1 (Хорошо, например, известно, что опытный оператор при оценке ситуации часто ограничивается показаниями лишь небольшого числа приборов.)
Наиболее перспективными нам представляются адаптивные системы. Вообще говоря, любая система "человек - машина" (даже если ее технические звенья остаются неизменными) может рассматриваться в широком смысле слова как адаптивная, так как ее адаптивность обеспечивается за счет человека. Но хотелось бы подчеркнуть, что в принципе возможно создать систему, технические звенья которой изменяются по мере того, как человек овладевает мастерством. Некоторый опыт в этом направлении уже есть.
Наконец, в-пятых, несколько слов о детерминизме в исследовании психических явлений. В некоторых направлениях психологии (в том числе и инженерной) понятие детерминизм зачастую отождествляется с той его формой, в которой он существует в классической механике, где речь идет о детерминизме линейно-причинного, "жестокого" типа. Однако подобное узкое понимание детерминизма мало плодотворно для психологии. Еще C. Л. Рубинштейн отмечал, что то или иное воздействие на человека вызывает какой-либо эффект не прямо и непосредственно; этот эффект опосредствуется внутренними условиями, вообще говоря, всем психическим складом человеческой личности. Эти внутренние условия представляют собой сложную многоуровневую структуру, которая пока нам еще недостаточно ясна. Исходя из сказанного выше, детерминанты психических явлений также следует рассматривать как сложные структуры.
Реализация перечисленных требований в инженерно-психологических исследованиях может дать многое для развития общей теории систем "человек - машина" и решения конкретных практических задач.
Разработка системной концепции человека и его свойств, если бы она была осуществлена, открыла бы необозримо широкие просторы для инженерной фантазии, для творческих решений задач разработки новой техники. В самом деле, человек как система обладает исключительным богатством и многообразием свойств и возможностей. Недаром в инженерной психологии говорят о человеке как универсальном звене системы "человек - машина".
Об этом убедительно свидетельствует история развития техники и ее современное состояние. Достаточно сказать о том огромном многообразии средств отображения, которые создаются для передачи человеку информации: средства, рассчитанные на зрительный, слуховой, тактильный прием; средства, передающие информацию в форме изображений различного вида, в условно-графической форме, в знаковой форме и т. д. И каждый человек достаточно успешно может пользоваться любым из этих средств.
Литература
1. Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т. 23.
2. Акофф Р., Эмери Ф. О целеустремленных системах. Пер. с англ./Подред. Н. А. Ушакова. М., 1974.
3. Ананьев Б. Г. Человек как предмет познания. Л., 1968.
4. Анохин П. К. Предисловие к кн. "Принципы системной организации функций". М., 1973.
5. Доброленский Ю. П., Завалова Н. Д., Пономаренко В. А., Туваев В. А. Методы инженерно-психологических исследований в авиации. М., 1975.
6. Небылицын В. Д. Основные свойства нервной системы человека. М., 1970.
7. Ошанин Д. А. Роль оперативного образа в выявлении информационного содержания сигналов//Вопросы психологии. 1969. № 4.
8. Рубахин В. Ф. Некоторые вопросы психологии принятия решения//Studia psychologica. 1974. № 2.
9. Hacker W. Some psychological aspects of establishing "human-centred" man-machine systems 11 XX International Congress of Psychology. Tokyo, 1972.н
10. Miller R. Response time in man-computer conversational transaction AFIPS. Fall joint computer conference. Proceeding, 1968.
11. Welford. On the human demands of automation.
Industrial and business psychology. Munksgaard, 1962.
12. Wiener N., Rosenblueth A. Purpustul and non-purpustul behavior//Philosophy of Science. 1950. N 17.
13. XXI Internationaler Kongress fur Luft und Raumfahrtmedizin. Munchen. 17-21 September, 1973.
Инженерная психология: теория, методология, практическое применение. М., 1977. С. 31-55.
Теоретико-методологические концепции инженерной психологии (А. А. Крылов)
Основная концепция инженерной психологии
Развитие инженерной психологии с самого начала ее формирования как самостоятельного научного направления было подчинено решению практических задач. Собственно говоря, инженерная психология началась с того, что из всех наук о человеке были экстрагированы все те данные, которые оказались пригодными для выработки рекомендаций по учету человеческого фактора в конструкции средств труда. Эти рекомендации разрабатывались прежде всего применительно к пультам и постам операторов автоматизированных систем управления. Однако начальный этап инженерной психологии не представлял собой только компиляцию сведений. Это была лишь в известной мере компиляция, поскольку разнородные данные проверялись и связывались в единую систему путем экспериментальных исследований. Эффект реализации научных данных нового направления психологии труда, мощная экспериментальная база и многоплановый эксперимент создали благоприятные условия для развития инженерной психологии как самостоятельной научной дисциплины. Именно становление инженерной психологии как самостоятельной научной дисциплины и представляет собой второй этап ее развития.
Второй этап характеризуется выработкой единой теоретической концепции и развертыванием на ее основе широкого фронта экспериментальных и теоретических исследований. Краеугольным камнем указанной концепции является положение о человеке-операторе как звене автоматизированной системы управления. Сенсорные, мыслительные, мнемические, моторные и речевые действия человека рассматриваются как операции обработки информации, осуществляющиеся в рамках биологических каналов связи.
Концепция человека как звена обработки информации основывается на принципиальном положении кибернетики об общности закономерностей процессов управления в живых и неживых системах. Рассматривая ту или иную систему управления, включающую человека-оператора, нетрудно убедиться в том, что имеется достаточно оснований к представлению его как звена данной системы. В частности, все функции управления реализуются в звене "оператор" в соответствии с целевым назначением системы, а сама реализация этих функций есть преобразование информации, циркулирующей в данной системе.
