И особенности анализаторов

Работа нервной системы. Характеристики

Прием и обработка информации человеком-оператором осуществляется с помощью нервной системы. Нервная система имеет сложную структуру. Различают централь­ную нервную систему (головной и спинной мозг), формирующую и регулирующую мышление и поведение человека, перифериче­скую нервную систему — нервы, по которым сигналы-импульсы распространяются от периферических органов к нервным цен­трам и от нервных центров к периферическим органам, вегета­тивную нервную систему, регулирующую деятельность внутрен­них органов человека, функции жизнеобеспечения — т. е. расти­тельную, «вегетативную» жизнь организма.

Решающую роль в осуществлении всех процессов жизнедея­тельности человека, в том числе трудовой деятельности, играет центральная нервная система.

Прежде всего, благодаря ей организм функционирует как единое целое, взаимодействуют его органы и системы, осущест­вляется основной обмен, без которого невозможна сама жизнь.

Основные элементы нервной системы — рецептор, нейрон (нервная клетка) и синапс.

Рецептор — это устройство, преобразующее энергию внеш­него или внутреннего раздражителя (светового, звукового, теп­лового, химического и т. п.) в специфический нервный процесс — возбуждение. Возбуждение, подобно сигналу, передается с одной нервной клетки на другую.

Нейрон (нервная клетка) — структурная единица мозга. Кора больших полушарий головного мозга, определяющая индивидуаль­ное поведение человека, состоит из более чем 10 млрд нейронов.

Синапс — тончайшее межклеточное образование, с помощью которого осуществляется переход возбуждения с одного нейрона на другой, с нейрона на мышцу или другие периферические ис­полнительные органы.

Помимо нервных клеток серое вещество мозга на 60—90% состоит из так называемых глиальных клеток (или «глии»), выполняющих функцию опорного каркаса для нейронов, а также функцию питания нервных клеток — в глии находятся «энергетические депо» накопления энергетических веществ, пе­риодически поступающих в нервные клетки.

Мозг можно представить как совокупность взаимосвязанных групп нервных клеток, или анализаторов — зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, двигательного, речедвигательного и т. п. Корковые центры соответствующей области коры головного мозга называют корковым концом (представительством) анализа­тора, а органы чувств или другие рецепторные зоны, где распо­ложены соответствующие рецепторы, — периферическим кон­цом анализатора.

Основными процессами нервной деятельности являются возбуждение и торможение.

Информация из внешней среды и внутренней среды орга­низма поступает в виде самых разнообразных раздражителей, однако на нейрофизиологическом уровне она проявляется в ви­де одного и того же физиологического процесса — возбуждения. Это сложный биоэлектрический процесс, состоящий из множе­ства сигналов-импульсов, приводящий в действие клетки и ор­ганы. Процесс возбуждения обладает свойством распространять­ся, переходить из одного участка ткани на другой, находящийся в покое, и за счет этого связывает между собой и приводит в действие различные элементы организма.

Процесс торможения — сложный биоэлектрический процесс, ослабляющий или прекращающий деятельность клетки, органа. В отличие от возбуждения торможение носит местный характер, не распространяется.

Физиологическая основа формирования концептуальной модели – это работа анализаторов, т.е. первых органов, с помощью которых человек осуществляет анализ раздражителей.

Анализатор — термин, введенный И.П. Павловым для обозначения функциональной единицы, ответственной за прием и анализ сенсорной информации какой–либо одной модальности. Различают зрительный, слуховой, тактильный, вкусовой, обонятельный, кинестетический (внутримышечный), темпера­турный и вестибулярный анализаторы.

Важнейшими для оператора является следующие анализаторы:

ü зрительные (90%)

ü слуховые (7%)

ü тактильные (3-2,5%)

В анализаторе выделяют три отдела:

1. Воспринимающий орган или рецептор, предназначенный для преобразования энергии раздражения в процесс нервного возбуждения. Вход рецеп­тора приспособлен к приему сигналов определенного вида (световых, звуковых, тепловых и так далее), что и является осно­вой квалификации анализаторов;

2. Проводник, состоящий из афферентных нервов и проводящих путей, по которому импульсы передаются к вышележащим отделам центральной нервной системы;

3. Центральный отдел, состоящий из релейных подкорковых ядер и проекционных отделов коры больших полушарий. (центр в коре больших полушарий головного мозга (мозговой конец))

Кроме восходящих (афферентных) путей существуют нисходящие волокна (эфферентные), по которым осуществляется регуляция деятельности нижних уровней анализатора со стороны его высших, в особенности корковых, отделов.

Анализаторы человека являются единой, взаимосвязанной системой. Действия раздражителя на один из анализаторов вызывает не только его прямую реакцию, но и изменяет функционирование других.

Мозговой конец (МК) состоит из ядра и рассеянных по коре головного мозга отдельных элементов. Между МК и рецептором существует обратная связь – осуществляется через волокна. За счет ОС в рецепторах производится декодирование, т.е. воспроизведение того исходного состояния, которое возникает при взаимодействии рецептора с раздражителем.

