О потере информации при описании деятельности человека-оператора передаточной функцией (Ю. М. Забродин, А. П. Чернышев)

Возрастание числа полуавтоматических систем в мире за последние годы показывает, что на современном этапе технического прогресса они стали доминирующими [6] . Причины этого, на наш взгляд, заключаются в следующем: во-первых, ограниченность возможностей автоматических систем относительно эффективности их применения; во-вторых, резкое увеличение стоимости и сложности создаваемых систем с повышением уровня автоматизации.

Все полуавтоматические системы относятся к классу систем "человек - машина", поэтому инженерно-психологические исследования взаимодействия человека с техническими средствами в настоящее время приобретают решающее значение для их проектирования и эксплуатации.

В связи с научно-техническим прогрессом произошли существенные изменения требований к психической деятельности человека, все чаще стали возникать ситуации, в которых человек-оператор оказывается на пределе своих возможностей. В этих случаях человеческий фактор ограничивает работу всей системы.

В настоящее время существует разрыв между подходами к описанию психофизиологических характеристик человека и характеристик машины, обусловленный спецификой методов исследования в психологии, с одной стороны, и технике - с другой. Этот разрыв обусловлен исторически сложившимися традициями в теории и практике проектирования техники и в исследовании деятельности человека.

Создание единой системы "человек - машина" требует единого подхода ко всей системе в целом и единого языка для ее описания. Тем не менее до настоящего времени расчету и проектированию подвергается только одна подсистема - объект управления. Одной из основных причин такого положения дел является отсутствие принципа построения модели деятельности человека-оператора.

Для учета человеческого (прежде всего психологического) фактора особенно важно разработать такие подходы, которые позволили бы описывать деятельность человека так. чтобы из этих описаний легко было извлекать информацию для решения технических задач и вместе с тем по оценкам, принятым в технике, видеть психологический смысл тех или иных проявлений деятельности человека-оператора.

Попытки создания единого описания функционирования технической части системы и деятельности человека-оператора в инженерной психологии получили свое наибольшее развитие при анализе деятельности оператора в режиме слежения. При этом в качестве основного метода использовались математические модели деятельности, заимствованные из аппарата теории автоматического регулирования (главным образом передаточные функции). Первые передаточные функции, описывающие деятельность оператора в режиме слежения, появились в США в начале 50-х годов. Это были модели Мак-Руэра, Крендела, Элкинда и др. [3; 15; 16]. В дальнейшем к созданию моделей деятельности был привлечен аппарат нелинейной теории автоматического управления. Это - модель Диамантидеса [17]. Были созданы нестационарные и изменяемые во времени модели деятельности [14]. Подобные модели были созданы и у нас в стране [9; 10]. Всего же математических моделей деятельности в режиме слежения было создано более тридцати [8].

В подавляющем большинстве случаев при создании математических моделей использовался механоцентрический подход бихевиористского толка, который состоял в том, что человек-оператор представлялся как простое звено системы, а для описания его функционирования применялись методы, разработанные для анализа технических систем. Главная задача подобного анализа состояла в определении "выходных" реакций человека при известных "входных" сигналах, т. е. осуществлялся подход "стимул - реакция".

Построение математических моделей деятельности производилось в основном при помощи двух методов.

1. Метод эталонной модели. Этот метод состоит в том, что модель, сформированная в виде аналоговой схемы, подключалась в рабочий контур параллельно с человеком-оператором. Действие человека сравнивалось с выходным сигналом модели по какому-либо заранее выбранному критерию (чаще всего использовался критерий среднеквадратической ошибки).

При этом параметры модели подстраивались таким образом, чтобы минимизировался выбранный критерий сравнения.

Метод эталонной модели позволяет лишь идентифицировать действия человека-оператора, но не дает возможности раскрыть их психологические характеристики. Такие модели могут быть полезными и необходимыми лишь в случае, когда человека в системе нужно заменить автоматом.

2. Метод спектрального анализа. При помощи этого метода, привлеченного из аппарата теории автоматического управления, исследовался спектральный состав ответных действий оператора. По виду спектрального состава выходного и входного сигналов приближенно определялся вид звена, осуществляющего подобное преобразование. При этом класс создаваемых моделей деятельности ограничивался квазилинейными моделями. Эти модели также не дают подхода к изучению особенностей действий человека (их структуры и механизмов психической регуляции).

Независимо от способа получения большинство из созданных математических моделей не нашли практического применения.

Эти модели деятельности не отражали таких важных особенностей, как зависимость ответной реакции от вида и значимости входного сигнала, адаптационные возможности оператора, его утомляемость, зависимость реакций от условий деятельности, от уровня мотивации, от функционального состояния и т. д. Главное, они игнорируют тот факт, что действия оператора опосредствуются психическим отражением: концептуальными моделями, оперативными образами объекта управления. Получилось, что человек-оператор был поставлен на один уровень исследования с объектом управления, несмотря на его специфические качества. В построении этих моделей нарушается главный принцип советской инженерной психологии, который гласит, что в системах управления отношение человека и машины является отношением "субъекта труда и орудия труда" [4].

