1. Исходные соображения

Проблема точного теоретического анализа и критериев оценки информационных процессов в психике человека является одной из самых актуальных проблем современной теоретической и прикладной психологии.

Сложное системное, иерархическое строение процессов приема и переработки информации предъявляет высокие и специфические требования к методам их теоретического анализа и уровню экспериментального исследования.

За последние годы наблюдается сближение математических, кибернетических и психологических методов исследования не только результатов, но и структуры, функционирования и генезиса информационных процессов, составляющих существенную часть психических процессов человека. При этом, несмотря на обилие различных направлений и теоретических школ, обнаруживается общая закономерность в подходах к анализу и во взглядах на природу указанных психических процессов. Эта закономерность проявляется в сближении методологических основ различных концепций по мере углубления и расширения экспериментально-психологических исследований.

В настоящее время во всем мире ведущее значение в попытках объяснения природы и механизмов психических процессов приобретает материалистическая диалектическая методология, кладущая в основу исследования психических процессов принципы отражения и регуляции.

Такая постановка проблемы в том или ином виде находит свое подтверждение в основных "рациональных" математических моделях, разработанных за последнее десятилетие в рамках самой психологии, в прикладной математике, в кибернетике, в моделях, которые, к сожалению, охватывают достаточно частные аспекты общей проблематики.

Математический аппарат описания психических явлений, используемый в большинстве современных матема-тико-психологических концепций, опирается на математическую теорию структур, теорию отображения, теорию информации, теорию адаптивных систем и др. При этом отыскивается операциональная структура преобразований и соответствующие инварианты их результатов относительно определенных совокупностей преобразований.

Анализ операциональной стороны преобразований, по нашему мнению, в известной мере сближается с психологической проблемой исследования структуры и динамики психических процессов и деятельности человека в целом, а конечные результаты их - все более полно и точно охватывают экспериментально наблюдаемые явления. Таким образом, различные уровни процессов приема и переработки информации, принятия решения и регуляции поведения могут выступать как частные случаи общей задачи с соответствующими ограничениями на свойства пространств и совокупности их преобразований.

Та часть исследований, в которой изучаются структура и динамика психических процессов, оказывается тесно связанной с проблемами анализа факторов, так или иначе детерминирующих качество деятельности, таких, например, как мотивация, целеобразование, обучение в широком смысле и вообще психическая регуляция самих процессов и ответных действий.

Другая группа исследований имеет определенное отношение к оценке результата отражения, в частности, к психическому образу, и касается проблем организации и свойств тех пространств, в которых формируется этот результат, а также того, как формируется и используется для дальнейшей психической регуляции информационное содержание его. Здесь вычленяются проблемы анализа и оценки информационного содержания, оценки структуры самого пространства (топологии, метрики и способов описания пространства), в котором реализуется результат психического отражения внешней ситуации.

Конкретные задачи прикладного анализа процессов приема и переработки информации, кроме перечисленных, затрагивают, как минимум, еще две важнейшие проблемы.

Это, во-первых, проблема описания внешней информации (стимульного материала) и рабочей (экспериментальной) ситуации в форме, адекватной реальной структуре процессов. Здесь необходим детальный анализ сигнально-информационной структуры внешних воздействий, согласованный, в известном смысле, с особыми свойствами человека как приемника информации: выбор адекватной математической модели сигналов, оценка размерности и выбор геометрии сигнального пространства, учет информационной значимости и семантической структуры сообщений, особенности пространственно-временной динамики потока входной информации, оценка плотности потока и общего количества информации и т. д.

Во-вторых, эта проблема исследования оценки и способов описания (в том числе математического) самих процессов приема информации человеком с точки зрения их системной, целостной природы, которая преследует, с одной стороны, цель анализа "мгновенных" (квазистационарных) свойств процесса, - общих свойств его внутренней организации, количества и качества элементов его структуры, характера и особенностей их взаимосвязей и отношений; а с другой - оценки динамики этого процесса. При этом динамика процесса может рассматриваться, по меньшей мере, в двух различных масштабах времени: с точки зрения генезиса процесса, как специальная форма его развития в пределах человеческой жизни, и с точки зрения функционирования - в плане динамического развития в общей структуре определенной деятельности (в реальной или экспериментальной ситуации). Понятно, что генезис чаще всего предполагает необратимые изменения процесса, а функционирование - обратимые изменения на фоне некоторого стационарного состояния.

