Теория и методология инженерно-психологического проектирования

Теория и методология инженерно-психологического проектирования.Методологические вопросы проектирования СЧМС. Подходы к проектированию СЧМС. Распределение функций между человеком и машиной. Методы инженерно-психологического проектирования.

Методологические вопросы проектирования СЧМС. Подходы к проектированию СЧМС.

Становление идеи инженерно-психологического проектирования (ИПП) систем «человек–машина–среда» связано с распространением проектной установки при создании техники на проектирование системы, в которой человек, машина и условия среды рассматриваются как звенья сложного функционирующего целого объекта (Зараковский Г.М., 1966; Пископпель А.А. и др., 1994). Проектирование СЧМС направлено на определение такого варианта интеграции этих звеньев в единую систему, который бы являлся наилучшим с точки зрения эффективности применения СЧМС, включая затраты на ее разработку и изготовление, отбор и подготовку обслуживающего персонала и другие показатели. В методологическом плане проектирование СЧМС опирается на идеи системного подхода, согласно которому именно законы взаимосвязи и взаимообусловленности различных звеньев системы определяют ее свойства как целого.

В методологическом плане проектирование СЧМС исходно строилось на принципах системотехники – прикладного научного направления, которое разрабатывает

Системотехника – это прикладное научное направление, которое разрабатывает вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации систем.

вопросы проектирования, создания, испытания и эксплуатации систем. Системотехника имеет дело с объектами, в которых, помимо материальных, технических и энергетических факторов, значительную роль играет информационный фактор, который в сложных системах становится доминирующим («системообразующим»).

При системотехническом проектировании, которое можно определить как подход «от машины к человеку» («машиноцентрический»), человек фактически рассматривается как техническое звено СЧМС, как канал связи, имеющий определенные (фиксированные) «входные» и «выходные» характеристики по приему и переработке информации. Главной задачей разработчиков системы является согласование этих характеристик с аналогичными показателями «входов» и «выходов» технических звеньев.

С точки зрения системотехники интеграция технической и «человеческой» подсистем в единую СЧМС должна производиться на основе их описания на едином количественном языке теории информации и связи, что влечет за собой утрату своеобразия свойств и возможностей человека. Таким образом, представление о человеке как канале связи является упрощенным. Оно не соответствует реальному поведению человека и не обеспечивает совпадения расчетных и действительных показателей указанных характеристик.

Для проектирования СЧМС на основе положений инженерной психологии Б.Ф. Ломов (1966) предложил подход «от человека к машине» («антропоцентрический»), опирающийся на идеи деятельностного и личностного подходов в отечественной психологии. Согласно этим идеям человек признается субъектом труда, выполняющим сознательную целенаправленную деятельность, а машина – орудием труда, которое человек использует для этой деятельности. Поэтому в соответствии с антропоцентрическим подходом СЧМС должна проектироваться таким образом, чтобы человек мог максимально реализовать свой личностный и профессиональный потенциал. Техника должна создаваться для человека и с учетом его возможностей реализовать задачи деятельности.

При практическом применении антропоцентрического подхода главным становится проектирование операторской деятельности, – проект деятельности выступает как основа для проектирования технических звеньев СЧМС (Ломов Б.Ф., 1984; «Эргономика», 1988). Таким образом, при данном подходе человек и техника противопоставлены как разнокачественные звенья СЧМС, а центральным звеном системы является человек.

Современный прогресс в развитии сложных систем управления привел к формированию концепции равнозначного подхода при проектировании СЧМС. Согласно этому подходу человек и машина рассматриваются как равноправные компоненты СЧМС (Голиков Ю. Я., Костин А.Н., 1996).

Реализация данного подхода предполагает, что проектирование СЧМС носит комплексный характер и включает в себя частные виды проектирования: 1) техническое, включающее разработку машинной части системы; 2) художественное (дизайнерское), состоящее в обеспечении потребительских свойств СЧМС (эстетичности, привлекательности и т.п.); 3) эргономическое (инженерно-психологическое), заключающееся

в разработке проекта операторской деятельности. Для согласования и объединения частных проектов в комплексный проект СЧМС необходимо разработать универсальный язык описания человека и машины.

При проектировании СЧМС может быть применен системный подход – совокупность представлений о целостном рассмотрении трудовой деятельности, системно-динамических характеристиках структуры деятельности, а также о синтезе различных аспектов исследования деятельности и роли возможных последствий тех или иных решений при проектировании деятельности. Реализация системного подхода при проектировании СЧМС означает учет особенностей взаимосвязи и взаимного влияния отдельных элементов (компонентов) системы в целях достижение наивысшей эффективности и надежности СЧМС.