Ставя перед собой задачу изучения психических вопросов и механизмов, обеспечивающих деятельность операторного типа, представляется целесообразным рассмотреть некоторые основные понятия систем связи. Эти системы предназначены для передачи информации (сообщения) от источника адресату.
Мерой количества информации избрана мера неопределенности передачи того или иного сообщения по каналу связи - энтропия (каждое сообщение рассматривается как событие). При случайном выборе неопределенность какого-то сообщения зависит, например, от числа двоичных знаков, из которых составляется сообщение. При увеличении числа "имеющихся в деле" двоичных знаков количество возможных сообщений увеличивается.
Для простейшего случая выбора из двух сообщений количество информации будет выражаться следующим образом:
где Р1 - вероятность выбора первого сообщения; Р2 - вероятность выбора второго сообщения.
Количество информации, содержащееся в единичном выборе из двух равновероятных сообщений, принято в качестве единицы измерения количества информации (бит).
Если источник сообщения выбирает одно из п сообщений (при вероятности, не изменяющейся от предыдущих выборов), то среднее количество информации на одно сообщение или выбор составляет
где n - число возможных сообщений; Pi - вероятность выбора каждого (i-го) сообщения.
Очевидно, что количество информации на каждое (i-е) сообщение в двоичных единицах будет составлять
Исследования деятельности операторов, в частности, работ М. А. Дмитриевой (1964), показывают, что имеются определенные возможности выразить в двоичных единицах количество информации, обрабатываемой оператором. Сравнение производственных циклов между собой по количеству информации оказывается возможным при условии, что меняется только вероятность поступления сигналов. В принципе существующий аппарат теории информации, как отмечает Л. Ф. Фаткин (1964), не учитывает семанитические и прагматические характеристики информации. Этот аппарат адекватен лишь для описания работы стационарного канала связи с эргодическим источником. Отсюда понятно, почему столь велики на сегодня трудности использования методов расчета информации в психологии.
Информация рассматривается как всеобщее свойство материи, связанное с ее разнообразием ("разнородностью", по Глушкову, 1964). Отсюда логически следует, что информация присуща всему материальному миру, как живой, так и неживой природе. Поэтому, по мнению А.Д. Урсула (1965), количественно информация должна выражаться через количество разнообразия. Такая концепция открывает новые возможности изучения информационных отношений сложноорганизованных систем по сравнению с вероятностным подходом к оценке количества информации, ибо информация по своей природе - не специально вероятностное понятие, как отмечает А. И. Колмогоров (1965).
Естественно, что, рассматривая информацию как проявление всеобщего свойства материи, следует иметь в виду и различия информационных отношений, которые обусловлены существенно новыми качествами живой природы по сравнению с неживой, а также различиями информационных отношений на различных уровнях развития живых организмов. Это можно представить себе, исходя из данного Ф. Энгельсом определения жизни как способа существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. При этом подчеркивается, что в органических телах обмен веществ приводит к постоянному самообновлению химических составных частей этих тел, а в неорганических - к разрушению. С точки зрения информационных отношений это есть уровень обмена "натуральной" информацией, причем живые организмы функционируют как системы, способные использовать данную информацию в соответствии с генетическими программами, заложенными в них. Эти программы, в частности, обеспечивают целостность живого организма. Уровень обмена натуральной информацией присущ всему живому, начиная от простейших организмов до человека. С этим уровнем связаны такие основные качества живого, как раздражимость и возбудимость.
Следующий уровень информационных отношений организма и среды касается человека и связан с развитием речевого мышления или второй сигнальной системы (по Павлову). Этот уровень относится к сфере человеческого общения. Он основывается на обобщенной понятийной психической модели объективного. Человек получает возможность строить штаны своей будущей деятельности и проверять их знаниями, почерпнутыми в деятельности. Человек не просто убеждает свое существование в сфере объективного, он творчески изменяет ее, создавая условия своего существования (Леонтьев, 1965). В плане информационных отношений человек - техника человек является звеном автоматизированной системы управления. Однако это звено безусловно сложнее любой технической системы, с которой оно взаимодействует. Все элементы звена оператор (психофизиологические функциональные механизмы обработки информации) образуют свою систему, которая принципиально предназначена для решения несравненно более широкого круга задач, чем это определяется рамками любого конкретного комплекса "человек - машина". Обмен информацией между звеном "оператор" и техническими звеньями в единой системе управления представляет собой частный, пожалуй наиболее конкретизированный, случай информационного обмена между человеком и окружающей средой. В свою очередь информационные связи человека и внешней среды суть проявления еще более общих законов информационных отношений живого организма и среды, являющихся опять-таки лишь частью информационных отношений в живой и неживой природе вообще.
В настоящее время в инженерной психологии сформировалось несколько теоретико-методологических концепций изучения деятельности оператора как звена информационной системы. Наиболее существенными из них являются концепции информационной модели, информационного поиска, эквивалентного звена, пропускной способности, последовательных действий, количественной характеристика рабочего процесса, надежности и некоторые другие.
