Моделирование в инженерной психологии

Моделирование деятельности оператора является одним из важнейших методов инженерной психологии. Оно применяется в тех случаях, когда исследование реальной деятельности не представляется возможным. Такие случаи могут возникнуть при проектировании СЧМ, когда реальная деятельность еще не существует и тогда моделирование является одним из основных (а-в ряде случаев и единственным) методов изучения будущей деятельности. К помощи моделирования приходится прибегать и тогда, когда натурные испытания слишком дороги, трудоемки, требуют значительного времени либо связаны с опасностью для здоровья и жизни человека.

В общем случае под моделированием понимается процесс изучения какого-либо явления с помощью модели. Моделью называется некоторый искусствен­ный объект, находящийся в каком-либо соответствии с изучаемым объектом или явлением (оригиналом); ка­ким-либо подобный ему. При этом модель должна об­ладать определенными свойствами, главнейшими из которых являются:

■ некоторое объективное соответствие с оригиналом;

■ возможность замещения оригинала на некоторых этапах исследования;

■ возможность переноса полученной в результате исследо­вания с моделью информации на реальный объект.

Моделирование в самом общем плане применяет­ся для решения двух задач: обучения и исследований, направленных на разработку или расширение теории и на отыскание ответов на практические задачи [19]. Моделирование в обучении (в том числе и операто­ров) имеет два аспекта. Во-первых, моделирование здесь нужно как способ познания мира путем форми­рования у обучаемых научно-теоретического мышле­ния, позволяющего воспринимать действительность посредством моделей реальных явлений и процессов. Модельный характер мышления и принятия опера­тивных решений наиболее ярко проявился при ис­пользовании алгоритмического подхода при обучении операторов энергоблоков [197]. Во-вторых, моделиро­вание в обучении связано с применением моделей для демонстрации физических явлений, для пояснения принципа действия изучаемых установок, для трени­ровки персонала действующих производственных объектов.

Для определения классов исследовательских задач, решаемых путем моделирования деятельности операто­ра обратимся предварительно к структурной схеме представления его в качестве звена систем «человек-машина» (рис. 5.3). На сенсорные входы оператора по­ступают входные сигналы X_i. Оператор характеризует­ся некоторыми своими внутренними параметрами Р_i и

Рис. 5.3. Структурная схема оператора как звена системы

«человек — машина».

правилами (структурой) преобразования r_m входных сигналов в выходные реакции у_k. В процессе работы на оператора воздействуют некоторые факторы рабочей среды Ф_п.

Тогда задачи моделирования можно разбить на четыре класса:

1. Прямые задачи, при решении которых считают­ся известными X;, Pj, Ф_п, r_m. Требуется опреде­лить выходные реакции у_k.

2. Обратные задачи, в которых по известным ре­акциям у_k, а также по заданным P_j, Ф_п , r_m тре­буется найти тот диапазон входных воздействий X;, который вызывает данную реакцию.

3. Инверсные задачи, требующие определения психологических показателей оператора P_j по известным или определенным тем или иным способом правилам переработки информации и значениями входных воздействий X_j и реакция­ми на них у_k.

4. Индуктивные задачи, целью которых является нахождение или уточнение правил r_m перера­ботки информации при заданных остальных па­раметрах.

Особенности рассмотренных классов задач по­ясним на простейшем конкретном примере. Пускай зависимость времени Т_оп решения задачи операто­ром от количества содержащейся в ней информации Н описывается математической моделью, известной под названием закона Хика и выражаемой форму­лой

(5.5)

где а₀ — скрытый (латентный) период реакции; V — скорость переработки информации оператором.

Тогда прямая задача заключается в определении выходной реакции Т_оп по известной функции f(H), вход­ному воздействию Н и параметрам оператора а и V. Задача такого типа является характерной при прове­дении инженерно-психологической оценки. При реше­нии обратной задачи по заданной реакции τ_оп, пара­метрам а₀ и V и функции f(H) определяется, какое допустимое количество информации может содержать­ся в задаче, предъявляемой оператору для решения. Подобная задача решается при предъявлении инже­нерно-психологических требований к технологическо­му процессу или оборудованию. В инверсной задаче по известным или заданным параметрам τ_оп, Н, f(H) оп­ределяется, какими показателями а₀ и V должен обла­дать оператор для успешного решения данной задачи. Такая задача возникает при проведении профессио­нального отбора. И, наконец, при решении индуктив­ной задачи ставится цель определения вида функции f. Такая задача носит чисто научный характер и направ­лена на получение нового или уточнение уже извест­ного результата.