Как уже было сказано, один из распространенных подходов к моделированию функциональных характеристик деятельности человека заключается в формальном переносе понятия передаточной функции на описание деятельности оператора. Действительно, в практике проектирования систем управления передаточная функция является наиболее удобным видом описания динамики их функционирования. Эта достаточно простая идея привлекла внимание многих исследователей, занимающихся вопросами моделирования деятельности человека-оператора [3; 9; 10; 14]. Однако следует сказать, что в психологической литературе термин "передаточная функция человека" употребляется не вполне корректно. Представляется очевидным факт, что соответствующие соотношения не справедливы для разомкнутых и замкнутых систем с наличием в них человека-оператора. Кроме того, описав математической моделью деятельность человека-оператора в одной ситуации, практически никогда нельзя перенести ее на другую ситуацию. Передаточная функция объекта, будучи однажды вычисленной, остается неизменной для любых воздействий и не зависит от типа и места включения в систему. Поэтому представляет интерес вопрос о правомочности переноса понятия передаточной функции системы на описание деятельности человека-оператора:

Что такое передаточная функция? Для какого класса систем это понятие справедливо? Можно ли это понятие перенести на описание деятельности человека в системе? И если можно, то где границы применимости этого понятия для деятельности человека?

В теории автоматического управления понятие передаточной функции введено для линейных систем. Под линейной системой понимают систему, для которой справедлив принцип суперпозиции. Этот принцип заключается в следующем: если к линейной системе приложено одновременно несколько возмущающих воздействий, то их совместный эффект равен сумме эффектов, вызванных каждым воздействием в отдельности.

Принцип суперпозиции дает возможность представить реакцию линейной системы на произвольное возмущение в виде суммы реакций этой системы на элементарные возмущения. Для этого достаточно разложить произвольное возмущение по элементарным возмущениям выбранного типа. Тогда, зная реакцию линейной системы на элементарные возмущения этого типа, мы можем при помощи принципа суперпозиции определить ее реакцию на произвольное возмущение. Вследствие этого динамические свойства линейной системы можно полностью охарактеризовать ее реакцией на какой-нибудь стандартный тип возмущения, с помощью которого можно представить возмущение произвольного вида. Принципиально можно выбрать любой вид элементарного возмущения и в соответствии с ним определить характеристику линейной системы.

В зависимости от выбора стандартного типа возмущения мы получим разные характеристики линейной системы. Но каждая такая характеристика будет исчерпывающей, так как знание ее достаточно для нахождения реакции линейной системы на любое возмущение. Все эти характеристики взаимосвязаны и могут быть получены одна из другой. Они зависят только от собственных динамических свойств системы и не зависят от параметров воздействия. Передаточная функция определяется как отношение выхода системы, преобразованного по Лапласу, ко входу системы, преобразованному по Лапласу, при нулевых начальных условиях.

Это определение часто используется в психологической литературе без учета класса системы, что приводит к ошибочному толкованию передаточной функции.

Рассмотрим возможность построения функции, отображающей деятельность оператора. Ограничимся моделированием простой сенсомоторной деятельности и не будем касаться более сложных случаев. Такой деятельностью может быть компенсаторное слежение в одной плоскости за гармоническим сигналом.

Сущность эксперимента состояла в следующем. С низкочастотного генератора периодических колебаний подавали гармонический сигнал, оператор его отслеживал с помощью потенциометрической ручки управления. Образующаяся при этом ошибка слежения поступала на индикатор. Для формализованного описания деятельности необходимо рассмотреть внешнее воздействие на человека-оператора и его ответную реакцию. Частота предъявляемого сигнала в каждом конкретном эксперименте была фиксированной. Эксперимент проводился на частотах от 0,05 Гц до срыва слежения¹ операторами. При обработке эксперимента определялись статистические характеристики ошибки.

¹ (Под срывом слежения понимается величина дисперсии ошибки, равная дисперсии входного сигнала, т. е. случай, равносильный бездействию оператора.)

Анализируя спектр ответных действий оператора, можно видеть, что он содержит, кроме требуемой гармоники, еще ряд гармонических составляющих и случайный процесс, которые не предусмотрены целью данной деятельности. Появление дополнительных гармоник в ответной реакции оператора свидетельствует об эффекте нелинейного преобразования оператором входного воздействия. Нелинейность преобразования можно оценить функцией когерентности. На низких частотах предъявляемого сигнала функция когерентности близка к единице, что формально позволяет провести линеаризацию преобразования и, таким образом, построить линейную модель деятельности. Именно это обстоятельство и было тем формальным и общепринятым в теории регулирования фундаментом, на котором строились передаточные функции, описывающие деятельность оператора.