Концепции информационной модели, информационного поиска и эквивалентного звена
Концепция информационной модели, выдвинутая Д. Ю. Пановым и В. П. Зинченко (Зинченко с соавт., 1964), основывается на том, что в современных автоматизированных системах управления человек все более и более удаляется от собственно объекта управления и осуществляет свои управляющие функции дистанционно. При этом оператор оказывается непосредственно связанным не с самим объектом, а с его информационной моделью. Под информационной моделью понимается отображение параметров внешней среды и переменных системы управления, организованное с помощью специальных средств (индикационных устройств) и по определенным правилам. Информационная модель является, таким образом, отображением действительности и в то же время сама она непосредственный объект восприятия и действия для оператора. Информационная модель обеспечивает трансформацию общих знаний о закономерностях процессов и явлений в конкретные знания управления системой. Каждый элемент информационной модели активизирует в сознании человека целый конгломерат функционально связанных элементов, соответствующих чаще всего решению какой-либо частной задачи. Правила, по которым должна строиться любая информационная модель, это прежде всего правила учета человеческого фактора. Наиболее существенными из них являются следующие: 1) информационная модель должна отражать только существенные взаимосвязи в системе управления; 2) она должна строиться на основании использования наиболее эффективного кода; 3) информационная модель должна быть наглядной и компоноваться с учетом характеристик анализаторов человека, особенностей, порядка и сложности выполняемых операций.
В целом информационная модель должна обеспечивать возможность быстрой оценки ситуации, а также решения вопросов о загрузке операторов в различных режимах работы.
Концепция информационного поиска возникла в результате исследований деятельности операторов систем наблюдения за обстановкой, а также операторов других типов автоматизированных систем в режиме контроля. Информационный поиск составляет по существу основное содержание решения задач обнаружения, опознания и индентификации сигнала. Информационный поиск связан со сканированием информационного поля, представленного, например, экраном ЭЛТ, мнемосхемой, панелью приборов и т. д. В связи с этим в качестве характеристики информационного поиска и оценки сложности этого этапа деятельности принимаются количество зрительных функций, их длительность, упорядоченность движений глаз.
Для описания информационного поиска, осуществляемого человеком предложен ряд математических моделей. Наиболее удачной представляется на наш взгляд, математическая модель информационного поиска, разработанная Б. С. Березкиным и В. П. Зинченко (1966). Эта модель предполагает постоянное время каждой зрительной фиксации одного объекта и осознанность действий, выражающуся в том, что при любом способе сканирования повторного просмотра объекта не происходит. Конечной формулой данного математического описания является формула времени поиска первого искомого объекта
где Еn - математическое ожидание числа шагов поиска; N - число элементов поля, в котором осуществляется поиск; М - число искомых объектов; Tf - среднее время фиксации взгляда в поиске. Эта формула выражает зависимость времени информационного поиска от вероятностной структуры поля. Для расчета времени информационного поиска можно принять, что оно возрастает примерно в линейной зависимости от числа шагов поиска.
Концепция эквивалентного звена имеет свое начало в работах Ю. Б. Садомова и Л. М. Хохлова (1967). Авторы исходят из того, что характеристики конкретных действий оператора, связанных с приемом информации, принятием решения и выдачей командной информации, определяются не только свойствами человека, но и характеристиками индикаторов и органов управления. Поэтому в плане системотехнического анализа целесообразно выделять в качестве функционального звена не просто человека, а комплекс, включающий оператора, средства индикации и органы управления. Этот комплекс рассматривается как эквивалентное звено системы, функционирование которого описывается передаточной функцией. Значения передаточной функции находятся в определенной зависимости от параметров оборудования и состояния человека. Варьирование параметров в эксперименте открывает, по мнению авторов, возможность получения набора значений передаточных функций, определения общих закономерностей их изменений.
Концепции пропускной способности и последовательных действий
Исходя из того, что человек в системе управления осуществляет операции обработки информации, совершенно логично определять его работу по количеству обрабатываемой информации. Тем самым открывается возможность расчета проектируемой деятельности человека.
Оценка количества и сложности работы человека-оператора может даваться на основании подсчета числа тех или иных поступающих сигналов (команд), количества исходных логических условий и количества выполняемых управляющих действий. Однако наиболее интересны, хотя и не всегда достаточно эффективны, количественные информационные оценки. Выше мы уже говорили о некоторых положениях теории информации, позволяющих рассчитывать количество информации, передаваемой по каналам связи. Многие авторы, основываясь на этих положениях, рассчитывали количество информации, обрабатываемой человеком. Однако данные, полученные в исследованиях, оказались весьма неоднородны.
Мы убеждены в том, что работа функциональных систем обработки информации подчинена общим целям и задачам деятельности человека. В соответствии с этим меняются код, длина алфавита, способы приема или передачи сообщения и т. д. В качестве доказательства могут быть использованы данные К. Кюпфмюллера (Kupfmuller, 1959), обнаружившего, что пропускная способность человека при корректорской работе составляет 18, при чтении вслух - 30, при чтении "про себя" - 46 бит/сек. По-видимому, в первом случае сообщением является знак (буква, пробел, запятая, точка и т. д. ), во втором - слово, в третьем - основные смысловые слова и группы слов.
Концепция последовательных действий обычно связывается с построением модели временных затрат оператора при обработке информации. В работах В. И. Николаева (1965), а также в наших с А. Ф. Пахомовым исследованиях (1966) были показаны основные составляющие времени выполнения операций.
Если условно представить деятельность оператора как совокупность отдельных логически законченных операций, то, по-видимому, можно различать по меньшей мере два вида таких операций, а именно: а) операции, заканчивающиеся выдачей информации вовне, т. е. выполнением действий, связанных с передачей информации на органы управления, речевыми ответами и т. п. ; б) операции без выдачи информации вовне, заканчивающиеся принятием решения об отсутствии необходимости выполнения каких-либо действий. В том и другом случае оператор должен сначала обнаружить, т. е. выделить какой-то прибор (или сигнал) из множества других, принять информацию и оценить ситуацию. При этом логическим завершением предшествующей обработки информации является решение о необходимости выполнения определенных (и каких именно) действий или об отсутствии такой необходимости. После этого оператор во втором случае может переходить к приему информации от другого индикатора1. Время, необходимое для выполнения отдельной операции, может быть представлено в виде следующего выражения:
1 (Все вопросы рассматриваются нами применительно к визуальным средствам отображения, которые являются основными источниками информации для человека в подавляющем числе автоматизированных систем управления.)