В зависимости от степени соответствия (подобия) модели оригиналу различают полное, частичное и при­ближенное моделирование [19]. Полное моделирова­ние математически характеризуется следующим соот­ношением параметров модели (X_i) и оригинала (у_i)

где m_i — масштабные коэффициенты.

При частичном моделировании выражение (5.6) справедливо для параметров, изменяющихся либо толь­ко во времени, либо только в пространстве. При при­ближенном моделировании некоторые факторы, влия­ющие на протекание процесса (деятельность оператора) либо вообще не моделируются, либо моделируются при­ближенно, т. е.

Это заведомо вызывает погрешность, которую нуж­но оценить тем или иным способом. Определение степени соответствия модели и оригинала производится методами теории подобия, которая разрабатывает соответствующие критерии подобия [19]. Это имеет важ­ное значение для инженерной психологии, поскольку создаваемые здесь модели деятельности оператора являются, как правило, приближенными и требуют проверки с помощью критериев подобия.

Моделирование в психологии вообще, и в инже­нерной в частности, развивается в двух направлениях:

■ знаковая или техническая имитация механизмов, процес­сов и результатов психической деятельности — модели­рование психики;

■ организация того или иного вида человеческой деятельно­сти путем искусственного конструирования среды этой деятельности — моделирование ситуаций, связывающих изучаемые психические явления.

Частным случаем моделирования ситуаций явля­ется моделирование деятельности оператора.

Моделирование психики — метод исследования психических состояний, свойств и процессов, который заключается в построении моделей психических явле­ний и изучении функционирования этих моделей с использованием полученных результатов в качестве данных о функционировании психики. По способу отражения объекта в модели можно выделить следую­щие классы моделей психики: знаковые (образные, вербальные, математические), программные (жестко-алгоритмические, эвристические, блок-схемные), веще­ственные (гипотетические и бионические). Примера­ми моделей психики являются системы искусственного интеллекта, эвристические машинные программы, ус­тройства для распознавания образов (перцептроны), приборы типа «искусственный глаз», «электронное ухо» и многие другие. Модели психики имеют в инже­нерной психологии ограниченное применение, входя в ряде случаев лишь в качестве отдельных элементов в модели деятельности оператора.

Моделирование деятельности оператора является частным и наиболее важным для инженерной психоло­гии случаем моделирования ситуаций. Следует сразу же отметить условность понятия «моделирование деятельности», поскольку, как отмечает А.И. Нафтульев, в боль­шинстве случаев (особенно при применении математических и имитационных моделей) моделируется не сама

Рис. 5.4. Классификация моделей деятельности оператора.

деятельность, а лишь последовательность выходных реакций в зависимости от последовательности входных воздействий. Иными словами, осуществляется модели­рование лишь внешней, структурно-функциональной стороны деятельности [40]. Тем не менее термин «моде­лирование деятельности» получил широкое распрост­ранение, поэтому им будем пользоваться и мы.

Основные задачи, решаемые в инженерной пси­хологии путем моделирования деятельности операто­ра, заключаются в следующем [42].

1. Получение основных представлений о характере деятельности человека в СЧМ и создание языка для адекватного описания этой деятельности. Здесь ис­следуются принципы управления и обработки ин­формации человеком в отдельных подсистемах и ищутся оптимальные частные характеристики этих подсистем.

2. Подтверждение принципиальной возможности со­здания СЧМ по определенной схеме и составле­ние отдельных типов схем с целью выбора наибо­лее перспективных. Здесь определяется структура деятельности оператора, отрабатывается и коррек­тируется взаимодействие элементов СЧМ и про­веряется ее работоспособность.

3.Имитация деятельности в условиях, максимально приближенных к реальным.

Таким образом, посредством моделирования мож­но решать как задачи, связанные с обоснованием тре­бований к элементам системы со стороны оператора, так и задачи, связанные с обоснованием требований к оператору со стороны системы. Кроме того, можно решать и задачи получения оценок эффективности тех или иных вариантов структуры СЧМ. Путем модели­рования могут решаться и чисто научные, исследова­тельские задачи. Все это соответствует рассмотренным выше при анализе выражения (5.5) обратной, инверс­ной, прямой и индуктивной задачам моделирования.

Моделирование помогает добиться наиболее адек­ватного решения проблемы проектирования деятельно­сти. Однако при построении моделей деятельности опе­ратора необходимо учитывать основные требования к создаваемым моделям; в противном случае снижается их ценность, возникают ошибки и погрешности. Эти требо­вания таковы.

1. Модель должна быть непротиворечивой в рамках моделирования исследуемых процессов, способной вписываться в более общую модель и быть осно­вой для детализации частных моделей.

