Инженерно-психологические основы проектирования систем "человек - машина"

Принципы построения рабочих мест и их элементов (И. И. Литвак, Б. Ф. Ломов, И. Е. Соловейчик)

Требования к информационной модели

Средства отображения являются своего рода полем, на котором строится информационная модель, и в то же время механизмом ее построения. Образно говоря, это и холст, и краски для изображения картины, а программа, по которой они работают, - художник. При разработке средств отображения важно четко представить себе характеристики тех информационных моделей, которые будут строиться сих помощью. В конечном счете сам технический принцип построения средств отображения должен диктоваться их назначением, а следовательно, и теми требованиями, которые предъявляются к информационной модели,

Перечислим основные требования, которым должна удовлетворять информационная модель и которые, в свою очередь, определяют построение средств отображения.

Информационная модель должна:

1. Обеспечить понимание наблюдателем отображаемой ситуации. Хорошо построенная модель должна позволить наблюдателю понять ситуацию без детального анализа сигналов, как бы схватить ситуацию одним взглядом". Средства отображения должны обеспечить своевременное представление всей необходимой для построения модели информации как ожидаемой (регулярной), так и неожиданной (внезапной).

2. Прояснить сложные отношения в ситуации так, чтобы значимые с точки зрения задачи, стоящей перед наблюдателем, тенденции развития событий, возникающие конфликты, связи и т. д. были представлены в легко доступном для зрения виде, чтобы детали позволяли понять целое, а целое могло быть проверено в деталях.

3. Создать необходимые условия для того, чтобы наблюдатель мог своевременно принимать правильные решения.

4. Обеспечить эффективное информационное взаимодействие человека и технических устройств, при котором возможности и того, и других использовались бы наилучшим образом.

5. Обеспечить максимальную надежность деятельности человека и системы управления (контроля) в целом; свести до минимума возможность возникновения ошибок,

6. Создать условия, позволяющие человеку легко и свободно менять способы деятельности, обеспечить необходимую гибкость поведения человека и взаимозаменяемость наблюдателей.

7. В том случае, если система обслуживается коллективом наблюдателей, обеспечить условия координации действий входящих в него членов.

Трудность разработки достаточно строгих количественных способов и критериев, позволяющих оценивать, насколько та или иная информационная модель удовлетворяет перечисленным требованиям, заключается в том, что информационное взаимодействие между средствами отображения и наблюдателем представляет собой сложную систему процессов, подверженных влиянию многих факторов.

Из перечисленных требований вытекает необходимость определения характеристик информационных моделей. В первую очередь к ним относятся такие, как количество информации, содержащейся в модели, и полнота отображения объекта (события, среды), динамики изменения модели во времени, ее пространственная организация, тип модели.

Количество информации. Как показывают психологические исследования, количество информации, извлекаемой человеком при восприятии воздействующих на органы чувств сигналов в единицу времени, ограничено. Оно определяется числом различаемых и идентифицируемых градаций признаков воспринимаемого сигнала (например, яркости, освещенности, цветовых тонов и т. д.). В отношении различения зрительная система человека располагает весьма большими возможностями, вытекающими из характеристики дифференциальной чувствительности.

-Однако если при ориентировке в мире реальных предметов человеку иногда достаточно только различать те или иные характеристики внешних воздействий, то при восприятии информационных моделей и решении задач управления техникой дело не ограничивается различением; необходимым компонентом процесса приема информации в этих условиях является идентификация и интерпретация сигналов. Поэтому при определении объема информации, представляемой средствами отображения, следует исходить, прежде всего, из возможностей идентификации и интерпретации сигналов наблюдателем.

Нередко при создании информационных моделей приходится сталкиваться с противоречием между требованиями к объему информации, диктуемыми задачей, и ограниченными возможностями наблюдателя по ее приему. В случае, когда поток информации превышает возможности наблюдателя, он либо передается отдельными порциями, каждая из которых эквивалентна возможностям наблюдателя, либо распределяется между несколькими наблюдателями. Кроме того, поскольку информационная емкость сигнала зависит от числа его измерений, объем информации, передаваемый моделью, можно варьировать, изменяя способы ее кодирования. Или, иначе, способ кодирования должен выбираться в соответствии с объемом информации, которую нужно передавать наблюдателю¹.

