслуживания) причин и условий, которые его снижают (не обеспечивают). При этом возникает задача по определению, когда и какие мероприятия следует проводить, чтобы получать максимально возможный эффект от применения СЧМ по своему назначению в течение заданного времени ее функционирования.
Последовательность мероприятий по ОКФ эргатических систем следующая. В начальный момент качество функционирования системы соответствует требуемому уровню, т. е. технические звенья и операторы находятся в работоспособном состоянии и готовы к выполнению задания. Через некоторое время необходимо провести контроль параметров функционирования системы (как техники, так и операторов). Если к этому времени система функционирует безотказно, то следует проводить плановый контроль. Если же возникли отказы, то следует осуществлять профилактические воздействия, которые должны полностью восстановить требуемый уровень качества. К таким воздействиям относятся: ремонт или замена отказавших технических звеньев, восстановление работоспособности операторов, исправление ошибок их деятельности, профессиональный отбор и обучение персонала и т. п.
Рассмотренный цикл повторяется заново до тех пор, пока время функционирования системы не достигнет заданного значения.
К этому же направлению относится и функционально-структурная теория эргатических систем. Основу ее составляет обобщенный структурный метод (ОСМ) оценки эффективности, качества и надежности СЧМ [35, 137]. Сущность метода заключается в том, что любую деятельность можно расчленить на мельчайшие элементы — типовые функциональные единицы (ТФЕ). На основании ТФЕ разработаны типовые функциональные структуры (ТФС), которые служат уже не для описания отдельных действий, а для описания фрагментов деятельности, присущих самым разнообразным системам. С помощью ТФС может быть описана деятельность в целом. В рамках метода получены математические модели, позволяющие оценить показатели качества функционирования эргатической системы и определить ту ее структуру, для которой эти показатели будут наилучшими. Дальнейшее развитие метода состоит в том, что элементы планирования и принятия решений моделируются с помощью метода ситуационного управления, а исполнение — с помощью ОСМ.
Такой подход носит название комплексного обобщенного структурного метода (КОСМ), обеспечивающего представление функционирования эргатических систем в виде функционально-семантических сетей. Однако этот подход находится еще в стадии разработки.
Одной из наиболее работоспособных является системная концепция анализа и оценки надежности СЧМ [185, 186]. Она базируется на восьми частных концепциях: аппаратурной безотказности применяемых технических средств, полной аппаратурной безотказности, восстанавливающего оператора, подготавливающего оператора, управляющего оператора, дежурного оператора, биологически надежного оператора. Целесообразность использования конкретной концепции определяется видом решаемой задачи и необходимостью учета тех или иных свойств оператора и техники и режимов работы СЧМ. При этом каждая последующая концепция учитывает более полный набор свойств и дает более полные оценки надежности СЧМ. Так, при оценке только аппаратурной безотказности достаточно использовать первые две концепции (влияние оператора на надежность СЧМ при этом не учитывается); для обеспечения ремонтопригодности оборудования необходимо использовать уже третью концепцию и т. д. Более высокие концепции обеспечивают расчет надежности СЧМ в целом, учитывая и готовность операторов, и подверженность их ошибкам и биологическим отказам организма. Для каждой концепции разработаны формулы для определения надежности СЧМ. Сложность деятельности (учет различных факторов) учитывается с помощью поправочных коэффициентов, степень детализации которых зависит от вида учитываемых факторов сложности.
Совместно с разработанной программой обеспечения эргономического качества СЧМ и методикой расчета времени и вероятности безошибочного выполнения алгоритма оператором (способ статистического эталона) данный подход может быть применен для анализа, описания и проектирования довольно широкого круга систем «человек—машина».
В рамках кибернетического направления разработана и успешно применяется на практике и системно-лингвистическая концепция [196]. Сущность концепции состоит в том, что на ранних этапах проектирования используется классификация систем отображения информации по внешним характеристикам, языкам обмена и методам технической реализации. На последующих этапах применяются специальные методы и языки описания действий человека. Далее проводятся психологические эксперименты, в которых выявляются ход и особенности решения человеком критических задач и наконец строится трансформационная модель принятия решений, в составе которой используются формализмы лингвистической семантики. Посредством модели сравниваются различные варианты построения систем отображения информации, а также конструкции языков обмена и процедуры диалога «человек—ЭВМ».