Таким образом, системность исследованных процессов в последнем смысле слова дает возможность выделить три аспекта анализа указанных процессов приема и переработки информации при исследовании их любыми доступными методами:

1) анализ структуры и элементов процесса (квазистатический структурный анализ);

2) анализ особенностей процесса в различных реальных и экспериментальных условиях деятельности (анализ функционирования);

3) анализ происхождения и развития процесса в пределах человеческой жизни (генетический анализ).

В настоящей работе предпринята попытка анализа некоторых вопросов первых двух аспектов с целью определения количественных характеристик информационной загрузки оператора в системах контроля и управления на основе применения теоретико-информационных методов.

В общем случае задачей человека-оператора является предписанное отображение пространства входных воздействий на пространство допустимых ответных реакций L_у. При заданных или известных характеристиках разрешающей способности человека оператора по сенсорному входу и моторному выходу необходимо оценить реальную и идеальную информационную нагрузку оператора. Эта проблема не решается обычными средствами теории информации, так как свойства человека-оператора при решении указанных задач являются нестационарными в обычном смысле. Многочисленные данные из области общей и экспериментальной психологии познавательных процессов, результаты психофизических экспериментов и современные теоретические представления о структуре сенсорно-перцептивных процессов убедительно подтверждают указанное положение.

Проблема, таким образом, состоит в том, чтобы наметить некоторые подходы к взаимному сближению интегрально-информационных оценок деятельности оператора и психологических исследований структуры и динамики сенсорно-перцептивных процессов. С одной стороны, необходимо расширение класса задач, оцениваемых информационными методами с включением сюда квазистационарных и квазистохастических задач. С другой - необходимо теоретическое обобщение множества экспериментальных результатов, полученных в разнообразных лабораторных экспериментах, и расширение такого описания на естественные модификации общепринятых процедур, приближающихся по своей структуре к реальной деятельности оператора.

Решение этой проблемы предполагает построение более сильных и, в известном смысле, более детальных моделей операторской деятельности, включающих определенные экспериментально-психологические факты в качестве существенных черт модели и допускающих более глубокое описание психологических реальностей на формальном языке, или, во всяком случае, сопоставимом с языком описания технических (искусственных) систем. Первыми шагами на этом пути являются учет динамических особенностей работы оператора и, прежде всего, его адаптивной и разрешающей способностей.

Локальные и структурные особенности сенсорно-перцептивных процессов обсуждаются в современных работах по психофизике ощущений и восприятия.

Далее обсуждаются некоторые результаты подхода к интегральным информационным оценкам деятельности оператора в реальных системах, развитые в русле идей О. В. Ронжина [1, 7, 8].

Упомянутые здесь психологические закономерности рассматриваются как основные отправные данные для дальнейшего анализа.

Главные проблемы теоретико-информационного подхода к описанию деятельности оператора, как уже отмечалось выше, связаны со специфическими особенностями человека при приеме и переработке информации (По-видимому, полное формальное описание динамики самих процедур переработки информации, процессов принятия решения требует использования математических методов, обладающих большими лингвистическими возможностями). К сожалению, в настоящее время эта специфика не вполне изучена, во всяком случае отсутствуют четкие содержательные модели основных психофизиологических механизмов и самих процессов приема и переработки информации человеком: модели, пригодные для широкого практического использования. В связи с этим на данном этапе возможно лишь приближенное описание интересующих нас психических процессов, опирающееся по необходимости на целый ряд исходных предположений.

Мы постараемся выделить эти предположения на основании анализа структуры задачи оператора в системах контроля и управления, опираясь на данные, накопленные в рамках психологических исследований - в русле общей, экспериментальной и инженерной психологии. Прежде чем перейти к обсуждению этих предположений, мы хотим подчеркнуть, что в настоящей работе рассматривается деятельность оператора алгоритмизированного типа. Для такой деятельности характерна сокращенная этапность переработки информации и принятия решения, стандартность операциональной системы и симультанность реализации многих операций [5].

Ниже излагается обоснование возможностей количественной оценки информационной загрузки оператора с учетом сделанных замечаний.

