Тема 3. Понятие системы «человек – машина»

План

1. Основные понятия инженерной психологии и эргономики

2. Распределение функций между человеком и машиной. Типы систем «человек — машина».

3. Концепции деятельности человека в человеко-машинных системах.

4. Принципы эргономического обеспечения разработки человеко-машинных систем.

1. Основные понятия инженерной психологии и эргономики

Система «человек — машина», информационная модель, концептуальная модель

Человеко-машинные комплексы относятся к объектам, свойства которых формируются в результате взаимодействия сложных разнокачественных систем физической и биологической природа. Эргономика использует идеи системного подхода в качестве основной методологической ориентации. Понятия и принципы системного подхода применимы при рассмотрении вопросов эргономического обеспечения. Основные из них— система, элементы, функции. Система в переводе с греческого языка означают целое, составленное из частей. Системный подход охватывает группу методов, описывающих объект как совокупность взаимодействующих элементов, реализующих в процессе достижения цели системы определённые функции. Система образует организацию, существующую по принципам:

• иерархичности. Система более низкого порядка встроена в систему более высокого порядка и определяет протекающие в ней процессы;

• целенаправленности. Цель системы определяет деятельность её создателей при проектировании, является критерием оценки её работоспособности;

• каждый элемент системы подчинён общей целевой функции;

• каждый элемент оказывает влияние на все другие элементы;

• выходные эффекты отдельных элементов системы преобразуются в выходные эффекты системы.

Кроме того, системная организация включает в себя процедуры и процессы измерения, оценки, сравнения, обратной связи, которые устанавливают рабочие характеристики системы. Каждая человеко-машинная система описывается в соответствии с дан­ными принципами.

Система «человек — машина» — одно из основных понятий эргономики и инженерной психологии. По ГОСТ 26.387-84 Система «человек — машина» — это «система, включающая в себя человека — оператора СЧМ, машину, посредством которой он осуществляет трудовую деятельность, и среду на рабочем месте». Состоит из двух принципиально разных подсистем: подсистемы, включающей технические звенья («машина»), и подсистемы, которая представлена человеком — оператором СЧМ. Никакая автоматизация не может исключить человека из системы в целом.

С повышением степени автоматизации для сохранения управляемости системы мы всегда будем вынуждены иметь подсистему более высокого уровня, которая будет включать в себя подсистему «человек», а замкнутая система будет иметь свойства системы «человек — машина».

Человек, выполняющий функции управления в системе «человек-машина», называется «оператором». В эргономике под «человеком-оператором» понимается «человек, осуществляющий трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с объектом воздействия, машиной и средой на рабочем месте при использовании информационной модели и органов управления». В узком смысле в рамках инженерной психологии под оператором понимают человека, выполняющего деятельность в СЧМ посредством взаимодействия с информационной моделью.

«Информационная модель» реализуется в технических средствах в виде средств отображения информации — индикаторов, дисплеев, сигнализаторов, содержания виртуальной реальности и т.п. и должна обеспечить оператору:

— понимание отображаемой информации;

— выделение сложных отношений в ситуации;

— эффективное информационное взаимодействие человека и технических устройств;

— максимальную надёжность деятельности человека и системы управления;

— возможность легко и свободно менять способы действия, гибкость поведения человека и взаимозаменяемость наблюдателей;

— условия координации действий, если системой управляет не один человек, а коллектив.

Информационная модель — это организованное в соответствии с определённой системой правил отображение состояния предмета труда, технической системы, внешней среды и способов воздействия на них.

По ГОСТ 26.387-84 Информационная модель — это «условное отображение, информация о состоянии объекта воздействия, системы «человек — машина» и способов управления ими».

Информационные модели, несущие осведомительную информацию, разделяют на наглядные, абстрактные и смешанные.

Наглядные модели (репродуктивные, пикторальные, картинные или модели — изображения) являются некоторой визуальной копией, подобием отображаемого объекта; в них воспроизводятся те или иные, прежде всего пространственные и модальностью, свойства объекта. Картина, фотография, голограмма, мультипликация, компьютерная графика и видеоизображения — примеры наглядных информационных моделей.