где t1 - время выполнения отдельной операции, не требующей передачи информации; tзп - время зрительного поиска, т. е. наведения глаз на данный индикатор; tп - время приема информации и принятия решения.
В первом случае оператор должен, прежде чем перейти к другому прибору, обнаружить, т. е. выделить, соответствующий орган управления, произвести необходимые действия и проконтролировать их результат. Естественно, что выражение для времени, необходимого для выполнения такой отдельной операции, будет иметь иной вид, а именно
где t2 - время отдельной операции с передачей информации на Органы управления; Т'п - время приема информации и принятия решения; Тоу - время обнаружения органа управления; Тм - время моторного акта, связанного непосредственно с движением органа управления; Тк - время контроля результата действия.
По-видимому, время выполнения отдельной операции может в той или иной степени характеризовать работу оператора, однако еще большее значение имеет полное время оператора. Под термином полное время оператора" понимается время, необходимое оператору для выполнения одной логически законченной операции, которая может состоять из нескольких частных операций. Условно полное время оператора можно представить в виде следующего выражения:
где Тзп - суммарное время зрительного поиска; Тп - время приема информации принятия решения в тех случаях, когда не требуется осуществление исполнительных действий; N - количество индикаторов, проконтролированных оператором до того, как он принял информацию, требующую исполнительных действий; Т'п - время приема информации и принятия решения в том случае, когда требуется выполнение определенных исполнительных действий.
В данном выражении член Тп•N обозначает время приема информации и выработки решения при использовании N-то количества одинаковых индикаторов. В случае индикаторов разного вида каждая группа должна быть представлена в выражении отдельно Тп•N1+ Тп•N2 и т. д.
Поскольку суммарное время зрительного поиска (Tзп), время приема информации и выработки решения при использовании индикаторов, не имеющих отклонения за допустимые пределы (Tп•n), составляют вместе время обнаружения сигнала, требующего исполнительных действий (Tои), то
Тогда полное время оператора может быть записано в виде
Разумеется, такое деление времени оператора достаточно условно. Приведенные выражения нельзя рассматривать как точные математические равенства, справедливые в любых условиях. В сложной деятельности оператора, представляющей целостный процесс, не всегда оказывается возможным выделить отдельные его составляющие в чистом виде. Психические процессы, составляющие основу операций обработки информации, могут протекать параллельно или взаимодействовать. Однако приведенное выше деление представляется целесообразным как методический прием в изучении деятельности оператора. По-видимому, ценность данного методического приема будет определяться, при прочих равных условиях, возможностью получения в эксперименте временных характеристик отдельных составляющих. Измерение времени отдельных составляющих, изучение характера в определенных условиях позволяет выяснить особенности работы на различных этапах выполнения операций, влияние факторов оборудования, состояния оператора, структуры рабочего процесса, совмещения действий и т. д.
Концепция количественной оценки рабочего процесса и надежности человека-оператора
Развитием логико-вероятностного подхода к изучению деятельности оператора является работа Г. М. Зараковского (1966). Им предложены количественные оценки некоторых психофизиологических характеристик деятельности. В основу получения количественных оценок положены составление и анализ алгоритмов рабочих процессов. Выявление отношений между членами алгоритма, т. е. между логическими условиями и действиями ("операторами"), позволяет судить, например, об интенсивности рабочего процесса, его логической сложности и стереотипности. Для этого выполняются вычисления соответствующих коэффициентов.
Коэффициент интенсивности рабочего процесса V вычисляется по формуле
где N - число членов алгоритма; τ - время реализации алгоритма.
Коэффициент логической сложности L, характеризующий сложность логической обработки информации и динамичность рабочего процесса, определяется следующим образом:
где ni - число логических условий в г-й группе членов алгоритма; Pi - частота встречаемости такой группы в алгоритме.
Степень стереотипности рабочего процесса характеризуется коэффициентом стереотипности Z, вычисляемым по формуле
где ni - число "операторов" в г-й группе членов алгоритма; Рi - частота встречаемости такой группы в алгоритме.
Особый аспект количественного анализа деятельности человека как звена системы управления составляют исследования надежности. Надежность характеризует интегральное качество какой-либо системы (элемента) , выражающее способность выполнять свои функции в соответствии с предъявленными требованиями в течение заданного интервала времени. Изменения в системе (события), влекущие за собой полную или частичную утрату работоспособности системы, определяются как отказы. В качестве критериев оценки надежности используются:
- вероятность безотказной (исправной) работы;
- среднее время безотказной работы;
- среднее время между соседними отказами (наработка на отказ);
- частота отказов;
- интенсивность (опасность) отказов;
- среднее время восстановления;
- коэффициент готовности и др.
Количественно надежность выражается числовым значением вероятности исправной работы системы в течение заданного времени при определенных условиях (коэффициент надежности). Для идеальной системы коэффициент надежности равен единице, для реальных систем он всегда меньше единицы. Надежность технических устройств может быть рассчитана так, как это показано для системы контроля (Дружинин, 1964):
где Кг - коэффициент готовности, т. е. вероятность исправной работы в избранный момент времени; P0(t) - вероятность безоказной работы за время f; X - интенсивность отказов; e-λt - вероятность того, что за время t не произойдет отказов.
Вполне понятно, что высокая надежность оборудования является необходимым условием его успешной эксплуатации и в целом технического прогресса. Однако, как мы уже отмечали ранее, работа автоматизированных систем управления зависит не только от технических устройств, но и от человека. Следовательно, конечная надежность комплекса "человек - машина" будет определяться надежностью обоих компонентов.
