Часть 4. Системы человек-машина 5 страница

Короче говоря, оператор, исходя из требований и условий задачи (Р), последовательно переходит к общей гипотезе (GH), затем к специфицированным гипотезам (SH) и, наконец, находит конечный результат.

Из изложенного видно, что общая логико-психологическая структура решения задачи по своему строению имеет «каркасный» характер. Этапы связаны прямыми и обратными связями. При этом каждый из этапов обладает по отношению к предыдущим этапам характером решения, а по отношению к последующим – характером проблемы. В основе решения задачи лежит непрерывное ее переформулирование, построение предварительной концептуальной модели и трансформирование ее в конечную концептуальную модель решения исходной проблемной ситуации. Концептуальная модель имеет сложное строение и формируется в результате взаимодействия входящих в ее состав структурных и статистических компонентов. Структурные компоненты связаны с анализом проблемной ситуации, статистические – с использованием априорной информации.

Приведенная структурная схема процесса принятия решения носит общий характер. Она может изменяться в зависимости от конкретного вида операторской деятельности. Однако учет изложенных закономерностей принятия решения имеет большое значение для правильной организации деятельности оператора. Рассмотрим это на конкретном примере осуществления оператором поиска отказов и неисправностей.

Поиск неисправностей является одной из разновидностей решения задачи на речемыслительном уровне. В ходе поиска оператор вынужден устанавливать различные связи между элементами решаемой задачи. Эти связи устанавливаются, однако, не со всеми элементами, а лишь с ограниченным их числом. Выбор характера связи производится на основе априорных соображений, которые и являются основой для формирования гипотез. Основой для их формирования являются знания оператора о системе – отражение статистических связей между элементами задачи. В процессе поиска число рабочих гипотез сокращается за счет включения в рассмотрение наиболее вероятных гипотез, реальность которых не подтверждена. Таким образом, в результате поиска наблюдается установление все новых связей между элементами задачи, т. е. происходит построение модели сложившейся ситуации. Иначе этот процесс может быть интерпретирован как поиск соответствия между проявлением неисправности и представлением о ней оператора.

Схематически процесс поиска неисправностей показан на рис. 5.3. Анализ приведенной на рис. 5.3 модели поиска показывает, что при разработке СЧМ следует предусмотреть возможность самостоятельного построения оператором алгоритма поиска неисправностей (установление динамических связей между элементами системы). Это может быть достигнуто как увеличением «контрольных» точек в аппаратуре, которые могут инцидироваться на информационной модели в процессе функционирования, так и большими возможностями для поэлементной реализации оператором алгоритма функционирования СЧМ с пульта управления. Особое значение это имеет при модульной конструкции аппаратуры СЧМ, когда задачей оператора является принятие решения на замену целого модуля, содержащего отказавший прибор или элемент.

Заканчивая рассмотрение вопросов принятия решения оператором, необходимо хотя бы кратко остановиться на факторах, определяющих эффективность этого этапа деятельности оператора. С известным приближением моделью процесса принятия решения оператором в системе управления могут служить задачи решения цепей силлогизмов различной длины. Силлогизмом называется задача следующего вида: А больше Б, Б несколько меньше В. Требуется найти соотношение А и В. Обнаружено, что на эффективность принятия решения большое влияние оказывают ограниченность времени и наличие стрессовых ситуаций, ведущих к появлению психической напряженности. Действие этих факторов приводит к задержкам в принятии решения и резкому снижению их качества. Например, при ограничении времени до 10 сек оператор не в состоянии решать силлогизмы и действует наугад.

Время принятия решения зависит и от числа логических условий, одновременно проверяемых оператором. Об этом, в частности, свидетельствуют данные, приведенные на рис. 5.4. С увеличением числа логических условий возрастает вероятность появления ошибок. При трех-четырех логических условиях быстрые безошибочные решения затруднительны. Эффективность принятия решения зависит от личностных свойств оператора и прежде всего от его мотивации к данной деятельности. Эти вопросы подробно рассматривались в первом параграфе данной главы.

Управляющие действия оператора

Рабочие движения человека-оператора

Принятое оператором решение только тогда имеет смысл, когда оно правильно и своевременно будет реализовано. Реализация решения осуществляется путем ввода необходимой информации в машину. Для этого используются «выходные» каналы человека: двигательный (моторный) или речевой. Подавляющее число управляющих действий оператор осуществляет посредством движений. С помощью речевого управления пока можно решить лишь ограниченный круг задач.