Методологическую основу проектирования СЧМС составляет также ряд других научных концепций: «человеческого фактора» – о роли индивидуальных и групповых особенностей в обеспечении надежности деятельности; «активного оператора» – о рациональной загрузке оператора в автоматизированных системах управления техникой; «психического образа» – о регулирующей функции образа в операторской деятельности и информационном обеспечении его формирования; «взаимной адаптации человека и техники» – о закономерностях приспособления различных компонентов СЧМС; «совмещенной деятельности» – о закономерностях операторской деятельности в условиях одновременного предъявления информации о разных целях и т.д. («Системный подход», 1992; Бодров В.А., Орлов В.Я., 1998).

Распределение функций между человеком и машиной.

Одной из наиболее существенных причин возникновения инженерной психологии было появление машин, способных выполнять некоторые функции человека (мыслительные операции, управление, организация). Это обстоятельство привело к тому, что в некоторых задачах возможности человека и машины в современных системах управления техникой оказались соизмеримы. В связи с этим возникла проблема распределения функций между машиной (автоматикой) и человеком (Ломов Б.Ф., 1966; «Введение в эргономику», 1974; Котик М.А., 1978; Кантовиц Б., Соркин Р., 1991).

Выделение «человеческих» и «машинных» функций для решения задачи их последующего распределения в процессе инженерно-психологического проектирования осуществляется на основе специально разработанных принципов (Котик М.А., 1978):

1) принцип преимущественных возможностей – определяется сравнением возможностей человека и машины по ряду показателей, из которых следует выбрать приоритетные для выполнения конкретной операторской задачи;

2) принцип максимализации показателей всей СЧМС – предусматривает такое распределение функций, при котором достигаются высокие показатели работы не человека или машины в отдельности, а общего результата их совместного действия в системе;

3) принцип оптимизации информационного обмена в системе управления – реализуется при таком распределении функций, когда объем информации, поступающей к человеку и машине, а также скорость ее предъявления соответствует их возможностям по восприятию и переработке информации в системе управления в конкретный момент;

4) принцип взаимного дополнения и резервирования человека и машины – предполагает использование для решения отдельных задач совместных возможностей

человека и машины, а в случае необходимости и перераспределение между ними отдельных функций по ходу работы;

5) принцип ответственности – возложение на человека выполнения наиболее ответственных задач в системе в силу широты и гибкости его возможностей, а также способности находить оптимальные решения в условиях дефицита информации и в неопределенных ситуациях;

6) принцип активности и удовлетворенности оператора – предусматривает целесообразность возложения на человека функций, позволяющих ему сохранять в процессе работы системы состояние оперативной готовности переключить на себя весь необходимый объем задач управления (при отказе техники) и реализовать стремление к самоутверждению в труде.

Распределение функций между человеком и машиной начинается на ранних стадиях проектирования и является пошаговым процессом, который включает в себя этап предварительного распределения функций и ряд последовательных коррекций выбранного варианта. Непосредственное распределение функций, основанное на указанных принципах, начинается с отбора отдельных функций для машины (исходя из опыта реализации аналогичных функций). Все остальные задачи ранжируются по ряду существенных характеристик (количество вариантов решения задачи, достоверность информации, вероятность появления данной задачи, сложность решения задачи и т.п.). Распределение оставшихся задач осуществляется по следующему принципу: задачи, разрешаемые с учетом многих признаков, имеющие много вариантов решений, отличающиеся высокой неопределенностью информации, незначительной логической и вычислительной сложностью, целесообразно предварительно поручать человеку. Задачи с противоположными свойствами возлагаются на машину.

Кроме качественных, существуют и количественные методы распределения функций, в основу которых положено сопоставление надежности, временных, информационных и других показателей работы человека и машины («Введение в эргономику», 1974; Котик М.А., 1978).

Методы инженерно-психологического проектирования.

Создание СЧМС требует единого подхода к этой системе как целому и единого языка для ее описания. До настоящего времени расчету и проектированию поддается только одна подсистема – объект управления. Одной из основных причин этого является отсутствие хорошо обоснованных принципов моделирования деятельности человека-оператора. Конкретные методы проектирования СЧМС еще недостаточно разработаны в связи с наличием ряда проблем (создание единого подхода к описанию функций техники и деятельности человека, учет индивидуальных психологических характеристик деятельности человека, учет динамики характеристик человека в процессе отбора и подготовки операторов, учет изменений функциональных состояний человека-оператора и т.д.).

При проектировании СЧМС, когда будущая система существует лишь на бумаге, возможности использования психологических и физиологических методов весьма ограничены. Для формализованного описания и построения моделей операторской деятельности используются математические методы. Сравнительная характеристика некоторых методов приведена в табл. 25.1. Из таблицы видно, что не существует метода, одинаково хорошо учитывающего все характеристики деятельности. Поэтому при решении инженерно-психологических задач часто приходится применять комбинацию тех или иных методов.