Для того чтобы иметь возможность рассчитывать надежность комплекса, необходимы критерии оценки надежности человека-оператора. Изучение вопросов надежности человека может быть успешным лишь на основе общей теории надежности, которая рассматривает применительно к оператору основные понятия теории надежности, используемые в настоящее время в радиоэлектронике и других отраслях техники.
При рассмотрении человека-оператора как звена системы управления Действительно имеется достаточно оснований употреблять такое же понятие надежности, как и для технических устройств. Тогда понятие "отказ" в отношении человека-оператора также приобретает определенность. Отказ следует рассматривать как полную или частичную потерю работоспособности, в результате которой человек перестает удовлетворять хотя бы одному из требований, установленных для данного вида деятельности. Это понятие распространяется на все неправильные, несвоевременно выполненные и полностью невыполненные действия оператора, в результате которых возникают нарушения целенаправленной деятельности системы. Исходя из имеющихся технических классификаций отказов с учетом психофизиологических особенностей человека, А. И. Губинским и Г. В. Суходольским предложена классификация отказов, приведенная в табл. 1 в сокращенном виде.
Таблица 1. Классификация отказов человека-оператора (Губинский, Суходольский, 1967)
Очевидно, что любой вид отказов, например аварийный, полный, внезапный и т. д., может возникнуть в результате как неправильно выполненных или полностью невыполненных, так и несвоевременно выполненных действий.
Пример расчета надежности комплекса, включающего человека-оператора, дан в работе А. И. Губинского и А. Б. Татиевского (1966). В этой работе надежность комплекса "система контроля - человек" определяется как вероятность безотказной работы и вычисляется по следующей формуле:
где Кг - вероятность исправной работы системы контроля в момент поступления на ее вход информации; P0(t) - вероятность того, что за время t не произойдет окончательных отказов; Pп(t) - полная вероятность отсутствия ошибок приема информации оператором за время t.
Полная вероятность отсутствия ошибок приема информации оператором, т. е. Рп (t), может быть вычислена по формуле
где Р'(t) - вероятность того, что время t в системе контроля не произойдет перемежающихся отказов; Pоп(t) - вероятность безошибочного приема информации при условии, что система контроля выдает неискаженную информацию; Q(t) - вероятность перемежающихся отказов системы контроля, заключающихся в выдаче оператору ложной или искаженной информации; Рв(τ) - вероятность того, что оператор сумеет восстановить искаженную информацию за время τ между двумя последовательными приемами информации.
Мерой реальной эффективности служит произведение идеальной эффективности на вероятность безотказной работы (функцию надежности):
где Е - реальная эффективность; W0 - идеальная эффективность; Rк - вероятность безотказной работы при наличии комплекса условий, если t - начало работы по данному алгоритму, а τ - ее продолжительность до момента достижения цели (время выполнения алгоритма). Следовательно, понятие "эффективность" человека-оператора включает в себя производительность и надежность как качества, присущие любому звену и системе в целом. Если обратиться к приведенному выше выражению эффективности оператора, то очевидно, что при повышении надежности Rк-> реальная эффективность стремится к своему идеальному значению Е->W0. В целом вероятность Рs безотказной работы системы при последовательной связи элементов равняется произведению вероятностей безотказной работы каждого звена:
При параллельной связи элементов вероятность безотказной работы системы (из двух звеньев) составляет:
Однако дублирование, особенно такого звена, как человек-оператор, не всегда оказывается возможным (значительное возрастание стоимости системы, ограниченность помещения для размещения рабочих мест и т. п. ), хотя, как показано в ряде работ (Alger, 1941; Chapanis, 1960; Ломов, 1964), оно может существенно повысить надежность. Отсюда ясно, насколько необходимо решение вопросов надежности работы человека-оператора, выполняющего функции определенного звена в автоматизированной системе управления.
В связи с приведенным ранее понятием надежности оператора член Rк в выражении эффективности должен включать в себя вероятность того, что при данном комплексе условий человек окажется работоспособным в момент начала действий по заданному алгоритму R'к(t), а также условную вероятность сохранения работоспособности в течение времени выполнения алгоритма, если человек работоспособен в момент начала работы по алгоритму R"к (τ,t), т. е.
Поскольку эффективность любой системы управления есть в конечном итоге ее производительность (в смысле операций обработки информации), то, очевидно, ее важнейшей характеристикой будет продолжительность временного цикла. Продолжительность временного цикла обработки информации, в свою очередь, зависит от времени задержки сигнала в каждом звене. Для простой одноконтурной системы эта зависимость может быть выражена формулой (Ломов, 1963)
где Т - время обработки информации в системе; ti - время задержки сигнала в i-м звене; n - число звеньев системы. Отсюда следует, что эффективность системы тем выше, чем короче время задержки сигнала в ее звеньях. Это в полной мере относится к звену "человек-оператор". Превышение временных параметров управляющей системы над временем изменения состояния управляемого объекта фактически означает, что данный объект не может быть управляем данной управляющей системой.
В плане технического прогресса, предусматривающего максимальное сокращение времени технологических процессов, увеличение скоростей движения объектов и т. п. , это положение представляется особенно важным, поскольку оно является одним из определяющих техническую политику в отношении автоматизации управляющих систем, в решении вопросов распределения функций между человеком и машиной и приспособления технических звеньев системы к человеку. Увеличение быстродействия управляющей системы, таким образом, можно рассматривать как необходимое требование к совершенствованию орудий труда, условие роста эффективности систем управления, связанное с уменьшением времени осуществления цикла информационных преобразований.
Крылов А. А. Человек в автоматизированных системах управления. Л., 1973. С. 43-60.