Моторная деятельность оператора существенным образом отличается от подобной деятельности работников других профессий. Действия оператора внешне являются, как правило, очень простыми. Они сводятся к нажатию кнопок, включению тумблеров, повороту рукояток и т. п. и не требуют сами по себе специального обучения. Однако вся сложность управления переместилась с исполнительной части двигательных действий на центральные механизмы их регуляции.

Выполнение любого (внешне даже очень простого) управляющего действия оператором определяется переработкой большого количества информации, от правильного и своевременного выполнения этого действия зависит успех в реализации принятого решения.

Любое управляющее движение складывается из массы элементарных движений, объединяемых механизмом центральной регуляции в целостную структуру. Разные движения, включенные в такую структуру, имеют различное назначение, по которому их можно разделить на три группы:

рабочие или исполнительные движения, посредством которых осуществляется воздействие на орган управления;

гностические движения, они направлены на познание объекта и условий труда, к ним относятся осязательные, ощупывающие, измерительные и другие движения;

приспособительные движения, к ним относятся установочные, уравновешивающие и другие движения.

Структура двигательных компонентов и определяемые ею скорость и точность управляющего действия зависят от тех задач, которые решает оператор, а также от назначения органов управления, их конструкции, расположения в пространстве и других факторов.

По назначению органов управления все двигательные задачи можно разделить на четыре класса.

Операции включения, выключения и переключения. Манипулирование соответствующими органами управления строится по принципу простых реакций или реакций выбора, основной характеристикой которых является время реакции.

Двигательные задачи, заключающиеся в выполнении последовательного ряда повторяющихся движений, с помощью которых осуществляются операции кодирования и передачи информации. Характеристикой повторяющихся движений является их темп. По мере тренировки повторяющиеся движения становятся ритмичными.

Третий класс двигательных задач наблюдается при манипулировании с органами управления для настройки аппаратуры и точной установки управляемого объекта. В этом случае необходимо дозирование движений по их силовым, пространственным и временным параметрам в соответствии с некоторой заданной мерой. Основным фактором, определяющим их динамику, является точность дозировочных реакций.

Операции слежения за изменяющимися объектами. Задачи, выполняемые оператором в процессе движения, относятся к классу непрерывных перцептивно-моторных задач.

В физиологии труда разработаны и широко применяются на практике принципы экономии движений. Однако эти принципы в основном применимы для физического труда, они не являются главными в решении инженерно-психологических задач. Более того, их применение без учета закономерностей регуляции движений может привести к снижению эффективности управляющих действий. Эффективность действий оператора повышается при такой организации его моторного поля, которая обеспечивает оптимальные условия регуляции движений.

Для выполнения этого требования большое значение имеет правило совместимости индикаторов и органов управления. Его особенно важно соблюдать в тех случаях, когда требуется высокая скорость действий, когда оператор наряду с основной задачей должен решать дополнительные задачи и т. д. Для определения оптимального отношения органов управления к индикаторам важным является также вопрос о том, как относятся характеристики управляющего движения к тем или иным параметрам сигнала. При этом необходимо иметь в виду то обстоятельство, что точность регуляции движений по силе, амплитуде и скорости различна. Регуляция по силе является более простой, чем по амплитуде и тем более по скорости. Поэтому при конструировании органов управления необходимо учитывать возможности регуляции движений по каждому из перечисленных параметров и в соответствии с этим решать вопрос о выборе типа органа управления, его размера, положения и т. д.

Управляющие движения оператора характеризуются четырьмя группами характеристик – скоростными (временными), пространственными, силовыми и точностными.

Основной скоростной характеристикой операций включения является время двигательной реакции. Это время в общем случае зависит от расстояния R, на которое перемещается рука, и ширины органа управления W и определяется соотношением:

(6.1)

где a и b – константы, численные значения которых равны a ≈ 0,07 сек, b ≈ 0,074 сек; Т_р – комплексный индекс трудности.