¹ (К сожалению, инженерная психология пока еще не располагает удовлетворительными методами количественной оценки информации, содержащейся в информационной модели.)

Полнота отображения объекта наблюдения. Естественно полагать, что чем полнее информационная модель отображает событие и условия, в которых оно существует, тем более широкие возможности для принятия решения имеются в распоряжении наблюдателя.

Однако стремление сделать модель как можно более полной неизбежно связано с увеличением объема информации, передаваемой с ее помощью. При этом увеличивается не только релевантная (т. е. необходимая для решения задачи), но и иррелевантная информация. Как показано многими исследованиями, присутствие в модели необходимых данных снижает скорость приема и переработки информации: возрастает время поиска релевантных сигналов, определения их местоположения, их идентификации, сравнения, пересчета; увеличивается также число ошибок, допускаемых при выполнении перечисленных сравнительно элементарных действий [2; 3; 4].

Казалось бы, исходя из этих данных, в информационную модель должны включаться только релевантные сигналы: модель должна быть "очищена" от необходимых данных. Тем не менее наблюдатели, работающие с информационными моделями, возражают против подобного "очищения". Отмечается, что сигналы, иррелевантные в данный момент, могут стать очень нужными в какой-то другой момент. Для выбора оптимального решения той или иной задачи необходима как можно более полная информация; во всяком случае, модель должна включать сигналы, релевантные не только реально, но и потенциально. Экспериментально показано, что при решении стратегических задач выбор момента, когда следует принимать решение, точность этого решения и уверенность в нем возрастают с увеличением объема принимаемой и перерабатываемой информации [5].

Таким образом, в системе инженерно-психологических требований к информационной модели возникает противоречие. С одной стороны, для того чтобы обеспечить своевременное и правильное решение, она должна быть как можно более полной; с другой стороны, если объем информации, передаваемой моделью, превышает возможности наблюдателя по ее приему и переработке, надежность и эффективность его деятельности снижаются. Одним из способов разрешения этого противоречия является такое построение модели, которое позволяло бы передавать информацию последовательно, т. е. разделить ее на порции, каждая из которых соответствовала бы возможностям человека, и развернуть передачу порций во времени.

Такая развертка, естественно, должна основываться на ясном понимании структуры задачи и тех возможных ходов, которые предпринимает человек в процессе поиска решения. Эффективность этого способа была показана в [6]. В экспериментах операторам предлагалось за минимальное число ходов найти из 20 отображаемых объектов 8, имеющих особое значение. Каждый объект отображался трехзначным буквенным символом. В одной серии все объекты предъявлялись одновременно, в другой - последовательно. При определении последовательности предъявления сигналов исследователи исходили из представления структуры задачи в виде древообразного лабиринта, включающего несколько уровней, на которых локализуются искомые цели (рис. 1). Последовательность предъявления информации об объектах соответствовала этим уровням. Поскольку число возможных ходов в древообразном лабиринте достаточно велико и каждый оператор принимал свою собственную стратегию, в эксперименте использовалась ЭЦВМ, позволяющая передавать порции информации в соответствии со стратегией, выбранной каждым данным оператором. ЭЦВМ также информировала его о сделанных ходах, если это было необходимо (т. е. разгружала память).

Рис. 1. Схематическое изображение древообразного лабиринта целей

Эксперименты показали, что в рюмя поиска при последовательном предъявлении информации в два раза меньше, чем при одновременном, т. е. сукцессивная (развертывающаяся во времени) модель более эффективна, чем симультанная (представляемая одновременно). Важно обратить внимание на то, что при построении сукцессивной модели необходимо использовать ЭЦВМ с целью регистрации динамики решения задачи человеком и определения последовательности предъявления порций информации в соответствии с этой динамикой.

Развертка информационной модели во времени. Информационная модель может быть статической (фотография, карта, схема и т. д. ) или динамической (телевизионное или радиолокационное изображение, знаковое табло и т. д.). Обычно на практике используются модели, которые включают как статические, так и динамические составляющие. Вопрос о развертке во времени имеет значение, конечно, только для динамических моделей или для динамических составляющих моделей.