Инженерная психология как наука (М. А. Дмитриева, А. А. Крылов, А. И. Нафтульев)
Определение инженерной психологии
Инженерная психология - наука, изучающая системы "человек - техника"1 с целью достижения их высокой эффективности и разрабатывающая психологические основы:
1 (Понятие системы "человек - техника" используется как обобщающее. Оно может быть отнесено как к случаям, когда система включает одного человека и одно или несколько технических устройств, так и к случаям, когда система включает несколько человек и сложные технические устройства.)
- конструирования техники и организации управления технологическим процессом;
- подбора людей, обладающих необходимым уровнем индивидуально психологических профессионально важных качеств для работы с определенной техникой;
- профессиональной подготовки людей, использующих в своей трудовой деятельности сложные технические устройства.
Инженерная психология как наука имеет двойственный характер. С одной стороны, это самостоятельная психологическая дисциплина, изучающая человека во всей полноте проявлений психики в трудовом процессе. С другой стороны, в инженерной психологии имеет место выраженный технический, инженерный аспект, касающийся конструирования техники. Это обусловлено особенностью самого двойственного по своей природе объекта исследования - систем "человек - техника".
Такая двойственность объекта исследования в инженерной психологии порождает ряд специфических методологических особенностей. Кроме того, следует иметь в виду, что любая система "человек - техника" - это своего рода микроэлемент макросистемы, в роли которой выступает система производительных сил. Поэтому в системах "человек - техника проявляется ряд таких общих закономерностей развития производительных сил, которые обусловлены наличием в них материального (прежде всего технического) и субъективного (человеческого) начал. Одна из таких закономерностей касается определяющих моментов производительности общественного труда. Производительность общественного труда на каждом уровне развития производительных сил определяется, во-первых, совершенством техники, а во-вторых, накопленным производственным опытом людей, их навыками к труду. Все это находит свое отражение в эффективности систем "человек - техника". Эффективность каждой такой системы будет определяться производительностью и надежностью техники, подготовленностью человека, согласованием рабочих характеристик человека и техники.
Решая вопросы согласования человека и техники как элементов единой системы, инженерная психология обосновывает и формулирует требования и рекомендации к конструированию техники, к организации управления технологическим процессом, подбору и подготовке специалистов, обслуживающих технику. К этим требованиям присоединяются требования других психологических дисциплин, а также физиологии, гигиены, анатомии, антропометрии, биомеханики.
Инженерная психология широко взаимодействует с такими дисциплинами, как кибернетика, системотехника и общая теория систем, теория связи, теория автоматического управления и регулирования, теория надежности, техническая эстетика и художественное конструирование и др.
Инженерная психология составляет также ядро обширной области научного знания, получившей название эргономики1. Границы этой области очерчиваются в основном междисциплинарными связями инженерной психологии. Эргономика обычно рассматривает системы "человек - техника - среда", усиливая таким образом, прежде всего физиолого-гигиенический аспект исследований и рекомендаций. Не отрицая правомерности такого понятия исследуемой системы, отметим лишь, что используемое в инженерной психологии понятие системы "человек - техника" основано на положении, что всякая система функционирует в условиях внешней среды, способных оказывать то или иное воздействие на систему. Учет факторов внешней среды всегда был обязательным при инженерно-психологических исследованиях и практических разработках систем "человек - машина".
1 (Эргономика пока вряд ли может рассматриваться как самостоятельная наука, хотя в литературе имеют место такого рода утверждения. Кардинальным решением в формировании эргономики как науки может быть лишь разработка методологических основ и специфических методов исследования.)
Необходимо отметить, что инженерно-психологические исследования трудовой деятельности человека, деятельности, связанной с новой и новейшей техникой, имеют высокую значимость в общем плане познания человека. Трудовая деятельность характеризуется установлением бесконечного многообразия отношений с окружающими физической, биологической и социальной средами. Именно в трудовой деятельности аккумулируются и наиболее ярко проявляются все индивидуально-психологические характеристики человека как личности, как субъекта деятельности. Результаты исследований поведения человека в автоматизированных системах, кроме очевидного прикладного значения, имеют важное значение и для общей системы человекознания.
Цель и стратегия инженерной психологии
Весь комплекс теоретических и практических инженерно-психологических исследований имеет главной целью, как указывалось выше, обеспечение высокой эффективности систем "человек - техника". Эффективность любой системы определяется ее производительностью и надежностью при таких прочих равных условиях, как, например, качество продукта (результата), долговечность, энергозатраты и т. п. Ясно, что эффективная работа систем "человек - техника" требует наличия высокопроизводительной и надежной техники; далее, конструкция техники и организация производственного процесса должны позволять человеку реализовать все технические возможности. И, наконец, человек должен быть способным по своим качествам реализовать эти возможности, добиваться высокой производительности труда и обеспечивать выполнение производственных операций.
Достижение главной цели инженерной психологии осуществляется, во-первых, за счет улучшения технологических характеристик трудового процесса, а во-вторых, за счет характеристик трудового процесса и условий труда, стимулирующих трудовую активность человека и в конечном счете его отношение к труду.
Улучшение технологических характеристик трудового процесса означает следующее:
- минимизацию времени выполнения отдельных действии и операции в трудовом процессе;
- исключение грубых ошибок типа промахов в трудовой деятельности;
- минимизацию вероятности ошибок, отрицательно сказывающихся на ходе технологического процесса, качестве продукта (результата) или отрицательно влияющих на состояние техники или человека;
- сохранение высокой (заданной) работоспособности человека в течение длительного (заданного) времени путем минимизации энергозатрат (психического и физического напряжения) в трудовом процессе1.
1 (Трудовая деятельность всегда была и будет связана с определенным физическим, а в условиях автоматизированного производства прежде всего психически напряжением. Исходя из общего требования обеспечения в нашей стране безопасного и безвредного труда, сказанное выше следует понимать как нагрузок, резко ухудшающих функциональное состояние или отрицательно влияющих на здоровье человека.)