Для повторяющихся движений основной характеристикой скорости является частота их повторения, или темп. Установлено, что максимальный темп вращательных движений 4,0–4,8 об/сек. Темп вращения существенным образом зависит от размеров ручек управления и величины их сопротивления движению. Так, например, наибольшая скорость достигается при радиусе ручки 3 см (при самых минимальных сопротивлениях). Если же сопротивление будет достигать 5 кГ, то максимальная скорость может быть достигнута при радиусе ручки в 4 см.

Максимальный темп нажимных движений при величине усилия 25 г для ведущей руки 6,68 нажимов/сек, для неведущей – 5,3 нажимов/сек. При увеличении усилия до 400 г темп уменьшается и составляет соответственно 6,14 и 5,59 нажимов/сек.

Максимальный темп ударных движений изменяется от 5 до 14 ударов в секунду. В среднем он равен 8,5 ударов/сек. Для продолжительного же периода работы оптимальный темп– 1,5–5,0 ударов в секунду.

В случаях, когда движение выполняется в ответ на часто поступающие внешние дискретные сигналы, человек способен реагировать на каждый сигнал только в том случае, если интервал между сигналами не менее 0,5 сек. Если же второй сигнал подается через более короткий промежуток времени, то начало реакции на него задерживается до завершения реакции на предыдущий сигнал.

Данный эффект называется психологической рефракторной фазой. К пространственным характеристикам движений оператора относятся размеры моторного поля (зоны досягаемости) и траектории движений. Моторная деятельность оператора характерна прежде всего тем, что моторные координации являются тонкими, и следовательно, в подавляющем большинстве случаев все движения осуществляются без перемещения туловища. Исходя из этого, размеры моторного поля (при неподвижном положении туловища) определяются длиной вытянутой руки оператора. В моторном поле различают три зоны; максимальной, допустимой и оптимальной досягаемости. Размеры этих зон в горизонтальной и вертикальной плоскостях показаны соответственно на рис. 6.1 и 6.2.

В зонах оптимальной и допустимой досягаемости возможны наиболее быстрые и точные движения при минимальной утомляемости оператора. Поэтому здесь рекомендуется располагать наиболее важные и часто используемые органы управления. Следует также отметить, что в зависимости от требуемых усилий и точности движений в этих зонах существуют некоторые рациональные уровни. Так, например, рычаги, требующие для своего перемещения больших усилий, следует размещать на нижних уровнях оптимальной зоны. Требования же к точности перемещения легче всего удовлетворяются на средних уровнях.

В зоне максимальной досягаемости точность и скорость управляющих движений заметно снижается, утомление наступает быстрее. Поэтому в этой зоне возможна лишь непродолжительная работа.

Для количественной оценки удобства работы человека в той или иной зоне досягаемости вводится понятие коэффициента удобства, равного

где Т_у – время выполнения операций в наиболее удобной зоне; Т_зон – время выполнения операций в данной рабочей зоне.

Установлено, что для зоны оптимальной досягаемости К_у = 1, для зоны допустимой досягаемости К_у = 0,9, для зоны максимальной досягаемости его значение составляет 0,3–0,6. За пределами зон досягаемости величина К_у может быть в отдельных случаях меньше 0,1.

Траектория движений может быть различной. Однако, несмотря на их практическую неограниченность, некоторые из траекторий являются наиболее предпочтительными. Например, экспериментальными исследованиями установлено, что эллиптические и круговые движения являются более выгодными по сравнению с прямолинейными; замена прямолинейных движений круговыми заметно увеличивает производительность труда и снижает утомляемость.

Движения человека определяются и силовыми характеристиками. Основной из них является величина усилия, развиваемая рукой при движении. Эта величина определяется характером движения (вытягивание, толкание, отведение и т. д.) и углом между плечом и вертикалью тела. Наибольшее усилие может быть развито при вытягивании на себя (54,4 кГ) и толкании от себя (62,6 кГ), наименьшее – при толкании вниз (18,6 кГ) и отведении от себя (15,5 кГ). Величина усилия, развиваемого человеком при вытягивании и толкании, резко падает при уменьшении угла между плечом и вертикалью тела. Максимальное усилие, развиваемое левой рукой, в среднем на 10–15% меньше, чем правой.

Силовые характеристики движений человека должны учитываться при выборе сопротивления органов управления. Необходимо только иметь в виду, что выше были приведены лишь максимальные значения усилий, развиваемых рукой человека. Фактические доставления органов управления должны быть значительно меньше этих усилий (табл. 6.1).

