Тема 2. Основные характеристики системы «человек-машина».

Понятие системы «человек-машина» (СЧМ) в инженерной психологии, ее функционирование. Структурная схема СЧМ. Функции человека в СЧМ. Сравнительные преимущества человека и средств автоматизации, принципы распределения функций между ними.

Функционирование технических устройств и дея­тельность человека, который пользуется этими устрой­ствами в процессе труда, должны рассматриваться во взаимосвязи. Эта точка зрения привела к формирова­нию понятия системы «человек—машина» (СЧМ). Под СЧМ понимается система, включающая человека-опе­ратора (группу операторов) и машину, посредством которой осуществляется трудовая деятельности. Маши­ной в СЧМ называется совокупность технических средств, используемых человеком-оператором в про­цессе деятельности. СЧМ и является объектом инже­нерной психологии.

Обобщенная структурная схема СЧМ показана на рис. 1. Любые изменения в состоянии управляемого объекта (УО) поступают в технические устройства системы и после соответствующей обработки в них отображаются на средствах отображения информации (приборах и индикаторах). Следовательно, оператор воспринимает не непосредственно состояние УО, а некоторый имитирующий его образ, называемый ин­формационной моделью и формируемый с помощью средств отображения информации.

Информационная модель должна, с одной сторо­ны, с необходимой полнотой и точностью отображать

Рис. 1. Структурная схема системы «человек—машина»

состояние УО, с другой — соответствовать возможно­стям оператора по приему и переработке информации. На основании воспринятого с помощью органов чувств состояния информационной модели в сознании оператора (его центральной нервной системы) фор­мируется оперативный образ, или концептуальная модель УО.

В ее содержание входит полученное оператором представление о текущем состоянии УО. Оно сравни­вается с некоторым эталоном, хранящимся в памяти оператора и отражающим требуемое состояние УО. В результате такого сравнения оператор принимает ре­шение по приведению текущего состояния УО в задан­ное (требуемое) состояние. Это решение передается эффекторам (органы движения), с помощью которых командная ин­формация вводится в машину, в результате чего осу­ществляется перевод УО в нужное состояние. На этом заканчивается цикл регулирования в системе «чело­век—машина».

Система «человек — машина» представляет собой частный случай управляющих систем, в которых фун­кционирование машины и деятельность человека свя­заны единым контуром регулирования. При организа­ции взаимосвязи человека и машины в СЧМ основная роль принадлежит уже не столько анатомическим и физиологическим, сколько психологическим свойствам человека: восприятию, памяти, мышлению, вниманию и т. п. От психологических свойств человека во многом зависит его информационное взаимодействие с маши­ной.

В зависимости от степени участия человека в работе системы "человек-машина" 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.

По целевому назначениюможно выделить следующие классы систем:

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

б) обслуживающие, в которых человек контролирует состояние машинной системы, ищет неисправности, производит наладку, настройку, ремонт;

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

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

д)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 человека. В исследовательских системах воздействие имеет и ту, и другую направленность.

По признаку характеристики "человеческого звена" можно выделить два класса СЧМ:

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

б) 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 компонентаможно 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.

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. Они предназначенны 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. 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. Системы эпизодического взаимодействия делятся на системы регулярного взаимодействия и стохастического. 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. Эпизодическое взаимодействие имеет место в таких системах, как "оператор - система централизованного контроля", "наладчик - станок" и т.п.

Несмотря на большое разнообразие систем "человек - машина", они имеют целый ряд общих черт и особенностей. Эти системы динамические, целеустремленные, самоорганизующиеся, адаптивные.

Характерные особенности, присущие СЧМ как сложной динамической системе:

- разветвленность структуры между элементами (человеком и машиной);

- разнообразие природы элементов (в состав СЧМ могут входить человек, коллектив людей, автоматы, машины, комплексы машин 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 ( способность их автономно выполнять часть своих задач).

Системы "человек - машина" относятся также к классу целеустремленных систем.

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. 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 ставится вопрос о создании СЧМ, в которой свойство адаптации реализуется путем соответствующего технического обеспечения. Речь идет о создании таких технических средств, которые могут изменить свои параметры и условия деятельности в зависимости от текущего конкретного психофизиологического состояния человека и показателей эффективности его деятельности.

Система "человек - машина" может быть отнесена к классу самоорганизующихся систем, т.е. систем, способных к уменьшению неопределенности после вывода их из устойчивого, равновесного состояния под действием различного рада 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.

На основании вышеизложенного можно в общих чертах охарактеризовать некоторые важнейшие принципы системного подхода к изучению СЧМ. Суть их сводится к следующему.

1. Возможно более полное и точное определение назначения системы, ее целей и задач.

2. Исследование структуры системы и, прежде всего состава входящих в нее компонентов, межкомпонентных связей и связей системы с внешней средой.

3. Последовательное изучение характера функционирования системы, в том числе всей системы в целом, отдельных подсистем, 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.

Проектировочная сущность инженерной психологии приобретает в настоящее время решающее значение. 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. Целевой аспект связан с непосредственным выполнением работ по учету человеческого фактора на каждом из этапов жизненного цикла СЧМ; его содержание целиком или полностью определяется проблематикой инженерной психологии. Второй аспект связан с организационно-методическим обеспечением работ по учету человеческого фактора.