Концепция нашла применение в трех основных областях: для построения щитов управления сложными автоматизированными технологическими процессами; для создания учебно-тренировочных центров и для проектирования диалога «человек—ЭВМ». На ее основе возник алгоритмический подход в подготовке операторов: основным стержнем подготовки является овладение оператором приемами и навыками принятия оперативных решений. При этом знания должны способствовать решениям, носить направленно оперативный характер, навыки взаимодействия с приборами и органами управления — дополнять, а не затемнять содержание оперативных решений. Разработан ряд форм подготовки операторов, в частности, карты наблюдений, деревья оценки ситуаций, планы действий, игровые сценарии тренировок [197].
На основе концепции проведено инженерно-психологическое проектирование щитов управления для ряда тепловых и атомных энергоблоков, учебно-тренировочных центров, различного рода диалоговых систем — для научных экспериментов, автоматизации проектирования и обучения.
Определенный интерес представляет также разработанная Г.В. Дружининым статистическая теория процессов выполнения работы [42]. Она используется для априорной оценки времени выполнения работы в условиях действия на работников различного рода случайных факторов. В инженерной психологии данная теория применяется для описания процессов переработки информации оператором и определения времени τоп решения им той или иной задачи управления при следующих предположениях:
■ средняя скорость переработки информации V в пределах одной задачи постоянна, но в силу случайных факторов может меняться от задачи к задаче;
■ объем информации, перерабатываемой при решении каждой задачи постоянен и равен h;
■ величина V распределена по нормальному закону с параметрами mv и σv.
Зависимость количества перерабатываемой информации от времени выражается формулой H(t)=Vt. Эта зависимость является веерной случайной функции, ее графическое изображение приведено на рис. 3.4. Для таких функций закон распределения времени топ, необходимого для достижения величиной H(t) заданного значения h представляет собой альфа-распределение. Оно характеризуется двумя параметрами: а и р. Первый из них является безразмерной величиной и представляет собой среднюю относительную скорость переработки информации, параметр Р имеет размерность времени и называется относительным объемом работы. При а>3 что характерно для большинства видов операторской деятельности, параметры альфа-распределения можно оценить по формулам
где τоп στ, — соответственно среднее значение и среднеквадратическое отклонение времени решения задачи оператором.
Использование этих соотношений позволяет получить функцию плотности распределения времени хоп. В инженерной психологии статистическая теория выполнения работы используется для описания процессов переработки информации при сделанных выше допущениях в условиях действия ряда случайных факторов. Наибольшее применение эта теория получила для определения времени топ, а также определения надежности оператора, работающего в условиях временных ограничений.
Рис. 3.4. Веерная случайная функция времени.
В рамках кибернетического направления В.Г. Денисовым разработана концепция совместимости оператора, машин и среды в рамках единой системы «человек—машина» [38]. Согласно концепции основным системообразующим фактором в СЧМ является совместимость составляющих систему компонентов. Рассматриваются следующие виды совместимости:
■ информационная, предполагающая соответствие циркулирующих в системе информационных потоков возможностям отдельных ее компонентов по приему и переработке этих потоков;
■ энергетическая, предусматривающая совместимость отдельных компонентов СЧМ с точки зрения производимых усилий;
■ пространственно-антропометрическая, определяемая соответствием компонентов системы пространственным характеристикам (размеры, расположение в пространстве, досягаемость и т. п.);
■ технико-эстетическая, заключающаяся в соответствии внешнего вида и удобства работы с изделием эстетическим вкусам человека;
■ биофизическая, предусматривающая совместимость компонентов системы с точки зрения осуществления управляющих движений.