Для некоторых видов деятельности иногда отсутствует возможность осуществлять зрительный контроль в процессе двигательного акта. В этом случае большое значение имеют точностные характеристики движений оператора, т. е. возможностей человека по различению (без участия зрительного контроля) направления, размаха, длительности и силы движения. Эти характеристики особенно необходимо учитывать при организации дозированных движений.

Наиболее точные ощущения характерны для движений, совершаемых на расстоянии 15–35 см от средней точки тела. Уже на расстоянии 40–50 см точность анализа существенно снижается. Точность попадания рукой в нужное место на пульте управления составляет ±15 см в средней зоне ниже груди и ±30 см в крайних зонах.

Амплитуда движений наиболее точно оценивается в пределах 8–12 см. Более короткие амплитуды переоцениваются, более длинные недооцениваются. Движения сверху вниз обычно переоцениваются. Длительность движения может оцениваться с точностью 0,1–0,2 сек.

При изучении дозирования усилий выявлено, что оператор с большей точностью способен сохранять одно и то же усилие, чем изменять его в определенных пределах. Специальные тренировки позволяют значительно, повысить точность регулировочных усилий. Так, если до тренировки пороги различения веса и нагрузок находились в пределах 3–10%, то после тренировки различение веса осуществлялось уже с точностью до 1%.

Заканчивая рассмотрение характеристик управляющих движений, необходимо хотя бы кратко сказать об особенностях формирования двигательных навыков. В процессе их формирования изменяются взаимоотношения между видами движений. На первой ступени обычно преобладают гностические движения. Позднее они редуцируются и настолько тесно сливаются с рабочими движениями, что их трудно бывает разделить. В результате движения становятся более плавными и стабильными.

На начальных ступенях образование двигательного навыка происходит под контролем зрения; впоследствии же этот контроль все более переходит к чувствительным приборам двигательного аппарата – к тактильному и кинестетическому анализаторам. При этом образуется внутренний контур регулирования, определяемый действием этих анализаторов, в котором сигналы проходят значительно быстрее (0,4 сек), чем по внешнему контуру регулирования, включающему зрительный контроль (1–2 сек). Это важное свойство может быть использовано также для повышения качества управления путем подачи сигналов обратной связи не на зрительный, а непосредственно на тактильный анализатор. Это связано с тем, что знание оператором результатов своих действий (самоконтроль своей работы) является важным средством повышения эффективности труда.

Связь восприятия и движения

Любому управляющему действию оператора предшествует восприятие информации. Связь восприятия и движения осуществляется в виде сенсомоторных реакций или сенсомоторной координации.

Сенсомоторной реакцией называется одиночное (дискретное) движение оператора на появление (прекращение действия) того или иного раздражителя. Изучение сенсомоторных реакций имеет большое значение для инженерной психологии. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, многие виды операторской деятельности в той или иной степени представляют собой совокупность различных видов сенсомоторных реакций. Во-вторых, время реакции может использоваться как один из показателей психофизиологического состояния оператора или готовности его к выполнению определенного вида деятельности. В-третьих, время реакции очень часто используется как индикатор при инженерно-психологических измерениях и исследованиях.

Различают следующие типы сенсомоторных реакций:

простая сенсомоторная реакция,

сложная сенсомоторная реакция,

реакция на движущийся объект.

Простая сенсомоторная реакция заключается в ответе заранее известным простым одиночным движением на внезапно появляющийся, но заранее известный сигнал. Основной показатель такой реакции – время, которое складывается из двух составляющих: латентного (скрытого) периода и времени моторного акта.

Обычно в процессе изучения деятельности оператора измеряют общее время реакции, т. е. промежуток времени между моментом t₀ появления сигнала и моментом t₁ окончания реагирования на него (например, моментом нажатия кнопки). Для практики инженерно-психологических исследований обычно, наибольший интерес представляет сенсорная составляющая (латентный период) времени реакции. Именно эта характеристика имеет большое значение при контроле состояния оператора, профессиональном отборе, проведении инженерно-психологических измерений.

Для получения объективных выводов о результатах работы оператора желательно величину латентного периода получить в «чистом» виде, отбросив влияние всех побочных факторов. Их влияние может вызвать как постоянную, так и переменную погрешность в измерении времени реакции (ВР). Первая оказывает влияние на его математическое ожидание, вторая – на дисперсию (средне-квадратическое отклонение).