Содержание инженерно-психологического обеспечения СЧМ

Этап жизненного цикла	Аспект инженерно-психологического обеспечения
Целевой	Организационно-методический
Проектирование	Определение функций человека в проектируемой СЧМ и оценка его психофизиологических возможностей по их выполнению (инженерно-психологическое проектирование)	Разработка нормативных и справочно-методических материалов по инженерно-психологическому проектированию деятельности оператора. Организация труда коллектива проектировщиков
Производство	Учет психофизиологических свойств человека в процессе производства (условия труда, режим труда и отдыха, взаимосвязи операторов в групповой деятельности и т.п.)	Разработка нормативных и справочно-методических материалов по учету человеческого фактора в процессе производства
Эксплуатация	Учет психофизиологических возможностей человека при эксплуатации техники (профессиональный отбор, обучение, тренировки, формирование операторских коллективов, организация их труда)	Разработка методик по профессиональному отбору (если это необходимо) и подготовке операторов, подбору коллективов, организации труда. Разработка нормативных документов, регламентирующих применение этих методик

Проектирование СЧМ

Историческипервый подход– техническое проектирование. В данном случае разрабатываются отдельные блоки без учета их взаимосвязи. Согласование достигается только на этапе испытаний. Психофизиологические возможности человека учитываются интуитивно. Такой поход возможен только при простой технике.

На смену техническому проектированию пришла концепция системотехнического проектирования. Здесь проектируются не отдельные блоки, а единая система с учетом взаимосвязей и взаимного влияния отдельных блоков и человеческого фактора. Человек рассматривается не отдельно, а как компонент системы «Ч↔М» (СЧМ). Учет человеческого фактора заключается в проектировании устройств отображения информации и органов управления в соответствии с психофизиологическими возможностями человека. Объектом проектирования, по-прежнему, является техника.

Ограниченность системотехнического похода преодолевает концепция инженерно-психологического проектирования, предложенная Б.Ф. Ломовым, базирующаяся на деятельностной концепции. Объектом проектирования является, прежде всего, деятельность оператора, а затем технические устройства, необходимые для реализации данной деятельности.

Узость описанных подходов преодолевает комплексный подход. Этот подход включает аспекты:

· технический,

· инженерно-психологический,

· художественный.

Инженерно-психологическое направление проектирования, в данном случае, может базироваться либо на принципе антропоцентризма (где оператор рассматривается как главное звено СЧМ), либо на принципах равнокомпонентного подхода. Предпочтение отдается тому подходу, который адекватен решаемым задачам проектирования.

Кибернетика обусловила появление на базе кибернетических принципов возникновение эргатических концепций. СЧМ здесь рассматривается как эргамат – система, состоящая из машины и человека, выполняющая определенную работу действиями человека внутри системы. Концепции нашла применение в проектировании транспортных систем.

Этапы (структура) инженерно-психологического проектирования:

1. Определение характеристик объекта управления: статических, таких, как вес, размер и др.; динамических, таких как быстродействие; целей и задач системы.

2. Распределение функций между человеком и техникой (на основе анализа их возможностей).

3. Распределение функций между операторами (выбор структуры группы, числа рабочих мест, коммуникативной сети).

4. Проектирование деятельности каждого оператора (определение структуры и алгоритма деятельности оператора, требований к свойствам оператора, допустимых норм деятельности).

5. Проектирование технических средств деятельности оператора (информационной модели, органов управления, организации РМ).

6. Оценка системы «человек – машина».

Общие принципы проектирования СЧМ:

1. Принцип системной эргономичности (достижение высшей эффективности СЧМ при соблюдении допустимых и оптимальных условий деятельности оператора).

2. Принцип адаптивной эргономичности (по мере развития техники критерии эргономичности должны пересматриваться в направлении повышения оптимальности среды).

3. Принцип научной эргономичности (на основе объективных количественных оценок на всех стадиях проектирования).

4. Принцип информационной эргономичности (информация должна быть полной, достоверной, актуальной, подаваться в оптимальной форме и темпе).

5. Принцип программно-интеллектуальной эргономичности (оптимального распределения функций между оператором и машиной, освобождение оператора от монотонных рутинных операций).

Частные принципы проектирования СЧМ:

1. Принцип взаимодополнения, распределения функций (между техникой и оператором)

2. Принцип проектирования деятельности оператора (антропоцентрический принцип). Оператор рассматривается не как компонент СЧМ, а как центральное звено,

3. Принцип лабилизации функций (СЧМ должна быть спроектирована таким образом, чтобы оператор по мере профессионального роста мог переходить на более высокий уровень решения оперативных задач).

4. Принцип активизации функций (принцип активного оператора). Оператор должен иметь возможность вести самостоятельный информационный поиск.

5. Принцип удовлетворенности оператора (процессом и результатом своего труда). Предполагает возлагать на человека те задачи, где он может себя проявить как творческая личность.

6. Принцип легкости обучения оператора.

7. Принцип индивидуализации (при проектировании должны учитываться возможности выработки индивидуального стиля деятельности).

Инженерно-психологические требования к проектированию СЧМ:

1. В результате проектирования должны быть обеспечены заданные характеристики систем, требуемые в данном случае: надежность, точность, быстродействие СЧМ.

2. Соблюдение оптимальных и предельно допустимых норм деятельности оператора. Ориентация на наиболее благоприятные условия для оператора. Проверка предельно-допустимых норм проводится на ранних этапах проектирования.

3. При конструировании рабочего места (РМ) соблюдение принципов функциональной организации:

· соответствия (способа, формы и характера информации возможностям оператора),

· значимости,

· последовательности,

· частоты использования,

· удобства эксплуатации.

· безопасности эксплуатации,

· ремонтопригодности,

· экономии движений и времени, минимизации утомления оператора,

· комфортности,

· простоты обслуживания (и обучения),

· контроля функциональных состояний оператора.