В частности, возможностями и особенностями анализаторов человека опреде­ляются психофизиологические требования к орудиям труда. Рассмотрим подробнее некоторые важнейшие характеристики анализаторов, а также свойства зрительного, слухового и тактильного анализаторов. (Ведь именно от особенностей работы анализаторов зависит быстродействие и точность работы человека-оператора).

Как уже отмечалось выше, восприятие информации в основном осуществляется зри­тельным, слуховым и тактильным анализаторами. Остальные анализаторы в технических системах используются крайне редко, в особых ус­ловиях деятельности (например вестибулярный — в системе «летчик-самолет»). Основными характеристиками анализаторов является чувствительность, избирательность и адаптивность.

Диапазон чувствительности анализатора определяется интер­валом от минимальной до максимальной адекватно ощущаемой величины сигнала. Величина раздражителя, вызывающая едва заметное ощущение, называется нижним абсолютным порогом чувствительности, а максимальная величина раздражителя — верхним абсолютным порогом. Нижний абсолютный порог опре­деляет чувствительность анализатора, поскольку сигналы, ин­тенсивность которых меньше нижнего абсолютного порога, че­ловеком не ощущаются, а увеличение интенсивности сигналов выше верхнего абсолютного порога вызывает у человека болевое ощущение.

Избирательность анализатора заключается в его способности из множества раздражителей, одновременно действующих на человека, в зависимости от условий воспринимать и анализиро­вать только существенные раздражители, чем обеспечивается высокая помехоустойчивость, и быстродействие по анализу ин­формации. Благодаря избирательности анализаторов анализ большого количества информации человеком проводится в не­сколько раз быстрее, чем автоматическим устройством, посколь­ку компьютерная система предусматривает последовательный анализ всей информации без учета ее значимости.

В зависимости от условий окружающей среды анализатор может изменять диапазон чувствительности, например, переме­щением хрусталика глаза. Это свойство называется адаптацией. Адаптация характеризуется величиной изменения чувствитель­ности и временем, в течение которого она происходит.

В реальных условиях должны соблюдаться следующие требо­вания к сигналам-раздражителям:

ü интенсивность сигналов должна соответствовать средним значениям диапазона чувствительности анализаторов;

ü различие между сигналами должно быть больше опера­тивного порога различения, но не должно значительно превышать оперативный порог, т. е. составлять опти­мальную величину, обеспечивающую хорошую работо­способность и не вызывать утомления;

ü наиболее значительные и ответственные раздражители следует располагать в тех зонах сенсорного поля, которые соответствуют участкам рецепторной поверхности с наи­большей чувствительностью.

Характеристики зрительного анализатора. Зрительным анали­затором воспринимается форма, цвет, яркость и движение пред­метов. Возможность различения предмета на фоне других пред­метов определяется его контрастностью.

Контрастность — это соотношение яркости предмета и фо­на. Различают прямой (яркость фона больше яркости предметов) и обратный (яркость предмета больше яркости фона) контрасты. Оптимальным считается контраст, находящийся в пределах 0.6...0.9. Необходимо, чтобы различие в яркости предмета и фо­на было в 10...15 раз больше порогового значения. Форма пред­мета воспринимается с учетом контраста и угловых или линей­ных размеров.

Эргономические требования к средствам отображения визу­альной информации устанавливают размеры и конфигурацию знаков, сигналов, углы их обзора и расстояния наблюдения, вид контраста изображения и окружающего фона, цвет свечений световых изображений, уровень яркости, частоту мельканий, скорость перемещений, условия внешней освещенности изобра­жения. Рациональное соответствие орудий труда зрительному, анализатору соблюдаются при следующих условиях:

ü освещенность на рабочем месте оператора — 410 лк;

ü яркость свечения индикатора на черно-белой электрон­но-лучевой трубке (ЭЛТ) — не менее 0,5 кд/м²;

ü яркость свечения индикатора на цветной ЭЛТ не менее 10 кд/м²;

ü оптимальная яркость индикатора на цветной ЭЛТ —170 кд/м²;

ü контраст прямой оптимальный — 0,8...0,9;

ü контраст прямой допустимый — 0,6...0,9;

ü контраст обратный для самосветящихся индикаторов — не менее 0,2;

ü время представления (индикации) сигнала — не менее 2 с;

ü скорость движения сигнала при наличии опорного ори­ентира — 1...2 угловых минуты в секунду;

ü скорость движения сигнала без опорного ориентира — 15...30 угловых минут в секунду;

ü размеры знаков на экране 15...40 угловых минут;

ü частота мельканий — не менее 50 Гц;

ü ширина линии на экране — 1,15... 1,5 мм при расстоянии наблюдения соответственно 0,25... 1,5м.