Под улучшением характеристик трудового процесса, стимулирующих трудовую активность человека, подразумевается прежде всего следующее.
- надежность работы технических устройств,
- рациональная конструкция техники;
- соответствие сложности техники уровню подготовленности человека
- совершенный эстетический вид технических устройств и производственных помещений;
- отсутствие вредных и мешающих работе внешних факторов.
Конечно трудовая активность человека стимулируется не только улучшением характеристик трудового процесса. Существенную роль играют здесь социальные условия, определяющие все отношение человека к труду. Однако нельзя недооценивать роль характеристик трудового процесса в формировании личности человека, в создании высокого уровня мотивации к данному виду трудовой деятельности.
Задачи инженерной психологии
Теоретические задачи инженерной психологии связаны с изучением человека как субъекта деятельности, с исследованием информационной сущности всех форм психического отражения, психической регуляции и психических (психофизиологических) состояний в процессе трудовой деятельности и в подготовительный период, когда осуществляются профотбор, обучение, тренировка, а также с раскрытием основных закономерностей взаимодействия человека с людьми и техникой в системах "человек - техника"1. В инженерно-психологических исследованиях, как правило, уделяется большое внимание выяснению того, какие психические и физиологические процессы и каким образом реализуются при обработке информации человеком, управляющим машиной. Изучение информационных систем человека, закономерностей кодирования внешнего сигнала, формирования психического образа и его регулирующей функции составляет один из главных аспектов инженерной психологии.
1 (В связи со сказанным необходимо особо подчеркнуть, что наряду с исследованием формальной (прежде всего количественной) стороны психического в инженерной психологии должно уделяться большое внимание содержательной стороне. Это необходимо, во-первых, потому, что перед инженерной психологией стоит задача изучения человека как субъекта деятельности, а во-вторых, потому, что необходима разработка оценок семантических характеристик информации.)
Практические задачи инженерной психологии касаются согласования человека и техники как элементов единой системы. Под согласованием понимается, во-первых, максимальное приспособление техники к человеку (по параметрам конструкции и технологического процесса); во-вторых, максимальное приспособление человека к технике (по параметрам профессиональной пригодности и профессиональной подготовленности); в-третьих, рациональное распределение функций между человеком и автоматическими устройствами в системах "человек - техника".
Приспособление техники к человеку должно осуществляться с помощью ряда последовательных целенаправленных инженерно-психологических разработок на всех этапах проектирования. В целом они составляют суть инженерно-психологического обеспечения проектирования АСУ. Инженерно-психологическое обеспечение проектирования систем есть в то же время и проектирование деятельности человека. В период эксплуатации техники ее приспособление к человеку очень ограничено и оказывается возможным лишь при модернизации2.
2 (В период эксплуатации приспособление техники к человеку может осуществляться также за счет тех регулировок, которые предусмотрены в процессе проектирования. Это, например, изменение высоты сидения кресла применительно к росту человека, изменение громкости или яркости сигнала в зависимости от конкретных условий работы и т. п.)
Приспособление техники к человеку затрагивает структурную и функциональную стороны их взаимодействия.
Структурное приспособление связано с организацией сенсомоторного поля в рабочих зонах, с учетом рабочего положения сидя или стоя. Основаниями для структурного приспособления являются следующие данные:
- размеры и форма тела человека и отдельных его частей;
- пределы и характер движений в суставной системе;
- силовые характеристики мышечной системы;
- поле зрения;
- чувствительность анализаторов.
В соответствии с указанными данными определяются следующие параметры техники:
- размеры и форма пульта управления и кресла;
- размеры и форма панелей органов управления;
- размеры и форма органов управления (манипуляторов, педалей),
- объем, направление и характер движений органов управления;
- сопротивление органов управления;
- размеры и форма приборных панелей;
- размеры элементов индикационных частей приборов;
- сила сигнала (визуального или слухового).
Функциональное приспособление техники к человеку связано с особенностями деятельности информационной системы человека. Исходными данными для решения вопросов функционального приспособления являются:
- объем и время восприятия;
- объем оперативной памяти и длительность хранения информации;
- структурно-временные характеристики мышления;
- особенности внимания;
- особенности представлений;
- пределы регуляции произвольных движений;
- особенности координации движений;
- особенности взаимодействия анализаторов.
В соответствии с этим при разработке техники определяются следующие параметры:
- количество сигналов и частота их поступления;
- длительность существования сигнала;
- признаки привлекающего эффекта сигналов;
- мнемические признаки сигналов;
- признаки отражения в сигнале существенных характеристик объекта - источника информации;
- соотношение изменений индикационных элементов и движении органов управления;
- соответствие характеристик сигналов представлениям человека о реальной ситуации, об объекте;
- размещение индикаторов и органов управления в соответствии с их значимостью и очередностью использования;
- полнота информационного представления объекта.
Важным вопросом согласования характеристик человека и техники, как указывалось выше, является приспособление человека к технике. Оно включает в себя профессиональную ориентацию, профотбор и профессиональную подготовку.