Соотношение изменений наблюдаемого объекта и его модели может быть различным и зависит от задач системы "человек - машина". В одних случаях задачи требуют, чтобы динамика модели во времени точно соответствовала динамике объекта (реальный масштаб времени), в других требуется, чтобы модель отображала изменения объекта в течение длительного интервала времени за более короткий интервал, т. е. чтобы в модели реальное время "сжималось" (например, цейтраферная киносъемка). В третьих, напротив, требуется "растягивание" реального времени (например, ускоренная киносъемка).

Определение масштаба временной развертки (отношение временной развертки модели к реальному времени наблюдаемого процесса) предполагает оценку возможностей наблюдателя и их ограничений в отношении слежения за процессами. При больших скоростях процессов человек не в состоянии зрительно воспринимать их переходы; чтобы обеспечить восприятие переходов, необходимо растянуть реальное время. При очень малых скоростях человек также не в состоянии вести за ними непрерывное наблюдение; в этом случае реальное время должно быть сжато. Таким образом, временная развертка модели должны быть согласована с теми временными интервалами, которые характеризуют работу воспринимающих систем человека и его деятельность в целом.

По характеру временной развертки модели можно разделить на индискретные и дискретные. В первом случае оператор может наблюдать изменения объекта во времени непрерывно; во втором он наблюдает "временные срезы" этих изменений.

Важно отметить, что техническая реализация развертки модели во времени и восприятие ее динамики не имеют однозначной связи. Дискретная развертка, осуществляемая в системах отображения информации, может при определенных условиях восприниматься человеком как непрерывная. Но вместе с тем сама зрительная система в процессе приема информации квантует время, т. е. работает как дискретная.

При определении временной развертки модели важно учитывать целый ряд величин: от минимального (порогового) времени воздействия раздражителя на сетчатку, необходимого для того, чтобы вызвать возбуждение рецептора, до временных интервалов, характеризующих деятельность человека в целом (например, допустимая длительность рабочей смены). Эти величины различаются на несколько порядков (от нескольких миллисекунд до нескольких часов).

В связи с этим можно говорить о нескольких уровнях временной развертки. Исходный уровень определяется психофизическими и психофизиологическими процессами, лежащими в основе формирования зрительного образа. Основными характеристиками этого уровня являются временной порог зрительной системы (более 1 мс), время возникновения импульсного ответа (20-70 мс), частота нервных импульсов (10-400 импульсов в секунду), время задержки сигнала в различных звеньях зрительной системы, латентный период зрительного ощущения (100-300 мс), время инерции зрительного ощущения (50-200 мс), критическая частота мельканий (10-50 периодов в секунду). К характеристикам этого уровня относятся также латентный (скрытый) период скачка глаза (200-300 мс), его длительность (30-150 мс), время конвергенции и дивергенции (200-500 мс), тремор глаза (100-150 периодов в секунду), время зрительной фиксации (200-300 мс). Порядок величин здесь - десятки и сотни миллисекунд. Исходя из этих величин, определяются временные параметры стимуляции глаза, обеспечивающие формирование непрерывного зрительного образа. Основной величиной является яркость стимула.

Наиболее важной характеристикой уровня для разработчика средств отображения является критическая частота мельканий, поскольку она, прежде всего, определяет условия, при. которых дискретная стимуляция трансформируется в зрительной системе в непрерывный образ. Если частота сигналов, адресуемых глазу, меньше КЧМ, то человек видит мелькания, если больше, то он их не видит. Особенно важен учет КЧМ при разработке средств отображения на основе электронно-лучевых трубок, поскольку в этом случае отображение получается путем развертки, неизбежно связанной с тем, что сигнал, появляющийся в какой-либо точке экрана, является дискретным. В тех случаях, когда по каким-либо техническим условиям частота передаваемого сигнала меньше КЧМ, непрерывность его восприятия может быть достигнута либо путем уменьшения яркости, либо путем чересстрочной развертки отображения.