Традиционно освещение рабочего места при работе с бумаж­ными носителями информации имеет высокий уровень обшей освещенности (700 лк и более). При считывании информации с ЭЛТ имеются следующие особенности:

1. Поверхность ЭЛТ расположена вертикально, что приводит к расположению линий зрения оператора на 20° выше, чем при работе с бумажными носителями. Поэтому увеличивается веро­ятность появления прямой блесткости от светильников и окон.

2. Любой уровень освещенности экрана ЭЛТ уменьшает контраст между изображением и фоном, так как яркость темных участков (фона) увеличивается сильнее, или яркость светлых участков.

3. Экран ЭЛТ искривлен и часто имеет высокий коэффици­ент отражения. Он играет роль зеркала, вызывая блесткость, так как свет ярких объектов, расположенных за оператором, и над ним отражается от экрана и попадает в глаза оператору. Эти от­ражения уменьшают контраст и могут частично или полностью искажать часть информации.

Исходя из этого, освещенность рабочего места с ЭЛТ и ин­формацией, записанной на бумажном носителе, должна состав­лять 400...500 лк, что существенно снижает контраст экрана, по сравнению с неосвещенным рабочим местом и затрудняет вы­полнения задания, но позволяет читать информацию с бумаги и переносить ее на магнитный носитель. При использовании ин­формации только с экрана ЭЛТ освещенность рабочего места может находиться в пределах 150...400 лк.

Характеристики слухового анализатора. Слуховой анализатор состоит из уха, слухового нерва и сложной системы нервных связей и центров мозга. Ухо воспринимает определенные часто­ты звука благодаря резонансу волокон мембраны и усилению сигналов средним и наружным ухом. Слуховой анализатор вос­принимает колебания частотой 16...20 000 Гц. Колебания часто­той ниже 16 Гц называют инфразвуком, а выше 20 000 Гц — ультразвуком. Ультра- и инфразвук оказывают влияние на орга­низм человека, но оно не сопровождается слуховым ощущением. Звук характеризуется интенсивностью, частотой и формой зву­ковых колебаний, которые отражаются в слуховых ощущениях как громкость, высота и тембр.

Интенсивность звука оценивается по звуковому давлению, ко­торое измеряется в Паскалях (давление, вызываемое силой 1 Н.Равномерно распределенной по площади 1 м² и нормальной к ней) или в динах на квадратный сантиметр (1 Па=10 дин/см ).

Громкость — это характеристика звукового ощущения, которая наиболее тесно связана с интенсивностью звука. Уровень громкости выражается в фонах, фон численно равен уровню звукового давления в децибелах для чистого тона частотой 1000Гц. Основными количественными характеристиками слухо­вого анализатора являются абсолютный и дифференциальный пороги. Нижний абсолютный порог соответствует интенсивно­сти звука (в децибелах), обнаруживаемого человеком с вероятно­стью 0,5; верхний порог — интенсивность, при которой возни­кают болевые ощущения. Между ними расположена область восприятия речи. Абсолютные пороги зависят от частоты и ин­тенсивности звукового сигнала. Верхний абсолютный порог со­ставляет 120...130 дБ, область восприятия речи — 60... 120 дБ.

Слуховой анализатор часто используется при проектирова­нии средств сигнализации об аварийной ситуации. Слуховая информация воспринимается человеком на 20...30 мс быстрее визуальной.

В соответствии со свойствами слухового анализатора в обо­рудовании для передачи уведомляющих сигналов необходимо использовать частоту 200...400 Гц с интенсивностью до 110 дБ, для аварийных сообщений — частоту 800...5000 Гц с интенсив­ностью 120 дБ. Длительность отдельных сигналов и интервалов между ними должна быть более 0,2 с, длительность интенсивных (предельно допустимых) сигналов не должна превышать 10 с.

Характеристики тактильного анализатора.Тактильный анализа­тор используется для получения информации о положении пред­мета в пространстве, о его форме, размерах, качестве поверхности и материалов. Функционирование тактильного анализатора осно­вано на свойстве кожи воспринимать температурные, химические, механические и электрические воздействия предмета или орудия труда. Наиболее часто тактильный анализатор используется для получения информации о состоянии оборудования путем анализа его вибраций. Абсолютная чувствительность тактильных анализа­торов на механическое воздействие определяется величиной ми­нимального давления, вызывающего ощущение.

Наибольшая чувствительность при восприятии вибраций на­блюдается при частоте 100... 300 Гц. Пространственная чувстви­тельность определяется минимальным расстоянием между двумя точками кожи, при раздражении которых возникает ощущение двух прикосновений. На основе пространственной чувствительности пальцев, составляющей 1...2.5 мм, происходит опознание органов управления. При помощи тактильного анализатора можно передавать до десяти уровней (градаций) сигнала. Так­тильный анализатор обладает быстрой адаптацией, приводящей к снижению абсолютного порога ощущения. В настоящее время тактильные анализаторы используются для контроля за работой оборудования (путем восприятия его вибраций), опознания ор­ганов управления и получения информации о вводе управляю­щих воздействий в систему управления (благодаря обратной свя­зи в штурвалах, выключателях и переключателях).