Достоинство этих моделей в том, что процесс их восприятия во многих отношениях протекает так же, как и процесс восприятия реальных объектов, что позволяет человеку использовать опыт, полученный в процессе деятельности с реальными объектами.

Абстрактные модели (символические, условные, знаковые, кодовые) передают оператору информацию об отображаемом объекте при помощи набора знаков. Текст, математические формулы, системы символов — примеры этого класса моделей. Достоинство абстрактных моделей состоит в том, что они позволяют отображать скрытые от непосредственного наблюдения свойства объектов — скорость, напряжение, величину тока, угол крена, ускорение и т.д.

Смешанные модели — сочетание элементов наглядных и абстрактных моделей. При рациональном сочетании объединяются достоинства моделей первых двух типов.

Информационная модель формирует в операторе особую систему отношений, базирующуюся на его опыте, особенностях мышления, представлениях о развитии ситуации, предвидении последствий, называемую «концептуальной моделью». В ней отражаются потребности человека, система взглядов, профессиональные качества, позиция по отношению к решаемой задаче, прогноз будущего состояния системы и способы перевода её в это состояние.

Одна и та же информационная модель в зависимости от состояния оператора порождает в нём различные концептуальные модели.

Основные обобщённые требования к информационным моделям (А.А. Крылов):

• информационная модель должна отражать только наиболее существенные взаимосвязи в системе;

• должна строиться на основе использования эффективных кодов;

• должна быть наглядной и учитывать характеристики анализаторных систем человека, порядок и сложность операций.

2. Распределение функций между человеком и машиной. Типы систем «человек — машина».

Создание эффективной СЧМ заключается в поиске оптимального сочетания возможностей машины и человека.

На человека следует возлагать выполнение функций по:

— распознаванию ситуации в целом по её многим сложно связанным характеристикам, а также при неполной информации о ней;

— осуществлению функций индуктивного вывода, т.е. обобще­нию отдельных фактов в единую систему;

— решению задач, в которых отсутствует единый алгоритм или нет четко определённых правил обработки информации;

— решению задач, в которых требуется гибкость и приспособляемость к изменяющимся условиям, особенно задач, появление которых заранее трудно предвидеть;

— решению задач с высокой ответственностью в случае возникновения ошибки.

Машине следует поручать:

— выполнение всех видов математических расчётов;

— выполнение однообразных, постоянно повторяющихся операций, реализуемых по заданному алгоритму;

— хранение и динамическое представление больших объёмов однородной информации;

— решение задач, требующих дедуктивного вывода, т.е. получения на основе общих правил решений для частных случаев;

— выполнение действий, требующих высокой скорости реакции на команду.

Не следует прямо воспринимать методологию распределения функций как проектировочную дисциплину, а приведённые рекомендации как руководство к действию. Это лишь иллюстрация различий, присущих основным элементам человеко-машинной системы. Всё в действительности гораздо сложнее, требует тонкого анализа содержания деятельности оператора и учёта возникающих артефактов. Несмотря на значительный прогресс в создании сложных технических систем, человек во многих случаях незаменим. Особенно это касается его возможностей по работе в условиях неполноты информации и использовании эвристических методов решения проблем. Кроме того, только человек обладает способностью учитывать разнокачественный, в том числе и социальный, опыт для достижения своих целей.

Человечеством создано огромное разнообразие человеко-машинных систем, ориентироваться в котором достаточно трудно.

Для упрощения ориентирования в технологических и целевых нюансах технических систем создаются различные классификационные системы и схемы.

В зависимости от технического назначения человеко-машинных систем различают:

• системы управления движущимися объектами с управлением как с объекта, так и извне;

• системы управления энергетическими установками;

• системы управления технологическими процессами циклического типа;

• системы наблюдения за обстановкой и обнаружения объектов;

•системы диспетчерского типа, управляющие транспортными средствами, распределением энергии и т.п.

Приведённая классификация, несмотря на свою условность и простоту, выполняет задачу по уменьшению многообразия возникающих в практике реальных систем.

