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 τ_оп 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 m_v и σ_v.

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 т_оп, 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 τ_оп σ_τ, — соответственно среднее значение и среднеквадратическое отклонение времени решения зада­чи оператором.

Использование этих соотношений позволяет полу­чить функцию плотности распределения времени х_оп. 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 т_оп, 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.