Другой уровень временной развертки модели относится к характеристикам работы зрительной системы, связанным с режимом произвольных движений глаз, миганиями (период между миганиями - 2,8-3,8 с, длительность - 0,3-0,4 с), флуктуацией внимания, поиском сигналов, их опознанием и непосредственной (кратковременной) зрительной памятью (время хранения - 0,25-0,5 с). Порядок величин здесь - сотни миллисекунд и секунды.

Первый (исходный) уровень характеризуется тем, что человек не может произвольно регулировать работу воспринимающей системы: ее динамика во времени полностью определяется стимуляцией. На этом, втором, уровне определенное значение приобретают такие факторы, как задача, решаемая человеком, стратегии восприятия, возможность передвижения изменений наблюдаемых событий и т. д.

Основной вопрос, возникающий перед разработчиками средств отображения, - это вопрос о допустимой частоте смены отображений (кадров). Очевидно, что длительность демонстрации каждого кадра должна быть достаточной для того, чтобы наблюдатель мог найти и опознать предъявляемые сигналы, а также запомнить их, если это необходимо. Вместе с тем частота смены кадров должна позволить наблюдателю отметить преемственность в развитии наблюдаемых событий.

Есть основания полагать, что допустимая в отношении восприятия частота смены кадров зависит от объема передаваемой информации. Если следующие друг за другом кадры отображают один и тот же медленно изменяющийся объект, т. е. каждый новый кадр несет минимум информации, а основная задача наблюдателя состоит в том, чтобы заметить медленно происходящие изменения объекта, то при определении частоты смены кадров учитывают прежде всего время сохранения зрительного образа в непосредственной (кратковременной) памяти. С увеличением информации в каждом новом кадре длительность демонстрации каждого из них должна увеличиваться, а, следовательно, частота смены уменьшаться, так как в этом случае возникают дополнительные затраты на поиск и опознание новых сигналов. При развертке информационной модели во времени на данном уровне важно учитывать длительность демонстрации не только кадров, но и интервалов между ними. Как показали исследования, существует зависимость между интервалами смены кадров и зрительным утомлением: чем короче интервал, тем быстрее развивается утомление.

Следующий уровень временной развертки информационной модели связан с характеристиками оперативного мышления (время принятия решений), а также с временными затратами на выполнение управляющих действий и передачу сообщений. Порядок величин здесь - минуты и десятки минут. К этому же уровню может быть отнесено время темновой и световой адаптации.

Наконец, можно выделить уровень развертки, связанный с характеристиками утомления зрительной системы и способности человека вести длительные наблюдения. Порядок величин здесь - десятки минут и часы.

Пространственная организация информационной модели. Существенное влияние на эффективность и надежность приема информации человеком оказывает пространственная организация тех средств отображения, которые формируют информационную модель и саму модель. Как правило, при построении модели используется не один, а целая система приборов, каждый из которых отображает ограниченное число параметров наблюдаемых объектов и процессов, а следовательно, обеспечивает построение только части модели. Между тем наблюдатель, решая возникающие задачи, оперирует всей моделью, как целым. Важнейшим условием, обеспечивающим эту возможность, является такая компоновка приборов в пространстве, которая позволяла бы наблюдателю воспринимать части модели в их взаимоотношениях.

В предыдущих работах приведены данные об основных пространственных характеристиках зрения (остроте и поле зрения, гороптере и стереоскопическом зрении), которые нужно учитывать в пространственной организации модели в первую очередь. Если необходимо, чтобы вся модель (или ее часть) воспринималась симультанно, то ее размеры не должны выходить за пределы центральной части поля зрения (30-40° по горизонтали, 30° вверх, 40° вниз от точки фиксации взгляда); при этом величина наименьших деталей должна соответствовать оперативному порогу различения расстояний (в 8-10 раз больше порога остроты зрения). С учетом перевода взгляда при неподвижной голове оператора размер модели по горизонтали увеличивается до 50-60°, а с учетом поворота головы - до 90°.

В требованиях отмечалось, что центральная часть поля зрения обеспечивает наиболее эффективное различение сигналов, а периферическая - их обнаружение. Эти особенности структуры поля зрения должны учитываться при компоновке модели в пространстве.