Исходя из потребностей в определенной профессиональной деятельности, требований, предъявляемых той или иной профессией к человеку, и качеств, которыми должен обладать человек для успешного выполнения данной деятельности, проводится профессиональная ориентация. Целью ее является обеспечение оптимального распределения людей по различным профессиям, которое достигается, во-первых, профпропагандой и профпросвещением, направленными на формирование знаний о профессии, необходимых для обоснованного ее выбора, устойчивой мотивации и методов самоподготовки и развития профессионально важных качеств; во-вторых, профконсультацией, предполагающей предварительное психологическое (и обычно медицинское) обследование с последующей рекомендацией по поводу выбора профессии. Профессиональный отбор (профотбор) имеет целью определение пригодности людей к обучению и последующей профессиональной деятельности. Профотбор проводится на основании оценки различных психологических и других (медицинских, социальных) показателей, полученных в результате обследования, изучения документов, собеседования, наблюдения за поведением, конкурсных экзаменов и т. п. Из психологических показателей наиболее часто оцениваются показатели внимания, мышления, памяти, произвольных реакций, интеллектуальных способностей, тревожности, эмоциональной устойчивости, целеустремленности, дисциплинированности, честности, общительности, идейной убежденности, принципиальности и т. п.
В результате профотбора для обучения профессиональной деятельности (с учетом прогнозов успешной работы после обучения) должны быть рекомендованы прежде всего люди, имеющие высокий уровень индивидуально-психологических качеств, необходимых в данной профессиональной деятельности. Далее, должны быть отведены все лица, имеющие явные противопоказания к данной деятельности или столь низкий уровень исходной подготовки, который не позволяет надеяться на успешность обучения в заданные сроки. В процессе обучения результаты профотбора уточняются (методом исключения лиц, заключение о профпригодности которых оказалось ошибочным).
Профессиональная подготовка является одним из существенных моментов приспособления человека к технике. Это прежде всего профессиональное обучение, направленное на приобретение знаний, умений и навыков. Обучение сначала осуществляется преимущественно в рамках тренировки, причем начальный этап тренировок может быть связан лишь с развитием профессионально важных качеств (внимания, быстроты действий и т. п.).
Согласование человека и техники как элементов единой системы связано с необходимостью решения вопросов распределения функций между человеком и машиной (автоматом). При решении этих вопросов устанавливается, какие функции целесообразнее оставить человеку, а какие должны выполняться автоматическими устройствами. Следовательно, и трудовая деятельность человека по своей форме и содержанию, и политика автоматизаций в отношении различных видов технических систем будут существенно зависеть от распределения функций. Распределение функции между человеке и автоматом осуществляется обычно по принципу преимущественных Возможностей.
Основными преимуществами техники можно считать следующие:
- стабильность выполнения однообразных действий;
- быстрота выполнения вычислительных операций, просчета многочисленных вариантов с целью нахождения наилучшего по заданным критериям;
- большой объем памяти и быстрота извлечения необходимых данных;
- быстрота и точность классификации относительно простых сигналов при малых уровнях помех;
- использование для передачи информации форм энергии, к которым рецепторы человека не имеют специфической чувствительности (например, электромагнитных колебаний в диапазоне радиоволн);
- выполнение операций строго по заданным программам и алгоритмам;
- нечувствительность к влиянию социальной среды;
- относительная простота создания защитных (от внешней среды) устройств.
Основными преимуществами человека можно считать:
- способность к обнаружению и опознанию сигналов в условиях высоких уровней шумов, при наличии специальных мер маскировки и т. п.;
- возможность принимать решения на основе обобщения данных и знаний, относящихся к различным областям науки, техники, производства,
- способность вырабатывать индивидуальный стиль деятельности как эффективную адаптационную меру;
- способность находить новые решения, новые способы выполнения рабочих (технологических) операций;
- способность принимать информацию по различным сенсорным каналам, легко переходить от одной модальности сигналов к другой,
- способность накапливать информацию и использовать накопленный опыт для совершенствования способов работы;
- возможность использовать для взаимодействия с техническими устройствами различные индикаторы и органы управления,
- возможность усиливать интерес к работе за счет наличия в трудовом процессе творческого, поискового компонента;
- способность сохранять готовность к действию в неожиданных ситуациях;
- способность находить новые пути в неожиданных (экстренных) ситуациях.
Конечно, человек может поддерживать относительно высокий и стабильный уровень работоспособности лишь в пределах какого-то ограниченного времени. В процессе работы человек может отвлекаться, он утомляется и, следовательно, скорость и точность его действий могут значительно снижаться. В отношении длительной стабильности однообразной работы машина бесспорно превосходит человека, она способна при этом выполнять десятки тысяч счетных операций. Однако человек имеет неоспоримые преимущества при работе в сложных условиях, он обладает также колоссальными возможностями компенсации, может в течение короткого времени не только полностью восстанавливать работоспособность, но и выполнять работу на более высоком уровне.
Очевидно, что в любой системе управления функции между человеком и автоматическими устройствами должны распределяться таким образом, чтобы обеспечить возможность проявления всех тех качеств, которые аккумулированы в современном человеке как результат трудовой деятельности предшествующих поколений. В этом отношении автоматические устройства, от простейших до самых сложных, призваны в первую очередь обеспечить высокопроизводительную и надежную работу систем, при этом освободить человека от тех функций, к которым он наименее приспособлен, и максимально представить в рабочем процессе функции, наиболее отвечающие качествам человека как личности, как субъекта деятельности.
Дмитриева М. А., Крылов А. А., Нафтульев А. И. Психология труда и инженерная психология. Л., 1979. С. 129-137.
Автоматизация и человек (А. Н. Леонтьев)
Всякая система необходимо состоит из двух принципиально разных подсистем: подсистемы, включающей технические звенья (назовем ее "машина"), и подсистемы, которая представлена человеком-оператором (назовем ее просто "человек"). Представим себе теперь, что подсистему "человек" мы заменили техническим устройством. Но в этом случае, чтобы сохранить управляемость данной системы в целом, мы должны будем превращать ее в подсистему новой системы более высокого уровня, которая в качестве своей второй принципиальной подсистемы будет снова включать в себя подсистему "человек", и так будет происходить на каждом новом этапе автоматизации1.