Таблица 25.1 Возможности применения математических методов в инженерной психологии

(по книге: «Основы инженерной психологии», 1986)

Примечание: размерность – описание процессов управления со многими взаимосвязанными переменными; неопределенность – учет случайных, вероятностных составляющих в деятельности оператора; динамичность – учет фактора времени; факторность – учет специфических особенностей поведения человека; описательность – возможность описания внутренних, психофизиологических механизмов деятельности человека.

Наиболее широкое использование для описания деятельности оператора получили методы теории информации, теории массового обслуживания, теории автоматического управления (Галактионов А.И., 1978; «Основы инженерной психологии», 1986).

Методы теории информации применяются для: 1) расчета количества перерабатываемой информации как меры сложности работы оператора; 2) оценки времени, которое затрачивает оператор на переработку определенной информации; 3) согласования скорости выдачи (поступления) информации с психофизиологическими возможностями человека по ее приему и обработке. Применение теории информации для анализа деятельности оператора связано с определенными трудностями и ограничениями, которые определяются различиями «человеческого» и физического алфавита сигналов, нестационарными характеристиками деятельности человека, невозможностью учета смыслового содержания информации и т.д.

Для построения моделей деятельности оператора может использоваться математический аппарат теории массового обслуживания, которая позволяет решать вопросы организации деятельности человека-оператора – определение необходимого числа операторов, требований к уровню их подготовленности, допустимой плотности потока сигналов, поступающих к оператору, и т.д.

Создание математических моделей деятельности оператора в системах непрерывного типа (транспортные средства, диспетчерские системы и т.п.) возможно на основе использования методов теории автоматического управления (ТАУ). Процесс анализа системы состоит из: 1) установления критерия поведения замкнутой системы и

определения ее передаточной функции; 2) нахождения такой передаточной функции оператора, которая позволила бы получить требуемую функцию всей системы; 3) проведение системы мероприятий (отбор, подготовка операторов и др.), обеспечивающих требуемую функцию оператора. Наиболее важным недостатком существующих моделей, основанных на использовании аппарата ТАУ, является их линейность, в то время как человек-оператор является нелинейным звеном следящей системы.

Промежуточное место между экспериментальными и математическими методами занимают имитационные методы, основанные на приемах статистического моделирования. Одним из них является метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) – имитация воздействия случайных факторов на деятельность оператора и функционирование СЧМС непосредственно в ходе моделирования.

Применение метода имитационного моделирования при решении задач инженерно-психологического проектирования имеет ряд особенностей, которые определяются:

1) представлениями о производственной деятельности оператора как известной совокупности отдельных действий, выполнение которых обусловлено предписаниями детерминированного или вероятностного характера;

2) описанием каждого действия в предельно упрощенном виде – задается, как правило, только вероятность конкретного действия и время его выполнения, учитываются обобщенные показатели эффективности;

3) вероятностным характером многих характеристик деятельности оператора.

Меняя порядок выполнения отдельных действий, число операторов, их психофизиологические характеристики, условия работы и т.п., модель позволяет получить суммарные показатели качества работы.

Имитационные модели деятельности оператора в СЧМС можно разбить на два основных вида; модели решения отдельных конкретных задач и модели работы оператора в условиях потока таких задач (модели обслуживания).

Основное средство получения математических моделей деятельности оператора – различные экспериментальные и тренажерные комплексы, использующие принцип полунатурного моделирования. В таком комплексе оператор работает в условиях, максимально приближенных к реальным. Метод полунатурного исследования позволяет оперативно и в широких пределах менять параметры технической части системы и тем самым проводить исследование СЧМС в различных условиях работы.

Математические модели (аналитические и имитационные) целесообразно использовать в процессе инженерно-психологического проектирования для решения следующих задач: 1) получения общего представления о характере деятельности человека в СЧМС и создания языка для адекватного описания этой деятельности; 2) подтверждения принципиальной возможности создания СЧМС по определенной схеме и сопоставления конкретных типов схем с целью выбора наиболее приемлемых из них; 3) имитирования деятельности в нормальных и экстремальных условиях.

Посредством моделирования можно решать задачи, связанные как с обоснованием требований к элементам системы со стороны оператора, так и с получением комплексной оценки тех или иных вариантов СЧМС.

Кроме математического моделирования, для инженерной практики также представляет интерес физическое моделирование, когда для исследований используется

физический макет системы. Физическое моделирование позволяет наиболее полно исследовать свойства изучаемой системы. Однако при таком моделировании для каждого случая приходится создавать свою модель. Значительные трудности возникают и при моделировании особенностей внешней среды. Таким образом, данный метод, хорошо вскрывая физическую сущность явлений, не обладает универсальностью применения.