Исходным при определении плоскости приборной панели, на которой строится отображение, является представление о гороптере. Если эта плоскость приближается к гороптеру, то при переводе взгляда с прибора на прибор нет необходимости в изменении аккомодации и конвергентной установки глаз. Из приведенных на рис. 2 форм плоскости приборной панели наиболее близка к гороптеру форма б и в. В этом случае дистанции наблюдения для каждого прибора примерно одинаковы. Однако на практике нередко разные приборы, используемые для построения одной модели, располагаются на разных дистанциях от наблюдателя. В этом случае разница в дистанциях наблюдения создает как бы "провалы" и "выступы" в гороптере, которые можно использовать как средство выделения тех или иных приборов (например, наиболее важные приборы располагаются несколько впереди основной поверхности, наименее важные - позади).

Структура поля зрения определяет лишь самые общие пространственные условия восприятия модели. Решая вопрос о пространственной организации поля отображения и самой модели в каждом конкретном случае, важно иметь четкое представление о степени важности информации, передаваемой каждым прибором, последовательности и частоте ее использования и, самое главное, о структуре деятельности оператора, особенно о возможной стратегии восприятия. Некоторые относящиеся сюда рекомендации можно найти в работах [8-12] . Поэтому ограничимся лишь перечислением наиболее важных принципов.

1) Принцип компактности. Расположение средств отображения должно обеспечивать для наблюдателя возможность воспринимать создаваемую ими модель как целостное образование.

2) Принцип группировки. Приборы, передающие информацию о взаимосвязанных параметрах наблюдаемого объекта, должны объединяться в группы.

3) Принцип соответствия структуры пространства модели субординации задач, решаемых наблюдателем. При определении пространственной организации модели прежде всего должна быть определена субординация задач и в соответствии с нею пространство должно быть разбито на зоны. Приборы следует располагать в этих зонах по степени важности передаваемой ими информации, необходимой для решения этих задач (приборы, передающие информацию, необходимую для решения основной задачи, располагаются в наиболее выгодной в отношении восприятия зоне и т. д.).

4) Принцип структурного соответствия сенсорного и моторного полей. Расположению приборов должно соответствовать расположение связанных с ними органов управления.

Эффективными средствами реализации этих принципов являются средства архитектурной композиции (симметрия и асимметрия, метр и ритм, контраст и нюанс, пропорции, масштаб и т. д. ). Как показывают исследования, пользуясь ими, можно управлять восприятием и вниманием наблюдателя [13-15].

Для расчета общих размеров панели информации и зоны размещения постоянно используемых приборов (зона А) при различных дистанциях наблюдения рекомендуется следующая формула:

l=kd

где l - расстояние от центра панели до соответствующей границы панели или зоны, мм; d - расстояние от оператора до приборной панели, мм; k - коэффициент (табл. 1).

Таблица 1. Значения коэффициента k

Типы информационных моделей. Модели, несущие осведомительную информацию, обычно разделяют на наглядные, абстрактные и смешанные.

Наглядные модели (их называют также репродуктивными, пикториальными, картинными или моделями - изображениями) являются некоторой копией, подобием отображаемого объекта; в них воспроизводятся те или иные (прежде всего, пространственные) свойства объекта. Картина, фотография, телевизионное изображение - примеры моделей этого типа. В зависимости от назначения модели степень подобия или полнота воспроизведения признаков объекта может быть различной: от почти полного воспроизведения объекта до схемы, отображающей лишь его наиболее существенные признаки (например, упрощенный контур объекта или взаимное расположение его деталей). Достоинство этих моделей в том, что процесс их восприятия во многих отношениях протекает так же, как процесс восприятия реальных объектов. При высокой степени подобия у наблюдателя может даже возникнуть иллюзия, что он имеет дело с реальными объектами. При работе с этими моделями активно используется весь опыт, накопленный человеком в процессе деятельности с реальными объектами.

Главная задача при разработке наглядных моделей - это определение признаков, которые целесообразно отобразить наглядно, и допустимой степени схематизации.

Абстрактные модели (их называют также символическими, условными, знаковыми, кодовыми) передают информацию об отображаемом объекте при помощи набора знаков. Печатный текст, математические формулы, система символов, выражающих логические связи, - примеры моделей этого типа. Достоинство этих моделей в том, что они позволяют отображать такие свойства объектов, которые недоступны непосредственному наблюдению. В процессе приема информации, передаваемой этими моделями, ведущая роль принадлежит процессам опознания и интерпретации.