1. Ориентируясь на экспериментальные результаты, подтверждающие случайный характер ответных реакций человека даже на априори известный детерминированный сигнал, мы в дальнейшем будем рассматривать деятельность оператора как стохастический процесс, а его самого - как стохастическую систему, обладающую некоторыми адаптивными свойствами. В рамках поставленной задачи при анализе потоков информации в системе контроля и управления мы будем иметь дело со следующим важным утверждением, которое вытекает из предыдущего предположения: количество информации, которое фактически перерабатывает оператор на фиксированном отрезке времени, является случайной величиной. Параметры закона распределения этой величины при прочих равных условиях будут зависеть как от характеристик технической части системы, так и от особенностей самого оператора, в частности, от его обученности, тренированности, от конкретных особенностей процессов приема информации и от особенностей переработки принятой информации. 2. В качестве основы информационного описания и последующего анализа деятельности оператора в системах контроля и управления мы будем использовать модель нестационарного дискретного канала связи с дискретным временем. Мы будем считать также, что в оперативной и долговременной памяти оператора хранится информация о целях функционирования и оценке качества деятельности, т. е. существует определенная "инструкция" и установка на выполнение задачи.

Для пояснения нашего выбора и уточнения специфики используемой модели по сравнению с общеизвестными в классической теории информации типами каналов необходимы следующие дополнительные замечания.

Первое из них касается проблемы учета памяти канала. Необходимо четко отдавать себе отчет в том, что включение в структуру моделей оперативной и долговременной памяти оператора еще пе означает эквивалентности принятой модели техническому информационному каналу с памятью.

Действительно, можно показать, что наличие и отсутствие памяти в технических каналах связи порождает, соответственно, зависимость или независимость условных вероятностей Р (х/у), характеризующих внутреннее свойство канала (например, внутренние шумы) от предыдущих входных или выходных событий. Ясно, что введение такого рода памяти в нашу модель оператора как канала связи соответствовало бы стремлению учесть зависимость законов распределения числа и характера правильных и ошибочных действий оператора от предыстории процессов в системе контроля и управления.

Однако в настоящее время в психологической литературе отсутствуют необходимые данные в достаточном количестве. Поэтому, несмотря на то, что мы предполагаем наличие у оператора долговременной и кратковременной памяти, мы не будем рассматривать характеристики памяти в указанном выше смысле, полагая, что оператор работает как система без последействия. Тогда в рамках данной работы резонно ограничиться использованием модели канала связи без памяти.

Второе дополнительное замечание связано с возможными ограничениями на описание структуры входного L_x и выходного L_у пространств, событий в рамках используемой модели канала связи.

Пространство L_х должно описывать различимые для оператора входные события, которые так или иначе отражают состояние объекта контроля и управления. Априори, кажется, нет никаких оснований накладывать какие-либо ограничения, кроме требования физической реализуемости, на пространство L_х. Однако многочисленные исследования процессов приема информации человеком-оператором при обнаружении, различении и опознании сигналов убеждают нас в том, что, вне зависимости от дискуссионности смысла понятия "порог", фактически во всех режимах приема сигналов существуют предельные параметры чувствительности и разрешающей способности сенсорной системы человека. Эти характеристики в инженерной психологии вполне понятно описываются оперативными порогами обнаружения и различения сигналов человеком-оператором [3].

Можно определенно считать, что по каждому сенсорному входу различимым (в широком смысле) для оператора оказывается лишь конечное число состояний - событий во входном пространстве даже в тех случаях, когда состояния объекта (входа) изменяются непрерывно. Исходя из этого, во всем дальнейшем изложении пространство входных событий L_x будет предполагаться дискретным с конечным числом элементов, которые определяются всеми возможными (различимыми для оператора) состояниями информационной модели системы контроля и управления.

Пространство выходных событий L_у, исходя из аналогичных соображений, также следовало бы рассматривать дискретным и ограниченным, как пространство управляющих реакций оператора, конечное и дискретное в силу конечной чувствительности каждого моторного выхода оператора. Однако здесь возникают некоторые трудности с определением числа элементов L_у.

Понятно, что существенными для системы контроля и управления являются именно те параметры и свойства операторов, которые влияют на основные характеристики - качество, время, точность, надежность, - лишь тех его управляющих реакций, которые различимы для объекта. Естественно, что в реальных системах контроля и управления число различимых оператором состояний-событий в L_x и L_у должно быть не меньше числа различных и различимых состояний информационной модели и пультов управления. Кроме того, очевидно, что во всякой разумным образом спроектированной системе пространства L_x и L_у, должны быть в известном смысле равномощньт, эквивалентны по числу содержащихся элементов. Другими словами, каждому элементу - входному событию из L_x должен соответствовать определенный элемент из L_у - т. е. выходная реакция.

