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; P_i - 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 Е_n - математическое ожидание числа шагов поиска; N - число элементов поля, в котором осуществляется поиск; М - число искомых объектов; T_f - 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; t_зп - время зрительного поиска, т. е. наведения глаз на данный индикатор; t_п - 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; Т_оу - время обнаружения органа управления; Т_м - время моторного акта, связанного непосредственно с движением органа управления; Т_к - 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 Т_зп - суммарное время зрительного поиска; Т_п - 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 Т_п•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 Т_п•N₁+ Т_п•N₂ и т. д.

Поскольку суммарное время зрительного поиска (T_зп), время приема информации и выработки решения при использовании индикаторов, не имеющих отклонения за допустимые пределы (T_п•n), составляют вместе время обнаружения сигнала, требующего исполнительных действий (T_ои), 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 n_i - число логических условий в г-й группе членов алгоритма; P_i - частота встречаемости такой группы в алгоритме.

Степень стереотипности рабочего процесса характеризуется коэффициентом стереотипности Z, вычисляемым по формуле

где n_i - число "операторов" в г-й группе членов алгоритма; Р_i - 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 К_г - 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 К_г - вероятность исправной работы системы контроля в момент поступления на ее вход информации; P₀(t) - вероятность того, что за время t не произойдет окончательных отказов; P_п(t) - полная вероятность отсутствия ошибок приема информации оператором за время t.

Полная вероятность отсутствия ошибок приема информации оператором, т. е. Р_п (t), может быть вычислена по формуле

где Р'(t) - вероятность того, что время t в системе контроля не произойдет перемежающихся отказов; P_оп(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; Р_в(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; R_к - 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 R_к-> реальная эффективность стремится к своему идеальному значению Е->W₀. В целом вероятность Р_s 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 R_к 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; t_i - 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.

На портале www.dosugnov.ru.