2. При реализации модели должны быть использова­ны самые современные технические средства, ма­тематический аппарат и данные психологических наук. Важное требование к моделям деятельности заключается в том, что они должны адекватно ото­бражать существенные свойства реальной позна­вательной и исполнительной деятельности. Лишь при этом условии создаваемые модели окажутся пригодными для прогноза эффективности того или иного вида деятельности, а также с точки зрения затрат и времени на создание модели.

3. Модель должна выполнять определенные информа­ционные функции, нести новые знания о структуре моделируемых процессов, обеспечивать прогноз их функционирования, выявление новых свойств этих процессов [40].

Применяемые на практике модели операторской деятельности в зависимости от способа их построения разделяются на мысленные (идеальные), знаковые, вещественные (предметные). Условно в отдельный класс могут быть выделены также имитационные мо­дели. Классификация моделей приведена на рис. 5.4.

К мысленным моделям относятся такие, которые существуют только в идеальном плане, т. е. в сознании оператора. К ним относятся прежде всего цели, планы и программы предстоящей деятельности. Очень часто оператор, предпринимая какие-либо действия, предва­рительно «проигрывает» в уме возможные варианты действий, оценивает их последствия, выбирает ту или иную последовательность их выполнения, т. е. строит гипотетическую модель предстоящей деятельности. Как уже отмечалось, в деятельности оператора очень велика роль различного рода образов: перцептивных, оперативных, моторных и других. Любой образ, созда­ваемый оператором, есть не что иное, как модель той или иной ситуации. Принятие оператором решения по управлению осуществляется на основе концептуальной модели реальной обстановки.

Велика роль мысленных моделей при проведении тренировок операторов. Прежде всего речь идет о так называемой идеомоторной (от греч. idea — идея, образ, лат. motor — приводящий в движение) тренировке, когда оператор совершает те или иные действия в ответ на мысленное представление о той или иной ситуации. Близким к рассмотренному является и отработка тре­буемых действий путем решения различного рода «вводных» (случилось то-то и то-то, ваши действия). В этом случае и рабочая ситуация, и ее модель, а зача­стую и выполняемые действия существуют только в идеальном плане.

Знаковые модели представляют собой описание деятельности оператора с помощью той или иной си­стемы знаковых средств. Они делятся на вербальные (словесные), символические, схематические, математи­ческие.

Вербальные модели — это словесное описание деятельности оператора, они являются одним из ос­новных методов профессиографии, служат основой для последующего анализа и построения более абст­рактных, более формализованных моделей. Суще­ственный недостаток вербальных моделей заключается в их неполной формализации. Это связано с тем, что описание какого-либо факта операторской дея­тельности может быть детальным или схематичным; может быть выражено разными словами; нередко одно и те же научные понятия разные исследовате­ли выражают разными терминами. Все это снижает ценность вербального моделирования. Кроме того, вербальные модели не способны к функционирова­нию: изучая их, нельзя проверить исследуемый про­цесс в действии, в изменении. Вербальные модели деятельности — это недействующие, «застывшие» модели.

Символические модели представляют описание деятельности с помощью специальных символьных (символических) языков. По сравнению с вербальными эти модели обладают большим уровнем абстракции, однако их статичность по-прежнему остается.

Схематические модели описывают деятельность оператора с помощью различного рода функциональ­ных и структурных схем, граф-схем, диаграмм и т. п. Примером их является функциональная схема пере­работки информации человеком (рис. 2.1), структурная схема системы «человек-машина» (рис. 1.1), описание деятельности с помощью граф-схем (рис. 5.1) или органинграмм (рис. 5.2) и т. п. По сравнению с предыдущи­ми эти модели обладают большей наглядностью, одна­ко с их помощью также тяжело изучить исследуемый процесс в динамике.

Математические модели представляют собой наи­более формализованные модели. При их построении изучаемый процесс (деятельность оператора в целом или ее отдельные стороны) описываются не словами, а языком математических формул и графиков. Поэто­му такие модели точнее предыдущих, они более по­нятные представителям различных стран и профессий. Математические модели более приспособлены для изучения деятельности в Динамике, позволяют учитывать влияние различного рода факторов. Это возможно за счет изменения тех или иных параметров модели.

Однако математические модели имеют один существенный недостаток: они описывают главным обра­зом лишь внешнюю сторону деятельности оператора, форму ее протекания, минуя содержание, которое очень трудно выразить математическими символами и формулами. Выигрывая в точности, математическое моделирование еще дальше, чем вербальное, символи­ческое и схематическое, отходит от реального проте­кания операторской деятельности в область абстрак­ции. Тем не менее на определенной стадии научного исследования, в частности при проектировании СЧМ такой подход является необходимым, а зачастую — и единственно возможным.