Главная задача при разработке абстрактных моделей - это определение признаков, информацию о которых целесообразно передавать в знаковой форме, и выбор системы знаков, используемых для их кодирования.

Смешанные модели представляют собой сочетание элементов наглядных и абстрактных моделей. При рациональном построении смешанных моделей соединяются достоинства моделей первых двух типов.

Выбор типа модели, отображающей осведомительную информацию, определяется задачей, решаемой наблюдателем. Если, например, задача предполагает оценку пространственных взаимоотношений объектов, то разумнее воспользоваться наглядной моделью. Абстрактная модель в случае ее использования потребует от оператора сложной системы мысленных преобразований знаков в наглядное представление, что может привести к ошибкам.

Напротив, если задача требует выявления таких отношений между объектами, которые недоступны непосредственному наблюдению, использование наглядных моделей усложнит деятельность наблюдателя, так как потребует от него кодирования наглядности данного изображения.

Модели используются для передачи наблюдателю не только осведомительной, но часто и командной информации. В этом случае применяются специальные изображения и знаки, указывающие последовательность и характер тех действий, которые нужно выполнить (например, запрещающие и разрешающие сигналы, сигналы "внимание!" и т. д. ). Сигналы, передающие командную информацию, могут быть включены в структуру осведомительной модели, а могут образовывать и специальную модель. При передаче командной информации используются сложившиеся в практике средства визуальной индикации (например, запрещение действия - красный свет, слово "стоп", перечеркнутое изображение и т. п.).

Литература

1. Зинченко В. П., Панов Д. Ю. Построение систем управления и проблемы инженерной психологии II Инженерная психология. Пер. с англ./Под ред. Д. Ю. Панова и В. П. Зинченко. М., 1964.

2. Green D. F. The time required to search for numbers of large visual displays//Techn. report MeGrow W. I. & Inkins H. M. 1953. Mc I. T. N 36.

3. Schutz H. G. An evaluation of formats for qraphic trend displays//Human Factors. 1961. №3.

4. Smith S. Z., Thotnas D. W. Display colour cade compared with three shape codes for a class counting task // MITRE corp. Techn Series Report. Belford, 1963. № 12.

5. Inquiry into methods used to obtain Military information Requirements. USAP, FSD-TDR-62-302 1962. May. Aut.: J. F. Gardner, I. W. Gebhard, R. M. Hanes and bit. 218

6. Baker I. D. LGoldstein Match, vs. Sequential displays: effects on human problem solving 11 Human Factors. 1966. V. 8. № 3.

7. Овчинников B. C., Волынцев M. C. Экспериментальное определение оптимального интервала смены информации при считывании знакового изображения//Проблемы общей, социальной и инженерной психологии/Под ред. Б.Г. Ананьева. Л., 1966.

8. Инженерная психология в применении к Проектированию оборудования. Пер. с англ./Под ред. Б. Ф. Ломова и В. И. Петрова. М., 1971.

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

10. Murrell L. F. H. Ergonomics: man in his working environment. London, 1965.

11. Инженерно-психологические требования к системе управления/Под ред. В. П. Зинченко. М., 1967.

12. Военная инженерная психология/Под ред. Б. Ф. Ломова, А. А. Васильева, В. Ф. Рубахина и др. М., 1970.

13. Кудин П. А., Ломов Б. Ф. Использование художественных средств архитектурной композиции для управления зрительным восприятием//Проблемы инженерной психологии/Под ред. Б.Ф. Ломова. Л., 1966. Вып. 4.

14. Кудин П. А., Ломов Б. Ф., Митькин А. А. О восприятии ритмических композиций на плоскости//Техническая эстетика. 1969. № 8.

15. Ганзен В. А., Кудин П. А., Ломов Б. Ф. О гармонии в композиции//Техническая эстетика. 1969. № 4.

Литвак И. И., Ломов Б. Ф., Соловейчик И. Е. Основы построения аппаратуры отображения автоматизированных систем. М., 1975.