В реальных процессах работы оператора простые сенсомоторные реакции встречаются сравнительно редко. Наиболее характерными являются сложные реакции, в которых требуемое действие оператора зависит от вида и характера поступившего сигнала. Например, каждому из сигналов соответствует включение своего тумблера. При анализе сложных реакций необходимо иметь в виду, что движения в той или иной степени осуществляются под контролем зрительной системы. Многие элементы программы двигательного акта формируются еще до начала движения, по отношению к которому зрительная система выступает в роли задающего устройства, Таким образом, сенсорная и моторная компоненты ВР имеют на оси времени общий участок (на рис. 6.5 он обозначен штриховкой). Это означает, что в это время начинают работать несколько параллельных уровней регуляции.

Для деятельности оператора характерно два режима осуществления сложных сенсомоторных реакций. В первом случае перед началом дискретного движения глаз неподвижны (режим зрительной фиксации), а рука находится в покое. Например, оператор должен вести непрерывное наблюдение за некоторым узким участком индикатора и в то же время реагировать на появление сигналов вне этого участка. При этом соотношение между всей площадью индикатора и площадью контролируемого участка может быть довольно большим.

Во втором случае глаза наблюдателя свободно рассматривают некоторое информационное поле, а рука или неподвижна, или занята каким-то побочным движением. Это возникает тогда, когда оператор должен вести наблюдение за несколькими индикаторами одновременно и реагировать только в том случае, если на одном из них произошло критическое изменение некоторого параметра. В отличие от первого случая соотношение между площадями индикатора и контролируемого участка может быть малым. Такой режим работы оператора будет называться свободным.

Проведенные исследования показали, что латентный период ВР при прочих равных условиях значительно меньше при наблюдении в свободном режиме, чем в режиме фиксации. Его величина зависит от эксцентриситета стимула: наблюдается медленное увеличение латентного периода с ростом угла α проекции стимула на сетчатку. Это увеличение более выражено в режиме фиксации, чем в режиме свободного наблюдения (рис. 6.6). За пределами зоны ясного видения (α > 45°) это увеличение проявляется наиболее сильно.

Время движения при прочих равных условиях также существенно меньше в свободном режиме по сравнению с режимом фиксации. Его величина зависит от направления движения: движения вправо и вниз протекают быстрее, чем влево и вверх. Эта зависимость наблюдается в обоих режимах работы. Время движения линейно зависит также от его амплитуды (рис. 6.7). Однако в явном виде эта зависимость проявляется лишь для свободного режима; в режиме фиксации время движения линейно зависит в соответствии с формулой (6.1) от комплексного индекса трудности T_p.

Значительный интерес представляет свидетельствующие об уменьшении обоих составляющих ВР в свободном режиме по сравнению с режимом фиксации. В этом проявляется функциональное единство сенсорных и моторных процессов: в ответ на изменение режима наблюдения появляются качественные и количественные изменения в моторной деятельности. Это как раз и свидетельствует об участии параллельно действующих каналов, имеющих общие временные участки.

Общее время реакции зависит также от сложности выбора нужного сигнала на информационном поле. В качестве меры сложности может быть принято количество поступающей к оператору информации. Общее время реакции увеличивается в этом случае за счет латентного периода, время моторного компонента мало зависит от энтропии сигналов (рис. 6.8).

Количество ошибочных реакций практически не зависит от режима работы. Между количеством ошибок, сделанных на движениях «вправо» и «влево», имеется статистически значимое различие: «вправо» ошибок больше. Здесь, по-видимому, проявляется известная связь между скоростью и точностью (движения «вправо» быстрее). В обоих режимах работы по всем направлениям наблюдается рост ошибок с ростом амплитуды движения.

Наиболее распространенным видом сенсомоторной координации являются операции слежения. Задача оператора в этом случае заключается в том, чтобы посредством воздействий на органы управления удерживать движущийся объект на заданной траектории или совмещать с другим движущимся объектом. В отличие от реакций, которые носят дискретный характер, операции слежения представляют собой по видимости непрерывный процесс.