3. Для того чтобы иметь возможность оценивать рабочие характеристики оператора при приеме и переработке информации, мы введем понятие эффективного отсчета оператора (ЭО). Раскроем содержание этого понятия: под ЭО мы будем понимать всю совокупность операций и действий оператора, связанную с поиском, обнаружением и опознанием некоторого сигнала - элемента L_x, а также с его логической обработкой и формированием ответной реакции - элемента из L_у.

Фактически ЭО - некоторая элементарная единица деятельности, имеющая пространственную и временную протяженность.

В количественном отношении естественно характеризовать ЭО, во-первых, конечной протяженностью во времени, а во-вторых, определенной информативностью, т. е. тем количеством информации, которое перерабатывает оператор при его реализации.

В связи со стохастическим характером деятельности оператора естественно считать протяженности ЭО во времени случайными величинами с определенными законами распределения. Параметры этих законов, очевидно, являются специфическими для каждой комбинации "индикатор - орган управления", а также зависят от всего комплекса индивидуальных психологических характеристик оператора, его состояния и условий деятельности.

4. Используя таким образом введенное понятие ЭО, функционирование оператора как процесс будем описывать в дальнейшем некоторой стохастической последовательностью неперекрывающихся ЭО. В силу этого любой конечный отрезок времени функционирования оператора представляется конечной суммой случайного числа случайных слагаемых, соответствующих дискретным временным интервалам реализации ЭО в порядке их следования, начиная с момента t=0.

Так как ЭО, по нашему предположению, не пересекаются, то без особой погрешности можно считать, что конец предыдущего отсчета и начала последующего во времени совпадают. Не трудно заметить, что это наше предположение согласуется с известной в инженерной психологии гипотезой о последовательной структуре процесса переработки информации человеком-оператором. В качестве практического следствия, полезного и для наших дальнейших рассуждений, из указанной гипотезы вытекает возможность обобщения понятий ЭО оператора на многоэлементные информационные модели. Обобщенный ЭО, относящийся к пульту в целом, можно представить себе состоящим из конечной последовательности элементарных ЭО (в смысле, определенном выше) для каждого различимого состояния изолированного индикатора. Отсюда следует также, что количество информации, которое тот или иной оператор, функционируя в рамках последовательной структуры, способен переработать за определенное время, естественно подсчитывать как сумму информативности той части последовательности ЭО, которая укладывается на рассматриваемом отрезке времени.

В качестве выводов из приведенных выше рассуждений сформулируем главные принципы, на которых будет базироваться предлагаемый ниже подход к информационному описанию деятельности оператора в задачах контроля и управления.

а) Информационный обмен между объектом управления и управляющей системой - есть объективная реальность, не зависящая от наличия или отсутствия оператора в структуре управляющей системы.

б) Количество информации, циркулирующее в контуре управления, прежде всего есть функция структуры и динамических свойств объекта управления, заданных критериев качества его поведения во времени, заданной точности контроля его состояний, а также характеристик внешней среды.

в) В рамках информационного подхода все индивидуальные психологические характеристики человека-оператора в интегральном виде проявляются в его способности или неспособности к обработке объективно существующих потоков информации, поступающих к нему в соответствии с принятым распределением функций контроля и управления.

г) Задача оператора в системе контроля и управления заключается в генерации определенных реакций - элементарных событий из конечного дискретного пространства выходных событий L_у в ответ на определенные состояния информационной модели системы - на события из дискретного конечного пространства входных событий L_x. Эта задача решается оператором, по нашему предположению, с помощью эффективных отсчетов ЭО, не пересекающихся во времени и, в первом приближении, не зависящих от предыстории системы в целом. В таких условиях для описания деятельности оператора целесообразно использовать модель дискретного канала связи без памяти (в теоретико-информационном смысле) и наделить ее некоторыми специальными характеристиками.

д) Использование предложенного подхода должно позволить решить задачу оценки количества информации, фактически перерабатываемой оператором, определить степень его информационной загрузки и прогнозировать информационную нагрузку операторов в системах контроля и управления.