Более сложные классификации СЧМ:

A. По степени участия в работе системы человека:

1)автоматические (работающие без человека);

2) автоматизированные (с участием человека);

3) неавтоматизированные (человек работает без применения сложных технических средств).

Б. По целевому назначению:

1) управляющие (основная задача — управление машиной или комплексом);

2) обслуживающие (человек контролирует состояние машины, ищет неисправности, осуществляет настройку);

3) обучающие (тренажёры, технические средства обучения); 4) информационные (радиолокационные, телевизионные и т.п.); 5) исследовательские (моделирующие установки, макеты).

B. По числу операторов и иерархии «человеческого звена»:

1) моносистемы (один человек — например, пилот или оператор станков с ЧПУ);

2) полисистемы (несколько человек, команда), где выделяются: «паритетные» (когда все операторы работают «на равных») и иерархические (с чёткой соподчинённостью операторов).

Г. По типу взаимодействия человека и машины:

1) с непрерывным, постоянным (например, система «водитель — автомобиль»);

2) частичным, стохастическим (например: система «оператор — компьютер»);

3) эпизодическим взаимодействием.

Д. По типу и структуре машинного компонента в СЧМ:

1) инструментальные СЧМ (неотъемлемый компонент системы — инструменты и приборы, работа с которыми требует от оператора высокой точности выполняемых операций, т.е. важна роль самого человека);

2) простейшие человеко-машинные системы (включают стационарные и нестационарные технические устройства);

3) сложные человеко-машинные системы (включают целую систему взаимосвязанных устройств, различных по своему функциональному назначению);

4) системотехнические комплексы (иногда система расширяется до «человек — человек — машина», как некая иерархия более простых систем).

Е. По особенностям рабочего процесса:

1) детерминированные и вероятностные;

2) статические и динамические;

3) дискретного и непрерывного действия системы.

Известны и другие классификации: по видам продуктов труда, точности и надежности функционирования, роли и месту чело­века в системе.

3. Концепции деятельности человека в человеко-машинных системах.

В процессе развития инженерной психологии как научно-практической дисциплины наблюдается возникновение и смена парадигм проектирования и соответственно взглядов на роль и положение человека в технической системе.

В начальном периоде эволюции технических систем большую роль играл «машиноцентрический подход», в соответствии с которым человек рассматривался как звено технической системы, решающее ту или иную её задачу. Описание оператора осуществляется в терминах анализа технических средств. Определяются «входные» и «выходные» параметры человека, составляется его передаточная функция. Задачей исследователя является поиск некоторых констант, не зависящих от условий работы человека. Такой подход оказался малопродуктивным при анализе сложных систем, так как поведение человека осуществляется сложным, плохо формализуемым образом.

Возникла необходимость в развитии новых подходов, и появился сформулированный Б.Ф. Ломовым «антропоцентрический подход». Его суть в том, что машина является орудием труда, с помощью которого осуществляется деятельность человека. При этом главным становится проектирование деятельности «человека — оператора». Проект деятельности выступает основой решения задач проектирования системы. Несмотря на перспективность подхода, долгий период его развития поставил под сомнение его эффективность. Дело в том, что одного психологического знания оказалось явно недостаточно для того, чтобы возглавить проектирование сложных технических систем на всех уровнях их создания и эксплуатации. Многие инженерно-психологические проекты имели явно декларативный характер, не подкреплённый технологически. Одновременно с антропотехническим подходом появился «системно-технический» подход, в котором роли человека и техники уравнены. Однако и он не получил должного развития, но уже по причине низкой психологической грамотности инженеров, что проявлялось в игнорировании ими психологического знания.

Мягкой формой антропоцентрированной методологии явился «человеко-ориентированный» подход к проектированию (П.Я. Шлаен, В.М. Львов), который постулирует необходимость учитывать возможности человека в системе, но главным образом на первых этапах её проектирования. Далее осуществляется эргономический контроль процесса разработки системы, оценка её эргономичности.

Этот подход широко распространён в инженерной среде эргономического направления. Однако он, позволяя проектировать хорошо известные системы и продукты, тем не менее, малоэффективен при создании новых образцов техники и систем «человек— машина».