Различают два основных вида операций слежения. В случае, когда оператор воспринимает весь ход изменений входного и выходного сигналов и сводит к нулю разностную ошибку, операция называется слежением с преследованием. Если же оператор воспринимает только разность между входным и выходным сигналами и стремится свести ее к нулю, слежение называется компенсирующим.

Основными характеристиками процесса слежения являются: время инерции, время нахождения метки на цели, первоначальное рассогласование и время слежения.

Лучшими оказываются характеристики процесса слежения с преследованием. Установлено, что время инерции колеблется в пределах 0,65–1,25 сек, причем наибольшим оно оказывается для малых скоростей движения цели (менее 8 мм/сек). Время нахождения метки на цели составляет 5–7% всего времени слежения. По мере тренировок это время может быть доведено до 20 и более процентов. Средняя ошибка слежения колеблется в пределах 0,15–0,20 сек при скорости движения цели в поле зрения 2 мм/сек и 0,05–0,15 сек при скорости 10 мм/сек. Наибольший удельный вес в процессе слежения составляют операции опережения (40–50%), Характер изменения относительного времени, в течение которого имеют место движения опережения и запаздывания, паузы и совпадения, показан на рис. 6.9. Колебательный процесс слежения характеризуется частотой 1,5–5 Гц.

Использование речевых сигналов для управления машиной

Помимо двигательных актов для управления машиной возможно использование и речевых сигналов, подаваемых оператором. Машиной может служить ЭВМ, система управления, исполнительный механизм или другое техническое устройство, способное воспринимать и использовать речевую информацию.

Речевой ввод информации в машину имеет целый ряд преимуществ по сравнению с механическим.

Речевой ввод информации в ЭВМ рассчитан на использование органов речеобразования человека, поэтому он высвобождает глаза и руки, предоставляет человеку свободу перемещения в процессе управления.

В ряде случаев речевой ввод надежнее и быстрее других способов ввода информации, например, связанных с нажатием кнопок и клавишей. Проиллюстрируем это таким примером. Пульт управления содержит 100 кнопок, нажатие каждой из которых означает передачу соответствующей команды. Следовательно, для передачи команды оператор должен отыскать требуемую кнопку и нажать ее. На поиск необходимой кнопки требуется определенное время; кроме того, возможно ошибочное нажатие другой кнопки. При речевом вводе, приняв необходимое решение, оператор голосом отдает необходимую команду. При наличии визуальной обратной связи это быстрее, чем отыскать и нажать нужную кнопку, и автоматически исключается ошибочное нажатие. Исследования показывают, что речевой ввод осуществляется быстрее ручного в 2–3 раза.

При речевом вводе можно работать в темноте, не требуется обязательное присутствие оператора у пульта управления. При употреблении радиомикрофона возможна полная свобода перемещения оператора. При речевом управлении утомление наступает гораздо позже, чем при ручном.

Затрудняющими факторами при речевом управлении машиной являются различные акустические шумы и помехи, в том числе шумы в помещении, разговоры других операторов, акустические сигналы механизмов и т. п.

В настоящее время работы по созданию устройств речевого ввода информации не вышли пока еще за рамки лабораторных исследований, однако есть все основания полагать, что в самое ближайшее время появятся первые образцы распознавателей речевых команд.

Создание автоматических распознавателей речи основано на построении моделей восприятия устной речи человеком. Построение таких моделей опирается на следующие положения:

наиболее эффективным методом опознания устной речи является параллельный анализ временных и спектральных (частотных)
характеристик речевых сигналов;

в основе алгоритма опознания речевых сигналов лежит пре
образование звуковых колебаний в текущий спектр;

каждая реализация текущего спектра звукового сигнала может
быть представлена в виде детерминированного N-мерного вектора;

в памяти модели фиксируются эталоны в виде N-мерных
векторов, которые обозначают определенный тип данного класса
звуковых сигналов;

в процессе опознания распознаваемый звуковой сигнал отождествляется с тем или иным эталоном в соответствии с принятыми правилами.

Рассмотрим подробнее, как реализуются эти положения при создании распознавателей речи. На основании исследований в области физиологии и психологии речи можно выделить два основных этапа обработки речевой информации. Этап первичной обработки связан с ее анализом и выделением наиболее характерных признаков, этап вторичной обработки – с опознанием речевых сигналов на основании результатов сравнения выделенных признаков с признаками эталонов.

Дата добавления: 2014-12-29