Еще одним видом моделей деятельности операто­ра являются предметные (вещественные) модели. Они представляют собой основные геометрические, фи­зические, динамические и функциональные характе­ристики оригинала. Эти модели могут полностью или частично воспроизводить физическую природу ориги­нала, либо иметь совершенно другую физическую сущ­ность. Однако основным требованием в обоих случаях является сохранение (воспроизведение) психологичес­кой сущности реальной деятельности. В соответствии со сказанным предметные модели делятся на два ос­новных класса: физические и эквивалентные. Соот­ветственно этому различают физическое и эквивален­тное моделирование.

Физическое моделирование в инженерной психо­логии представляет собой процесс исследования чело­веко-машинной системы путем замещения ее состав­ных частей объектами той же физической природы, что и сами составные части СЧМ. Другими словами, опе­раторское звено в физической модели представляется реальным человеком (испытуемым, выполняющим роль оператора), а технические звенья — статическими или функциональными макетами оборудования. При этом достигается наибольшая полнота информационного представления в модели характеристик и свойств исследуемой СЧМ, и, что особенно важно, факторы опе­раторской деятельности проявляются композиционно в своих естественных сочетаниях и взаимосвязях.

Для физического моделирования характерно заме­щение исследуемого объекта его информационным аналогом. Поэтому качество моделирования в основ­ном зависит откачества такого замещения, т. е. от пол­ноты воспроизведения в технических средствах физи­ческой модели не второстепенных, мелких деталей внешнего облика, а основных инженерно-психологи­ческих характеристик и свойств реальной СЧМ [4]. Более подробно вопросы физического моделирования деятельности оператора рассматриваются в следую­щей главе.

Другой разновидностью предметного моделиро­вания является эквивалентное моделирование, когда на модели реализуются явления, не подобные ориги­налу в смысле физического или математического подобия, но эквивалентные в том или ином смысле. Здесь подобными считаются явления, которые толь­ко в каком-то смысле (например, в смысле результа­тов), в отношении каких-либо частных процессов, либо отдельных сторон этих процессов или некото­рых функций дают условно подобный изофункциональный результат [19].

Примерами такого моделирования применитель­но к деятельности оператора является исследование групповой деятельности с помощью моделирующих установок типа «Гомеостат» или «Кибернометр», пред­ставление одной деятельности с помощью другой. Например, при определенных условиях реакция опе­ратора на последовательность простых или сложных сигналов может служить моделью деятельности опе­ратора в условиях потока сигналов; выполнение ког­нитивного теста «Скрытые фигуры» может быть экви­валентно деятельности оператора по поиску нужного сигнала на фоне помех. В.Н. Пушкин использовал игру в шахматы в качестве модели для исследования опера­тивного мышления [150]. В некоторых случаях исполь­зуются специальные методы моделирования факторов рабочей среды [12]. Интересный подход в этом отноше­нии описан в работе [137], где для моделирования не­которых факторов космического полета (например, невесомости) использовались внушенные (путем гип­ноза) состояния человека. Перечень подобных приме­ров можно продолжить. Однако видно, что во всех, рассмотренных случаях реальная и моделированная деятельности носят внешне совершенно разный характер, однако результаты моделированной деятельности для определенных функций и отдельных результатов могут быть перенесены на реальную деятельность.

Заканчивая рассмотрение особенностей и возмож­ностей предметного моделирования следует отметить, что в целом физическое моделирование позволяет бо­лее глубоко и полно исследовать деятельность опера­тора по сравнению с эквивалентным моделированием. Последнее пригодно для решения сравнительно узко­го круга задач, хотя практически осуществимо намно­го проще, чем физическое моделирование.

Несколько условно в отдельный класс можно вы­делить имитационные (от лат. imitatio — подражание, воспроизведение, подделка) модели деятельности опе­ратора. Условность состоит в том, что имитация может носить такой же физический (как у физических моде­лей), либо математический (как у математических мо­делей) характер. В этом плане имитационные модели можно рассматривать как разновидность соответствен­но физических и математических моделей. В то же время имитационные модели имеют по сравнению с ними и принципиальное различие. В физических и математических моделях исследуется в том или ином виде сама деятельность с помощью математических выражений либо путем ее воспроизведения в лабора­торных условиях. С помощью имитационных моделей исследуется лишь подражание реальной деятельнос­ти, что и позволяет выделить их в самостоятельный класс моделей.

Не все рассмотренные разновидности моделей находят одинаковое применение для исследования и проектирования деятельности оператора. В работе [54] отмечается, что существуют три различных способа моделирования: копирование, формализация и имита­ция. Соответственно они представляют собой физичес­кое, математическое и имитационное моделирование деятельности оператора. Именно им и будет в дальней­шем уделено основное внимание.