Информационная природа дополнительных движений при слежении в работе определялась экспериментальным путем. В контур управления человека-оператора, осуществляющего слежение, включались динамические инерционные и колебательные звенья, которые являются фильтрами определенных частот. Причем их фильтрующие свойства определялись значениями параметров. Включение в контур этих звеньев, имитирующих свойства объекта управления, существенным образом затрудняло деятельность оператора; резко возрастала ошибка слежения, раньше происходил срыв. Оказалось, что если такое звено-фильтр "срезало" часть спектра ответных действий, несущего для оператора информацию, то резко ухудшалось качество выполнения деятельности. С другой стороны, включение в контур управления звена, порождающего дополнительные гармоники (нелинейность), также увеличивало число дополнительных действий оператора: при этом возрастала ошибка, что ухудшало качество слежения. Таким образом, судя по нашим данным, оператор использует для формирования управляющих действий при слежении ту информацию, которую "провоцирует" сам. Уменьшение этой информации за счет фильтрации или ее "обогащение" за счет генерации новых гармоник ухудшает деятельность оператора.

Результаты экспериментального анализа деятельности оператора, осуществляющего компенсаторное слежение, раскрывает как бы двойную природу дополнительных движений. С одной стороны, они являются ошибкой слежения, т. е. представляют собой отрицательный фактор. С другой стороны, определенная часть этих движений, имеющая информационный характер и являющаяся проявлением специфической активности операторов, необходима для успешного осуществления слежения. При этом важно напомнить, что с точки зрения теории регулирования дополнительные движения, входящие в состав ошибки, не нужны для осуществления процесса слежения, так как они не являются управляющими. Именно поэтому при создании математических моделей они не рассматривались. Создание линейной модели требует пренебрежения этими движениями за их малостью, однако игнорирование их приводит к потере информации о психологической регуляции деятельности.

Определение информационной природы малых движений позволило в ином ракурсе рассмотреть различные аспекты операторской деятельности типа слежения. Малые движения, которые рассматривались как ошибка управления, являются одним из показателей психологических особенностей работы оператора в режиме слежения.

При формализованном описании деятельности человека-оператора передаточной функцией теряется информация, определяющая "чувственное восприятие" оператора параметров объекта управления и внешнего возмущения на систему "человек - машина".

Литература

1. Берг А. И. Кибернетика - наука об оптимальном управлении. М., 1964.

2. Блакьер О. Анализ нелинейных систем. М., 1979.

3. Бике Дж. Человек-оператор в системах управления//Современная теория систем управления/Под ред. К. Леонидеса. М., 1970.

4. Ломов Б. Ф. Человек и техника. М., 1966.

5. Материалы V Всесоюзного конгресса по физиологии труда. М., 1967.

6. Основы инженерной психологии/Под ред. Б. Ф. Ломова. М., 1978.

7. Петров Б. Н., Губинский А. И., Рыльский Г. И. Проблемы эффективности и надежности человеко-машинных систем в общей теории управления//Материалы IV Всесоюзного симпозиума по эффективности и надежности систем "ч - т". Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика". М.-Л., 1975.

8. Методология исследований по инженерной психологии и психологии труда. М., 1974. Ч. 1. № 4.

9. Сергеев Г. А., Романенко А. Ф. Статистические методы оценки эффективности передаточной функции человека-оператора//Вопросы психологии. 1965. № 4.

10. Таран В. А., Кофанов Ю. Н. К вопросу об определении передаточной функции человека-оператора с помощью аналоговой машины//Вопросы психологии. 1969. № 3.

11. Трапезников В. А. Человек в системах управления//Автоматика и телемеханика. 1972. № 2.

12. Чернышев А. П. К вопросу о передаточной функции человека-оператора//Материалы V Всесоюзного съезда психологов СССР. Психологические проблемы повышения эффективности и качества труда. М., 1977.

13. Шеридан Т. Б. Экспериментальное исследование изменений передаточных функций человека-оператора во времени//Труды I конгресса ИФАК АН СССР. М., 1961.

14. McRuer D. T., Krendel E.S. WADS Technical Rep. 56-524. Wright Air Development Center. 1957.

15. Elkrud T. I. Technical Rep. Lincoln Lab, Massachusets Snst. ot Techn"1956. № 111.

16. Diamantides N.D. Man as a link in a control loop electrotechnology. 1962. Vol. 69. № 1. P. 361- 371.

17. Шеридан Т. Б., Феррел У. P. Системы человек - машина. М., 1980.

Методология инженерной психологии, психологии труда и управления. М., 1981. С. 244-249.