В дальнейшем на основе этой концепции Е.М. Хохловым была выдвинута в качестве центральной проблемы категория «взаимодействие»; с помощью которой решалась задача учета большого количества факторов, влияющих на деятельность оператора [189]. При этом автор отрицательно относится к идее выделения психологических факторов сложности [17], считая ее неплодотворной. На основе проблемы взаимодействия разработан комплексный операционный анализ эксплуатационных процессов, основу которого составляет кольцевой (спиральный) анализ отрицательных процессов в СЧМ. К отрицательным процессам относятся потоки отказов и дефектов техники, поток ошибок операторов, поток эксплуатационных замечаний. Выявленные такие потоки в ряде СЧМ (на воздушном транспорте, в прессово-кузнечном оборудовании и др.) были обработаны методом логического центрирования, на основании чего построены статистические ряды динамики, столбиковые диаграммы, определены основные статистические индексы [63]. Полученные данные используются при модернизации существующих и проектировании вновь создаваемых СЧМ аналогичного назначения.
Рассмотренные концепции, несмотря на их различия между собой, нашли в той или иной степени применение при решении ряда практических задач. Их применение дало и существенный экономический эффект [18, 35, 42, 53, 102, 137, 169, 189, 197]. Однако в них вне поля зрения остались особенности функционирования систем «человек—машина», деятельность оператора в которых протекает по схеме массового обслуживания. Этот класс СЧМ условно называется автоматизированными системами массового обслуживания (АСМО). Их особенности рассматриваются в специальной концепции анализа и проектирования АСМО [45, 167].
Эта концепция, не отвергая и не противореча рассмотренным выше концепциям, дополняет их учетом особенностей деятельности оператора в условиях потока сигналов, что является отличительной чертой систем массового обслуживания. В основе концепции лежит положение, выдвинутое Ю.М. Забродиным о том, что основная проблема в проектировании деятельности оператора состоит в оценке возможностей ее выполнения [142]. Тем самым подчеркивается, что основные проектные решения принимаются в результате инженерно-психологической оценки. Учитывая специфику деятельности оператора в АСМО (работа в условиях потока сигналов) основное внимание в концепции уделяется динамической оценке показателей деятельности и состояния оператора.
С учетом сказанного структурная схема проектирования деятельности оператора имеет вид, показанный на рис. 3.5. Основу проекта составляет анализ деятельности в условиях потока сигналов (особенности такой деятельности рассмотрены в следующей главе). На основании анализа проводится инженерно-психологическая оценка деятельности, по результатам которой и принимаются основные проектные решения. Оценка является важнейшим и завершающим этапом каждой из стадий проектирования системы.
Инженерно-психологическая оценка проводится по четырем основным направлениям (рис. 3.5). Она включает в себя как оценку достигнутых результатов, так и оценку тех затрат, которыми эти результаты достигаются.
Рис. 3.5. Структурная схема анализа и проектирования АСМО.
Оценка результатов состоит в определении соответствия техники возможностям человека по обработке потока сигналов и определении основных показателей качества деятельности (надежность, быстродействие) с последующей оценкой их влияния на соответствующие показатели всей системы.
Помимо оценки достигнутых результатов необходимо провести и оценку произведенных при этом затрат. Они включают в себя прежде всего экономические затраты, это направление носит название экономической оценки СЧМ. Однако для СЧМ понятие затрат имеет еще один смысл. В данном случае речь идет о затратах человеческого организма, об определении психофизиологической «цены» деятельности. Эта задача решается путем контроля и диагностики функционального состояния оператора. Наибольшее значение при этом имеет применение бесконтактных методов.
Основным методом проведения оценки является математическое моделирование деятельности оператора. Разрабатываемые для этой цели модели относятся к классу моделей обслуживания.
Рассмотренные концепции носят довольно общий, системный характер и применяются для решения задач анализа и проектирования деятельности оператора в целом. Помимо них разработан и ряд частных концепций, применяемых для решения конкретных, отдельных задач. К ним относятся: концепция включения [81], концепция информационного поиска [57], алгоритмического описания деятельности оператора [52], саморегуляции [77] и самоконтроля деятельности [121, 145], психологической защиты [34, 145] и целый ряд других. Более подробно эти концепции рассмотрены при изучении соответствующих вопросов книги.
Дата добавления: 2019-09-30; просмотров: 588;