Альтернативой ему служит подход, развиваемый автором данного пособия, который называется подходом «умножения возможностей». Согласно ему задачей эргономического проектирова­ния является, прежде всего, расширение возможностей психологической и психофизиологической систем оператора, наделение его новыми свойствами для решения профессиональной задачи. Подчеркнём, что в данном подходе речь идёт не только о проектировании технических систем, включающих человека и учитывающих его свойства, но и о проектировании человека, его внутреннего мира посредством специальных технических решений. «Новый человек» придаёт эргатической системе новые свойства, ведущие к успешному выполнению профессиональной деятельности.

В процессе тематической проработки технических решений человеко-машинной системы должны оцениваться вклады каждой новой подсистемы в увеличение возможностей тех или иных систем человека. Речь идёт об усилении его перцептивных возможностей, возможностей антиципации, памяти, внимания, принятия решения, мышления, включения в социальные системы и системы коллективного принятия решений и т.д. Необходимо учитывать синергетические эффекты, возникающие вследствие появления новых технических и психологических элементов в проектируемой системе. Особое внимание уделяется и новым способностям, которыми наделяется человек при внедрении той или иной системы. Например, в авиации сверхманевренность самолетов с изменяемым вектором тяги двигателя позволяет снять ограничения по пространственному манёвру, что даёт пилоту новую способность — свободно перемещаться в пространстве на низких скоростях. Введение систем обеспечения невидимости в радиолокационном диапазоне даёт лётчику уверенность и превосходство над противником при выполнении задач, требующих внезапного появления и ухода с поля боя. Машина усиливает возможности пилота.

При таком подходе важную роль приобретает выбор интерфейсных решений, обеспечивающих эффективное включение оператора в комплекс обеспечения целевой функции системы.

Методология «умножения возможностей» позволяет включить в круг рассматриваемых инженерной психологией не только вопросы тематической разработки новых изделий и систем с точки зрения обеспечения технико-технологических аспектов проектирования, но и вопросы формирования посредством техники эффективного внутреннего мира профессионала.

4. Принципы эргономического обеспечения разработки человеко-машинных систем.

Человеко-машинные системы создаются в рамках совместной деятельности коллективов, состоящих из специалистов разного профиля, включающей этапы формирования технического проекта, конструирования, создания и испытаний опытного образца, разработки технической и технологической документации, проведения государственных испытаний и внедрения в производство.

На каждом этапе решаются специфические задачи, в том числе и задачи учёта человеческого фактора. Система учёта особенностей человека в процессе разработки человеко-машинных комплексов называется системой эргономического обеспечения разработки и эксплуатации (СЭОРЭ). В первую очередь эта система занимается вопросами рационального учёта характеристик системы «человек — машина», согласования свойств её человеческого и машинного звеньев с целью достижения требуемого (заранее заданного) качества деятельности. СЭОРЭ планомерно использует научно-технические, производственные и социально-экономические возможности страны и международного сообщества для совершенствования эргономических качеств образцов человеко-машинных систем. Эти возможности непрерывно увеличиваются и изменяются вместе с прогрессом человеческой цивилизации.

СЭОРЭ строится на следующих основных организационно-методических принципах:

• иерархической группируемости задач СЭОРЭ по этапам их реализации во времени и пространстве;

• согласования этапов СЭОРЭ со стадиями технического проектирования, испытаний, производства и эксплуатации;

• циклического повторения последовательности процедур эргономического обеспечения;

• комплексного эффекта — достижение результата за счёт комплексного учёта возможностей человека, а не отдельных мероприятий и частных решений;

• коллективного решения задач и разумной специализации: предусматривает создание коллектива из специалистов различных отраслей практики и знания;

• активного участия будущих пользователей в проектировании;

• рационального распределения функций между пользователем и техникой;

• приоритетности в проектировании эргономической информации, полученной СЭОРЭ перед другими видами информации;

• адекватности внедряемых решений возможностям человека-оператора;

• принцип ответственности за принятые и внедрённые решения.

Поиск по сайту: